莺歌海盆地东方气田砂质碎屑流沉积相研究

2023-01-14周伟张辉杨朝强王玉胡威莫冯阳王勇标

科学技术与工程 2022年34期

周伟，张辉，杨朝强，王玉，胡威，莫冯阳，王勇标

(中海石油(中国)有限公司海南分公司，海口 570100)

莺歌海盆地东方气田是中国海上最大的千亿方级在生产气田[1-2]，其主要含气层段(新近系莺歌海组二段)的沉积模式认识一直存在争议。谢培勇[2]、李胜利等[3]、姜平等[4]和彭旋等[5]提出研究区为重力流泥流沟谷切割改造的滨浅海滩坝沉积。岳绍飞等[6-7]认为研究区为海底扇外扇浊积席状砂沉积，水道不发育。高雨等[8]和惠增博[9]认为研究区为多物源、多种水动力条件交互作用，发育浪控三角洲沙坝、潮汐水道和砂质碎屑流沉积。可见，前人对东方区莺歌海组沉积砂体的成因类型及其模式研究具有较大争议。汤望新等[10]在对鄂尔多斯盆地南缘延长组深水沉积体系进行研究时，也指出只用一种成因模式去解释重力流沉积体系具有一定的局限性。

图1 莺歌海盆地东方气田构造位置图及充填序列Fig.1 Structural location map of Dongfang Gas Field in Yinggehai Basin

深入研究发现，前人认识与研究区典型岩心和地震相特征存在矛盾，对研究区“复合侧积体”、多种类型“水道”等未能给出合理解释。随着气田进入开发中后期，基于前人沉积认识部署的调整井实施效果差，砂体连通性与生产动态特征明显不符，凸显出当前沉积模式及储层发育机制认识的不足，严重制约了气田开发后期精准调整挖潜。沉积相认识的不同决定了储层发育机制的差异[11]，直接影响对优质储层展布和储层内部结构的认识，对气田开发效果起决定性的作用，因此有必要展开研究区沉积相再认识。现从岩心观察入手，综合测井、地震、大量粒度及薄片分析资料，通过对典型岩心标志及井震结合地震相的精细识别，结合盆地的古地貌特征及特殊沉积背景，重新定义东方气田莺歌海组二段沉积相类型，明确其北西向物源砂质碎屑流成因、受重力流泥质水道改造的海底扇沉积模式，在此基础上开展精细的沉积微相刻画，查明储层强非均质性的主控因素，将有效指导气田调整挖潜。

1 气田概况

东方气田所处的莺歌海盆地是新生代走滑伸展型盆地，两侧发育北西走向的走滑基底大断裂，盆地形成演化受控于断裂走滑活动，具有典型的下断上拗的双重结构[12-13]。以新近系海相坳陷沉积为主，该时期断裂不发育、沉积沉降速率快为主要特征，沉积了厚度达一万米的海相地层。盆地呈北西向不规则的菱形，新近系莺歌海组沉积时期，受喜马拉雅运动的影响，盆地北部抬升、南部沉降，沉积中心向东南不断迁移，沉积作用主要受控于周缘物源和盆地形态，发育一系列向盆地中央方向的沉积楔，向盆地边缘方向减薄。研究区位于盆地北部的中央位置(图1)，构造上位于中央坳陷带的西北部，近临高凸起，在主要目的层沉积时期，为浅海内陆架沉积环境[14]。东方气田主要含气区位于研究区的中东部，为披覆在泥底辟背斜上的构造+岩性气藏，主要含气层位为莺歌海组二段的Ⅲ上气组、Ⅱ气组和Ⅰ气组。

2 浅海砂质碎屑流沉积特征

2.1 沉积学特征

砂质碎屑流概念最初由Doyle[15]提出，并由Shanmugam[16]在其基础上进一步完善。砂质碎屑流主要是依靠基质强度、颗粒间摩擦强度和浮力、超孔隙压力共同支撑，介于黏性碎屑流和非黏性碎屑流之间的塑性流体，内部呈现线性层流特征，搬运过程中以团块状整体搬运[17]。其主要鉴别标志包括以下几个方面：①具底部冲刷面的块状砂岩，指示块状流体搬运过程中对下伏沉积物的剪切作用；②漂浮泥屑向上富集呈现反粒序或反韵律-正韵律共生，指示碎屑流沉积过程中浮力作用具有重要的支撑性[18]；③泥质碎屑成层分布，指示碎屑流下部层流特征；④泥质碎屑无序分布，指示碎屑流上部“刚性”筏流段块状固结特征；⑤“泥包砾”结构，指示原始沉积过程中的塑性状态；⑥变形构造、漩涡构造、砂质注入体等构造[6,17-20]。

