基于KronosFlow软件对逆冲推覆带构造-热演化的初探

李 丹常 健李晨星姚同云刘敏珠

1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;

2.中国石油大学(北京)地球科学学院,北京102249;

3.北京阿什卡技术开发有限公司,北京100101

盆地模拟是由计算机遵从地质过程定量地模拟含油气盆地的形成和演化,从而反映出含油气盆地中油气成藏的本质规律 (Hantschel and Kauerauf,2009; 汪锐等,2020)。盆地模拟技术发展至今已有40 余年,目前国际上应用较为广泛、认可度较高的盆模软件主要包括德国Schlumberger公司的PetroMod软件、美国Platte River公司(PRA)的BasinMod软件、Zetaware公司的Trinity软件和法国石油研究院(IFP)的TemisFlow软件(张庆春,2001;石广仁,2009)。PetroMod软件是超压技术的代表(Gabriele, 2017),BasinMod软件侧重结合测井曲线模拟盆地,Trinity软件能利用地壳厚度和沉积速率预测大地热流值,TemisFlow软件是回剥技术的代表。对国内而言,中石油公司开发的BASIMS软件也具有较广的应用,但是软件数值模拟水平和软件更新速度相比国外有一定差距。这些软件尽管可以进行多尺度的盆地模拟,但对于侧向构造运动的模拟仍存在问题,尤其对于构造复杂地区,如逆冲推覆带、盐构造和泥底辟等(刘可禹和刘建良,2017),而这些地区通常是油气勘探的重要地区,因此对相关构造的模拟具有一定的科学意义。为了解决复杂构造在盆地模拟中存在的这一问题,文中利用法国Beicip-Franlab公司设计的KronosFlow 2012软件对塔里木盆地柯坪逆冲推覆带和库车逆冲推覆带进行了新生代以来的定量反演,并利用实测数据约束及验证其有效性。

1 KronosFlow 2012软件简介

对于复杂构造环境下的地史恢复,一套地层可能有多个深度值,除了要考虑垂向上地层厚度的变化,还要考虑横向上的收缩量,因此利用传统的回剥技术已经难以实现。法国Beicip-Franlab公司的KronosFlow 2012软件提出非结构化网格技术和有限体积法结合的模拟思路,在保证网格物质平衡的前提下,恢复地层从沉积初期至今的构造演变过程,输出一系列连续的网格变形动态图,能够解释沉积物减压、侵蚀和侧向位移,适用于逆冲推覆构造、盐构造和泥底辟等复杂构造。另外,KronosFlow 2012软件与TemisFlow2012软件可以很好的结合,将地史重建的结果输入到TemisFlow软件中,在垂向压实和水平挤压应力共同作用下,进行高精度的多尺度盆地模拟。该软件与其他盆模软件相比,具有以下优势:①突破了盆地建模中对于逆冲推覆带、盐构造和泥底辟等的局限性 (Anka et al., 2018);②可以描述复杂构造形态 (Anka et al., 2018);③能够恢复盆地侧向变形量 (Frery et al., 2017);④可以在动态网格上模拟油气的生排运聚过程 (Frery et al.,2017)。

2 工作流程及数据准备

利用KronosFlow软件进行盆地建模(图1),是以钻井、地震、测井以及地层对比信息等资料为基础,将剖面数字化并建立构造及骨架模型(图2),并结合岩相资料创建完整的现今剖面。然后依次恢复断层侧向位移,消除后期变形等影响(图3),并进行网格化处理,在保证网格物质平衡的基础下,恢复研究区构造演化史。最后将构造恢复结果输入到TemisFlow软件中,并设置4类约束条件包括沉积模型(地质单元、地层年代、岩性、厚度、石油系统因素)、断层性质(穿透性)、热条件(现今热流、古热流、地温梯度、地表温度)以及岩石圈模型(地质单元及层厚等)。在此基础上,即可进行模拟。通过Temisflow盆地模拟,可以获得14种结果(图4),结果涉及地史、热史、生烃史、排烃史、运聚史5个方面,准确性较高,使用者可以结合实测数据进行选择。

