塔南凹陷古地貌特征对沉积体系和油气分布的影响

2020-06-17隋立伟

岩性油气藏 2020年4期

隋立伟

（中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院，黑龙江大庆 163712）

0 引言

古地貌恢复对物源分析和沉积体系建立具有重要指导意义，是含油气盆地分析的一项重要研究内容［1］，相关研究也是近年来国内外沉积盆地研究的热点［2-7］。盆地古地貌是由隆起区、斜坡带和坳陷区3 个大的构造单元组成［8］。沉积期古地貌发育及构造活动特征控制着盆地的沉降速率、可容纳空间和沉积中心分布，进而控制盆地沉积体系展布及生、储、盖的组合模式，以及形成圈闭的有效性，最终影响盆地的油气成藏过程［9-12］。

海拉尔—塔木察格盆地（简称海塔盆地）是中蒙边界中生代伸展机制下形成的复杂断陷湖盆。盆地发育受滨太平洋俯冲带、索伦缝合带和蒙古—鄂霍茨克缝合带的影响，地球动力学特征复杂，盆地经过多期演化，构造运动频繁，断裂发育及油气富集规律复杂［13-14］。塔南凹陷位于海塔盆地中部断陷带的南端，是海塔中部断陷带最重要的含油气凹陷。古地貌分析及构造演化特征研究对揭示物源方向、沉积区、沉降中心的空间变化关系、沉积相展布及油气成藏规律分析具有重要指导意义［15-17］。本文通过定量恢复塔南凹陷不同地质历史时期的古地貌发育特征结合井、震信息，明确古地貌对沉积体系和油气分布的控制作用，为塔南凹陷的下步勘探工作指明方向。

1 塔南凹陷地质特征

1.1 区域地质概况

塔南凹陷是海塔盆地中部断陷带的富油凹陷，面积3 500 km2［18］，受NE，NEE 向基底大断裂控制，呈现“三凹三隆”的构造格局，分别为东部断鼻构造带、东部次凹、中部潜山断裂带、中部次凹、西部潜山断裂带、西部次凹和西部斜坡带［19-20］［图1（a）］。凹陷自下而上依次发育铜钵庙组、南屯组、大磨拐河组、伊敏组及青元岗组等5 套地层，南屯组为烃源岩，主力产油层为铜钵庙组和南屯组［图1（b）］。

图1 塔南凹陷次级构造单元划分（a）及沉积综合柱状图（b）Fig.1 Division of tectonic sub-unit（a）and sedimentary column（b）in Tanan Depression

1.2 构造演化特征及断层变形机制

研究区断层为继承性生长断层，其活动时期为铜钵庙组沉积期、南屯期组沉积和伊敏组沉积末期。断层在平面上主要呈NE 向或NNE 向，部分次生断层为NW 向或NNW 向。在剖面上为似花状，这表明断层具有走滑性质（图2）。通过对塔南凹陷断层的运动学与几何学研究表明，塔南凹陷共经历了4 个演化阶段，分别为残留盆地期、断陷期、断坳转换期和坳陷期［13，21］。断层活动受控于3 期构造应力场（图3）。

图2 塔南凹陷典型地震剖面Fig.2 Typical seismic section of Tanan Depression

图3 塔南凹陷构造演化特征及断层变形机制Fig.3 Tectonic evolution characteristics and deformation mechanism of faults in Tanan Depression

（1）残留盆地期。为铜钵庙组沉积期（T5—T3），其沉积为受古地貌影响的“填平补齐”式，其构造应力场为NE—SW 张性应力场，地层沉积东陡西缓。铜钵庙组厚度变化较大，为100～500 m，沉积中心并不受主干基底断裂的控制，而是与负向构造的古地貌形态相吻合。

（2）断陷期。为南屯组沉积期（T3—T22），该时期断裂活动性强，受同沉积断层影响，地层厚度变化大，该时期构造应力为东西向拉张应力，发育大量小型正断层，地层伸展作用明显。南屯组沉积末期，构造活动强烈，南屯组顶面形成了一套区域性不整合面。

