孤北洼陷长堤断裂带扇三角洲砂砾岩体沉积特征及空间展布规律

邱隆伟,贾继成,马立驰,杨勇强,孙 超,辛 也,王 鑫,杨生超

[1.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580； 2.中国石化 胜利油田 地质科学研究院，山东 东营 257015;3.中国石油 新疆油田公司 采油一厂，新疆 克拉玛依 834000；4.南京大学，江苏 南京 210023]

在准噶尔盆地玛湖凹陷中心区发现十亿吨级砾岩大油区,是目前发现的世界最大砾岩油田,为我国西部地区能源安全和国防军工建设提供了重要保障,目前砂砾岩仍将是国内的热点。但坡带砂砾岩体具有快速堆积、分选和成层性差等特征,一直是国内勘探的难点。对于砂砾岩体的发育,国内已经有明确认识,主要控制因素有:断层活动、气候变化、湖平面、物源、古地貌等方面。如鲜本忠[1]研究车镇凹陷时认为断陷湖盆陡坡带砂砾岩体主要受到构造、湖平面、古地貌控制——断裂结构控型、构造转换带控源、古地貌控砂、复合基准面控层位。董艳蕾[2]等在泌阳凹陷东南部核桃园组研究中,认为构造起主导作用,断层陡缓程度控制着沉积体系。林畅松[3]等在东营凹陷和沾化凹陷砂砾岩的研究中指出:断裂体系会改造古地貌,从而控制扇体的展布；与边界断层高角度相交的伴生的次级调节断裂有很好的输导作用,约束扇体分布；肖军[4]在琼东南盆地中认为高角度相交的次级断层控制着输导系统的发育,碎屑物沿着次级同沉积断裂向盆地推进。因此断层活动加强砂砾岩非均匀性分布,前人考虑了主控断层及其伴生的次级断层对砂砾岩扇体发育的影响[5-6],但对于同沉积次级断层在不同时期活动强度不同而造成的影响方面研究不够,并且对强弱物源背景下砂砾岩体的差异性分布样式没有进行讨论。本文从地震、测井、岩心出发,在明确孤北洼陷东次洼沙(沙河街组)四段上亚段-沙二段时期砂砾岩体沉积特征的基础上,开展次级断层活动强度对扇体影响,以及物源强弱、湖平面变化等对砂砾岩的控制作用研究,建立砂砾岩体的分布样式,为研究区的下一步勘探开发提供指导。

1 地质概况

孤北洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷东北部,东接长堤潜山,西接长堤东凸起,南接孤岛潜山,北接桩西潜山,是典型的双断陷湖盆[7],洼陷周边发育堤东、孤北、长堤及桩南4条边界正断层,洼陷中分布着东部次洼、西部次洼和中央低凸起等次级构造单元(图1)。研究区位于孤北洼陷的东部次洼(图1),其东部断层为长堤断裂带中段,断层上陡下缓,表现正断层性质[7],主体为南北走向,倾向西,倾角 40°～65°,北端转向NE向,南端转向SW向,断裂带长约20 km,落差1.5～2.5 km,自北向南逐渐变缓,与近于平行的五号桩断层[8],形成断阶(二台阶),二台阶分为南北两段。在二台阶北部发育东西走向、与长堤断层近于垂直的次级断层(图1)。

图1 孤北洼陷构造特征及井位分布Fig.1 Structure characteristics and well locations of the Gubei sub-sag

沙四段时期孤北洼陷处于古近纪裂陷早期,沉积类型以红色陆源碎屑物为主,经过剥蚀之后,孤北洼陷成为一个稳定的浅湖湖盆。沙三段-沙二段早期,为裂谷-深断陷期,湖盆快速沉降,湖平面快速上升,形成饥饿型的深湖-半深湖环境,发育了3期沉积旋回,同时期构造活动频繁,各个沉积区厚度变化大,与沙四段为不整合、上超不整合接触。沙二段上亚段-东营组为裂谷-萎缩期,构造活动减弱,水体变浅,凸起与凹陷分割作用减弱,与下覆沙三段为不整合接触(图2)。

