平衡剖面技术在油气勘探中的应用

平衡剖面技术在油气勘探中的应用

0地震资料解释的随意性地震剖面的解释是勘探过程中非常重要的环节。从勘探到开发，油田必须解释大量地震剖面。在剖面解释过程中，解释人员通常根据自己的主观经验进行推测。在结构复杂的褶皱带和其他区域，这种解释方法具有很大的随机性，不同的地质条件会得出完全相反的结论。因此，平衡剖面技术的优势在于，如何提高剖面解释的精度，可以尽量减少解释的随机性。目前，平衡剖面技术是地震数据解释过程中的一项重要技术。1.1平衡剖面的概念1969年Dahlstrom提出了平衡剖面方法,并在阿帕拉契亚(Appalachians)构造区带研究中应用.从此,这一方法逐渐在地震地质解释中被推广.平衡剖面指的是遵循层长或面积变形前后不变的原则,可以恢复到原始沉积地层状态的变形剖面,或从沉积地层依据变形原理得到的变形剖面,它是一条可以接受的、合理的剖面,与未平衡的剖面相比满足了大量合理的限制条件,因而,也是更严谨的标准剖面;相反,一条难以平衡的剖面一定是错误的.1.2剖面解释的随意性平衡剖面遵守体积守恒法则,即岩石变形只是形态发生变化,而体积保持不变,但由于实际地质情况复杂,为便于应用,经过简化.平衡地质剖面提出了面积守恒、层长守恒、位移量守恒等一系列几何法则,以此来制约剖面解释的随意性.(1)面积守恒:对于一条剖面而言,其变形前后的面积不变,指在变形过程中,没有物质的流入和流出.(2)层长守恒:变形前后的层长不变,前提是变形过程中岩层厚度不发生变形.(3)位移量守恒:沿同一条断层,各层的位移应保持一致,前提是断层形成于沉积之后,没有同生变形.(4)缩短量一致:指沿构造走向各剖面计算的缩短量大致相等.(5)断层轨迹合理恢复:指剖面复原后断层迹线遵循一定的轨迹.1.3剖面平衡的原则由现今剖面通过反演过程可以获得地层原始沉积剖面,这一点是肯定的.但是,对现今剖面可以有各种不同的解释方案,而每种方案都可以经过不同的反演步骤和顺序获得地层原始沉积剖面,就是说,对于同一条剖面,反演过程和结果不是唯一的,即存在多解性问题.平衡只是其中一种模式,平衡了的剖面并不一定代表地层沉积和变形的真实过程,但与未平衡的剖面相比,它满足了大量合理的限制条件,因此,它更接近正确.对于一条现今剖面,不同的人可以得出不同的平衡结果,即使同一个人也可以得出几种可能的结果,关键的问题是从中选出最合理的、最接近真实情况的结果.总之,正确的解释方案一定是能使剖面平衡的方案,而平衡的剖面未必就是正确的解释;相反,一条不能平衡的剖面,其解释方案一定是错误的,这就是平衡过程的唯一性.2平衡剖面正演模拟平衡剖面技术为解释人员提供了一条验证各种地质模式和解释方案的有效途径,地质解释人员可以得心应手地反复验证自己的解释方案,无论是在挤压环境还是在拉张环境,最终都可以得到满意且合理的结果.为了验证各种复杂的地质解释方案,用于平衡恢复的变形机制有两大类:即弯滑转换和垂向/斜向滑移转换,弯滑转换机制适用于挤压环境.图1上部分是弯滑转换的变形机制过程,即原始沉积地层受到挤压应力作用后发生变形,在变形过程中,层间存在滑动,变形前后的剖面其面积和层长保持不变(表1).垂向/斜向滑移转换机制适用于拉张环境(图1下部分),将变形后的剖面由若干平行直线将剖面划分成许多小块,每一小块近似为简单剪切,如果剪切角为90°,则为垂向滑移,如果剪切角小于90°,则为斜向滑移,变形前后的剖面面积保持不变(表1).平衡剖面正演过程是将未变形的状态一步步向变形状态进行模拟,在模拟变形的每一个过程中,都满足平衡剖面的约束条件.因此,在变形的每一个过程中所获得的剖面都是平衡的.2.1不同断面型断坡断展褶皱的形态平衡剖面技术的正演模拟过程包括三种(表1):(1)断弯褶皱:它是在挤压应力作用下,上盘断块沿非平面状断层面滑移时发生弯曲的一种作用,在断层的上盘形成一系列褶皱,褶皱的形态与断坡具有一定关系(图2左部分).(2)断展褶皱(又称断层传播褶皱):在挤压应力作用下,上盘断块沿断层移动发生变形形成褶皱,其特点表现为断距由下向上逐渐减小,直到消失,表明断层是多期发育的;根据断坡的多少又分单阶断展褶皱和多阶断展褶皱.(3)断滑褶皱:在拉张应力作用下,首先产生大的基底铲式正断裂,由于地层调节作用,再次发生次级的同向或反向断裂;地层总的拉张面积与各个小断陷面积之和相等(图2右部分).表1平衡剖面技术的变形机制及守恒原则表2.2叠瓦扇构造演化挤压环境中主要有两构造变形样式:叠瓦扇构造和双重构造.