中國工程院院士康玉柱暢談我國地質力學理論與實踐
發表時間 :2016-04-13 來源:
提要:“十三五”期間,新疆油氣資源仍是我國能源勘探開發的重點之一。如今,《新疆“十三五”能源發展規劃》及多個相關專項規劃已編製完成,地質工作整裝待發,諸多地質科學工作者也滿懷激情,紛紛為石油地質科學與實踐邁上新台階而支招、發力。長期奮戰在西部找油戰線上的中國工程院院士、石油地質學家康玉柱等許多專家認為,“十三五”乃至更長時期,曾在我國油氣勘探中發揮巨大作用的地質力學,應該在新疆乃至全國油氣資源的勘探開發中產生更大的科學效應。
地質力學為中國找油事業打開全新大門
中國工程院院士康玉柱是地質力學堅定的支持者和實踐者。日前,他從地質力學在新疆石油勘探中的重大實踐意義出發,著重談起了全新曆史時期中地質力學的重要作用。
他說,中國地質學的先驅之一、著名地質學家李四光先生創立了“地質力學”,這也是唯一由中國人自己提出的新學科。李四光高屋建瓴地歸納出“地質構造三重基本新概念”,為地殼構造和地殼運動研究開拓了新途徑。上世紀六七十年代以後,地質力學的理論和方法在中國的地質工作和研究中得到較廣泛的推廣和應用,為發展我國的能源地質事業和地質科學作出了卓越貢獻。
關於地質力學,康玉柱有著40多年的深刻理解。
1960年7月,康玉柱從長春地質學院畢業。他主動放棄留校機會,毅然選擇了祖國最需要的地方,前往原地質部第一普查勘探大隊工作。
1970年初,李四光等原地質部領導從全國石油工業發展的戰略需要出發,要提前5~10年為石油工業部門準備好油氣開發後備基地,於是指令原地質部石油地質綜合研究大隊評價塔裏木盆地。大隊委派康玉柱帶領西北分隊前往塔裏木盆地進行油氣前評和選區研究,為原地質部組建石油普查勘探隊伍作準備。
從此,康玉柱開始了對地質力學的實踐;塔裏木盆地,也成為康玉柱等地質人“石油夢”騰飛的地方。
1970年3月7日,在湖北荊州原地質部石油地質綜合研究大隊期間,康玉柱第一次聽我國著名地質學家孫殿卿先生講地質力學理論,從此對地質力學理論的係統性、邏輯性、先進性、科學性、實踐性、指導性有了深刻的認識。
長期以來,中國被認為是一個貧油的國家。而李四光在仔細分析了中國地質條件後,深信在中國遼闊的領域內,油氣資源的蘊藏量是相當豐富的。
康玉柱至今還記得李四光先生的論斷,而更令他感興趣的是,李四光認為,地殼在運動中存在,必然有一種力量在起作用,這種力就是地應力。顯然,把力學和地質學密切結合起來,開辟了一條解決地殼構造和地殼運動問題的新途徑。
之後,康玉柱通讀了李四光在地質力學的建立與發展過程中的幾篇重要著作,如《東亞一些典型構造型式及其對大陸運動的意義》、《中國地質學》、《地質力學的基礎與方法》、《旋卷構造及其他有關中國西北部大地構造體係複合問題》、《地質力學概論》。這些在地學界曾經產生了巨大深遠影響的著作,也成為康玉柱科學思考中的一座座燈塔。
當然,對他最具指導意義的還是《地質力學概論》。書中,李四光總結了自己40餘年的地質力學理論研究與實踐經驗,扼要闡述了有關地質構造的若幹傳統概念、地質力學的方法、地質力學中存在的問題和地殼運動起源問題,把構造體係明確地歸結為三大類型,即緯向構造體係、經向構造體係和各種型式的扭動構造體係。這也為康玉柱打開了一扇通向成功的理論之門。