图1 盆地模拟流程图Fig.1 Workflow of basin modeling for the KronosFlow software

图4 TemisFlow 2012软件界面图Fig.4 Interface of the TemisFlow 2012 software

KronosFlow软件界面清晰,具有4种变形类型(图3):①移动最小二乘法,在位移场中给每个受约束的顶点设置位移量,而达到表面变化最小化;②有限元法,用于离散化和解决可变形材料表面模型的手段;③定向剪切,以一定角度变化;④弯曲滑动,选择相应参考线,以此为标准实现其他线长度变化最小化。另外还有5种变形设置:①自动重新组合行,在一致的行上应用约束;②使用锚点;③调整长度,调整长度以获得更好的贴合度;④允许混合线类型,混合断层和水平线;⑤选择实习线,在内部线上应用约束。这4种变形类型及5种变形设置可以通过3种操作方式实现,分别是双线约束、滑动变形和多元约束。变形方法与操作方式的完美利用,可以高效准确地实现构造恢复,为盆地模拟打下夯实的基础。软件还具有强大的质量检验功能,在每一步操作结束后均可对几何形状、特征一致性、最小区域等方面进行检验,以确保操作的准确性。

图3 KronosFlow 2012软件构造恢复界面图Fig.3 Restoration interface of the KronosFlow 2012 software

实际操作中,需要注意以下几个方面:①创建现今剖面时基底要有合理的形态,才能保证构造恢复时断块沿滑脱面顺利滑动;②对于简单的褶皱构造,采用多元约束是极为有效且准确的一种操作方式,该方法要求断层两侧的所有地层线均手动设置到相应的位置,因此可以较准确地恢复断层两侧的地层,有效地减少检验时的错误提示;③对于复杂的褶皱形态,需要先利用双线约束法中的弯曲滑动来约束断块内部线实现去褶皱,再用多元约束法进行准确恢复;④该软件具备自动检验错误的功能,若在检验时出现断块有部分叠加的错误,利用滑动变形法可以较好地解决这个问题。

3 实例分析

文中以塔里木盆地北缘柯坪逆冲推覆带的AA′剖面和库车逆冲推覆带的B-B′剖面为例,结合KronosFlow软件在挤压盆地模拟方面的优势,通过构建数学模型,进行热史及烃源岩成熟度的恢复,并将盆地温度场及成熟度模拟结果与已有实测数据进行对比分析,约束并验证盆地模拟的结果。

3.1 柯坪逆冲推覆带构造-热演化研究

柯坪逆冲推覆带位于塔里木盆地西北缘(图5),表现为叠瓦状逆冲推覆,于白垩纪发生剥露事件,具有暴露式逆冲推覆前锋(马德明等,2007;Chang et al., 2019),最主要的区域性滑脱面是中寒武统阿瓦塔格组膏泥岩层(曲国胜等,2003)。柯坪地区具有广阔的油气勘探前景,广泛分布的油苗等证实了该地区曾有过大规模的油气运聚,另外新苏地1井钻遇了奥陶系—志留系多套油气显示层,尤其在志留系柯坪塔格组获工业气流,表明其具有良好的石油地质条件(吕修祥和严俊君,1996;杨庚,2003;吕修祥等,2014;黄苏卫,2014;张远银等,2019;高永进等,2020)。

1—柯坪塔格断层;2—柯坪塔格背斜;3—依木干他乌断层;4—卡拉布克塞塔格断层;5—孔乌腊奇背斜;6—依木干他乌南断层;7—奥兹尔塔格断层;8—皮羌山断层;9—皮羌山向斜;10—托克散阿达拜山背斜;11—阿合奇-乌恰断层;12—皮羌断层;13—萨尔干断层;14—印干断层;15—科克布克三山断层;16—奥伊布拉克山断层图5 柯坪逆冲推覆带主要断层和褶皱构造分布图(据吕修祥等,2014修改)Fig.5 Major faults and folds in the Kalpin thrust-nappe belt (modified after lv et al., 2014)1-Kepingtag fault; 2-Kepingtag anticline; 3-Yimugantawu fault; 4-Kalabukesaitag fault; 5-Kongwuqi anticline; 6-Southern Yimugantawu fault; 7-Aoziertag fault; 8-Piqiangshan fault; 9-Piqiangshan syncline; 10-Tuokesanadabaishan anticline; 11-Aheqi-Wuqia fault; 12-Piqiang fault; 13-Sergan fault; 14-Yin′gan fault; 15-Kekebukesanshan fault; 16-Aoyibulakeshan fault

