褶皱型潜山内幕形态与勘探方向——以白音查干达-锡地区为例

张放东，齐仁理，2，周杰，王学军，孔海瑞

（1.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原油田分公司博士后科研工作站，河南 郑州 450017）

褶皱型潜山内幕形态与勘探方向
——以白音查干达-锡地区为例

张放东1，齐仁理1，2，周杰1，王学军1，孔海瑞1

（1.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南 濮阳 457001；2.中国石化中原油田分公司博士后科研工作站，河南 郑州 450017）

基岩潜山油藏是深层油气勘探的一个重要领域。二连盆地白音查干凹陷达-锡地区发育基岩褶皱型潜山，具有形成油气藏的良好条件。达-锡潜山内幕结构与我国东部的潜山有较大差异，目前钻探资料较少，应用常规方法勘探难度较大。文中以定量造山动力学为指导，建立数学模型，通过模拟褶皱型潜山的形成及演化过程，发现褶皱型潜山内幕结构主要受挤压缩短量与地表剥蚀强度二因素控制。对于挤压与剥蚀较小的区域，基底的高部位是基岩油藏勘探的主要方向；对于挤压程度较大、剥蚀程度较重的地区，基岩隆起的腰部是基岩油藏勘探的主要方向。结合白音查干凹陷的实际勘探情况，BD11井西部白音翁特断裂带南段地区是未来白音查干凹陷基岩油藏的勘探方向。

基岩油藏；潜山内幕；数学模型；白音查干凹陷

0 引言

钻探证实，许多基岩内含有工业油气流［1-3］，如美国得克萨斯州、委内瑞拉、阿尔及利亚、乌克兰、西西伯利亚及澳大利亚都有基岩油藏的发现［1，3］。中国冀中任丘古潜山、辽河凹陷大民屯凹陷基岩潜山、大港油田北大港构造带东北斜坡的千米桥潜山等地区［4-8］也相继发现了规模较大的基岩油藏。基岩油藏作为未来深层油气勘探的一个重要领域，正在引起石油地质学家和勘探工作者的关注［1-7］。由于基岩内幕油藏埋藏深、构造复杂、裂缝发育不规则等因素，其勘探及开发都有很大的难度［8-11］。

二连盆地白音查干凹陷达-锡地区属于基岩褶皱型潜山，潜山内幕具有形成油气藏的良好条件。由于对基岩内幕的认识尚不清晰，虽然在D50井基岩中测试获得低产油流，但未取得基岩油藏的勘探突破。主要面临2个难题：一是本区发育的基岩褶皱型潜山与高先志、赵贤正等［12-13］总结的，适用于我国东部地区的潜山内幕地质模式有很大差异；二是针对潜山内幕钻井较少，覆盖潜山区域的地震资料主要是20世纪80年代采集的二维测线，不足以刻画潜山内幕的复杂结构，需要探索新的方法，研究基岩内幕。

1 白音查干凹陷基岩勘探现状与启示

白音查干凹陷位于二连盆地西缘，是川井坳陷中最大的一个次级构造单元。它是发育在海西褶皱基底之上的中生代沉积盆地，油气资源丰富，多种类型隐蔽油气藏共同发育［14-16］。目前，在盆地南坡超覆带、基底达-锡潜山的基岩中，D50钻井测试获得了低产油流，引起了石油专家的重视。

钻井证实，白音查干凹陷南坡达-锡潜山带基底岩性较为单一，为一套寒武—下志留系形成的、以片岩为主的变质岩，基岩内幕裂缝发育。基岩顶面构造面貌为单斜背景上的沟梁相间格局，发育褶皱型残留潜山。野外露头观察也证实，该套变质岩裂缝普遍发育，只要有较好的潜山内幕圈闭，就有形成潜山油藏的可能。

2014年以基岩潜山低凸起为目标设计部署了BD11井，位于地震剖面显示为低幅度构造背斜处。该井钻遇多套裂缝储层，多处裂缝中见沥青充填，但由于钻探位置圈闭遭到破坏，油气逸散。对基岩段进行取心发现，地层倾角很陡，普遍大于60°，部分层段近乎垂直（见图1）。

图1BD11井岩心照片

这一现象说明，之前按照基岩包络面刻画的潜山内幕结构不能代表基岩内幕形态，白音查干凹陷褶皱型潜山的内幕与其风化壳形态有很大的差异，基岩内幕并非简单的层状结构。这种结构与玉带山剖面非常相似，基岩风化壳为低凸起，而内幕为复合褶皱（见图2）。如何认识白音查干凹陷基岩风化壳与内幕的差异、确定潜山内幕结构，在基岩内幕中寻找保存相对完整的圈闭，是今后研究区基岩油藏勘探的重点。