1970年5月3日,康玉柱在孫殿卿的帶領下,來到李四光的辦公室,作了《評價塔裏木盆地設計方案》的匯報。聽完匯報,李四光作了幾項重要指示:第一,要搞清盆地有幾套生油岩,古生界有無生油岩。第二,庫車的油從哪裏來的?第三,作好全盆地油氣前景評價和分區評價,為組建普查隊伍作好準備。
1970年5月上旬,康玉柱等帶著李四光的指示和期望,踏上了奔往塔裏木的征途。
應用地質力學,中國古生界海相油氣首獲重大突破
在塔裏木盆地,康玉柱等首先運用地質力學理論對塔裏木盆地進行了構造體係研究。令人驚喜的是,他們首次發現寒武—奧陶係生油岩石炭—二疊係生油岩;具有多套成油組合,油氣資源潛力大。據此,他們認為塔裏木盆地是我國大型含油氣盆地,其中,塔西南地區和塔東北地區油氣前景最好,塔中地區較好。
根據構造體係控油思路,他們提出了具體勘探部署意見:擴大一塊(庫車坳陷);突破一塊(西南坳陷區);準備一塊(東部坳陷區);研究一塊(巴楚隆起古生界)。建議石油部門在擴大庫車的同時,把重點轉到塔西南實現新突破。建議原地質部快上石油普查隊伍,早日發現大油田。
1971年,石油部門開始了塔西南的油氣勘探工作。於1977年5月在塔西南坳陷區的葉城坳陷西河堡構造部署的柯1井於第三係中新統打出高產油氣流實現新區重大突破,發現了柯克亞油氣田。
1977年8月,根據康玉柱等建議,國家地質總局決定成立塔裏木籌備組,康玉柱任負責人。他編寫的《塔裏木盆地石油地質普查初步設計方案》被國家地質總局領導采納,開始組建新疆石油普查勘探指揮部(後改為“西北石油局”),並決定將原地質部第一普查勘探大隊整建到調入新疆。
1978年,康玉柱等首先從塔裏木盆地西南的喀什—麥蓋地區進行初步油氣勘探工作,部署了1:20萬重力、航磁及二維地震大剖麵,並在喀什坳陷地表背斜構造及麥蓋提斜坡上傾部位的構造打了2口探井。然而,隻在“麥參1井”石炭係見到油氣顯示。經初步勘探發現,該區目的層埋藏太深,當時鑽機能力不可及;地表構造複雜,勘探工作難以進行。因此,亟待優選新的勘探靶區。
那麽,新的勘探靶區應選在哪裏?1979年9月,康玉柱提出向塔北沙雅隆起轉移的意見。建議提出後,一些人當即表示反對,理由是前人在該區開展油氣勘探工作10多年,認為沙雅隆起(斜坡)新生界直接蓋在古老變質岩之上、不是有利的含油遠景區,為什麽我們還要上?
康玉柱堅持向塔北沙雅隆起轉移的理由有4個:一是根據地質力學理論、方法研究認為,沙雅隆起在早古生代時,西起柯坪隆起、東到庫魯克塔格隆起,形成一個東西沉降帶,預測沙雅隆起不但有古生界也應該有中生界,是有利的含油氣遠景區。二是沙雅隆起北鄰庫車生油坳陷,南接滿加爾生油坳陷,成為油氣運聚指向地區。三是航磁和重力資料表明沙雅隆起基底埋藏較淺,為4千米~5千米,是尋找古潛山油氣藏的有利地區。四是地勢和交通條件較好。
康玉柱提出的向沙雅隆起轉移的意見得到了上級的支持。1980年初,西北石油局的勘探重點從塔西南轉移到塔北沙雅隆起。同時,為加快勘探速度,在塔裏木河南躍進一號重力高上部署了“躍參1井”。1981年,該鑽至井深4747米見到了古生界二疊係,並鑽到了 700多米厚的三疊—侏羅係,其中有320米生油岩。
據康玉柱介紹,“躍參1井”的地質成果意義重大,證實了沙雅隆起及其鄰區不但有中生界而且也有古生界,中生界發育有較好的生油層,古生界埋藏較淺,打開了認識塔東北地區具良好油氣前景的大門,也堅定了他們在沙雅隆起找大油氣田的信心和決心。另外,地震大剖麵302線證實原雅克拉重力高是一個古生界潛山構造,這更加增強了他們在沙雅尋找古潛山油氣田的信念。