2 沉积相类型及其特征

2.1 扇三角洲

研究工区二台阶主要发育扇三角洲。扇三角洲总体粒度粗、分选差,分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘、前扇三角洲等亚相。扇三角洲平原沉积在湖平面之上,以泥石流和水上分流河道沉积为主,是阵发性洪水冲击卸载的粗粒沉积,向上变粗特征,划分出水下分流河道和水上分流河道间湾等微相。水上分流河道微相以砂质砾岩和砾状砂岩所构成,可见褐色泥砾、分选差,层理不发育,以块状构造为主。水上分流河道间湾微相颜色多为褐色,岩性为泥岩及粉砂岩。扇三角洲前缘岩性主要为细砾岩,中粗砂岩与细砂岩,牵引流构造较发育,常见递变层理和平行层理。划分出水下分流河道、水下分流河道间湾和水下分流河道砂坝等微相。水下分流河道微相岩性为含砾砂岩、砾状砂岩,分选差,底部有冲刷面[9],向上具有递变层理、块状层理等。水下分流间湾岩性主要为泥岩、粉砂岩等,颜色多为灰色,可见水平层理。水下分流河口砂坝岩性以灰色的细砂岩和粉砂岩组成,呈现反序特征。前扇三角洲水动力总体较弱,层理多为平行层理,岩性为灰色及黑色粉砂质泥岩,分布在扇三角洲前端。

2.2 滑塌浊积扇

滑塌浊积扇主要发育在东次洼北部断阶之下,扇三角洲前段。滑塌浊积扇岩性细,以粉砂—细砂岩为主,发育段呈砂泥岩薄互层。砂岩中见有大量的准同生变形构造,并有递变层理、冲刷面、液化构造等,多含暗色泥砾和泥岩撕裂屑,反映了沉积物滑动再沉积的特点。滑塌浊积扇相可以分为内扇、中扇、外扇3个亚相。中扇亚相岩性细,以粉砂-细砂岩为主,发育段呈砂泥岩薄互层,主要由滑塌作用导致的块体坡移而成。砂岩伴有暗色的泥砾和泥岩撕裂屑,常见构造:准同生变形构造、冲刷面、递变层理、液化构造等,反映了沉积物滑动在沉积的特点。外扇亚相主要有块体滑塌而伴生的搅浑作用形成的浊流以及远砂坝末梢、前三角洲泥等混杂堆积主要发育末梢微相[10]。

3 砂砾岩体发育特征

孤北洼陷是在燕山期拉张断陷、燕山-喜马拉雅运动早期挤压转拉张构造演化而来,洼陷的形成演化受边界断层控制[11-12]。长堤断层在沙四上亚段,断层活动最强烈时期,最大落差超过500 m；沙三下亚段时期受到喜马拉雅运动一幕的影响,长堤断层最大落差超过450 m,生长指数为2.7[12]；沙三上亚段-沙二段时期,长堤断层活动减弱。长堤断层具有由南向北活动速率逐渐增大的特点[12],导致下降盘二台阶北段比南段砂砾岩体厚度大(图3)。

对于下降盘二台阶北段地层,在沙四上亚段时期,3号次级断层落差超过600 m,倾向北,地层为北厚南薄；进入沙三下亚段时期,早期阶段3号正断层活动相对强烈,倾向南,角度40°,总长4 km,自东向西逐渐变缓,地层为北薄南厚,最大落差超过400 m；晚期阶段2号正断层活动较强,倾向北,总长3 km,自东向西逐渐变缓,二台阶北段地层为北厚西薄,最大落差超过300 m；进入沙三中亚段时期,二台阶北段地层厚度均匀；在沙三上亚段—沙二段时期,1号和3号次级断层都活动,北段地层为两端厚,中间薄(图3)。 在沙四上亚段和沙三段下亚段，垂直物源方向上，可见楔形地震体，顶超面，砂砾岩靠近次级断层厚度大(图4a);顺物源方向的地震反射稳定连续，可见加积或前积反射结构，砂砾岩体在剖面上表现为加积或进积的样式(图4b)。

图3 孤北洼陷沙四上亚段—沙二段构造演化剖面及断层落差Fig.3 Structural evolution profiles and the fault throw of Es4s-Es2 in the Gubei sub-saga. 孤北洼陷长堤下降盘断层北段南北向沙四上亚段—沙二段构造演化剖面；b. 孤北洼陷长堤下降盘断层北段南北向沙四上亚段—沙二段断层落差；c. 孤北洼陷长堤断层和埕东断层沙四上亚段—沙二段断层落差

二台阶南段次级断层发育少,扇体厚度小。对应长堤断层相对活动弱,沙四上亚段最大断距400多米,沙三下亚段最大断距为300多米(图3)。二台阶南段古冲沟内,沙四上亚段和沙三下亚段地震反射杂乱,不连续,反射轴向上由退积反射结构向进积反射结构转变,砂砾岩体也相应的显示退积和进积的特点(图5)。

图4 孤北洼陷长堤断裂带北段沙四上亚段—沙二段典型地震剖面(剖面位置见图1)Fig.4 Typical seismic profile of Es4s-Es2 in the northern segment of Changdi fault zone in the Gubei sub-sag(seismic line location see Fig.1)a. 次级断层交替活动垂直物源方向地震剖面；b. 顺物源方向前积地震剖面

