尼日爾三角洲盆地過路朵葉體特征及發(fā)育模式

胡孝林，于 水，劉新穎

(中海石油研究總院，北京 100027)

尼日爾三角洲盆地過路朵葉體特征及發(fā)育模式

胡孝林，于 水，劉新穎

(中海石油研究總院，北京 100027)

選取尼日爾三角洲盆地某深水區(qū)塊，通過鉆井、地震反射特征及地形特征分析，揭示在陸坡內(nèi)發(fā)育的過路朵葉沉積儲(chǔ)層及結(jié)構(gòu)特征，建立過路朵葉發(fā)育模式，明確地形特征及沉積物源供給對(duì)過路朵葉發(fā)育及演化的控制作用.結(jié)果表明，工區(qū)內(nèi)過路朵葉具有塊狀充填的沉積特征，表現(xiàn)沉積時(shí)受低地形限制快速充填的特征；儲(chǔ)層平面分布范圍優(yōu)于線性水道且具有優(yōu)良的儲(chǔ)集性能，其發(fā)育規(guī)模和平面分布主要受泥巖上拱形成的微型盆地控制，表現(xiàn)一個(gè)多期“充填—溢出”過程，可劃分為原始地形、初始充填、后期充填、溢出、水道侵蝕等5個(gè)階段，每個(gè)階段沉積儲(chǔ)層特征及平面展布特征都存在差異.此外，重力流流體密度、海平面變化對(duì)過路朵葉規(guī)模、發(fā)育位置也具有較大影響.

尼日爾三角洲盆地；深水扇；過路朵葉；沉積特征；發(fā)育模式

0 引言

對(duì)于深水扇沉積體系，石油工業(yè)界一般依據(jù)儲(chǔ)層發(fā)育程度、平面分布及聯(lián)通性質(zhì)等，劃分出深水水道(channel)、朵葉(lobe)、天然堤(levee)、溢岸(over bank)等沉積單元.其中朵葉與水道一起構(gòu)成深水油氣最主要的儲(chǔ)集體.作為主要的深水油氣儲(chǔ)層之一，朵葉體在某些盆地中的重要性甚至超過深水水道的.如在墨西哥灣盆地北部深水區(qū)，60%的產(chǎn)量來自朵葉砂體，而來自深水水道砂體的產(chǎn)量只有25%[1].此外，在巴西海上、西非安哥拉海上、尼日利亞深水區(qū)等朵葉砂體為重要的油氣儲(chǔ)層[2-4].過路朵葉是朵葉的一種，指在深水水道過路過程中，局部低地形內(nèi)重力流沉積物部分卸載，對(duì)局部低地形充填—溢出而形成的朵葉狀或長(zhǎng)條狀沉積體[5]；通常，具有中等寬厚比(300∶1～500∶1)的塊狀充填及后期水道切割的特征.該類沉積體儲(chǔ)層兼具水道砂體的較大垂向厚度及末端朵葉(席狀砂)的平面延展及聯(lián)通性，因而對(duì)于深水油氣勘探具有重要意義.筆者以西非尼日爾三角洲盆地深水區(qū)為例，探討該盆地主要深水油氣儲(chǔ)層——過路朵葉的基本特征及發(fā)育模式，以期對(duì)該地區(qū)或相似地區(qū)的深水油氣勘探和開發(fā)提供指導(dǎo).

