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  中国石油勘探  2025, Vol. 30 Issue (6): 171-184  DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2025.06.012

引用本文 

兰雪梅, 彭先, 罗强, 文雯, 闫梦楠, 乐幸福, 刘冉, 唐瑜, 谢忱, 张飞. 山前冲断带构造变形特征及滑脱层影响作用——以四川盆地双鱼石构造栖霞组气藏为例[J]. 中国石油勘探, 2025, 30(6): 171-184. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2025.06.012.
Lan Xuemei, Peng Xian, Luo Qiang, Wen Wen, Yan Mengnan, Le Xingfu, Liu Ran, Tang Yu, Xie Chen, Zhang Fei. Structural deformation style of piedmont thrust belt and impacts of detachment layers: a case study of Qixia Formation gas reservoir in Shuangyushi structure, Sichuan Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2025, 30(6): 171-184. DOI: 10.3969/j.issn.1672-7703.2025.06.012.

基金项目

国家科技重大专项“四川盆地深层超深层碳酸盐岩气藏勘探开发技术与集成示范”(2025ZD1402500); 中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“四川盆地老区气田稳产保效关键技术研究与应用”(2016E-0607)

第一作者简介

兰雪梅(1989-),女,四川泸州人,硕士,2014年毕业于中国石油大学(华东),高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积储层研究工作。地址:四川省成都市高新区天府大道北段12号,邮政编码:610041。E-mail:lanxuemei@petrochina.com.cn

通信作者简介

文雯(1988-),女,四川南充人,学士,2013年毕业于西南石油大学,高级工程师,主要从事碳酸盐岩沉积储层及气藏工程研究工作。地址:四川省成都市高新区天府大道北段12号,邮政编码:610041。E-mail:wenwen01@petrochina.com.cn

