乌石凹陷南陡坡带流二段源-汇系统及物性差异性分析

何卫军，徐万兴，刘 娟，刘 芳，焦祥燕

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司，广东 湛江 524057)

0 引 言

乌石凹陷属北部湾盆地南部坳陷中的次一级构造单元，是已被证实的富生烃凹陷[1-3]，多年的勘探先后发现了多个含油气构造[4-5]。陆相断陷湖盆的勘探表明，陡坡带因具有紧邻生烃中心、圈闭类型多样、油气多期充注、多层系立体复式成藏等诸多有利成藏因素而成为油气重要的富集地带[6-7]。乌石凹陷南陡坡带是油气运移的重要指向，成为近年勘探的重要领域。2016年新钻井揭示研究区流二段中亚段油气运移活跃，但储层埋深大、物性差(特别是渗透率低，大部分小于0.1×10-3μm2)，测试产能低，使勘探陷入停滞，寻找大型优质储层是下一步勘探的关键。前人在乌石凹陷构造演化、沉积体系、成藏规律等方面开展了大量工作，取得了丰硕成果[8-12]，但受钻井资料少、地震品质不好等限制，对南陡坡带还缺乏系统研究，特别是在有利储集砂体分布规律、储层物性等制约勘探的主要问题方面认识还不够深入。

“源-汇”系统是全球气候变化和大气污染研究中的概念[13]，20世纪90年代末，在美国国家自然科学基金会(NSF)和联合海洋学协会(JOI)组织提出的大陆边缘计划(MARGINS计划)中，其沉积学和地层学项目组制定了STS(Source to Sink)——从源到汇复合体系科学计划，开始了在沉积学研究中引入了“源-汇”分析的概念和思想[14-16]。近20年来，“源-汇”概念首先从大陆边缘沉积作用研究中兴起[17]，后逐步拓展到陆相断陷湖盆沉积体系研究中[18-19]，已成为当前国际地球科学领域中广为关注的课题[20-24]。陆相断陷湖盆为源-汇系统研究的重要组成部分，相对于洋陆边缘源-汇系统，研究尚处于起步阶段[19]。

论文基于高精度三维地震资料，结合钻井、测井、岩心、古生物及分析化验资料，逐一对研究区源-汇系统各要素精细解剖，探讨了构造-沉积-储层响应关系，旨在阐述储集砂体分布规律及有利储层分布主控因素，为下一步油气勘探提供技术支撑。

1 区域地质概况

乌石凹陷位于北部湾盆地南部坳陷东北部，其东南与流沙凸起相邻，北部以企西隆起南缘为界，西部及西南部以流沙凸起与海头北凹陷和迈陈凹陷相隔，面积约为2 600 km2。该凹陷近东西向展布，整体上可分东、西2个洼陷，研究区位于乌石东洼的南陡坡带(图1)。

乌石东洼受7号断裂控制，古近系整体表现为南断北超的半地堑特征，地层由南向北抬升，凹陷中心均位于7断裂下降盘。研究区内地层发育较全，自下而上发育古近系的长流组、流沙港组(分为流三段、流二段和流一段)、涠洲组和新近系的下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组以及第四系。

研究区流二段地层厚度大，最厚达2 000 m，是主要的含油气层段。钻井揭示流二段岩性从下往上整体呈“细-粗-细”的旋回特征，蕨类孢粉含量也反映该时期古湖平面经历了“深-浅-深”的演化[25]，由此将流二段划分为上、中、下3个岩性亚段，其中上、下亚段以中深湖相沉积为主，沉积了厚层的泥岩、页岩，中亚段受区域性湖退及物源供给影响，在滨浅湖背景下发育了南物源扇三角洲沉积。

图1 乌石凹陷构造纲要及构造单元Fig.1 Structural outline and division of tectonic units at the Wushi Sag

2 断裂体系及活动性分析

2.1 断裂平面展布特征

前人研究认为乌石凹陷古近纪经历了3期张裂作用[26-27]。第一期张裂作用发生在白垩世-古新世，产生了NNE或NE走向的凹陷边界深大断裂，即F7断裂，控制了东洼半地堑的发育及近缘红色冲积相长流组沉积；第二期张裂作用发生在始新世，F7断裂继续活动，同时F6断裂开始发育，凹陷内产生了NE、NEE向断裂，控制了东洼厚层湖相流沙港组沉积；第三期张裂作用发生在始新世末至渐新世，F6断裂活动强度增大，其下降盘沉积了巨厚的涠洲组，沉降中心由凹陷的东南部迁移至西北部。

