南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)古近系東營組/沙河街組不整合結(jié)構(gòu)特征

歐陽黎明，楊少春*，張博明，馮建偉，何妮茜，王喜冬，王 亞

(1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580； 2.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063004； 3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司，重慶 408014)

0 引 言

傳統(tǒng)意義上，不整合被認(rèn)為只是一個(gè)面。近年來隨著研究的深入，對不整合一種新的認(rèn)識逐漸為大家所接受：不整合不僅是一個(gè)二維上的面，更是三維上的體。不整合不僅記錄了海平面的變化和沉積的間斷，還代表了后期地質(zhì)作用對沉積物不同程度的改造。正是由于沉積物受到不同程度的改造，不整合在縱向上具有明顯的分層結(jié)構(gòu)。張克銀等在研究塔北隆起碳酸鹽巖頂部不整合時(shí)首次提出不整合三層結(jié)構(gòu)，在縱向上將不整合劃分為殘積層、滲流層和潛流層，并相應(yīng)地討論了各層的控礦意義[1]。何登發(fā)認(rèn)為不整合三層結(jié)構(gòu)包括不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層和半風(fēng)化層，不整合在油氣成藏過程中扮演著重要角色，主要體現(xiàn)在封堵油氣和運(yùn)移通道兩個(gè)方面，同時(shí)總結(jié)出不整合結(jié)構(gòu)的作用主要與不整合結(jié)構(gòu)的特征及其與上、下地層的配置關(guān)系有關(guān)[2]。此外，也有很多學(xué)者對不整合控油作用開展研究。例如，吳孔友等在研究準(zhǔn)噶爾盆地時(shí)提出，風(fēng)化黏土層受上覆沉積物壓實(shí)作用導(dǎo)致巖性致密，可以作為良好的封蓋層，半風(fēng)化層受風(fēng)化淋濾改造，可作儲層[3]；王艷忠等認(rèn)為不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層為高孔隙度和滲透率的巖石，巖石裂隙、溶蝕孔洞發(fā)育，既可以作為油氣運(yùn)移通道，又可成為油氣聚集的有效儲層[4]。綜合前人的研究成果，不整合的控油作用主要體現(xiàn)在改善下部儲層、作為油氣運(yùn)移通道和提供圈閉3個(gè)方面[5-12]。

南堡凹陷屬于走滑伸展型斷陷，構(gòu)造演化具有幕式裂陷特征，南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)在此構(gòu)造背景下經(jīng)歷了多期裂陷演化，形成多個(gè)區(qū)域性不整合[13-16]。其中，古近系東營組/沙河街組(Ed/Es)不整合對應(yīng)于裂陷四幕[17-18]，由沙河街組沉積晚期地層遭受剝蝕后東營組沉積其上形成。國內(nèi)外學(xué)者對研究區(qū)的不整合及其相關(guān)油氣藏進(jìn)行了大量研究[14,16,19]，揭示了Ed/Es不整合之下沙河街組一段油氣分布范圍廣，之上東營組三段油氣分布相對局限的特點(diǎn)，但研究多集中在這種現(xiàn)象與斷層發(fā)育的聯(lián)系[19-20]，少有對與之相關(guān)不整合的研究。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用巖芯觀察、礦物分析、測井與地震識別等手段，對南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合進(jìn)行分析和總結(jié)，為揭示Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)特征及其與油氣差異性分布之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ)，以滿足后續(xù)勘探開發(fā)的需要。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的東北部，是黃驊坳陷的次級構(gòu)造單元，屬斷陷型富油氣凹陷。3號構(gòu)造區(qū)位于南堡凹陷東南部，北部與曹妃甸次凹相鄰，南部緊鄰沙壘田凸起，整體呈EW向展布，構(gòu)造面積比較大，物源來自于沙壘田凸起，持續(xù)時(shí)間長及變化類型多的構(gòu)造演化使其具備多套生儲蓋組合，是油氣聚集的有利場所(圖1)。

圖件引自中國石油冀東油田分公司內(nèi)部資料，有所修改圖1 南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological Sketch Map of No.3 Tectonic Region of Nanpu Sag

南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全，自下而上依次發(fā)育古近系沙河街組和東營組、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組、第四系平原組，本文研究對象Ed/Es不整合上、下分別為古近系東營組和沙河街組地層。沙河街組和東營組為南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)的主力產(chǎn)油層，主要發(fā)育濱湖相、三角洲相砂巖以及砂礫巖儲層，物性較好。沙河街組自下而上依次可劃分三段(Es3)、二段(Es2)、一段(Es1)，東營組也細(xì)分為三段(Ed3)、二段(Ed2)、一段(Ed1)。研究區(qū)構(gòu)造方面具有多幕斷陷演化的特點(diǎn)，存在多個(gè)層位不同程度的風(fēng)化剝蝕，發(fā)育構(gòu)造、巖性、構(gòu)造-巖性等多種油氣藏類型，油源主要來自于東營組三段下部地層，生儲蓋配置較好[14,21-22]。

