珠江口盆地白云凹陷珠江组陆架边缘三角洲沉积与生物遗迹特征

2020-07-29刘俊成刘琮滢冯阵东牛永斌王光绪刘惟庆刘景东

中国石油大学学报（自然科学版） 2020年4期

吴伟, 刘俊成, 刘琮滢, 冯阵东, 牛永斌, 王光绪, 刘华, 刘惟庆, 刘景东

(1.河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454000; 2.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580)

陆架边缘三角洲是在河流物源充足、相对海平面下降等条件下,在陆架坡折附近发育的厚度巨大的楔状三角洲。陆架边缘三角洲巨大的油气富集吸引大批石油公司和地质学者的关注,在墨西哥湾、地中海东部、东非海岸、中国南海等地区的勘探发现大量油气资源[1-3]。珠江口盆地的白云凹陷北坡新近系底部的陆架边缘三角洲具有良好的生储盖条件,有很高的油气勘探价值。在取芯段岩心观测中发现大量的生物遗迹构造。生物遗迹是生物活动而产生于沉积物表面或内部并具有一定形态的各种痕迹[4]。在生物扰动储层相中,生物遗迹构造是重要的储层特征[5],甚至可以作为岩石物性的一级控制因素[6]。许多学者对生物遗迹与储层物性的关系进行研究,认为生物扰动破坏沉积物颗粒的分选和再分配,高强度扰动还会导致互层沉积均质化并引入黏土矿物,降低储层的整体孔渗性[7-11]。另外亦有学者发现在砂质充填的遗迹洞穴或相互连通的洞穴系统中,其孔渗性在垂直和水平方向上较无生物扰动砂体有所增强,对油气储藏具有重要意义[10,12-16]。为了更好地认识陆架边缘三角洲前缘亚相中遗迹构造与储层物性之间的关联,为其油气勘探和开发提供理论参考,笔者依据白云凹陷X井珠江组底部取芯为研究对象,结合岩心和镜下观测、孔渗测试分析、遗迹识别及扰动量统计等方法,对陆架边缘三角洲前缘沉积中遗迹构造的分布规律以及对砂体储层的改造作用进行研究。

1 研究区地质概况

珠江口盆地位于中国南海大陆架北部,由北向南可划分为5个NE向的二级构造单元,即北部断阶带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带,白云凹陷是位于南部坳陷带中的一个三级构造单元(图1)。珠江口盆地形成于南海新生代扩张事件,白云凹陷也随之形成,经历古新世—中始新世的扩张前初始裂陷、晚始新世—早中新世的同扩张裂陷、中中新世—现今的扩张后沉降3个时期[17],在中生代基底之上沉积古新世—早渐新世断陷活动强烈的陆相湖泊沉积和晚渐新世后期盆地拗陷发生海侵的海相沉积,具有“下陆上海、下断上拗”的沉积特征。尤其是晚渐新世以来,白云凹陷处于拗陷演化阶段,古珠江携带华南沿海燕山褶皱带乃至青藏高原的充沛物源堆积于此,形成海陆过渡相珠海组、珠江组大规模的陆架边缘三角洲沉积[18],发育大量富油气圈闭[19]。

图1 研究区位置

2 沉积微相及遗迹特征

2.1 沉积微相特征

取芯井位于白云凹陷北部的陆架坡折处,取芯段为18.5～21 Ma地层的三角洲前缘亚相,大量的前期研究涉及到研究沉积体的沉积特征和沉积环境[20-21]。

根据岩心中铸体薄片的鉴定数据,砂岩以中—粗粒、中—细粒岩屑砂岩为主。碎屑颗粒组分主要以石英颗粒为主,占碎屑的平均含量为63.80%;岩屑颗粒组分次之,主要为变质岩屑,岩屑平均体积分数为35.15%;长石颗粒含量很少,主要以钾长石为主,平均体积分数为1.03%。样品中岩屑含量普遍较高,代表成分成熟度偏低,为近源沉积产物。

岩心观察确定沉积体包含水下分流河道、河口坝、前缘席状砂、水下天然堤和废弃河道及决口河道6种沉积微相(图2)。统计显示,岩心整体以水下分流河道和河口坝沉积微相为主,分别约占岩心总厚度的76.50%和17.82%。岩心中生物遗迹构造非常发育,属于Cruziana遗迹相,在不同微相中遗迹化石组合类型和发育程度差异较大(表1)。

