王海琦，竇小雨，王林

（1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，蘭州 730000；2.甘肅省地質(zhì)勘查基金管理中心，蘭州 730000；3.中國(guó)石油 新疆油田分公司 監(jiān)理公司，新疆 克拉瑪依 834000）

截至2012年，昆北油田累計(jì)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量1.07×108t，目前已建成產(chǎn)能50.00×104t[1]，其意義不僅僅是柴達(dá)木盆地繼尕斯庫(kù)勒油田發(fā)現(xiàn)后的又一個(gè)億噸級(jí)油田，更成功明確了“富烴凹陷周緣古隆起”、“盆內(nèi)晚期構(gòu)造帶”、“盆地基巖”及“古斜坡致密巖性區(qū)”四大潛在油氣勘探領(lǐng)域，為青海油田具備規(guī)模發(fā)現(xiàn)和可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[2]。由于斷裂配置關(guān)系和儲(chǔ)集層條件是昆北斷階帶油氣富集成藏的主要控制因素[3-4]，探究斷裂特征，恢復(fù)斷裂形成、演化過(guò)程，了解其形成機(jī)制尤為重要。因此，筆者從構(gòu)造模擬的角度，設(shè)計(jì)2組實(shí)驗(yàn)，探究昆北斷階帶區(qū)域構(gòu)造演化模式，剖析油氣富集規(guī)律，為油氣勘探工作提供借鑒。

1 地質(zhì)背景

昆北斷階帶位于柴達(dá)木盆地西南緣昆侖山前，隨著中—新生代以來(lái)昆北地區(qū)西側(cè)阿爾金山的走滑作用和南緣昆侖山的強(qiáng)烈擠壓作用，特別是受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期南北向構(gòu)造動(dòng)力的控制，發(fā)育了一系列壓扭性多級(jí)斷裂體系[4]，在平面上呈向北凸出的弧形，近平行分布[5]。昆北斷階帶斷裂總體有2個(gè)特點(diǎn)：①一、二級(jí)主控?cái)嗔丫鶠槟鏀嗔眩毡橐?guī)模大，在平面上呈弧形或反“S”形展布，主要為北西—南東向和北西西—南東東向；②由一、二級(jí)主控?cái)嗔雅缮娜?jí)及次級(jí)斷裂，主要為近南北向和北東—南西向，是控制研究區(qū)構(gòu)造圈閉的主要斷裂（圖1）。

圖1 昆北斷階帶區(qū)域構(gòu)造綱要與油氣富集區(qū)

昆北斷階帶基底主要為古生代變質(zhì)巖和海西運(yùn)動(dòng)期花崗巖，其上自下而上發(fā)育古近系古新—始新統(tǒng)路樂(lè)河組（E1+2l）、漸新統(tǒng)下干柴溝組（E3xg），新近系中新統(tǒng)上干柴溝組（N1sg）以及第四系更新統(tǒng)七個(gè)泉組（Q1+2q）。研究區(qū)切16井區(qū)、切6井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)均已證實(shí)為油氣富集區(qū)，油氣主要賦存于路樂(lè)河組—下干柴溝組[5-6]。

2 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)原理、儀器和材料

構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)是構(gòu)造地質(zhì)研究的一個(gè)重要方面。國(guó)內(nèi)外構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)主要有2類裝置：第一類是離心機(jī)模擬裝置，此類裝置一般多采用具有黏性的物質(zhì)作為材料，主要用來(lái)模擬褶皺、各種重力構(gòu)造以及黏性熔巖的侵入等；另一類裝置主要是砂箱，是傳統(tǒng)的平臺(tái)變形裝置，可以用來(lái)進(jìn)行擠壓、伸展、剪切等構(gòu)造模擬，在研究盆地構(gòu)造演化方向應(yīng)用廣泛，其形態(tài)一般呈無(wú)蓋的箱狀體[7]。

大量研究證明，對(duì)于構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中只需遵循相似性原則，盡可能在邊界幾何學(xué)形態(tài)的拾取、材料的選擇及運(yùn)動(dòng)學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)機(jī)制等重要因素上相似；簡(jiǎn)化模型，提高可操作性，忽略次要因素[7-11]。

