渤海黃河口中洼古地貌對沉積相的控制作用

陳延芳， 杜曉峰， 王清斌， 宋章強(qiáng)， 宛良偉， 王立紅

( 1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459； 2. 中海油能源發(fā)展股份有限公司，天津 300549 )

0 引言

陸相斷陷盆地沉積相的類型和展布特征受多種地質(zhì)因素控制，包括物源、溝谷、坡折發(fā)育特征等[1]。古地貌分析是準(zhǔn)確預(yù)測中深部儲集層的關(guān)鍵和基礎(chǔ)[2-3]。銀曉等研究橫山地區(qū)山2段物源沉積體系及其地質(zhì)意義[4]。賴維成等探討秦南凹陷古近系層序地層、沉積體系及油氣勘探方向[5]。陸上油田研究主要集中于基準(zhǔn)面旋回、層序、構(gòu)造坡折帶、斷裂對沉積的控制、溝谷和古地貌等控相因素[6]。

“源匯系統(tǒng)”是沉積學(xué)研究的重要進(jìn)展[7-8]。在渤?？碧綄?shí)踐中，有關(guān)源匯體系及局部物源的研究較多[7-10]，主要研究物源體系、溝谷輸砂體系及其耦合關(guān)系，將沉積物從剝蝕到搬運(yùn)、堆積的整個過程看作完整的“源匯系統(tǒng)”，探討沉積體系的形成[11]；進(jìn)行陡坡坡折帶沉積相預(yù)測，凸起、凹陷地貌高差較大，低勢地區(qū)的優(yōu)勢匯聚特征明顯[12]。對于地震反射形態(tài)較好的地區(qū)，一般先明確物源體系及其斷裂主控因素，找到相應(yīng)的富砂區(qū)，預(yù)測沉積相帶展布。渤海油田鉆井較少，研究區(qū)小型陡坡與緩坡共存，古地貌差異較大，給沉積相帶的預(yù)測帶來難度。緩坡帶預(yù)測的難點(diǎn)在于地貌差異小，水系分散，地層較薄，預(yù)測砂體優(yōu)勢匯聚區(qū)研究較少。以黃河口凹陷中洼沙河街組二段為例，筆者分析物源區(qū)的母巖類型、發(fā)育規(guī)模、輸砂通道(如古溝谷)及古地貌對相帶的控制作用，研究砂體差異富集的特點(diǎn)，為中深層油氣勘探、明確富砂儲集層發(fā)育有利位置提供支持。

1 地質(zhì)概況

黃河口中洼位于渤海海域黃河口凹陷中部，北部緊靠渤南低凸起，南部緊鄰黃河口凹陷主洼(見圖1)。沙河街組為黃河口凹陷的主要勘探層系，沙河街組地層劃分為沙一段、沙二段、沙三段和沙四段(見表1)。黃河口凹陷沙二段地層總體呈現(xiàn)北斷南超特征，北側(cè)由東西向一級控邊斷裂及二級斷裂組成斷階帶。渤南低凸起被近北北東向的走滑斷層切割為渤南低凸起西段和東段，構(gòu)成物源區(qū)的西段和東段。西段沙二段時期為陡坡斷階帶，東段沙二段時期為緩坡斷階帶。黃河口東洼沉積體系主要受近源的渤南低凸起物源體系控制，西部陡坡帶主要發(fā)育來自渤南低凸起的近源扇三角洲沉積體系，東部緩坡帶主要發(fā)育來自渤南低凸起的辮狀河三角洲體系。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造區(qū)域Fig.1 Regional structure of study area