(1)叠瓦扇构造:图3左部分是由三个逆冲席组成的叠瓦扇构造,三个逆冲断裂向下收敛于同一个逆冲断裂,各自向上消失且互不相交.根据各逆冲席发育先后,叠瓦扇构造分为首叠瓦扇和尾叠瓦扇构造两种.(2)双重构造:它是由顶板逆冲断层、底板逆冲断层和中间夹有的断块组成的一种构造样式(图3右部分).3平衡截面技术的应用3.1次级断层发育情况图4是中国华北油田的一条地震剖面,从剖面上可以看出基底的一条大的铲式正断层和众多小的次级断层发育情况,这是一个典型的小型萁状断陷盆地.图5是该地震剖面的地质解释结果和剖面平衡过程(Eg沉积后的平衡过程省略).在拉张环境下,地层具有边沉积边变形的特点,因此,在平衡过程中,采用逐层拉平、层层平衡的办法完成剖面的平衡过程或复原过程.3.2剖面位置及构造在挤压环境下应用平衡剖面技术最能发挥其特长,因为挤压环境构造变形剧烈、构造样式复杂多变,剖面解释困难,易出现多解性情况,特别是山前挤压褶皱带的构造解释.图6是一条来自美国怀俄明州(Wyoming)的地震剖面,从剖面上看,地层挤压变形强烈、构造形态复杂,发育多条逆冲断裂,对这样的地震剖面进行解释,其难度可想而知.图7是该地震剖面现今地质解释及剖面复原过程,剖面由6条大的逆冲断裂组成,将剖面分割成6部分,利用平衡剖面技术将每部分都进行平衡转换,得到最终的复原剖面,它是由水平地层组成的,即处于原始沉积状态,但某些地方存在地层缺失,可能的原因有两种:一是地层沉积后的水流侵蚀或风化剥蚀造成地层缺失;二是挤压变形褶皱成山后,遭受风化雨淋使地层缺失.通过整个剖面复原过程,可以证明现今的地质解释是合理可信的(图7的最上部分为现今地质解释剖面).3.3深部断层轨迹预测图8是美国南阿帕拉契亚(SouthernAppalachians)的一条地震剖面,从剖面上只能看到浅层的褶皱形态和一条水平断层,初步判断现今构造为一断弯褶皱,但由于深部地震资料品质差,无法准确解释出深部断层.然而,利用平衡剖面技术能够对深部断层轨迹进行预测.图9是该剖面断层轨迹预测的全部过程.将图9中的图A作为变形后的状态,利用断弯褶皱平衡法则,求出变形前的状态图B,得到变形前的一段断层轨迹,将这一段断层轨迹加到图C上,图C再作为另一期变形后的状态,再求出这期变形前的状态图D,得到另一段断层轨迹.这样一期期进行恢复,就得到最终的深部断层轨迹,图I所示(图E、F、G、H过程省略,图9的右下角为现今地质解释剖面).3.4地震地质解释塔里木盆地塔北库车坳陷为一个中、新生代的前陆盆地,天然气资源十分丰富,但2001年以前的油气勘探都没有重大突破,其原因在于:(1)地表为山地、地下复杂的高陡褶皱-逆冲构造造成地震采集、处理和成像十分困难.(2)第三系膏盐岩横向变化大,盐上(浅层)和盐下(深层)构造不一致,对盐下构造缺乏地质解释模型,构造难以落实.(3)巨厚的膏盐岩层及高的地层压力使钻井十分困难.近年来,随着新理论和新技术的不断应用,油气勘探取得了重大进展,发现了克拉2特大型整装气田.新理论主要是断层相关褶皱理论,而新技术则以平衡剖面技术为核心;以新理论和新技术为指导,构建塔北库车坳陷地震地质解释模型.库车前陆盆地逆冲断层组合样式包括双重构造、被动顶板双重构造、叠瓦扇逆冲构造等;褶皱样式包括断弯、断展和断滑三种基本类型.构造样式横向分带、垂向分层,空间分布十分复杂.依据断层相关褶皱理论和构造模式进行地震剖面解释,其解释结果合理、构造样式可信,提高了圈闭落实程度(图10).新理论和新技术的广泛应用,使塔里木盆地库车坳陷的油气勘探取得了突破性进展,发现了克拉2大气田.克拉2气田发现于下第三系膏盐岩下的被动顶板双重构造中,盐上为断层传播褶皱,盐下为顶板双重构造(图11,左下角为断展褶皱模型,右下角为双重构造模型);目的层为白垩系、第三系底砂岩;圈闭面积47km2,闭合高度400m,气柱高度400m,气层厚度达200m;为常温超高压大型气藏,天然气探明储量2506.1×108m3.克拉2气田是“西气东输”世纪工程的最主要气源地[12,13,14,15,16,17].4平衡剖面技术的应用前景虽然平衡剖面概念的提出已有很多年,但平衡剖面技术相对而言却是一种新颖技术,特别是在计算机技术被广泛应用后,平衡剖面技术才真正意义上作为一项实用技术在地震资料解释中被推广应用.地震、地质解释人员可以借助平衡剖面技术所具有的各种正演模型去验证自己的地质假设,同时,由于地震资料解释本身属于反演范畴,而反演必然存在多解性问题,这样面对同一条地震剖面,特别是山前逆冲褶皱带,构造变形剧烈,加之地震资料品质