2 不整合結(jié)構(gòu)劃分

Ed/Es不整合在南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)發(fā)育廣泛。地震同相軸的上、下接觸關(guān)系表明Ed/Es不整合以削截不整合為主，主要分布在斜坡區(qū)和中部地區(qū)，位于潛山的頂部，是在構(gòu)造擠壓背景下早期沉積的地層發(fā)生抬升、掀斜，風(fēng)化作用使翹起的地層遭受剝蝕，后期再次接受沉積而形成的[13，18]。在此過程中，地層受到的風(fēng)化剝蝕具有一定程度的差異性，因此，會在縱向上表現(xiàn)出不同特征。研究區(qū)不整合埋深較大，取芯井較少，取到不整合深度段的井更少，因此，通過分析少量巖芯，并主要利用錄井、測井以及礦物成分分析資料，綜合巖性特征、測井曲線的突變特征(圖2)以及黏土礦物在縱向上的分段特征[23-25]，將Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)劃分為不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層、半風(fēng)化層3層(圖3)。

圖2 不整合面附近測井曲線的縱向突變特征Fig.2 Vertical Mutation Characteristics of Well Logging Curves near Unconformity

圖3 不整合結(jié)構(gòu)劃分Fig.3 Division of Unconformity Structure

對南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)多口井進(jìn)行不整合結(jié)構(gòu)的劃分，發(fā)現(xiàn)各井的發(fā)育情況不盡相同。風(fēng)化黏土層只在部分井上發(fā)育，不整合面之上的巖石與半風(fēng)化層則發(fā)育較為廣泛，呈現(xiàn)出一部分井發(fā)育完整的三層結(jié)構(gòu)(不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層、半風(fēng)化層)，另外一部分井則發(fā)育兩層結(jié)構(gòu)(不整合面之上的巖石、半風(fēng)化層)(表1)。

3 不整合結(jié)構(gòu)特征

地層遭受風(fēng)化剝蝕程度的不同會導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層在微觀特征和宏觀分布上都表現(xiàn)出不同特征。

3.1 基本特征

3.1.1 不整合面之上的巖石

不整合面之上的巖石是指緊鄰不整合面之上，位于上覆巖層底部的那套巖石。Ed/Es不整合面之上的巖石類型主要有泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖，個(gè)別井上發(fā)育薄層玄武巖，厚度為1～40 m不等，泥巖厚度最大。該結(jié)構(gòu)層是沉積間斷之后再次沉積的地層，風(fēng)化剝蝕程度低，因此，黏土礦物含量(體積分?jǐn)?shù)，下同)較低，具體表現(xiàn)為高嶺石含量相對較高，伊利石含量相對于上覆巖石有上升趨勢，但總的黏土礦物含量依然較低(圖4)。測井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為自然電位呈現(xiàn)低幅度異常，聲波時(shí)差較低(圖5)。

南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)不整合面之上的巖石類型主要為泥巖，厚度較大，因此，孔隙度和滲透率相對較低，整體物性較差。在橫向發(fā)育連續(xù)的情況下，該層多作為封蓋層，對下面的油氣起到封堵作用。少數(shù)砂巖相對發(fā)育的地區(qū)可作為油氣的輸導(dǎo)層。

表1 不同井的不整合結(jié)構(gòu)劃分Tab.1 Divisions of Unconformity Structure in Different Wells

3.1.2 風(fēng)化黏土層

風(fēng)化黏土層也稱古土壤，位于風(fēng)化殼最上部，是在物理風(fēng)化的基礎(chǔ)上經(jīng)生物化學(xué)風(fēng)化作用改造形成的細(xì)粒殘積物，后經(jīng)上覆沉積物的壓實(shí)作用而形成的[26]。風(fēng)化黏土層區(qū)別其他結(jié)構(gòu)層的巖性特征為泥質(zhì)粉砂巖的累積厚度明顯變高，占總厚度的比例超過20%，但整體巖性以泥巖為主，也發(fā)育一定厚度的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖互層的過渡性巖相。

