渤海中部海域大型湖底扇地球物理响应及勘探意义

2021-12-22张新涛

成都理工大学学报（自然科学版） 2021年6期

张新涛, 张藜, 李虹, 王军

(中海石油(中国)有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459)

深水重力流沉积一直是沉积学研究的热门话题。随着深水沉积理论的持续深化，其流体类型、成因机制、演化过程及沉积模式的研究取得了丰硕的成果[1-4]，指导了中国陆相盆地多个深水湖盆的油气勘探突破[2-5]，湖底扇及深水沉积砂岩成为重要的油气勘探领域。渤海海域针对湖底扇的研究相对稀少，徐伟等[6]对渤中25-1油田重力流沉积特征和模式进行探讨；刘艺萌等[7]依据水道发育程度对湖底扇类型进行划分，并进行富砂性预测。但是鲜有基于地球物理方法的湖底扇精细识别及储层定量预测技术和方法探讨。而中深层岩性圈闭近年已成为渤海油田储量增长的重要方向[8]，三角洲前缘浊积扇也多次在古近系勘探中钻遇，并揭示出良好的含油气性，例如锦州20-2N油田古近系东营组第二段下亚段(简称“东二下亚段”)湖底扇DST测试获得单层超过 1 000 m3的产能[9]。因此，探索湖底扇岩性油气成藏具有重要意义。但湖底扇作为潜在的储层岩性目标，由于对其内部结构和地震响应特征、富砂性和平面分布规律认识不清，勘探过程中存在极大的风险。相关扇体期次解剖，尤其是对内部扇体的地球物理响应特征及其富砂性研究，将对渤海海域相关油气藏勘探具有重要指导意义。

本文运用地震资料，结合钻井、测井、岩心薄片等资料，对QHD34-A-1井附近的东二下亚段大型湖底扇地震响应特征进行深入研究，通过多属性预测对湖底扇内部各期次边界进行精细刻画，在此基础上预测有利勘探区，为勘探部署提供依据。

1 地质概况

新生代渤中凹陷经历了多幕裂陷、裂后凹陷等构造运动，纵向呈现裂陷与拗陷盆地的叠置，其构造演化可划分为初始裂陷(孔店组-沙河街组第四段沉积期，65～42 Ma B.P.)、强裂陷(沙河街组第三段沉积期，42～38 Ma B.P.)、裂后热沉降(沙河街组第一、第二段沉积期，38～32.8 Ma B.P.)、强裂陷(东营组沉积期， 32.8～24.6 Ma B.P.)、裂后热沉降(馆陶组-明化镇组下段沉积期，24.6～5.3 Ma B.P.)等5个阶段[10-12]。

石南斜坡带形成于沙河街组第三段(简称“沙三段”，其他地层段的简称与此类似)与东营组强裂陷期，为右旋走滑与伸展裂陷作用形成的EW、NE向断层切割而成，在东营组沉积期的构造活动最为强烈、沉降-沉积速率最高(图1)[13]。石南斜坡带东二下亚段早期发育湖底扇、半深湖-深湖等沉积相，岩性为深灰色-灰色泥岩、浅灰-灰色含砾细砂岩、粉砂岩(图2)。东二下亚段低位域沉积时期，受北部三角洲沉积物供给，在石南斜坡带形成叠合面积约120 km2的湖底扇沉积。

图1 研究区位置图Fig.1 Tectonics and location of study area

2 湖底扇基本特征

依据铸体薄片观察，东二下亚段湖底扇岩性为中粗粒岩屑长石砂岩或长石岩屑砂岩，颗粒多呈次棱-次圆状，分选性中等-好，泥质的体积分数为3%～5%，以点-线颗粒接触、颗粒支撑为主，结构成熟度低；颗粒中岩屑平均体积分数约33%、长石平均体积分数约36%、石英平均体积分数约31%，不稳定颗粒组分含量高，成分成熟度较低。这种较低的结构与成分成熟度反映了沉积物较短距离搬运与快速沉积特征(图2)。

图2 东二下亚段湖底扇砂岩薄片特征Fig.2 Characteristics of thin sections from sublacustrine fan sandstone of E3d2L(A)中粗粒长石岩屑砂岩，点-线接触，次棱-次圆状，QHD34-A-1井,深度3 831.5 m；(B)粗粒岩屑长石砂岩，粒间孔、颗粒溶蚀孔发育，QHD34-A-1井，深度3 885.0 m

湖底扇砂体往往发育于半深湖-深湖环境，夹持于厚层泥岩中，测井曲线自然伽马(GR)与电阻率(R)常呈中-低幅块状箱形，具有顶底突变特征(图3)，与三角洲近积的底渐变、顶突变特征差异明显；同时湖底扇砂体具有微齿化-齿化特征，齿化程度在一定程度上反映了沉积物差异、水动力变化及泥质含量变化的沉积特征。QHD34-A-1井湖底扇砂体具有多个齿化箱形叠加特征，反映了多期重力流沉积物叠置沉积，常为内扇、中扇的水道砂体(图3)[14]。