1983年4月,康玉柱主持部署了“沙參2井”。1984年8月中旬,該井打到5363.50米,見到了古潛山風化麵,並取得少量白雲岩岩芯,但未見油氣顯示。當時,部分工程人員要求停鑽完井。康玉柱果斷提出決不能停鑽,至少再打100米。他的意見得到西北石油地質局和上級領導的支持,決定加深。1984年9月22日,隻加深了28米,到5391.18米就發生強烈井噴,喜獲高產油氣流,產油1000立方米,天然氣200萬立方米,實現我國古生代海相油氣首次重大突破,成為我國油氣勘探史上的重要裏程碑,也拉開了中國油氣勘探第二大跨越和塔裏木盆地找油大會戰的序幕。
西北地區幾大盆地找油實踐豐富和發展了地質力學理論
康玉柱率領團隊先後轉戰中國的22個省區、45個盆地,進行石油地質勘查工作,經過46年應用實踐,取得了重要進展。除了實現中國古生代海相油氣首次重大突破,還發現2個特大油田及20個油氣田,特別是在新疆塔裏木盆地,他主持勘查、發現了塔北10個油氣田和1個世界級塔河大油田,為中國石油工業的發展作出了開拓性的突出貢獻。
新世紀,地質力學在勘探大西北的實踐中再創輝煌。
2001年5月初,康玉柱受聘於中國石化西部新區勘探經理部,並任副經理兼總地質師,後改任指揮部專家組副組長。在工作中,他以地質力學構造體係、控油思路為指導,在新疆又發現了8個油氣田,為我國石油工業發展作出了新貢獻。
從2006年開始,康玉柱帶領團隊對我國西北地區及塔裏木、準噶爾、柴達木、鄂爾多斯、四川幾個大盆地進行構造體係控油研究,以構造體係控油思路進行油氣前景評價和選區,優選的一級有利區經勘探實踐發現了多個大中型油氣田。
40多年來,康玉柱在應用實踐的基礎上,豐富發展了地質力學理論。
進一步劃分了構造體係類型:全國構造體類型;中國東南地區及西北地區構造體係類型;塔裏木、準噶爾—吐哈、柴達木、河西走廊、鄂爾多斯、四川、鬆遼華北等大型盆地構造體係類型。
首次提出了構造體係5個演化特征,指出了構造體控製盆地形成和演化,建立了5種盆山耦和關係,發展了構造體多級次控製油氣,提出了中國四大類型盆地油氣分布規律。
在李四光和孫殿卿先生等老一輩科學家的研究基礎上,經過40多年實踐—認識—理論總結,康玉柱等編著的《油氣地質力學》首次將油氣地質學與地質力學融為一體的創新理論,成為一門新的學科。1992年,他首次創立了“中國古生代海相成油理論”。後來,在實踐的基礎上,他又在實踐的基礎上不斷地豐富了這一理論,建立了“中國前陸盆地成藏理論、疊合盆地成藏理論,非帶規油氣成藏理論以及全球油氣地質特征分布規律”等理論。
地質力學理論在廣泛應用中取得顯著的經濟和社會效益
如果說康玉柱院士為傳承和發展李四光地質力學的楷模,由李四光創立的中國地質調查局中國地質科學院地質力學研究所,則是繼承和發展地質力學理論的大本營。
長期以來,地質力學所以地質構造體係為主線,致力於服務解決能源資源的油氣、頁岩氣、鈾礦、有色貴金屬礦產等地質調查研究、服務重大工程和城鎮建設的地殼穩定性評價、服務防災減災的內動力地質災害調查研究、服務生態保護的第四紀與環境地質研究、服務破解重大地質問題的基礎地質、極地地質調查研究,特別是在我國大規模的能源礦產勘查中,發揮了重要的指導作用——應用於石油、天然氣地質、煤田地質、鈾礦地質及地熱地質勘查上,取得了一係列重要成果,實現了找礦勘探的重大突破,展現出我國能源地質的地質力學理論和應用研究的廣闊前景。