巖石的礦物成分分析結(jié)果(表2)表明，風(fēng)化黏土層遭受一定程度的風(fēng)化剝蝕，其穩(wěn)定成分的含量相對較高，主要體現(xiàn)在石英和黏土礦物含量要明顯高于不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層，而長石等不穩(wěn)定礦物含量相對較低(圖4)。在風(fēng)化剝蝕過程中，隨著風(fēng)化程度的加強(qiáng)，K的富集有利于高嶺石向伊利石的轉(zhuǎn)化，因此，黏土礦物表現(xiàn)出高嶺石含量較低、伊利石含量較高的特點(diǎn)，同時(shí)，黏土礦物總含量為Ed/Es不整合三層結(jié)構(gòu)中最高。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)出低密度、高聲波時(shí)差、高自然伽馬(圖5)。

表2 巖石礦物成分分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Rock Mineralogical Composition

風(fēng)化黏土層受上覆沉積物的壓實(shí)作用導(dǎo)致巖性致密，孔隙度和滲透率相對較低，物性差，可作為良好的封蓋層。

圖4 不整合結(jié)構(gòu)石英-長石含量變化Fig.4 Content Variation of Quartz-feldspar of Unconformity Structure

3.1.3 半風(fēng)化層

半風(fēng)化層位于風(fēng)化黏土層之下，是風(fēng)化還不徹底的巖石。巖石類型主要以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，其發(fā)育少量不等粒砂巖，泥巖較少，各井段厚度不同，多在10～50 m之間。

在礦物特征方面，黏土礦物含量在經(jīng)歷了風(fēng)化黏土層的峰值之后，在半風(fēng)化層有明顯下降的趨勢。半風(fēng)化層總體上呈現(xiàn)出貧高嶺石、富伊利石，黏土礦物總含量明顯降低的特點(diǎn)(圖4)。半風(fēng)化層的測井響應(yīng)特征與不整合面之上的巖石差別較大。其中，自然伽馬大于不整合面之上的巖石，低于正常泥巖；聲波時(shí)差較大(圖5)。

圖5 不整合結(jié)構(gòu)基本特征Fig.5 Basic Characteristics of Unconformity Structure

受風(fēng)化淋濾作用改造，半風(fēng)化層的物性整體上高于不整合面之上的巖石和風(fēng)化黏土層，巖石的孔隙度和滲透率發(fā)育，可以作為油氣的運(yùn)移通道或者儲層。

3.2 分布特征

3.2.1 剖面發(fā)育特征

井剖面上，不整合面上、下巖性的組合關(guān)系會影響其在油氣運(yùn)聚過程中的作用。由于南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)不同井巖性發(fā)育特征不同，巖性多樣，同時(shí)也存在發(fā)育厚度不均一的現(xiàn)象，故采取以累積厚度占總厚度20%為界，高于20%的巖性可作為該井區(qū)不整合結(jié)構(gòu)的代表巖性，低于20%的巖性則統(tǒng)一歸為其對應(yīng)的大類。從各井的巖性組合(表3)可以看出，Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)以CNB組合和BAB組合為主。CNB組合是一個(gè)上泥下砂、中間風(fēng)化黏土層缺失的組合類型，上覆泥巖封堵能力強(qiáng)，下伏砂巖被改造物性較好，在配合有效的側(cè)向封堵和油源條件下，油氣可聚集在不整合面之下成藏；BAB組合中間的風(fēng)化黏土層較為發(fā)育，巖性較為致密，風(fēng)化黏土層作為蓋層，不整合面之上的巖石可起到輸導(dǎo)作用，半風(fēng)化層則可以作為良好的儲層，通過斷層等的連接，可在風(fēng)化層形成上、下側(cè)向輸導(dǎo)的雙輸導(dǎo)層油氣運(yùn)移。

根據(jù)多口井的不整合結(jié)構(gòu)劃分結(jié)果，在順物源和垂直物源方向分別建立一條不整合結(jié)構(gòu)連井剖面(圖6、7)。結(jié)果表明，Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)發(fā)育特征在順物源和垂直物源方向上存在明顯的差異性。在順物源方向A—A′剖面上，風(fēng)化黏土層的發(fā)育厚度不大，多穩(wěn)定在20 m左右，且在部分井上不發(fā)育，如NP36-3604井；不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層則在各井上都較為發(fā)育，且厚度較為穩(wěn)定。在垂直物源方向B—B′剖面上，風(fēng)化黏土層發(fā)育厚度較大，達(dá)到50 m，但也存在部分井不發(fā)育風(fēng)化黏土層。