A-A′剖面(图6)发育3个逆冲席(柯坪塔格、依木干他乌、卡拉布克塞塔格),由上覆于第四系的寒武系—二叠系组成,指示出一个弧形的突起地貌,并以中寒武统膏泥岩层为滑脱面(杨庚,2003)。该剖面原始长度为99.6 km,现今长度为61.1 km,缩短量为38.5 km,缩短率为38.7%。文中模拟A-A′剖面采用的约束条件见表1,热流数据参考已有研究成果 (王良书等,1995;刘绍文等,2017a),由于柯坪逆冲推覆带自侏罗纪以来处于缓慢冷却阶段,热流匀速降低,仅利用古热流和现今热流加以约束。文中利用平衡剖面技术依次恢复了该剖面的初始构造。根据实测低温热年代学年龄和砂箱实验模拟认为卡拉布克赛格、依木干他乌、柯坪塔格断层活动时间分别为54～46 Ma、40～30 Ma、15～10 Ma(Chang et al., 2019)。此次热史模拟结果表明(图7),依木干他乌断层在40～30 Ma再次活动,断层附近志留系—泥盆系(S-D)的温度大于85 ℃,柯坪塔格断层在15～10 Ma活动,断层附近志留系—泥盆系(S-D)的温度小于70 ℃,与已有研究结果相一致(Chang et al., 2019)。整体上,温度随地层埋深的增加而升高,体现了构造-热演化的相关性,受构造挤压、断层活动和盐体上涌的影响,局部温度场受到干扰(何丽娟等,2017)。

表1 柯坪逆冲推覆带A-A′剖面模拟约束参数Table 1 Constraint parameters of the A-A′ section modeling for the Kalpin thrust-nappe belt

图6 柯坪逆冲推覆带A-A′剖面图(据马德明等,2007修改;剖面位置见图5)Fig.6 A-A′cross section across the Kalpin thrust-nappe belt (modified after Ma et al., 2007; location is shown in Fig.5)

同时,烃源岩成熟度模拟结果表明(图8),寒武系烃源岩成熟度为1.3%～1.7%,奥陶系烃源岩成熟度为0.7%～1.2%,石炭系烃源岩成熟度为0.5%～0.9%,二叠系烃源岩成熟度为0.4%～0.6%,寒武系和奥陶系烃源岩热演化程度高,处于高成熟阶段,生烃能力强,模拟结果与相关学者对柯坪地区烃源岩实测镜质体反射率结果相匹配(李椿等,2001;张远银等,2019)。柯坪逆冲推覆带奥陶系烃源岩随着埋藏深度的增加而不断成熟,受隆升剥蚀作用的影响,烃源岩热演化停滞,现今进入到生油和凝析油-湿气阶段。

图8 柯坪逆冲推覆带A-A′剖面烃源岩成熟度演化图Fig.8 Maturity evolution of source rock in the A-A′ section in the Kalpin thrust-nappe belt

3.2 库车逆冲推覆带构造-热演化

库车逆冲推覆带位于柯坪逆冲推覆带东部(图9),其北部以厚皮构造为主,至克拉苏-依奇克里克构造带发育薄皮构造,总体表现为前列式逆冲断层和断层相关褶皱,于晚中新世(15 Ma)开始快速抬升持续到5 Ma(金文正等,2007;李曰俊等,2008;常健等,2012)。新近系吉迪克组发育的盐枕构造既是变形层位也是滑脱层位,盐上发育沿盐岩层内滑脱形成的逆冲断层,而盐下发育切穿基底的逆冲断层和滑脱于中生界层内的叠瓦状逆冲断层。库车逆冲推覆带具有优越的石油地质条件,以深部的高成熟天然气为主,累计探明天然气地质储量1.03×1012m3、石油地质储量2495×104t(蔚远江等,2019)。B-B′剖面原始长度为44.92 km,现今长度为31.58 km,缩短量为13.34 km,缩短率是29.7 % (图10;金文正等,2007)。文中模拟B-B′剖面采用的约束条件见表2,热流数据参考已有研究成果 (王良书等,1995;刘绍文等,2017a),库车前陆盆地三叠纪以来始终处于较低热流状态(鲁雪松等,2014),热流匀速降低,热流数据的选择和A-A′剖面一致。由于该剖面发育有吉迪克组膏盐层,已不适用于传统的平衡剖面“面积平衡”原则,文中区分盐上层、盐下层并结合去压实和均衡调整的方法复原剖面 (Rowan, 1993; Bishop et al., 1995;Buchanan et al., 1996; 金文正等,2007)。结合低温热年代学以及沉积学,已有研究认为新生代以来库车逆冲推覆带经历了4期隆升,分别是54～36 Ma、25～23 Ma、19～13 Ma、9～5 Ma(马前等,2006;杜治利等,2007;Wang et al., 2015;Zhang et al., 2016)。此次模拟结果显示(图11),库车逆冲推覆带温度随埋深的增加而增大,横向上同一地层的温度具有由北向南逐渐升高的趋势,其中以侏罗系地层为例,北段温度介于50～70 ℃,南段温度介于210～230 ℃,这与相关学者认为的依奇克里克地温梯度最高,秋里塔格背斜和南部平缓背斜带较低的结果一致(魏志彬等,2001;王良书等,2003;李梅等2004;王飞宇等,2005;鲁雪松等,2014)。盐构造的存在能显著地改变地温场分布格局, 造成地温异常(刘绍文等,2017b)。模拟结果表明,中新统吉迪克组膏盐岩使下伏古近系地层温度降低,温度介于130～150 ℃,比围岩低约10～20 ℃,其中秋里塔格构造带膏盐岩最厚,降温效果最明显。