選擇合適的模型材料是模擬實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過(guò)對(duì)昆北斷階帶的巖性統(tǒng)計(jì)得出，古近系—新近系多以砂泥巖組合為主，陸源泥巖發(fā)育[12]。本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)具體儲(chǔ)集層巖性的差異，多次調(diào)整材料的配比，確定了最優(yōu)選方案。模擬砂層總厚度為6 cm，劃分為4層，模擬材料主要為粒徑0.3 mm的石英砂、染色石英砂及黏土，內(nèi)摩擦角約為31°，橡皮泥粉和凡士林可以增加材料的塑性，更易形成褶皺；滑石粉和熟石膏粉可以讓材料松散，易形成裂縫、斷層。具體砂層劃分和材料配比方案如表1所示。

3 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)

如圖1所示，昆北斷階帶北緣的昆北斷裂形態(tài)為弧形，南緣的昆前斷裂相對(duì)平直，原因主要是盆山及古構(gòu)造邊界條件、基底及上覆沉積地層巖石力學(xué)性質(zhì)等均為不均衡，同時(shí)受喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期昆侖山由南向北不均衡的強(qiáng)烈擠壓及西側(cè)阿爾金山左行走滑斷裂體系的制約[13]。為提高構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)精度，通過(guò)區(qū)域資料研究和多次實(shí)驗(yàn)?zāi)M，盡可能在邊界幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及動(dòng)力學(xué)機(jī)制等重要因素滿足相似性原則。有關(guān)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表2.

昆北斷階帶發(fā)育復(fù)雜多級(jí)構(gòu)造格局，為研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造變形的應(yīng)力作用機(jī)制，筆者針對(duì)一、二級(jí)主控?cái)嗔押腿?jí)及次級(jí)斷裂分別設(shè)計(jì)了2組構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)，都是利用砂箱，通過(guò)液壓步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)推覆模塊模擬昆侖山由南向北的擠壓作用。不同的是，模擬三級(jí)及次級(jí)斷裂的第二組實(shí)驗(yàn)以昆北斷裂作為先存邊界斷裂，依據(jù)其形態(tài)制作了砂箱的邊界作為限制條件，主要依據(jù)有2點(diǎn)：一是昆北斷裂由基底斷裂繼承發(fā)育而來(lái)，活動(dòng)期次多、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)次級(jí)斷裂的形成有重要的控制作用[14-15]；二是前人研究證實(shí)邊界形態(tài)的差異直接關(guān)系到構(gòu)造應(yīng)力作用強(qiáng)度與作用機(jī)制。

表1 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)砂層劃分及材料配比方案

表2 構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1 一、二級(jí)主控?cái)嗔褬?gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)

構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)砂箱內(nèi)徑400 mm×700 mm×10 mm（圖2a），液壓步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)砂箱活動(dòng)擋板，另一端設(shè)定為砂箱固定擋板，模擬地層嚴(yán)格按表1的材料配比制作。地貌上昆侖山邊界明顯向柴達(dá)木盆地方向凸出（圖1），設(shè)計(jì)使用聚苯塑料制作的模塊固定在活動(dòng)擋板端模擬昆侖山先存剛性邊界條件。研究區(qū)長(zhǎng)度、推覆體長(zhǎng)度、密度、擠壓速度、擠壓時(shí)間等數(shù)據(jù)見表2.由于不均衡擠壓的應(yīng)力學(xué)和模擬地層的材料力學(xué)的差異，推覆體外的1號(hào)和5號(hào)縱切剖面與推覆體上的2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)縱切剖面（圖2b）分別產(chǎn)生了2種構(gòu)造形式：第一種以1號(hào)縱切剖面為例，變形較弱，樣式相對(duì)簡(jiǎn)單，為疊瓦狀逆沖斷裂組成的前展式單斜斷塊樣式，在各模擬砂層中均有發(fā)育，其發(fā)育表現(xiàn)為擠壓開始時(shí)，推擠段至砂層中段先出現(xiàn)整體的褶皺，隨著位移不斷增加，模擬地層進(jìn)一步縮短，褶皺的波長(zhǎng)變短，軸面傾角變小，開始發(fā)育楔形體，隨楔形體不斷向前進(jìn)展，形成低角度逆沖推覆斷裂F1，隨著地層縮短量進(jìn)一步加大，沖斷作用逐漸向盆地方向發(fā)展，并發(fā)育逆沖推覆斷裂F2，與F1近平行分布，構(gòu)成前展式單斜斷塊；第二種以3號(hào)縱切剖面為例，變形更加強(qiáng)烈，其逆沖推覆斷裂F1和F2的發(fā)育過(guò)程與1號(hào)縱切剖面基本一致，在逐漸增強(qiáng)的水平剪切應(yīng)力與垂向剪切應(yīng)力持續(xù)作用下，F(xiàn)1上盤淺部地層低角度滑脫，F(xiàn)1上盤深部地層高角度反沖，構(gòu)成高角度沖起斷裂F3，滑脫層對(duì)推擠段的構(gòu)造有明顯的調(diào)節(jié)作用，隨著地層縮短量繼續(xù)增加，F(xiàn)1斷裂產(chǎn)狀變陡，在塑性較強(qiáng)的Ⅲ—Ⅳ模擬砂層中（對(duì)應(yīng)路樂(lè)河組—上干柴溝組下段）發(fā)育多套背斜，產(chǎn)生了斷裂—皺褶疊加的組合樣式（圖2c—圖2g），為溝通油源提供了良好的條件。