地層單位系統(tǒng)組段距今/Ma巖性簡述古近系漸新統(tǒng)始新統(tǒng)古新統(tǒng)東營組沙河街組孔店組東一段27.4灰色、灰綠色、灰褐色泥巖與中厚層灰色砂巖不等厚互層?xùn)|二段30.3主要為灰色厚層泥巖夾薄層灰色砂巖、粉砂巖東三段32.8厚層深灰色泥巖夾薄層砂巖、粉砂巖和少量頁巖沙一段36.0灰色泥巖、油頁巖與薄層灰色灰?guī)r互層沙二段38.0厚層泥巖夾薄層、淺灰色灰質(zhì)砂巖、粉砂巖沙三段42.0上部:深灰色泥巖與灰色砂巖不等厚互層,偶爾夾油頁巖、灰?guī)r和白云巖;中部:巖性很細(xì),主要為厚層暗色泥巖;下部:深灰色、灰褐色泥巖與灰色砂巖互層,夾薄層鈣質(zhì)粉砂巖、白云巖和薄層油頁巖沙四段50.5上部:暗黃、深灰褐色泥巖夾薄層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖及砂巖;下部:暗褐色、暗綠灰色泥巖夾淺黃褐色、透明—白色硬石膏巖、暗灰色含膏泥巖和鹽巖孔一段和孔二段65.0上部:棕紅、紫紅色含礫砂巖;中部:深灰、灰黑色泥巖夾砂巖,時夾薄層灰?guī)r;下部:紫紅色泥巖夾砂礫巖

2 物源區(qū)特征

2.1 母巖特征

物源區(qū)發(fā)育和母巖性質(zhì)是富砂沉積體能夠形成富集的前提和基礎(chǔ)，母巖類型對沉積砂體的形成具有重要的影響和控制作用，只有具備足夠的物源條件，才能在物源區(qū)周圍找到優(yōu)質(zhì)砂體[13]。研究區(qū)物源區(qū)為渤南低凸起，凸起被北北東向走滑斷層切割為東、西段，中間為凸起夾持的低洼區(qū)帶。根據(jù)最新鉆井及巖心、壁心、薄片鑒定資料，厘定渤南低凸起物源區(qū)沙二段沉積時期發(fā)育的母巖類型。其中渤南低凸起西段物源區(qū)母巖類型是前寒武系花崗巖、寒武—奧陶系碳酸鹽巖和中生界火山巖；渤南低凸起東段物源區(qū)母巖類型是孔店組砂礫巖、前寒武系花崗巖、寒武—奧陶系碳酸鹽巖和中生界火山巖。

結(jié)合鉆井資料，分析不同類型基巖的地震波組特征?；鶐r類型不同，地震響應(yīng)特征在振幅、頻率、連續(xù)性特征上表現(xiàn)出差異。前寒武系花崗巖地震響應(yīng)特征為雜亂斷續(xù)反射，寒武—奧陶系碳酸鹽巖地震標(biāo)定為中強(qiáng)振幅連續(xù)反射，中生界火山巖地震響應(yīng)為中弱振幅雜亂反射，孔店組砂礫巖地震標(biāo)定為強(qiáng)振幅雜亂發(fā)射。根據(jù)地震反射特征差異和地層疊置關(guān)系，明確沙二段沉積時期渤南低凸起西、東段物源區(qū)母巖類型分布(見圖2)。

圖2 物源區(qū)母巖類型分布Fig.2 Distribution of parent rock types

2.2 物源區(qū)規(guī)模與展布特征

物源區(qū)的類型及規(guī)模影響沉積體的砂體富集程度，進(jìn)而影響砂巖儲層的展布特征及差異聚集。精細(xì)刻畫渤南低凸起東、西段物源區(qū)的古地貌，以物源區(qū)微古地貌上的構(gòu)造脊為分界線，沙二段沉積時期，局部高部位暴露的花崗巖、火山巖和砂礫巖為有效物源區(qū)。結(jié)合中酸性基巖，經(jīng)過風(fēng)化和剝蝕后易形成大規(guī)模的砂體，且儲層物性較好，可以劃分物源區(qū)。利用地震剖面圈定有效物源區(qū)面積，表示物源區(qū)規(guī)模和物源供給能力。