1 地質(zhì)概況

尼日爾三角洲盆地位于西非幾內(nèi)亞灣，盆地面積可達(dá)30×104km2，發(fā)育西南方向延展的新生代三角洲，盆地最大沉積厚度為12 km[6-7].作為世界上少有的在1 000×104a中形成的單體沉積體系和石油系統(tǒng)，自白堊紀(jì)開始，在尼日利亞三叉裂谷衰亡一支的基礎(chǔ)上發(fā)育，為西非一系列被動(dòng)大陸邊緣盆地中最北段的一個(gè)，經(jīng)歷裂谷期、漂移期2個(gè)演化階段[8].裂谷期發(fā)育于下白堊統(tǒng)阿爾布階(Albian)—上白堊統(tǒng)三冬階(Santonian)，主要為海進(jìn)體系沉積的砂泥巖地層，局部發(fā)育碳酸鹽巖沉積，下覆前寒武紀(jì)結(jié)晶基底(見圖1).至晚白堊世坎潘期，盆地進(jìn)入漂移階段，至古新世，為淺海—深海相沉積地層.始新世后，伴隨全球海平面下降及非洲大陸隆升，盆地物源供給充沛，在陸架至陸坡區(qū)域，發(fā)育大型浪控三角洲—深水扇沉積體系(見圖1)，該套沉積也是盆地目前深水油氣勘探的主要目的層系.根據(jù)巖性地層劃分，盆地自下而上分別發(fā)育阿卡塔組(Akata)、阿格巴達(dá)組(Agbada)和貝寧組(Benin)等3個(gè)穿時(shí)地層單元[9](見圖2).與典型西非被動(dòng)大陸邊緣盆地不同的是，尼日爾三角洲盆地內(nèi)不發(fā)育鹽巖沉積，下部活動(dòng)地層以海相泥巖為主，泥巖的活動(dòng)對(duì)盆地沉積體系發(fā)育及油氣成藏作用的影響明顯.按構(gòu)造樣式及泥巖活動(dòng)特征，盆地由陸向?？梢来蝿澐譃樯煺箮?、轉(zhuǎn)換過渡帶和壓縮帶[10-11](見圖2)，現(xiàn)今深水油氣勘探活動(dòng)主要集中在轉(zhuǎn)換過渡帶.

圖1 尼日爾三角洲盆地地層柱狀圖及深水扇發(fā)育概況(據(jù)IHS，2005年修改)Fig.1 Stratigraphic column and development of deep-water fan in Niger delta basin

圖2 尼日爾三角洲盆地結(jié)構(gòu)Fig.2 Tectonic structure of Niger delta basin

作為整個(gè)盆地主體的尼日爾三角洲形成于始新世，整體上向西南方向進(jìn)積，至上新世、更新世時(shí)期進(jìn)積幅度更大.伴隨三角洲的不斷進(jìn)積，其前緣位置發(fā)育3個(gè)大型的深水扇沉積體系，從東向西依次為卡拉巴扇、尼日爾扇和艾文扇[12](見圖1)，由陸坡上部發(fā)育的多條切谷體系同時(shí)供給物源[7](見圖1)，具有線物源供給特征.切谷體系寬度一般在5 km以下，切深小于200 m，向海方向逐漸發(fā)育天然堤—水道體系，在陸坡中下部沉積多個(gè)末端朵葉，延伸長(zhǎng)度可達(dá)700 km[10].陸坡上大量發(fā)育的泥巖相關(guān)構(gòu)造，通過陸坡地形改變，對(duì)深水扇沉積相帶及延展方向產(chǎn)生一定的控制作用.盆地內(nèi)現(xiàn)今活動(dòng)的切谷主要集中在盆地的西部及中部，與尼日爾三角洲主體進(jìn)積方向的周期性遷移有關(guān)[13].

