渤南洼陷沙四上亞段膏鹽層特征及其石油地質(zhì)意義

劉 鵬

(1.中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015; 2.中國石化勝利油田 博士后流動工作站,山東 東營 257015)

中國存在眾多咸化湖盆,咸化湖盆中往往發(fā)育較厚膏鹽層,前人普遍認(rèn)識到膏巖層對油氣成藏具有一定的影響[1-3],有關(guān)論述主要集中于對油氣成藏要素中的烴源巖、儲集層、蓋層以及油氣運移、聚集等所產(chǎn)生影響,前人對膏巖層的石油地質(zhì)意義雖研究較多,認(rèn)識的核心主要在于膏鹽巖得益于自身的強塑性特征,在其強抗壓實和強分隔作用下,其下覆地層中往往形成異常高孔帶和異常高壓,從而對油氣成藏的各個方面產(chǎn)生影響,但普遍忽視了“深水成鹽”[4-6]成因的膏鹽巖其沉積水體環(huán)境以及后期的成巖環(huán)境對油氣成藏要素所產(chǎn)生的影響。筆者針對渤南洼陷沙四上亞段“深水成鹽”膏鹽層[7],在分析其特征基礎(chǔ)上,開展了膏巖層沉積的石油地質(zhì)意義再認(rèn)識,研究結(jié)果以期對渤南洼陷沙四上亞段油氣勘探實踐提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷屬于沾化凹陷中部的一個三級負(fù)向構(gòu)造單元,其北靠埕東凸起,南臨陳家莊凸起,西接義和莊凸起,東為孤島凸起(圖1)。受北東、北東東向張性、張扭性大斷裂及一系列近東西向斷裂的控制(圖1),形成了多個次級洼陷和洼間低凸起。洼陷內(nèi)主要的油氣勘探層系為古近系沙河街組,沙河街組從下往上又可分為沙四段、沙三段、沙二段、沙一段,研究層位沙四上亞段位于沙河街組沙四段上部,其與沙四下亞段之間為二級層序界面[8],沉積環(huán)境截然不同。沙四上亞段中下部主要為灰色厚層礫巖、砂巖夾濱淺湖暗色薄層泥巖,局部地區(qū)出現(xiàn)薄層灰?guī)r、白云巖;到中上部,在洼陷邊緣部位以礫巖、砂巖為主,夾薄層泥巖,洼陷中心為厚層泥巖、膏巖夾薄層灰?guī)r(圖1)?？傮w上,渤南洼陷沙四上亞段沉積期屬于半咸水的深湖相沉積環(huán)境,這一時期四周凸起皆對洼陷提供物源，同時在半咸水的水體環(huán)境下，碳酸鹽巖、膏鹽巖不斷沉淀，從而形成碎屑巖、碳酸鹽巖與膏鹽巖同時發(fā)育這一沉積面貌。

2 膏鹽層特征

2.1 沉積環(huán)境

渤南洼陷沙四上亞段沉積期,古氣候溫暖潮濕[9]。據(jù)硼元素含量定量計算古鹽度以及微體古生物化石確定古水深表明:渤南洼陷沙四上亞段低位域沉積期古鹽度整體較高且變化較大,約為5.67‰～23.75‰,總體上為半咸水的水體環(huán)境[9];而古水深介于0～70 m,存在大面積的深湖、半深湖。在這一半咸水的深湖沉積背景下,火成巖的侵入帶來了地下深部熱鹵水,鹵水沿斷裂向上運移從而進入湖盆,在湖盆古地貌的控制下流向低洼處并迅速布滿整個湖底,在冷凝沉淀作用下形成膏鹽層。

圖1 渤南洼陷區(qū)域地質(zhì)位置及沙四上亞段地層柱狀圖

2.2 巖性組成

渤南洼陷沙四上亞段共在34口探井中發(fā)現(xiàn)了膏鹽巖,據(jù)錄井資料顯示包括鹽巖、泥膏巖、石膏巖、石膏質(zhì)泥巖、石膏質(zhì)灰?guī)r、石膏質(zhì)砂巖、石膏質(zhì)白云巖、含膏泥巖等巖性類型,其中石膏質(zhì)泥巖和含膏泥巖發(fā)育厚度最大,膏巖層厚度占比分別為28%和23%,其次為石膏巖和泥膏巖,分別占比18%和15%,其余占比均小于10%(圖2)。在單井中,單一巖性的單層厚度不大,多小于8 m。

