济阳坳陷渤南洼陷沙四下亚段沉积序列及石油地质意义

2019-06-03朱正杰张瑞刚李良林

中国石油勘探 2019年3期

陈阳张扬朱正杰张瑞刚李良林陈威刘鹏

（1 外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室；2 重庆地质矿产研究院;3 中国石油长庆油田公司第六采油厂；4 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院）

0 引言

断陷盆地形成早期发育的沉积类型多以冲积—河流体系形成的“红层”为主[1-2]，代表着浅水环境下的氧化环境，缺少诸如湖泊这样的大型汇水区，因此以往在对“红层”的油气成藏分析中多侧重于油气来源和输导体系[3-5]，认为“红层”多为“它源成藏”。渤南洼陷位于渤海湾盆地济阳坳陷勘探老区，勘探程度较高，但其沙四下亚段为高勘探区的低勘探层系，多年来一直认为沙四下亚段以冲积扇、辫状河沉积为主[6-9]，广泛发育砂砾岩体和红色泥岩，成藏受控因素众多，油气勘探空间小[5，10]，勘探步伐缓慢；随着钻井数量逐年增加，大量的取心资料揭示出渤南洼陷沙四下亚段沉积体系有别于“红层”的另类特征，沉积体系认识的变化必然会对油气勘探思路和方法的转变产生影响。因此，本文应用最新的钻井资料，在识别出一系列沉积相类型基础上，通过地貌背景分析对沉积相的展布特征进行重新认识，最终指出沉积新认识所带来的石油地质意义。研究结果不但为渤南洼陷沙四下亚段的油气勘探奠定了基础，而且可为其他断陷盆地发育早期“红层”沉积的再认识提供思路借鉴。

1 区域地质概况

渤南洼陷位于渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷之中，四周被凸起区和潜山带所环绕（图1），其在经历了几十年的油气勘探实践后，浅层勘探程度已较高，深层勘探程度相对较低，是济阳坳陷深层攻关的主要目标区之一。在济阳坳陷宏观的构造演化背景下，渤南洼陷燕山末期为裂陷期，新生代古近纪为断陷期，裂陷期与断陷期区域构造应力场存在差异，造成盆地格局、沉积充填等差异大，孔店组和沙四下亚段沉积时期为断陷早期[11-13]，沙四上、下亚段沉积时期为断陷早、中期分界点[14]，处于构造应力场转型阶段，因此沙四下亚段这一断陷盆地早期具有较为特殊的沉积充填方式。渤南洼陷自下而上充填的地层分别为古近系、新近系及第四系，研究层位古近系沙四下亚段厚度介于200m到500m之间，埋深普遍大于3000m，前人认为属于干旱环境下的一套红色地层[15]，沉积物以冲积扇、辫状河等形成的砂砾岩体为主，储层较发育，但由于埋深大储层物性普遍较差，优质储层预测存在难度。逐年来随着勘探的深入，钻遇沙四下亚段的探井相继发现油气显示，其中罗68井在沙四下亚段试油获得日产几十吨的工业油流，展示出研究区红层良好的勘探前景。

图1 渤南洼陷沙四下亚段区域构造位置图Fig.1 Structural position of the lower Es4 in Bonan sag

2 沉积相类型

随着钻井数量的不断增加，取心资料愈加丰富，一些湖相沉积背景下的沉积类型逐渐被认识，主要有辫状河三角洲及湖泊。因此，综合冲积体系的以往认识，形成了冲积扇—辫状河—辫状河三角洲以及湖泊这一较为完整的沉积序列。