據地質力學研究所所長徐勇介紹,該所在50多年來的油氣地質調查與研究工作中,積累了豐富的戰略與戰術找油經驗,發展和完善了地質力學找油理論,先後提出“構造型式控油理論、體係多級分階段控油理論、構造體係複合控油理論、斷裂控油理論、油田構造應力場控油理論及應力驅動油氣運移理論”等構造控油理論體係,形成了“含油盆地構造體係研究方法、大比例尺油田多維應力數值模擬技術與三維裂縫描述方法、油氣資源綜合預測評價方法”等係統的技術方法體係。
50多年來,地質力學研究所科研人員對我國主要油氣田進行過調查研究工作,組織承擔國家科技攻關項目,開展了我國西部(塔裏木、柴達木)石油地質調查和研究工作,為塔裏木油氣勘探工作作出了貢獻,取得了顯著的經濟和社會效益;先後三代人對柴達木盆地的地質構造、石油地質、油區構造應力場、油氣分布規律等進行了係統研究,取得了重要成果,並被生產部門及時應用於找礦勘探工作;開展了東海地區和遼河盆地的油氣地質調查與研究,對構造演化與控油、油田地應力測量、構造應力場控油規律和油氣運移的應力驅動等問題進行了詳細的研究,為找油和老油田挖潛提供了許多新思路。
自2000年地質大調查以來,地質力學研究所先後承擔並完成石油地質方麵的科研項目(課題、專題)50餘項,研究地區涉及國內各主要含油氣盆地及北極地區,研究領域涉及油氣工業“上遊”的各個方麵,包括戰略性油氣資源調查評價及油氣田的勘探和開采等,實踐地質力學理論的腳步走得更遠、更紮實。
新時期呼喚地質力學“二次創業”
2007年8月19日,時任國務院總理溫家寶在新疆視察期間,專程到康玉柱院士家裏看望了他。康玉柱向總理匯報了如何繼承和發展李四光創立的地質力學理論時,總理頻頻點頭,並說:“應該!應該!很有必要,地質力學很有生命力……你要注意身體……再幹13年。”
隨後,根據溫總理的指示,康玉柱給時任國土資源部部長徐紹史等領導寫了繼承發展地質力學理論與方法的建議方案。2007年9月28日,徐紹史部長在《關於發展李四光地質力學理論的建議》上批示:康玉柱同誌的建議很重要……2007年10月26日,時任中國地質調查局常務副局長鍾自然到地質力學研究所,專程落實溫總理和徐部長的指示,召開了座談會,並作了重要講話:學習著名地質學家李四光的創新精神,發展地質力學理論,加強基礎、創新、拓展、應用,實現二次創業,再創輝煌。
地質力學所所長徐勇表示,要繼承和發揚李四光等老一輩科學家地質力學理論,將在油氣地質、礦產地質、預防地質災害、第四係地質等方麵深入實踐,創新發展地質力學理論。
近年來,以李四光先生創建的地質力學理論為指導,在中國地質調查局地質調查項目的支持下,康玉柱帶領地質力學研究所的能源地質團隊係統開展了中國西北、中東部地區主要構造體係特征及其複合關係研究,獲得多項創新成果:探討主要構造體係控製含油氣盆地成生發展的機理,揭示構造體係控製油氣分布的規律,重新預測和評價了油氣聚集的有利區帶,取得了創新性認識和重大發現;係統劃分了中國西北、中東部地區發育的主要構造體係,詳細論述了各構造體係組成、形態、分布範圍、規模、發展演化史及其六大基本特征,進一步總結了構造體係複合、聯合的六種關係;首次恢複了古構造體係控製下的古生代盆地原型,探討了西北、中東部地區主要盆地構造應力場特點,論述了構造體係控