遼中凹陷東二下亞段湖底扇數(shù)值沉積模擬研究

王啟明，杜曉峰，加?xùn)|輝，徐春強(qiáng)

(中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽 300452)

遼中凹陷東二下亞段湖底扇數(shù)值沉積模擬研究

王啟明，杜曉峰，加?xùn)|輝，徐春強(qiáng)

(中海石油(中國)天津分公司渤海石油研究院，天津塘沽 300452)

在無井的情況下,利用圍區(qū)古環(huán)境、三維地震等資料，應(yīng)用數(shù)值沉積模擬軟件，對渤海海域遼中凹陷東二下亞段湖底扇的形成過程及時空展布進(jìn)行了研究。研究區(qū)東二下亞段可以劃分為一個三級層序和三個體系域，湖平面曲線呈現(xiàn)脈沖式波動變化，主物源在盆地東側(cè)和北側(cè)兩個方向。通過各個體系域的構(gòu)造圖，利用軟件恢復(fù)古地貌、古構(gòu)造，得到了相對真實的沉積背景，利用這些地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值沉積模擬，進(jìn)一步得到了湖底扇分布的三維形態(tài)和演化規(guī)律。結(jié)果顯示，研究區(qū)湖底扇主要發(fā)育在在湖泛體系域內(nèi)，受先期不穩(wěn)定三角洲、湖泛域較強(qiáng)的水動力條件、沉積坡折帶的耦合而形成，具有多期、雙物源、分布范圍廣的特點。

遼中凹陷；湖底扇；數(shù)值沉積模擬；湖泛體系域；儲層描述

斷陷湖盆凹陷中心廣泛發(fā)育湖底扇沉積，是陸相巖性地層油氣藏勘探重要的領(lǐng)域[1]。相關(guān)學(xué)者通過對湖底扇的形成機(jī)制、發(fā)育特征以及沉積微相構(gòu)成等方面的研究成果，近年來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個與湖底扇相關(guān)的巖性油氣藏[2-6]。隨著三維地震資料的應(yīng)用，在渤海海域遼中凹陷北部東二下亞段發(fā)現(xiàn)了多個在地震剖面上呈現(xiàn)“蠕蟲狀”的地震反射特征，與渤海海域其他地區(qū)地震相對比[7]，證實為湖底扇沉積。由于研究區(qū)缺少鉆井條件，不能依賴像陸區(qū)大量的鉆測井、巖心資料，湖底扇鉆前儲層預(yù)測必須依賴地球物理技術(shù)，而地球物理信息多解性強(qiáng)，湖底扇富砂區(qū)精細(xì)預(yù)測存在一定的風(fēng)險，難以滿足巖性油氣藏的勘探要求。數(shù)值沉積模擬是通過邏輯或數(shù)學(xué)描述方法來預(yù)測地質(zhì)系統(tǒng)和地質(zhì)沉積過程的綜合研究[8-10]，特別是在少井或者無井的地質(zhì)條件下，可以用定量方法進(jìn)行沉積機(jī)制的驗證和輔助沉積體系時空演化規(guī)律分析[11]。本文在高精度層序地層格架的基礎(chǔ)上，對湖底扇發(fā)育層序位置、部位和形成機(jī)制進(jìn)行了研究，利用地震反射特征、古地貌、物源等資料，采用沉積模擬軟件，明確了湖底扇的形成過程及演化規(guī)律，以期在有限的條件下為海上勘探提供更可靠的信息，降低勘探風(fēng)險。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海海域遼中凹陷位于遼東灣地區(qū)中部，夾持在遼西低凸起和遼東凸起之間，為東斷西超的一個箕狀凹陷，沿北東方向呈現(xiàn)長條狀分布。研究區(qū)位于遼中凹陷北部(圖1)，在古近系自下而上依次發(fā)育沙河街組和東營組地層，其中，東營組可以分為東三段、東二下亞段、東二上亞段[7]。東營組主要發(fā)育大規(guī)模的辮狀河三角洲沉積，在東二下亞段凹陷區(qū)發(fā)現(xiàn)了多個在地震剖面上呈現(xiàn)“蠕蟲狀”的地震反射特征，與圍區(qū)已經(jīng)鉆井證實的湖底扇地震特征較為類似。目前，研究區(qū)內(nèi)有6口鉆井，均未鉆遇該湖底扇砂體。湖底扇具有較好的成藏條件，是該區(qū)巖性油氣藏勘探的主要目標(biāo)之一。

