莺歌海盆地东方区黄流组大型强振幅体沉积内幕及其油气意义

廖计华,吴克强,郭 刚,甘华军,孙 鸣,蔡露露,朱石磊, 刘子玉

[1.中海油北京研究中心,北京 100028； 2.中国地质大学(武汉) 资源学院,湖北 武汉 430074；3.国土资源部广州海洋地质调查局，广东 广州 510760]

随着大型整装构造油气藏发现的难度越来越大,以地层和岩性为主要控制因素的隐蔽油气藏探明储量所占比重逐渐增大,业已成为全球油气资源增储上产的极其重要领域[1-3]。在隐蔽油气藏勘探中,对油气储集层的研究更显突出,尤其是对沉积储集体内幕结构的精细刻画已经成为隐蔽油气藏勘探研究的重点、难点和突破口[4-6]。

“优质储层是否发育”是长期制约莺歌海盆地中深层高温高压领域(压力系数>1.8)天然气勘探的瓶颈之一[7]。近年来,DF14井在莺歌海盆地东方区黄流组一段钻遇了一套大型强振幅体,揭示了87m厚的优质细砂岩,获得了日产64×104m3的高产优质天然气流(地层压力系数1.9,地层温度143)[8],随后东方13-1和东方13-2两大高产优质商业性天然气藏被相继发现[9]。大型强振幅体高效的成藏特性、巨大的勘探潜力以及对于莺歌海盆地中深层高温高压领域天然气勘探的领域性突破意义引起了学术界和勘探界的广泛关注。前人或从区域供源系统、构造作用和相对海平面变化等诸多因素入手,探讨了大型强振幅体的成因类型、沉积特征、主控因素及堆积机制[10-12]；或从含气储层地球物理识别技术攻关的角度,预测了优质含气储层的分布规律[13],或从中深层高温高压气藏成藏机理与控藏要素的角度构建了大型强振幅体的油气成藏模式[9],取得了诸多富有成效的研究成果。本文在前人研究的基础上,整体遵循地质与地球物理相结合的研究理念,综合利用大量岩心、钻井、测井、覆盖整个东方区的2 400 km2高分辨率3D地震数据以及大量区域2D测线,对大型强振幅体的外部形态、内部结构、垂向期次、空间展布与演化特征开展系统剖析,揭示了有利储集体特征,探讨了其油气意义,并预测了东方区有利勘探方向。本次研究旨在揭示优质储集体的分布与特征,促进莺歌海盆地中深层高温高压领域油气勘探实践,提高勘探成效。

1 区域地质概况

莺歌海盆地是南海北部大陆架西区发育的新生代转换-伸展型含油气盆地[14],具有高温超高压特性[15-16],其整体近似菱形,呈NNW-SSE向展布,面积约12.7×104km2(图1)。盆地内部可细分为河内坳陷、中央坳陷、临高凸起、莺东斜坡带和莺西斜坡带共5个二级构造单元。东方区位于中央坳陷中北部,面积约2 400 km2,系塑性流引起的泥底辟构造发育区,区块北部和南部分别发育了D1和D2两大底辟构造。盆地构造演化经历了同裂陷期和裂后拗陷期两大阶段[15]。古近系为同裂陷期充填,从下到上依次发育始新世岭头组、渐新世崖城组和陵水组；新近系为裂后期充填,从下到上依次为中新世三亚组、梅山组和黄流组,上新世莺歌海组以及第四纪乐东组,最大厚度超过10 000 m。三亚组、梅山组和黄流组对应裂后热沉降幕,莺歌海组和乐东组对应裂后加速沉降幕,均发育三角洲-滨浅海-半深海-深海相沉积组合[16]。

2 大型强振幅体沉积内幕

2.1 外部几何形态

利用横跨东方区的区域二维长地震测线以及2 400 km2高分辨率三维地震数据开展地震相精细解释,明确了黄流组一段大型强振幅体整体呈扇形,“西窄东宽”,东西向展布,从东方区西侧一直延伸至东侧,覆盖了除东北隅的整个东方区,面积近2 000 km2(图1)。其厚度整体呈现出“南厚北薄”的分布特征,变化区间为75～475 m,厚度中心位于D2底辟构造带西侧及其南部区域,厚度值为275～475 m,厚度最薄区位于D1底辟构造带西翼及其以北的区域,最小厚度值为75 m。