2 沉積特征

2.1 沉積背景

工區(qū)位于盆地陸坡中部.平面上位于艾文扇東側(cè)(見圖1)，水深為1.0～1.5 km，工區(qū)發(fā)育多個(gè)超壓泥巖活動(dòng)形成的泥拱構(gòu)造，對(duì)工區(qū)地形改變及深水沉積體系沉積影響作用明顯.工區(qū)內(nèi)深水扇體系主要發(fā)育在中新世，根據(jù)中新統(tǒng)沉積相平面分析(見圖3)，工區(qū)內(nèi)深水扇體系沉積單元組成包括深水水道、天然堤—溢岸、過路朵葉、決口朵葉及末端朵葉等多種，平面展布方向呈現(xiàn)NNE-SSW或NE-SW向.工區(qū)過中新統(tǒng)過路朵葉發(fā)育，與工區(qū)超壓泥巖活動(dòng)及尼日爾河供給物源含砂量有密切關(guān)系.工區(qū)超壓泥巖多期活動(dòng)形成多個(gè)泥拱構(gòu)造，對(duì)地形產(chǎn)生明顯改造作用，在工區(qū)相鄰泥拱的低洼部位，形成多個(gè)與泥活動(dòng)相關(guān)的“微型盆地(Mini basin)”，在微型盆地內(nèi)重力流流體的多次充填—溢出，為過路朵葉沉積提供基本的地形背景(見圖1).此外，盆地主要物源供給河流——尼日爾河流域?qū)拸V，且植被較為發(fā)育，使該河流提供的物源砂質(zhì)含量相對(duì)較低，加之部分碎屑物質(zhì)沉積于盆地寬廣的陸架，因而盆地深水扇體系表現(xiàn)出典型的“富泥扇”特征[14]，單次重力流流體密度較低，能量相對(duì)較弱，除在盆地陸坡上部重力流表現(xiàn)出明顯的侵蝕下切特征外，至工區(qū)所在的陸坡中部，重力流流體以沉積卸載為主，對(duì)斜坡內(nèi)小型盆地的侵蝕作用有限，有利于過路朵葉沉積的保存；同時(shí)，較低的重力流流體密度有利于深水扇沉積相帶在縱向上的分異，且能夠延伸較遠(yuǎn)，為沿物源方向分布的多個(gè)“微型盆地”的依次充填—溢出提供有利條件(見圖3).此外，始新世以來長(zhǎng)期海平面下降，盆地三角洲體系整體向海推近，為深水扇體系的沉積提供充足的物源保證，沉積物對(duì)工區(qū)微型盆地的填平補(bǔ)齊作用加劇，有利于過路朵葉的大量發(fā)育.

圖3 工區(qū)中新統(tǒng)沉積相Fig.3 Miocene sedimentary facies of study area

2.2 儲(chǔ)層特征

工區(qū)T1井鉆遇中新世過路朵葉.根據(jù)該井鉆井取心特征，過路朵葉由多個(gè)0.5～2.0 m厚的中—細(xì)砂巖組成，分選較好，垂向上可由多個(gè)向上變細(xì)的旋回構(gòu)成，旋回底部砂巖含大量的泥礫和漂浮的石英顆粒，局部可見少量菱鐵礦碎屑和分選差的砂質(zhì)角礫巖沉積的正旋回砂巖組成，主要為塊狀，局部可見正粒序?qū)永?，無明顯層理構(gòu)造，顯示充填為主的特征，向上逐步過渡到發(fā)育水平層理、交錯(cuò)層理的細(xì)砂巖—粉砂巖沉積.至頂部，由于鉆井位置不同，可見其頂部深水水道的侵蝕特征或水道邊部的天然堤沉積，其中巖性上表現(xiàn)出塊狀粗砂巖或礫巖夾大量泥礫，為水道底部侵蝕階段沉積物，以粉砂及細(xì)沙薄互層，發(fā)育大量波狀交錯(cuò)層理的巖心段為天然堤沉積(見圖4).砂巖段間夾有薄層海相泥巖，說明在過路朵葉沉積過程中存在多期垂向疊置的特征.測(cè)井曲線表現(xiàn)為頂?shù)淄蛔兊南湫?、漏斗型和鐘型，齒化不明顯，說明過路朵葉相對(duì)連續(xù)的充填特征(見圖4).

由于泥拱多期活動(dòng)，工區(qū)中新世過路朵葉的先成沉積地形很難恢復(fù)，選取工區(qū)受泥巖活動(dòng)影響較小的更新世過路朵葉說明沉積時(shí)地形及平面展布特征.工區(qū)中部，由于受到西部、東部及南部3個(gè)泥拱、泥底辟的共同影響，形成一長(zhǎng)軸近南北向展布的微型盆地，盆地南北長(zhǎng)約為15 km，東西寬約為7 km，地震剖面上最大時(shí)間深度為100 ms，在其內(nèi)沉積盆地長(zhǎng)軸方向展布的過路朵葉面積約為60 km2.2條近南北向深水水道切穿其上，為該微型盆地供給砂質(zhì)碎屑沉積物，匯合后從微型盆地東南方向開口處流出(見圖5).在地震剖面上該過路朵葉以中低頻、中強(qiáng)振幅連續(xù)相為主，內(nèi)部表現(xiàn)為丘狀、雜亂或強(qiáng)振幅連續(xù)充填特征(見圖6)，上部被后期水道侵蝕切割.

