南黃海盆地南部坳陷南五凹三垛組剝蝕量研究

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(中海油研究總院，北京100027)

南黃海盆地南部坳陷南五凹三垛組剝蝕量研究

襲著綱，王鵬

(中海油研究總院，北京100027)

南黃海盆地南五凹自白堊紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了4期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，其中古近紀(jì)末期三垛運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，造成大范圍的剝蝕。結(jié)合井資料，綜合利用泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法、鏡質(zhì)體反射率Ro差值法，從點(diǎn)上對(duì)三垛組剝蝕量進(jìn)行了恢復(fù)；然后依托二維地震剖面，利用地層趨勢(shì)法對(duì)該期剝蝕量進(jìn)行了區(qū)域成圖。結(jié)果表明，該事件中南五凹最大剝蝕厚度在凹陷西部，一般為700～950 m；東部剝蝕厚度一般為300～500 m，整體剝蝕厚度小于新近系地層補(bǔ)償厚度。三垛組剝蝕量的研究對(duì)認(rèn)識(shí)南五凹的成藏史及油氣分布規(guī)律具有重要意義。

南五凹；三垛組；聲波時(shí)差法；地層趨勢(shì)法；剝蝕量;南黃海盆地

0 引 言

南黃海盆地南部坳陷南五凹位于中國(guó)黃海南部海域，北部地層上超南二復(fù)合低凸起區(qū)，南部和東部以勿南沙隆起為界(圖1)，整體為南斷北超的結(jié)構(gòu)，凹陷面積約1 800 km2。

南五凹是以古近系、新近系沉積為主體，晚中生代—新生代斷坳-斷陷-坳陷型的沉積單元。自白堊紀(jì)以來(lái)，研究區(qū)先后經(jīng)歷了儀征、吳堡、真武、三垛多期大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，而漸新世末期的三垛運(yùn)動(dòng)最為強(qiáng)烈，地層剝蝕量最大。目前，南五凹尚無(wú)油氣發(fā)現(xiàn)，而鄰區(qū)構(gòu)造、沉積演化特征相似的蘇北盆地已找到大量油氣。從近年蘇北盆地的研究成果看(陳安定，2003；楊立干等，2003；徐田武等，2008；魯雪松等，2009；楊玉平等，2012)，三垛運(yùn)動(dòng)造成的巨大剝蝕量與區(qū)域內(nèi)油氣成藏關(guān)系密切。故針對(duì)南五凹三垛組開(kāi)展了一些剝蝕量研究工作，以期對(duì)認(rèn)識(shí)該區(qū)的成藏史和油氣分布規(guī)律、勘探潛力等提供幫助。

地層剝蝕量的恢復(fù)方法有多種，但每種方法均受特定地質(zhì)條件的限制。在南五凹晚始新世—漸新世三垛組剝蝕量研究中，結(jié)合僅有的4口鉆井資料，綜合利用泥巖聲波時(shí)差法和鏡質(zhì)體反射率Ro差值法對(duì)單井三垛組地層剝蝕量進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析；然后以井剝蝕量為控制點(diǎn)，依托研究區(qū)內(nèi)的二維地震資料，利用地層趨勢(shì)法，對(duì)南五凹三垛組剝蝕量進(jìn)行了區(qū)域性恢復(fù)和分析。

1 泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法恢復(fù)剝蝕量

聲波時(shí)差法是目前常用的恢復(fù)剝蝕量的方法之一。關(guān)于聲波時(shí)差法恢復(fù)剝蝕量的模型和適用條件，許多文獻(xiàn)做過(guò)有益的改進(jìn)和詳細(xì)論述(劉景彥等，2000；吳智平等，2000，2001；付曉飛等，2004；翁望飛等，2011)。該方法最早由Magara(1976)提出。其基本原理是：基于Athy于1930年提出的在正常壓實(shí)情況下，泥頁(yè)巖孔隙度隨深度的變化存在指數(shù)關(guān)系的Athy模型，即：