（3）断坳转换期。为大磨拐河组沉积初期至伊敏组沉积末期（T22—T04）。凹陷由断陷期向坳陷期转变，进入伊一段沉积期，断裂活动基本停止。伊二、三段沉积期，构造活动强烈，烃源岩进入排烃期，早期NE向的伸展断裂继承性发育，断层再次活动，输导通道开启，控制凹陷内部的油气运移。

（4）坳陷期。青元岗组与下伏地层为角度不整合接触，其底部为一套含砾粗碎屑岩，地层厚度为100～300 m。在伊敏组沉积末期，盆地发生了反转。

2 古地貌恢复

2.1 古地貌恢复原理及流程

古地貌恢复基于井、震及沉积资料的丰富程度，其恢复精度有一定差异［22］。古地貌恢复方法主要有：层序地层法、印模法、地球物理法、沉积学法及残余厚度法等［23-28］。本次在深入调研国内外古地貌恢复原理和技术方法后，基于体积守恒原理和地层骨架压实模型进行古地貌恢复。古地貌恢复工作由构造恢复和沉积恢复两部分组成。构造恢复包括地层深度等时界面加载、加载剥蚀量、断距消除及层拉平过程，其中断陷盆地的断距消除工作尤为复杂，须先明确断裂形成时期和活动次序，对多期活动的断层依次进行断距回剥。沉积恢复是基于地层压实骨架模型对地层进行去压实校正，最终得到适用于断陷湖盆的古地貌定量分析的技术理论方法。

2.2 剥蚀量计算

剥蚀量恢复在原型古地貌构建过程中十分重要，剥蚀量的计算方法有很多［29-30］。在井控地区，主要采用声波时差法，剥蚀量比较容易得到。无井控地区剥蚀量恢复工作是此次研究的难点。利用研究区三维地震资料，将地层剥蚀特征划分为4 类（图4）：

A 类剥蚀为凹陷边缘顶面的角度不整合面，为构造成因。这种剥蚀主要发育在塔南坳陷的西部斜坡区，地层沿凹陷底面逐渐向边缘上超，楔形减薄。剥蚀量h可表征为零剥蚀点（首次出现明显剥蚀的位置）和边界处第一个未沉积点两者之间的差值。

图4 塔南凹陷剥蚀类型及计算方法Fig.4 Eroded strata types and thickness restoration methods in Tanan Depression

B 类剥蚀为同沉积断层控制的地层掀斜隆起剥蚀，在凹陷局部地区发育，为构造成因。发育的地层受同沉积断层控制发生旋转、翘倾出露部分遭受削蚀，地震反射具有明显的削截特征。其剥蚀厚度h与未发生剥蚀地层的厚度近乎相等。所以，利用地层趋势法将剥蚀区厚度补出即可，剥蚀线上各点到地层延长线的距离h即为该点上的剥蚀厚度。

C 类剥蚀为古潜山地层剥蚀，为构造成因。受构造运动影响，凹陷内部沉积斜坡发生抬升隆起形成潜山。潜山带两侧沉积的地层保留基本完整，地层的变化趋势保持基本不变。因此，潜山带地层剥蚀量h为两侧地层趋势连接线之间的垂直距离。

D 类剥蚀为凹陷带内的平行不整合面，为沉积成因。在地震剖面上没有明显的剥蚀点，不整合面与地层界面基本平行，剥蚀厚度计算可根据全区地层厚度变化特征进行综合插值。

2.3 压实系数确定

古地貌恢复工作中地层去压实校正是一项重要的基础工作。根据地层压实骨架模型建立孔隙度变化与深度之间的定量关系式，来恢复地层的压实厚度。不同岩性发生压实作用时存在一些差异，断陷湖盆中的泥岩、砂岩的初始孔隙度分别为52%和50%，经压实后可降到10% 以下［33］。根据以往的研究成果［34-35］，地层孔隙度随深度增加有规律地减小，孔隙度与深度之间存在以下关系