2.1 沉积相类型的固有认识

冲积扇、辫状河是研究区固有的认识。其中冲积扇以砂砾岩沉积为主（图2a、b），在扇端部位存在含砾砂岩（图2c），粒度概率累积曲线呈“一段式”（图3a），粒度粗、成熟度低、磨圆差、分选差、储集物性变化大为其主要特征，总体上具有明显的重力流沉积特征，扇根、扇中、扇缘亚相在岩性类型、砂体单层厚度、电性特征、沉积构造等方面都存在明显差异；辫状河岩性以浅灰色、棕色细砾岩、含砾砂岩、中—粗砂岩、细砂岩和红色泥岩（图2d、e）为主，常形成正旋回剖面，底部砾石具叠瓦状排列，常见块状层理、板状交错层理、波状交错层理和平行层理（图2f），自然电位曲线多呈箱形中高幅负异常，其次为钟形，视电阻率曲线为锯齿状中高幅异常。

图2 渤南洼陷沙四下亚段沉积构造特征Fig.2 Sedimentary features of the lower Es4 in Bonan sag

图3 渤南洼陷沙四下亚段粒度概率累积曲线Fig.3 Cumulative curve of particle size probability of the lower Es4 in Bonan sag

2.2 沉积相类型的再认识

随着钻井取心资料的增加，根据大量钻井剖面、岩性岩相特征、沉积韵律、沉积构造和水动力条件等资料，认为研究区辫状河的前端还存在辫状河三角洲以及湖泊，此外陡坡带砂砾岩直接入湖还形成了扇三角洲。

2.2.1 湖泊

研究区多口探井的取心段中均显示出了湖泊相的特征。但沙四下亚段沉积时期湖域面积较小，主要分布在北部洼陷带和陡坡带，并在不同的沉积时期湖相泥岩颜色深浅略有差异，表现出了滨浅湖、半深湖等不同的湖泊亚相类型，同时在某些沉积时期，研究区气候干燥、蒸发强烈，湖盆面积缩小形成膏质泥岩乃至膏盐岩，又形成了盐湖环境。

滨浅湖亚相距离湖岸相对较近，水动力条件相对较强。其中滨湖亚相受河流入湖的冲积水流和湖泊沿岸流、波浪来回冲刷、淘洗，发育的沉积物接近水面，有时出露水面，处于弱氧化—弱还原环境，发育粗碎屑物质和黄绿色泥岩（图2g）；浅湖亚相水体较滨湖深，沉积物受波浪和湖流作用的影响较强，岩性以粉砂岩和浅灰色泥岩为主，有时夹杂自三角洲平原沼泽相中冲积而来的黑色炭屑（图2h）。

半深湖亚相距离湖岸相对较远，地处乏氧的弱还原—还原环境，水动力条件弱，主要为湖流，岩性以暗色泥岩为主（图2i、j），具有粉砂岩、化学岩的薄夹层或透镜体（图2k），可见菱铁矿和黄铁矿等自生矿物（图2l）。值得注意的是，研究区沙四下亚段沉积期伴随着干旱、半干旱气候条件[14-16]，出现间歇性的盐湖，形成了膏质泥岩和泥质膏岩沉积（图2m、n）。

2.2.2 辫状河三角洲

大量的钻井岩心资料表明研究区深洼带存在湖泊，而斜坡带的辫状河入湖必然形成辫状河三角洲。辫状河三角洲的陆上沉积区为三角洲平原亚相，主要分为辫状河道、洪泛平原、河间洼地和河间沼泽等微相，其中辫状河道微相是辫状河三角洲平原的主体，岩性为砾岩、中—粗砂岩、含砾砂岩、含砾泥质岩及红色泥岩等，岩心观察表明研究区辫状河道中含砾砂岩分布广泛，砾石磨圆度差，以次圆—次棱状为主（图2d），同时含砾砂岩中往往伴随着板状交错理及平行层理（图2d、f），反映出水动力条件相对较强的沉积特征；此外粒度概率累积曲线呈“三段式”（图3b），滚动、跳跃、悬浮组分都有发育，沉积物分选性相对较差。

辫状河三角洲前缘亚相是三角洲平原亚相向水下的延伸，其又可细分为水下分流河道、河口坝、席状砂等微相。但由于研究区发育的湖泊面积较小，辫状河沉积物入湖后展布的范围较为局限，沉积物分异不充分，形成的微相边界较难界定，研究区钻井岩心中以粉砂岩、细砂岩和含砾砂岩居多，且可见较为明显的平行层理（图2o、p)，反映了水动力条件较强的水下分流河道沉积，其粒度概率累积曲线多呈“两段式”（图3c、图4），反映出典型牵引流的沉积特征，其中跳跃段斜率较大，代表着沉积物分选性相对较好。

