東營(yíng)凹陷沙一段薄層湖相碳酸鹽巖成因研究

王夕賓，郝延征，姚 軍，張建光，呂愛民

（中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580）

東營(yíng)凹陷沙一段薄層湖相碳酸鹽巖成因研究

王夕賓，郝延征，姚 軍，張建光，呂愛民

（中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266580）

通過巖心觀察、薄片及古生物鑒定，結(jié)合巖相、電相及地球化學(xué)特征分析，對(duì)東營(yíng)凹陷HB地區(qū)沙一段湖相薄層碳酸鹽巖成因進(jìn)行研究。結(jié)果表明：目的層縱向上可劃分為早、中、晚3期沉積；中期沉積構(gòu)成了碳酸鹽巖的主體，細(xì)分為藻礁格架、礁間、礁前、礁后、陸源沙壩和淺湖泥坪等6個(gè)成因單元；早期到中期氣候、水文條件的改變形成了有利于藻的生長(zhǎng)環(huán)境，末期海侵作用發(fā)生，藻礁建造結(jié)束，而廣鹽性腹足類、介形類生物繁盛，形成了廣泛的螺灰?guī)r沉積。

東營(yíng)凹陷；湖相碳酸鹽巖；沉積成因；藻礁；沉積演化

生物礁和相關(guān)的碳酸鹽巖中蘊(yùn)含大約一半的世界石油儲(chǔ)量，湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層廣泛發(fā)育于世界各陸相含油氣盆地，如美國綠河盆地、巴西坎波斯盆地、蘇聯(lián)濱里海盆地等［1-2］。在中國，有渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷古近系沙河街組一段和四段的生物礁灰?guī)r［3-4］、黃驊坳陷古近系沙河街組三段的碳酸鹽巖［5］、四川盆地中侏羅統(tǒng)大安寨組的介屑灰?guī)r［6］等。湖相碳酸鹽巖是受生物化學(xué)反應(yīng)控制以及古氣候、古地貌和古水文等環(huán)境因素影響的具有復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)類型和儲(chǔ)層特征的一類沉積體［7-8］，巖石成因較為復(fù)雜，而研究程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如海相碳酸鹽巖。湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層常與生物礁聯(lián)系緊密，如中國東部渤海灣盆地與西部柴達(dá)木盆地古近紀(jì)地層中的藻類生物礁儲(chǔ)層；對(duì)生物礁的生物組成、古生態(tài)特征和形成機(jī)制的研究對(duì)揭示湖相碳酸鹽巖成因機(jī)制具有重要的意義，同時(shí)也對(duì)湖相碳酸鹽巖油藏的勘探開發(fā)具有重要的意義，因此筆者依據(jù)目前東營(yíng)凹陷沙一段湖相碳酸鹽巖的勘探成果對(duì)湖相碳酸鹽巖的成因進(jìn)行研究。

1 地質(zhì)背景

東營(yíng)凹陷古近系沙河街組沙一段是沙二末期沉積間斷剝蝕后再度沉降的大面積超覆沉積的產(chǎn)物［9］，沙一段中、下亞段主要為碳酸鹽巖沉積，部分地區(qū)發(fā)育油頁巖，上亞段主要為紅色砂巖。以往對(duì)東營(yíng)凹陷古近系沙河街組湖相碳酸鹽巖的研究主要集中于沙四段，而對(duì)沙一段碳酸鹽巖研究較少。研究區(qū)位于東營(yíng)凹陷中北部（圖1），目的層沙一段三砂層組1小層為一薄層碳酸鹽巖沉積，其中發(fā)育枝管藻生物礁儲(chǔ)層，厚度為0.2～7 m，含油面積約為5 km2，儲(chǔ)量為430×104t，為研究區(qū)主力產(chǎn)油層。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of researched area in Dongying Depression，China

2 巖石學(xué)特征

根據(jù)HB2、HB11、HB14三口井巖心資料分析，薄層碳酸鹽巖主要巖石類型為藻灰?guī)r、螺灰?guī)r、鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r和少量的砂巖，生物碎屑主要有藻類、螺類以及介形類的碎屑（圖2）。圖2（a）藻灰?guī)r薄片可見枝管藻類的植物碎屑呈定向排列，枝管藻類內(nèi)腔孔隙十分發(fā)育，并充填大量烴類，呈黃色，可見埋藏成巖作用形成的塊狀方解石晶體；圖2（b）中下部為藍(lán)綠藻灰?guī)r，上部為鮞?；?guī)r，突變接觸處具有疊層構(gòu)造；圖2（c）為正常鮞和表鮞等核心為石英顆粒和泥屑；圖2（d）為以介形蟲殼為核心的長(zhǎng)條狀表鮞，及以泥屑及泥屑重結(jié)晶為核心的橢圓形表鮞，并有螺的介殼。鏡下薄片觀察表明，研究區(qū)目的層藻灰?guī)r中的枝管藻類屬于綠藻門的管藻目，一種為中國枝管藻（Cladosiphoniasinensis），另一種為山東枝管藻（Cladosiphoniashan-dongensis），以中國枝管藻為主。