4 沉积体系展布

结合前人研究,研究工区沙四上亚段和沙三下亚段分别发育湖侵体系域和高位域,沙三中亚段为湖侵体系域,沙三上亚段为高位域；沙二上亚段为湖侵域和高位域。物源主要来自东北部和南部。沙四上亚段湖侵域时期,东北物源形成扇三角洲跨过二台阶,前端形成浊积岩。南部分布小范围的扇三角洲；高位域时期,继承湖侵域时期的扇体分布,扇三角洲范围扩大,北部扇三角洲延伸至桩54附近。沙三下亚段湖侵域时期,东北部的扇三角洲分布在桩7至桩2之间二台阶上,前端发育浊积岩；高位域时期,扇三角洲范围扩大,南部扇三角洲延伸至桩69附近；沙三中亚段时期,湖平面快速上升,扇三角洲分布狭窄,地层以泥质粉砂岩为主。沙三上亚段和沙二段,物源减弱,只有发育北部扇三角洲,东北部扇三角洲分布延伸到桩421附近,南部扇三角洲范围扩大[13](图6)

图5 孤北洼陷长堤断裂带南段沙四上亚段—沙二段地震-地质解释剖面(剖面位置见图1)Fig.5 Seismic-geological interpretation profiles of Es4s-Es2 in the southern segment of Changdi fault zone in Gubei sub-sag(seismic line location see Fig.1)

5 砂砾岩体展布控制因素

断层活动是砂砾岩体展布主控因素,沙四上亚段-沙三下亚段断层活动强,砂砾岩体厚度大。此外,长堤断层北段活动强,坡度陡,物源供应强,有利于形成厚层扇三角洲及其前端的滑塌浊积岩；断层南段活动强度小,物源供应弱,扇三角洲分布范围小,前端不利于形成滑塌浊积扇。同沉积次级断层控制着砂砾岩的分布,有很好的输导作用,不同时期活动强度不同,对扇体展布影响不同。

湖平面对沉积体分布有影响,当湖平面上升的时候,扇体逐渐退积,向上范围缩小；当湖平面下降的时候,扇体逐渐进积,向上范围扩大。

物源强弱影响扇体的堆积样式,在强物源时期,扇体展布受湖平面影响较小,砂体以加积为主；当物源弱的时候,受湖平面影响较大,进积和退积扇体叠加堆积。

6 油气藏分布与勘探前景

目前勘探认为研究区主要发育构造油气藏、地层油气藏,构造油气藏主要储层于沙四上亚段和沙三下亚段,地层油气藏主要分布在沙三中亚段—沙二段。本文认为研究区沙四上亚段和沙三下亚段构造油气藏和地层油气藏共同发育:长堤下降盘北段沙三下亚段经历暴露剥蚀形成的不整合面,及其楔形地层发育有利于形成侧向封堵,沙三中亚段湖平面快速上升,形成的泥岩直接覆盖在扇三角洲砂体之上,扇三角洲前缘分流河口砂坝和河道砂体为有利储层,次级断层交替活动形成的背斜,有利油气向上运移,共同作用形成地层油气藏。所以二台阶北段具有其良好的储层和封堵条件,是下一步的有利勘探开发区块。此外,扇三洲前端形成滑塌浊积岩,也是最有利的勘探点[14](图7)。

图6 孤北洼陷东次洼沙四上亚段—沙二段沉积相平面分布Fig.6 Map showing sedimentary faces distribution of Es4s-Es2 in the eastern Gubei sub-saga.沙二亚段；b.沙三上亚段；c.沙三下亚段高位域；沙三下亚段湖侵域；e.沙四上亚段高位域；f.沙四上亚段湖侵域

7 结论

1) 在孤北洼陷东次洼沙四上亚段—沙二段,发育了扇三角洲-浊积体系,其中水下分流河道和水下分流河口坝是最有利的储层相带。

2) 沙四上亚段—沙二段的砂砾岩的分布受到构造、湖平面、物源的联合控制,各个控制因素的强弱导致砂砾岩体空间展布的差异性。次级断层受到边界断层的控制,具有周期性活动特征,控制沉积物输导体系,形成砂砾岩体楔形地层。

3) 在次级断层和湖平面的影响下,二台阶北段形成有利的构造和地层油气藏,是下一步的勘探有利位置。

图7 孤北洼陷长堤断裂带沙四上亚段—沙二段桩2—桩4—桩701—桩7—桩4连井沉积相Fig.7 Sedimentary facies profile of Es4s-Es2 crossing Zhuang 2,Zhuang 4,Zhuang 701,Zhuang 7 and Zhuang 4 wells in Changdi fault zone in the Gubei sub-sag

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