圖1 南五凹位置示意圖

φ=φ0e-AH

(1)

式(1)中，φ為巖石孔隙度；φ0為地表巖石孔隙度；H為地層埋深,m；A為泥頁(yè)巖正常壓實(shí)趨勢(shì)斜率,m-1。

而固結(jié)地層中，聲波時(shí)差資料可直接反應(yīng)泥頁(yè)巖壓實(shí)程度的大小，且不因地層遭受剝蝕而發(fā)生變化，所以可建立聲波時(shí)差隨深度變化的指數(shù)模型，即Magara模型：

Δt=Δt0e-AH

(2)

式(2)中，Δt為泥頁(yè)巖在深度H處的聲波時(shí)差，μs/m；Δt0為地表聲波時(shí)差，μs/m；H為地層埋深，m；A為泥頁(yè)巖正常壓實(shí)趨勢(shì)斜率，m-1。

Magara模型是用聲波時(shí)差法計(jì)算剝蝕量的基礎(chǔ)，由于該公式在深度趨于無(wú)窮大時(shí)，孔隙度為0，聲波時(shí)差為0，與實(shí)際情況不符。之后，眾多學(xué)者根據(jù)不同的地質(zhì)情況通過(guò)引入轉(zhuǎn)換常數(shù)，提高了模型的適用性(牟中海等，2000；Heasler et al,1996)。

目前普遍認(rèn)為泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法計(jì)算剝蝕量的關(guān)鍵因素是考慮抬升剝蝕前不整合面下伏地層的壓實(shí)結(jié)構(gòu)或壓力是否被后期的沉積地層所改造(吳智平等，2000，2001；劉景彥等，2000；牟中海等，2000；付曉飛等，2004；魯雪松等，2007)。而判斷該因素最直接有效的方法就是分析不整合面上、下泥頁(yè)巖聲波時(shí)差曲線壓實(shí)斜率的分布情況，若剝蝕面之下老地層壓實(shí)曲線位于上覆新地層壓實(shí)曲線左側(cè)，說(shuō)明老地層壓實(shí)結(jié)構(gòu)未改變，可直接應(yīng)用聲波時(shí)差法求取剝蝕量；若剝蝕面之下老地層壓實(shí)曲線與剝蝕面上覆新地層壓實(shí)曲線一致或位于其右側(cè)，說(shuō)明老地層壓實(shí)結(jié)構(gòu)被破壞或存在超壓欠壓實(shí)等現(xiàn)象，此時(shí)需結(jié)合地質(zhì)背景對(duì)壓實(shí)曲線斜率變化的原因進(jìn)一步分析，從而判斷聲波時(shí)差曲線恢復(fù)剝蝕量的適用性?？紫抖扔捎诓粌H是埋深的函數(shù)，而且受沉積環(huán)境、沉積速率、構(gòu)造背景等因素的影響，因此，在適當(dāng)?shù)那闆r下，聲波時(shí)差法也可能適用于沉積地層厚度過(guò)補(bǔ)償?shù)那闆r(牟中海等，2000；魯雪松等，2007，2009)。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)4口井測(cè)井曲線、錄井等資料分析，系統(tǒng)選取泥頁(yè)巖段聲波時(shí)差代表性數(shù)據(jù)，去除周波跳躍段及超壓欠壓實(shí)段數(shù)據(jù)，綜合判斷始新統(tǒng)—漸新統(tǒng)戴南組—三垛組與新近系泥頁(yè)巖段壓實(shí)曲線斜率的關(guān)系，將符合應(yīng)用條件井的古近系泥頁(yè)巖聲波時(shí)差趨勢(shì)線自然上延至650 μs/m(即三垛組剝蝕前古地表聲波時(shí)差值)，則古地表與三垛組剝蝕面間的距離即為三垛組剝蝕量。