渤南低凸起西段有效物源面積為210.9 km2，其中作為有效供給區(qū)的中生界火山巖和前寒武系花崗巖分布面積約占76%；東段有效物源區(qū)面積為218.1 km2，其中作為有效供給區(qū)的孔店組砂礫巖、中生界火山巖和前寒武系花崗巖分布面積約占81%。物源區(qū)的規(guī)模及供給能力較大，有利于形成富砂沉積體。

3 古地貌對沉積相的控制作用

3.1 古地貌

3.1.1 古地貌形態(tài)

研究區(qū)高品質(zhì)的地震資料為古地貌的研究提供良好的基礎(chǔ)。根據(jù)地震層序解釋成果，利用地震層位沙二段底與頂差值，作為沙二段時期古地貌；結(jié)合鉆、測井聲波時差資料，進(jìn)行地層厚度壓實(shí)校正，恢復(fù)沙二段沉積時期古地貌(見圖3)，可以分為渤南低凸起東、西段，面積約為430.0 km2。其中西段凸起面積約為218.0 km2，東段凸起面積約為212.0 km2。西段西部大型斷階帶由凸起向洼陷收斂傾沒。隆起區(qū)以相對均一的溝梁相間地貌過渡到斜坡。東段西部隆起與洼槽過渡區(qū)的局部微高古地貌控制砂體的富集與分散。

3.1.2 古溝谷輸砂通道

溝谷是盆地輸送沉積物的通道。在恢復(fù)黃河口東洼物源區(qū)古地貌的基礎(chǔ)上，研究古溝谷的類型和規(guī)模。由于溝谷下切深度不同，古溝谷在地震剖面上表現(xiàn)為不同的形式，主要有V型、U型和W型，可以通過波形特征和剖面形態(tài)識別[11]。渤南低凸起西段南部存在3種巖性的基巖類型，地形坡度陡，古溝谷發(fā)育，以V型為主，其次為U型(見圖4)，主要集中于渤南低凸起西部物源區(qū)，垂直于物源方向，順物源古溝谷方向的陡坡帶為有利的砂體富集區(qū)，既是物源區(qū)向盆地方向輸送沉積物的通道，也指示水流流向，控制砂體的差異富集。

渤南低凸起東部物源區(qū)地勢較緩，受后期構(gòu)造活動改造，溝谷特征在地震剖面上不明顯，溝谷不發(fā)育，難以識別。

圖3 物源區(qū)沙二段沉積時期古地貌Fig.3 Paleogeomorphy during Es2 sedimentation

圖4 古溝谷地震剖面Fig.4 Paleo-ravine seismic profile

3.1.3 坡折帶

坡折帶的類型及組合樣式復(fù)雜多樣，分類方案也較多[14-16]。根據(jù)坡折帶的斷裂組合樣式，將坡折帶劃分為單斷陡坡型、斷階陡坡型及斷階緩坡型。坡折帶是古地貌中重要的輸砂通道，其類型控制沉積相帶的類型和展布：陡坡帶溝谷發(fā)育，優(yōu)勢輸砂方向集中，砂體高度富集；緩坡帶溝谷不發(fā)育，緩坡坡折廣而緩，砂體分散體系不容易集中，砂體富集程度相對較低，單期砂體厚度薄，相帶分布范圍廣而不集中。研究區(qū)陡坡型坡折帶大斷裂的下降盤發(fā)育扇三角洲沉積體系，緩坡坡折帶發(fā)育辮狀河三角洲沉積體系。