2.2 内部沉积结构要素

综合岩心、测井、录井以及地震反射结构特征,在东方区黄流组一段大型强振幅体内主要识别出了3种沉积结构要素：浊积水道、水道间漫溢沉积和天然堤。

1) 浊积水道

浊积水道主要由灰白色细砂岩、灰白色含泥屑细砂岩和灰色极细砂岩构成,以正粒序组合为特征(图3)。

图1 莺歌海盆地构造区划及东方区黄流组一段大型强振幅体的位置Fig.1 Tectonic subdivision of the Yinggehai Basin and location of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang areaAA′为图2剖面的位置；a,b,c,d为图5剖面的位置

图2 莺歌海盆地东方区黄流组一段大型强振幅体剖面形态特征(剖面位置见图1中AA′所示)Fig.2 Typical seismic profile for morphological characteristics of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin(See Fig.1 for the location of AA′)

图3 莺歌海盆地W5井黄流组一段沉积层序解释以及典型岩心特征与粒度分析(W5井的位置见图1)Fig.3 Interpretation of sedimentary sequence,characteristics of typical cores and grain size analysis in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin(See Fig.1 for the location of Well W5)

概率累积曲线呈“低斜二段式”或“低斜三段式”,其中悬浮组分占70%以上,但分选较差,跳跃组分小于30%,不发育滚动组分；在C-M图解中,样品点群整体均表现为平行于C=M基线,反映出以悬浮载荷为主的浊流搬运沉积的典型特征。主要发育块状层理、平行层理以及少量的波状层理,垂向序列上显示出鲍玛序列A段、AB段以及少量ABC段组合等特征；此外,还发育了反映沉积物快速堆积的多种准同生变形构造,如负载构造、火焰状构造、球枕构造等。冲刷面可见,表现为切割较平整的岩性突变面,如W5井2 991.40 m处发育了一典型冲刷面构造,冲刷面之下为深灰色粉细砂质泥岩夹灰色粉砂岩,之上为灰白色块状细砂岩。

GR测井响应表现为大型高幅值齿状箱形、高幅值钟形以及中-高幅值小型齿化箱形组合(图4),砂岩厚度最厚可达87 m,最薄为2 m,平均为10～20 m,薄层状水道砂岩常与粉砂质泥岩、泥质粉砂岩呈互层状产出。根据浊积水道产出形式,可将其分为单一大型水道、横向上连片状展布的小型分支水道以及垂向上相互叠置的多期小型分支水道复合体等3种类型,并以后两种占主导。地震剖面上均呈现出强烈的侵蚀下切特征,剖面形态呈“U”或“V”形,其中单一大型水道整体呈“U”形,两侧为中-弱振幅较连续楔状反射,整体呈现出“海鸥翼状”(图5)。

图4 莺歌海盆地东方区黄流组一段大型强振幅体典型测井响应特征Fig.4 Logging response of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin

图5 莺歌海盆地东方区黄流组一段大型强振幅体典型地震相特征(剖面位置见图1)Fig.5 Seismic facies of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin (See Fig.1 for the location)a,c.浊积水道横向连片、垂向多期叠置；b.浊积水道垂向多期叠置；d.水道-堤岸复合体特征

2) 水道间漫溢沉积

水道间漫溢沉积是指由溢出水道的水道间低流态浊流形成的薄互层状粉砂岩、泥质粉砂岩与粉细砂质泥岩组合,主要呈灰-深灰色,水道不发育,以鲍玛序列C段为典型特征,含大量生物潜穴和生物扰动构造(图3),GR曲线上表现为中-低幅锯齿形组合特征(图4),地震相以中-弱振幅差-较连续反射为特征(图5)。

3) 天然堤

天然堤是指由于低流态浊流溢出堤岸并侧向延伸,大量细粒悬浮物质沿着河道边缘沉积,随着垂向加积作用的不断发展,在河道两侧形成的堤状沉积物,主要由薄层状粉细砂岩、粉砂质泥岩与泥岩不等厚互层沉积,发育平行层理(鲍玛序列B段)和波纹层理(鲍玛序列C段)。因为流体溢出时流速下降很快,使得近源天然堤比远源天然堤堆积了更多的沉积物,最终形成了近源天然堤厚而远源天然堤-漫溢沉积较薄并逐渐尖灭的楔状体[18]。在研究区内,钻井并未直接揭示天然堤,其主要分布在单一大型水道的两侧,地震上表现为中弱振幅较连续的楔状反射,整体呈“海鸥翼状”,与大型水道构成了水道-堤岸沉积复合体(图5)。

2.3 垂向发育期次

2.4 平面展布特征

结合三维地震多属性提取与地震相精细刻画,建立起岩心、钻井、测井、地震相、地震属性与大型强振幅体内部沉积结构要素之间的对应关系,从而查明不同期次的平面沉积展布特征。