通過(guò)對(duì)W2井和W4井分析發(fā)現(xiàn)，三垛組剝蝕面上、下的壓實(shí)曲線斜率存在差異。如W2井，三垛組剝蝕面之下泥頁(yè)巖段壓實(shí)趨勢(shì)斜率為0.000 55 m-1，界面之上壓實(shí)趨勢(shì)斜率為0.000 38 m-1，說(shuō)明W2井三垛組剝蝕面之下泥頁(yè)巖地層的壓實(shí)效應(yīng)并未被新近系破壞(圖2a)。W3井為斜井，且新近系無(wú)聲波測(cè)井曲線，戴南組以下地層存在超壓，一定程度上限制了該方法的使用。該井剝蝕量恢復(fù)結(jié)果在此次研究中僅作參考，其剝蝕量為835 m。而W1井位于凸起帶，泥頁(yè)巖欠發(fā)育，且在三垛組剝蝕面之下還存在一些大的不整合面，故無(wú)法用該法進(jìn)行剝蝕量恢復(fù)。W2井和W4井(圖2b)用該法恢復(fù)的剝蝕量結(jié)果分別為904，561 m。

圖2 單井泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法恢復(fù)三垛組剝蝕量

該區(qū)W2井和W4井三垛組不整合面上覆地層過(guò)補(bǔ)償，但未改變下伏地層的壓實(shí)結(jié)構(gòu)，筆者認(rèn)為其主要原因是沉積環(huán)境和沉積速率的問(wèn)題。古近紀(jì)戴南組—三垛組時(shí)，南五凹處于斷陷階段，主要發(fā)育河流相及湖沼相沉積。戴南組凹陷中央及東部以細(xì)粒沉積為主，偏湖相；西部及南北斜坡帶局部發(fā)育河流相-三角洲沉積。而三垛組河流相粗粒沉積物分布更加廣泛；但末期發(fā)育一套濱淺湖相、河流洪泛平原相沉積，相比下伏砂巖段較薄。整體上古近紀(jì)戴南組—三垛組沉積速率小于沉降速率，且兩井區(qū)以粗粒沉積為主，隨地層厚度的增加，泥頁(yè)巖壓實(shí)程度緩慢，壓實(shí)趨勢(shì)斜率較大。新近紀(jì)，南五凹進(jìn)入坳陷階段，盆地趨于平原化，下部以厚層河流相粗粒沉積為主，上部以細(xì)粒沉積物為主，但水體相比古近紀(jì)變淺，沉積速率也較快。細(xì)粒沉積物堆積相對(duì)緊湊，泥頁(yè)巖壓實(shí)程度較大，孔隙度減小較快，壓實(shí)趨勢(shì)斜率較小。所以這種沉積速率和沉積環(huán)境的差異，引起不整合面上、下泥頁(yè)巖孔隙度的變化，導(dǎo)致壓實(shí)趨勢(shì)斜率下大上小。

2 鏡質(zhì)體反射率Ro差值法恢復(fù)剝蝕量

正常情況下，鏡質(zhì)體反射率Ro隨深度的變化是連續(xù)漸變的，且存在不可逆性。當(dāng)?shù)貙訜崾坊蚵癫厥纷兓瘯r(shí)，Ro就會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)的間斷。基于該認(rèn)識(shí)，Dow在1977年最早提出Ro差值法，利用Ro與埋深的線性回歸關(guān)系恢復(fù)地層剝蝕量，即把不整合面之下地層的Ro回歸曲線延伸至與不整合面上覆地層底界面Ro相等的深度點(diǎn)，則該點(diǎn)與不整合面的距離即為剝蝕量(Katz等,1989)。

