東濮凹陷膏鹽巖沉積控制因素及其對油氣成藏的影響

孫 利，余光華 ，李建革，王家亮，鞏建強(qiáng)

（1.北京交通大學(xué)中國產(chǎn)業(yè)安全研究中心博士后科研工作站，北京100044；2.北京產(chǎn)業(yè)安全與發(fā)展研究基地，北京100044；3.中國華電集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院，北京100035；4.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營257015）

東濮凹陷是中國東部地區(qū)典型的具有豐富油氣資源的鹽源盆地，前人針對其局部地區(qū)膏鹽巖的形成原因、層序結(jié)構(gòu)、沉積特征及與油氣成藏的關(guān)系等進(jìn)行了探討［1-4］，但對于整個東濮凹陷膏鹽巖的分布特征、控制因素及其對油氣成藏影響的認(rèn)識仍欠系統(tǒng)和深入。為此，筆者以東濮凹陷膏鹽巖沉積特征及其控制因素研究為基礎(chǔ)，從多方面論述其與油氣成藏的關(guān)系，以期為研究區(qū)下步尋找隱蔽油氣藏和滾動勘探開發(fā)以及中外同類型含鹽盆地的油氣勘探提供依據(jù)和借鑒。

1 地質(zhì)概況

東濮凹陷位于渤海灣盆地南端，南鄰開封坳陷封丘凸起，東、西分別被魯西和內(nèi)黃隆起所夾持，凹陷形態(tài)呈南寬北窄的琵琶狀，面積約為5 300 km2。受區(qū)域構(gòu)造的影響，研究區(qū)含鹽地層主要位于凹陷北部，沉積序列表現(xiàn)為2期大型沉積旋回，共發(fā)育4套膏鹽巖，分別為沙三段4膏鹽巖、沙三段3膏鹽巖、沙三段2膏鹽巖和沙一段膏鹽巖［5］，累積厚度超過l 000 m?？碧綄?shí)踐證實(shí)，全球約90.7%的石油資源和近80%的天然氣資源均位于膏鹽巖分布的地區(qū)；在油、鹽共生的含油氣盆地中，有46%的盆地的油氣層產(chǎn)于鹽系地層之下，41%的盆地的油氣層產(chǎn)于鹽系地層之上，13%的盆地的油氣層產(chǎn)于鹽系地層［6-8］。東濮凹陷油氣的生成、運(yùn)移和保存亦明顯受膏鹽巖沉積和分布特征的影響。

2 膏鹽巖沉積特征

2.1 巖心特征

針對東濮凹陷膏鹽巖的取心井較少，主要有濮73和文212等12口井。根據(jù)巖心觀察及前人研究成果［6］認(rèn)為，研究區(qū)膏鹽巖主要有純膏鹽巖層、石膏—泥巖薄互層和膏鹽巖充填裂縫3種沉積形式；其中，純膏鹽巖層多呈灰白色，具有一定的透明度，晶體直徑約為8～12 mm，沉積單層厚度一般為10～90 cm。

2.2 地球物理響應(yīng)特征

膏鹽巖在測井曲線上一般易于識別，主要表現(xiàn)為一高兩低的特征，即較高的電阻率（30～50 Ω·m）、極低的自然伽馬（8～42 API）和密度（1.9～2.2 g/cm3），淡水泥漿情況下可出現(xiàn)井徑擴(kuò)大等特征。地震剖面上，由于膏鹽巖層與其接觸地層的密度和速度存在差異，常會形成強(qiáng)反射界面，表現(xiàn)為低頻率、強(qiáng)振幅等特征［9］。

2.3 分布特征

東濮凹陷新生界古近系可劃分為2期大型沉積旋回。其中，第1期沉積旋回為沙四段—沙二段下亞段沉積時期，主要為暗色砂泥巖、頁巖、油頁巖和膏鹽巖沉積，厚度可達(dá)4 000 m；第2期沉積旋回為沙二段上亞段—東營組沉積時期，其規(guī)模較小，僅沙一段為暗色地層，其他均以紅色地層為主。研究區(qū)沙河街組的沉積特征表現(xiàn)為，縱向上發(fā)育多套巨厚的分布廣泛的膏鹽巖層，且多夾于灰黑色泥頁巖中；平面上各套膏鹽巖層隨著鹽湖沉積中心的遷移而具有不同的分布范圍，且各套膏鹽巖層的沉積厚度從100 m到幾百米，具有較大的差異［10］。

