准南逆冲褶皱带逆冲断层构造活动与油气运聚.pdf

第3 3 卷第 5 期 2 0 1 2 年 1 O 月 新疆石油地质 XI NJ I ANG P E TRO LE UM GE OL OGY V0 I - 3 3 ． N o ． 5 Oc t ． 20l 2 准南逆冲褶皱带逆冲断层构造活动与油气运聚 杨 庚， 李 伟， 李本亮 中国石油 勘探开发研究院， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 准噶尔盆地南缘逆冲褶皱带为新生代以来一直活动的逆冲构造带， 因此该地区的油气勘探必须以此为重点 而非古逆冲带。据地面地质 、 地震和钻井数据分析， 准南逆冲带的逆冲断层倾角主要集中在3 0 。 5 o 和5 0 。 5 。 ． 应力分 析表明， 主压应力与断层为3 O 。 5 。 夹角， 最大主应力与最小主应力比最小， 表明存在最大的流体压力， 断层周围的流 体沿着最大主应力方向发生流动， 断层成为流体运移的通道。而为主压应力与断层倾角在5 0 。 5 。 夹角时， 断层重新 活动需要更高的流体压力， 导致断层封闭性相对较好。准南逆冲褶皱带在构造挤压作用下逆冲断层向北扩展， 作为 断层滑脱面的古近系安集海河组泥岩形成更高的构造超高压， 同时造成安集海河组之下紫泥泉子组砂岩水平渗透性 远大于垂直方向渗透性， 可以发育有利储集层， 成为南缘地区主要勘探 目的层。 关键词 准噶尔盆地； 南缘； 逆冲褶皱带； 逆冲断层； 断层倾角； 超高压； 油气运聚 文章编号 1 0 0 1 3 8 7 3 2 0 1 2 0 5 0 5 3 1 0 5 中图分类号 T E l 1 1 ． 2 文献标识码 A 准噶尔盆地南缘 已进行 了大规模 的地震勘探并 在多个构造上进行 了钻探工作 ， 获得 了丰富的地质成 果 。基本上查明了该区主要构造特征 ， 以及逆冲褶皱 带构造样式 ， 并在多个构造 上 、 多套层系中发现了 良 好的油气显示n ， 发现 了玛河气 田、 独山子油 田、 呼图 壁气田和卡因迪克油 田等。 准南逆冲褶皱带主要指乌鲁木齐以西 、 奎屯一 昌 吉以南的逆冲构造带 ， 南界为准噶尔南缘断裂 。准南 逆冲褶皱带主要由中新生界组成， 形成于新生代 ， 尤 其是 中新世以来 的构造运动期 ， 属于天山新生代构造 变形 的一部分 ， 是一个 正在活动和形成 的逆 冲构造 带 ， 研究其构造作用和流体分布具有重要意义。 1 准南逆冲褶皱带构造特征 1 构造形态特征准南逆冲褶皱带有如下变形 特 征 ①东西长约 2 0 0 k m的挤压 型构 造带 由一系列 逆 断裂和褶皱组成 ； ②河流 阶地被强烈褶皱变形 ， 而 且不同时代的阶地或冰水 冲、 洪积平原面隆起 幅度不 同 ； ③沿北天山发育的逆断裂一 褶皱带发现存在出 露地表的活动断层 ， 探槽资料也揭示了多次震级相当 7 ． 5 级左右 的古地震事件存 在口 ] 。1 9 9 5 -- 1 9 9 7年的 G P S 测量指出， 独山子断层的活动速率为0 ． 4 ～ 5 mm ／ a t ， 说明天 山正在 向北发生水平运动 ， 准南逆冲褶皱带是 一 个仍在活动的逆冲构造带。 前人研究表明， 准南逆 冲褶皱带平面上最 明显 的 构造特征是具有成排的褶皱分布， 根据构造形成机 制、 构造位置和作用强度 ， 划分为三排构造带。