流二段沉积时期，东洼平面上断裂分布以NE向、近EW向两组断裂为主(图1)。NE向断裂古新统长流组沉积期开始发育，始新统流沙港组沉积期活动性最强，主要控制流沙港组沉积，部分控凹断裂，如F1、F2、F7断裂长期继承性活动至渐新世末期[4]。近EW向断裂主要活动于渐新世，为中期走滑伸展型断裂，部分断裂可向下断至长流组，但其并不控制始新统流沙港组沉积[28]。

2.2 同沉积断裂特征及其活动性

通过断裂展布及其控沉积作用分析表明，研究区流二段主要受控于F7断裂。依据断裂发育及展布特征可进一步将F7断裂细分为F7-1、F7-2、F7-3及F7-4等4条分支断裂(图2(a))。利用滑距及古落差对断裂活动性分析发现:F7-1断裂在空间上从SW向NE方向滑距和古落差逐渐增大(图2(b))，表明活动性逐渐增强，在时间上活动性最强发生在流二段时期，其滑距和古落差最大分别达3 500 m和2 500 m；F7-1断裂滑距与古落差比值较小，为1.2～1.89，反映断裂较直立，表现为板式断裂特征。F7-3断裂从SW向NE方向活动性逐渐减弱，流二段沉积时期滑距和古落差最大分别达4 900 m和2 800 m；F7-3断裂滑距与古落差比值为1.67～11.24，从图2(c)可以看出，滑距与古落差比值中部大两侧小，反映断裂中部平缓两侧直立，中部具铲式断裂特征。F7-2分布较局限，可视为F7-1与F7-3之间的调节断裂。

3 陆源碎屑源-汇系统及断裂控砂模式

从剥蚀区形成的物源，包括风化剥落的颗粒沉积物和溶解物，搬运到沉积区或汇水盆地中最终沉积下来，这一过程被称之为源-汇系统[29-31]。在沉积体系研究过程中，为恢复沉积过程，笔者对研究区源-汇系统中“源”、“渠”、“汇”各子系统进行了逐一落实。

3.1 “源”子系统

图2 乌石凹陷F7断裂平面展布及其活动性分析Fig.2 Distribution and activity analysis of F7 fault at the Wushi Sag

“源”是指原始沉积物质来源和性质，主要包括物源区和母岩特征，是陆源碎屑沉积的物质基础。断陷盆地陡坡带具有邻近物源区、沉积物搬运距离短的特点[32-33]。研究区紧邻南部流沙凸起，从宏观地质条件看，流沙凸起是研究区主要物源供给区。W22-7c、W17-6等井重矿物分析表明，该区重矿物以赤褐铁矿+白钛矿+锆石+电气石组合为主，进一步对物源区母岩类型分析发现，母岩以岩浆岩为主，变质岩次之，沉积岩最少(图3)，与W10-1井揭示的流沙凸起基底岩性主要为花岗岩相吻合。另外，对W17-5a、W17-5b、W17-6井ERMI电成像古水流方向分析也表明，砂岩古水流主方向在290°～350°之间，佐证了研究区陆源碎屑主要来自南部流沙凸起。

图3 研究区钻井重矿物组合、母岩类型及古水流方向特征Fig.3 Characteristics of heavy mineral assemblages, parent-rock types and paleocurrent direction of drill holes in the study area

3.2 “渠”子系统

“渠”是沉积物搬运路径，即物源通道。乌石凹陷南陡坡带发育断裂转换带、转换断坡和侵蚀性切谷3种类型的物源通道，构成了研究区以断裂转换带和转换断坡为主、侵蚀性下切谷为辅的物源注入的“渠”子系统。

3.2.1 断裂转换带

研究区F7断裂紧邻物源区流沙凸起北缘，其相邻分支断裂之间(即F7-1与F7-2之间、F7-2与F7-3之间及F7-3与F7-4之间)是F7断裂内部断裂转换带所在(图2)，也是物源区碎屑向凹陷内汇聚的有利物源通道，在这些断裂转换带所对应的深洼区发育形成了多个大型扇三角洲沉积，W22-7c、W22-5、W17-6等井皆有钻遇。