沙三段4膏鹽巖 從區(qū)域上分析，東濮凹陷沙三段4膏鹽巖從形成初期到結(jié)束為1期較為完整的鹽湖發(fā)育期，是一個統(tǒng)一的沉積旋回。在沙三段4膏鹽巖沉積早期，凹陷底部地形相對較平坦、簡單，中央隆起帶尚未形成，但控制沉積的蘭聊、文西和杜寨等斷層已相繼開始活動。地震和鉆井資料分析結(jié)果表明，平面上沙三段4膏鹽巖主要分布于凹陷中央的柳屯—胡狀集—文留—前梨園—杜寨一帶，北部邊界可延伸至新衛(wèi)12井附近，南部邊界可達(dá)濮深15井附近，向西可分布于胡49井以西，向東可抵前梨園洼陷中部，面積約為420 km2（圖1）；縱向上，該套膏鹽巖層的最大厚度約為600 m（濮深7井），且在凹陷南、北部的發(fā)育程度存在差異，南部發(fā)育較薄或不發(fā)育，北部一般均有發(fā)育。

沙三段3膏鹽巖 綜合前人分析成果［5-7，10］認(rèn)為，東濮凹陷中央隆起帶在沙三段4亞段沉積末期已初具雛形；至沙三段3亞段沉積時期，由于中央隆起帶大幅度隆升，來自研究區(qū)南部的物源向北推進(jìn)，致使沙三段3膏鹽巖的分布范圍向衛(wèi)城方向縮小，主要集中分布于北部馬寨—衛(wèi)城—文明寨—濮城—戶部寨—柳屯一帶。地震和鉆井資料分析結(jié)果表明，平面上，沙三段3膏鹽巖的分布范圍與沙三段4膏鹽巖相比明顯減小，向北至文明寨，向南可抵胡96和胡110井以南，西部邊界為衛(wèi)26和衛(wèi)33井以西，東部邊界為濮城地區(qū)，面積約為180 km2；縱向上該套膏鹽巖層的最大厚度超過260 m（衛(wèi)古1井），可劃分為7個鹽韻律。

圖1 東濮凹陷沙三段4膏鹽巖平面分布

沙三段2膏鹽巖 在沙三段2亞段沉積時期，東濮凹陷的沉降中心逐漸南移，中央隆起帶繼續(xù)隆升，且隆起帶兩側(cè)大規(guī)模下降，膏鹽巖分布范圍亦南移，主要集中分布于長垣斷層下降盤、胡狀集、文東、戶部寨、柳屯和前梨園洼陷等區(qū)域，面積約為320 km2，鉆遇最大厚度約為400 m（文21井）。在沙三段2亞段沉積后期，膏鹽巖發(fā)育范圍向北萎縮，至沙三段1亞段沉積初期，文218、衛(wèi)8、文18、衛(wèi)4和衛(wèi)305井附近仍有膏鹽巖分布（圖2）。

圖2 東濮凹陷沙三段2膏鹽巖平面分布

沙一段膏鹽巖 在沙一段沉積時期，研究區(qū)膏鹽巖的發(fā)育明顯受構(gòu)造和地形控制，圍繞中央隆起帶呈環(huán)狀展布。沙一段膏鹽巖的沉積走向與構(gòu)造走向基本一致，其北部邊界位于古云集地區(qū)的云9井，南部邊界位于劉莊地區(qū)的劉16井，東部邊界至蘭聊斷裂帶的前參1—濮11井區(qū)附近，西部邊界延伸至胡狀集地區(qū)，面積約為700 km2，是東濮凹陷4套膏鹽巖中分布范圍最大的（圖3）。研究區(qū)沙一段膏鹽巖發(fā)育4個沉積中心，其沉積厚度為60～150 m；在濮衛(wèi)次洼、柳屯—海通集洼陷和前梨園洼陷的沉積厚度較大，而戶部寨地區(qū)沉積的該套膏鹽巖則最厚，超過190 m；此外，文310、文404和文255井區(qū)也是研究區(qū)重要的膏鹽巖沉積中心。