3.2 砂體展布規(guī)律

3.2.1 富集差異性

渤南低凸起西段地形坡度總體較陡，古溝谷發(fā)育且數(shù)量多。優(yōu)勢輸砂方向?yàn)槟喜康孛驳蛣輩^(qū)，古水流體系集中，搬運(yùn)距離近，砂體卸載區(qū)面積小，砂體富集，粒度粗，主要發(fā)育厚層、中厚層粗砂巖，以砂礫巖、中粗砂巖為主。處于不同位置的西段物源砂體富集程度也有差異。西段西部古地貌地形坡度陡，構(gòu)造活動強(qiáng)，溝谷發(fā)育，連續(xù)性好，單斷型凸起陡直，有利于砂體富集，26-2-2、26-2-3井位于扇體主體位置，含砂率約為91%，物源供給充足。西段東部地形坡度較緩，27-2-1、27-5-1井位于相帶的主體部位，發(fā)育中粗砂巖，最大厚度為12.0 m(見圖5)，扇體規(guī)模也較為廣布。西段中部位于兩者之間，扇體規(guī)模及砂體厚度在西段東、西部的之間。

渤南低凸起東段為斜坡帶平緩的古地形，溝谷欠發(fā)育，寬緩背景易于水系分散，形成的砂體范圍較廣，厚度較薄且粒度均一，為中粗砂巖，分選較好。微古地貌特征表明，東段斜坡帶并非均一的緩坡，內(nèi)部發(fā)育多個幅度較低的局部微隆區(qū)與低洼區(qū)，并且存在小型優(yōu)勢輸砂通道。29-4-1井位于古地貌微隆區(qū)，處于小型溝道的側(cè)翼，單期砂體厚度較薄，平均約為2.9 m；29-4-3、29-4-5井與優(yōu)勢通道連接,有利于砂體聚集，單期砂體厚度相對較大，平均約為4.5 m(見圖5)。

圖5 黃河口中洼沙二段砂體差異分布特征Fig.5 Drilling features in sand bodies within Es2 of Huanghekou sag

3.2.2 沉積相特征

研究區(qū)古地貌及物源控制沙二段沉積相的類型及展布特征，建立物質(zhì)來源、輸送通道、卸載場所與沉積相帶之間的耦合關(guān)系，結(jié)合鉆井與地震相特征，明確沉積體系的類型、展布特征及分布規(guī)律[17-21]。渤南低凸起西、東段是主要的物源區(qū)，母巖條件優(yōu)越，其上發(fā)育的溝谷與陡坡帶、緩坡帶形成的多類型坡折帶構(gòu)成良好的輸砂通道體系。渤南低凸起西段南、北側(cè)邊界斷裂持續(xù)活動，地形高差大，大量碎屑物質(zhì)通過輸砂通道聚集而被洪水帶入湖盆，由于可容納空間增大，水動力條件發(fā)生變化，在邊界斷裂的下降盤快速堆積[17-19]，形成多個扇三角洲沉積體。研究區(qū)沉積體系類型有陡坡型扇三角洲、緩坡型辮狀河三角洲。平面上具有“陡扇緩辮、東西分帶”的展布特征：陡坡帶發(fā)育扇三角洲，緩坡帶發(fā)育辮狀河三角洲；西段發(fā)育扇三角洲，東段發(fā)育辮狀河三角洲。

3.2.2.1 陡坡型扇三角洲

陡坡型扇三角洲主要發(fā)育于低凸起西段大斷裂下降盤物源北側(cè)，陡坡坡折控制凸起西部及東側(cè)主要物源的輸入：由于邊界斷裂長期活動，導(dǎo)致下降盤的近物源粗碎屑沉積物快速卸載堆積；由于古地形高差大，物源補(bǔ)給充足，沿大斷裂下降盤發(fā)育近源快速沉積的砂礫巖體。一臺階高地的26-2-2、26-2-3井揭示，巖性主要為砂礫巖，垂向多期疊置，最大厚度可達(dá)240.0 m(見圖6(a))，由于距離物源較近，水動力條件較強(qiáng)，向旋回上部只發(fā)育含礫中砂巖。GR測井曲線表現(xiàn)為箱型或者齒化箱型特征，多以水下分流河道為主，地震剖面呈楔狀，為強(qiáng)振幅低頻反射(見圖6(b))，橫向上延伸不遠(yuǎn)，局限于一臺階和二臺階高地，分布范圍狹窄的扇三角洲沉積。