一直以来东方气田莺歌海组二段沉积成因存在较大争议，其中不乏滨浅海滩坝、三角洲前缘等牵引流成因认识，开发阶段又引入浊积席状砂的概念[6]，均不能完全合理解释东方气田内部沉积构造成因。本文研究认为东方气田莺歌海组二段砂体为浅海坡折带下发育的砂质碎屑流沉积，沉积后期受到底流等多种水动力的改造，其岩心沉积学特征兼具砂质碎屑流和牵引流的特征。东方气田典型沉积构造与砂质碎屑流鉴别标志有较好的吻合性，归纳起来可以概括为以下几个方面。

(1)沉积构造特征：泥质碎屑流和砂质碎屑流在东方气田莺歌海组均有发育，二者交互沉积，泥质碎屑流对早期的砂质碎屑流沉积具有明显的切割改造作用。研究区取心井主要钻遇砂质碎屑流沉积，发育于海底扇扇中位置，岩性以粉砂岩、细砂岩为主，以大套厚层块状砂岩[图2(a)]为典型沉积特征，整体反映砂质碎屑流块体搬运沉积特征。局部泥屑富集呈现定向排列[图2(b)]或无序排列[图2(c)]，泥屑定向排列主要出现在早期近源位置，其形成主要受控于碎屑流下部层流段的剪切改造作用，杂乱分布的泥质碎屑则主要受控于碎屑流上部“刚性”段的块状固结作用[21]。砂岩中的“泥包砾”结构[图2(b)]则反映出碎屑流对底部软泥质沉积的侵蚀改造作用，并经二次搬运后，在浮力作用下上浮后，整体固结形成，砂质同心圆团块成因与此类似[图2(e)]。砂质碎屑流快速堆积过程中，往往可见砂质注入体[图2(d)]、变形构造[图2(f)]、泄水构造[图2(g)]等一系列软沉积变形构造，指示相对近源的沉积特征。由于砂质碎屑流沉积的事件性和突发性，沉积上部生物逃逸迹普遍发育[图2(c)]，可见多种生物遗迹现象。砂质碎屑流沉积晚期，流态发生改变，逐渐转化为浊流沉积，在沉积顶部发育一些牵引流沉积构造，表现为正粒序特征，岩心上可识别出鲍玛序列Ta～Tc[图2(i)]、Tc～Td段。研究区沉积过程中受到多种水动力的共同作用，其中包括盆地底流改造作用，形成砂纹层理等牵引构造[图2(h)]，同时受风暴潮影响，局部岩心可见介壳聚集现象[图2(k)]。砂质碎屑流沉积间歇期，研究区滨浅海滩坝沉积发育，粒度细、物性差，以复合层理为识别标志[图2(j)]。

(2)粒度及岩石学特征：研究区砂质碎屑流是在偶然触发机制条件下，供源三角洲前端沉积物发生滑塌作用，沿坡折带以块体搬运方式二次搬运沉积形成，这就决定了该区重力流沉积物与其物源供给处的三角洲前缘沉积物特征具有一定的相似性。沉积物组分继承了三角洲前缘沉积物高成分成熟度的特征，岩石类型以石英砂岩为主[图3(a)]，石英百分含量在76%～97%；结构成熟度中等，颗粒常呈次棱～次圆状，并多呈点状接触。粒度概率曲线表现两段式特征[图3(c)]，具悬浮和跳跃次总体，以跳跃次总体为主，与经典的重力流累积概率曲线存在一定差异[18]。C-M图上数据点近似平行于C=M基线[图3(b)]，C/M值较小，介于1～3，粒级细、分选好，具典型的重力流沉积特征。

(a)为D-2井，1 360.04～1 360.23 m，块状层理粉细砂岩；(b)为D-3井，1 296.80～1 296.94 m，粉砂岩，泥屑定向排列，顶部“泥包砾”构造；(c)为D-3井，1 292.66～1 292.85 m，粉砂岩，泥屑杂乱分布，发育生物潜穴遗迹；(d)为D-3井，1 297.75～1 297.99 m；粉砂质泥岩，砂泥混杂堆积，泥岩中发育砂质注入体；(e)为D-5井，1 338.07～1 338.19 m，泥质粉砂岩相，同心圆状砂质团块；(f)为D-3井，1 357.37～1 357.49 m，粉砂质泥岩向上变为粉砂岩，发育变形构造和生物逃逸迹；(g)为D-3井，1 367.56～1 367.64 m，粉砂岩与薄层泥岩护层，发育泄水构造；(h)为D-5井，1 321.80～1321.90 m，砂纹层理细砂岩；(i)为D-3井，1 369.84～1 370.01 m，依次发育鲍玛序列Tc(脉状层理)-Ta(块状层理)-Tc (丘状层理)；(j)为D-8井,1 360.68～1 360.80 m，复合层理泥质粉砂岩；(k)为D-2井，1 285.94～ 1 286.08 m，含砾细砂岩，生物介壳富集图2 研究区莺歌海组二段砂质碎屑流沉积和牵引流沉积典型沉积构造Fig.2 Typical sedimentary structures of sandy debris flow and tractive current in the second member of Yinggehai formation in the study area