文章历史

收稿日期:2025-11-05
修改日期:2025-11-14
山前冲断带构造变形特征及滑脱层影响作用——以四川盆地双鱼石构造栖霞组气藏为例
兰雪梅1,2, 彭先1,2, 罗强3, 文雯3, 闫梦楠1, 乐幸福4, 刘冉1, 唐瑜1, 谢忱5, 张飞1,2     
1. 中国石油西南油气田公司勘探开发研究院;
2. 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室;
3. 中国石油西南油气田公司技术咨询中心;
4. 中国石油勘探开发研究院西北分院;
5. 中国石油西南油气田公司
摘要: 双鱼石构造栖霞组气藏作为龙门山山前带上发现的大型海相碳酸盐岩气藏,气藏内断层极为发育,构造样式复杂,构造特征是影响气藏开发的重要因素。鉴于该区构造受多期构造运动与多滑脱层共同控制,而现有研究对多滑脱体系对构造变形的控制作用探讨不足,采用“物理模拟—数值模拟—地质验证”的递进式技术路线,通过设计不同滑脱层性质与厚度的模型,揭示多滑脱层对构造变形的控制机制,并结合实钻资料验证模拟结果的准确性,分析不同构造样式的地质特征,进而指导气藏开发部署。结果表明:(1)双鱼石地区发育寒武系(深部主滑脱层)、三叠系(浅部主滑脱层)及志留系(次滑脱层)3套滑脱体系,“上下双滑脱”滑脱层组合是形成该区逆冲叠瓦—高陡褶皱构造的关键; (2)滑脱层性质显著影响构造样式,弱滑脱层易形成连续叠瓦逆冲构造,强滑脱层则增强上覆地层变形复杂性,削弱叠瓦构造连续性; (3)滑脱层厚度控制构造演化,薄滑脱层以“褶皱主导、断层次生”为特征,中厚层滑脱层形成隔挡式箱状褶皱—叠瓦扇构造,厚滑脱层发育“滑脱层主导”巨型褶皱—冲断系统,且厚层塑性滑脱层封盖性能更优; (4)基于构造样式差异,提出冲起构造区“稀井网+大斜度井”、单背斜区“长水平段水平井(高点部署)”、断背斜区“大斜度井+水平井组合”的开发模式。研究成果厘清了多滑脱层控制下的构造形成机制,为龙门山山前带类似气藏的勘探开发提供理论支撑与技术参考。
关键词: 双鱼石构造    栖霞组气藏    滑脱层    物理模拟    数值模拟    构造样式    
Structural deformation style of piedmont thrust belt and impacts of detachment layers: a case study of Qixia Formation gas reservoir in Shuangyushi structure, Sichuan Basin
Lan Xuemei1,2 , Peng Xian1,2 , Luo Qiang3 , Wen Wen3 , Yan Mengnan1 , Le Xingfu4 , Liu Ran1 , Tang Yu1 , Xie Chen5 , Zhang Fei1,2     
1. Research Institute of Exploration & Development, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company;
2. CNPC Key Laboratory of Carbonate Reservoirs;
3. Technical Advisory Center, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company;
4. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development-Northwest;
5. PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company
Abstract: Qixia Formation gas reservoir in Shuangyushi structure is the first large-scale marine carbonate gas reservoir discovered in Longmenshan piedmont belt, with faults extremely well developed and complex structural patterns, and structural features are a key factor influencing gas reservoir development. The structures in this area were jointly controlled by multi-stage tectonic movements and multiple detachment layers, while there was insufficient discussion on the controlling effects of multi detachment system in previous studies. A progressive technical route of "physical simulation–numerical simulation–geological verification" has been adopted, and various models with different properties and thicknesses of detachment layers have been designed to reveal the controlling mechanism of multi detachment layers on structural deformation, then the accuracy of the simulation results was verified by actual drilling data. By analyzing the geological characteristics of different structural styles, awe can further optimize the deployment of gas reservoir development. The results show that: (1) Three sets of detachment systems were developed in Shuangyushi area, namely the Cambrian (deep main detachment layer), Triassic (shallow main detachment layer), and Silurian (secondary detachment layer). The "upper–lower double detachment" combination was the key to forming the thrust imbricate–steep fold structure in this area. (2) The properties of detachment layers significantly affected structural styles. For example, the weak detachment layers tended to form continuous imbricate thrust structures, while strong detachment layers enhanced the deformation complexity of overlying strata and weakened the continuity of imbricate structures. (3) The thickness of detachment layers controlled structural evolution. Thin detachment layers are characterized by "fold dominant, and secondary faults". The medium-thick detachment layers formed ejective box folds–imbricate fan structures, and the thick detachment layers developed "detachment layer dominated" giant fold–thrust systems, with better sealing performance of thick plastic detachment layers. (4) Based on the differences in structural styles, differentiated gas reservoir development models have been proposed, that is, "sparse well pattern + high-angle deviated well" model for the pop-up structural zone, "long horizontal well (at the high point)" model for the monoclinal anticline zone, and "high-angle deviated well + horizontal well combination" model for the faulted anticline zone. The research results have clarified the structural formation mechanism under the control of multiple detachment layers, which provides theoretical support and technical reference for the exploration and development of similar gas reservoirs in Longmenshan piedmont belt.
Key words: Shuangyushi structure    Qixia Formation gas reservoir    detachment layer    physical simulation    numerical simulation    structural style    
0 引言

川西龙门山冲断带—山前带地处四川盆地西北缘与青藏高原东缘交会带,是中国西部典型盆山耦合构造单元,其构造变形直接控制区内油气资源的分布与富集[1-3]。2012年,中国石油西南油气田公司在龙门山山前带部署的ST1井,于栖霞组测试获高产工业气流,据此发现双鱼石构造栖霞组气藏。经多年勘探开发,该气藏于2023年向国家矿产资源储量委员会提交探明地质储量451.92×108m3,成为龙门山山前推覆构造带上首个探明的大型海相碳酸盐岩气藏[4]