工區(qū)鉆測(cè)井分析表明，過路朵葉具有較好的孔深及儲(chǔ)集性能，單個(gè)過路朵葉沉積砂體厚度一般在20.0 m以上，最大的為31.9 m，含砂率為25.21%～86.22%，說明該類型沉積體砂體較為發(fā)育.砂巖單層厚度多數(shù)在1.0～3.0 m之間，最大的可到24.0 m，工區(qū)鉆遇過路朵葉沉積砂體層數(shù)一般較少，多數(shù)在4層以下，表明其厚層充填的特征.巖心分析表明，在上覆地層厚度約為2 km的情況下，其孔隙度分布在21%～30%之間，平均可達(dá)25%，滲透率分布較廣，在(200.00～2 160.16)×10-3μm2之間，平均高達(dá)829.53× 10-3μm2，多數(shù)樣品點(diǎn)大于500.00×10-3μm2(見圖7)，根據(jù)取心分析數(shù)據(jù)，過路朵葉沉積砂體具有優(yōu)良的孔滲特征.

2.3 過路朵葉與末端朵葉區(qū)別

過路朵葉沉積原理與末端朵葉具有相似性，兩者是線性重力流流體由地形變化引起能量卸載的沉積產(chǎn)物.由于沉積位置及地形條件差異，兩者在沉積產(chǎn)物特征方面存在較大差異.首先，過路朵葉更靠近沉積物源，根據(jù)工區(qū)模式(見圖8)，其發(fā)育時(shí)期更靠近海平面下降最低期，因而，沉積時(shí)沉積物源供給更為充足、能量更強(qiáng)，在遇到地形突然變化時(shí)沉積物卸載速率更快，表現(xiàn)為過路朵葉沉積時(shí)的快速塊狀充填特征，儲(chǔ)層單層厚度大，最大可達(dá)20 m以上；而末端朵葉傾向于表現(xiàn)為緩慢層狀沉積特征，儲(chǔ)層單層厚度相對(duì)較小，多數(shù)在1～3 m之間.其次，兩者沉積時(shí)地形條件有巨大的差別，過路朵葉沉積于局限地形，多數(shù)是由于泥巖或鹽巖活動(dòng)形成的小型斜坡盆地，局限地形在一定程度上加劇沉積物在垂向上的堆積特征，使過路朵葉表現(xiàn)出厚層砂巖疊合的特征；末端朵葉沉積于深水扇體系的最前端，為非限制或限制不明顯的地形條件，因而過路朵葉平面分布范圍往往受限于斜坡盆地的大小.第三，根據(jù)工區(qū)研究實(shí)例，多數(shù)過路朵葉面積在100 km2以下；而末端朵葉由于沉積于開闊地形，只受控于海平面升降影響下的沉積物供給量及供給速率，因而能夠形成較大平面分布范圍，即使在工區(qū)靠近陸坡中部的區(qū)域，也能達(dá)300 km2.同時(shí)，開闊體系條件下，末端朵葉單次沉積厚度一般較薄，加之2次重力流流體之間沉積的薄層海相泥巖，表現(xiàn)出砂泥薄互層沉積特征.

圖4 T1、T2井中新統(tǒng)過路朵葉巖心描述Fig.4 Core description of Miocene transient lobe，well T1 and T2

3 發(fā)育模式

根據(jù)過路朵葉沉積儲(chǔ)層特征分析，過路朵葉具有明顯的塊狀特征，表現(xiàn)出沉積體沉積時(shí)的快速充填特征.根據(jù)平面分布特征，過路朵葉主要發(fā)育在具有局限地形條件的中部陸坡，一般呈拉長(zhǎng)的朵葉狀或線狀(見圖3和圖5)，發(fā)育特征及分布位置受局限地形的控制，是一個(gè)復(fù)雜的“充填—溢出”過程.演化階段可以劃分為5個(gè)階段(見圖9)，每個(gè)階段沉積儲(chǔ)層發(fā)育特征及平面展布特征都存在一定差異.

