渤南洼陷沙四上亚段膏盐层特征及其石油地质意义

刘 鹏

(1.中国石化胜利油田分公司 勘探开发研究院,山东 东营 257015; 2.中国石化胜利油田 博士后流动工作站,山东 东营 257015)

中国存在众多咸化湖盆,咸化湖盆中往往发育较厚膏盐层,前人普遍认识到膏岩层对油气成藏具有一定的影响[1-3],有关论述主要集中于对油气成藏要素中的烃源岩、储集层、盖层以及油气运移、聚集等所产生影响,前人对膏岩层的石油地质意义虽研究较多,认识的核心主要在于膏盐岩得益于自身的强塑性特征,在其强抗压实和强分隔作用下,其下覆地层中往往形成异常高孔带和异常高压,从而对油气成藏的各个方面产生影响,但普遍忽视了“深水成盐”[4-6]成因的膏盐岩其沉积水体环境以及后期的成岩环境对油气成藏要素所产生的影响。笔者针对渤南洼陷沙四上亚段“深水成盐”膏盐层[7],在分析其特征基础上,开展了膏岩层沉积的石油地质意义再认识,研究结果以期对渤南洼陷沙四上亚段油气勘探实践提供指导。

1 区域地质概况

渤南洼陷属于沾化凹陷中部的一个三级负向构造单元,其北靠埕东凸起,南临陈家庄凸起,西接义和庄凸起,东为孤岛凸起(图1)。受北东、北东东向张性、张扭性大断裂及一系列近东西向断裂的控制(图1),形成了多个次级洼陷和洼间低凸起。洼陷内主要的油气勘探层系为古近系沙河街组,沙河街组从下往上又可分为沙四段、沙三段、沙二段、沙一段,研究层位沙四上亚段位于沙河街组沙四段上部,其与沙四下亚段之间为二级层序界面[8],沉积环境截然不同。沙四上亚段中下部主要为灰色厚层砾岩、砂岩夹滨浅湖暗色薄层泥岩,局部地区出现薄层灰岩、白云岩;到中上部,在洼陷边缘部位以砾岩、砂岩为主,夹薄层泥岩,洼陷中心为厚层泥岩、膏岩夹薄层灰岩(图1)。总体上,渤南洼陷沙四上亚段沉积期属于半咸水的深湖相沉积环境,这一时期四周凸起皆对洼陷提供物源，同时在半咸水的水体环境下，碳酸盐岩、膏盐岩不断沉淀，从而形成碎屑岩、碳酸盐岩与膏盐岩同时发育这一沉积面貌。

2 膏盐层特征

2.1 沉积环境

渤南洼陷沙四上亚段沉积期,古气候温暖潮湿[9]。据硼元素含量定量计算古盐度以及微体古生物化石确定古水深表明:渤南洼陷沙四上亚段低位域沉积期古盐度整体较高且变化较大,约为5.67‰～23.75‰,总体上为半咸水的水体环境[9];而古水深介于0～70 m,存在大面积的深湖、半深湖。在这一半咸水的深湖沉积背景下,火成岩的侵入带来了地下深部热卤水,卤水沿断裂向上运移从而进入湖盆,在湖盆古地貌的控制下流向低洼处并迅速布满整个湖底,在冷凝沉淀作用下形成膏盐层。

图1 渤南洼陷区域地质位置及沙四上亚段地层柱状图

2.2 岩性组成

渤南洼陷沙四上亚段共在34口探井中发现了膏盐岩,据录井资料显示包括盐岩、泥膏岩、石膏岩、石膏质泥岩、石膏质灰岩、石膏质砂岩、石膏质白云岩、含膏泥岩等岩性类型,其中石膏质泥岩和含膏泥岩发育厚度最大,膏岩层厚度占比分别为28%和23%,其次为石膏岩和泥膏岩,分别占比18%和15%,其余占比均小于10%(图2)。在单井中,单一岩性的单层厚度不大,多小于8 m。

图2 渤南洼陷沙四上亚段膏盐层岩性分布统计

2.3 分布特点

图3 渤南洼陷沙四上亚段石膏岩纵向分布及对次生孔隙

渤南洼陷沙四上亚段膏盐层在纵向上主要分布在2 800 m～3 600 m深度段,并在3 200 m处达到膏盐层出现频率的峰值(图3);横向上,膏盐层厚度高值区集中于渤南洼陷的几何中心,呈弯曲的带状近东西向展布,高值区最大厚度可达90 m以上,往周缘厚度减薄,其中在渤南洼陷东侧膏盐层厚度普遍大于30 m,这一区域范围较广,而渤南洼陷西侧膏盐层厚度大于30 m的区域相对东部小(图1)。事实上，膏岩层分布与火成岩侵入具有密切关系，渤南洼陷东侧的孤西断裂带是火成岩侵入的主要通道，因此造成渤南洼陷东侧膏岩层厚度总体大于西侧的现象，此外洼陷西侧也存在局部的火成岩侵入通道，形成了西侧膏岩层厚度的局部高值区。总体上,以洼陷带东西向展布的带状高值区为中心,往南、往北膏盐层厚度都逐渐变薄(图1),厚度递减率在渤南洼陷东部较小、西部较大,致使东、西部膏盐层虽分布范围相当,但东部膏盐层厚度普遍大于西部。