图2 X井岩心剖面

表1 各沉积微相沉积特征及遗迹发育类型

2.1.1 水下分流河道微相沉积

水下分流河道微相岩性主要为灰色中—粗粒岩屑砂岩、含细砾粗粒岩屑砂岩。发育块状层理、平行层理、小型交错层理、正粒序层理为主,中间常夹有冲刷面和泥质纹层及生物遗迹构造,水下分流河道砂体往往呈连续叠置状,单个河道砂体均为正韵律旋回,厚度为0.15～1.00m,底部普遍发育有冲刷面,与下伏岩层呈岩性或粒度突变接触,冲刷面上常见顺层分布的扁平状泥砾。在此微相中发育Asterosoma(As)、Bergaueria(Be)、Conichnus(Co)、Diplocraterion(Di)、Macaronichnus(Ma)、Ophiomorpha(Op)、Planites(Pl)、Skolithos(Sk)、Thalassinoides(Th)及escape trace(e.t)等遗迹化石,多出现在河道沉积的上部,中下部遗迹化石多孤立或伴生出现(图3(a)～(c))。

2.1.2 河口坝微相沉积

河口坝微相总体以中—细砂岩为主,由底到顶发育数个逆粒序韵律层,多含冲刷面及泥质纹层,常与水下分流河道呈交替发育的连续叠加状。此微相中生物扰动中等至强烈,发育有As、Be、Di、Op、Rhizocorallium(Rh)、Palaeophycus(Pa)、Pl、Teichichnus(Te)、Th遗迹化石(图3(d)～(g))。

2.1.3 前缘席状砂微相沉积

前缘席状砂微相以灰色中—细粒岩屑砂岩为主,发育平行层理,夹有灰黑色泥岩薄层,逆粒序层理砂体连续叠置堆积,剖面上与水下分流河道相邻,发育有少量的Op、Sk遗迹化石(图3(h))。

2.1.4 水下天然堤微相沉积

水下天然堤微相剖面上位于水下分流河道上面,沉积物为极细砂和粉砂,生物扰动强烈,滑塌构造发育,下部仍可见水平层理,发育遗迹化石有Op、Pa、Th和e.t(图3(i))。

2.1.5 废弃河道和决口河道微相沉积

两者出现在连续叠置的水下分流河道砂体中(图3(j)),废弃河道微相为厚度仅数厘米的薄层砂质泥岩夹层,生物遗迹构造较发育,发育Th、Pl遗迹化石和被细砾粗砂充填的未知潜穴(dw),这微相对连续叠置的河道砂体储层起局部的分隔作用。决口河道微相岩性主要为条带状泥岩、薄层的粉—细粒砂岩与含细砾粗—巨粒岩屑砂岩互层组合,以底冲刷面为界覆盖在废弃河道微相之上,顶部被废弃河道微相覆盖,发育有e.t遗迹化石。

图3 各微相岩心特征

2.2 遗迹特征

Cruziana遗迹相的主要环境为正常浪基面以下风暴浪基面以上,在下滨面到下滨外之间,向上和向下分别与Skolithos和Zoophycos遗迹相呈过渡关系。Cruziana遗迹相的底层是未固结沉积物,多为分选良好的粉砂和砂,或是泥质沉积与干净的砂和粉砂互层,基质和水中的悬浮食物均比较丰富,生物活跃,处于较低能到中等的环境中,生物遗迹保存较好,具有较高的分异度和丰度。其存在主要环境为潮下浅水(浅海)、河口湾、海湾、泻湖等边缘海环境。在某些低能的障壁岛或潮汐主导的三角洲环境中,Cruziana遗迹相可延伸至潮间带或潮坪环境[22]。

陆架边缘三角洲前缘具有沉积速率快、坡度较大、水体整体较浅、水动力中等等沉积环境特征,整体对应Cruziana遗迹相。在岩心观察中Cruziana遗迹相发育(表1):水下分流河道沉积微相中的遗迹化石种类主要为As、Ma、Op、Pl、Sk、Th等,偶见Be、Co、Di及e.t等遗迹化石,在分流河道上部较细粒沉积中发育生物遗迹构造较多,生物扰动较弱到中等,分流河道下部遗迹构造发育稀少,生物扰动零星到较弱;河口坝沉积微相中遗迹较为发育,主要遗迹有Op、Pa、Pl、Sk、Th等,偶尔可见Be、Di、Rh、Te等,生物扰动中等至强烈;天然席状砂中只发育少量Sk、Op等遗迹化石,具零星生物扰动;水下天然堤中遗迹较发育,发育Op、Pa、Th及e.t等遗迹化石,生物扰动较强;废弃河道中遗迹发育,发育Th、Pl等遗迹化石,生物扰动较弱;决口河道只见e.t遗迹化石,具零星生物扰动。

