石臼坨凸起西部陡坡带古物源差异演化模式及其对储层的控制作用*

代黎明 徐长贵 王清斌 庞小军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

石臼坨凸起西部陡坡带古物源差异演化模式及其对储层的控制作用*

代黎明 徐长贵 王清斌 庞小军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

代黎明,徐长贵,王清斌，等.石臼坨凸起西部陡坡带古物源差异演化模式及其对储层的控制作用[J].中国海上油气，2017,29(4)：51-59.

DAI Liming,XU Changgui,WANG Qingbin,et al.Difference of provenance evolution mode and its impact on reservoir in the western steep slope zone of Shijiutuo uplift，Bohai sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):51-59.

渤海海域属于典型的陆相断陷盆地，储层预测一直是中深层勘探的难点。利用钻井、三维地震以及岩矿测试等资料,改变以现今残留基岩面貌作为源-汇分析的思路，以动态源-汇分析思路为指导，对渤海石臼坨凸起西部陡坡带进行了古物源恢复，重塑了不同时期的古地理格局，并建立了物源差异演化模式。分析了物源差异演化对储层的控制作用，结果表明：在东三段沉积时期，石臼坨凸起西部陡坡带不同位置由于提供物源的母岩类型不同，对沉积区扇体的规模和储层物性具有重要的控制作用。西部以碳酸盐岩为主要物源，储层灰质胶结普遍，物性较差；中部为变质花岗岩、碳酸盐岩和碎屑岩混合提供物源，储层物性中等；东部以火成岩持续提供物源，剥蚀后形成大量碎屑颗粒，砂体规模和储层物性明显优于中西部地区。

石臼坨凸起；西部陡坡带；物源；古地理格局；差异演化；储层物性

渤海海域属于典型的陆相断陷盆地，古近纪山高坡陡、沟梁相间，物质来源多、沉积相变快，储层预测一直是难点。以往沉积体系研究通常以湖盆为核心研究对象，在湖盆层序格架内预测砂体的分布，很少考虑湖盆外的物源体系、输砂体系的变化对层序充填和砂体分布的影响[1]。随着勘探的逐步深入，“源”的地位逐渐凸显出来，赖维成 等[1]发现“沟-扇”理论需要同物源研究结合才能更好地预测砂体，提出了动态物源的概念。徐长贵[2]将物源体系、沟谷体系、坡折体系和基准面旋回等4种因素综合考虑，创新提出了“源-汇”时空耦合控砂原理，突破了陆相复杂断陷盆地砂体分布规律预测的瓶颈。

作为一个完整的系统,“源”区构造与气候变化所引起的剥蚀物产量和类型等变化,都将在搬运区与下游“汇”区沉积地貌和地层样式等特征中得到反映，其中“源”区基岩组成及分布的研究是源-汇系统的重要部分,可指导预测不同区带风化、剥蚀差异及沉积组分特征,并作为沉积盆地演化与古环境恢复的重要依据[3-4]，但以往物源分析一直是源-汇系统分析中的一个薄弱环节。

本文利用钻井、三维地震及岩矿测试等资料,对石臼坨凸起西部陡坡带开展了古物源恢复研究，重建了本区古地理格局，并探讨了古近系物源差异演化规律及其对储层的控制作用。

1 区域地质背景

石臼坨凸起位于渤海海域西部,总体呈E—W向长条状分布,在凸起南侧发育石南大断层，依附石南断裂下降盘普遍发育陡坡带，研究区处于陡坡带西部(图1)。近几年，随着渤中2-1、曹妃甸6-4等构造相继获得勘探突破，证实了石臼坨凸起西部陡坡带是成藏有利区带，东营组是本区深层主力勘探层系。区域沉积相研究表明，东营组三段(简称东三段)沉积时期沿石臼坨凸起西部陡坡带发育大量近源扇三角洲，呈裙边分布，东营组二段和东营组一段沉积时期则以辫状河三角洲为主。多个构造钻探结果表明，东三段沉积时期具有相似的陡坡带地质背景，但不同构造区之间砂体规模和储层物性都表现出较大的差异性，而与之对应的物源区沟谷体系、母岩类型也各不相同。