图3 研究区莺歌海组二段岩石类型图、粒度累计概率分布曲线及C-M图Fig.3 Triangular diagram of rock components, cumulative probability curve and C-M diagram of the second member of Yinggehai formation in the study area

2.2 测井相类型及其特征

在系统总结了岩石相及其测井曲线特征的基础上，通过反应岩性变化的自然伽玛(GR)、配合电阻率(Rt)，分析测井曲线的组合形态、幅度、顶底接触关系、光滑程度、齿中线等基本要素，总结测井曲线垂向上的响应规律，建立研究区测井相图版。由于研究区钻井主要集中在海底扇扇中和扇端朵体位置，没有井钻遇典型的水道，所以测井上只识别出3种主要测井相类型：非水道化朵体、水道化朵体和浅海泥(表1)，特征如下。

(1)非水道化朵体测井相。GR曲线呈线形、箱形，中-高幅，齿化严重，顶部为突变接触、底部渐变接触，代表水动力能量渐变-突变、能量大小交替变化的特征，岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质细砂岩、细砂岩为主。

(2)水道化朵体测井相。GR曲线呈漏斗形-箱形，中-高幅，中等齿化，顶底呈现突变接触，代表水动力能量突变，岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥质细砂岩、细砂岩为主。

(3)浅海泥测井相。GR曲线呈中-高齿化、低幅线形，顶底突变接触或渐变接触，岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，多为浅海泥沉积。

2.3 地震相类型及其特征

地震相是沉积相在地震剖面上表现的总和，是指一定面积内的地震反射单元，该单元内的地震属性参数与相邻的单元不同，它代表产生其反射的沉积物的岩性组合、层理和沉积特征。井震结合，利用地震反射内部结构、外部形态的差异，再辅以地震反射同相轴的振幅、频率和连续性等地震属性对研究地震相类型进行精细识别，在东方气田莺歌海组二段识别出了14种地震相类型(表2)：中-强振幅杂乱反射地震相、中强振幅杂乱反射-弱振幅(乱岗)空白反射地震相、弱-中等振幅侧积地震相、弱-中等振幅丘状乱岗形地震相、弱-中等振幅席状(亚)平行地震相、弱-中等振幅丘状(亚)平行地震相、中-强振幅亚平行强连续地震相、中-强振幅平行弱连续地震相、强振幅亚平行地震相、中等振幅侧积地震相、弱振幅U(V)型乱岗(空白)形地震相、弱振幅(亚)平行地震相。

2.4 沉积微相类型及特征

依据陆架不同性质(富砂或富泥)，砂质碎屑流成因沉积体系可分为水道化和非水道化两种沉积类型，其中非水道化砂质碎屑流沉积发育于富砂型陆架-陆坡环境，而水道化砂质碎屑流沉积常见于富泥型陆架-陆坡环境，并在水道末端形成朵体[22-23]。在岩芯精细观察与描述、地震资料精细分析的基础上，研究认为研究区为受后期泥质水道改造的砂质碎屑流成因海底扇，并识别出(残余)侵蚀水道复合体、(残余)水道化朵体、(残余)非水道化朵体、(残余)远端朵体、(残余)滩坝、水道滩坝复合体、侧积水道、泥质水道、浅海泥9种沉积微相类型，其中(残余)水道化朵体、(残余)非水道化朵体是气田含气区的主要沉积微相类型。

(1)侵蚀水道复合体和残余侵蚀水道复合体。三角洲前缘的半固结-固结砂体失稳，沿坡折滑塌形成砂质碎屑流，搬运至坡脚形成侵蚀水道复合体。研究区内尚无井钻遇，但在地震相上表现出明显的特征，呈现出中-强振幅、不连续，内部杂乱反射的特征(表2)。在沉积后期，侵蚀水道复合体受泥质水道的侵蚀改造，因不同区域受到的侵蚀改造强度有差异，局部或有残留沉积，即残余侵蚀水道复合体，地震相呈现出不规则的丘状外部形态，其内部仍保留侵蚀水道复合体的地震相特征(表2)。由于多期次侵蚀水道间的切割关系复杂，并受到后期泥质水道的侵蚀改造作用，使得(残余)侵蚀水道复合体砂体内部结构复杂化。