钻井资料证实,双鱼石地区栖霞组储层横向连续性好,在工区内连片发育,气藏分布主要受构造控制——构造相对高部位整体富气,低部位边水发育,构造演化特征认识已成为制约气藏高效开发的重要因素[5-8]。双鱼石区块位于川西北龙门山断褶带与川北中坳陷低缓带的过渡区域,受多期构造运动叠加与滑脱层差异变形控制,栖霞组构造表现为逆冲叠瓦断层与反冲断层交织、背斜圈闭形态多样的复杂特征。山前带上构造差异主要受控于滑脱层性质、先存构造、基底形态等多因素[9-11],其中滑脱层作为地壳中的“软弱带”,可调节上下岩层的差异变形,其空间展布与力学性质是决定构造变形强度与样式的关键参数,厚度大、强度低、埋深浅的滑脱层易引发远程滑脱与分层变形,形成“多层楼”结构; 反之则缩短变形距离,增强基底卷入。滑脱层还分隔上下构造层,造成垂向差异变形与脱耦,控制圈闭有效性及油气保存条件,是深层构造解释与勘探评价的关键要素[12-14]。目前,针对该区带构造变形的研究多聚焦于沉积—剥蚀、基底倾斜等因素[15-18],而对滑脱层(尤其是多滑脱体系)的控制作用探讨不足。为进一步厘清该类构造的形成机制,本文以构造物理模拟为核心手段,结合离散元数值模拟,通过控制滑脱层数量、强度及厚度等关键参数,再现双鱼石地区构造变形过程,揭示滑脱层对构造样式及油气封盖条件的影响,为山前带类似气藏的开发部署提供科学支撑。

1 地质概况

双鱼石地区纵向沉积演化呈现两大差异性阶段,形成了该区二叠系构造变形的顶底板主要滑脱层及浅层碎屑岩盖层:第一阶段为震旦纪—晚二叠世拉张背景下的被动大陆边缘演化阶段,形成巨厚海相碎屑岩—碳酸盐岩地层序列,其中下寒武统筇竹寺组在川西北裂陷槽内发育巨厚深水成因黑色泥岩,厚度达150~550m,为区域构造活动的关键深部滑脱层; 早—中三叠世受碳酸盐台地沉积相主控,沉积较厚泥岩—膏盐层系,厚度为300~650m, 构成区域关键浅部滑脱层; 此外,志留系受加里东运动剥蚀作用,残余厚度有限,仅在局部地区以黑色碳质板岩、千枚岩及泥页岩为主,形成区域次要滑脱层。第二阶段为晚三叠世至现今挤压背景下的冲断隆升与陆内俯冲型前陆盆地演化阶段,相应形成上三叠统—第四系陆相碎屑岩序列 [3, 19-20]。基于地层特征分析,双鱼石地区明确发育寒武系、三叠系两套主滑脱层,作为碳酸盐岩主体变形区的顶底板滑脱层,控制了变形强度与褶皱特征(图 1)。

图 1 四川盆地双鱼石构造栖霞组气藏构造位置图(a)及双鱼石地区地层柱状图(b)(据文献[1]修改) Fig. 1 Structural location of Qixia Formation gas reservoir in Shuangyushi Structure, Sichuan Basin (a) and stratigraphic column in Shuangyushi area (b) (modified after reference [1])

研究区内中二叠统栖霞组总体为一套碳酸盐台地沉积,厚度普遍为100~120m,自下而上划分为栖一段与栖二段。其中,栖一段为开阔台地沉积,岩石颜色较深,以深灰色薄—中层状泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩为主; 栖二段过渡为台地边缘沉积,岩石颜色较浅,以浅灰白色厚层块状白云岩为主,是储层主要的发育层段[21-25]。储层纵向上集中发育在栖二段中下部,纵向分布稳定,厚度为15~30m,平均为22.4m,横向连续性好; 岩心孔隙度主要为2%~4%,岩心渗透率为0.01~10mD,试井渗透率普遍介于3~6mD,整体表现为低孔、中低渗储层特征。储层基于储集空间类型又可进一步划分出裂缝—孔洞型、孔洞型和裂缝—孔隙型储层[26-29]