从南 向北分为 ①南部山前逆冲断裂一 背斜带； ②霍尔果斯 一 玛纳斯一 吐谷鲁逆冲断裂一 背斜带 ， 其地面出露 的 褶皱多数表现为北翼地层陡倾或倒转 、 南翼平缓的不 对称背斜构造 ， 属于断层相关褶皱的断层扩展褶皱类 型 ， 断层断坡倾 角一般约 5 0 。 ， 向上变 陡， 向下变缓 ， 在 深约 3 ～ 5 k m处 汇聚到一条平缓 的近水平滑脱带 古 近系安集海河组泥岩地层 上 ； ③独山子一安集海逆 断裂背斜带以及西湖背斜一呼图壁背斜 ， 多数为断层 扩展褶皱和滑脱褶皱类型。 在挤压逆冲构造背景下， 在中、 下侏罗统的煤层， 下白垩统吐谷鲁群和上白垩统东沟组以及古近系安 集海河组 的厚层绿色、 灰绿色页岩和泥岩 中发育着滑 脱层 。这些滑脱层的存在才形成了南缘富有特色 的 薄皮构造 图 1 。滑脱层分隔了上下构造层 的变形 ， 起到了屏蔽的作用 ， 导致滑脱层上下的构造变形样式 不一致 。图 1 展示 出玛纳斯 背斜浅层构造是受南倾 的、 上陡下缓的霍玛吐逆冲断裂控制， 为典型断层扩 展褶皱 。钻井倾角测井资料和地震资料表明 ， 霍玛吐 逆冲断裂 F 是由5 条次级逆 冲断层组成 玛纳斯断层 F t F F 卜 。 、 F 、 F 。玛纳斯逆 冲断层 F 是 主断 层， F 一 和F 一 ， 是F 一 的次级逆冲断层 ， 这2 条断层形成 时代最晚， 切穿第四系。中深层为发育在下白垩统吐 谷鲁群中向北逆冲的断层F 一 。 的断层弯曲褶皱及在古 近系紫泥泉子组发育的一反向逆冲断层F 一 控制的断 层弯 曲褶皱 。存在有 3 组收敛 的侏罗系西 山窑组强 反射波组预示玛纳斯构造由3 个断层弯曲褶皱叠合 而成 ， 所 以解释出更深层的逆冲断层 F ， 一 和反 冲断层 F ． 深层构造发育在中侏罗统西山窑组煤系地层 ， 向 北逆冲的F 断层弯曲褶皱及在下白垩统吐谷鲁群发 收稿 H期 2 0 1 1 - 1 0 2 0 修订日期 2 0 1 2 0 2 2 0 作者简介 杨庚 1 9 6 5 一 ， 男， 山西大同人， 高级工程师， 博士， 石油地质， T e 1 0 1 0 8 3 5 9 2 6 0 4 E ma i l y a n g g e n g p e t r o c h i n a ． c o m ． c n 第3 3 卷第5 期 杨庚， 等 准南逆冲褶皱带逆冲断层构造活动与油气运聚 5 3 3 呼0 0 1 井岩心声发射实验测试表明 ， 井深 3 1 8 0 n l 处 的最大水平主应力为 1 1 5 ． 5 2 MP a ， 最小水平 主应力 为5 5 ．4 1 M P a ， 上覆地层压力为 7 7 ． 3 9 M P a ， 最大水平 主应力大于垂 向应力 上覆地层压力 大于最小水平主 应力 ， 地层所受构造应力大于垂向重力作用。与单纯 考虑地层荷载产生 的上覆地层压力相 比， 1 1 5 ． 5 2 MP a 的水平应力对地层的压实效率相当于厚度为 4 7 4 6 ． 8 m 的地层所产生的影 响 1 。呼2 井沙湾组实测压力系数 为 1 ． 1 3 ～ 1 ． 3 1 ， 其下 的紫泥泉 子组 仅为 0 ． 9 5 ～ 0 ． 9 6 ， 声 波 测井计算 的压力系数在安集海河组的最高值也仅 1 _ 3 ， 根据岩心声发射实验结果 ， 安集海河组最大水平 主应力梯度大于上覆地层压力梯度 ， 后者又大于最小 水平主应力梯度 ， 与水力破裂实验确定的地应力结果 相同 1。