3.2.2 转换断坡带

由于F7-3分支断裂不同部位活动性存在明显差异，使其中部平缓而两侧直立，从而在平面上形成凹形地貌特征，这种凹形地貌的中部为转换断坡带，是物源水系有利的汇入区，构成了研究区另一类与断裂相关的物源通道，W11-1、W22-2等井钻遇的扇三角洲就是由这类物源通道供源而形成的。

3.2.3 侵蚀性下切谷

在流沙凸起北缘南西-北东向地震剖面上，可见多条大小不一的近南北向展布的侵蚀性下切谷(图4)，从流沙凸起一直延伸到断裂下降盘，是源区碎屑物向凹陷内注入的有利通道。下切谷是研究区辅助型物源通道，常见一条或多条下切谷直接与断裂转换带或转换断坡带相连，搬运的碎屑物源直接汇入主物源通道中，作为后两者的补充。另外，下切谷提供的物源也可以在断裂下降盘形成小型的单点源或多点源扇体沉积。

3.3 “汇”子系统

“汇”是碎屑物质经搬运后沉积聚集的场所(可容空间)和沉积物自身特征的综合。研究区在流二段沉积时期受F7断裂控制，断裂下降盘是凹陷沉降中心所在，可容空间大，碎屑物质入湖后常就近或短距离搬运后堆积，形成近源沉积。研究区多口井钻遇了南物源扇三角洲砂体，利用钻井、测井、地震等资料对扇三角洲沉积特征进行了详细描述。

3.3.1 岩矿及粒度特征

图4 流沙凸起北缘地震剖面(剖面位置见图1)Fig.4 Seismic cross section of the northern margin of the Liusha Bulge (location shown in Fig.1)

通过钻井砂岩岩石类型、粒度概率累积曲线、C-M图综合分析，表明乌石南陡坡带流二段中亚段沉积总体表现为近源、分选中-差、牵引流为主的沉积特征。研究区7口钻井揭示流二段中亚段岩性主要由浅灰色含砾中-粗砂岩、细砂岩、泥质细砂岩、粉砂岩与灰色泥岩不等厚互层组成，砂岩成分以石英为主，少量长石及暗色矿物，石英含量高达61%～89%，部分井多晶石英含量高，最高可达45%～55%，分选中-差，磨圆以次棱-次圆状为主。其主要岩石类型以岩屑砂岩为主，胶结类型为压嵌式，颗粒支撑结构，点-线接触。从W22-7c井3 833.71 m样品的粒度概率分布曲线来看(图5(a))，主要表现为跳跃和悬浮搬运组分的两段式，φ>0段的斜率较小，表明粗砂-泥的区间分选性较差，为近源特征。从W17-6、W17-5b、W22-2等5口井37个样品的C-M图来看(图5(b))，以SR及RQ段为主，表明流体搬运过程中存在重力机械分异，但总体仍以牵引流沉积为主。

图5 流二段扇三角洲粒度概率分布曲线(a)和C-M分布图(b)Fig.5 Grain-size probability curves (a) and C-M diagram (b) of the fan delta of the Liushagang Formation second member

3.3.2 测井相特征

通过对W17-5b井壁心及电阻率ERMI成像特征分析表明，研究区扇三角洲沉积体系主要发育块状层理、槽状交错层理、楔状交错层理、波状层理等，见冲刷面(图6)。同时，ERMI成像分析表明，钻井揭示的厚层箱状砂岩是由多期水道的叠加组成，水道间以冲刷面为界，向上岩性逐渐变细，呈正韵律特征。

测井曲线特征也表明，钻井中厚层砂岩的测井曲线以箱形-钟形-漏斗形为主，而薄层砂岩则以指形-齿形为主。沉积相带的位置不同，测井曲线组合形态也表现不同特征，W23-6井位于扇三角洲前缘近端，水下分流河道发育，曲线组合以箱形、钟形为主，少量漏斗形和指形；W17-5a井位于扇三角洲前缘远端，主要发育河口坝和远砂坝，曲线组合以漏斗形和指形为主，少量齿化箱形、钟形，反映随着搬运距离增加砂岩粒度、厚度逐渐减小，而泥岩含量逐渐增加的特征。