图2 玉带山剖面地质结构

2 建立数学模型

在基岩潜山钻井少、地震分辨率不足，难以刻画潜山内幕的情况下，采用定量数值模拟的方法，建立数学模型。通过数值模拟［17-21］，定量研究褶皱形成的过程，对地质分析具有一定的指导意义。因此，在已知白音查干凹陷的基底为片岩的条件下，采用数值方法求解有关变量，可以从力学解析的角度确定挤压褶皱的形成与演化过程。

2.1 数学模拟方法原理

白音查干凹陷达-锡地区的基岩以片岩为主，片岩褶皱形成前多为平行等厚沉积。片岩内部褶皱的形成与演化过程属于连续介质的力学问题。白音查干凹陷基底演化经过了漫长的地质时间，在这一过程中，基底片岩的运动应遵循动量守恒定律。应用材料力学中的动量守恒原理——单位质量流体微团的加速度等于它所受到的体积力、表面上作用的压力与黏性应力之和——描述这类材料的流体动量守恒的运动方程就是纳维-斯托克斯方程，应用这一方程可以描述白音查干凹陷基岩的运动过程。片岩具有高黏滞性和低速流动特征，其雷诺数近于0，在直角坐标系下，可将斯托克斯方程简化为［19］

式中：σij为应力，Pa；xi为水平方向应变量，cm；ρ为密度，g/cm3；g为重力加速度，m/s2；f为垂直方向增加的载荷，N；下标i，j为运动过程中的方向及不同阶段。

在白音查干凹陷基岩褶皱形成的过程中，高部位地表物质被剥蚀以后，就近在低部位沉积，整个过程中物质是守恒的。物质守恒方程可表示为

式中：K为体积模量，Pa；p为岩石压力，Pa；u为岩石速度，m/s；t为时间，s。

在白音查干凹陷基岩褶皱的形成过程中，还涉及到变形过程中力的平衡。因为片岩或板岩的流变是黏弹性的，所以挤压形变过程的偏分量符合Maxwell弹性方程［19］：

以白音查干的基底片岩为例，当受到较小的挤压应力时会发生弹性变形；在挤压过程中，当压力大于片岩的塑性屈服应力时，地层会发生破裂。据Simpson［19］的研究结果，岩石是否破裂可以根据摩尔-库仑临界楔形理论公式判别。

式中：F为岩石破裂应力，N；c为岩石黏性强度，Pa；φ为内摩擦角，（°）；下标x，y分别为坐标系的2个方向。

在白音查干凹陷基岩演化过程中，伴有褶皱形成。由于局部隆升、山体坡度变化、大气降水、地表岩体的岩石风化等因素，褶皱的表层会发生岩崩、滑坡、河流冲刷、盆地沉积等作用。在造山动力学中，这些过程统称为地表过程。地表过程对褶皱带的形成及其最终形态并不起决定作用，但由于地表作用导致褶皱带不同位置的质量重新分布，这影响着局部重力均衡，进而影响褶皱形成及后续变形过程。据Simpson等［22-23］的研究成果，地表过程可应用线性扩散方程进行数学描述：

式中：κ为表面物质扩散率，m2/s；h为表面高程，m。

在白音查干凹陷褶皱的变形过程中，基底的片岩经历了挤压缩短、表面隆升的构造演变，剥蚀区地层挤压变厚的程度影响了之后的挠曲变形，而表面沉积物搬运效率控制了变形结构的空间分布。

这一问题可以通过受力平衡的数学求解来计算。在褶皱形成的过程中，物质保持应力平衡的状态，表层物质的剥蚀与卸载，影响之后的结构变形，主要有2种方式：第1种与均衡应力有关，这会导致剥蚀区的回弹与沉积区的沉降，这个程度主要与下伏地层岩石的刚性有关；第2种与动态应力平衡有关，由于挤压加厚的方向与重力方向相反，剥蚀导致的表层变化顺应了重力的趋势，在挤压的过程中一直处于动态平衡［19］。