这说明在该组地层内， 最大主应力的作用已 经超过了上覆负荷 ， 是形成超高压的主要原因。说明 水平挤压构造作用应是准南异常高压形成 的主要因 素。准南异常超高压主要形成于上新世一更新世 ， 与 准南逆 冲褶皱带的形成同期 ， 基本与新近纪圈闭聚集 油气同时 ， 异常压力有利于孔 隙的保存。 2 准南逆冲褶皱带储集层特征 准南逆冲褶皱带储集层以陆相碎屑岩为主 ， 储集 层 的非均质性较强 、 储集层物性横 向变化大 ， 沉积相 主要 以冲积扇一辫状河一辫状河 三角洲一 浅湖沉积 体系为主[ 1 2 , 1 3 1 。自上而下主要发育新近系、 古近系 、 白 垩系 、 侏罗系 、 三叠系等 5 套储 集层 。其 中分 布范围 最广 的为古近系安集海河组 和紫泥泉子组储集层 。 钻井资料表明 ， 第一排构造带南安集海背斜 、 清水河 构造 和齐古背斜 以三叠 系小泉沟组 、 侏 罗系八道湾 组 、 西山窑组储集层为主， 第二排构造霍玛吐背斜带 以古近系紫泥泉子组 、 安集海河组储集层为主 ， 第三 排构造以 白垩系东沟组 、 古近系紫泥泉子组 、 安集海 组为储集层。准南地 区逆冲带 内已发现的油气产层 多属于滨浅 湖相和三 角洲相沉 积_ 】 ， 油气 运移规模 小 、 距离短 ， 属于近源成藏类 型。下部地层中生成 的 油气 只能沿断裂和裂隙向上运移而形成油气藏 ， 在准 南地区第二 、 第三排构造尤其如此 ， 如 已发现的独 山 子油 田、 呼图壁气 田等 ， 均存在沟通烃源岩和上部油 层的断裂。 玛河气 田钻探表明， 玛纳 1 井紫泥泉子组孔 隙度 为 2 8 ％ ， 水 平渗 透 率达 2 8 mD， 垂直 方 向渗 透率 为 5 mD； MN 0 0 1 井孔隙度为 3 6 ％， 水平渗透率达 3 6 mD。 垂直方 向渗透率为 6 mD； MN 0 0 2 井孔隙度为 1 8 ． 8 ％， 水 平 渗透 率达 1 8 5 mD， 垂 直方 向渗透率 为 2 5 mD； MN I I 井孔 隙度为 1 3 ． 9 ％， 水平渗透率达 1 3 2 mD， 垂 直方向渗透率为2 0 m D ． 统计表明玛河气田紫泥泉子 组储集层的水平方向渗透率为垂直方向渗透率的5 ～ 8 倍。玛河气田岩心资料也表明， 紫泥泉子组储集层 孔隙度与水平渗透率是非线性关系， 水平渗透率增 加 ， 储集层孔隙度也会 随之增加。 目前为止 ， 准南地 区仅在玛河气 田测定过岩心样品的垂直方 向渗透 率。虽然地层垂直渗透率资料较少 ， 但霍玛吐断裂上 盘和下盘新近系水平渗透率分布统计直方图说明了 该区第二排背斜存在较大的水平渗透率 ， 而且断层下 盘水平渗透率大于断层上盘水平渗透率。准南逆冲 带挤压体制中发育的流体超高压造成了近水平方向 的高渗透性 ， 却阻止了流体的垂向运移 ， 降低了垂直 方 向的渗透性 ， 断层成为流体运移的主要通道 ’ 。 准南 地 区的挤 压作用 可极 大地 改善储 集层 物 性 。卡 因迪克地区卡 6 井侏罗系 和车排子地区车 8 3 井 白垩系在4 0 0 0 m左右的储集层孔 隙度可高达 1 5 ％ ～ 2 0 ％， 并发 现工业油流 。在 正常压实作用 下 ， 一般 4 0 0 0 I n 左右 的储集层孔隙度不超过 1 2 ％ 。在深部 构造 ， 岩石孔隙度一般较低 ， 但逆冲褶皱带在演化过 程 中常常形成暂时的断层和裂缝_ l ’ 1 ， 增强 了岩石 的可 渗透性。