渤海中部馆陶组层序地层特征及底部界限研究

张若祥,李建平,刘志刚,刘士磊,卢辉楠

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452; 2.中国科学院南京地质古生物研究所,江苏南京 210008)

渤海中部馆陶组层序地层特征及底部界限研究

张若祥1,李建平1,刘志刚1,刘士磊1,卢辉楠2

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津塘沽 300452; 2.中国科学院南京地质古生物研究所,江苏南京 210008)

通过以岩电性、古生物、地震层序为基础的层序地层学研究,结合区域研究资料,在馆陶组识别出低位、水进和高位三种体系域;利用基准面旋回技术识别出短期基准面旋回(SSC)、中期基准面旋回(MSC)和长期基准面旋回(LSC);馆陶组划分为2个长期基准面旋回,4个中期基准面旋回MSC1～MSC4,建立了渤海中部馆陶组及东上段高分辨率等时地层对比格架。D5-1井2 782～2 917 m井段确定为东一段地层,其顶界即为馆陶组的底界。通过对馆陶组底部界限的确定和区域馆陶组及东上段高分辨率层序地层等时对比格架的建立,对该区馆陶组底部界限进行了重新厘定,以解决油气勘探中遇到的问题。

馆陶组;层序地层;体系域;基准面旋回;等时对比格架

研究区位于渤海海域中部,主要包括石臼坨凸起、秦南凹陷及围区的渤中凹陷、沙南凹陷部分地区,表现为两凹夹一凸的构造格局,总面积约6 000 km2(图1)。工区内新近系以河流相的粗碎屑岩沉积为主,自上而下包括明化镇组和馆陶组,地层总厚2 000余米,区域上与下伏古近系不整合接触。在勘探早期,在凸起上钻了大量探井,在中浅层的勘探层系发现了如秦皇岛32-6、秦皇岛42-8等多个油气田,上世纪90年代后期渤中勘探陷入低谷,2008年钻探D5构造,在深层有了突破性的发现,打破了渤中十年勘探的沉寂,使众多勘探家看好的渤中地区又迎来了第二春。随着勘探的深入,在凸起周围的断阶带和围斜的凹中隆进行了更多的钻探,积累了大量可供研究的地质和地球物理资料,对该区各个层系的地层都有了更全面的认识。本文试图通过陆相层序地层学研究方法对与馆陶组地层相关的几个突出问题,进行探讨和解决,期望对油气勘探有一定的指导意义。

图1 渤海中部地质构造背景Fig.1 The geological setting of central part in Bohai Bay Basin

1 区域构造及沉积演化特征

研究区作为渤海湾盆地的一部分,具有东部新生代盆地的地层沉积样式,剖面上表现为先断后坳的双层结构。在古近纪末期,喜马拉雅运动第二幕(东营期)之后,由于受太平洋板块的运动影响,华北地区遭受强烈的挤压,使区域整体抬升,广泛发育河流相沉积和侵蚀作用,结束了古近纪不均一的湖相断陷盆地沉积充填的发育历史。馆陶组沉积时期渤海湾盆地进入以均匀热沉降为主的坳陷演化阶段,渤海湾盆地的沉积沉降中心均向渤中凹陷迁移。研究区的物源区为西北燕山褶皱带脚下的各个凸起,携砂古水系为大石河水系,即昌黎—山海关水系,为近源、短流高能砾质河。工区普遍发育辫状河沉积体系[1],呈现下粗上细的厚层杂色底砾岩、砂砾岩、含砾砂岩夹薄层灰绿、浅灰及棕红色泥岩的岩性特征,砂岩百分比高达70%以上。馆陶组埋深1 500～3 000 m,均厚800～1 200 m,在钻遇的B6-1井,馆陶组底深3 864 m,钻厚达1 436 m。

2 层序地层研究

2.1 理论基础及研究方法

由于河流相类型复杂、相带窄、相变迅速,因而河流相地层的等时划分与对比一直是层序地层研究中的难点。国内外学者(Cross,1991;李思田,1992;刘震,1992;邓宏文,1995;纪友亮,1996;国景星,2003;郑荣才,2004)等对河流体系的空间展布及垂向演化规律进行了详细研究,提供了很好且可行的理论及实践研究方法。