圖2 取心井巖心薄片照片F(xiàn)ig.2 Photos of thin sections of cored wells

2.1 藻灰?guī)r

藻灰?guī)r巖石類型包括藻格架灰?guī)r和藻泥晶灰?guī)r，藻格架灰?guī)r中藻屑含量較高，一般為40% ～60%，支撐方式為骨架支撐，藻泥晶灰?guī)r中藻屑含量較低，巖石中藻屑相互毗鄰但沒有接觸，為基質(zhì)支撐。巖石中可見方解石晶體充填于顆粒之間，并含有介形類、螺類等生物碎屑。

2.2 螺灰?guī)r

巖石中螺化石含量可達(dá)90%以上，主要為湖相的螺、介形蟲殼體以及其碎片，在螺屑和介屑之間主要為泥晶方解石充填。

2.3 鮞粒灰?guī)r

鮞?；?guī)r以正常鮞、表鮞為主，核心主要為生物碎屑、石英顆粒、泥屑和泥屑重結(jié)晶，鮞粒含量一般為50%～85%。除鮞粒外，巖石中還有砂屑、介屑、螺屑、藻屑和礫屑等，巖石為亮晶膠結(jié)，膠結(jié)物為方解石和白云石。

2.4 泥晶灰?guī)r

巖石主要由泥晶方解石組成，含量一般大于85%，另外在泥晶方解石中還分布有砂屑、粉屑、礫屑、鮞粒以及介屑、螺屑、藻屑等生物碎屑，數(shù)量不等。

2.5 其他巖石類型

其他類型巖石包括如粉砂質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和砂巖等。粉砂質(zhì)灰?guī)r中石英含量一般為25%～30%；生物碎屑灰?guī)r中含有藻屑、螺屑、介屑等生物碎屑，膠結(jié)物主要為方解石；砂巖中砂質(zhì)含量為65%～85%，含有少量的藻屑、螺屑和介屑。

藻灰?guī)r構(gòu)成儲(chǔ)層的主體，其成巖作用經(jīng)歷壓實(shí)、填積、膠結(jié)、白云巖化和溶蝕等作用?？紫额愋陀袣堄嘣紫都按紊紫?，以次生溶蝕孔隙為主。藻灰?guī)r中的有機(jī)碎屑在深埋熱演化過程中生成的有機(jī)酸性流體對(duì)灰?guī)r具有顯著的溶蝕效應(yīng)，特別對(duì)提高滲透率具有異常明顯的效果［10］。

3 薄層碳酸鹽巖沉積期次劃分

根據(jù)取心井單井相分析（圖3）及測(cè)井相研究，將薄層碳酸鹽巖縱向上劃分為3個(gè)期次的沉積。

底層（早期）沉積為泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r。泥晶灰?guī)r和粉砂質(zhì)灰?guī)r微電極為單個(gè)高幅尖峰，且微電位與微梯度幅度差很小或無幅度差，自然電位近乎平直；生物碎屑灰?guī)r微電極有多個(gè)高幅尖峰，自然電位曲線幅度較小，呈低幅度鐘形或棱形。

中間層（中期）沉積主要為藻灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和砂巖等。藻灰?guī)r在自然電位曲線上表現(xiàn)為高幅鐘形或齒化鐘形，微電極幅度差較大；鮞?；?guī)r在微電極及電阻率曲線上易產(chǎn)生較高幅尖峰，微電極幅度差不明顯或較??；砂質(zhì)沉積電阻率稍低、聲波時(shí)差稍高。

頂層（晚期）沉積為螺灰?guī)r，在微電極及電阻率曲線上形成更高幅尖峰，微電極幅度差小或不明顯，自然電位曲線起伏較小。

圖3 HB2、HB11和HB14井單井相分析Fig.3 Analysis of single well facies in well HB2，HB11 and HB14

從時(shí)間尺度上考慮，底層泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r為目的層初期形成的“同期沉積單元”，中層的藻灰?guī)r、鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、砂巖和頂層的螺灰?guī)r則分別為研究區(qū)在目的層中期和晚期形成的“同期沉積單元”。