图1 研究区构造特征Fig .1 Tectonic characteristic of the study area

2 古物源与古地理格局恢复

物源分析在确定沉积物物源位置与性质、沉积物搬运路径、古气候与古环境恢复以及整个盆地的沉积格局和储层预测方面具有重要意义。在陆相断陷盆地中，物源的研究方法很多，如传统的沉积学方法、地球物理学方法、元素地球化学方法、岩石学方法、地质年代学方法以及近几年较为先进的磁性矿物学方法、颗粒微形貌分析方法等[5-6]。在物源分析过程中，以往研究中利用各地质时期沉积区碎屑岩中所提取的物源信息，与现今残留的物源区母岩岩性进行对比，进而确定碎屑物质的来源，这是一种静态物源示踪思路。而渤海大量勘探实践证实，物源区的面积大小、母岩岩性往往是一种动态的演化过程，尤其在陡坡带，各种再沉积现象十分普遍，甚至有部分钻井揭示沙河街组在东营组沉积期也能提供物源，直接证实了动态物源的客观存在。因此，现今残存的物源并不能客观反映某一沉积时期的真实物源，如果以现今物源面貌作为源-汇分析的依据有时会出现较大偏差，给中深部储层预测带来较大风险，只有从现今基岩分布特征出发，通过沉积区物源示踪合理恢复沉积时期古物源的真实面貌，才能准确指导源-汇系统的研究。

2.1 基岩分布特征

石臼坨凸起基底岩性及组成差异导致在地震资料上表现出不同的波组反射特征，将钻遇基底的钻井同三维地震数据进行标定，综合识别研究区不同区带内潜山地层单元特征(图2、3)，由下至上依次发育太古—元古界、古生界和中生界。钻井岩心及薄片揭示，太古—元古界主要为一套变质花岗岩，厚度大，呈块状，对应地震剖面呈中弱振幅、杂乱反射结构，近全区分布,并出露于凸起中部，沿凸起上的断层走向呈SW—NE向长条状分布；古生界寒武—奥陶系主要为一套生物碎屑灰岩或白云岩，局部夹泥岩或泥质条带，在地震剖面上表现为强振幅、中高连续反射，叠置于太古—元古代基底之上,主要分布在凸起的西北部，呈SW—NE向展布，倾向为NW向，东部局部位置零星出露，呈近E—W向展布；中生界主要为杂色碎屑岩夹火成岩的组合,下部为侏罗系蓝旗组、下白垩系义县组中酸性火山岩，上部为砂泥岩互层组合夹薄层火山岩，地震上表现为中等振幅、断续楔状或发散状地震反射特征，与下伏奥陶—寒武系呈平行不整合接触,其中侏罗系蓝旗组火成岩范围较大，主要分布在凸起的南部、北部，白垩系义县组分布在研究区东部。

图2 石臼坨凸起西部物源区地层地震反射特征(剖面位置见图1)Fig .2 Seismic reflection characteristics of source stratum on western Shijiutuo uplift(see Fig.1 for location)

图3 石臼坨凸起西部物源区基岩连井对比图Fig .3 Comparison diagram of connecting wells in source bedrock on western Shijiutuo uplift

2.2 物源示踪

物源示踪的方法和手段很多，但任何一种方法都有局限性和适用性。随着现代测试技术的不断提高，物源分析方法更加完善和丰富，由定性分析走向定量分析，由单一方法走向多学科多方法的综合运用。针对渤海地质资料特点，本次研究采取以砾石成因分析法和陆源碎屑骨架矿物组合法为主，以地球化学元素、X衍射全岩成分和阴极发光为辅的物源示踪组合对石臼坨凸起西部陡坡带进行物源示踪。

2.2.1 砾岩成因分析法

砾岩组分分析对判断物源区岩性、距离物源远近等具有重要作用，一直作为物源分析的最有利手段[7]。研究区多口钻井揭示东三段和沙一、二段广泛发育砂砾岩，对砾石的描述和统计可作为物源示踪的主要依据之一。首先，将岩心观察与镜下薄片分析进行对比确定砾石成分，研究区发育的砾石类型主要有中酸性火成岩砾石、碳酸盐岩砾石、变质花岗岩砾石等(图4)。然后，在成分确定的基础上，对各井不同类型砾石含量进行定量统计，纵向上砾石的含量变化指示了物源的供给变化。

统计结果表明，研究区西南部NB35-1-1D井东三段下部主要发育火成岩砾石，中部开始出现灰岩砾石，上部普遍含灰质或灰岩砾石，反映该井区东三段沉积早期以中生界为主要物源，晚期寒武—奥陶系的碳酸盐岩母岩逐渐占据主导。研究区中部的CFD6-4-4、CFD6-4-9井区东营组从下至上火山岩砾石逐渐减少，石英岩砾石逐渐增多，表明东营组沉积早期至晚期，中生界物源的影响逐渐减小,太古—元古界物源的影响逐渐增强。研究区东部的CFD6-4-2、CFD6-4-3井区东营组砾石主要以流纹岩和安山岩等中酸性火山岩为主，夹杂少量花岗岩砾石和灰岩砾石，基本上反映以中生界物源贡献为主。