表3 不整合結(jié)構(gòu)巖性組合Tab.3 Lithology Combinations of Unconformity Structure

注：砂巖包括細(xì)砂巖和粉砂巖；黏土層是以泥質(zhì)粉砂巖為代表的黏土層。

圖6 不整合結(jié)構(gòu)順物源方向A—A′剖面及巖性組合Fig.6 A-A′ Profiles and Lithology Combinations of Unconformity Structure Along the Parallel Direction of Sediment Sources

3.2.2 平面分布特征

根據(jù)不整合結(jié)構(gòu)平面厚度分布(圖8)，不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在順物源方向上較為發(fā)育，主要分布在北部、中部和南部地區(qū)，東部和西部地區(qū)欠發(fā)育；而風(fēng)化黏土層發(fā)育程度較大的區(qū)域集中在垂直物源方向的零散帶上，在順物源方向上除了中部地區(qū)較為發(fā)育，南部和北部地區(qū)都欠發(fā)育。

圖8 不整合結(jié)構(gòu)平面厚度分布Fig.8 Plane Distributions of Thickness of Unconformity Structure

圖9 不整合結(jié)構(gòu)空間分布Fig.9 Spatial Distributions of Unconformity Structure

3.2.3 空間分布特征

以測井識別的不整合結(jié)構(gòu)為依據(jù)，通過地震資料建立南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)構(gòu)造格架，利用Petrel軟件對不整合結(jié)構(gòu)的空間分布進(jìn)行建模。通過多次模擬直至實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不整合結(jié)構(gòu)發(fā)育程度具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性(圖9)。靠近物源區(qū)不整合結(jié)構(gòu)整體較為發(fā)育，不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在全區(qū)分布較好，且厚度較為穩(wěn)定，中間的風(fēng)化黏土層則集中分布在西南部以及中部地區(qū)，不同地區(qū)厚度差別較大。這與連井剖面以及平面分布特征分析中的認(rèn)識一致。整體上看，Ed/Es不整合三層結(jié)構(gòu)完整發(fā)育的區(qū)域集中在中部地區(qū)，其他區(qū)域多以發(fā)育不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層兩層結(jié)構(gòu)為主。結(jié)合不整合結(jié)構(gòu)的基本特征，可以初步判斷南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)中部地區(qū)不整合結(jié)構(gòu)對油氣產(chǎn)生封堵作用，其他大部分地區(qū)則多作為輸導(dǎo)層對油氣進(jìn)行運(yùn)移。

3.3 小 結(jié)

不整合結(jié)構(gòu)特征以及分布上的差異是決定不整合控油作用的主要因素。不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層物性較好，分布厚度相對穩(wěn)定，而風(fēng)化黏土層則發(fā)育相對局限，物性較差。因此，在風(fēng)化黏土層發(fā)育的地區(qū)，油氣在風(fēng)化黏土層的遮擋下沿著半風(fēng)化層向高處運(yùn)移，表現(xiàn)出油氣在Ed/Es不整合之下的沙河街組一段連片發(fā)育，例如南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)中部地區(qū)；而在風(fēng)化黏土層缺失的地區(qū)，在無上覆蓋層的遮擋條件下，油氣直接通過不整合結(jié)構(gòu)向上運(yùn)移，從而分布在東營組三段中，這就是東營組三段油氣平面上分布不連續(xù)和零散分布的原因。

4 結(jié) 語

(1)由于風(fēng)化剝蝕程度的不同，南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)可以劃分為不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層及半風(fēng)化層3層，其中不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層較發(fā)育，風(fēng)化黏土層欠發(fā)育。

(2)風(fēng)化黏土層受風(fēng)化剝蝕程度較高，黏土礦物含量高，巖石中穩(wěn)定成分相對較高，孔隙度和滲透率低，物性最差；半風(fēng)化層受淋濾作用改造，孔隙度和滲透率較高，物性最好；不整合面之上的巖石由于未受改造，與上覆巖層特征相似。

(3)不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在順物源方向較發(fā)育，在垂直物源方向欠發(fā)育；風(fēng)化黏土層主要發(fā)育在垂直物源方向的零散帶上，在順物源方向除了中部地區(qū)較發(fā)育，南部和北部地區(qū)都欠發(fā)育。南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)在順物源方向主要發(fā)育不整合兩層結(jié)構(gòu)，在垂直物源方向則發(fā)育三層結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)化黏土層的物性較差，半風(fēng)化層物性較好，故在發(fā)育完整三層結(jié)構(gòu)的區(qū)域，不整合結(jié)構(gòu)通常作為封蓋層，而在缺失風(fēng)化黏土層的區(qū)域，不整合結(jié)構(gòu)則作為輸導(dǎo)層。

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