(2)水道化朵体和残余水道化朵体。在富泥型陆架-陆坡环境下，水道化砂质碎屑流在三角洲前端形成砂质水道和水道化朵体，岩性主要为灰色细砂岩、泥质粉(细)砂岩，沉积构造以块状层理为主，可见变形构造及沙纹层理发育。地震相表现为弱-中等振幅、连续性一般的特征，内部侧积形态明显(表2)。水道化朵体受后期泥质水道侵蚀改造后的残留沉积，即残余水道化朵体，其地震相往往呈现出弱-中等振幅、连续性较差，外部形态呈丘状，内部形态不规则(表2)。(残余)水道化朵体受水道侧向迁移的影响，其砂体结构多表现为侧向叠置的特征。

(3)非水道化朵体和残余非水道化朵体。富砂型陆架-陆坡环境有利于非水道化砂质碎屑流沉积发育，在侵蚀水道复合体前端形成非水道化朵体，整体沉积相对稳定。岩性主要为灰色粉砂岩、泥质粉砂岩，沉积构造以块状层理、变形构造为主，可见“泥包砾”结构、泥砾、砂质团块等碎屑流的典型沉积特征(图2)[24-25]。地震相表现为弱-中等振幅、席状(亚)平行、连续性较好的特征(表2)。非水道化朵体受后期泥质水道侵蚀后的残留沉积，即残余非水道化朵体，在地震相上表现为弱-中等振幅、连续性一般的特征，内部见残留的席状平行或亚平行地震反射特征(表2)。由于后期泥质水道对非水道化朵体的强烈改造作用，使得残余非水道化朵体表现出异常复杂的砂体结构特征。

(4)远端朵体和残余远端朵体。远端朵体在研究区西部较为发育，距离气田含气区较远，尚无井钻遇，其地震相特征与非水道化朵体、浅海泥的地震相相似，但仍有差异，呈现为中等振幅、席状平行、连续性好或一般的特征(表2)。远端朵体受后期泥质水道的侵蚀改造后的残留沉积，即残余远端朵体，地震相表现为弱-中等振幅、连续性一般-差的特征，外部形态呈现为不规则的丘状，内部往往可见残留的席状平行反射特征(表2)。

(5)滩坝和残余滩坝。滩坝是滩砂和坝砂的总称，其形成主要受波浪和沿岸流控制，滩、坝砂体通常相互叠置而难以区分，发育细-粗-细对称旋回或向上变粗的反旋回[26]，主要在Ⅰ气组发育。滩坝岩性以灰色粉砂岩、泥质粉砂岩为主，发育波状层理、沙纹层理、泥质纹层，其砂体厚度通常较薄。地震相表现为中-强振幅、连续性好、平行反射的特征(表2)。滩坝受后期泥质水道侵蚀改造后的残留沉积，即残余滩坝，地震相表现如表2所示。

表1 东方气田莺歌海组二段测井相类型及其特征

表2 研究区典型地震相类型及特征

续表2

(6)水道滩坝复合体。滩坝砂体受后期砂质水道的部分改造形成水道滩坝复合体，水道砂体和滩坝砂体难以从地震上很好地区分开，砂体厚度比侧积水道砂体薄，主要在Ⅰ气组发育，地震相表现为中-强振幅、连续性较好，底部往往具不规则波状形态(表2)。

(7)侧积水道。砂质水道在侧向迁移作用下形成侧积水道砂体，其厚度大，内部泥质含量较高，地震相表现为中等振幅的特征，内部侧向迁移形态明显(表2)。

(8)泥质水道。泥流是一种低密度富含泥质沉积物的重力流类型，在沉积物固结程都不高、富泥地区，受一定的诱发机制作用产生，并对早期形成的沉积物有强烈的侵蚀改造作用[3]。泥质水道是泥流切割其下覆砂体，并主要充填泥岩的一种水道化沉积体，岩性以泥岩、泥质粉砂岩为主。地震相表现为弱振幅、无连续性，外部形态呈U形或V形，内部呈乱岗或空白反射的特征(表2)。

(9)浅海泥。浅海泥主要分布在砂质碎屑流和泥流尚未作用的区域以及各气组之间，岩性为深灰、灰黑色粉砂质泥岩、泥岩。地震相一般表现为弱振幅、连续性较好、平行或亚平行反射的特征(表2)。

