北部湾盆地乌石凹陷断坳转换期不整合结构特征及其成藏作用

吴孔友, 李彦颖, 范彩伟, 董 方, 洪 梅

北部湾盆地乌石凹陷断坳转换期不整合结构特征及其成藏作用

吴孔友1, 李彦颖1, 范彩伟2, 董 方1, 洪 梅1

(1. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院, 山东 青岛 266580; 2. 中海石油(中国)有限公司 湛江分公司,广东 湛江 524057)

北部湾盆地T60不整合是古近系与新近系的分界, 且形成于盆地由断陷进入坳陷的转换阶段。本文通过地震资料精细解析, 揭示位于盆地中部的乌石凹陷在该时期(T60)不整合发育明显, 且剖面类型多样。依据不整合上、下地震反射特征, 可划分为平行‒削截不整合、超覆‒削截不整合、平行‒褶皱不整合等8种不整合类型, 且在平面上削截类不整合的分布范围最广。研究表明不整合类型的平面分布规律受控于构造部位及变形强度。不整合在纵向上发育三层结构, 并依据测井曲线响应特征建立了纵向结构的识别方法。利用该识别方法, 乌石凹陷新近系下洋组底部(T60)不整合纵向结构发育, 多条曲线在不整合结构上、下层与中层之间出现台阶式突变, 且中层是多条变化幅度差曲线的低值区。同时, 对不整合结构中层风化黏土层重点分析, 揭示其平面发育规律主要受控于不整合剖面类型及剥蚀厚度这两大要素。依据乌石凹陷东区不整合成藏条件及成藏模式, 叠合不整合剖面类型、风化黏土层厚度、烃源岩厚度等因素, 针对乌石凹陷东区, 优选出2个地层圈闭有利勘探区带, 为下一步勘探部署提供了方向。

乌石凹陷; 断坳转换期; 不整合类型; 不整合结构; 地层圈闭

0 引 言

地层油气藏在我国常规油气资源中占有重要位置(宋国奇等, 2010), 其与不整合密切相关(张克银等, 1996; 吴孔友等, 2002; 张建林, 2005; 杨克兵等, 2016)。宏观上不整合类型控制地层油气藏类型及展布, 微观上不整合结构控制地层圈闭的有效性(刘传虎和庄文山, 2008; 陶士振等, 2011)。不整合对油气的控制作用主要体现在结构上层和下层对油气具有输导与储集作用, 结构中层风化黏土对油气的封盖作用(吴孔友等, 2003; 郝芳等, 2005; 王艳忠等, 2006; 何登发, 2007; 陈涛等, 2011; Zou et al., 2012)。乌石凹陷是北部湾盆地重要含油气凹陷之一, 古近系沉积期处于陆相断陷阶段, 而新近系沉积期盆地转换为海相坳陷阶段, 两者接触关系为一明显的区域不整合。目前对该不整合的研究主要针对层序划分及盆地演化方面(孙伟等, 2008; 马云等, 2013), 关于不整合结构及其成藏作用研究尚未开展。考虑到不整合在地层油气藏中的重要意义及乌石凹陷的潜在油气价值, 本次研究将开展不整合类型、结构精细划分及风化黏土层识别与分布规律等研究, 进而预测地层圈闭, 对指导该区下一步油气资源勘探由深层转向中浅层的部署及挖潜具有极为重要的理论与实践意义。

1 地质背景

北部湾盆地是南海北部大陆边缘典型的新生代断陷裂谷盆地, 具有明显的下断上坳的双层结构, 盆地展布面积约39800 km2(何家雄等, 2008)。而乌石凹陷是北部湾盆地中部的一个次级构造单元, 凹陷呈东西走向, 平面上呈“S”型, 北靠企西隆起, 与涠西南凹陷及海中凹陷相邻, 南部以流沙凸起为界, 总面积约为2560 km2, 是北部湾盆地继涠西南凹陷之后又一主要的生油气凹陷(徐新德等, 2013; 尤丽等, 2015)。