川西北部地区在构造演化过程中,除了来自龙门山西缘地壳收敛形成的强大北西至南东向地应力和米仓山隆升挤压产生的南北向地应力外,岩石纵向组合特征,特别是塑性强的非能干岩层发育程度及分布是影响构造变形及构造样式形成的重要因素(表 1)。川西地区从龙门山和米仓山至盆地内断层发育规模及褶皱强度反映出地应力作用逐步减弱,体现出从龙门山推覆构造大规模发育到山前带断褶发育,最终过渡到断层不发育的低缓褶皱区,米仓山前缘以逆冲断褶发育为特征,向南逐渐过渡到盆地内的低缓褶皱区。岩石组合纵向分布特征揭示,区内沉积盖层可划分出能干岩层、非能干岩层各3套。能干岩层在应力作用下,表现为褶皱变形、断层发育,断层多以断坡形式出现并切割能干岩层。非能干岩层在应力作用下,多呈现塑性变形,断层多以低角度顺层发育,以断坪形式出现,在龙门山推覆构造带往往进一步发育成推覆构造的滑脱面。双鱼石构造地震剖面上可见同相轴大量呈现错断、杂乱的特点(图 2)。在构造发展演化中,由于能干岩层和非能干岩层各自变形及断层发育形态的差异,共同控制了构造特征及构造样式。

表 1 四川盆地西北部地区单井塑性岩层厚度统计表 Table 1 Statistics of plastic rock formation thickness in single wells in the Northwestern Sichuan Basin
图 2 四川盆地双鱼石构造inline2520线叠前时间偏移剖面与岩性剖面归位图 Fig. 2 Pre-stack time migration profile of seismic inline2520 and lithological section in Shuangyushi structure, Sichuan Basin
2 模型设计

本次研究采用“物理模拟—数值模拟—地质验证”的递进式技术路线,聚焦滑脱层对构造变形的控制作用:通过物理模拟再现构造样式的形成过程,利用数值模拟量化滑脱层参数的影响权重,最终结合双鱼石区块地质实际验证模拟结果。本次构造物理模拟实验由中国石油勘探开发研究院西北分院完成,数值模拟实验则是利用PFC (Particle Flow Code) 2D软件完成,具体的模型参数设置如下。

2.1 构造物理模拟模型设计

本次物理模拟实验基于相似性原则,该原则是最基本且最重要的原则之一。本次物理模型基于地层结构,设计了两个区域性滑脱层,又根据两套滑脱层厚度差异对构造变形的影响,进一步设计了“底部滑脱”和“上下双滑脱”两种模型。模型其他关键要素设定如下。(1)动力机制:模型采用单侧挤压的方式,模拟青藏高原向东扩展而对川西北的挤压冲断机制。(2)地层设置:研究区在寒武系和三叠系嘉陵江组发育大量膏盐层,作为力学性质较弱的非能干层,膏盐层具有不同于脆性层的力学性质,考虑到山前膏盐层剥蚀殆尽,因此塑性层只在往盆地方向铺设,构建滑脱体系。(3)地貌条件:由于模拟结果主要关注新生代晚期变形,作为燕山末期就存在的冲断带,山前往往地形较高,因此在推板一侧设置楔形体来模拟继承性古地形,相关参数见图 3。(4)相似比例:本次实验采用长80cm、宽35cm、厚4cm的石英砂和硅胶来模拟地层,其中硅胶代表滑脱层,石英砂代表刚性地层,采用0.001mm/s的推进速率,相关参数见表 2。(5)速度不连续点(v.d点):因为构造优先于v.d点发育,因此,根据残余地层的分布情况分别设置了基底和盖层中部两个v.d点。

图 3 模拟实验参数设计图 Fig. 3 Parameter design for simulation experiments
表 2 模拟实验相似比例列表 Table 2 Summary of likelihood ratios of simulation experiments
2.2 数值模拟模型设计

构造运动的离散元模拟方法是通过构建一个由弹性粒子组成的系统,并对系统施加外力来观测系统运动行为及动力学特征。近年来,离散元数值模拟方法广泛应用于构造地质研究[30-36],如伸展变形、板块俯冲变形和褶皱冲断带构造变形等。本次数值模拟设计的初始模型分别为强滑脱系统、弱滑脱系统以及不同滑脱层厚度的模型,其中强、弱滑脱层在数值模拟中主要为摩擦力系数大小差异,强滑脱层摩擦力系数设置为0.03,弱滑脱层摩擦力系数设置为0。在滑脱层厚度取值方面,主要结合区域两套主滑脱层单层厚度在150~600m之间,设计了150m、300m以及600m的不同厚度滑脱层模型,模拟在构造应力作用下的地层运动行为。模型中滑脱层与刚性层的物理力学参数参照前人双轴力学模拟实验结果设置[31],并经反复调试验证。