图4 石臼坨凸起西部陡坡带典型砾石特征Fig .4 Characteristics of the typical gravels in the steep slope zone of western Shijiutuo uplift

除了砾石成分外，对砾石结构的分析也有助于判断距离核心物源区的距离，如CFD6-4-2井岩心中砾石的磨圆度普遍为次圆—圆状，还发育类似氧化圈的环边，反映经历过一定程度的搬运改造和间歇性暴露。有学者研究过砾石成分与砾石磨圆度和搬运距离的关系[8]，石英岩、花岗岩砾石耐磨，抗风化能力强，而灰岩性质相对不稳定，灰岩砾石明显小于其他砾石。这说明经过了一段距离的搬运，推测研究区可能来自不同母岩区的剥蚀产物先在山谷里搬运暴露，然后才在陡坡带断层下降盘堆积，纵向上从早期到晚期，杂基含量、砾石大小、长轴方向都发生了变化，间接反映了物源体系的变化。

2.2.2 陆源碎屑骨架矿物组合法

砂岩、砾岩是陆源碎屑岩的主要类型，碎屑物质是其最主要也是最重要的组成部分，而沉积盆地内存在的碎屑物质主要来自母岩机械风化产物，因此砂岩的碎屑组分特征和结构与物源区紧密相关，能直接反映物源区和沉积盆地的构造环境。碎屑岩中岩屑是母岩岩石的碎块，是保持母岩结构的矿物集合体，其岩屑特征能够直接反应沉积物源的母岩性质，因此通过对盆地不同地区岩石轻矿物组分中岩屑类型及各自含量的分析可以为物源分析提供准确的资料。以研究区岩石薄片为基础，通过分析碎屑组分石英、长石和岩屑的组成特征，可以将石臼坨凸起西部陡坡带的碎屑组分组合划分为4个区块。示踪结果表明，CFD6-4-1井区为火成岩+变质岩组合；CFD6-4-2井和CFD6-4-3井一致，均为火成岩+石英岩+少量沉积岩组合；CFD6-4-4井区石英岩含量多于火成岩；NB35-1-1D井区为独立物源(图5)。

图5 石臼坨凸起西部陡坡带东营组碎屑组分平面分区图Fig .5 Clastic composition distribution of Ed3 in the steep slope zone of western Shijiutuo uplift

此外，利用地球化学元素、X衍射全岩成分和阴极发光等资料也进行了辅助物源示踪作为验证约束，示踪结果与以上认识一致。X衍射全岩成分对比显示，无论是砂岩还是泥岩，都反映出CFD6-4-1井以较高的斜长石含量为特征，CFD6-4-4井以高石英含量为特征，CFD6-4-2井和CFD6-4-3井成分完全一致，含量介于1井区和4井区之间，反映为同源。地球化学元素图解和阴极发光资料表明，CFD6-4-1井和CFD6-4-4井区都是以长英质为主，但CFD6-4-1井区富集斜长石，稳定组分高；CFD6-4-4井区富集钾长石，不稳定组分较1井多，代表母源差异。

2.3 古地理格局恢复

物源示踪记录了沉积时期的母岩信息，根据物源示踪结果和钻井、地震资料揭示的地层剥蚀演化序列分别恢复了物源区不同沉积时期的古地理格局(图6)，结果表明：东三段沉积以前，研究区被中生界广泛覆盖，西北部真实物源岩性为义县组火成岩，中南部和东部物源岩性以中生界上部的碎屑岩为主，夹少量火成岩；东三段沉积期，西部沿着中央断裂开始出露寒武—奥陶系的碳酸盐岩，而在南部中生界火成岩已经广泛出露；东三段沉积末期至东营组沉积结束，西部的中生界已经被剥蚀殆尽，寒武—奥陶系碳酸盐岩和前寒武系变质花岗岩大范围出现，南部和东部中生界碎屑岩的范围进一步缩小，物源岩性主体是中生界下部蓝旗组、义县组中酸性火成岩。

图6 石臼坨凸起西部陡坡带不同地质时期物源分布特征Fig .6 Characteristics of source distribution in different sedimentary periods in the steep slope zone of western Shijiutuo uplift