通过区域地质资料综合研究表明馆陶组为辫状河相沉积类型,结合陆相Ⅰ型层序边界的三级层序体系域划分方法和高分辨率层序地层研究进行辫状河相层序地层研究,试图找出二者之间的联系,开展三级层序内部的高频层序研究,建立该区精细的等时地层对比格架,目的在于运用层序地层学研究的相关理论去解决勘探中的实际问题,即以典型井作为重点研究对象,从岩电性特征对比、生物地层对比、地震层序对比等几方面出发,建立工区可等时对比层序地层格架,对馆陶组地层层序内部特征进行识别和底部界限的重新厘定。

研究工区属于陆相Ⅰ型层序边界类型[2-7],其三级层序体系域划分主要根据河道砂体的叠置方式和相伴生泥岩的颜色变化进行确定,在馆陶组可识别出低位、水进和高位三种体系域(图2)。低水位体系域表现为位置较低,区域分布广泛的侵蚀下切特征,分布在不整合面上及首次基准面(对应首次湖泛面)之下,形成一套粗粒的辫状河道沉积为主的沉积体系。水进体系域为首次基准面抬升和基准面最大抬升之间,由于在此期间水位经历了由浅到深和由深到浅的变化使其砂泥岩的的叠置方式具有明显的不同。初期由于水体上升,虽然沉积基准面抬升很快,但沉积物供给较充分,即A/S>1,发育以辨状河道和心滩为主的沉积体系,岩性剖面自下而上具有一定的退积层序特征;晚期由于基准面抬升较慢,沉积物供给(S)的速度和可容纳空间(A)增加的速度差不多,即A/S≈1,形成一套横向上砂体分布广泛,但厚度较薄岩性较细的堤岸微相含砾细砂岩与河漫滩泥岩不等厚互层为特点的沉积类型,水进达到最大时以区域广泛分布的河漫滩泥岩为顶界。高水位体系域在基准面最大抬升之上,此时基准面很低,同时可容空间的产生速率也比较小,A/S<1,此时为垂向进积的辫状河沉积类型。

图2 辫状河层序地层的体系域划分及砂岩展布Fig.2 The tracts and sand body distribution of braided sequence stratigraphy

通过高分辨率层序地层研究[8-10],即利用基准面旋回技术在工区馆陶组三级层序内进行短期基准面旋回(SSC),中期基准面旋回(MSC)和长期基准面旋回(LSC)识别,并对中期基准面旋回进行了定名,馆陶组划分出2个长期基准面旋回, 4个中期基准面旋回MSC1～MSC4。基准面旋回技术的关键点在于准确识别出各期短期基准面旋回(SSC),短期基准面旋回的起点为不同类型的转换点,在工区识别出三种类型(图3):A型:辫状河水道底部的侵蚀面,B型:向上进积的天然堤和心滩组合,C型:向上退积的心滩及河漫滩组合。中期基准面旋回是对短期基准面旋回的叠加,即在大致相似的地质背景下形成的一套成因上有联系的岩石组合,这些叠加样式具有典型的岩电性响应特征。中期旋回也可根据退积、进积或加积和对称关系划分为不同旋回类型。长期基准面旋回为三级层序内多个中期基准面旋回的纵向叠加所构成的基准面由上升再到下降的完整旋回,具有典型的岩电性、地震响应特征。该区长期基准面旋回的上升半旋回发育,而下降半旋回发育不完整。

图3 三种基准面旋回转换点类型Fig.3 Three types of converted points

2.2 单井层序研究

区域所研究的典型单井共17口。以D5-1井为例,从单井层序研究的几个方面,如岩电性特征、古生物特征、层序地层划分出发介绍单井层序研究。

2.2.1 岩电性特征

D5-1井馆陶组为典型的辫状河相沉积。从岩性特征可分为上、下两段,上段以绿灰色、紫褐色泥岩与含砾细砂岩互层,GR曲线表现为微齿状起伏低值,SP曲线齿状箱形,RD曲线齿状低阻特征;下段为厚层含砾细砂岩、砂砾岩夹浅灰色、绿灰色泥岩薄层,GR及SP曲线均表现为低平箱形。