2 地質(zhì)參數(shù)分析

2.1 層序劃分與對比

在研究層段內(nèi)進(jìn)行層序劃分與對比，建立等時的地層格架，是開展湖底扇沉積模擬的首要任務(wù)。運用經(jīng)典的層序地層分析方法，結(jié)合地層的接觸關(guān)系，在東二下亞段識別出一個完整的三級層序(圖2)，可以劃分為低位體系域、湖泛體系域和高位體系域，包括兩個層序界面以及初始湖泛面(ffs)和最大湖泛面(mfs)。

從層序的發(fā)育特征來看，T3m界面(28 Ma)為東二下層序的底界面，在層序界面之上，表現(xiàn)為明顯的底超和前積現(xiàn)象，界面之下表現(xiàn)為頂超現(xiàn)象，在全區(qū)較易識別與追蹤；初始湖泛面(27.5Ma)與最大湖泛面(26.5 Ma)表現(xiàn)為穩(wěn)定、一根或多根較強(qiáng)的連續(xù)反射軸，多為湖相泥巖沉積，易于識別和追蹤，為進(jìn)積與退積作用的轉(zhuǎn)換面；T3u界面(26 Ma)為東二下層序的頂界面，界面之下為頂超現(xiàn)象。從層序的構(gòu)成來看，在低位體系域內(nèi)主要發(fā)育厚層的砂泥巖互層，為大型的辮狀河三角洲沉積；湖泛體系域為湖相泥巖為主，局部發(fā)育湖底扇沉積，表現(xiàn)為蠕蟲狀斷續(xù)反射特征。一般而言，大型復(fù)合湖底扇是由多期事件性沉積形成的疊置體，在不同期次的沉積記錄上有明顯的沉積間斷，這種沉積間斷表現(xiàn)為被不同尺度的湖泛面限定或分割。東二下層序復(fù)合湖底扇其頂面和底面分別為最大湖泛面和初始湖泛面限定，可以劃分為兩期(圖2)，中間被薄層泥巖所分割。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置圖

圖2 東二下層序地層劃分

2.2 相對湖平面變化分析

在陸相斷陷湖盆中，相對湖平面變化受多種因素影響[12]，變化頻繁。由于研究區(qū)位于斜坡帶，在少井的條件下，可以利用海相的濱岸上超法，結(jié)合古生物孢粉資料，分析東二下亞段的湖平面相對變化趨勢。在三級層序內(nèi)識別層序界面上部的上超點向上遷移(LST上超點、TST上超點、早期HST上超點)和界面下部的上超點向下遷移(晚期HST上超點)，通過古生物、古地磁等方法，記錄對應(yīng)的沉積時間、橫向相對距離和縱向深度。其中，關(guān)鍵界面的內(nèi)插點沉積時間根據(jù)盆地內(nèi)部對應(yīng)等時點與關(guān)鍵界面間泥巖厚度占上下關(guān)鍵界面間泥巖總厚度的百分比來確定。

根據(jù)相對湖平面變化曲線可以看出(圖3)，在東二下層序低位時期，相對湖平面表現(xiàn)為快速下降，之后湖平面穩(wěn)定上升，到最大湖泛面附近水面達(dá)到最大，高位域時期湖平面又緩慢回落，變化幅度較小。從圍區(qū)已鉆井的巖性來看，低位域向上泥質(zhì)含量或泥巖夾層逐漸增多,至高位域則迅速變?yōu)榇筇啄鄮r,高位域泥巖夾層又逐漸減少，反映了沉積水深由快速下降到穩(wěn)定上升、最后緩慢下降的過程。

圖3 東二下層序相對湖平面變化分析

2.3 物源及發(fā)育機(jī)制分析

東二段沉積時期處于裂陷晚期，地勢趨于平緩，受盆外的長軸方向物源的影響，表現(xiàn)為沉積作用控制下的湖盆遷移夷平過程，以大規(guī)模的辮狀河三角洲沉積為主；同時，東部斷層活動性減弱，也發(fā)育了短軸方向的辮狀河三角洲沉積。因此，研究區(qū)東營組時期具有很好的物源補(bǔ)給，大型沉積體能夠很容易地延伸至凹陷中心部位，為湖底扇的最終形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