3.3.3 地震相特征

由于受上亚段厚层中深湖相泥页岩的地震“屏蔽”作用影响，中亚段粗碎屑储集层地震响应特征并不十分明显，整体表现为中等连续性、中-低频、中-弱振幅反射特征。在顺物源方向的地震剖面上，扇三角洲常见叠瓦型、斜交复合型前积结构，垂直于物源方向则表现为透镜状双向下超、宽缓的丘型反射特征(图7)，反映较高的沉积物供给速率。围岩主要表现为相互平行或大致平行的中-弱振幅反射特征，表明处于相对低能的沉积环境。

图6 W17-5b井钻井壁心及电阻率成像特征Fig.6 Characteristics of sidewall core and resistivity imaging of well W17-5b

3.4 断裂控砂模式

F7断裂不同分支断裂的活动性或同一分支断裂在不同位置的活动性均存在明显的差异，使得局部沉降中心、源-渠-汇也存在差异，这种差异控制了扇三角洲的分布及沉积模式。

通过对南陡坡带断裂展布、活动性、控沉积作用及实钻资料分析，研究总结了F7断裂3种控砂模式:断崖带多点源小型扇三角洲沉积模式、断坡带大-中型扇三角洲沉积模式和断裂转换带大型扇三角洲沉积模式(图8)。其中断崖带多点源小型扇三角洲沉积模式主要发育在F7-1分支断裂下降盘，由于该断裂较直立，断面在地貌上形成断崖带，在这种地貌背景下，断裂根部常发育以点物源为主的小型扇三角洲沉积，或多个小型扇三角洲相邻发育，呈“裙边状”展布，这种类型扇三角洲为近岸近源堆积，沉积物结构及成分成熟度一般较差。断坡带大-中型扇三角洲沉积模式主要发育在F7-2断裂带中部，该断裂两侧直立中部平缓，中部在地貌上形成断坡带，具有比较有利的物源汇聚路径，以发育大-中型扇三角洲为主，沉积物结构及成分成熟度中等，W22-2井流二段中亚段钻遇了厚层箱状中-细砂岩，分选中等，磨圆以次棱-次圆为主。断裂转换带大型扇三角洲沉积模式主要发育在F7-1断裂与F7-3断裂以及F7-3断裂与F7-4断裂之间的低洼带或横向褶皱区域，该区域汇聚水系能力强，是沉积物入口的最有利位置，沉积物搬运距离较远，结构及成分成熟度相对较高。

图7 乌石凹陷南陡坡带扇三角洲地震剖面(剖面位置见图1)Fig.7 Seismic cross section of the fan delta in the southern steep slope, Wushi Sag (location shown in Fig.1)(a)顺物源方向地震剖面；(b)垂直物源方向地震剖面

综上所述，研究区大-中型扇三角洲分布主要受控于F7断裂的断裂转换带和断坡带，W17-6、W22-5、W22-7c井区及周缘的断裂转换带和W22-2井区及周缘的断坡带砂岩最发育。研究恢复了流二段中亚段沉积体系分布，反映扇三角洲展布与断裂体系特征有很好的匹配关系(图9)。

图8 F7断裂发育样式及控砂模式Fig.8 Development pattern and sand-controlling model of F7

图9 乌石凹陷南陡坡带流二段均方根振幅属性(RMS)和平面沉积相图Fig.9 RMS amplitude and sedimentary facies map of the Liushagang Formation second member in the southern steep slope, Wushi Sag

4 储层物性差异性分析

图10 乌石凹陷南陡坡带流二段储层物性特征Fig.10 Reservoir physical characteristics of the Liushagang Formation second member in the southern steep slope, Wushi Sag(a)水下分流河道砂岩孔隙度与埋深关系；(b)水下分流河道砂岩渗透率与埋深关系；(c)沉积微相-孔隙度统计图；(d) 沉积微相-渗透率统计图；(e)W22-2井3 680 m样品砂岩铸体薄片镜下照片；(f)W17-6井3135.5m样品砂岩铸体薄片镜下照片；(g)砂岩分类三角图；(h)研究区分区图