該方法簡(jiǎn)單，易操作，應(yīng)用較廣泛。但前提條件是首先要排除斷層、巖漿作用等對(duì)Ro突變?cè)斐傻挠绊?王敏芳等，2006)。事實(shí)上，Dow的方法存在不合理性，制約了其應(yīng)用范圍。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)Ro差值法恢復(fù)剝蝕量作了一系列改良和有意義的探討(陳增智等，1999；胡圣標(biāo)等，1999；佟彥明等，2006a,2006b)。陳增智等指出：Ro差值法主要問(wèn)題在于再埋藏過(guò)程中，Ro發(fā)生“退火”、“消融”現(xiàn)象。Ro差值法得到的剝蝕量應(yīng)為最小值，有時(shí)該方法甚至無(wú)法恢復(fù)剝蝕量。佟彥明等指出：在利用Ro法求取剝蝕量時(shí)，可直接將剝蝕面下伏地層lnRo-H(埋深)回歸曲線外推至ln 0.2處而得到近似古地表的位置，古地表與不整合面間的距離即為剝蝕量。

南五凹W1井三垛組火山巖發(fā)育，井點(diǎn)Ro數(shù)據(jù)不適合應(yīng)用該種方法計(jì)算剝蝕量。W2井和W3井雖有部分Ro數(shù)據(jù)，但在三垛組取樣較少，數(shù)據(jù)有限，計(jì)算的剝蝕量結(jié)果僅作為參考。最終該法恢復(fù)的W2井(圖3)和W3井剝蝕量分別為953，672 m。

圖3 W2井鏡質(zhì)體反射率法剝蝕量恢復(fù)

泥頁(yè)巖聲波時(shí)差法和鏡質(zhì)體反射率Ro差值法計(jì)算剝蝕量都嚴(yán)重受限于鉆井資料的情況，僅代表某一點(diǎn)的剝蝕量，無(wú)法宏觀展示區(qū)域性剝蝕量的變化情況。從2種方法計(jì)算的井剝蝕量結(jié)果分析，W3井剝蝕量計(jì)算結(jié)果相差較大，主要是由于該井為斜井，存在超壓，且戴南組—三垛組缺少足夠的Ro數(shù)據(jù)控制lnRo-H(埋深)擬合回歸曲線，導(dǎo)致2種方法對(duì)該井的適用性受限。W2井上述2種方法計(jì)算的結(jié)果差距不大，說(shuō)明結(jié)果較準(zhǔn)確，在地層趨勢(shì)法恢復(fù)區(qū)域剝蝕量研究中，井點(diǎn)剝蝕量標(biāo)定采用兩者的均值。

3 地層趨勢(shì)法恢復(fù)區(qū)域剝蝕量

地層趨勢(shì)法可從面上直觀地恢復(fù)各構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地層剝蝕量(陳擁鋒等，2007)。通常，地層厚度的橫向展布具有一定的變化規(guī)律，根據(jù)未被剝蝕地層厚度變化趨勢(shì)及沉積邊界可計(jì)算剝蝕地層的厚度(徐田武等，2008)，但缺點(diǎn)是這種單純根據(jù)地震剖面外推確定的剝蝕量往往小于真實(shí)剝蝕量。

使用該方法的前提是假設(shè)剝蝕前地層厚度均一或厚度變化率均勻(徐田武等，2008)。南五凹古近紀(jì)末期三垛運(yùn)動(dòng)造成的剝蝕范圍廣，剝蝕面近平原化，且在剝蝕過(guò)程中未發(fā)生強(qiáng)烈擠壓構(gòu)造變形，地層殘余厚度較好地反映了古地勢(shì)的相對(duì)變化情況。在用該法恢復(fù)區(qū)域剝蝕量過(guò)程中，以井點(diǎn)剝蝕量為依據(jù)，然后結(jié)合構(gòu)造變形趨勢(shì)和殘余地層相對(duì)變化情況，在地震剖面上追蹤出三垛組剝蝕前的頂部趨勢(shì)面，從而計(jì)算出該期的剝蝕量(圖4)。

圖4 地層趨勢(shì)法恢復(fù)剝蝕量示意圖

(1) 在二維地震剖面解釋的基礎(chǔ)上，選擇過(guò)井的典型測(cè)線作為剝蝕量恢復(fù)的骨干測(cè)線。

(2) 確定過(guò)井剖面三垛組頂部可識(shí)別的最外側(cè)頂超點(diǎn)或削截點(diǎn)，定義為B2、B3；然后根據(jù)頂超點(diǎn)或削截點(diǎn)確定的反射軸識(shí)別出1條等時(shí)參照線，其與井交點(diǎn)定義為B1。