東營組早期雖然斷裂作用較弱，但在凹陷邊緣的斜坡帶，廣泛發(fā)育繼承型同沉積構(gòu)造坡折帶。湖盆底形恢復(fù)表明，東側(cè)后期斷裂改造弱，沉積坡折繼承性發(fā)育，斜坡坡度突變帶特征清晰；而北部由于東三層序穩(wěn)定沉降后，東二下層序低位域為高建設(shè)三角洲的差異沉積，造就坡折坡度的積累，坡度在3°左右。坡折帶頂部和中上部的富砂部位，在湖平面相對上升期，很容易遭受湖浪沖擊破壞，在坡折帶的中下部形成規(guī)模較大的湖底扇。

與低位海底扇不同，斷陷湖盆湖底扇的類型更多，成因機(jī)制更為復(fù)雜[5]。斷陷湖盆除構(gòu)造運動、地震作用等觸發(fā)應(yīng)力外，湖平面的周期性變化對重力流的形成也十分有利。東營組沉積時期整個湖泊水體開闊，湖平面變化頻繁，濱岸線的遷移和水體的震蕩變化對先期沉積物改造作用非常強(qiáng)烈。從東營組湖平面相對變化曲線看，東三段和東二下亞段在最大湖泛期湖平面大幅震蕩，東二下亞段甚至達(dá)到了60 m。正是這種變化造成了物源系統(tǒng)的動態(tài)變化和沉積物在坡折帶不同部位的堆積。

3 模擬結(jié)果分析

用濱岸上超法，根據(jù)鉆井標(biāo)定的湖泛面來確定湖平面變化曲線。給定東部和北部為主要物源方向，根據(jù)地層厚度計算不同時間段內(nèi)物源供應(yīng)速率，通過古構(gòu)造、古地貌的恢復(fù)，進(jìn)行可容納空間的建立，利用Dionisos軟件對研究區(qū)東二下亞段湖泛體系域(27.4 Ma到26.5 Ma)進(jìn)行了沉積模擬。從研究區(qū)沉積模擬三維圖可見，由于盆地差異沉降和早期三角洲沉積，低位域沉積晚期在JZ17-2井區(qū)形成了較大坡折帶。27.4Ma到27Ma時，碎屑物質(zhì)從北側(cè)和東側(cè)向湖盆搬運，遇到地形坡折處大量沉積下來，形成了第一期湖底扇沉積，地層在JZ17-2井區(qū)厚度最大，成“橢圓”狀展布，砂巖百分含量也最高(圖4中A到B)。湖平面繼續(xù)上升，形成了一套中間的薄層泥巖，在盆地中心區(qū)域厚度最大，向岸邊尖滅減薄。27.0 Ma到26.5 Ma時，湖平面持續(xù)上升，碎屑物質(zhì)同樣從北側(cè)和東側(cè)向湖盆推進(jìn)，在第一期湖底扇發(fā)育位置上再向前推進(jìn)，發(fā)育第二期湖底扇，模擬的兩個沉積中心特征更加明顯，在兩個水道前緣區(qū)域砂巖百分含量最高，呈“梨形”狀展布(圖4中C到D)。湖底扇的兩期砂體、中間泥巖層在縱向上主要呈現(xiàn)進(jìn)積的接觸關(guān)系，與地震資料觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象和地震特征較為一致，基本上接近實際的沉積過程。由此，根據(jù)模擬結(jié)果，建立了研究區(qū)湖底扇的沉積模式。在東二下層序低位域時期,物源來自東部和北部方向，發(fā)育大型辮狀河三角洲前緣砂體；在湖泛體系域時期，隨著相對湖平面的上升，湖泛域有較強(qiáng)的水動力條件，先期沉積的三角洲變得不穩(wěn)定，由于早期的同沉積坡折的影響，同時在斷裂活動等突發(fā)事件的觸發(fā)下，在前三角洲或凹陷部位間歇性地發(fā)育兩期湖底扇沉積，中間被一套穩(wěn)定分布的薄層泥巖所分割。模擬結(jié)果驗證了湖底扇在湖泛體系域內(nèi)的形成機(jī)制，并明確了其平面分布規(guī)律。