2.3 显微孔隙特征

对岩心铸体薄片进行统计分析,砂岩粒度多为中—粗砂,少量细砂,分选差到中等,磨圆度为次棱状,颗粒呈点—线式接触甚至是凹凸整合线状接触关系,岩屑成分主要为石英岩屑,见泥质岩、火成岩屑等,常见石英自生加大现象。取具有代表性的几张铸体薄片,进行具体观察分析。

无生物扰动时(图4(a)),薄片颗粒分选中等,大部分颗粒间呈点—线接触,颗粒间杂基较少,孔隙较发育较好且连通性较好,孔隙以次生溶蚀孔为主,粒间原生孔次之。

当生物扰动中等时(图4(b)),薄片颗粒分选差—中等,颗粒呈点—线式接触,粒间具有较少的杂基,孔隙发育一般,连通性较好,孔隙主要发育类型以次生溶蚀孔为主,粒间原生孔数量减少,岩屑颗粒溶蚀孔数量增加。

当生物扰动剧烈时(图4(c)),颗粒分选差,整体粒径偏小且杂基含量极高,薄片中颗粒呈点—线式接触至凹凸整合线状接触,孔隙发育差且连通性差,粒间原生孔隙极少,次生溶孔发育较少。

图4 岩心铸体薄片照片

总体上,随着生物扰动程度的增加,原生粒间孔隙逐渐减少。溶蚀孔隙在中等扰动程度以下阶段时变化不明显,一些样品中颗粒溶蚀程度有增加趋势;但是当生物扰动特别剧烈时溶蚀孔隙存在明显减少的趋势。

3 生物遗迹构造与沉积相变化旋回

沉积环境控制着生物分布范围及其行为方式。水深是沉积环境中最重要的变量,因此遗迹化石群通常与古水深存在对应关系[23]。陆架边缘三角洲前缘亚相环境整体对应Cruziana遗迹相。然而,沉积环境是不断变化的,即使大环境不变,微环境也在不断变化。图2显示取芯层段是一个较大的水进旋回,它由7个次级水退旋回组成,每一个次级旋回由底部的水进界面和顶部的水退界面组成(由于突然的水侵过程没有沉积记录保存,水退界面往往与下一个旋回的水进界面重合)。

每个次级沉积旋回内部由一个或多个沉积微相组成,不同微相中的遗迹组成存在较大的差异,综合7个次级旋回中微相遗迹组成可以建立陆架边缘三角洲前缘沉积与遗迹相模式(图5)。

图5 X井珠江组陆架边缘三角洲前缘亚相模式

岩心观察结果显示,河口坝、水下天然堤、水下分流河道上部营养物质丰富,更适宜生物生存活动,生物扰动程度较为强烈。这为生物遗迹保存提供有利条件,使得这些环境下的遗迹化石多样性和扰动程度较高,由于水下天然堤沉积厚度小,遗迹多样性偏低。前缘席状砂和水下分流河道下部生物活动相对较少,生物遗迹不易发育及保存,遗迹多样性和扰动程度较低。在废弃河道与决口河道中,废弃河道较为适合生物生存,其中遗迹较发育,但沉积时间较短,决口河道为快速粗粒沉积,不适合生物生存,可见个别遗迹构造,两者常叠置出现于水下分流河道中,总体而言遗迹多样性和扰动程度较低。

综上所述,从生物遗迹类型上来看,河口坝和水下分流河道上部遗迹种类较多;从扰动程度上看,河口坝和水下天然堤中生物扰动较强。一个完整的三角洲前缘旋回中,遗迹多样性和生物扰动程度均存在双峰值特征,但是在岩石记录中并没有完整的前缘微相旋回。

4 生物扰动对物性影响

对岩心物性中的孔隙度、渗透率对比分析发现(图6、7(a)),孔隙度和渗透率随深度变化趋势相似,具有显著的相关性。因此在以下研究中将孔隙度作为岩心物性的表征,仅就孔隙度与生物扰动关系进行分析。

图6 岩心孔渗关系

生物扰动对储层物性的影响对油气储层评价具有重要的作用,本次研究将生物扰动强度和孔隙度关系进行对比分析。不同程度的生物扰动对储层物性具有不同的影响,为了更直接形象地表示生物遗迹构造对储层物性的影响,通过J-microvision软件以0.1 m为区间对岩心中生物扰动程度进行定量化,将随着岩心深度变化的生物扰动量与孔隙度进行比较,如图7(b)所示,当生物扰动剧烈时,孔隙度有明显的降低;当生物扰动中等时,生物扰动量峰值波动与孔隙度具有相似性。但是这些规律并没有将砂岩中的颗粒组成、沉积构造等因素考虑进来。