第一階段為原始地形的形成階段，局限地形盆地必須具有一定深度和寬度，才能對(duì)上傾方向的物源產(chǎn)生截留作用(圖9)，直接決定過路朵葉儲(chǔ)層的總體厚度及分布面積，是過路朵葉沉積儲(chǔ)層形成的先決條件；但局限地形盆地深度和寬度也不能過大，過大的局限地形內(nèi)部直接形成末端朵葉體系.根據(jù)工區(qū)實(shí)例，這些局限盆地的寬度一般在4～15 km之間，深度在150 m以下.在西非地區(qū)該類局限地形形成的原因主要是與泥巖活動(dòng)相關(guān)的構(gòu)造活動(dòng).

圖5 研究區(qū)更新世過路朵葉均方根振幅屬性(T1—T2井)(位置見圖3)Fig.5 The RMS attribute map of Pleistocene transient lobe(The Location in Fig.3)

圖6 更新世過路朵葉時(shí)間域地震剖面Fig.6 The seismic profile of Pleistocene transient lobe

第二階段為過路朵葉對(duì)局限地形的初始充填階段.該階段來自上部水道或者滑塌重力流沉積物開始充填局限地形，在局部地區(qū)，可能見到過路朵葉對(duì)局限地形底部的沖刷侵蝕作用.該階段海平面較高，物源供給不充足，同時(shí)存在上部局限地形對(duì)沉積物的截留作用，因此在鉆井上過路朵葉底部砂體厚度往往較薄(見圖9).在該階段結(jié)束后，伴隨一個(gè)短暫的海平面升高過程，局限地形內(nèi)部充填一定厚度的海相泥巖(見圖9).

圖7 T1井中新統(tǒng)過路朵葉巖心物性分析交會(huì)圖Fig.7 Reservoir properties of Miocene transient lobe，well T1

圖8 尼日爾三角洲盆地深水沉積單元垂向發(fā)育模式(據(jù)劉新穎修改，2013年)Fig.8 Evolution model of deep-water sedimentary，Niger delta basin

第三階段為后期充填階段.該階段隨海平面的降低，深水扇體系物源充足，物源開始劇烈充填局限地形，砂質(zhì)沉積物不斷卸載沉積，密度較小的泥質(zhì)沉積物伴隨重力流越過局限地形的溢出點(diǎn)向深海平面搬運(yùn)，直到將整個(gè)局限地形填滿(見圖9).該階段后期沉積物對(duì)局限地形內(nèi)的砂體和海相泥巖產(chǎn)生一定的侵蝕作用，使過路朵葉沉積體的整體含砂率提高.由于具有充足的物源供給和適中的海平面變化條件，該階段是過路朵葉儲(chǔ)層形成的主要時(shí)期；砂體單層厚度一般較大且物性優(yōu)異，使整個(gè)過路朵葉體儲(chǔ)層呈現(xiàn)“下薄上厚”的特點(diǎn)(見圖9).

第四階段為過路朵葉的溢出階段.由于前2個(gè)階段的充填，局限地形被填平，沉積空間不斷減小，伴隨海平面的繼續(xù)降低，重力流沉積物不斷向深海進(jìn)積，砂質(zhì)沉積物逐漸越過局限地形的下端溢出點(diǎn)，向深海平面或下部局限地形搬運(yùn)，并在下部局限地形中沉積新的過路朵葉沉積體.該階段在局限地形的上傾方向存在一定的沉積空間，部分沉積物卸載在這個(gè)位置(見圖9)，使整個(gè)過路朵葉沉積體上傾方向儲(chǔ)層厚度加大，同時(shí)在平面上加大過路朵葉儲(chǔ)層的面積.