式中：Φ为地层深度H处孔隙度，%；Φ0为地表初始孔隙度，%；C为压实系数；H为深度，m。

实验研究表明，泥岩压实系数比砂岩压实系数大，而碳酸盐岩压实系数介于泥岩与砂岩之间。利用实测孔隙度数据建立塔南地区泥岩、砂岩孔隙度与深度的数学定量关系式（图5）。

2.4 古水深估算

古地貌研究中古水深确定比较困难，目前主要用沉积环境进行分析，包括沉积相、沉积构造地球化学资料以及古生物化石来推断古水深。一般通过经验值去代替古水深，冲积—河流相古水深为0 m；滨湖相古水深小于5 m；浅湖亚相的古水深为5～20 m；深湖亚相的古水深为20～50 m 或更深；扇三角洲沉积环境的古水深不超过30 m［31］。利用构造建模软件输入地层古水深、压实系数、泥质含量（不同岩性的压实具有差异性）以及加载地层剥蚀量，自下而上按断层的活动时期对断层进行逐一的断距恢复、地层的层拉平以及去压实作用，最终得到该地质历史时期的古地貌图件，并进行精细修正，消除断距和横向差异的压实影响。

图5 塔南坳陷泥岩、砂岩孔隙度随深度的关系曲线Fig.5 Variation curves of porosity of mudstone and sandstone versus depth in Tanan Depression

3 塔南凹陷古地貌对沉积的控制作用

根据文献［8］报道，E.H.佩尔米亚科夫建议，以该地区的深度平均值为界限，小于深度平均值的地区定为相对坳陷区。大于平均深度地区界定为斜坡区和隆起区。其中，以大于平均深度一半的区域确定为隆起区，而介于隆起区与坳陷区之间的过渡区为斜坡区，进一步将古地貌按照深度标准划分古隆起、古斜坡和古坳陷等3 个次级构造单元。通过上述方法，恢复了海塔盆地塔南凹陷铜钵庙组和南屯组沉积前古地貌，由于塔南凹陷面积大、构造演化复杂，凹陷不同部位不同时期古地貌特征及沉积体系具有明显差异性。

铜钵庙组沉积前为山间残留盆地［15，21，32］，古地貌表现为“东陡西缓、南低北高”的特征。地貌古海拔为-2 835.3～1 283.3 m，其中0 m 仅代表古海拔为0 m 的点，它可以位于整个地貌的斜坡区或者隆起区，正负向构造差异明显，表现为多沉降中心和多物源沉积特征［图6（a）］。西部次凹高差变化小，坡度平缓，表现为“洼浅水浅”的特征，东部次凹受先存古基底断裂控制，形成的洼槽陡而深，且有“洼深水浅”的特征，该时期沉积以砂砾岩快速堆积为主，湖相泥岩不发育。

铜钵庙组下段沉积主要为冲积扇—扇三角洲—滨浅湖沉积。冲积扇形成与分布受控于凹陷北部规模较大的古斜坡区，基底古隆起遭受风化剥蚀，沉积物剥落就近以冲积扇形式杂乱堆积到凹陷内部沉降中心（图7）。扇三角洲的物源来源于凹陷外部，为NW—SE 向，其次为同沉积断层控制的NE向扇三角洲［图6（b）］。铜钵庙组上段的沉积类型为扇三角洲—近岸水下扇和少量的滨浅湖沉积（图819-7-2 井）。近岸水下扇的位置与早期形成冲积扇的区域重叠，两者的形成条件都是在较陡的古隆起及古斜坡区域，近岸水下扇形成表明隆起区附近的沉降中心具有一定的水深［图6（c）］。

图7 塔南凹陷沉积相类型、岩心特征及识别标志Fig.7 Sedimentary facies types，core characteristics and identification marks in Tanan Depression

图8 塔南凹陷油气成藏模式Fig.8 Hydrocarbon accumulation model in Tanan Depression

南屯组沉积期，沉降中心与烃源岩厚度分布能很好匹配。古地貌洼槽沉降中心向凹陷中部次凹迁移，4 个沉降中心控制了南屯组4 个主要的生烃中心［图9（a）］。该时期仍是NW—SE 向物源为主，NE 向和凹陷内部局部隆起为次要物源。与铜钵庙组沉积期相比，该时期凹陷处于断陷期，断裂活动性强，凹陷进一步扩张，在拉张应力场作用下NE 向伸展断层继承性发育，同沉积作用明显。