我们认为， 准南地区在异常高压和构造挤压 作用下 ， 储集层孔渗条件得到改善。 3褶皱带持续挤压应力与油气运移关系 由于断层面开启后 的水动力传导能力远远大于孔 隙介质 ， 油气沿断层通道运移 比在岩石孔隙中更容易 ， 因此断层往往构成油气二次垂向运移的重要通道。准 南地区断裂带的最大主应力 明显大于周 围地区， 最大 主应力 向下亦变大 。断层是封闭还是开启 ， 主要取决 于作用于断层面法向的正应力与孔隙流体压力的关 系[17 ]o含流体岩石的断层破裂是由三轴有效应力控 制 ’ 。 - p f o - 2 ’ 2 - p f 3 ’ 3 - p f ， p f 为流体压力 。位 于 - ／ o r s 平 面 的断层 破裂 标 准为 。 ’／ c r ， ’ 1 ／ z , c o t 0 ／ 1 - ／ t a n 0 r ， 其中 为岩石静摩擦系数， O r 为重新活动 的断层倾角 。低温实验条件证实 ， 正应力变化区间很 大的情况下， 岩石摩擦系数 一般为0 ．6 0 ． 8 5 [ ]。 研究表 明， 挤压应力 与断层倾角为5 0 。 5 。 可抑 制静岩伸展破裂裂隙和静岩伸展一 剪切破裂裂隙的发 育 。因为随着 流体压力的增加 ， 倾 角在 5 0 o 5 。 的断 层可重新活动 ， 并在达到拉伸破裂应力条件之间 ， 流 体断层为通道运移 ， 而且在同等差异应力条件下。 倾 角在 5 0 。 5 。 的断层重新活动需要更高的流体压力。 准南地区的高应力作用更有利 于该类型逆 冲断层封 闭 。断层面上 的联 合作用力在塔 西河组 内为 1 2 3 0 MP a ， 沙湾组内为 2 0 4 0 MP a ， 安集海河组 内为 3 O ～ 新疆石油地质 7 5 MP a ， 紫泥泉子组联合作用力大于7 0 M P a t 。控制 霍玛吐背斜带发育 的出露地表逆 冲断层 由于断层位 于安集海河组异常高压地层 中， 该断层重新活动的迹 象非常明显 ， 但在挤压高应力作用下仍为封闭性断 层 。当 与断层倾角为 3 0 - 5 。 时 ， 最大主应力 与最小 主应力 比最小 ， 表明存在最大 的流体压力 ， 断层较易 发生再次活动， 断层周围的流体沿着最大主应力方向 发生流动 ， 断层本身成为流体运移 的通道。霍玛吐背 斜带深部多发育该类断层， 流体比较容易发生水平方 向的运动。 在天 山山脉 向盆地扩展过程 中发育 的挤压逆冲 带上 ， 深层构造挤压应力 仍大于浅层构造挤压应力 ” ， 三轴应力场为 - p f o - - p ， - p 地震剖面和构造解 释剖面表明， 玛纳斯背斜北部地 区侏罗一 白垩系埋深 要浅于玛纳斯背斜之下 的侏罗一 白垩系埋深 ， 地层整 体向南倾斜 。当然 ， 也可能有一部分流体沿着该倾斜 面 ， 在构造挤压作用下 向北运移。前 已叙述 ， 霍玛吐 逆冲断层发育在异常高压层安集海河组地层中 ， 属于高角度逆冲断层 倾角 5 0 5 。 ， 如玛纳斯逆 冲主 断层F 图1 b 阴影部分为超高压层 ， 超高压层为下 伏断层运移来油气的盖层 ， 逆冲断层是油气运移的封 闭层 ， 出现断层 下盘封闭的油气藏 ， 如霍 尔果斯背斜 之下发育典型 的逆冲断层下盘油气藏。次级逆 冲断 层 F 玛纳 0 0 2 井 钻遇井深 1 4 9 0 m 、 F 玛纳 0 0 2 井钻遇井深 1 8 0 0 m 之间地层压力系数达到 1 ． 