2.2.2 古生物特征

利用该井段古生物资料,对馆陶组层序的发育环境有了更清晰的认识,该井段化石较丰富,保存较好到一般,被子植物花粉主要见有山核桃粉属、真胡桃粉、榆粉属,少量见有禾本粉属、蓼粉属、桤木粉属、桦粉属、伏平粉属、栎粉属、山毛榉粉属及星形枫杨粉等,胡桃科分子有明显增加;裸子植物花粉主要见有双束松粉属、单束松粉属、雪松粉属及云杉粉属等;蕨类孢子以粗肋孢属占绝对优势,个别见有水藓孢属、三角孢属、桫椤孢属和紫萁孢属。本段粗肋孢属的高含量绝对优势与渤海馆陶组孢粉组合特征一致[11]。在具有争议的归属井段2 872～2 917 m,岩性为顶部灰黑色泥岩与细砂岩互层,中、下部厚层含砾中砂岩夹薄层灰色泥岩,顶部GR曲线微齿状高值,中、下部GR曲线微齿状低值。古生物化石较少,保存一般到差。以被子植物花粉和裸子植物花粉占优势,蕨类孢子和藻类分子含量较少;被子植物花粉以榆粉属和胡桃粉属为主,其它个别见椴粉属、藜粉属、小栎粉、锦葵粉属及蓼粉属;蕨类孢子少量见有粗肋孢属、紫萁孢属、水龙骨单缝孢属及槐叶萍孢属。研究认为少量粗肋孢属为岩屑下掉或与上部地层沉积环境类似所致,结合区域地质及地震综合研究,将该井段归属为东上段(东一段+东二上段)。

2.2.3 层序划分

将该井主要研究深度段划分为两个三级层序,分别命名为SQ-Ng和SQ-d1,对馆陶组三级层序SQ-Ng进行了低水位体系域、水进体系域和高水位体系域的三分划分,低水位体系域由下切河道充填物和低成熟度的辫状河道组成,以大套砂砾岩及含砾粗砂岩沉积为主;水进体系域以基准面的抬升和可容纳空间的增长为特征,辫状河早期沉积时期可容纳空间增长较慢,纵向上发育多套厚层含砾砂体夹薄层泥岩,随可容空间增长速度的提高,垂向向上退积明显,形成彼此孤立向上受限的河道砂及分布广泛的泛滥平原沉积;高水位体系域形成时,可容空间的增长速度降低,泛滥平原向上的加积速度也加快,河道砂体的向上增多。利用基准面旋回划分技术,在工区识别出了各种级别的旋回层序界面,这些界面主要包括不整合面、进积或退积作用的转换面等,建立了该井高分辨率旋回地层层序(图4,其图例见图5)。

2.3 联井层序对比

以17口井的单井研究为基础,从凸起到凹陷共建立了五条任意线联井层序对比剖面,联井的原则就井位相近,层位深度相当,由凸起向凹陷逐步过渡,到凹陷中对比井的层位要齐全准确,在地震剖面上联井地震剖面同相轴易于追踪[12]。按上述原则分别建立了①B5-1—B5-2—B5-3—D5-3—D5-1—D4-1、②B3-1—B3-2—B2-1—B2-2—D4-1、③B5-1—D2-1—D4-1—B6-1、④B5-1—B5-4—C2-1、⑤D10-1—D10-4—D10-2—C2-1五条任意线联井层序对比剖面,通过这五条联井层序对比剖面建立了工区5 km×10 km馆陶组及东上段等时地层基干格架,对该区所钻遇的馆陶组底部界限重新厘定奠定了坚实基础。

下面以过井B5-1—B5-2—D5-1—D4-1为例介绍联井层序对比方案(图5,位置如图1中A—A1线)。从对比剖面上可以看出,从凸起到凹陷馆陶组的地层厚度在增厚,在中期旋回MSC1沉积时期,地形继承了东营末期的起伏形态,坡度较大,在凹陷处及位于断阶带的D5-1处MSC1发育,而在此时的凸起处于剥蚀状态,缺失MSC1层序;在MSC4—MSC2层序沉积时期,该区从凸起到凹地地形坡度变缓,物源充分,大石河携砂古水系发育,仅在凸起处MSC2层序底部部分缺失,但中上部发育完整,凹陷处MSC4—MSC2层序均发育完整,横向上均可进行层序等时对比追踪。东上段MSC-d1层序在工区凸起及凹陷处均发育,且横向上地震具有良好的对比关系,纵向上岩电性对比良好,说明该套地层具有等时沉积特点,证实了D5-1井与邻井分层相矛盾的问题。