3 模拟实验结果及结论 3.1 构造物理模拟结果及变形过程

“底部滑脱”为主导的双滑脱层模型最终变形剖面中,山前带以叠瓦逆冲为主要变形方式,仅在深部发育一组断裂,而浅部弱滑脱层(三叠系)引发被动顶板褶皱,盆缘地带形成一排近平行的逆冲断层,在断层上盘地层发生弯曲变形,形成一系列背斜,整体构造变形与川东地区典型的侏罗山式褶皱构造相似(图 4a)。

图 4 四川盆地大尺度构造动力学物理模拟实验图像 Fig. 4 Physics simulation experimental images of large-scale structural dynamics in Sichuan Basin

“上下双滑脱”的双层滑脱层模型最终变形剖面总体呈现前展式发育特征,由一组高角度叠瓦逆冲岩片和一组低角度叠瓦逆冲岩片组成。前者发育于基底最深层,主要以垂直抬升为主,后者发育于中深层,通过深部滑脱层和中部滑脱层的共同作用,形成多组叠置岩片体,同时在浅部构成高陡构造,深部构成低幅度构造(图 4b)。

构造物理模拟实验通过对比“底部滑脱”与“上下双滑脱”模型,揭示了龙门山山前带差异化的构造演化过程。“底部滑脱”模型主体是以单滑脱为主,辅以浅层薄层滑脱层设计,该模型的挤压应力主要沿滑脱层传递,导致上覆地层发生相对单一的整体性逆冲推覆,所形成的构造样式往往表现为规模宏大但结构单一的断裂系统,变形向前陆方向的扩展受限,难以形成广泛的分带性,与实际地震剖面的多层次、分层滑脱的复杂构造格局存在显著差异。而在“双滑脱”模型中,深部寒武系滑脱层与浅部三叠系膏盐岩滑脱层共同作用,导致了更为复杂的递进变形:挤压作用下,深部变形首先沿寒武系滑脱层启动,形成根植于基底的主干构造框架; 与此同时,巨厚的三叠系膏盐岩作为关键的软弱层,有效地吸收了部分应力,使其上覆的中生界发生独立的滑脱变形,形成了一套与前陆方向耦合的薄皮冲断—褶皱系统。这种深浅滑脱层的耦合机制,不仅产生了典型的构造三角带或双重构造,完美解释了变形自造山带向前陆的逐级传递与应变的分层分配,其最终形成的构造样式也更符合地震勘探所揭示的、由深浅两层滑脱层共同控制的叠合复合构造特征。通过对比地震剖面构造特征,也证实了“双滑脱”模型整体构造变形与双鱼石地区栖霞组褶皱构造相似,进一步揭示了该模型对于解释龙门山山前带构造演化具有更高的合理性。

“上下双滑脱”滑脱层变形演化可划分为3个阶段:(1)初始阶段,挤压应力集中于山前带,沿基底滑脱面发育第一排逆冲断层,地层通过叠瓦逆冲和反冲的方式构造隆升(图 5a)。(2)扩展阶段,随挤压不断推进,当构造楔累积到一定高度之后,变形再往盆地内部传播。当挤压到达模型中段(嘉陵江组膏岩层)尖灭点时,产生盆地第一排构造(图 5b),构造样式为向形断层转折褶皱。(3)定型阶段,随着变形的逐渐加强,依次往盆地方向产生一系列复式褶皱(图 5c)。由于中段塑性层的存在,复式褶皱的深浅层变形并不协调,表现为浅层发育高幅度构造而深层发育低幅构造(图 5d)。

图 5 上下双滑脱模型构造变形过程图像 Fig. 5 Images of structural deformation process of the "upper-lower double detachment model"