圖2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M昆北斷階帶前展式逆沖斷裂不均衡發(fā)育模式

圖3 昆北斷階帶地震構(gòu)造解釋剖面

昆北斷階帶自西向東5條地震構(gòu)造解釋剖面（圖3）顯示，西側(cè)98182測(cè)線和CDM07測(cè)線反映在不均衡前陸沖斷應(yīng)力作用下發(fā)育簡(jiǎn)單斷裂，構(gòu)造變形弱，樣式較簡(jiǎn)單，為一系列疊瓦狀逆沖斷裂；中東部Line2500測(cè)線和Line3200測(cè)線反映擠壓作用明顯增強(qiáng)，構(gòu)造變形強(qiáng)烈，除疊瓦狀逆沖斷裂外，還發(fā)育褶皺斷裂沖斷體系，并在構(gòu)造的一翼沉積生長(zhǎng)層序[14]。表明昆北斷階帶構(gòu)造變形存在明顯的不均衡性。根據(jù)昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面，計(jì)算得到98182測(cè)線、CDM07測(cè)線、Line2500測(cè)線、Line3200測(cè)線和070測(cè)線地震構(gòu)造解釋剖面的平均縮短率分別為12.21%，16.03%，18.12%，17.20%和13.09%.由于不均衡推覆體的存在，構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的5條縱切剖面的實(shí)際水平縮短量并不一致，變形程度不同。推覆體外的1號(hào)和5號(hào)縱切剖面水平縮短量為14 cm，水平縮短率為20.90%；推覆體上的2號(hào)、3號(hào)以及4號(hào)縱切剖面的水平縮短量為17 cm，水平縮短率為25.40%.通過(guò)與昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面平均縮短率對(duì)比得出，昆北斷階帶西部98182測(cè)線和東部070測(cè)線與模擬實(shí)驗(yàn)1號(hào)和5號(hào)縱切剖面的水平縮短率均偏低，反映構(gòu)造變形較弱；中東部的Line2500測(cè)線和Line3200測(cè)線與模擬實(shí)驗(yàn)2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)縱切剖面水平縮短率均明顯增大，反映擠壓作用明顯增強(qiáng)，構(gòu)造變形更加強(qiáng)烈。

綜上所述，昆北斷裂地震構(gòu)造解釋剖面與構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)縱切剖面對(duì)比，無(wú)論是平均縮短率的不均衡特征還是形成的構(gòu)造樣式，均高度相似，實(shí)驗(yàn)?zāi)M效果較好。

3.2 三級(jí)及次級(jí)斷裂構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)

以不均衡擠壓模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，除利用模塊模擬的邊界條件（A型、B型）不同以外，砂箱的其他設(shè)計(jì)參數(shù)和硬件配置保持不變（圖4）。通過(guò)研究不均衡擠壓推覆體在不同邊界作用下造成的應(yīng)力差異，進(jìn)一步研究其他展布方向的三級(jí)及次級(jí)斷裂特征和形成機(jī)制。

圖4 2種邊界形態(tài)砂箱的構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)示意圖

三級(jí)及次級(jí)斷裂構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)所使用的應(yīng)力分析方法以滑移線場(chǎng)理論為基礎(chǔ)，即通過(guò)構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)，在介質(zhì)層面上均勻分布應(yīng)變橢圓（圖5），應(yīng)變橢圓長(zhǎng)短軸的單位長(zhǎng)度一致，原始方位一致，遍布應(yīng)變橢圓的介質(zhì)層面構(gòu)成了一個(gè)平面應(yīng)變場(chǎng)。構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)使各應(yīng)變橢圓發(fā)生了變形，變形后長(zhǎng)軸的方位代表主正應(yīng)力方位，連接起來(lái)為主正應(yīng)力跡線，跡線上任何一點(diǎn)的切線方位，代表該點(diǎn)的主正應(yīng)力方位；短軸的方位代表主剪切應(yīng)力方位，連接起來(lái)為主剪切應(yīng)力跡線，跡線上任何一點(diǎn)的切線方位，代表該點(diǎn)的主剪切應(yīng)力方位；主正應(yīng)力跡線與主剪切應(yīng)力跡線為正交關(guān)系[9-10]。構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，基于A型、B型邊界形態(tài)砂箱產(chǎn)生共軛型（A型）和撕裂型（B型）2種特征的最大剪切應(yīng)力。