盆、控油氣源區、控含油氣體係、控油氣聚集帶規律;查證中國西北地區古生界未發生區域變質,並獲得柴達木盆地石炭係液體油苗的新發現,估算油氣資源量為320億噸油當量,油氣資源潛力巨大,是今後油氣勘探的重要領域;建立了八種低序次扭動構造控油氣田模式;全麵評價了西北、中東部地區主要盆地油氣資源前景並劃分優選了有利區帶;在塔裏木盆地、準噶爾盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯盆地、四川盆地評價優選的有利區帶內,近年來相繼獲得13個油氣勘探重大突破和發現。
曆時7年,在柴達木盆地油氣基礎地質調查獲得重要進展:奧陶係發現碳瀝青,下古生界首獲非常規油氣,初步評價灘間山地區碳瀝青資源量為2.25億噸;石炭係鑽遇天然氣,上古生界首獲天然氣;古生界發現多套海相烴源岩,具有良好的生烴潛力;石炭係發現生物礁與古岩溶,可提供充足的油氣儲集空間;構造、沉積與油氣地質條件有效配置,柴達木盆地海相油氣資源前景廣闊,評價柴達木盆地石炭係油氣地質資源量為6億~7億噸。
依據構造體係控油作用理論,進行了西北塔裏木、柴達木、準噶爾—吐哈和走廊地區石炭—二疊係油氣有利區帶分布與預測,並被近年來的油氣勘探成果所證實。先後出版專著10餘部,發表論文100餘篇;獲國家科技進步獎二等獎1項,原地礦部科技成果二、三等獎各3項。
地質力學還應加強基礎理論創新研究
幾十年來,地質力學理論在礦產和水文地質、工程地質勘查、地震地質、地熱地質以及地區穩定性研究方麵,特別是對中國石油、煤田和若幹金屬礦產的預測以及解決重大工程建設和大型礦山開發中遇到的地質問題,都起了重要作用。但同時也存在不少問題:中新生代研究多,古生代研究少;造山帶研究多,盆地內研究少;大區域研究多,區帶研究少;構造體係研究多,構造體係控礦研究少;一二級構造體係研究多,三四級構造研究少……
為此,康玉柱表示,地質力學基礎理論發展的主要內容需要從以下幾方麵著手:
一是加強地質力學理論研究,從動力學入手,深入研究構造形成機理,特別是破裂機製問題,力求在破裂機理研究上有所突破,為解決構造地震成因機製和地震預報問題奠定基礎。二是擴大構造體係的內涵和外延,發展構造體係理論;進一步解決構造體係形成時期、古構造型式的鑒定、不同級別構造體係控礦作用、各類構造型式形成的力學機理問題。三是以古生代為重點詳細研究中國中生代區域構造體係成生發展和演化,建立中國古構造體係新格架。四是以大型沉積盆地為重點,研究覆蓋區構造體係形成演化,我國盆地基本特點、演化規律和形成機製。五是以中國不同時代造山帶為重點,研究典型造山帶形成演化規律,探討我國造山帶形成機製。六是深入研究構造體係的控礦作用,力求有重大發現。七是加強活動構造體係和地震預報研究、地質災害研究、地熱地質研究,為國計民生作出新貢獻。八是深入開展岩石力學實驗、地應力測量和構造應力場模擬工作。九是加強各種技術方法創新。
康玉柱表示,要繼承和發展李四光地質力學理論,實現“二次創業、再建輝煌”,需要“從大區域→盆地,從中新生代→古生代,從陸地→海洋,從一二級構造體係→三四級構造體係,從礦產勘探→礦產開采,從國內→全球”。為保障研究工作取得成效,要“選擇幾個重點課題,解剖幾個典型地區,建立幾個科研基地,再統一籌劃下開展工作。同時,大力開展國際合作和國際學術交流,加快與國際接軌的步伐,讓地質力學走向世界!”