图4 D5-1井层序划分综合图Fig.4 Sequence analysis of D5-1 well

图5 等时层序对比示意Fig.5 Isochronous sequence correlation

2.4 地震地层特征

在此以联井对比层序③B5-1—D2-1—D4 -1—B6-1所过的剖面D2-1—D4-1段进行地震地层特征分析(图6,位置如图1中B—B1线)。馆陶组底界为渤海湾盆地由断陷期向坳陷期过渡的一个区域不整合面,在地震剖面上解释为T2反射层,T2界面上下具有明显的双层沉积结构特征。T2界面在区域上强振幅连续,在本区凹陷处与下伏地层为平行不整合接触关系,在凸起处与下伏地层为角度不整合接触关系。T2界面之上为大套砂砾岩,界面之下为一套区域横向分布稳定的薄层河漫滩泥岩;馆陶组顶界为T0反射界面,与上覆明化镇组为一整合接触关系的岩性界面,界面之上明化镇组为曲流河相沉积的砂泥岩组合,界面之下为馆陶组辫状河相沉积的厚层含砾砂岩夹薄层泥岩组合。在馆陶组内部同样具有区域上馆陶组的二分结构,即馆上段和馆下段。馆上段为中厚层含砾砂岩夹泥岩组合,在地震剖面上表现为高频较连续,短轴相间的中强反射特征;馆下段为厚层砂砾岩夹薄层泥岩组合,在地震剖面上表现为低频,时断时续,振幅时强时弱的反射特征。原馆陶组划分方案的底部为一套区域可对比的油组,顶部灰色、灰绿色区域分布稳定的薄层泥岩,中下部厚层含砾砂,地震剖面上表现为两条(极性一正一负)连续平行的强反射轴,此段在地震剖面上和D5-1井的2 872～2 917 m井段对比良好。

图6 地震剖面特征及层序划分Fig.6 The seismicsection characteristics and sequence correlation model

2.5 馆陶组底界划分方案

为了更科学地认识本区馆陶组分布规律,详细研究了邻区资料。统计表明,在工区的东面经过渤中凹陷后在渤东低凸起上的LD32-2工区馆陶组埋深1 670～2 550 m,均厚900 m,底部以大套砂砾岩为底,下伏层位具有东一段,均厚100 m,与本区馆陶组底部划出东一段地层对比良好;而与本工区构造沉积演化规律最相近的沙垒田凸起及其围区,在凸起上普遍缺失东上段的地层,而在斜坡及凹陷处,以F18—G13—G19井连井对比为例,F18井馆陶组埋深1 720～2 300 m,厚580 m;G13井馆陶组埋深2 000～2 905 m,厚905 m; G19馆陶组埋深1 945～2 976 m,厚1 031 m;底部均以大套砂砾岩为特征,下伏层位具有东一段,厚50～200 m,岩性段中下部以厚层含砾砂岩、中砂岩为主,上部以含砾砂岩与泥岩互层为特征。由于三维地震资料不能连片解释,二维地震资料对比难于定性,两者在地震资料解释上馆陶组底部是否一致还存在探讨,但是通过岩电性对比我们认为两者有非常好的对比性,沙南凹陷的馆陶组埋深和本工区相近,中下部以大套砂砾岩为特征,下伏具有东一段的地层,认为在研究工区同样应该存在东一段的地层;在本区原先认为的馆陶组底部的一套油组与区域上的东一段的地层沉积规律极为相似,通过对本区以岩电性,古生物,地震层序为基础的层序地层学研究,认为D5-1的馆陶组分层是科学可靠的,将此段确定为东一段,东一段的顶界即为现今馆陶组的底界,以此地质认识为基础对馆陶组的界限进行了重新厘定,完成该区新的地层分层数据表,解决了在渤海中部地区勘探中遇到的问题,在此不再赘述。

3 结论

(1)通过层序地层研究,在工区馆陶组可识别出低位、水进和高位三分体系域;利用基准面旋回技术在工区馆陶组识别出短期基准面旋回(SSC)、中期基准面旋回(MSC)和长期基准面旋回(LSC),并对中期基准面旋回进行了定名;馆陶组划分为2个长期基准面旋回,4个中期基准面旋回MSC1～MSC4。