4 湖相碳酸鹽巖成因

研究區(qū)湖相碳酸鹽巖各期沉積體內(nèi)發(fā)育不同的成因單元，對(duì)應(yīng)于不同的沉積微相，代表著不同的古氣候、古地貌、古水文和古生物等生態(tài)特征。

4.1 早期沉積環(huán)境及碳酸鹽巖成因

早期沉積主要為泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，對(duì)應(yīng)于低能的灰泥灘及高能的顆粒堤壩沉積環(huán)境，其間有一些孤立的淺湖泥巖沉積區(qū)（圖4）。

泥晶灰?guī)r和粉砂質(zhì)灰?guī)r對(duì)應(yīng)浪基面以下的低能灰泥灘沉積環(huán)境，沉積時(shí)水位較深，沉積物粒度較細(xì)；因藻類等植物需要光照及CO2進(jìn)行光合作用，在水位較淺的地方則形成高能生物碎屑灰?guī)r。從圖4可以看出，在湖泊近岸淺水區(qū)及水下古隆起處沉積了高能生物碎屑灰?guī)r，向湖盆方向則為低能灰?guī)r沉積。

圖4 早期沉積環(huán)境平面圖Fig.4 Distribution of sedimentary microfacies in early-term sedimentation

4.2 中期沉積環(huán)境及碳酸鹽巖成因

初期沉積的泥晶灰?guī)r、粉砂質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r為中期藻類的生長(zhǎng)及藻礁的發(fā)育提供了良好的基底條件，枝管藻類易生長(zhǎng)在各種碎屑灘上，基底條件一般介于軟底和硬底之間，如果底質(zhì)太軟枝管藻類固定不住，太硬則無法扎根。藻類也使基底碎屑灘固定，形成穩(wěn)定的成礁基底，隨后枝管藻類大量發(fā)育成礁。早期氣候條件由溫暖潮濕向炎熱干旱的過渡，也是促使本區(qū)早期成因環(huán)境向中期沉積成因環(huán)境轉(zhuǎn)變的重要因素。隨著氣候趨向炎熱干旱，水位下降，湖泊邊緣淺水區(qū)面積增大，陽光透射量增多，促進(jìn)了枝管藻類的繁茂［11］。

中期沉積可以分為藻礁格架（礁核）、礁間、礁前、礁后、陸源沙壩和淺湖泥坪6個(gè)沉積微相（圖5）。

4.2.1 藻礁格架微相

沙一段藻礁中的造架生物是枝管藻類，是研究區(qū)唯一的造架生物（圖2（a））。生物礁中反映黏結(jié)作用的主要為由藍(lán)綠藻粘結(jié)形成的藻紋層。鏡下薄片中，枝管藻橫切面為同心圓狀，直徑約為2 mm，縱切面呈彎曲管狀，長(zhǎng)約數(shù)厘米，多以群體共生形成骨架，骨架間常被烴類充填，呈黃色，還可以看到很多由埋藏成巖作用形成的方解石晶體充填于較大的孔洞與裂縫中。藻灰?guī)r薄片中可見枝管藻類的植物碎屑呈定向排列，說明枝管藻具有一定的強(qiáng)度和韌性，造架能力較強(qiáng)。在藻礁中常見一些介形蟲、螺類的生物介殼，枝管藻叢能夠?yàn)榻樾蜗x、螺類等居礁生物提供豐富的養(yǎng)料和適宜的生活空間。藻礁格架內(nèi)溶蝕作用較強(qiáng)，孔滲性較好，油氣充注保存儲(chǔ)集空間形成有效儲(chǔ)層［12］。

4.2.2 礁間微相

?US － Singapore FTA，Article 12．3．2;US － Australia FTA，Article 14．4．

隨著藻礁格架的建造，在藻礁間形成較為動(dòng)蕩的沉積環(huán)境，形成鮞粒灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r等內(nèi)碎屑灰?guī)r，以鮞?；?guī)r為主。鈣質(zhì)鮞粒的形成除需要充分的核心來源、CaCO3濃度達(dá)到飽和以及適當(dāng)?shù)乃靼徇\(yùn)強(qiáng)度外，還需要一定的溫度和鹽度條件［13］。在鏡下薄片（圖2（b））中，可以看到藍(lán)綠藻灰?guī)r向鮞?；?guī)r的過渡，在突變接觸處具有疊層構(gòu)造作為兩種巖性之間的分界線，象征沉積環(huán)境由安靜變得動(dòng)蕩。礁間的鮞粒以橢圓形表鮞與正常鮞最為常見，鮞粒的核心主要為介形蟲殼、石英顆粒、泥屑及泥屑重結(jié)晶等，并可見大量的螺介殼。鮞?；?guī)r的形成與介形蟲、螺等生物活動(dòng)密切相關(guān)，可能為往復(fù)動(dòng)蕩的水體將生物介殼、內(nèi)碎屑等顆粒搬運(yùn)至礁間環(huán)境，并經(jīng)水體反復(fù)滌蕩形成鮞粒。