图4 渤南洼陷义193井沙四下亚段单井相Fig.4 Sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag in Well Yi 193

2.2.3 扇三角洲

扇三角洲是指冲积扇直接入湖形成的一种沉积类型。研究区湖泊相的存在使陡坡带物源区紧邻湖盆水体，季节性洪流剥蚀物源区形成冲积扇，冲积扇进入湖盆水体形成扇三角洲。

扇三角洲平原主要指陆上的冲积扇部分，其由于常被剥蚀而保存不全或不被保存，可细分为泥石流、辫状分流河道、泛滥平原和溢岸沉积。泥石流沉积由厚层块状砾岩组成；辫状分流河道沉积岩性主要为灰色砾岩、含砾砂岩和粗砂岩，底部冲刷，有大量滞留沉积形成的砾石，砾石磨圆较差（图2q）；泛滥平原沉积主要由棕色块状泥岩组成（图2r），代表了陆上暴露环境，泥岩厚度较薄，为1～3m；溢岸沉积岩性主要为灰色粉砂岩，分选中等。

扇三角洲前缘是冲积扇入湖之后的部分，可进一步划分为水下分流河道、河口坝、前缘席状砂等微相。其中水下分流河道是陆上辫状分流河道向水下的延伸部分，研究区发育的水下分流河道岩性自下而上由灰色、灰白色含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩及粉砂岩组成，构成正粒序，在上部砂岩之中可见平行层理（图2s），粒度概率累积曲线呈“三段式”特征，其中滚动组分较多（图3d），具有重力流和牵引流的双重水动力特征；河口坝位于分流河道前缘，岩性为灰色细砂岩，砂体单层厚度为2～4m，由于枯水期与洪水期的交替[15]，泥质粉砂岩等细粒沉积物也有出现；前缘席状砂沉积主要由灰色泥岩夹粉砂岩、细砂岩组成，砂岩分选相对较好，单砂体厚度为1～2m。

3 沉积相展布再认识

在冲积—河流体系的以往观点指导下，前人只认识到四周物源区形成的冲积扇和辫状河向洼陷中心汇聚，而冲积扇的主要冲积方向以及辫状河的形态等沉积展布特征并未进行深入的研究[5-6]，在认识上还存在着一些争议。本次研究在“源—汇”理论体系指导下[17-18]，先从“源”出发，通过原始沉积边界的恢复来推测物源区沉积物的主要冲积方向；后从“汇”的角度，通过沉积中心的分析判断汇水区位置，从而由“源”到“汇”明确沉积展布。

3.1 原始沉积边界恢复推测古水流方向

断陷盆地的演化过程往往伴随着多期构造运动[19-20]，因此断陷盆地演化早期发育的地层在中后期都会不同程度地遭受抬升剥蚀[20]，研究区沙四下亚段也是如此。因此，仅依据现今残留地层特征来进行沉积规律分析，其结果往往有多解性。基于此，本文首先优选剥蚀厚度恢复方法进行剥蚀厚度恢复[21-22]，进而还原原始沉积边界，而后根据原始沉积边界展布特征确定古冲沟位置，最终依据“沟扇对应”关系推测古水流方向。

研究结果表明：渤南洼陷沙四下亚段沉积晚期陈家庄凸起发生强烈构造抬升，其南部地层遭受大规模剥蚀，剥蚀地层厚度最大可达170m，其与沙四上亚段之间为二级不整合面[14]；沙四下亚段的原始沉积边界普遍南移2～6km，在平面上呈现出多个古冲沟，其中东、西两侧古冲沟规模较大，中间发育的两个古冲沟规模相对较小（图5），由此根据古冲沟发育的位置可推断研究区南部应至少存在4个扇群，古冲沟发育的形态又决定了扇群的冲积方向为北北西向（图5），扇体前端漫流汇聚之后形成的辫状河在古地形的控制下又改向北北东方向，最终汇聚到洼陷之中（图5）。