图9 塔南凹陷南屯组古地貌特征及沉积体系Fig.9 Paleogeomorphologic characteristics and sedimentary system distribution of Nantun Formation in Tanan Depression

南屯组沉积期，洼槽水体逐渐加深。随着不断汇水（水进过程），沉积稳定，发育了南屯组主力烃源岩。南一段沉积期，主要发育近岸水下扇—扇三角洲—湖底扇—滨浅湖沉积，且近岸水下扇受古隆起和陡坡区控制。凹陷在受到NE 向拉张时，断层在原断层面处再次滑脱或在附近发育新断层，形成的断阶使陡坡区发育的近岸水下扇滑塌至凹陷中心形成湖底扇［图9（b）、图7］。南二段沉积期，水体进一步加深，古隆起潜没。物源全部来自凹陷外部，沉积主要为湖相沉积和远源河流三角洲，方向为NW—SE 向［图9（c）］，该时期的沉积对南一段和铜钵庙组的油气保存具有重要意义。

4 塔南凹陷古地貌对油气分布的控制作用

目前的勘探成果表明，塔南凹陷东、西次凹都是油气的富集区，且油气成藏特征具有明显差异。东部次凹以南屯组岩性油藏为主，西部次凹以铜钵庙组构造油藏为主，这种差异源于东、西部构造运动对古地貌的差异改造。塔南凹陷共发育4 个生烃洼槽［参见图9（a）］中沉降中心位置，其中东部沉降中心和南部沉降中心的洼槽较深，烃源岩发育厚度大，生烃条件好，但东部次凹油气聚集较少，表明油气没有形成大规模“就近成藏”。铜钵庙组、南屯组沉积期古地貌在一定程度上控制了油藏的富集和保存。塔南凹陷古地貌对油气分布控制作用归纳为“古隆-坡控储、古坳陷控源、古断-坡控藏”。

（1）古隆-坡控储。古隆起和古斜坡都是有利储层发育的区域。古隆起控制储层的次生孔隙改造，而古斜坡控制的储层主要是原生的优质储集体。古隆起作为母岩，表层受大气、雨水淋滤而形成次生孔隙，储层条件较好，形成潜山型油藏（塔19-67）。古斜坡优质砂体富集区，如铜钵庙组沉积时期古斜坡控制扇体沉积（参见图8）。

（2）古坳陷控源。南屯组沉积期，构造演化处于强断陷期，发育4 个沉降中心，与烃源岩厚度分布能很好匹配，凹陷扩张发育的4 个洼槽控制了生烃中心。

（3）古断-坡控藏。油气主要成藏期为伊二、三段沉积末期，构造运动强烈，铜钵庙组和南屯组沉积期发育NE 向断层再次活动，作为油气的主要运移通道。西部次凹在铜钵庙组沉积期以斜坡沉积为主，南屯组沉积期受调节断层作用，形成了多个深洼，“先坡后洼”的地貌演化过程控制了油气“旁生侧储”，形成了“源-储对接”的反向断阶构造油藏（塔19-X70、19-17）。东部次凹古地貌特征继承性发育，控凹断裂断距大，形成陡而深的洼槽，断层下盘处古隆起区作为局部物源形成的近岸水下扇和湖底扇进入凹陷底部，具有“先砂后泥”的沉积特征，缺少有利运移通道，油气主要通过源-储接触面运移，富集在南屯组暗色泥岩中的浊积砂体，油藏规模相对较小（塔19-78、19-83、塔19-7-2）（参见图8）。

古地貌演化特征和“古断-坡”组合对源、储空间配置及油气运、聚起决定性作用。塔南凹陷的西部油源条件好、油源断裂发育，其古地貌具有“凹中隆”特征，油气成藏条件好，发育多套油层，深部具有较大勘探潜力。