同时断裂的发展也存在期次及级别,具体表现为断裂1、2、3依次产生,1号断裂控制其上盘构造的发育,2号断裂控制了深层一个倒转的高陡构造的发育,过程图中可明显见到其从正常背斜到斜歪直至倒转的过程,3号断裂发育于下滑脱层中,由于其上的沉积负载较大,其传播距离最远。实验的最终阶段,该断裂派生出2~3个分支,即4、5号断裂,构成深部的叠瓦逆冲构造(图 6)。

图 6 上下双滑脱模型构造断裂发育过程图像 Fig. 6 Images of fault development process of the "upper-lower double detachment model"
3.2 数值模拟结果及变形作用

弱滑脱层模型中,构造变形以叠瓦状逆冲构造为典型样式:逆冲作用启动后,上覆不同地层沿一系列低角度逆冲断层依次向前冲断,各逆冲席体呈有序叠置关系,冲断界面形态规整,地层变形具备清晰的递进性与连续性。受滑脱层韧性较弱的限制,底部剪切滑移程度有限,构造变形集中于上覆地层的叠瓦逆冲过程,前缘变形带紧凑,整体构造形态整齐,逆冲序列清晰可辨(图 7上)。

图 7 弱滑脱层(上)和强滑脱层(下)对褶皱冲断带构造变形的影响(红色为滑脱层) Fig. 7 Influences of weak detachment layer (upper) and strong detachment layer (lower) on structural deformation of fold thrust belt (red color shows detachment layer)

强滑脱层模型中,滑脱层的高韧性使底部滑脱剪切作用显著增强:构造变形起始阶段,深部(滑脱层附近)即出现明显构造扰动; 上覆地层虽仍发育叠瓦状逆冲构造,但逆冲席体内部变形复杂度提升,叠瓦构造的连续性弱于弱滑脱情形,且前缘变形展布范围更广泛。相较于弱滑脱模型,强滑脱层模型构造变形的层次分异性与扰动程度更为显著(图 7下)。

滑脱层厚度对挤压构造的演化同样具有重要影响。滑脱层厚度为150m时,能干性差异显著,滑脱层较薄且强度相对较高,表现为“褶皱主导、断层次生”的薄皮逆冲特征。前陆侧发育紧闭不对称褶皱,背斜被低角度前缘逆冲断层截切,断坡角较小(图 8a)。滑脱层厚度增加到300m时,构造样式由单排紧闭褶皱转变为隔挡式箱状背斜—向斜对,主干逆冲断层沿滑脱层内部产生多条分支,形成叠瓦扇构造(图 8b)。滑脱层厚度高达600m时,形成“滑脱层主导”的巨型褶皱—冲断系统。构造样式转变为宽缓箱状背斜与宽向斜交替,主干逆冲断层倾角进一步降低,在滑脱层内部形成多条近平行的大型拆离断层(图 8c)。此外,滑脱层厚度还影响油气封盖性能:薄层塑性滑脱体系中,断层易切穿塑性滑脱层,封盖性能被严重破坏; 厚层塑性滑脱体系中,塑性层连续完整,未被断层切穿,封盖性能优良(图 8)。

图 8 滑脱层厚度与组合对挤压构造的影响(红色为滑脱层) Fig. 8 Influence of detachment layer thickness and combination on compressive structures (red color shows detachment layer)

双层滑脱介质数值模拟演化表明,研究区发育深浅两套不同构造样式:浅层为低角度断层组合的叠瓦状构造,深层为低幅度潜伏构造,总体呈现前展式发育特征; 在深部与中部滑脱层共同作用下,由一组低角度叠瓦逆冲岩片组成,形成“浅部高陡构造—深部低幅度构造”的垂向分异特征(图 9)。

图 9 双层滑脱介质数字模拟演化剖面(红色为滑脱层) Fig. 9 Numerical simulation evolution section of double-layer detachment media (red color shows detachment layer)

早期阶段:地层整体呈近水平展布,仅左侧存在微弱构造隆升,各层位连续性良好,滑脱层上下未出现显著断裂或褶皱变形,构造样式为初始稳定状态,断层尚未大规模发育,反映构造应力尚未触发强变形响应。