图11 库车逆冲推覆带B-B′剖面的温度场演化Fig.11 Temperature field evolution of the B-B′ section for the Kuqa thrust-nappe belt

表2 库车逆冲推覆带B-B′剖面模拟约束参数Table 2 Constraint parameters of the B-B′ section modeling for the Kuqa thrust-nappe belt

图9 库车逆冲推覆带构造单元及主要断层和褶皱分布图(据Wen et al., 2017修改)Fig.9 Tectonic units of the Kuqa thrust-nappe belt with the major faults and folds (modified after Wen et al., 2017)

图10 库车逆冲推覆带B-B′剖面图(据金文正等,2007修改;剖面位置见图9)Fig.10 B-B′ cross section across the Kuqa thrust-nappe belt (modified after Jin et al., 2007; location is shown in Fig.9)

4 讨论及存在的问题

4.1 温度对逆冲推覆带油气成藏的影响

逆冲推覆带广泛发育于被动大陆边缘和内克拉通挤压盆地边缘(Nemcok et al., 2005),已成为中国未来油气勘探的重要接替区(张蔚等,2019),如吐哈盆地火焰山逆冲推覆带(姚宏鑫等,2013)、羌塘盆地逆冲推覆带(季长军等,2019)、库车逆冲推覆带 (魏国齐和贾承造,1998)和柯坪逆冲推覆带(吕修祥等,2014)。其中库车逆冲推覆带发现了克拉2、迪那2、却勒1等大型油气田,以及南部的中秋1井特大型凝析气藏(杜金虎等,2019;刘春等,2019),柯坪逆冲推覆带东部的新苏地1井钻遇了奥陶系—志留系多套的油气显示层(张远银等,2019;高永进等,2020),表明了逆冲推覆带具有良好的勘探前景。目前国际上已有一些学者通过建立二维热动力学模型探讨了逆冲推覆带变形过程中的复杂地温场(Almendral et al., 2015; Mora et al., 2015;McQuarrie and Ehlers, 2017),但是国内还缺少相关研究,文中首次利用KronosFlow与TemisFlow的盆地模拟结果与实测数据对比,分析了温度场对逆冲推覆带油气成藏的影响。A-A′剖面模拟结果表明南段奥陶系烃源岩温度为75～90 ℃,成熟度为0.6%～0.8%,与位于柯坪断隆沙井子构造带的新苏地1井的实测数据匹配,奥陶系烃源岩整体处于成熟热演化阶段,以生油为主(张远银等,2019);B-B′剖面模拟结果表明北段白垩系储层在16 Ma的温度为90～100 ℃,6 Ma的温度为110～120 ℃,现今温度为100～125 ℃与克拉2井的流体包裹体均一温度数据一致(于志超等,2016),而南段白垩系现今地层温度为143～150 ℃,与中秋1井地层测试资料一致,该井区以生凝析气藏为主(刘春等,2019)。温度的差异造成了烃源岩热演化和储层温度的差异,从而形成了不同的油气藏类型。库车逆冲推覆带广泛发育中新统吉迪克组膏盐岩,由于南部的膏盐岩厚度比北部大,其下伏地层温度较低,而上覆地层温度较高,从而造成逆冲推覆带逆冲席和隐伏构造都具有生烃潜力,从而成为油气勘探有利地区。