渤南低凸起西段東側(cè)扇三角洲分布在凸起之下的二臺階上，陡坡帶斷距較大，主要控制陡坡型扇三角洲各相帶的展布。27-2-1井揭示巖性主要為含礫中砂巖、中砂巖及細(xì)砂巖，垂向上多期疊置，含砂率為70%，單期砂體最大厚度為12.0 m；臺階之下的27-5-1井位于臺階之下進(jìn)入洼槽的過渡區(qū)，巖性為細(xì)砂巖，含砂率為50%，單期砂體最大厚度為9.0 m，向洼陷區(qū)砂巖粒度變細(xì)，厚度減薄，物源供給逐漸減弱。GR測井曲線為漏斗型和鐘型，多發(fā)于河口壩和水下分流河道沉積，距離物源區(qū)越近，富砂程度越高，距離物源區(qū)越遠(yuǎn)，富砂程度越低，垂直物源方向?yàn)閺?qiáng)振幅低頻前積反射，斜交物源方向?yàn)榍鹦蝹?cè)向加積特征明顯(見圖7)。

圖6 26-2-2井沉積相與地震相標(biāo)志Fig.6 Sedimentary facies and seismic facies of 26-2-2 well

圖7 27-2-1井沉積相與地震相標(biāo)志Fig.7 Sedimentary facies and seismic facies of 27-2-1 well

3.2.2.2 緩坡型辮狀河三角洲

東段凸起物源剝蝕風(fēng)化產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)通過緩坡帶輸送，發(fā)育小型辮狀河三角洲沉積。29-4-1、29-4-3和29-4-5井揭示巖性主要為中—細(xì)砂巖與泥巖互層，含砂率為20%(見圖8)，砂體的單層厚度為3.0～5.0 m。GR測井曲線為漏斗型和鐘型，為辮狀河三角洲河口壩和水下分流河道沉積特征。

地震相表現(xiàn)為中強(qiáng)振幅低頻連續(xù)反射特征，向洼陷中心逐漸過渡為中弱振幅高頻連續(xù)、以泥巖沉積為主的特征(見圖9)。這種緩坡帶沉積的辮狀河三角洲分布面積廣(見圖10)，一直推進(jìn)到28-2S-2井，鉆井揭示巖性主要為粉砂巖。GR測井曲線主要為漏斗型，為辮狀河三角洲遠(yuǎn)砂壩沉積，粒度細(xì)，厚度較薄，富砂性相對有限(見表2)。

圖8 29-4-5井沉積相與地震相標(biāo)志Fig.8 Sedimentary facies and seismic facies of 29-4-5 well

圖9 沙二段地震相平面分布Fig.9 The plane distribution of seismic facies in Es2

圖10 沙二段沉積相帶展布特征Fig.10 The plane distribution of sedimentary facies in Es2

4 結(jié)論

(1)渤南低凸起西段物源區(qū)分為東西兩段，發(fā)育易于風(fēng)化的碎屑巖和火山巖，具有良好的供源能力。

(2)黃河口中洼不同古地貌形態(tài)下的砂體差異富集程度是由物源區(qū)的母巖、古溝谷共同控制的。西段同一扇三角洲沉積相帶不同部位砂體差異富集主要受溝谷的控制。東段辮狀河三角洲相帶主要受物源供給能力的控制，砂體較為分散，供源能力強(qiáng)的低勢區(qū)是砂體主要卸載區(qū)，是尋找富砂儲層的有利勘探方向。

(3)古地貌特征控制沙二段時期沉積體系的類型及展布規(guī)模。沙二段沉積相平面上展布特征具有“陡扇緩辮，東西分帶”的特征：陡坡帶發(fā)育扇三角洲，緩坡帶發(fā)育辮狀河三角洲；西段發(fā)育扇三角洲，東段發(fā)育辮狀河三角洲。