式中：ε˙为应变率，s-1；下标z为坐标系方向。

式中：D为垂直方向地层弹性强度，Pa·m3；w为垂向形变量，m；Δρ为密度差异，kg/m3；q为负载，N。

2.2 数学物理方程的边界条件

据蒋飞虎等对白音查干凹陷地层的研究，本区基岩褶皱形成的地质条件与单侧挤压模型比较相似。即：推动地层的右侧，地层向左侧移动，结果在施加压力的右侧形成褶皱带。剪切应力根据式（8）设定为恒定值。下边界受内摩擦力作用，顶面为自由表面。这样的边界条件与McClay［24-25］曾经做过的沙箱物理实验的边界条件非常类似。

式中：τb为边界剪切应力，N；σn为正应力，N；φb为边界摩擦角，（°）。

为了准确描述地质过程及方便求解，引入无量纲参数E，并将其定义为剥蚀强度，表示表层物质搬运率与形变率的比值，即单位变形量的时间内表层物质的搬运量。E由小变大表示表层物质剥蚀的速度快于挤压变形的速度，剥蚀对变形的贡献逐渐增大。本文采用拉格朗日方法，采用迭代法求解上述方程。

数学模拟的优势在于可以连续调整剥蚀强度，模拟不同剥蚀强度下构造变形与剥蚀地层的再沉积过程，这是沙箱物理实验中很难控制的。

3 模型设计和模拟结果分析

针对白音查干凹陷基底的片岩特征，设计了一个片岩层状模型，并进行了数学模拟。地层模型的初始状态为3层片岩平行等厚分布，其右边界施加水平压力，垂直方向初始速度为0；左边固定，不施加应力，垂直与水平初速度均为0（见图3）。本文模拟了3种挤压条件下，不同变形率与表层物质搬运率的比值变化时，基岩褶皱的内幕结构。

图3 未挤压的基底结构模型

3.1 弱挤压情况下的褶皱内幕

在挤压开始时，剖面的右边出现褶皱背斜隆起。当挤压造成剖面缩短量为10%时，在E=1，10，100三种情况下，褶皱顶面的包络面差异不大（见图4），但褶皱内部结构差异较大。图中绿色为原始层状地层，蓝色代表褶皱顶部遭剥蚀后沉积的地层。

图4 弱挤压条件时褶皱内幕结构

当E=1时，剖面右侧出现一个完整的背斜，顶部保存完整，在顶面背斜的腰部之下也发育一个低幅度的背斜（见图4a）。当E=10时，剖面右侧的背斜顶部遭到严重剥蚀，3层模型的顶层多半被剥蚀，剖面内幕出现复合褶皱的雏形，但没有完全发育（见图4b）。E=100时，剖面右侧出现背斜，顶部遭到严重剥蚀，3层模型的顶部2层被剥蚀，剖面内幕出现直立褶皱 （见图4c）。遭剥蚀后沉积的地层分布范围增大，造成褶皱左侧较大的构造沉降量。

3.2 中等挤压情况下的褶皱内幕

随着挤压程度的增大，挤压背斜的幅度明显增大。在挤压造成剖面缩短量由10%增加到20%的过程中，水平方向上早期形成的背斜趋于稳定，在挤压过程中，活动构造的前端向左移动（见图5）。

图5 中等挤压时褶皱内幕结构

当挤压造成剖面缩短量为20%时，E=1的剖面右侧出现3个背斜，最早形成的背斜遭到的剥蚀最为严重，左边的背斜顶部保存完整，褶皱之间被剥蚀的地层充填。如果只从顶面倾角观察，会出现背斜成谷、向斜成山的特征（见图5a）。当E=10时，剖面右侧的早期背斜向左传导，形成密集的复合褶皱剖面，右侧模型顶部3层遭到严重剥蚀，最为严重的位置第1层全部被剥蚀。而其最左侧的背斜保存完整（见图5b）。E=100时，剖面右侧的背斜内幕出现复杂的冲断结构，其顶部遭到严重剥蚀（见图5c）。

3.3 较强挤压情况下的褶皱内幕

随着挤压程度的进一步增大，挤压背斜的幅度明显增大，剥蚀更加明显（见图6）。

在挤压造成剖面缩短量由20%增加到30%的过程中，水平方向上活动构造的前端继续向左移动。在挤压造成剖面缩短量为30%的条件下：E=1时的剖面右侧出现4个背斜，最早形成的背斜遭到的剥蚀最为严重，左边的3个背斜顶部保存完整（见图6a）；E=10时的剖面右侧密集的复合褶皱被继续挤压，形成陡立的直立褶皱，只有最左侧的背斜保存完整（见图6b）；E= 100时的剖面右侧背斜内幕复杂的冲断结构规模继续增大，顶部遭到严重剥蚀（见图6c）。被剥蚀的物质沉积在褶皱冲断带与未变形的地区之间，形成类似前陆盆地的结构。