图5 渤南洼陷沙四下亚段沉积相展布Fig.5 Distribution of sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag

3.2 沉积中心分析确定湖盆范围

所谓沉积中心是指某一沉积时期，地势最低、沉积地层厚度最大的区域，研究过程中往往根据地层厚度来判断沉积中心的位置。而在湖盆之中，沉积中心代表着水体深度最大的区域，这一区域沉积的暗色泥岩厚度通常也是最大的，因此可以根据暗色泥岩的分布特征来确定湖盆的范围及其沉积中心。

在测井数据校正岩屑录井数据基础上，依据渤南洼陷沙四下亚段所有钻井的岩屑录井数据，结合取心资料，明确了这一沉积期暗色泥岩主要发育在北部深洼带，最大厚度超过60m（图5），呈环带状由洼陷边缘到中心逐渐增厚。考虑到岩屑录井过程中录井人员可能存在对泥岩颜色误判的情况，本文取暗色泥岩厚度20m等值线作为湖盆边界，保守推测了湖盆范围，结果显示：渤南洼陷沙四下亚段沉积期湖盆范围较为局限，在北部深洼带呈北西西向展布，与西北部的郭局子洼陷湖盆连为一体（图5），在沉积中心的控制下，各物源区形成的扇体或河道的冲积方向均指向沉积中心。

3.3 源—汇体系控制下的沉积模式

源—汇体系指导下[17-18]，沉积物由物源区到汇水区有序变化、连续分布。其中陈家庄凸起和孤岛潜山南部物源区距离汇水区较远，地形坡度较缓，沉积物自物源区冲出山口首先形成冲积扇，在较缓的地形背景下冲积扇前端逐渐演化为辫状河，辫状河道冲积方向指向汇水区，进入汇水区之后形成辫状河三角洲，多期三角洲相互叠置，砂体叠合连片（图6）；而埕东凸起、义和庄凸起以及孤岛潜山北部物源区紧邻汇水区，地形坡度较大，沉积物自物源区冲出山口直接进入汇水区，从而形成扇三角洲，扇三角洲受控于局限的湖盆范围，展布范围有限（图6）。

图6 渤南洼陷沙四下亚段沉积模式Fig.6 Distribution of sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag

4 冲积扇—湖泊沉积体系再认识的石油地质意义

4.1 湖相暗色泥岩具有一定的生油气潜力

湖相沉积体系的新认识得益于暗色泥岩的发现，而这套暗色泥岩具有一定厚度的同时，在地球化学参数上也指示具有一定的生油气潜力，需要说明的是，本文涉及的所有样品地球化学方面的测试均由中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院石油地质测试中心完成。首先，在有机质丰度上，发现的暗色泥岩有机碳含量（TOC）介于0.05%～0.99%之间，虽整体偏低，但也有个别样品有机碳含量达到了0.99%（表1），高于国内外普遍认为的有效烃源岩下限0.4%～0.6%[23]，此外氯仿沥青“A”的含量多大于0.01%，已经脱离了非烃源岩的范畴[23]，在有机质丰度上为潜在的烃源岩；其次，在有机质成熟度上，镜质组反射率（Ro）较高，两个样品点的测试结果均大于1.0%（表1），已达到有机质热演化程度的成熟—过成熟阶段[23]，因此前文所述反映有机质丰度的氯仿沥青“A”含量较低可能是烃源岩过成熟所致；再者，生烃潜力分析显示所有的样品点S1+S2值均较小，只具有生成天然气的潜力，但热解峰温（Tmax）值却普遍大于450℃（表1），处于主要的生油带范围内；此外，对有机质类型测定发现所有样品点有机质类型均为Ⅱ—Ⅲ型（表1）。值得一提的是，本次进行的地球化学参数测试，受控于取心段中暗色泥岩较发育的井均处于湖泊边缘（图5），没有真正取到湖盆中心的暗色泥岩，因此测试的样品点并不能完全代表研究区沙四下亚段烃源岩的生烃潜力，据此评价的结果可能低于真实的生烃潜力。实际上研究区沙四下亚段所获原油的生物标志化合物特征显示出不同于传统主力烃源岩——沙三段及沙四上亚段烃源岩生物标志化合物的特点，疑似沙四下亚段与沙四上亚段烃源岩的混源油[5]，由此认为研究区沙四下亚段暗色泥岩具有成为有效烃源岩的可能，具有一定的生烃潜力。