研究区位于乌石凹陷东部(图1), 内部划分为北部掀斜断块构造带、中央反转构造带、南部深洼陷带。该区新生界发育较全, 古近系自下而上发育古新统长流组、始新统流沙港组以及渐新统涠洲组。其中, 长流组沉积期凹陷处于初始断陷期, 凹陷边缘7号断层此时开始发育(胡林等, 2020)。流沙港组沉积期凹陷处于强烈断陷期, 该时期乌石凹陷受珠琼运动Ⅰ幕影响, 凹陷继续张裂, 且活动性增强, 但整体区域性抬升, 沉积中心受7号断层控制, 沉积范围扩大。涠洲组沉积期凹陷处于断陷晚期, 受珠琼运动Ⅱ幕和南海扩张影响, 7号断层持续性拆离伸展, 形成掀斜构造, 导致乌石凹陷东部形成继承性的构造隆升带, 涠一段顶面沉积地层遭受风化剥蚀, 即形成新近系与古近系之间明显的T60角度不整合(胡德胜等, 2016; 李才等, 2018)。新近系沉积期以来, 乌石凹陷断层活动趋于停止, 盆地整体进入裂后热沉降的坳陷阶段, 整体下降接受沉积, 依次沉积了下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组(朱继田等, 2010; 刘宏宇, 2019)。

图1 北部湾盆地(a, 据马云等, 2013)和研究区(b, 据杨海长等, 2011)构造简图

2 不整合类型及平面分布

2.1 剖面类型

随着研究的深入, 学者们对不整合剖面类型提出了多种划分方案(Dunbar and Rodgers, 1957; Beer et al., 1990; 吴亚军等, 1998; 刘华等, 2003; 高长海等, 2013)。然而, 基于地质分层、层序划分所使用的不整合类型, 只考虑不整合上或下地层结构的单一因素, 未将不整合上、下地层结构与变形特征作为整体来分析(隋风贵和赵乐强, 2006), 由此得出的不整合分类不能满足深入认识其成因、结构及控藏作用的需要。在乌石凹陷中, 由于古近系沉积期盆地整体处于断陷活动下, 发育多期张裂和多种构造样式。之后由于构造隆升, 致使下覆地层遭受区域性剥蚀, 削截角度大、削截范围广, T60界面之上的下洋组形成超覆沉积, 表现为典型的“上超下削”(马云等, 2013), 使得该期不整合成为构成地层圈闭的有利区带。因此在不整合类型划分上, 不仅要考虑不整合成因类型, 还要依据地层的几何学特征, 进一步细分不整合类型。本次研究在对不整合剖面类型划分充分调研的基础上, 利用大量三维地震资料展开系统研究, 根据不整合上、下地震反射特征, 地层结构与变形差异, 将新近系下洋组底部不整合剖面细分为8种类型: 平行‒平行不整合、平行‒削截不整合、平行‒断褶不整合、平行‒褶皱不整合、超覆‒平行不整合、超覆‒削截不整合、超覆‒断褶不整合以及超覆‒褶皱不整合(图2)。

2.2 平面分布

不整合类型的平面分布形式是构造运动作用方式的痕迹, 体现了构造运动的活动特点(吴孔友等, 2011)。在明确乌石凹陷东区下洋组底部不整合剖面特征的基础上, 剖析了不整合类型的平面分布规律。不整合剖面类型具有明显分区分布的特点(图3): 平行‒平行不整合、超覆‒平行不整合主要发育在地形较为平缓的西部及南部; 平行‒褶皱不整合主要集中在中部和东部地区, 发育范围与中央构造反转带重叠; 超覆‒褶皱不整合发育较少, 仅南部和东部零星发育; 平行‒削截不整合、超覆‒削截不整合发育广泛, 北部掀斜断块构造带以超覆‒削截不整合发育为主, 东部则以平行‒削截不整合最为典型; 而超覆‒断褶不整合及平行‒断褶不整合的分布则主要与大断层的发育位置紧密相关。