(2)基准面旋回技术的关键是识别出各级基准面旋回的转换位置或转换带,即基准面上升与下降或基准面下降与上升的转换位置,这些界面主要包括不整合面、进积或退积作用的转换面等,以此为基础建立高分辨率旋回等时地层对比格架。

(3)通过对本区以岩电性、古生物、地震层序为基础的层序地层学及邻区资料研究,认为D5-1的馆陶组分层是科学可靠的,将2 782～2 917 m井段确定为东一段,其顶界即为馆陶组的底界。

(4)通过对馆陶组底部界限的确定,理清了从凸起到凹陷岩电性对比不统一,地震解释存在疑问等问题,同样使油水关系复杂问题得到解决,即该层段统一为东一段油组。

[1]赵澄林,陈纯芳,季汉成,等.渤海湾早第三纪油区岩相古地理及储层[M].北京:石油工业出版社,2003:50-56.

[2]Cross T A.Stratigraphic controlson reservoir attributes in continental strata[J].Earth Science Frontiers,2000,7(4):322-350.

[3]邓宏文,Cross T A,王红亮,等.高分辨率层序地层学—原理及应用[M].北京:地质出版社,2003:16-24,72-78.

[4]邓宏文,王红亮,阎伟鹏,等.河流相层序地层构成模式探讨[J].沉积学报,2004,22(3):373-379.

[5]邓宏文,王红亮,李小孟.高分辨率层序地层对比在河流相中的应用[J].石油天然气地质,1997,18(2):90-95.

[6]邓宏文,吴海波,王宁,等.河流相层序地层划分方法——以松辽盆地下白垩统扶余油层为例[J].石油与天然气地质, 2007,28(5):621-627.

[7]国景星,戴启德,吴艳丽,等.冲积河流相层序地层学研究[J].石油大学学报(自然科学版),2003,27(4):15-19.

[8]郑荣才,柯光明,文华国,等.高分辨率层序分析在河流相砂体等时对比中的应用[J].成都理工大学学报(自然科学版), 2004,31(6):641-647.

[9]李江涛,李增学,郭建斌,等.高分辨率层序地层分析中基准面变化的讨论[J].沉积学报,2005,23(2):297-302.

[10]熊伟,邱桂强,闵伟,等.断陷湖盆基准面变化模式探讨[J].石油与天然气地质,2008,29(3):412-417.

[11]姚益民,梁鸿德,蔡治国,等.中国油气区第三系(IV)渤海湾盆地油气区分册[M].北京:石油工业出版社,1994:3-25.

[12]周海民,董月霞,丛良滋,等.陆相断陷盆地层序地层学工作方法图集[M].北京:石油工业出版社,2006:1-91.

The study of sequence stratigraphy characteristics and the bottom boundary of Guantao Formation in the middle area of Bohai Bay Basin

Zhang Ruoxiang1,Li Jianping1,Liu Zhigang1,Liu Shilei1,Lu Huinan2
(1.Tianjin Branch of CNOOC Ltd.,Tianjin300452;2.Nanjing Institute of Geology and Palaeontology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing210008)

By researching on the sequence stratigraphy based on the lithology characteristics,electrical characteristics,paleontology,seismic sequence stratigraphy and the study of areal geology,this paper is trying to obtain much deeper recognition of the Guantao Formation stratigraphy.Three kindsof tracts were recognized including LST,TST and HST.Based on basal level cycle technique,three kind of base-level cycles (SSC,MSC and LSC)were recognized in Guantao Formation.Guantao Formation was divided into two LSC and four MSC,and high resolution isochronous geologic correlation of Guantao Formation and upper Donying Formation.Interval from 2 782 m to 2 917 m of D5-1 well is upper Dongying Formation,and the top of this interval is the bottom of Guantao Formation.

Guantao Formation;sequence stratigraphy;tract;basal level cycle;isochronous correlation framework

book=3,ebook=174

TE121.3+4

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.03.019

1008-2336(2010)03-0019-07

中海石油(中国)有限公司“十一五”重大基础研究项目(SC06TJ-TQL-004-BH02)资助。

2010-04-16;改回日期:2010-05-05

张若祥,男,工程师,研究生,2000年毕业于中国石油大学石油地质专业,现主要从事地层和沉积储层研究工作。E-mail: Zhangruoxiang@yahoo.com.cn。