6 0 ， 由 于地层压力过高 、 地应力太强 ， 井壁跨塌严重 ， 导致井 底套管挤压变形 ， 钻进过程 中挂卡事故较多 ， 而 只能 使用高密度钻井液。说明挤压逆冲断层切穿泥岩可 导致地层出现更高的压力系统 ， 地层超高压更为明 显。玛纳斯逆冲断层 F 一 。 切穿了埋藏特别深 的侏罗系 煤系地层和三叠系泥页岩 ， 在挤压作用下成 为油气运 移主要通道 。反 冲断层 F 。 一 发育在超高压层紫泥泉子 组之下 ， 导致紫泥泉子组 出现 2 个压力 系统 ， 地层产 状从断层上盘3 0 。 转变下盘 1 0 。 左右， 并成为油气运移 通道断层 。深层的逆 冲断层 F 和反冲断层 F ， 这 2 条断层的存在极有可能成为深层油气运移通道。所 以从油气保存角度上看 ， 玛纳斯深层构造会成为油气 运聚的主要场所 。 4 讨论和结论 准南褶皱 冲断带 断裂构造发育 ， 断裂 的倾 角不 同， 其在油气成藏过 程 中的作用不 同。在挤压 作用 下 ， 准南地区逆冲构造带中古近系安集海河组的厚层 绿 色、 灰绿色页岩和泥岩作为软弱层极易成为断层的 滑脱层 ， 聚集构造应力形成超高压层 。而且挤压逆冲 褶皱带， 超高压流体的发育极大地增强了岩层水平方 向的可渗透性 I ， 相对增强 了非能干层垂 向上 的封盖 能力， 因而该地层形成了良好的欠压实层一高压封闭 层一区域盖层 ， 形成准南地区流体封存箱Ⅲ ， 直接捕获 邻 近 向斜 区生成 的油气 ， 成为油气最有利 的聚集 场 所。油气藏封存在超高压层之下 的紫泥泉子组 中， 如 呼图壁气田古近系油藏、 独山子深层古近系油气藏 等。由于古近系紫泥泉子沉积河道由南 向北延展 ， 上 白垩统东沟组一 古近系紫泥泉子组储集砂体延展方 向基本与最大水平主应力方向平行， 为最大水平渗透 率方向， 故该储集层连通性较好， 油气成藏规模较大， 应为准南地区主要勘探 目的层与勘探领域。 有些研究者认为 ， 流体二次运移可在背斜圈闭核 部沉积层产生超高压 ， 在这个过程中一部分流体从塑 性层被挤压出到相邻 的脆性层中， 所 以超高压层下伏 的地层就成为流体聚集保存场所 1 ， 如玛河气 田紫泥 泉子组储集层 ， 玛纳 0 0 2 井安集海河组为盖层全井最 高异常压力带 ， 地层压力系数达到 1 ． 8 O ． 准南逆冲构 造带现今构造形态主要受新生代构造挤压作用控制 ， 由于烃源岩主要是埋藏特别深的侏罗系煤系地层 和 三叠 系泥页岩 ， 玛纳斯逆冲断层 F 一 。 和更深层 的逆冲 断层 一 ， 成为油气 向上运移的主要通道 ， 因而霍玛吐 背斜带断裂上盘古 近系和新近系中聚集的油气通过 断裂经水平方 向运移 。断裂下盘油气聚集是通过霍 玛吐深层逆 冲断层从侏罗系一 白垩系烃源岩运移的 结果 。而且准南深层地层处于高温高压挤压状态 ， 又 发育倾角小于 5 0 。 的断层 ， 主要表现为烃类的生成与 流体的排出， 而且发育的深层逆冲断层相关褶皱构造 可聚集自生 自 储油气藏， 所以准南地区逆冲断层相关 褶皱在剖面上多次叠加可增加油气聚集空间， 形成垂 向上多套油气储盖组合。 研究表明 ， 在构造超高压 的背景下 ， 准南逆冲构 造带逆冲断层倾角具有统计上的优选性 ， 断层倾角主 要集 中在 3 0 _ 5 。 和5 O 5 。 ． 