3 沉积相展布特征及演化

在井震结合精细地震相识别的基础上，综合地震多属性信息，进行了各微相的精细刻画，明确了各气组微相展布特征并编制了各气组沉积微相平面图。研究结果表明研究区沉积展布整体受控于物源供给和古地貌，莺歌海组二段沉积时期，盆地地势北高南低，研究区位于盆地西北部缓坡坡脚处，凹陷中心南移至研究区南部，北西方向的三角洲前缘砂体经再次搬运在坡脚处堆积，形成大型海底扇沉积。顺物源方向可以看到由近源区杂乱反射侵蚀水道向前逐渐转变为中弱振幅平行反射的非水道化朵体，砂体逐渐减薄尖灭；垂直物源方向可见各气组沉积之后均受到泥质水道的强烈改造，导致横向砂体厚度的剧烈变化(图4)。

具体来看，Ⅲ上气组沉积时期为低位域早期，海平面缓慢下降，来自北西方向的沉积物沿陆架斜坡搬运，在斜坡脚处堆积。在研究区的北部以侵蚀水道沉积为主，表现为纵向多期叠加、平面广泛发育的侵蚀水道复合体，地震剖面上为中-强振幅的杂乱反射特征[图4(a)]。往南方向，在研究区中东部受底辟高地的影响，水动力减弱，对下伏地层的侵蚀作用减弱，侵蚀水道演化为水道化朵体和非水道化朵体，地震剖面上为弱平行至平行反射特征；而在研究区的中部，侵蚀水道依旧发育，一直延伸至研究区南部；研究区西部以非水道化朵体为主，地震上表现为中-弱振幅的亚平行或平行反射，往西方向砂体逐渐减薄尖灭[图5(a)]。之后物源供给不足，受地貌的控制，在研究区中部发育了北西方向的大型重力流泥质水道，对早期沉积进行强烈侵蚀改造，改造范围广且以泥质充填为主，地震相上表现为弱振幅充填特征[图4(a)]，泥质水道在研究区中部沿南东方向一直延伸至东南部破折处，在水道前端形成杂乱反射的泥质滑塌体[图5(a)]。研究区主要含气范围为东部的泥底辟背斜构造区，由于底辟高低的影响，主要含气区未受到后期泥质水道的改造，砂体连片分布，非均质性弱，连通性好。后续在该气组南部部署的井，实钻揭示地层压力已降低，进一步证实了含气范围内砂体连通性好。

图4 研究区典型地震剖面特征Fig.4 Characteristics of typical seismic profiles in the study area

Ⅱ气组沉积时期海平面持续下降，整体沉积特征与Ⅲ上气组类似，在研究区北部仍以侵蚀水道为主，在东北部侵蚀水道范围缩小，发育非水道化朵体[图5(b)]。往南方向，在研究区中东部受底辟高地仍对侵蚀水道产生影响，在底辟发育区水动力减弱，侵蚀水道演化为水道化朵体。而在研究区的中部(底辟西侧)，侵蚀水道依旧发育，一直延伸至研究区南部；研究区西部以非水道化朵体为主，往西方向砂体逐渐减薄尖灭[图4(b)]。之后物源供给不足，受地貌的控制，在研究区发育了由北向南的大型重力流泥质水道，对早期沉积进行强烈侵蚀改造，主要侵蚀改造范围为研究区的北部、中西部以及东部底辟区。作为研究区主要含气范围的底辟区，受泥质水道的改造强烈，导致砂体极为分散和破碎，表现强非均质性特征[图5(b)]。后期泥质水道对底辟区沉积的改造过程中，受底辟高地的影响，在强烈改造区的富泥质的分流水道内发生侧积现象，形成侧积复合体，环绕底辟西翼分布，在地震剖面上表现为侧向叠置的反射特征[图4(b)]。该类侧积复合体有别于水道内的泥质沉积，具有一定的挖潜潜力，气田后续在该类侧积复合体部署的两口井均获较高产量。

Ⅰ气组沉积时期发生海侵，海平面快速上升，研究区整体为浅海泥质沉积，覆盖在Ⅱ气组之上。Ⅰ气组沉积后期，海平面上升趋缓，加之底辟活动的影响，在研究区北部底辟区周围发育了北东南西向展布的多个浅海滩坝沉积，南部为浅海泥岩沉积。之后受到北西向砂质重力流沉积的改造，在研究区北部形成重力流滩坝复合体，主要以朵体的形式展布，在地震上主要表现为中-强振幅平行反射特征，在近物源处表现出一定杂乱反射特征[图4(a)]。之后又受到北西向多个泥质水道的侵蚀改造，导致砂体极为破碎[图5(c)]，平面非均质性进一步增强，挖潜难度大。