通过对9口钻井壁心实测物性统计分析表明，研究区储层物性除了与埋深及沉积相带有密切关系外，与井区位置也有明显相关性。储层孔隙度、渗透率与埋深总体呈线性负相关(图10(a)和(b))，随着埋深增大，孔隙度、渗透率逐渐减低。从沉积相带来看，扇三角洲水下分流河道物性最好，河口坝次之，远砂坝和席状砂较差(图10(c)和(d))。从井区所处位置来看，中-西区物性(特别是渗透率)要明显好于东区。以位于中-西区的W23-6、W22-2井为例，两口井水下分流河道孔隙度平均值为15.4%，渗透率平均值为45.4×10-3μm2，多为中孔、中-低渗特征；河口坝孔隙度平均值为12.1%，渗透率平均值为27.1×10-3μm2，多为低孔、低渗特征；席状砂和远砂坝孔隙度、渗透率平均值分别为9.1%和2.3×10-3μm2，多为特低孔-特低渗特征。而位于东区的W17-5b、W17-6井水下分流河道孔隙度平均值为13.4%，渗透率平均值为0.33×10-3μm2，多为低孔-特低渗特征；河口坝孔隙度平均值为10.5%，渗透率平均值为0.19×10-3μm2，多为低孔-特低渗特征；而远砂坝和席状砂则物性更差，绝大多数为特低孔-特低渗特征。统计发现，在相同岩性(中砂岩)相同微相(水下分流河道)相同埋深情况下，中-西区渗透率明显高于东区(图10(b))。镜下薄片观察表明，中-西区溶蚀作用强，长石溶蚀孔、粒间溶孔常见，而东区溶蚀作用弱，碎屑颗粒呈线、线-凹凸接触，填隙物(泥质杂基、黏土矿物、少量碳酸盐胶结)含量高，孔喉连通性差(图10(e)和(f))。溶蚀作用强是中-西区物性好于东区的直接原因。

通过钻井岩石组分、地温梯度、成岩演化及砂岩粒度等对比分析，表明岩石组分的差异是溶蚀作用强弱不同的主要原因，地温梯度、成岩演化及砂岩粒度等也对储层物性有一定影响，但影响作用较小。研究区砂岩岩石类型均以岩屑砂岩为主(图10(g))，但中-西区岩石组分中岩屑含量普遍比东区高15%～25%，主要反映在多晶石英和钾长石含量上，中-西区W22-5井流二段10个薄片样品中多晶石英百分含量平均值为24.5%，钾长石百分含量平均值为12.53%，而东区W17-6井13个薄片样品中多晶石英百分含量平均值为11.07%，钾长石百分含量平均值为7.88%。中-西区岩石组分中不稳定矿物含量高，在酸性水介质条件下，钾长石等不稳定矿物最易于溶蚀[34]，次生孔发育而使物性变好。同时，笔者在对碎屑岩中重矿物组分分析时发现，中-西区重矿物中含体积分数1%～7.8%不等的磁铁矿(图3)，母岩以磁铁矿型花岗岩为主，而东区则不含磁铁矿，推测母岩以钛铁矿型花岗岩为主[35]。母岩类型的差异性导致两个区带岩石组分的差异，进而影响成岩过程中溶蚀作用强弱，使中-西区在相同埋深、相同沉积相带情况下储层物性明显好于东区。

综上所述，乌石凹陷南陡坡带中-西区断坡带、断裂转换带大-中型扇三角洲体系，其水下分流河道和河口坝微相仍具有发育优质储层的条件。

5 结 论

(1)W16-1、W23-6等多井蕨类孢粉含量分析表明在流二段中亚段沉积时期为区域性湖退期，以滨浅湖沉积环境为主，并发育来自南部流沙凸起物源的扇三角洲沉积体系，扇三角洲具近源、分选中-差、磨圆次棱-次圆状、牵引流沉积特征。

(2)受古近纪第二期张裂作用影响，乌石东洼流二段沉积时期平面上主要发育NE向和近EW向两组断裂，扇三角洲砂体分布主要受控于NE向展布的F7断裂，根据断裂展布及活动性分析，总结了断崖带、断坡带及断裂转换带3种构造样式及断崖带多点源小型扇三角洲、断坡带大-中型扇三角洲和断裂转换带大型扇三角洲三种控沉积模式，位于断坡带的W22-2井和断裂转换带的W17-6、W22-5井分别揭示大-中型扇三角洲和大型扇三角洲的发育。

(3)在相同沉积微相及埋深下，中-西区渗透率明显高于东区，溶蚀作用强弱是物性差异性的直接原因。分析表明中-西区母岩为磁铁矿型花岗岩，东区母岩为钛铁矿型花岗岩，母岩类型不同而导致的岩石组分差异是溶蚀作用强弱的主要因素，中-西区岩石中含较高的钾长石等不稳定矿物，溶蚀孔发育，渗透率变好。