第五階段稱為水道侵蝕或沉積物過路階段.由于海平面持續(xù)降低，重力流流體能量開始增強(qiáng)，過路朵葉沉積位置由沉積充填作用逐步過渡到過路—侵蝕作用，后期沉積物線性侵蝕先期過路朵葉沉積體，并從溢出點(diǎn)溢出(見圖9)，使過路朵葉頂部往往可以見到水道侵蝕階段的底部滯留或滑塌充填巖相，如工區(qū)鉆井巖心上可以明顯地看出這個(gè)現(xiàn)象(見圖4).該階段對(duì)過路朵葉的影響體現(xiàn)在對(duì)先期沉積砂體的線性減薄作用，尤其是對(duì)第四階段上傾方向沉積物的侵蝕作用最為顯著.同時(shí)，水道線狀切割砂體減弱部分過路朵葉砂體平面聯(lián)通性質(zhì).侵蝕過路作用帶走的先期砂體部分或繼續(xù)在下部局限地形中沉積，形成新的過路朵葉，或直接供給至末端朵葉沉積體系.

圖9 過路朵葉形成模式及儲(chǔ)層垂向演化Fig.9 Development Model and reservoir evolution of transient lobe

局限地形對(duì)過路朵葉多期的充填—溢出過程的影響非常顯著，控制過路朵葉儲(chǔ)層的發(fā)育特征.在這個(gè)過程中不能忽視海平面變化因素的影響，只有在海平面持續(xù)降低，沉積物供給充足的條件下，過路朵葉才能完成多期充填—溢出的沉積過程；如果海平面變化突然下降，造成沉積物供給不充分，過路朵葉儲(chǔ)層的發(fā)育可能“夭折”于后期充填或溢出階段，從而在垂向上和縱向上改變過路朵葉儲(chǔ)層的發(fā)育特征.

4 結(jié)論

(1)過路朵葉沉積物以塊狀砂巖為主，無明顯層理構(gòu)造，整體表現(xiàn)為對(duì)斜坡低部局限地形快速充填及被后期水道侵蝕的特征，主要發(fā)育在盆地陸坡中部，具有單層砂巖厚度大、平面連續(xù)性好的特點(diǎn)，兼具線性水道的單層厚度及末端朵葉平面連續(xù)性的優(yōu)點(diǎn)，且具有優(yōu)良的孔滲性能，是尼日爾三角洲盆地重要的深水油氣儲(chǔ)層類型之一.

(2)盆地超壓泥巖活動(dòng)形成的微型盆地是過路朵葉沉積的先決條件，為過路朵葉沉積提供局限地形，直接決定過路朵葉的厚度及分布面積.這些盆地深度一般小于150 m，寬度一般在4～15 km之間.其中微型盆地面積對(duì)過路朵葉形成影響更大，過大的微型盆地由于地形對(duì)重力流沉積物的限定不明顯，易于直接形成末端朵葉體系.

(3)過路朵葉發(fā)育表現(xiàn)出多期充填—溢出的過程，可劃分為原始地形、初始充填、后期充填、溢出、水道侵蝕5個(gè)主要階段，各階段沉積物充填及儲(chǔ)層發(fā)育特征各有差異，其中初始充填、后期充填是過路朵葉發(fā)育的主要時(shí)期，溢出及后期侵蝕階段對(duì)過路朵葉沉積儲(chǔ)層的平面分布有改造作用.多期充填—溢出過程使過路朵葉往往沿水道延展方向呈串珠狀分布.

(4)除受局限地形的影響外，海平面升降及深水重力流流體密度對(duì)過路朵葉的形成也具有重要影響.其中海平面持續(xù)下降是過路朵葉沉積的有利時(shí)期，上期海平面上升減少重力流沉積物的供給，易導(dǎo)致過路朵葉儲(chǔ)層的“夭折”.此外，尼日爾三角洲盆地物源體系表現(xiàn)出“富泥”特征，單次重力流流體密度及能量相對(duì)較小，也有利于深水沉積體系的平面分異及過路朵葉的保存.

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TE121.1

A

2095-4107(2014)05-0031-09

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2014.05.005

2014-09-15；編輯關(guān)開澄

“十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05030-003)

胡孝林(1969-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事石油地質(zhì)方面的研究.