图6 较强挤压时褶皱内幕结构

3.4 褶皱内幕结构与有效圈闭位置

基岩油藏勘探的关键是寻找保存完整的圈闭，通过对白音查干凹陷基岩褶皱的数学模拟证实，在挤压程度、剥蚀强度不同时，褶皱型潜山内幕结构有很大的差异。对于挤压变形较小的区域，基岩的高部位褶皱内圈闭保存完整，是基岩油藏勘探的主要方向（见图5右侧）。对于挤压程度较大、剥蚀程度较高的地区，基岩隆起的腰部基岩内幕复合褶皱底部的圈闭保存完整，是基岩油藏勘探的主要方向。

4 白音查干凹陷的基岩勘探方向

据蒋飞虎等人对白音查干凹陷地层的研究，白音查干凹陷达-锡地区基岩表层褶皱的压缩量约为20%，结合BD11井的岩心观察到的潜山内幕地层倾角与基岩包络面形态等地质信息，认为白音查干凹陷的基岩发育规律与模拟参数为E=10的数值模拟情况类似。按照该数学模型推演的结果，对84-817二维地震剖面进行了重新解释（见图7），认为BD11井以西的达-锡地区发育内幕为低凸起背斜，是圈闭的高部位，很有可能形成油气富集。

而此前D50井在基岩地层中获得低产油流的位置是处于这个低幅度圈闭边部的底部位。

图7 过BD11井—84-817井二维地震剖面新解释方案

5 结论

1）通过模拟白音查干凹陷基岩褶皱的形成与演化，确定了褶皱型潜山的内幕形态与构造特征，在数值模拟的基础上建立地质模式，结合实际资料能够有效确定基岩油藏勘探的有利方向。

2）数值模拟证实，褶皱型潜山内幕结构主要受挤压程度、剥蚀强度两因素影响。对于挤压变形较小的区域，基底的高部位是基岩油藏勘探的主要方向。对于挤压程度较大剥蚀程度较高的地区，在基岩隆起的中部，基岩内幕复合褶皱底部的背斜保存完整，是基岩油藏勘探的主要方向。

3）白音查干凹陷基岩发育模式与E=10时的数学模拟非常类似，D50井已经证实了这种类型潜山的存在。而BD11井以西基岩包络面隆起的中部基岩内幕背斜圈闭保存完整，是白音查干凹陷基岩油藏勘探突破的有利方向。

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（编辑 高学民）

Inner structure of fold-type buried hill and hydrocarbon exploration direction:an example of Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag

ZHANG Fangdong1,QI Renli1，2,ZHOU Jie1,WANG Xuejun1,KONG Hairui1
(1.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China; 2.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Zhengzhou 450017,China)

The basement reservoir is an important oil and gas exploration domain.Recent drilling shows that the fold-type basement reservoir of inner buried hill is developed in Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag.Because the inner structure is quite different from the buried hill in the eastern of China,and up till now there are quite few wells drilled into basement and seismic data is unable to get clear image in inner buried hill.The exploration of inner buried hill reservoir is very hard.Mathematical physics equations were built by mathematical simulation of fold structure evolution.The inner buried hill is better understood by the mathematical simulation. Mathematical model shows that inner structure is controlled by the shorten ratio caused by compression and erosion intensity.In low compression area,top of the fold is the favorable exploration direction,while in high compression area,the middle of the fold is the favorable exploration direction.Combined with regional drilling data in Baiyinchagan Sag,it is concluded that the west of BD11 is the favorable exploration area.

basement oil pool;inner buried hill;mathematical model;Baiyinchagan Sag

TE122.2+1

A

10.6056/dkyqt201606007

2016-04-28；改回日期：2016-08-17。

张放东，男，1962年生，高级工程师，主要从事油气勘探综合研究工作。E-mail：zfdzfdnew@163.com。

张放东，齐仁理，周杰，等.褶皱型潜山内幕形态与勘探方向：以白音查干达-锡地区为例［J］.断块油气田，2016，23（6）：716-720.

ZHANG Fangdong,QI Renli,ZHOU Jie，et al.Inner structure of fold-type buried hill and hydrocarbon exploration direction:an example of Da-Xi Area,Baiyinchagan Sag［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2016，23（6）：716-720.