圖5 2種砂箱構(gòu)造模擬的主應(yīng)力軌跡場(chǎng)（據(jù)文獻(xiàn)［16］）

昆北斷階帶T800ms時(shí)間切片上的斷裂系統(tǒng)（圖6），可明顯劃分出多組共軛型斷裂系統(tǒng)和撕裂型斷裂系統(tǒng)，較好地吻合了上述先存剛性邊界條件下不均衡擠壓模擬實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果。

圖6 2種最大剪切應(yīng)力模式與研究區(qū)T800 ms時(shí)間切片斷裂系統(tǒng)分布

通過(guò)Marc三維構(gòu)造應(yīng)力分析軟件對(duì)昆北斷階帶先存弧形邊界的擠壓沖斷進(jìn)行了數(shù)值模擬。先存弧形邊界不均衡擠壓可產(chǎn)生一組共軛型的最大剪切應(yīng)力（圖7）。進(jìn)一步用3Dmove構(gòu)造模擬軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶下干柴溝組下段底面最大剪切應(yīng)力場(chǎng)，得到多組共軛型和撕裂型的最大剪切應(yīng)力（圖8）。

圖7 Marc軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶三級(jí)及次級(jí)斷裂形成機(jī)制

圖8 3Dmove軟件數(shù)值模擬昆北斷階帶下干柴溝組下段底面最大剪切應(yīng)力場(chǎng)

Marc和3Dmove軟件的數(shù)值模擬結(jié)果較吻合，表明共軛型和撕裂型2種次級(jí)斷裂系統(tǒng)是由最大剪切應(yīng)力控制。無(wú)論是共軛型還是撕裂型，應(yīng)力大量集中均能產(chǎn)生多組次級(jí)斷裂，使儲(chǔ)集層產(chǎn)生更多的微裂縫，間接促進(jìn)次生溶蝕，使儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性能顯著改善，這與切6井區(qū)、切16井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)富油氣的事實(shí)較為吻合。

4 結(jié)論

（1）昆北斷階帶構(gòu)造格局較為復(fù)雜，構(gòu)造的形成與發(fā)展受多種條件的限制，控制構(gòu)造變形的應(yīng)力作用機(jī)制也各有不同，因此，針對(duì)一、二級(jí)主控?cái)嗔押腿?jí)及次級(jí)斷裂分別設(shè)計(jì)了2組構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)。

（2）通過(guò)一、二級(jí)主控?cái)嗔褬?gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)揭示了喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)期，昆北斷階帶在南北向構(gòu)造動(dòng)力不均衡擠壓作用下，發(fā)育了一系列多級(jí)壓扭性沖斷斷裂體系，主要有2種構(gòu)造形式：一種樣式較簡(jiǎn)單，由疊瓦狀逆沖斷裂組成的前展式單斜斷塊模式；另一種產(chǎn)生了斷裂—皺褶疊加的組合樣式，變形更為強(qiáng)烈；5條模擬實(shí)驗(yàn)的縱切剖面與5條地震構(gòu)造解釋剖面平均縮短率特征擬合較好，發(fā)育的斷裂對(duì)溝通油源起到了積極作用。

（3）先存邊界控制的不均衡擠壓模式實(shí)驗(yàn)顯示，最大剪切應(yīng)力隨著邊界形態(tài)不同，表現(xiàn)為共軛型和撕裂型2種特征，與昆北斷階帶T800 ms時(shí)間切片上斷裂系統(tǒng)特征吻合；數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，2種次級(jí)斷裂系統(tǒng)均改善了儲(chǔ)集層的儲(chǔ)集性能。

（4）昆北油田切16井區(qū)、切6井區(qū)、切12井區(qū)和切4井區(qū)均已證實(shí)為油氣富集區(qū)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與現(xiàn)實(shí)有較好的一致性，對(duì)油氣勘探有較好指導(dǎo)和借鑒意義。

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