中期阶段:构造变形显著增强,靠山前一侧发育叠瓦状逆冲构造,多条逆冲断层隐伏于地层错动中,上覆地层受逆冲作用发生强烈褶皱与叠置,地层连续性被打破,局部形成紧闭褶皱—逆冲席体组合; 滑脱层作为核心滑移面,驱动上部地层有序冲断,断层具有“自左向右递进扩展”的特征,构造向逆冲推覆体系演化。

晚期阶段:变形进一步向右侧扩展,形成多期叠瓦逆冲与褶皱复合的成熟构造体系。逆冲断层规模更大、展布更广泛,上覆地层呈“多峰隆升”形态,不同层位的褶皱—逆冲变形更趋复杂,多期逆冲席体叠置关系清晰; 滑脱层持续控制上部构造滑移,断层表现出“规模扩大、期次增多、横向延伸更远”的特点,整体构成典型逆冲推覆构造带,体现长期应力下变形的递进扩展与演化。

3.3 滑脱层在构造变形中的作用 3.3.1 构造样式的主控因素

滑脱层的性质及组合特征是影响褶皱冲断带构造变形特征及演化过程的主要因素。构造物理模拟实验表明,不同强弱组合的滑脱层背景下形成的构造样式具有极大差异:“上下双滑脱”双层滑脱层是龙门山山前逆冲叠瓦构造样式形成的关键要素,而“底部滑脱”双层滑脱模型则对应川东地区侏罗山式褶皱构造。在双鱼石区块“上下双滑脱”滑脱层结构中,下部寒武系滑脱层提供深部润滑面,使基底卷入变形向盆地方向有效传递; 上部三叠系膏盐层通过塑性流动调节浅部应力,形成高陡褶皱。相比之下,川东地区“底部滑脱”滑脱组合因深层刚性基底的阻挡,仅能发育浅部褶皱,无法形成类似叠瓦构造。

3.3.2 断层发育的调控作用

滑脱层的存在对断层的发育具有显著的控制作用,具体表现为调控断层发育程度、形态特征及分布规律,进而影响地层变形与区块构造样式。实验表明,有滑脱层发育的区域,断层多在滑脱层上方终止或发生转向,形成特殊断层组合模式——这是由于滑脱层可吸收、分散部分构造应力,改变上部地层应力分布状态,从而影响断层扩展方向与终止位置。此外,滑脱层厚度与埋深也影响断层密度与规模:较厚滑脱层通常抑制断层发育,而靠近地表的滑脱层可能导致断层更密集地发育。

3.3.3 构造演化的调节作用

通过对不同实验阶段模拟结果的分析,滑脱层在构造演化过程中发挥“应力缓冲—变形调节”双重作用:构造运动早期,滑脱层可缓冲构造应力,使上部地层变形相对缓慢; 随构造运动持续,滑脱层逐渐发生滑动或塑性变形,释放部分应力,导致上部地层变形加速,实现构造演化的“渐进式推进”。

4 双鱼石地区构造变形特征及气藏开发部署的应用 4.1 构造变形特征

依据ST9井倾角测井、录井等实钻资料,恢复井旁构造形态:该井在三叠系嘉陵江组—雷口坡组发育多组断层,断层间为倒转背斜构造,地层发生倒转重复; 断层下盘进入隐伏构造带,以原地构造为主,构造变形相对较弱(图 10bc)。ST9井实钻构造样式与物理模拟结果高度吻合,物理模拟结果可以看到冲断前锋带构造斜歪甚至倒转(图 10a)。

图 10 四川盆地ST9井井旁构造及倒转构造模拟实验图像 Fig. 10 ST9 well side structure and simulation experiment image of reversal structure in Sichuan Basin

依据构造物理模拟、数值模拟结果,明确了双鱼石地区栖霞组断层发育模式、断层组合样式以及地层变形特征。基于该成果指导在地震剖面上开展研究区构造精细解释(图 11),可有效降低山前带下盘由于地震资料成像不清而造成构造样式解释的多解性。最终明确双鱼石地区栖霞组顶界构造样式主要包括双断控中隆型断背斜、单断型逆冲断背斜及单背斜构造(图 12)。平面上,由山前向盆地区,潜伏构造变形强度逐渐减弱,变形带向盆地方向的扩展距离显著减小,变形带宽度同步缩减。