表1 渤南洼陷沙四下亚段烃源岩地球化学参数表Table 1 Geochemical parameters of source rocks of the lower Es4 in Bonan sag

4.2 湖泊—三角洲沉积体系可提供沉积体与储集空间

研究区沙四下亚段沉积体系的再认识给油气储集方面带来的石油地质意义分为两个方面：①辫状河三角洲与扇三角洲沉积的新认识为油气储集场所提供了物质基础，二者主要发育在北部深洼带湖盆之中，展布范围相对较大（图5），尤其是辫状河三角洲砂体在经过了较长距离搬运之后，成分成熟度和结构成熟度相对较高，所形成的储集体抗压实能力相对较强，具有较多的孔隙空间，为有利储集体的形成奠定了物质基础。②沉积的湖相暗色泥岩虽在生烃能力大小方面暂未定论，但暗色泥岩在埋藏热演化过程中必然会在不同阶段产生不同类型的酸性流体，如热演化初期会在厌氧细菌的作用下产生腐殖酸、富非酸等酸性流体，热演化早、中期又会产生有机酸，酸性流体可使各类型沉积砂体发生溶蚀作用形成次生孔隙带，实际上研究区沙四下亚段2500～4500m普遍发育次生孔隙，当埋深达到4000m时孔隙度仍能高达15%、渗透率大于10mD（图7）；在沉积相类型上，冲积扇、辫状河及辫状河三角洲沉积体中均发育较多的次生溶蚀孔隙，而近源沉积的扇三角洲砂体抗压实能力较弱，在现今普遍埋深超过4000m的地层中物性较差，储层致密，为无效储层。总体上，得益于湖泊—三角洲沉积体系的再认识，研究区沙四下亚段存在有利储集体发育的沉积条件和成岩条件，由洼陷到盆缘、由深至浅依次发育辫状河三角洲、辫状河、冲积扇有利储集体（图5、图7），因此在寻找有利储集体的过程中应注重酸性流体的成岩改造作用，关注与暗色泥岩毗邻或存在较好输导关系的储集体。

图7 渤南洼陷沙四下亚段物性散点图Fig.7 Physical properties scatters of the lower Es4 in Bonan sag

4.3 断陷盆地早期“红层”沉积再认识可扩大勘探空间

在以往的勘探实践中，认为断陷盆地沉积早期形成的“红层”本身不具备生烃能力，其油气成藏除受控于自身圈闭发育程度外，还主要受储层成岩改造、与上覆层系烃源岩接触关系、是否存在有效输导体系等成藏要素的控制，受控因素较多。因此，以往的勘探中虽钻遇到了多种圈闭类型，但成功的探井多是以岩性—构造圈闭为主，此类圈闭多集中于沟通沙四上亚段烃源岩的断裂带，且砂体较发育的沉积区，这一断裂和砂体均有利的叠合区多处于研究区中南部，钻探的目的层位也仅限于沙四上亚段顶部，中下部钻探较少且无油气发现，总体上在平面上、纵向上的勘探空间都较小。随着断陷盆地早期“红层”沉积的再认识，也即是湖相暗色泥岩与辫状河三角洲前缘砂体的发现使“红层”成藏在油气来源、储层改造、有利圈闭、运移输导等方面的限制都得到适当放宽，勘探空间拓展、勘探潜力增大。