圖4 湖底扇發(fā)育過程演化圖

4 湖底扇儲層精細(xì)描述

上述沉積模擬結(jié)果為研究區(qū)平面沉積相分析提供了新的信息；結(jié)合宏觀地震相、地震屬性分析、地層厚度圖等信息，可以進(jìn)行湖底扇儲層的精細(xì)描述。從均方根振幅、瞬時頻率、瞬時相位和半能量做的屬性聚類分析圖來看，一期湖底扇受兩個物源供給方向的影響，發(fā)育兩個沉積主體，其中，東側(cè)物源沉積主體較北側(cè)規(guī)模大。屬性顯示由東北向西南逐漸由紅色區(qū)域過渡為藍(lán)色區(qū)域(圖5中A)，巖石地球物理相關(guān)性分析認(rèn)為，這反映了砂巖逐漸減少的變化趨勢，這與趨勢沉積模擬預(yù)測的砂巖百分比變化結(jié)果相一致。此外，在靠近東側(cè)和北側(cè)為綠色區(qū)域，為內(nèi)扇發(fā)育區(qū)，紅色區(qū)域為中扇主體部分，黃色和藍(lán)色區(qū)域為中扇側(cè)翼和遠(yuǎn)端。

從第二期湖底扇屬性聚類圖來看(圖5中C)，由于該沉積時相對湖平面進(jìn)一步擴(kuò)大，沉積中心往前推移，紅色區(qū)域?qū)τ诘膬蓚€中扇主體范圍變大，僅在邊緣地帶發(fā)育中扇遠(yuǎn)端。研究區(qū)地震預(yù)測與沉積模擬結(jié)果相結(jié)合而確定出的湖底扇內(nèi)部構(gòu)成(圖5中B和D)所示，可以看出，除了東側(cè)物源的供給，北側(cè)也為湖底扇的發(fā)育提供了物質(zhì)來源，兩期湖底扇平面分布范圍有差異，第二期湖底扇沉積主體較大。

圖5 湖底扇儲層精細(xì)描述

總的來看，東二下層序沉積時期湖泛體系域內(nèi)發(fā)育的湖底扇沉積，蓋層和烴源巖較好，儲蓋組合優(yōu)良，圈閉條件良好，具備有利的巖性油氣藏成藏條件[13-14]，兩期湖底扇分布范圍廣，最大面積達(dá)50 km2，其中扇主體富砂區(qū)面積達(dá)30 km2，勘探潛力巨大。

5 結(jié)論

(1)遼中凹陷區(qū)東二下亞段可以劃分為一個三級層序，根據(jù)地層的接觸關(guān)系，又可以識別出低位體系域、湖泛體系域、高位體系域,其中，湖底扇主要在湖泛體系域內(nèi)發(fā)育。

(2)模擬結(jié)果再現(xiàn)了湖底扇的形成過程。在東二下層序低位域時期,物源充沛，來自東部和北部方向，發(fā)育大型辮狀河三角洲前緣砂體；在湖泛體系域時期，隨著相對湖平面的上升，湖泛域有較強(qiáng)的水動力條件，先期沉積的三角洲變得不穩(wěn)定，由于早期的同沉積坡折的影響，同時在斷裂活動等突發(fā)事件的觸發(fā)下，在凹陷部位間歇性地發(fā)育兩期湖底扇沉積。

(3)通過模擬分析，研究區(qū)湖底扇具有兩期、雙物源、分布范圍廣的特點，根據(jù)模擬兩期湖底扇三維分布及形態(tài)，結(jié)合宏觀地震相和地震屬性等信息，可為湖底扇儲層的精細(xì)描述提供有力依據(jù)。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)04-0015-03

2014-09-01

王啟明，地質(zhì)工程師，碩士，1984年生，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，現(xiàn)從事石油地質(zhì)綜合研究工作。

國家十二五重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(2011ZX05023-002)。

TE111.3

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