图3 QHD34-A-1井湖底扇相测井曲线及粒度结构特征Fig.3 Characteristics of well logging and grain size distribution of sublacustrine fan sandstone in Well QHD34-A-1

通过对QHD34-A-1井钻遇的湖底扇砂体进行粒度分析，结果表明：湖底扇砂体的粒度概率累计曲线为“向上凸起的弧线”，弧线圆滑无明显截切点，粒度分布范围广、分选性较差，悬移组分渐变为跃移组分，缺乏推移组分，反映湖底扇砂体整体为递变悬移的搬运方式[15]，为典型重力流沉积物的搬运方式。

3 湖底扇地震响应特征

湖底扇与围岩——湖相泥岩和三角洲前缘砂体之间的波阻抗差异通常比较明显，因此地震响应较为敏感[16]。通常湖相泥岩、页岩表现为中弱振幅，前缘砂体则为多套连续性好的前积反射，湖底扇砂体则为顶底强振幅、中部连续性可能变差的地层厚度异常体。中弱振幅湖相泥岩背景下的强振幅透镜状反射通常是湖底扇的典型地震响应[17]。

3.1 湖底扇相地震特征

研究区目前共有2口钻井揭示湖底扇砂体，均包裹于大套厚层泥岩之中，显示“泥包砂”特征(图4)。井震精细标定后，湖底扇的地震反射特征如下：地震反射同相轴均表现为强振幅，地震能量(无论波峰还是波谷)均明显强于围岩。在横切物源方向上，往往表现为与三角洲完全不同的凸出地貌特征，通常为透镜状或丘状。这一显著特征是在平坦湖底快速卸载堆积形成，可作为重力流最直接的证据[18]。研究区湖底扇发育时期——东二下亚段处于拗陷湖盆发育期，与断陷湖盆相比，坡度小，很难见到楔状和丘状这种反射特征[16]，表现为向两侧减薄的透镜状，顶底为强振幅，但内部反射相对较弱，连续性较差，这与湖底扇内部众多期次侧向叠覆有关。在平行物源方向上呈较连续、强振幅的片状、席状展布，具侧积加积特征，可见规模较小的短轴状前积，前积结构相对不明显，但能分辨出与下伏地层的小角度斜交。在平面上以舌状体形态扩散，形成舌状和朵状扇体形态(图4)，沿三角洲前缘呈裙状分布。这种舌状和朵状扇体发育样式与Shanmugan重力流沉积模式中水道欠发育的非水道化湖底扇沉积相似，为富砂性砂质碎屑流的表征，与席状富泥型浊流沉积显著不同[6]。虽基本无明显的下切水道发育，但在局部可见底部下凹的反射特征，在下凹部位地震反射振幅明显强于围岩，其平面多呈弯曲、较连续的条状。而其下凹部位侧向上往往振幅变弱，形成微上凸的可能为河道漫溢沉积相关的堤岸体系并继续尖灭，形成较为典型的鸥翼结构[19]。

图4 湖底扇地球物理响应特征图Fig.4 Characteristics of geophysical response of sublacustrine fan

湖底扇砂体厚度、砂泥岩配置关系控制地震振幅和频率变化。随着向湖方向地震波能量逐渐减弱，强度变低，扇体厚度逐渐减薄，末期扇体厚度最薄。为落实各期次湖底扇富砂单元的分布，在地层切片格架内，依据地震反射同相轴的终止关系，对湖底扇各个期次进行精细追踪。总体上湖底扇6期均显示北西-南东向展布的舌状特征，发育水道-沉积朵叶交互相类型。早期分布偏东，后期侧向上明显向西迁移。早期以朵叶为主，之后随着沉积物推进，以微水道的片状沉积为主，前方过渡为朵叶体，后期沉积中心迁移，使得研究区主要受微水道控制。

3.2 多属性分析

不同砂体其成因类型及地球物理响应特征可以用来预测研究区储层砂体分布。而地震属性特征，常用的如振幅、频率、相干性、连续性等属性能够较好地刻画湖底扇砂体的边界[20-24]。通常在相模式指导下，选取适当时窗，对地震数据体提取多种地震属性，从而综合落实和预测储层砂体平面分布。

3.2.1 地层切片

利用地层切片技术的关键在于选取具有等时地质意义的相对连续的同相轴[25-26]，在其内部切割较小尺度的等时地层单元，并在其格架下进行精细沉积刻画。为落实单期次扇体平面分布，本文利用地层切片技术针对不同期次湖底扇及其变化规律进行精细分析。湖底扇内部发育多条同沉积断层，但由于断层两盘沉积物厚度变化不大，因此采用平行于顶底并渐近内插的切片方式，能有效用于该区进行平面特征分析，同时考虑在多层切片中选择合适切片数量。基于井震标定和储层分布规律，在20个地层切片中优选6个切片代表其湖底扇的平面分布特征。