在持续挤压应力作用下 ， 应 力分析表 明， 主压应力与断层面为 3 0 5 o 夹角时 ， 最大 主应力与最小主应力 比最小 ， 表明存在最大的流体压 力 ， 断层较易发生再次活动 ， 断层周 围的流体就沿着 最大主应力方向发生流动， 断层本身成为流体运移的 通道 。而主压应力与断层 面为 5 0 5 。 夹角时 ， 断层重 新活动需要更高 的流体压力 ， 导致断层封闭性相对较 好。准南逆冲褶皱带在构造挤压作用下逆冲断层向 北扩展 ， 作为断层滑脱面的古近系安集海河组形成更 高的构造超高压 ， 同时造成水平渗透率大于垂直方向 渗透率， 极大地改善了储集层物性， 应为准南地区主 要勘探 目的层与勘探领域。 我国中西部许多逆冲构造带与准南逆冲褶皱冲 断带具有相似的地质条件， 因而认识准南地区逆 冲褶 第3 3 卷第5 期 杨庚， 等 准南逆冲褶皱带逆冲断层构造活动与油气运聚 5 3 5 皱带断层对油气藏的控制作用， 将有助于其他相似地 区的油气预测和勘探 。 参考文献 [ 1 ] 吴晓智， 王立宏 ， 宋志理． 准噶尔盆地南缘构造应力场与 油气运聚关系[ J ] _ 新疆石油地质， 2 0 0 0 ， 2 1 2 2 0 2 2 0 4 ． [ 2 ] 杨晓平， 邓起东 ， 张培震， 等． 北天山地区活动逆断裂一 褶 皱带构造与潜在震源区估计[ J ] ． 地震地质 ， 1 9 9 8 ， 2 0 3 1 9 3 1 9 9 ． [ 3 ] 尹光华 ， 买颜东， 蒋佰军 ， 等． 新疆独山子GP S 形变测量与 断层活动性研究[ J ] _ 内陆地震 ， 1 9 9 9 ， 1 3 4 3 4 5 3 5 1 ． [ 4 ] 吴晓智， 王立宏， 喻春辉 ， 等． 准噶尔盆地南缘山前构造带 成藏条件与勘探方向[ J ] ． 新疆石油地质 ， 1 9 9 9 ， 2 0 增 刊 5 7 2 5 7 5 ． 1 5 J S i b s o n R H， R o l a n d J ． S t r e s s ， fl u i d p r e s s u r e a n d s t r u c t u r a l p e r me a b i l i t y i n s e i s m o g e n i c c rus t ， N o r t h I s l a n d l J J ．G e o p h y s ． J ． I n t ． ， 2 0 0 3 ， 1 5 4 2 5 8 4 5 9 4 ． 1 6 j S i b s o n R H ． F r i c t i o n a l m e c h a n i c s o f s e i m o g e n i c t h rus t s y s t e rns i n t h e u p p e r c o n t i n e n t a l c ms t I mp l i c a t i o n s f o r fl u i d o v e r p r e s s u r e s a n d r e d i s t ri b u t i o n [ A] ． Mc C l a y K R ． T h rus t a n d h y d r o c a r b o n s y s t e mi C ] ． A A P G M e m o i r ， 2 0 0 4 ， 8 2 1 - 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