圖3 東濮凹陷沙一段膏鹽巖平面分布

3 膏鹽巖沉積控制因素

3.1 同沉積斷層控制膏鹽巖沉積

東濮凹陷為在水平拉張應(yīng)力作用下裂解形成的張性盆地，其斷層多為雁行式排列的同向或反向同沉積斷層，控制形成了研究區(qū)壘塹相間的構(gòu)造格局。在同沉積斷層的下降盤，即地塹位置，湖水相對較深、水體平靜、水動力較弱，有利于膏鹽巖的發(fā)育，一般沉積厚度較大；在同沉積斷層的上升盤，即地壘位置，由于水體動蕩、水動力較強(qiáng)，不利于膏鹽巖發(fā)育，因此沉積厚度相對較?。?1-12］。同沉積斷層對研究區(qū)膏鹽巖的沉積具有控制作用，沙三段4膏鹽巖沉積受杜寨斷層控制，沙三段3膏鹽巖沉積受馬寨斷層控制，沙三段2膏鹽巖沉積受文西斷層控制，沙一段膏鹽巖沉積受徐樓斷層控制。膏鹽巖沉積厚度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，研究區(qū)膏鹽巖在同沉積斷層上升盤的沉積厚度明顯小于下降盤，例如在文255—文159井區(qū)，受徐樓斷層的控制作用，沙一段膏鹽巖的最大沉積厚度超過120 m。

3.2 古地形控制膏鹽巖形成

膏鹽巖的形成須滿足一定的地質(zhì)條件，膏鹽巖的沉淀析出既需較高的礦化度，還要有安靜和清潔的水體條件。以NaCl為例，當(dāng)水體的鹽度達(dá)到一定程度時，由于密度較大（大于1.25 g/cm3）時，高密度鹵水向盆地低洼深水區(qū)域匯集；這些區(qū)域一般受陸源淡水的影響較小，陸源碎屑物質(zhì)較少，水動力條件較弱，當(dāng)水體的鹽度超過40%時即會有膏鹽巖的沉淀析出［13-14］；因此，膏鹽巖的形成明顯受沉積時的古地形控制。根據(jù)東濮凹陷各套膏鹽巖的平面分布特征可以看出，沙三段2膏鹽巖和沙一段膏鹽巖的沉積明顯受中央隆起帶影響。如在沙三段2亞段沉積之前，中央隆起帶已初具規(guī)模，其地勢較高，水體動蕩，水動力條件較強(qiáng)，使研究區(qū)高密度鹵水向隆起帶兩側(cè)的低洼部位匯集，導(dǎo)致在中央隆起帶兩側(cè)洼陷帶內(nèi)發(fā)育較厚的沙三段2膏鹽巖，而中央隆起帶則缺失該套地層。

3.3 古物源控制膏鹽巖分布

東濮凹陷為匯水型內(nèi)陸鹽湖盆地，具有多物源的特點(diǎn)。其周圍山區(qū)（物源區(qū)）的多季節(jié)性河流峽谷是陸源碎屑沉積物進(jìn)入湖盆的重要通道，不僅帶來大氣淡水，還輸送了陸源碎屑沉積物。湖盆水體的鹽度和膏鹽巖的沉積明顯受大氣淡水和粗粒陸源碎屑沉積物的影響，膏鹽巖難以在陸源碎屑沉積物集中發(fā)育的區(qū)域或河口地區(qū)沉積，因此同一沉積時期形成的粗粒陸源碎屑沉積物與膏鹽巖在平面上呈犬牙交錯式分布［15-16］。東濮凹陷沙三段2膏鹽巖和沙一段膏鹽巖的分布即受古物源方向控制，與古物源具有密切關(guān)系。