逆冲推覆作用不仅能够加速烃源岩的热演化,还能改善运聚条件,并形成一系列构造圈闭,从而影响含油气系统(何登发和贾承造,2005;梁明亮等,2020)。柯坪和库车逆冲推覆带具有不同的生、储、盖组合和构造特征(表3),其中柯坪逆冲推覆带主要发育断层传播褶皱和叠瓦状逆冲断层,而库车逆冲推覆带盐下层发育断层转折褶皱,盐上层发育断层传播褶皱和断滑褶皱。大量的与逆冲推覆相关的构造圈闭,为油气聚集提供了优异的条件。逆冲推覆作用还对构造形态产生了影响,构造隆起区如柯坪塔格断层和依奇克里克构造带等温度较高,而坳陷区如柯坪塔格背斜、孔乌腊齐背斜和拜城凹陷等温度偏低。这是由于坳陷区浅部沉积物较厚,且岩石热导率较低,而隆起区岩层厚度大,岩石热导率也较大,造成坳陷区形成低温区,而隆起区形成高温区,从而影响烃源岩的热演化(熊亮萍和高维安,1982)。另外,逆冲断层作为油气运移的通道,多期的断层活动导致广泛的油气运移,柯坪地区丰富的地面油气显示证实了这一点。由于构造活动强烈,因此油气成藏的关键取决于断裂的发育是否能够沟通烃源岩、储层、圈闭,以及对盖层是否有所破坏。

表3 柯坪、库车逆冲推覆带生储盖及构造差异Table 3 Differences in source rock, reservoir, cap rock and tectonic style between the Kalpin and Kuqa thrust-nappe belts

4.2 存在的问题

通过对柯坪逆冲推覆带和库车逆冲推覆带的二维模拟,验证其新生代以来的温度场的演化过程,基本可以认为KronosFlow与TemisFlow结合的盆地模拟的结果与实测数据匹配度高,弥补了逆冲推覆带等复杂构造区域的盆地模拟的不足,便于学者们进行多角度综合性的盆地分析。然而,在操作过程中也存在以下问题:①该软件对于计算机设备要求较高,电脑系统为Windows 10,RAM为12 GB以上且可用磁盘空间至少为5 GB,才能保证软件成功安装并且操作流畅;②该软件需要在剖面数字化时确定合理的基底形态,以保证断层的正常滑移以及完成构造恢复,因此需要使用者合理表示出基底形态;③该软件具备强大的质量检验功能,在每一步操作结束后均可以对于几何形状、特征一致性、最小区域等方面进行检验,操作者很难做到在没有任何错误提示的情况下完成盆地模拟,这可能会使新手产生困惑而进行无谓的修改。

5 结论

逆冲推覆带的逆冲过程、膏盐岩塑性流动等会对温度造成干扰,从而对油气成藏产生重要影响。KronosFlow软件作为一种比较实用的软件,其界面清晰易懂,使用方便快捷,图件准确美观,可与TemisFlow无缝衔接同时生成复杂构造演化、温度场模拟、以及油气系统模拟的多种图件,该软件拟合出的结果也与实际数据匹配度非常高,在实际操作中也很便利,并且弥补了盆地模拟中对于逆冲推覆带等复杂构造的局限性。实例分析表明:柯坪逆冲推覆带的依木干他乌断层在40～30 Ma再次活动,断层附近志留系—泥盆系的温度大于85 ℃,柯坪塔格断层在15～10 Ma活动,断层附近志留系—泥盆系的温度小于70℃,寒武系(烃源岩成熟度1.3%～1.7%)和奥陶系(烃源岩成熟度0.7%～1.2%)烃源岩热演化程度高,生烃能力强。库车逆冲推覆带侏罗系北段温度介于50～70 ℃,南段温度介于210～230 ℃,盐构造造成地温异常,其中秋里塔格构造带膏盐岩最厚,降温效果最明显。

致谢:感谢Beicip-Franlab和北京阿什卡技术开发有限公司在剖面模拟时给予的帮助。