3 膏盐层沉积的石油地质意义

3.1 膏盐层对烃源岩生烃能力的影响

膏盐层由于富含盐类物质会导致其所赋存的水体盐度升高,赋存有膏盐层的较高盐度水体在扩散作用下与邻近的低盐度水体进行交换,从而使整个湖盆中的水体盐度出现升高趋势,水体盐度的升高会使大量湖盆中已经适应低盐度或淡水环境的生物出现死亡,由于河流注入湖盆时携带着大量新的生物,因此这些生物进入高盐度湖泊时继续死亡并沉于湖底,在湖底的还原环境下,生物遗体发生腐烂并与黏土矿物混杂形成腐殖泥相,在生物不断进入湖盆,后又不断死亡、堆积的过程中,大量腐殖泥沉淀下来,为油气的生成奠定了优越物质条件,因此膏盐层沉积层段往往伴随着大量生烃母质的保存。

此外,渤南洼陷沙四上亚段膏盐层为“深水成盐”模式,盐类物质来源于火成岩侵入过程中携带的深部热卤水,而火成岩侵入时往往为深大断裂强烈活动期,因此膏岩层沉积期对应于深大断裂活动时期,这一时期构造快速沉降,湖盆的可容空间快速增大,对应于沉积层序中的湖侵体系域阶段,湖侵体系域是烃源岩的主要发育阶段,因此膏盐层往往与烃源岩共生发育,同时深水成盐模式下膏盐层快速沉积,也使生物遗体与氧气快速隔绝,利于生物遗体向的保存并向有机质转化。同时,在有机质后期埋藏至较高地温环境下时发生热演化作用,此时得益于膏盐层良好的传热功能,在膏岩层发育段以及邻近地层中的地温相对较高,较高的古地温对烃源岩热演化起着积极作用,因此含膏烃源岩或紧邻膏盐层段的烃源岩往往都达到了相对较高的演化阶段,研究区也显示出膏岩层段烃源岩比不含膏盐层段烃源岩有着更高生烃指标的特征(图4)。

图4 渤南洼陷沙四上亚段烃源岩地化指标柱状图

综上所述,膏盐层的发育不但利于有机质的早期保存,而且在有机质热演化过程中还利于有机质往油气转化。此外,大量的研究已经表明膏盐层分隔作用强,在其之下往往发育异常高压,而异常高压是烃源岩中油气排出的主要动力之一,因此膏盐层的发育对油气的生成、排出过程都具有积极作用,在此作用下，造成膏岩层段储层致密、物性较低，成为良好盖层，而膏岩层下覆地层中发育的储层物性较高，成为优越储集层，从而组成良好的储盖组合，利于油气的储集与保存。

3.2 膏盐层对储集层次生孔隙发育的影响

从膏盐层的物质来源可知,深部热卤水带来了膏岩层沉积所需的盐类物质,同时热卤水中也夹杂着一定的碱性流体,在碱性流体的影响下,成岩环境进入碱性环境,膏盐层段成岩作用以碱性胶结为主,因此膏盐层发育段胶结率较高,平均在0.6以上;相反,膏盐层发育段溶蚀率较低,总体低于0.5。因此膏盐层沉积段所对应的储集体孔隙中往往充填大量胶结物,次生孔隙发育差,孔隙度较低(图3)。

任何事物都具有两面性,虽在膏盐层段内次生孔隙不甚发育,但在膏盐层上下地层中由于不再受碱性流体的影响,相反受膏盐层段烃源岩强大生烃能力所产生的大量有机酸影响,有机酸在异常高压驱动下进入到膏盐层紧邻的储集体中,从形成酸性成岩环境,酸性环境下大量长石和岩屑强烈溶蚀,溶蚀率可高达0.8,同时这一层段在酸性成岩环境影响下胶结作用不甚发育,胶结率约为0.4,因此往往在膏盐层邻近的上、下储集体中形成次生溶蚀孔隙发育带(图4)。由此可见,膏盐层的沉积对本层内的次生孔隙具有抑制作用,但对紧邻层系的储集体次生孔隙发育具有促进作用。

3.3 膏盐层对油藏类型的影响

大量的前人成果与勘探实践已表明膏盐层是优质的盖层。对于渤南洼陷沙四上亚段沉积的膏盐层,石膏岩单层厚度就普遍达到约4 m(图3),膏盐层的累计厚度更可高达30 m,同时膏岩层的平面分布范围较广,基本覆盖半深湖和深湖相发育区,在横向上的展布也十分稳定(图1),因此认为研究区的膏岩层可对下覆油藏起到封盖作用。此外,近年来随着连续型油气藏概念的提出以及认识的深入[10],认为渤南洼陷沙四上亚段也具备连续型油气藏发育的地质条件,其中膏岩层的强分隔作用应是连续型油气藏形成的主要地质因素之一,因此在渤南洼陷沙四上亚段的下一步勘探部署中应打破传统油藏类型的概念，重视膏盐层覆盖下的致密储集体,通过致密砂岩储层中的“甜点”研究寻找有利储层开展优先钻探，此外在大规模连片的致密储集体中极有可能发育连续型油气藏,油气藏叠合连片,规模较大、勘探意义较高。

4 结 论

(1)渤南洼陷沙四上亚段沉积期为半咸水的深湖环境,沉积的膏盐层岩性以石膏质泥岩和含膏泥岩为主;膏盐层在纵向上主要分布在2 800～3 600 m深度段,横向上厚度高值区呈带状近东西向展布,东部膏盐层厚度普遍大于西部。

(2)渤南洼陷沙四上亚段沉积的膏盐层利于早期有机质保存和后期有机质向油气的转化;膏盐层抑制膏盐层段和促进膏盐层上下地层中次生孔隙发育，从而形成膏盐层段致密、膏盐层段之下储层物性较高的现象，组成有利储益组合。在膏盐层强大的封盖作用下,膏岩层下覆的致密储集体中可能发育连续型油气藏。