总体来看, 乌石凹陷东区下洋组底部不整合类型分布的规律性, 是构造运动作用方式及强度变化的体现: 斜坡区不整合主要发育超覆‒削截不整合、超覆‒平行不整合等; 隆起区不整合类型发育多样, 平行‒褶皱不整合、平行‒断褶不整合、超覆‒削截不整合等均有发育; 而洼陷区受构造运动影响相对较弱, 往往发育平行‒平行不整合和平行‒削截不整合等类型。

3 不整合结构识别及风化黏土层发育的影响因素

3.1 不整合纵向结构识别

不整合代表后期地质作用对前期沉积岩(物)不同程度的改造, 改造程度的不均一性及后期下沉发生水进形成上覆岩石, 使得不整合具有了层次结构。这种层次结构使得不整合纵向上可划分为包括上层、中层及下层三层结构, 构成不整合结构体(王艳忠等, 2006; 吴孔友等, 2012; Wu et al., 2013)。但不整合的层次结构厚度较薄, 识别难度较大, 目前尚无法通过地震方法确定, 而是主要依赖于测井方法。不整合结构体各结构层无论在岩性、孔隙度、渗透率等方面均存在差异, 在测井资料上会有所响应, 因此可以选择敏感测井曲线进行处理, 放大或突出显示异常值, 进而划分不整合纵向结构, 具体流程如下:

(1) 曲线变化幅度差及归一化计算

①选取对不整合孔隙敏感的补偿中子CNL、密度DEN、电阻率和自然伽马GR进行曲线变化幅度差计算, 计算公式为:

式中: Δi为CNL、DEN、或GR,i为当前深度点的测井曲线值,i–1和i+1为当前深度点邻近的两点的测井曲线值。

②对各个参数进行归一化计算

各曲线量纲不同, 数值相差较大, 因此, 对补偿中子CNL、电阻率、自然伽马GR的变化幅度差采用如下公式归一化:

式中: Zi表示当前深度点上述变化幅度差曲线归一化后数值, 可分别用ZN、ZR、ZG表示; ΔYi表示当前深度点该种测井曲线实际变化幅度差值; ΔYmax表示该种测井曲线的最大变化幅度差; ΔYmin表示该种测井曲线的最小变化幅度差。

图3 乌石凹陷下洋组底部不整合类型、剥蚀厚度及风化黏土层厚度叠置图

密度DEN变化幅度差则采用如下公式进行归一化处理:

(2) 构建不整合孔隙综合判别参数

利用归一化计算后的变化幅度差曲线N、D、R及G构建不整合孔隙综合判别参数。

(3) 岩石骨架物质不同, 补偿中子及密度测井计算的总孔隙度存在明显差异, 结合二者数值关系构建一个经验指数, 定义为总孔隙度变化幅度差比值c, 可作岩性判别曲线。

密度测井计算总孔隙度的公式为:

式中:b为密度测井曲线读出的测量值;f为孔隙中流体的密度值;ma为岩石骨架密度值。

补偿中子测井计算总孔隙度的公式为:

式中:b为补偿中子曲线上读出的测量值;Nma为岩石骨架中子值;Nf为孔隙中流体的中子值。

构建总孔隙度变化幅度差比c公式为:

式中:N为补偿中子测井计算的总孔隙度;D为密度测井计算的总孔隙度。

(4) 自然伽马测井

泥质含量的变化会引起GR曲线幅度的变化, 可用于区分不整合三层结构, 并可借此对比风化泥岩与正常泥岩, 泥质含量指数计算公式为:

式中: GRlog为实际测量值; GRmax、GRmin分别为该曲线的最大、最小测量值。

则泥质含量sh计算公式为:

式中: GCUR为希尔奇指数, 可根据实验室取心分析资料确定。

(5) 不整合内部结构划分

根据不整合内部结构的特点, 通过不整合孔隙综合判别参数、岩性判别曲线c、泥质含量曲线sh三者的结合, 完成不整合内部结构的定量划分。

以研究区w-o井为例(图4), 处理后的测井曲线在不整合处具有明显的响应特征。电阻率、伽马等幅度差曲线显示, 在不整合结构体上层、下层与中层的接触处, 常出现台阶式高值, 中层的GR、R、NPHI等曲线值均较低, 而上层、下层波动则比较强烈。从孔隙综合判别参数来看, 也同样呈现中层为内凹的低值区态势, 此外, 泥质含量曲线sh和总孔隙度变化幅度差比c在w-o井的下洋组底部不整合三层结构划分中也起到了很好的识别作用。

3.2 风化黏土层发育规律

目前对不整合结构控藏作用研究主要集中在不整合结构的上层和下层对油气输导与储集作用方面, 而对中层(即风化黏土层)特征及其作用研究较少(邹才能等, 2014)。风化黏土层可以作为不整合结构体上层油气充注成藏的底板遮挡层, 防止油气向下部溢出, 同时也可以作为顶板盖层, 对不整合结构下层的油气充注成藏起封盖作用, 防止油气向上部漏出(王艳忠等, 2006; 吴孔友等, 2012)。在风化黏土层缺失或厚度不足以达到顶底板作用的区域, 不整合结构上、下层连通, 可作为良好的输导体系, 起输导作用(吴孔友等, 2003; 高长海等, 2013)。明确风化黏土层的厚度及分布是研究不整合控藏的必要环节, 本文在不整合结构识别的基础上, 重点统计了研究区钻遇下洋组底部不整合各井风化黏土层的发育厚度, 绘制其等值线图(图3): 在w-o井区附近出现了厚度高值集中区, 最高厚度可达8 m以上, 以该井为中心, 风化黏土厚度逐渐向四周减薄。其中沿其东南方向, 厚度递减速度较快, w-n井区厚度就降到4 m以下, 至w-m井区, 风化黏土层甚至缺失, 这种情况反映出该片区域因靠近中央隆起带, 坡度较陡, 风化黏土在构造高部位较难保存, 导致发育厚度普遍较低。经过风化黏土层的厚度低值带继续向南, 其厚度又开始逐渐递增, 这是由于靠近南部洼陷带, 由构造高部位向构造低部位, 物体能量的降低, 风化黏土层容易堆集。由w-o井沿北西西向, 同样受构造高部位影响, 厚度递减。在斜坡区, 厚度较大, 其中东南边界和北西边界是厚度高值区, 可达5 m以上。

A. 不整合结构体上层; B. 不整合结构体中层; C. 不整合结构体下层。

3.3 风化黏土层发育的影响因素

(1) 地层剥蚀厚度

剥蚀量的大小关系到对油气勘探潜力的正确评价, 依据地质背景可以选择多种方法(黄捍东等, 2006)。乌石凹陷东区钻遇中浅层的井较多, 本研究采用测井资料恢复剥蚀厚度的方法, 具体步骤为数据采集、单井剥蚀厚度推算和区域剥蚀量恢复。以T60反射层作为目标层位, 依据声波时差测井数据分别建立界面上、下地层声波时差值与深度的简单指数模型:

式中:代表深度(m);代表没有明显剥蚀的地表声波时差值;代表正常压实趋势斜率的常数;代表地层深度为处的声波时差值。

延伸曲线至等声波时差线, 读取两曲线的地层深度差值即可得剥蚀厚度。

运用声波时差值与深度的简单指数模型, 对研究区钻遇不整合的井进行剥蚀量恢复, 并依据剥蚀量数据做出区域剥蚀厚度等值图。通过对研究区T60反射层区域剥蚀厚度的恢复, 可以得出该区剥蚀厚度分布的一般规律: 整体剥蚀厚度均较小, 最大值位于东部高幅背斜带构造高部位, 最大剥蚀厚度约150 m, 其余构造单元剥蚀厚度均小于80 m, 指示研究区暴露时间短, 剥蚀厚度小。将剥蚀厚度与风化黏土层发育厚度的叠置可以发现, 剥蚀厚度值由东向西呈现先降低后增加的大体趋势, 风化黏土厚度则表现为先增加后降低。但剥蚀厚度高值区并非不发育风化黏土, 这可能与风化黏土的形成速度比剥蚀、搬运速度快有关(图3)。