1) 第一期沉积展布特征

图6 莺歌海盆地东方区黄流组一段高精度层序地层格架与大型强振幅体垂向期次划分Fig.6 High resolution sequence stratigraphy framework and vertical phases division of the high-amplitude reflections of the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin

图7 莺歌海盆地东方区黄流组一段大型强振幅体地震属性特征及沉积解释Fig.7 Seismic attributes and sedimentary interpretation of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basin层间均方根振幅属性与沉积解释；层间地震弧长属性与沉积解释；层间地震弧长属性与沉积解释

强振幅较连续反射,且水道化侵蚀下切特征广布(图8a)。其主体分布在D1底辟构造带和D2底辟构造带西侧,呈大型扇形、自西向东发散状连续展布；此外,在东方区东南隅可见3个相对独立的中小型扇形体,系大型强振幅体向SE方向再次搬运沉积的产物。浊积水道与水道间漫溢沉积为最主要的沉积要素构成,其中浊积水道呈NW-SE和SW-NE向展布,前者延伸至东方区东南隅,后者可推进至W2井。东方区西侧因靠近物源,浊积水道规模较大,W8井和W9井均钻遇大套浊积水道细砂岩,厚度分别约50 m和70 m。在D1底辟构造带附近发育2个孤岛状的浅海砂坝,分别呈SN和近EW向展布,W3井揭示为灰白色粉砂岩夹泥质粉砂岩,生物扰动构造强烈,在层间均方根振幅属性图上显示为孤立分布的强振幅异常区,地震相表现为中-强振幅好连续透镜状或席状反射。

图8 莺歌海盆地东方区黄流组一段大型强振幅体平面沉积相展布Fig.8 Distribution pattern of the high-amplitude reflections in the 1st member of the Huangliu Formation of Dongfang area,the Yinggehai Basina.第一期；b.第二期；c.第三期

2) 第二期沉积展布特征

3) 第三期沉积展布特征

2.5 成因与演化规律

谢玉洪等认为盆地西部较大规模的蓝江水系以及莺西断裂坡折带对东方区黄流组一段大型强振幅体起到了主控作用,将其定义为海底扇[10]；王英民等认为其沉积物主要来自于红河,并将其命名为“红河海底扇”,并与红河三角洲以及相关的海底峡谷共同构成红河沉积体系[11]；王华等认为来自盆地西部的蓝江物源、大规模海退作用以及沉积基底的幕式差异性沉降作用共同控制了大型强振幅体的形成[12],由此可见,虽然对于大型强振幅体的物源区还存在蓝江物源体系和红河物源体系的不同观点,但都一致认为大型强振幅体为大型重力流沉积的产物。

大型强振幅体第一发育期到第三发育期的平面沉积展布特征记录了其从初始孕育期-快速发展期-稳定发展期的时空演化过程(图8)。整体呈规模逐渐增大、向北西方向不断迁移、向南东方向逐步推进的动态演变趋势,进而使得D2底辟构造带西侧发育的扇体规模不断减小,而D1底辟构造带西侧发育的扇体规模不断增大,且全区浊积水道的展布方向由最初的NW-SE向和SW-NE向演变为NW-SE向占绝对主导。从D1底辟构造带西侧浊积水道的产出规模来看,以第一期内发育的浊积水道规模最小,第二期内浊积水道明显增大,侵蚀能力增强,尤其是在D2构造带的东南侧发育了一大型水道-天然堤复合体,这与海平面的快速下降、碎屑物快速向盆地方向推进相吻合；第三期内浊积水道的规模介于二者之间,其向SE方向稳定延伸、在平面上广泛分布,形成了多个次级小型浊积扇,向SE方向稳定延伸。

3 讨论及油气意义

3.1 有利储集体特征

中央坳陷底辟区中深层高温超压领域自20世纪90年代后期开始,作为莺歌海盆地天然气勘探的战略接替区而备受期待[16]。东方区处于莺歌海盆地腹地,远离岸线和物源输送端,以往多认为该区中深层主要发育富泥质沉积,而十几年的钻探实践也揭示了中深层储集层厚度薄、粒度细、物性差。如W2,W3和W7井分别在D1和D2底辟构造带附近揭示了黄流组一段浅海砂坝砂岩储层(图8),岩性均以粉砂岩和泥质粉砂岩为主,夹多层粉砂质泥岩,其中W3井揭示其孔隙度为13.7%～21.9%,平均为17.4%,渗透率为(0.1～8.32)×10-3μm2,平均为1.2 ×10-3μm2,属于中孔隙度、低-特低渗透率储层；W2井DST(Drill Stem Test)测试产气10×104m3/d,产水16 m3/d,但由于储层薄、物性差、规模小,未获得商业性突破[7-8]。因此,优质储层无法落实是严重制约莺歌海盆地中深层高温高压领域天然气勘探的主要瓶颈。