3 物源差异演化模式及对储层的控制

3.1 物源差异演化模式的建立

在物源区古地理格局恢复的基础上，开展研究区整体物源演化过程分析。在没有地层倒转和其他区域性强烈地质活动的前提下，潜山的剥蚀顺序总是从新地层到老地层逐层进行，而对应的沉积区总是从老到新堆积，剥蚀和沉积是动态对应的关系。石臼坨凸起西部潜山基岩所揭示的完整岩性序列可以作为古近系的物源综合序列，包括4个主要的岩性组合段：①中生界义县组上部到九佛堂组、沙海组、阜新组的杂色砂泥岩夹薄层火山岩组合；②中生界义县组下部到侏罗系蓝旗组的中酸性火成岩夹火山角砾岩组合；③古生界寒武—奥陶系的碳酸盐岩夹薄层泥岩组合；④前寒武系的变质花岗岩。以这种剥蚀序列为基础，根据不同沉积时期古物源恢复结果，建立了石臼坨凸起西部陡坡带物源差异演化模式(图7)，即在同一个沉积时期沿着陡坡带不同位置，物源区构造升降和风化剥蚀速度的差异导致出露的母岩类型不同，进而影响了沉积区砂体的规模和品质。

3.2 物源差异演化对储层的控制作用

3.2.1 对储层规模的控制

石臼坨凸起西部陡坡带多个构造钻遇东三段，尽管地质背景相似，但横向上不同井区砂体厚度和平面展布范围存在差异，除了受沟谷、坡折、沉积时水动力强弱控制之外，原始母岩类型也是重要控制因素。物源作为储层物质组成的来源，控制着储层的岩石学组分及其原始物性特征，同样也是储层形成的重要基础[9]。沉积相研究结果表明，研究区东三段主要为扇三角洲沉积，而扇三角洲的碎屑为各种粒级的砂岩、砾岩和粘土杂基，主要来自于近源凸起区的母岩剥蚀产物。不同的母岩类型抗风化能力、化学稳定性均不相同，因此提供碎屑颗粒的能力也就不同。研究区母岩类型有4类，即中生界碎屑岩、中生界火成岩、古生界碳酸盐岩和太古—元古界变质花岗岩，其中碎屑岩以粉细砂岩和泥岩为主，其被剥蚀后供源能力极为有限，在沉积区往往形成细粒沉积，而碳酸盐岩由于化学性质不稳定，作为物源时不能提供骨架碎屑颗粒，只有在距离较近、沉积速率较高时提供少量灰岩砾石，因此这2种母岩类型作为物源时对应的沉积砂体规模通常较小。当母岩类型为中生界火成岩和变质花岗岩时供源能力较强，这2种母岩的主要造岩矿物是石英、钾长石、斜长石等，都属于抗风化能力强的刚性颗粒，源区的不断风化剥蚀作用能够为近源沉积的扇三角洲提供丰富的碎屑颗粒，只要与沟谷、断裂坡折等汇聚体系耦合则往往能形成砂体厚度大、延伸范围广的规模性扇体。

图7 石臼坨凸起西部陡坡带物源差异演化模式Fig .7 Differential evolution models of source in the steep slope zone of western Shijiutuo uplift

3.2.2 对储层品质的控制

物源在原始沉积时除了影响砂体规模外，对储层品质也具有很强的控制作用。不同方向物源控制的轻重矿物组合、填隙物类型与组合及成岩矿物等均不相同，分析不同方向物源控制区砂岩特征及孔隙发育控制因素对预测孔隙性砂体分布规律具有重要意义[10-11]。根据物源区母岩特征、储层碎屑颗粒组成、填隙物质等探讨了研究区物源与储层的耦合关系。曹妃甸6-4构造及围区的钻探表明，东三段且在埋深相当的条件下，在不同井区及不同井段储层物性存在明显差异性。沿陡坡带自西向东东营组储层孔隙度和渗透率差异很大，西部平均孔隙度10.2%，中部平均孔隙度14.5%，东部平均孔隙度20.5%，这其中物源条件是不可忽视的重要因素，是能否形成优质储层的先天条件。碎屑颗粒作为砂岩的骨架对其储集性能有重要影响，刚性颗粒含量较高时，其不容易被压实变形，在强烈的压实作用下仍可以保存一定量的孔隙，且在后期成岩作用过程中酸性流体运移较为通畅，可为长石及杂基等的溶蚀提供有利环境，而一些塑性岩屑常在压实作用下发生强烈的塑性变形，充填孔隙，使得储集性能变差。研究表明，研究区砂岩储层中火成岩含量与孔隙度呈正相关关系(图8)，这是因为在沉积和成岩早期中酸性火成岩、变质岩岩屑等大量刚性骨架颗粒有效提高了储层的抗压实能力，对孔隙起到较好的保存作用；另外，中酸性火成岩岩屑在成岩过程中易于溶蚀形成了较多的次生孔隙，整体物性较好。