圖5 中期沉積環(huán)境平面圖Fig.5 Distribution of sedimentary microfacies in mid-term sedimentation

中期沉積時(shí)期，炎熱干燥的氣候與微咸水條件［14］均為鮞?；?guī)r的形成提供了良好的條件。礁間鮞?！辶！b?！辶５慕ㄔ旆绞筋A(yù)示著沉積環(huán)境短暫穩(wěn)定時(shí)藻類生長(zhǎng)于鮞粒灘之上，隨后被動(dòng)蕩沉積環(huán)境改造，而未形成一定規(guī)模的藻礁，或者由水體滌蕩藻礁搬運(yùn)所至。

4.2.3 礁前微相

礁前微相位于藻礁格架與湖盆之間的斜坡區(qū)，藻泥晶灰?guī)r為其主要的沉積類型，基質(zhì)巖性主要為泥晶灰?guī)r，藻屑零星分布其間。該微相在外形上具有較低的突起構(gòu)造，且顯示出成層性，而藻格架灰?guī)r一般內(nèi)部不分層，構(gòu)造上較復(fù)雜，表面形態(tài)也很復(fù)雜。由于礁前環(huán)境水體逐漸變深，已不太適宜藻類的大量生長(zhǎng)，沉積物大多來自淺水區(qū)礁體的生物侵蝕和物理破壞作用，如研究區(qū)螺類的鉆孔和啃噬作用，以及風(fēng)浪等。由礁前向湖盆方向則為淺湖泥巖沉積。

4.2.4 礁后微相

礁后微相位于藻礁格架向岸一側(cè)的斜坡區(qū)，礁后微相向岸方向可過渡為瀉湖相。礁后沉積環(huán)境水動(dòng)力能量相對(duì)較弱，水體鹽度相對(duì)較高，主要的沉積類型為藻泥晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，沉積物大多來自淺水區(qū)礁體的生物侵蝕和物理破壞作用，沉積厚度不大。

4.2.5 陸源沙壩微相

陸源沙壩微相位于研究區(qū)的中北部，呈席狀分布，厚度較薄，并含有一定量的生物碎屑等，由風(fēng)浪作用攜帶而至。砂巖與兩側(cè)的藻礁分界明顯，這是因?yàn)橹茉孱惒荒茉趫?jiān)硬的粗粒碎屑灘上扎根固著生長(zhǎng)，或過急的水流容易折斷藻莖，使枝管藻類不能穩(wěn)定生長(zhǎng)。

4.2.6 淺湖泥坪微相

淺湖泥坪微相廣泛分布于研究區(qū)的北部、東部和西部，為靜水環(huán)境下的泥質(zhì)沉積。

4.3 晚期沉積環(huán)境及碳酸鹽巖成因

晚期沉積環(huán)境為生物灘壩及淺湖泥坪微相，巖石類型主要為螺灰?guī)r，向湖盆方向漸變?yōu)槟噘|(zhì)沉積（圖6），中期藻礁格架、礁間、礁前、礁后和陸源沙壩沉積區(qū)均被螺灰?guī)r覆蓋。螺灰?guī)r中含有大量的螺類及少量的介形類生物碎屑，化石種類單一，但數(shù)量較多。螺類、介形類的繁盛，標(biāo)志著枝管藻礁建造環(huán)境的終結(jié)。濟(jì)陽坳陷沙一中、下亞段地層中原生海綠石礦物的發(fā)現(xiàn)［15］和豐度極高的甲藻甾烷的發(fā)現(xiàn)［16］，為古近系沙河街組沉積時(shí)期的海侵提供了確鑿的證據(jù)，與沙一早、中時(shí)期全球范圍海侵［17］契合。研究區(qū)枝管藻類生長(zhǎng)的終結(jié)源于短暫海侵導(dǎo)致的湖泊水體鹽度升高，超過了枝管藻類所能忍受的鹽度范圍，卻為廣鹽性的腹足類、介形類的繁盛提供了良好的環(huán)境條件。

圖6 晚期沉積環(huán)境平面圖Fig.6 Distribution of sedimentary microfacies in late-term sedimentation