(2) 不整合剖面类型

4 不整合成藏作用及地层圈闭优选

4.1 成藏条件与模式

乌石凹陷中浅层目前发现的油气主要分布在东部次洼, 在涠洲组和下洋组均有发现。下洋组主要为背斜油气藏, 有断层切割, 位于分布最广的顶部泥岩层下面; 涠洲组油气主要储集在背斜背景上的断块圈闭、褶皱不整合圈闭中。乌石凹陷主力烃源岩为古近系流沙港组, 尽管流一段、流二段、流三段均达到烃源岩标准, 但从目前油气勘探结果来看, 流二段发育关键供烃源岩, 特别是位于流二段顶、底的油页岩。研究区乌石凹陷东区埋藏深、流二段巨厚、断层发育、构造复杂, 具有优越的油气成藏条件。通过构造特征与构造样式解析, 东区发育张扭性断层、张性断层、压性断层、角度不整合、低幅度背斜、高幅度背斜等多种构造样式, 特别是多类型断层与不整合发育的纵向结构为油气运移提供了良好通道。空间上, 在流二段供烃背景下, 在断层、砂体、不整合联合输导作用下, 乌石凹陷东区发育“一”字型、“之”字型和“多”字型成藏模式(图5)。“一”字型成藏模式中, 油气垂向优势运移通道是沟通深部油源的大型断裂, 油气沿断裂带向上输导, 受较厚的泥岩或风化黏土层遮挡聚集成藏, T60不整合中层风化黏土层在该模式中可发挥顶板作用, 阻止油气向上运移, 结构体下层风化淋滤带则可成为油气的储集空间。在“之”字型成藏模式中, 深、浅层断裂沟通不整合, 形成垂向‒侧向复合输导体系, 深层断裂切穿烃源岩, 形成油气初次运移通道, 不整合结构体下层风化淋滤带和上层底砾岩(水进砂体)成为了侧向运移通道。“多”字型成藏模式受深、浅两套断裂体系控制, 不整合成为连接两套断裂体系的纽带, 是油气侧向运移的优势路径。深部断裂体系靠近深洼带, 断穿烃源岩使深层油气可以有效排出, 同时也是潜山油气藏的主要分布区域。侧向运移段不整合结构完整, 风化黏土层横向连续性好, 在此路径上可形成多种地层油气藏, 当浅层断裂体系沟通不整合结构, 油气沿断裂向上运移, 便可形成断块油气藏、背斜油气藏等。T60作为乌石凹陷东区中浅层的区域性不整合, 可成为地层圈闭(油气藏)的有利勘探层。

4.2 地层圈闭有利目标优选

在对T60不整合类型平面分布与风化黏土层发育厚度叠合分析基础上(图3), 将研究区主力烃源岩流沙港组二段厚度等值线、风化黏土层厚度等值线与T60不整合类型平面分布图叠合分析, 再结合其他成藏条件进行地层圈闭有利区的评价, 在T60不整合之下涠洲组中优选出了A、B两个有利目标区(图6a)。A区面积约为29.2 km2, 发育平行‒褶皱不整合, 风化黏土厚度在3 m以上, 且处于烃源岩成熟区, 生烃层系厚度大于500 m; B区15.7 km2, 同样发育为平行‒褶皱不整合, 风化黏土厚度介于4～7 m之间, 处于烃源岩成熟区, 生烃层系厚度介于300～500 m之间。从风化黏土的盖层条件、烃源岩指标、可起输导作用的断层发育情况上看, A、B两区均具有良好的成藏条件。过目标区的地震剖面显示, 圈闭A、B均为遭受剥蚀的背斜(图6b), 经风化黏土层顶板封盖, 油气沿断裂垂向运移至T60, 再沿不整合纵向结构下层进入圈闭, 形成褶皱不整合油气藏。经时深转换计算, 地层圈闭A的闭合度约为71 m, 圈闭B的闭合度约为73 m。