(3) 將單井剝蝕量標(biāo)定在井柱上(C1點(diǎn))。根據(jù)厚度變化率相近的前提，由公式C1B1/B1A1=C2B2/B2A2，可得出C2B2的厚度，進(jìn)而可確定C2點(diǎn)的位置，同理可在地震剖面上標(biāo)定出C3。故可根據(jù)三垛組底和參照線的形態(tài)，將C1，C2，C3連接成1條曲線，然后適當(dāng)調(diào)整即可得到三垛組剝蝕趨勢(shì)線。剝蝕趨勢(shì)線與三垛組不整合面間的距離即為剝蝕量。

在利用地層趨勢(shì)法恢復(fù)三垛組剝蝕量時(shí)，應(yīng)考慮斷層的影響。確定剝蝕趨勢(shì)線遇到邊界斷層及一些同沉積斷層時(shí)，需考慮斷層上、下盤(pán)地層厚度的變化；一些斷距較小的斷層引起的地層厚度趨勢(shì)變化可忽略不計(jì)。

根據(jù)地層趨勢(shì)法得出南五凹剝蝕量圖(圖5)，結(jié)果表明：南五凹西部剝蝕量整體大于東部。最大剝蝕量為700～950 m，剝蝕量較大處位于W2井凹中隆位置及W1井區(qū)南側(cè)。中部深洼區(qū)及東部剝蝕量一般較小，為300～500 m。

4 剝蝕量恢復(fù)的意義

南五凹在南部坳陷規(guī)模較大，面積和沉積厚度與高郵凹陷類似。高郵凹陷的油氣勘探成果及南部坳陷的鉆井已證明：區(qū)域內(nèi)主要烴源巖段為阜二段和阜四段。南五凹構(gòu)造格架簡(jiǎn)單，但樣式復(fù)雜多樣。區(qū)內(nèi)多期規(guī)模不同的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成了多個(gè)不整合面，影響了區(qū)內(nèi)油氣運(yùn)聚和成藏，其中三垛組構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及其剝蝕量對(duì)凹陷的成藏及油氣運(yùn)移、圈閉發(fā)育程度等有至關(guān)重要的作用。

通過(guò)三垛組剝蝕量恢復(fù)研究，結(jié)合該區(qū)地溫梯度分析，南五凹阜寧組烴源巖存在2次生烴。

(1) 南五凹中部及南部陡斷帶阜二段和阜四段烴源巖在三垛組末期第一次進(jìn)入生烴期，但由于古近紀(jì)末期三垛運(yùn)動(dòng)近20 Ma沉積間斷造成的巨大剝蝕量，對(duì)油氣成藏造成了一定的破壞作用，一方面使阜二段和阜四段烴源巖生烴強(qiáng)度削弱，另一方面第一次生烴期巨大的剝蝕量可能導(dǎo)致油氣泄漏、再分配。阜寧組深湖相烴源巖主要分布于現(xiàn)今南五凹W2—W4井區(qū)東西兩側(cè)深洼帶，這些部位三垛組剝蝕前恰好是厚度中心，由此分析該帶當(dāng)時(shí)已是主要生烴區(qū)。三垛組時(shí)期圈閉類型多樣，儲(chǔ)蓋發(fā)育，具有成藏的先天條件。凹中隆及斜坡帶一些保存較好的圈閉可成為油氣富集的有利場(chǎng)所，值得進(jìn)一步分析。