5 沉積模式

礁體一般由礁基、礁核和礁蓋3部分組成［18-19］，也即生物礁奠基期、繁盛期和衰亡期，分別對(duì)應(yīng)于研究區(qū)目的層早期、中期和晚期3期沉積（圖7）。早期沉積厚度較薄，生物碎屑灰?guī)r主要分布于湖泊邊緣，泥晶灰?guī)r與粉砂質(zhì)灰?guī)r分布于水體相對(duì)較深的低能環(huán)境；中期沉積厚度相對(duì)較大，湖泊邊緣區(qū)面積增大，藻灰?guī)r分布于近岸淺水區(qū)及水下古隆起處，并且在藻礁下傾方向或藻礁之間發(fā)育礁間微相，形成鮞?；?guī)r和生物碎屑灰?guī)r等；礁前主要為藻泥晶灰?guī)r沉積，由礁前向湖盆方向?yàn)闇\湖泥巖沉積；礁后主要的沉積類型為藻泥晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，位于藻礁格架向岸一側(cè)的斜坡區(qū)；晚期螺灰?guī)r沉積厚度較薄，分布范圍較大，中期沉積均被其覆蓋。

圖7 沉積模式Fig.7 Sedimentary model

6 結(jié) 論

（1）研究區(qū)沙一段三砂層組1小層薄層湖相碳酸鹽巖縱向上按成因劃分為早、中和晚3期沉積，底層（早期）為泥晶灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r，中間層（中期）為藻灰?guī)r、鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r和砂巖，頂層（晚期）為螺灰?guī)r沉積。

（2）3期沉積分別可進(jìn)一步劃分為多個(gè)沉積微相。早期沉積分為低能灰泥灘和高能顆粒堤壩微相。中期沉積可劃分為藻礁格架、礁間、礁前、礁后、陸源沙壩和淺湖泥坪等6個(gè)微相。藻礁格架建造位于湖泊近岸淺水區(qū)及水下古隆起處，藻格架灰?guī)r為主要的沉積類型；礁間位于水體動(dòng)蕩區(qū)，以鮞?；?guī)r、生物碎屑灰?guī)r沉積為主；礁前水體變深，以藻泥晶灰?guī)r為主；礁后水動(dòng)力相對(duì)較弱，主要的沉積類型為藻泥晶灰?guī)r和生物碎屑灰?guī)r；陸源沙壩與兩側(cè)的藻礁呈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，分界明顯。晚期沉積中含有大量的螺類及少量的介形類生物碎屑，化石種類單一，但數(shù)量較多。

（3）早期到中期氣候、水文條件的改變形成了有利于藻生長(zhǎng)的環(huán)境。末期伴隨著海侵作用的發(fā)生，藻礁建造結(jié)束，為廣鹽性腹足類、介形類的繁盛創(chuàng)造了條件，形成了發(fā)育廣泛的螺灰?guī)r沉積。

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（編輯 徐會(huì)永）

Genetic research of flaggy lacustrine carbonate in the first Member of Shahejie Formation，Dongying Depression

WANG Xibin，HAO Yanzheng，YAO Jun，ZHANG Jianguang，Lü Aimin
（School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

This study focused on the flaggy lacustrine carbonate reservoir in the first Member of Shahejie Formation of the HB area in Dongying Depression.The analysis of the carbonate genesis is through a combination of core observation，thin section and paleontology identification，integration of lithofacies，logging facies，and geochemical characteristics.The results show that the carbonate can be divided into early-stage，mid-stage and late-stage sedimentary bodies.The mid-stage sedimentary body，constituting the principal part of the carbonate，can be further subdivided into the algal frame reef，inter-reef，reeffront，back-reef，continental sandbar and mudflat genetic elements.The suitable environment，resulting from changes of climatic and hydrological conditions，contributes to the flourishment of the algal reef.Because of the transgression in the late depositional stage，the euryhaline snails and ostracoda thrive and widespread snail limestone develops in the late-term sedimentary body，leading to the finality of the algal reef.

Dongying Depression；lacustrine carbonate；sedimentary genesis；algal reef；sedimentary evolution

TE 122

A

1673-5005（2016）01-0027-08 doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2016.01.004

2015-07-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41502131）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2013DL011）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（13CX02052A，13CX05015A）

王夕賓（1964-），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)閮?chǔ)層沉積學(xué)、油藏描述。E-mail：wangxb@upc.edu.cn。

引用格式：王夕賓，郝延征，姚軍，等.東營(yíng)凹陷沙一段薄層湖相碳酸鹽巖成因研究［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，40（1）：27-34.

WANG Xibin，HAO Yanzheng，YAO Jun，et al.Genetic research of flaggy lacustrine carbonate in the first Member of Shahejie Formation，Dongying Depression［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2016，40（1）：27-34.