圖2 渤南洼陷沙四上亞段膏鹽層巖性分布統(tǒng)計

2.3 分布特點

圖3 渤南洼陷沙四上亞段石膏巖縱向分布及對次生孔隙

渤南洼陷沙四上亞段膏鹽層在縱向上主要分布在2 800 m～3 600 m深度段,并在3 200 m處達(dá)到膏鹽層出現(xiàn)頻率的峰值(圖3);橫向上,膏鹽層厚度高值區(qū)集中于渤南洼陷的幾何中心,呈彎曲的帶狀近東西向展布,高值區(qū)最大厚度可達(dá)90 m以上,往周緣厚度減薄,其中在渤南洼陷東側(cè)膏鹽層厚度普遍大于30 m,這一區(qū)域范圍較廣,而渤南洼陷西側(cè)膏鹽層厚度大于30 m的區(qū)域相對東部小(圖1)。事實上，膏巖層分布與火成巖侵入具有密切關(guān)系，渤南洼陷東側(cè)的孤西斷裂帶是火成巖侵入的主要通道，因此造成渤南洼陷東側(cè)膏巖層厚度總體大于西側(cè)的現(xiàn)象，此外洼陷西側(cè)也存在局部的火成巖侵入通道，形成了西側(cè)膏巖層厚度的局部高值區(qū)?？傮w上,以洼陷帶東西向展布的帶狀高值區(qū)為中心,往南、往北膏鹽層厚度都逐漸變薄(圖1),厚度遞減率在渤南洼陷東部較小、西部較大,致使東、西部膏鹽層雖分布范圍相當(dāng),但東部膏鹽層厚度普遍大于西部。

3 膏鹽層沉積的石油地質(zhì)意義

3.1 膏鹽層對烴源巖生烴能力的影響

膏鹽層由于富含鹽類物質(zhì)會導(dǎo)致其所賦存的水體鹽度升高,賦存有膏鹽層的較高鹽度水體在擴散作用下與鄰近的低鹽度水體進行交換,從而使整個湖盆中的水體鹽度出現(xiàn)升高趨勢,水體鹽度的升高會使大量湖盆中已經(jīng)適應(yīng)低鹽度或淡水環(huán)境的生物出現(xiàn)死亡,由于河流注入湖盆時攜帶著大量新的生物,因此這些生物進入高鹽度湖泊時繼續(xù)死亡并沉于湖底,在湖底的還原環(huán)境下,生物遺體發(fā)生腐爛并與黏土礦物混雜形成腐殖泥相,在生物不斷進入湖盆,后又不斷死亡、堆積的過程中,大量腐殖泥沉淀下來,為油氣的生成奠定了優(yōu)越物質(zhì)條件,因此膏鹽層沉積層段往往伴隨著大量生烴母質(zhì)的保存。

此外,渤南洼陷沙四上亞段膏鹽層為“深水成鹽”模式,鹽類物質(zhì)來源于火成巖侵入過程中攜帶的深部熱鹵水,而火成巖侵入時往往為深大斷裂強烈活動期,因此膏巖層沉積期對應(yīng)于深大斷裂活動時期,這一時期構(gòu)造快速沉降,湖盆的可容空間快速增大,對應(yīng)于沉積層序中的湖侵體系域階段,湖侵體系域是烴源巖的主要發(fā)育階段,因此膏鹽層往往與烴源巖共生發(fā)育,同時深水成鹽模式下膏鹽層快速沉積,也使生物遺體與氧氣快速隔絕,利于生物遺體向的保存并向有機質(zhì)轉(zhuǎn)化。同時,在有機質(zhì)后期埋藏至較高地溫環(huán)境下時發(fā)生熱演化作用,此時得益于膏鹽層良好的傳熱功能,在膏巖層發(fā)育段以及鄰近地層中的地溫相對較高,較高的古地溫對烴源巖熱演化起著積極作用,因此含膏烴源巖或緊鄰膏鹽層段的烴源巖往往都達(dá)到了相對較高的演化階段,研究區(qū)也顯示出膏巖層段烴源巖比不含膏鹽層段烴源巖有著更高生烴指標(biāo)的特征(圖4)。

圖4 渤南洼陷沙四上亞段烴源巖地化指標(biāo)柱狀圖

綜上所述,膏鹽層的發(fā)育不但利于有機質(zhì)的早期保存,而且在有機質(zhì)熱演化過程中還利于有機質(zhì)往油氣轉(zhuǎn)化。此外,大量的研究已經(jīng)表明膏鹽層分隔作用強,在其之下往往發(fā)育異常高壓,而異常高壓是烴源巖中油氣排出的主要動力之一,因此膏鹽層的發(fā)育對油氣的生成、排出過程都具有積極作用,在此作用下，造成膏巖層段儲層致密、物性較低，成為良好蓋層，而膏巖層下覆地層中發(fā)育的儲層物性較高，成為優(yōu)越儲集層，從而組成良好的儲蓋組合，利于油氣的儲集與保存。