4 膏鹽巖對油氣成藏的影響

4.1 對地層壓力的影響

油氣成藏研究證實(shí)，膏鹽巖下覆油氣藏及膏鹽巖層內(nèi)部常出現(xiàn)異常地層壓力帶［17-21］。東濮凹陷存在的異常壓力油氣藏與膏鹽巖的關(guān)系密切。研究區(qū)文東地區(qū)膏鹽巖層之上為正常壓力系統(tǒng)，壓力系數(shù)為0.85～1.25；而膏鹽巖層之下的油藏為異常高壓系統(tǒng)，壓力系數(shù)為1.5～1.8。由于膏鹽巖的封隔作用，使研究區(qū)的異常壓力具有垂向上分帶性、平面上分隔性的特點(diǎn)。東濮凹陷膏鹽巖層對地層壓力的影響主要表現(xiàn)在3個方面：①具有封隔作用，膏鹽巖層良好的封閉性易于形成封閉地質(zhì)體，上覆地層重力載荷增加、封閉地質(zhì)體內(nèi)部水熱增壓或粘土礦物脫水等均可形成異常地層壓力；②石膏脫水導(dǎo)致封閉地質(zhì)體內(nèi)部形成異常地層壓力，當(dāng)達(dá)到一定埋深時，地層中沉積的石膏脫出結(jié)晶水轉(zhuǎn)化為硬石膏，分離出來的大量結(jié)晶水進(jìn)入相鄰地層，導(dǎo)致地層中的孔隙流體壓力增大，形成異常地層壓力；③由于地層中的膏鹽巖層對壓實(shí)作用具有抑制效應(yīng)，往往造成膏鹽巖層內(nèi)部及其下伏地層發(fā)生欠壓實(shí)，形成異常地層壓力［22-28］。

4.2 對油氣的側(cè)向封閉作用

受東濮凹陷形成時盆地的古水系、古地形以及斷層等影響，研究區(qū)具有多套鹽、泥、砂巖相互疊合的沉積特征（圖4），發(fā)育的4套膏鹽巖與沉積的砂巖之間具有鹽退砂進(jìn)的橫向共生關(guān)系。隨著沉積中心的南、北遷移，研究區(qū)膏鹽巖的沉積分布在東南、西北方向發(fā)生多次變化，其砂巖的分布范圍亦隨著膏鹽巖的變遷而變化。例如在沙三段4亞段沉積早期—沙三段3亞段沉積時期，研究區(qū)膏鹽巖的分布表現(xiàn)為由東南向西北方向逐漸遷移，至沙三段2亞段沉積早期又開始向東南方向回遷，沙三段2亞段沉積晚期—沙三段1亞段沉積早期再次向西北方向縮小，至沙一段沉積時期又向南回遷。由于膏鹽巖的低滲透性和垂向上的厚度較大，在與砂巖橫向接觸時可以有效地阻止油氣發(fā)生側(cè)向散失；因此，膏鹽巖沉積的橫向變化對儲層具有很好的側(cè)向遮擋作用，成為各油氣封閉系統(tǒng)的側(cè)向封閉條件，例如沙三段4膏鹽巖的側(cè)向遮擋作用對文23氣田的形成具有非常重要的作用。

圖4 東濮凹陷北部膏鹽巖沉積示意

4.3 對油氣的封蓋作用

東濮凹陷北部發(fā)育的4套膏鹽巖具有良好的封蓋條件，是影響其下伏地層油氣聚集成藏的重要因素。每套膏鹽巖層均由膏鹽巖和泥巖構(gòu)成的鹽韻律組成，非常致密，具有很高的突破壓力；其滲透性差于純泥巖，且厚度大、地層壓力高，因此具有毛管壓力和異常地層高壓雙重封閉機(jī)制，對油氣封蓋能力明顯強(qiáng)于純泥巖，在蓋層分級中屬于特級蓋層。此外，膏鹽巖與砂巖交錯疊置及膏鹽巖的可塑性，也利于形成巖性尖滅油藏和鹽間泥巖裂縫油藏。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，全球33%的大型油田的蓋層為膏鹽巖，且東濮凹陷正是由于地層中沉積多套具有極強(qiáng)封蓋能力的膏鹽巖層，才可以阻擋油氣的逸散，為與膏鹽巖層同沉積烴源巖生成的油氣在各膏鹽巖層之下富集成藏創(chuàng)造了有利條件［29］。一般情況下，膏鹽巖發(fā)育區(qū)常會形成欠壓實(shí)泥巖帶（屬于超壓蓋層），具有較強(qiáng)壓力封閉能力，可有效阻止游離相油氣的逸散，對來自其下部成藏動力系統(tǒng)油藏調(diào)整后再次運(yùn)移的油氣也具有良好的封蓋作用。地層中膏鹽巖層的沉積形成油氣保存的天然屏障，對東濮凹陷油氣的聚集和保存具有重要作用。