(2) 新近紀(jì)的快速沉積使南五凹中部繼承性的一些洼陷及北部斜坡出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償沉積，阜二段和阜四段烴源巖進(jìn)入二次生烴期。由單井埋藏史分析，新近系補(bǔ)償厚度越大，烴源巖的成熟度越高，二次排烴量越大。南五凹鹽城組—東臺(tái)組厚度均超過(guò)1 500 m，補(bǔ)償厚度一般超過(guò)700 m，有利于阜二段和阜四段新近紀(jì)的二次生烴。南五凹新近系過(guò)補(bǔ)償沉積后，阜二段烴源巖成熟度較高，阜四段烴源巖也基本進(jìn)入低熟階段，可生排大量烴類。三垛組剝蝕量的研究為重新認(rèn)識(shí)南五凹阜寧組烴源巖的生烴潛力提供了依據(jù)，為預(yù)測(cè)該區(qū)有利勘探領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié) 論

由于區(qū)域內(nèi)井資料有限，聲波時(shí)差法單井剝蝕量恢復(fù)相比鏡質(zhì)體反射率Ro差值法適用性更強(qiáng)。在井資料較多的情況下，應(yīng)盡量避免選取斜井及凸起區(qū)存在多個(gè)不整合面的井進(jìn)行剝蝕量恢復(fù)。

南五凹三垛組剝蝕面近于平原化，后期新近紀(jì)未發(fā)生強(qiáng)烈構(gòu)造擠壓，三垛組殘余厚度較好地反映了古地勢(shì)的情況，進(jìn)而反映了剝蝕厚度的趨勢(shì)。三垛組地層最大剝蝕量在950 m左右，凹中隆及西部斜坡區(qū)剝蝕量大于東部。新近紀(jì)以來(lái)沉積地層厚度均在1 500 m左右，明顯大于剝蝕量，形成過(guò)補(bǔ)償。

三垛組剝蝕前，阜二段和阜四段烴源巖已經(jīng)進(jìn)入生烴期，但巨大的剝蝕量導(dǎo)致其生烴強(qiáng)度減弱。凹中隆及一些保存較好的繼承性圈閉是較有利的成藏部位。新近系的過(guò)補(bǔ)償沉積導(dǎo)致阜寧組烴源巖進(jìn)入二次生烴期，對(duì)油氣成藏較為有利。三垛組剝蝕量的研究對(duì)重新認(rèn)識(shí)南五凹阜寧組烴源巖的生烴潛力，分析該區(qū)的成藏規(guī)律和凹陷勘探價(jià)值等具有重要意義。

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On strata erosion thickness of Sanduo Formation in South V sag in South Yellow Sea Basin

XIZhu-gang,WANGPeng

(CNOOC Research Institute, Beijing 100027, China)

South V sag in South Yellow Sea Basin experienced four major tectonic activities since Cretaceous, among which Sanduo tectonic activity was the most intensive one that caused a wide range of erosions. Combined with the wells information, adopting the methods of acoustic time difference and vitrinite reflectance, the authors reconstructed the erosion thickness of Sanduo Formation. Afterwards, based on 2D seismic sections, erosion thickness map was completed with the method of stratum trend analysis. The research result indicated the maximum erosion thickness in the western South V sag was around 700 to 950 m, while the erosion in the eastern area was about 300 to 500 m. As a whole, the overall erosion thickness was less than the layer compensation thickness in Neogene System. The research of the erosion thickness in Sanduo Formation played an important role in recognizing the law of hydrocarbon accumulation and distribution in South V sag.

South V Sag; Sanduo Formation; Acoustic time difference method; Stratigraphic trend method; Erosion thickness; South Yellow Sea Basin

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.536

2014-04-17；

：2014-04-23；編輯：侯鵬飛

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“近海富烴凹陷資源潛力再評(píng)價(jià)和新區(qū)、新領(lǐng)域勘探方向”(2011ZX05023001)、“近海大中型油氣田形成條件與分布”(2011ZX05023006)聯(lián)合資助

襲著綱(1984— )，男，工程師，碩士，主要從事油氣勘探研究工作，E-mail：xizhg@cnooc.com.cn

P736.2

：A

：1674-3636(2014)04-0536-06