图8 研究区砂岩储层中火成岩含量与孔隙度关系Fig .8 Relationship between igneous content and porosity of sandstone reservoir in the study area

3.2.3 对储层填隙物类型的控制

母岩类型的分布同样控制了填隙物类型分布特征，石臼坨凸起西部陡坡带填隙物类型主要有碳酸盐、高岭石。曹妃甸6-4构造东营组砂岩整体为富高岭石型，以CFD6-4-4井周边含量最高。一般来说高岭石含量与物性正相关，而本区埋深浅的CFD6-4-4井反而比CFD6-4-1井物性差，这是由于2口井的高岭石成因不同所致(图9)，即1井的高岭石大多为结晶高岭石，含量适中，晶间孔发育，而4井为陆源型风化成因的高岭石，含量过高，堵塞粒间孔隙。研究区另一类填隙物是碳酸盐，东三段沉积中晚期西部出露的碳酸盐岩母岩开始提供物源，主要影响4、9井以西的地区。

图9 研究区2种成因高岭石Fig .9 Two kinds of causes of kaolinite in the study area

总之，受这种组合控制的影响，东营组沉积时期研究区西部NB35-1-1D井区以碳酸盐岩物源为主，刚性颗粒少，灰质胶结严重，物性最差；中部4、9井区物源为变质花岗岩、火成岩夹少量灰岩，刚性骨架颗粒含量中等，陆源成因高岭石填隙物较多，物性中等；东部1井区以持续的中生界火成岩物源为主，颗粒类型好，填隙物很少，粒间孔和溶蚀孔为主，整体物性最好。

4 结论

从现今基岩分布特征出发，根据砾岩成因分析方法、陆源碎屑骨架矿物组合法等多种物源示踪结果，恢复了物源区不同沉积时期的古地理格局，并建立了石臼坨凸起西部陡坡带物源差异演化模式。在此基础上，分析了物源差异演化对储层的抑制作用，结果表明：在东三段沉积时期，石臼坨凸起西部陡坡带不同位置由于提供物源的母岩类型不同，对研究区扇体的规模和储层物性具有重要的控制作用，西部以碳酸盐岩为主要物源，储层灰质胶结普遍，物性较差；中部为变质花岗岩、碳酸盐岩和碎屑岩混合提供物源，储层物性中等；东部以火成岩持续提供物源，剥蚀后形成大量碎屑颗粒，砂体规模和储层物性明显优于中西部地区。

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(编辑：冯 娜)

Difference of provenance evolution mode and its impact on reservoir in the western steep slope zone of Shijiutuo uplift,Bohai sea

DAI Liming XU Changgui WANG Qingbin PANG Xiaojun

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300459,China)

Bohai sea area is a typical continental rift basin and reservoir prediction is always a difficulty for the Paleogene exploration.Based on drilling, 3D seismic and rock testing data, changing the thought of source-to-sink analysis by taking dynamic analysis for guidance rather than by the current residual bedrock, the provenance is recovered, the paleogeographic patterns in different periods are restored and the modes of differential evolution of provenances are set up in the western steep slope zone of Shijiutuo uplift.The control of the mode on reservoir is analyzed and results show that different rock types of source rock along the steep slope zone in the same sedimentary period significantly control the scale of fans and reservoir property.The reservoirs in the west have poor property characterized by strong calcareous cementation due to the carbonate provenance; the reservoirs in the center are influenced by metamorphosed granite, carbonate and clastic rocks, and have moderate property; the sand scale and properties in the east are significantly superior to that of the center and west because the provenances come from igneous rocks which can provide more clastic particles after denudation.

Shijiutuo uplift; the western steep slope zone; provenance; palaeogeographic pattern; differential evolution; reservoir property

代黎明，男，高级工程师，2005年毕业于中南大学矿产普查与勘探专业，获硕士学位，主要从事沉积与储层研究工作。地址：天津市滨海新区海川路2121号渤海石油研究院(邮编：300459)。E-mail：dailm@cnooc.com.cn。

徐长贵，男，博士，教授级高级工程师，中国海洋石油总公司勘探专家，毕业于中国地质大学(北京)，长期从事石油地质与勘探工作。地址：天津市滨海新区海川路2121号渤海石油研究院(邮编：300459)。E-mail：xuchg@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0051-09

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.006

TE121.3

A

2017-03-07

*“十三五”国家科技重大专项“渤海海域勘探新领域及关键技术研究(编号:2016ZX05024-003)”部分研究成果。