东方区黄流组一段大型强振幅体为发育在低位体系域的大型重力流沉积,系低位扇的范畴,为发育在浅海陆架背景下的“浅海重力流沉积”,并以细粒浊流为主。其内部浊积水道砂岩纵横广布、三期叠置,以岩屑石英细砂岩、岩屑石英极细砂岩为主,泥质含量低,分选中等-好,磨圆度中等,次棱角-次圆状,胶结类型为孔隙式或充填交代-孔隙式,填隙物主要为铁方解石和铁白云石,呈泥晶集合体状或粉晶状零星产出,部分长石颗粒发生溶解,石英加大边少见,颗粒支撑、点接触为主,少量点-线接触。单个砂体的厚度最大为87 m,最小为2 m,平均厚度为10～20 m,W2和W4井揭示其孔隙度分别为19.9%～21.8%和14.6%～15.7%,渗透率分别为(2.4～6.1)×10-3μm2和(2.5～7.4)×10-3μm2主要流通孔喉半径均值在0.42～1.49 μm,孔喉配位数1～4,为中孔、中-低渗储层,储集性能整体较好,为该区主力储层。东方13-1和东方13-2气田主力气层Ⅱ,Ⅲ主要发现于第二期和第三期浊积水道砂岩中[8-9]。此外,大型强振幅体在东方区东南隅发育了天然堤(图8b),其中近端天然堤主要为粉砂岩、泥质粉砂岩与薄层细砂岩不等厚互层,地震上显示为强振幅亚平行反射特征,GR曲线表现为向上变细序列,砂地比可达40%～80%,通常具有较好的孔隙度和渗透率[18-19],推测其为潜在的有利储集体；远源天然堤较近端天然堤厚度小、粒度细,主要为粉砂质泥岩与泥岩不等厚互层,地震上呈现弱振幅平行反射特征,储集性能通常较差或为非储层。

3.2 强超压对中深层储层物性的影响

受新近纪后期快速沉降的影响,中央坳陷沉积了巨厚的新近系,且由于埋深大,压实作用和成岩作用对中深层储层物性十分不利[7]。东方区约在2 500 m开始出现强超压(压力系数>1.8),如果按照压实曲线计算,黄流组一段储集层(现今埋深2 600～3 500 m)孔隙度应降至10%以下,而实际资料显示其岩心孔隙度可高达20%,且原生孔隙占主导,占比为52.9%,次生孔隙占47.1%[20]。前人研究认为,超高压环境对储层物性的改善起到了积极作用。

因为超高压的存在,孔隙流体承载了大部分的上覆地层压力,减小了岩石骨架承载的荷重,使得部分被超压孔隙流体充填的原生孔隙在较深部位得以有效保存,这是莺歌海盆地中央底辟带深部储层具有高孔隙度的最主要原因[21]。按照Scherer的研究成果,每超压50MPa约保存2 %的孔隙度[22]。孟元林等通过化学动力学模型研究认为[23],超压可以抑制粘土矿物的转化,导致了泥岩中Si4+，Ca2+，Mg2+，Fe3+，Na+等阳离子生成量的减少和相邻砂岩中许多胶结作用的延迟甚至停止,从而减少了原生孔隙的损失,有利于深部优质储层的发育。东方区压力异常面之下有机质、粘土矿物和孔隙演化趋势均出现明显的延缓现象。张伙兰等认为是由于超压环境减缓了粘土矿物和有机质的演化[21],同时延长了有机质热演化生成油气过程中有机酸和CO2的大量产出期,增加了酸性流体溶蚀铝硅酸盐矿物和碳酸盐胶结物的时间和强度,从而产生了大量次生孔隙。东方区黄流组一段储集层普遍可见颗粒被完全溶解形成铸模孔以及碳酸盐溶解残余,次生孔隙类型以长石粒内溶孔、铸模孔、粒间溶孔和岩屑溶孔为主,溶解强烈处可见伸长状孔隙或超大孔。此外,超压流体压裂突破过程中产生了大量的微裂缝,这些微裂缝虽然对孔隙度的影响不大,但其可以有效地提高了储层渗透性。综上可知,强超压环境对原生孔隙的有效保护、对粘土矿物转化的抑制、对次生孔隙生成的促进及其产生的微裂缝对储层渗透性的改善作用是东方区黄流组一段储集体具有较好储层物性的关键所在。