这6期湖底扇呈现“纵向叠置、平面迁移”的特点，总面积120 km2。其中第二期和第四期展布面积最大，分别为60.4 km2和34.0 km2，砂体平均厚度超过30 m；第五期扇体面积最小，仅7.0 km2，砂体平均厚度不足5 m。扇体分布呈现3期窄小-宽大的叠覆特征，第一、第三、第五期面积较小，第二、第四、第六期面积大，展布宽，表明湖底扇具有幕式摆动性。整体展布方向与其前方来自西北物源方向的三角洲展布方向一致，表明湖底扇展布方向和规模可能与物源的幕式供给相关。强物源供给期，三角洲提供的碎屑物较多，为向湖区滑塌、供给充足所致，之后物源萎缩，滑塌成因的扇体规模小；后期物源摆动后，片状特征减弱，微水道特征明显，第六期具有典型条带状微水道特征(图4)。

3.2.2 多属性特征

三维地震多属性分析可以帮助解释人员正确分析地质现象，尤其是对储层特征的认识[27-28]。在沉积模式的指导下，通过均方根振幅属性进行提取和分析，强振幅反射呈条带状、枝状(图5-A)，为湖底扇河道沉积。设计井QHD34-A-1井钻遇了该套储层，揭示砂体厚度28.3 m。在湖底扇水下延伸的主河道两侧，由于高能水流与湖相泥岩的冲刷接触，导致河道砂体与围岩之间不同岩相类型砂体差异明显，波阻抗差异显著。图5-A中浅蓝色弱振幅显示区域代表弱水动力条件下的湖相沉积。在河道前方，河道衰减造成的强振幅弱化现象明显，呈片状、朵叶状。此外，据弧长属性图(图5-B)，河道发育区与河道间泥岩发育区存在明显差异。

属性融合技术由于综合考虑多种属性的地球物理意义[29-30]，选取能够表征不同储层特征的敏感属性，放大其优势特征，得到最优化特征，因此是储层识别的有效方法之一。基于振幅、能量、弧长等多种类型属性进行融合,图5-C中可以看出多条河道特征清晰，沿北西-南东方向展布，代表微水道沉积，多条分支河道之间呈现弱振幅特征，代表水道间漫溢沉积(图5-D)。

图5 石南湖底扇砂体分布特征Fig.5 Distribution characteristics of sublacustrine fan sand body of the Shinan lakes

3.2.3 正演模拟

在地震综合解释中，地震正演模拟在特殊地质体的识别和解释中发挥重要作用[9]。通过开展地震模拟研究，对无井区扇体准确识别和定量预测具有重要意义。因此我们设计同样储层厚度(砂体厚度30 m)、含砂率不等的一系列单砂体模型(含砂率分别为20%、40%、60%、80%)进行正演，根据正演结果，振幅与含砂率之间基本上呈正相关的关系，相关系数达0.955 7，即

y=0.0005x+0.0126

(1)

其中：x表示含砂率；y表示振幅。

基于地层厚度图和振幅属性读取各采样点的振幅值，再利用公式(1)，制作含砂率网格图，预测砂体厚度(图6)。经钻井证实，预测砂体厚度与钻井结果相近，预测砂体厚度为30 m，钻探结果为28.3 m。

图6 正演模拟模型及第二期湖底扇砂体厚度图Fig.6 Forward modeling model and the thickness map of the second stage sublacustrine fan sand body

4 湖底扇的勘探意义

发育于深湖环境的湖底扇呈透镜状包裹于大套泥岩中，烃源岩、盖层条件极佳，成藏条件优越。而非水道化的砂质碎屑流形成的富砂型舌状湖底扇砂体往往成群展布，储层发育，物性较好，为油气优质岩性储集体，同时与其上控坡折断裂一同也有利于形成构造-岩性油气藏。

研究区位于渤海中部海域控凹断裂下降盘，强烈下沉使得湖盆位于较深水沉积环境中，暗色泥岩达到了生烃门限，为成熟烃源岩。该区湖底扇发育段的东营组泥岩有机碳质量分数(wTOC)为0.69%～2.0%，平均为1.28%；镜质体反射率(Ro)为0.66%～0.76%，平均为0.7%，属于成熟的中等-优质烃源岩；上覆泥岩厚度约300 m，区域上广泛分布。湖底扇储层储集空间主要为粒间孔、颗粒溶蚀孔、铸模孔、胶结物溶孔等，偶见裂缝，16个样品测试显示孔隙度为2.1%～16.2%，平均为9.4%，渗透率为44.73×10-3μm2，属于低孔低渗类型。另外，湖底扇沉积的湖相泥岩厚度250～500 m，地层压力系数1.375，超压泥岩的封盖对油气保存具有积极意义，同时为油气向储集体中充注提供动力(图7)。