图7 X井岩心孔渗性及生物扰动量随深度变化关系

取芯中生物扰动较强和剧烈的砂岩均为块状构造,无生物扰动或中等扰动的砂岩保留平行层理、小型交错层理或残余小型交错层理等,很难恢复原生层理构造并分析生物扰动对孔隙性的影响。生物扰动同样会改变颗粒粒度组成,但不会完全改变粒径组分,因而区分不同颗粒组成的砂岩并分析生物扰动对孔隙的影响是可行的。

对不同颗粒粒径组成的砂岩中生物扰动和物性特征进行统计(图8)。按照生物扰动量可分为3个阶段,分别为扰动较弱阶段(0～20%)、中等阶段(20%～60%)和剧烈阶段(60%～100%)。在细砂岩中随着生物扰动的增强孔隙度先降低后升高再降低,在生物扰动较弱阶段孔隙度整体下降最低至8.8%,在扰动中等阶段孔隙度反而开始升高至12.8%,随后在扰动剧烈阶段开始下降最低至5%。在中粒砂岩中孔隙度的变化与细砂岩中类似,在生物扰动较弱阶段孔隙度下降最低至8.6%,之后孔隙度反而开始上升最高至15.5%,由于在扰动量30%～70%间缺乏岩样,不确定在生物扰动量为多少时孔隙度降低,在生物扰动剧烈阶段(70%～100%)孔隙度降低至最低7.1%。在粗砂岩中生物扰动较弱,未见生物扰动中等到强烈的情况,整体对孔隙度影响不明显。总体来说,除粗砂岩中未见中等—强烈扰动现象外,中—细砂岩储层孔隙性均随生物扰动量的增大表现为降低—升高—降低的变化特征。

不同生物扰动程度下,不同类型砂岩样品的粒度分布具有一定的特点(图9):①细砂岩中,无生物扰动(图(9(a))和中等生物扰动(图9(b))的粒径频率分布呈单峰优势特征,单峰处粒径为2.125Φ;生物扰动剧烈时(图9(c)),粒径频率分布呈双峰特征,两个峰值对应的粒径分别对应1.875Φ和3.125Φ,说明剧烈的生物扰动带入大量的细粒颗粒和杂基,极大地改变细砂岩的粒径组成比例;②中—细砂岩中,无生物扰动(图9(d))和中等生物扰动(图9(e))的粒径频率分布也呈单峰优势特征,单峰处粒径为1.875Φ;生物扰动剧烈时(图9(f)),粒径频率分布呈双峰特征,峰值分别为1.875Φ和3.125Φ,说明剧烈的生物扰动带入大量的细粒颗粒和杂基,极大地改变中细砂岩的粒径组成比例;③中—粗砂岩主要为河道底部滞留沉积,其中并未出现中等和剧烈生物扰动的样品,无生物扰动(图9(g))和中等生物扰动(图9(h))的粒径频率分布均为双峰特征,代表河道内部粗粒滚动和较细粒跳跃搬运方式的沉积组合,峰值分别为0.625Φ和1.875Φ,无生物扰动砂岩样品中—粗粒峰值占据主导地位,而中等生物扰动砂岩样品中的较细粒峰值明显增大且高于粗粒峰值,说明较弱的生物扰动也带入一定数量的细粒颗粒和杂基。

生物扰动对砂岩储层的改造主要表现在2个方面：一是生物扰动带来不同粒径的颗粒,总体上以细粒径组分(包括细小颗粒和杂基)为主(图9);二是生物活动产生大量有机质,有机质降解演化之后形成酸性流体,对砂岩颗粒组成进行溶蚀。两种因素的不同组合是生物扰动改造储层物性复杂性的主要原因,具体模式为:①生物扰动较弱时(0～20%),生物扰动以弱颗粒置换作用为主导,使储层与围岩发生颗粒交换,储层原生孔隙趋于一致化,即高孔储层物性变差、低孔储层物性变好;②生物扰动中等时(20%～60%),生物扰动颗粒置换作用增强,原生孔隙变差,同时生物扰动产生的有机质含量增加,其降解生成的有机酸促进不稳定颗粒组分的溶蚀,次生溶蚀孔隙增加,反而整体上改善储集物性;③生物扰动强—剧烈时(60%～100%),颗粒置换作用继续增强,细粒径颗粒组分含量增加,原生孔隙变差,同时生物扰动产生的有机质含量也继续增加,其产生的酸性流体总量增加,由于细粒组分和杂基主要以石英、长石和黏土矿物等组成,其稳定性高于富岩屑的粗颗粒组分,酸性流体并没有产生更多的溶蚀孔隙,因而这个阶段的储集物性快速降低。因此生物扰动对于储层物性的影响是物理置换作用和流体改造作用的复杂结果。