3.3岩性圈闭及油气藏预测

钻探证实,与大型强振幅体相关的圈闭类型主要为砂岩上倾尖灭型岩性圈闭和砂岩透镜体型岩性圈闭(图9)。在东方13-1气田区,浊积水道砂岩整体自西向东延伸,其远端直接尖灭于浅海泥岩之中,终止在W2井东侧。进入上新世以后,由于D1和D2底辟构造开始抬升隆起,在底辟构造带的翼部呈现出砂体上倾尖灭超覆状沉积结构样式,且主要分布在底辟构造带的西翼和南翼,超覆边界与浅海泥岩截然,从而形成了具有良好侧封条件的砂岩上倾尖灭型岩性圈闭。东方13-2气田区位于D1底辟构造的外围,受底辟构造抬升隆起的影响较小,地势较为平坦,因更靠近物源,这一区域的浊积水道砂岩堆积厚度大、多期叠置,表现为上凸下凹的透镜状特征,并为浅海相泥岩所包围,从而形成了具有良好封堵的砂岩透镜体型岩性圈闭。

幕式底辟活动在底辟构造带核部及其翼部均产生了大量断裂和裂缝,其向下沟通了三亚组和梅山组烃源岩,向上可断入至乐东组,从而为深部天然气向浊积水道砂岩储层聚集提供了垂向运移通道[9]。在D1和D2底辟构造带核部及其翼部,黄流组一段的砂岩上倾尖灭型岩性圈闭位于油气垂向运移必经之路。在底辟活动静止期,断裂和裂缝关闭,烃源岩排出的天然气在深部大量累积,而在底辟活动期,断裂和裂缝开启,由于上下地层巨大的剩余压力差,天然气沿断裂和裂缝向上快速充注至圈闭之中而成藏[24]。对于远离底辟构造带核部的外围区,由于强超压的存在,中深层存在大量的水力破裂现象,形成了一系列小型断裂或裂隙,断距小或者无断距,可作为深部天然气垂向运移的“隐形”通道。在东方区西侧,当地层压力超过岩石破裂压力时,“隐形”通道开启,天然气沿着小型断裂或裂隙垂向运移,由于砂岩透镜体型岩性圈闭临近烃源岩,天然气垂向运移距离较短,更有利于捕获油气。此外,因为底辟构造翼部和底辟构造带外围在空间上距离底辟构造核部较远,受多幕底辟构造活动的影响相对较小,后期保存条件较为有利,尤其以底辟构造外围区域最为突出,这正是东方13-2气田“高效优质聚集”的重要原因。

东方13-1和东方13-2大型优质高温超压天然气藏的成功钻探,正式拉开了莺歌海盆地天然气勘探由常温常压领域向高温高压领域成功迈进的历史序幕,具有重要的领域性突破意义。东方区黄流组一段大型浅海重力流浊积水道砂岩储层垂向上三期叠置、横向上连片广布,勘探前景十分可观。更为重要的是,它为进一步向中深层的梅山组,乃至深层的三亚组及古近系勘探奠定了坚实的基础,开创了莺歌海盆地油气勘探的崭新局面,在我国高温超压领域油气勘探发展历程中必将书写浓墨重彩的一笔。

4 结论

1) 大型强振幅体呈“扇形”,东西向展布,为发育在浅海陆架背景下的大型“浅海重力流沉积”,且以细粒浊流为主；其内部由浊积水道、水道间漫溢沉积和天然堤3种沉积要素构成。垂向演化可划分出个3期次,从第一期到第三期呈现出规模逐渐增大、向北西方向不断迁移、向南东方向逐步推进的演变趋势。

2) 大型强振幅体内部浊积水道砂岩纵横广布、三期叠置,为该区主力储层,而近端天然堤为潜在的有利储集体；强超压环境对于改善东方区黄流组一段储集体物性具有重要促进作用。

3) 与大型强振幅体相关的圈闭类型主要为砂岩上倾尖灭型岩性圈闭、砂岩透镜体型岩性圈闭,前者分布在底辟构造带的翼部(底辟活动区),后者主要位于底辟构造带外围(底辟活动波及区),勘探前景均十分广阔。大型强振幅体的发现及钻探成功为进一步向中深层梅山组,乃至深层的三亚组及古近系勘探奠定了坚实基础。

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