3.2 膏鹽層對儲集層次生孔隙發(fā)育的影響

從膏鹽層的物質(zhì)來源可知,深部熱鹵水帶來了膏巖層沉積所需的鹽類物質(zhì),同時熱鹵水中也夾雜著一定的堿性流體,在堿性流體的影響下,成巖環(huán)境進入堿性環(huán)境,膏鹽層段成巖作用以堿性膠結(jié)為主,因此膏鹽層發(fā)育段膠結(jié)率較高,平均在0.6以上;相反,膏鹽層發(fā)育段溶蝕率較低,總體低于0.5。因此膏鹽層沉積段所對應(yīng)的儲集體孔隙中往往充填大量膠結(jié)物,次生孔隙發(fā)育差,孔隙度較低(圖3)。

任何事物都具有兩面性,雖在膏鹽層段內(nèi)次生孔隙不甚發(fā)育,但在膏鹽層上下地層中由于不再受堿性流體的影響,相反受膏鹽層段烴源巖強大生烴能力所產(chǎn)生的大量有機酸影響,有機酸在異常高壓驅(qū)動下進入到膏鹽層緊鄰的儲集體中,從形成酸性成巖環(huán)境,酸性環(huán)境下大量長石和巖屑強烈溶蝕,溶蝕率可高達(dá)0.8,同時這一層段在酸性成巖環(huán)境影響下膠結(jié)作用不甚發(fā)育,膠結(jié)率約為0.4,因此往往在膏鹽層鄰近的上、下儲集體中形成次生溶蝕孔隙發(fā)育帶(圖4)。由此可見,膏鹽層的沉積對本層內(nèi)的次生孔隙具有抑制作用,但對緊鄰層系的儲集體次生孔隙發(fā)育具有促進作用。

3.3 膏鹽層對油藏類型的影響

大量的前人成果與勘探實踐已表明膏鹽層是優(yōu)質(zhì)的蓋層。對于渤南洼陷沙四上亞段沉積的膏鹽層,石膏巖單層厚度就普遍達(dá)到約4 m(圖3),膏鹽層的累計厚度更可高達(dá)30 m,同時膏巖層的平面分布范圍較廣,基本覆蓋半深湖和深湖相發(fā)育區(qū),在橫向上的展布也十分穩(wěn)定(圖1),因此認(rèn)為研究區(qū)的膏巖層可對下覆油藏起到封蓋作用。此外,近年來隨著連續(xù)型油氣藏概念的提出以及認(rèn)識的深入[10],認(rèn)為渤南洼陷沙四上亞段也具備連續(xù)型油氣藏發(fā)育的地質(zhì)條件,其中膏巖層的強分隔作用應(yīng)是連續(xù)型油氣藏形成的主要地質(zhì)因素之一,因此在渤南洼陷沙四上亞段的下一步勘探部署中應(yīng)打破傳統(tǒng)油藏類型的概念，重視膏鹽層覆蓋下的致密儲集體,通過致密砂巖儲層中的“甜點”研究尋找有利儲層開展優(yōu)先鉆探，此外在大規(guī)模連片的致密儲集體中極有可能發(fā)育連續(xù)型油氣藏,油氣藏疊合連片,規(guī)模較大、勘探意義較高。

4 結(jié) 論

(1)渤南洼陷沙四上亞段沉積期為半咸水的深湖環(huán)境,沉積的膏鹽層巖性以石膏質(zhì)泥巖和含膏泥巖為主;膏鹽層在縱向上主要分布在2 800～3 600 m深度段,橫向上厚度高值區(qū)呈帶狀近東西向展布,東部膏鹽層厚度普遍大于西部。

(2)渤南洼陷沙四上亞段沉積的膏鹽層利于早期有機質(zhì)保存和后期有機質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化;膏鹽層抑制膏鹽層段和促進膏鹽層上下地層中次生孔隙發(fā)育，從而形成膏鹽層段致密、膏鹽層段之下儲層物性較高的現(xiàn)象，組成有利儲益組合。在膏鹽層強大的封蓋作用下,膏巖層下覆的致密儲集體中可能發(fā)育連續(xù)型油氣藏。