图 11 基于模拟构造样式指导的地震剖面解释图 Fig. 11 Seismic interpretation profile guided by simulated structural style
图 12 双鱼石地区典型构造样式图 Fig. 12 Typical structural styles in Shuangyushi area
4.2 构造变形对储层的影响

前人研究成果表明,双鱼石栖霞组储层类型主要可划分为裂缝—孔洞型、裂缝—孔隙型以及孔洞型3种,其中裂缝—孔洞型和裂缝—孔隙型为优质储层,表明裂缝为优质储层发育的关键因素。区块裂缝类型主要为构造缝,其分布主要与断层相关,在断层发育区裂缝更为发育,进而该区的优质储层也更为发育[26-29]。3种构造样式中,双断控中隆型断背斜区受两条逆断层夹持,整体裂缝最为发育,实钻井裂缝密度达17条/m,储层类型则以裂缝—孔隙型和裂缝—孔洞型为主; 其次为单断型逆冲断背斜区,该区一侧发育有一条逆断层,裂缝较为发育,裂缝密度在3~7条/m之间,储集类型3种都较为发育; 而单背斜区由于不发育断层,整体裂缝欠发育,裂缝密度普遍小于1条/m,储层类型则以孔洞型为主。

4.3 构造样式指导下的开发部署模式

构造样式通过控制裂缝密度决定了储层类型及产能级别,不同产能级别对应的最优井型、井距、靶体位置经试采和工程经济评价已得到验证。因此,本文提出的井型井网并非简单由构造样式外推,而是基于“构造—裂缝—储层—产能—工程经济”一体化评价后的直接输出,可作为开发方案编制的输入参数。

基于不同构造样式区储层类型发育的差异性,针对性地提出开发部署模式。双断控中隆型断背斜区的储层类型以裂缝孔洞型、裂缝孔隙型为主,气藏由于裂缝发育、渗透率高、连通性较好,开发部署中,可将其作为整体开发单元,采用“稀井网(井距大于4km)+大斜度井”模式,同时井轨迹沿裂缝发育带延伸,最大化利用裂缝渗流通道。单背斜区由于断裂不发育,裂缝密度较低,储层以岩溶孔洞型为主,井位部署适用于长水平段超过1000m的水平井,且主要围绕背斜高点部署,以提升单井产量,实现效益开发。单断型逆冲断背斜构造兼具断层与背斜双重特征,井位部署需兼顾“构造高部位富集”与“断层裂缝改善渗流”双要素:优先在背斜高点及近高点翼部布井,依托背斜构造高部位富集优势提升单井产能; 同时沿附近裂缝发育区部署定向井,整体采用“大斜度井+水平井”组合模式,既利用背斜圈闭完整性,又借助断层相关裂缝改善储层渗流条件,平衡开发效率与风险。

5 结论

(1)“上下双滑脱”滑脱层组合是控制双鱼石地区“逆冲叠瓦—高陡褶皱”构造样式形成的核心因素。

(2)滑脱层性质与厚度共同调控构造变形:弱滑脱层易形成连续叠瓦逆冲构造,强滑脱层增强上覆地层变形复杂性; 滑脱层厚度为150m时以褶皱主导; 厚度为300m时形成隔挡式褶皱—叠瓦扇; 厚度为600m时发育巨型褶皱—冲断系统,且厚层塑性滑脱层具有更优的油气封盖性能。

(3)双鱼石地区栖霞组顶界构造样式分为冲起构造、断背斜、单背斜3类,平面上由山前向盆地呈现“变形强度减弱、扩展距离缩短、带宽度缩减”的变化规律; 构造倒转源于两套滑脱层间的剪切作用。

(4)基于构造样式差异提出针对性开发模式:冲起构造区采用“稀井网+大斜度井”组合模式、单背斜区采取“长水平段水平井(高点部署)”组合模式、断背斜区采取“大斜度井+水平井”组合模式。

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