图5 乌石凹陷东区成藏模式图

图6 地层圈闭有利区带评价

5 结 论

(1) 乌石凹陷东区新近系下洋组底部不整合共发育8种剖面类型: 平行‒平行不整合、平行‒削截不整合、平行‒褶皱不整合、平行‒断褶不整合、超覆‒平行不整合、超覆‒削截不整合、超覆‒褶皱不整合和超覆‒断褶不整合, 且分布具有差异性。

(2) 新近系下洋组底部不整合纵向划分3层结构, 各层在测井曲线上具有明显的响应特征, 根据曲线变化幅度差、孔隙综合判别参数、泥质含量曲线sh、总孔隙度变化幅度差比值c等, 在纵向上识别不整合结构: 变化幅度差及值在不整合结构上、下层与中层的接触面为台阶式突变, 中层为低值区, 较稳定, 泥质含量较高。中层结构风化黏土层厚度发育受不整合剖面类型、剥蚀厚度影响, 可对下伏地层圈闭起封盖作用。

(3) 根据烃源岩发育层位、输导体系空间分布, 建立了3种油气成藏模式, 综合不整合剖面类型、风化黏土层厚度、烃源岩厚度, 在乌石凹陷东区评价出2个地层圈闭有利勘探区带, 是中浅层油气勘探优选目标。

致谢:两位匿名审稿专家提出了建设性意见和建议, 在此表示衷心感谢。

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Characteristics of Unconformity Structure and its Implication for Petroleum Accumulation During Fault-depression Transition Period in the Wushi Sag, Beibuwan Basin

WU Kongyou1, LI Yanying1, FAN Caiwei2, DONG Fang1, HONG Mei1

(1.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China; 2. Zhanjiang Branch, CNOOC China Limited, Zhanjiang 524057, Guangdong, China)

As the Paleogene-Neogene boundary, the T60 unconformity in the Beibuwan Basin recorded the transition of the faulted basin into the depression basin. Eight types of unconformities are identified to occur during the deposition of the T60 unconformity in the Wushi Sag, which is located in the central part of the basin, based on changes of seismic reflection characteristics of the unconformity. The unconformity types include parallel-truncation unconformities, overlap-truncation unconformities, and parallel-folding unconformities, among which truncation unconformities have the widest distribution range in the plan view. The plane distribution of each type of unconformity is controlled by structural location and deformation strength. Given the three layered structures of these unconformities, this study develops an efficient method to recognize the vertical structures of the unconformities on the logging curves. Vertical unconformity structures are found to be developed at the bottom of the Neogene Xiayang Formation in the Wushi Sag based on the comprehensive interpretation of the logging curves. Step-like changes occur in several logging curves at the contact surfaces between the middle weathered clay layer and the upper and lower layers of the unconformity structure. Moreover, the weathered clay layer corresponds to the low-value intervals in multiple changing amplitude difference curves, and its planar distribution is found to be mainly controlled by the unconformity types and denudation thicknesses. Eventually, two favorable exploration areas of stratigraphic traps in the eastern Wushi Sag are selected for further exploration and deployment, based on comprehensive analyses of the unconformity-related accumulation conditions and modes, unconformity types, weathered clay layer thickness, and source rock thickness.

Wushi Sag; fault-depression transition period; unconformity types; unconformity structures; stratigraphic traps

2020-11-03;

2021-04-09

国家科技重大专项“地层圈闭描述及有效性分析技术研究”(2017ZX05001003004)资助。

吴孔友(1971–), 男, 教授, 从事油区构造解析研究工作。E-mail: wukongyou@163.com

P548; TE122

A

1001-1552(2022)02-0272-010