4.4 對油氣運(yùn)聚的影響

膏鹽巖層對油氣在地層中的運(yùn)移和聚集具有極大的影響［30-32］。主要表現(xiàn)為：①膏鹽巖的流動性可為油氣運(yùn)聚提供良好的輸送通道。當(dāng)膏鹽巖層的埋藏達(dá)到一定深度（一般大于3 000 m）時，其地層溫度超過100℃，地層壓力超過58 MPa，這種條件下沉積在地層深處的膏鹽巖具有很強(qiáng)的流動性。當(dāng)存在不均衡的上覆地層壓力時，膏鹽巖會發(fā)生蠕動，造成局部地層變厚，致使上覆地層向上隆起；地層在上隆過程中會出現(xiàn)拉張、破裂甚至形成斷層，這些破裂或斷層即成為油氣運(yùn)聚的良好通道。東濮凹陷文留油田就是由于膏鹽巖層上拱，進(jìn)而在其上部形成的張性構(gòu)造（斷背斜）帶。②膏鹽巖可形成多種類型的圈閉，為油氣聚集提供場所。膏鹽巖的流動是形成圈閉的直接因素；膏鹽巖在高溫、高壓條件下可變?yōu)樗苄泽w，在構(gòu)造應(yīng)力以及上覆高密度沉積層不均衡重力作用下發(fā)生構(gòu)造變形和塑性流動，形成諸如鹽丘、鹽枕、鹽拱張、鹽刺穿和鹽巖楔等變形構(gòu)造，進(jìn)而形成多種類型的構(gòu)造圈閉；除因膏鹽巖流動形成的斷層圈閉和拱張背斜圈閉（文留油田發(fā)育的眾多非刺穿圈閉）外，還形成與膏鹽巖滑脫有關(guān)的圈閉（如文北油田的文19塊）。此外，膏鹽巖的發(fā)育增加了形成側(cè)向遮擋圈閉的概率。當(dāng)含鹽地層發(fā)育斷層時，斷層上升盤的儲層與下降盤的膏鹽巖層對接，即形成良好的側(cè)向封堵條件；且與砂、泥巖互層相比，這種由膏鹽巖層形成的地層接觸關(guān)系可形成斷塊油氣藏。如研究區(qū)文西地壘帶的文123塊沙二段下亞段油藏即為文西2號斷層上升盤沙二段下亞段儲層與下降盤沙一段膏鹽巖對接所形成，文269塊高油氣比油藏和濮深7氣藏是由鹽枕側(cè)向封堵而形成的。

5 結(jié)束語

東濮凹陷為典型的富含油氣的鹽源盆地，其含鹽地層主要位于凹陷北部，發(fā)育沙三段4膏鹽巖、沙三段3膏鹽巖、沙三段2膏鹽巖和沙一段膏鹽巖。各套膏鹽巖的發(fā)育隨著鹽湖沉積中心的遷移而發(fā)生變化，具有不同的沉積特征，是同沉積斷層、古地形和古物源共同作用的結(jié)果。同沉積斷層影響膏鹽巖沉積的局部分布特征及其沉積厚度，古地形控制膏鹽巖的沉積展布，而古物源則影響著膏鹽巖的平面分布形態(tài)和方向。

東濮凹陷膏鹽巖的沉積有利于油氣的聚集成藏，主要表現(xiàn)為膏鹽巖的發(fā)育促進(jìn)油氣藏異常壓力的形成，為油氣成藏提供了良好的側(cè)向封閉和封蓋條件，而且對油氣運(yùn)聚產(chǎn)生非常積極的影響。今后應(yīng)加強(qiáng)對膏鹽巖沉積條件、成因以及與膏鹽巖沉積有關(guān)的隱蔽油氣藏的研究，豐富沉積和油氣成藏理論，為鹽源盆地的油氣勘探提供理論指導(dǎo)。

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