北部湾盆地乌石凹陷始新统层序地层分析

任 艳，孙 乐，房茂军，于兴河，李胜利，高明轩

( 1. 中国海洋石油国际有限公司，北京 100028； 2. 中海油研究总院有限责任公司，北京 100028； 3. 中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083 )

0 引言

南海北部湾盆地海域石油资源较为丰富，为主力产油盆地[1-2]。随北部湾盆地涠西南凹陷工业化油气的逐年开发，急需寻找新的接替资源与后备储量[3-4]。乌石凹陷是北部湾盆地富生烃凹陷之一[5-6]，主力成藏层系为始新统流沙港组二段与三段，已探明储量约为4×107m3。近年来，乌石凹陷勘探开发取得较大突破和进展[7-8]，但层序地层划分不清制约油田的上产开发。

建立区域性高精度的等时地层格架是高分辨率层序地层学的核心[9]，在层序分析过程中，需要考虑基准面旋回与储层结构的关系，分析较长期地层旋回中洪泛面及层序界面对较短期地层旋回中砂体成因类型、位置、几何形态的控制作用[10-12]。测井曲线的曲线形态、垂向叠加样式及地震终止关系可作为识别基准面旋回的重要标志[13-14]。各类自旋回沉积、地层断失、岩性迅速变化等因素，使基准面旋回与岩性剖面之间产生矛盾，需要识别自旋回与异旋回之间的关系[15]。

乌石凹陷始新统整体呈下粗上细的粒度特征，岩性从底部流沙港组三段(流三段)的砂砾岩、含砾砂岩向上过渡为流沙港组二段(流二段)的中细砂岩、泥岩等，研究区地层划分多以简单的岩性对比为主，且地层穿层现象明显，未考虑基准面旋回变化与层序结构样式的响应关系；同时受地震资料多解性的影响，未实现全区统一的层序地层划分，制约研究区层序—沉积—储层展布规律研究。基于层序地层学理论，遵循点→线→面研究流程，利用INPEFA技术划分层序地层界面；根据曲线形态特征、旋回叠加样式与沉积地层旋回性的对应关系，结合地震反射结构特征，分别确定钻井层序与地震层序识别标志，建立层序划分方案；通过研究区多井联合对比，建立井震资料结合的等时地层格架，反映乌石凹陷的构造格局及地层发育，并建立层序结构样式，为乌石凹陷始新统沉积体系展布规律研究、储层综合评价及有利区预测提供参考。

1 区域地质概况

北部湾盆地位于中国南海西北部，是一个半封闭的海湾，面积约为3.98×104km2，东临雷州半岛和海南岛，北临粤桂隆起，南接海南岛。北部湾盆地包括北部坳陷、企西隆起、南部坳陷、徐闻隆起及东部坳陷5个二级构造单元[16-17](见图1(a))。乌石凹陷位于北部湾盆地南部坳陷的东北部，整体呈近东西向展布，总面积约为2.68×103km2，是北部湾盆地继涠西南凹陷之后又一主要的富烃、生油凹陷。乌石凹陷东部主要存在东部断阶带、北部断阶带和南部洼陷带3个次级构造带(见图1(b))，主要含油层位为始新统流二段和流三段。

图1 北部湾盆地乌石凹陷构造位置与特征Fig.1 Structural location and characteristics of Wushi Sag, Beibuwan Basin

在中生代隆起背景下，新生代断陷沉积盆地逐渐发育，其中北部湾盆地断裂活动发育强度较大，倾向主要为北东东向或北东向，经历断陷、断坳、坳陷3个阶段[20]。乌石凹陷初始断陷期(早古新世)，主要沉积以河流相为特征的长流组和流沙港组下部地层(见图2(c))；断陷扩张期(始新世)，水体发育范围扩大，主要沉积流沙港组二段和一段(流一段)，断裂系统较为复杂，发育北北东向和北东向的同沉积断层，广泛发育湖相—三角洲沉积体系(见图2(b))；断坳期(渐新世)，水体面积继续扩大，发育浅湖或河流相为主的涠洲组，是良好的局部盖层和区域储层，整体继承流沙港组沉积时期的断裂发育，沉积中心由东南部向西南部迁移(见图2(a))；坳陷期(早中新世)，发育大型海侵，以浅湖相砂泥岩互层为主，充当区域储层、盖层的作用。乌石凹陷在断陷阶段后期发生构造挤压反转，古近系与新近系形成明显的“双层结构”[21]。

图2 北部湾盆地乌石凹陷不同时期伸展构造样式(据文献[6]修改，剖面位置见图1)Fig.2 Extensional tectonic styles in different periods of Wushi Sag, Beibuwan Basin(modified by referece[6], section position as shown in fig.1)

乌石凹陷总体表现为“南断北超”的半地堑特征和“南薄北厚”的地层展布格局，凹陷中心位于南部地区。受构造活动影响，同沉积断层发育，对地层厚度和砂体展布具有一定的控制作用[21-22](见图2)。

乌石凹陷东部主要存在东部断阶带、北部断阶带和南部洼陷带3个次级构造带(见图3)。东部断阶带处于构造高部位，面积约为1.60×102km2，目的层(流二段、流三段)埋深较浅，在1 300～3 000 m之间，断裂系统较为发育，坡度较小(2°～5°)。北部断阶带位于研究区西北部，距离东部断阶带和南部洼陷带较远，面积约为100 km2，目的层埋深在1 640～3 200 m之间，断裂系统较为发育，坡度与东部断阶带的相似。南部洼陷带面积约为140 km2，相对构造位置较低，越过洼中隆，地层坡度迅速增大(5°～13°)，目的层埋深在2 100～4 200 m之间。

图3 乌石凹陷次级构造单元分布Fig.3 Distribution of secondary tectonic units in Wushi Sag

2 层序地层划分

2.1 INPEFA层序界面识别

测井曲线是基准面识别与旋回划分的重要基础资料。根据测井资料，分析伽马曲线电性特征，并结合频谱趋势分析(INPEFA)技术，确定始新统层序界面，划分层序格架内的沉积旋回及其组合形式。利用米兰科维奇旋回理论进行测井曲线频谱分析，经过处理的INPEFA曲线具有明显的曲线趋势和转折拐点，可以体现常规测井曲线未能表现的趋势与旋回特征[23-24]。

一个完整的INPEFA曲线包括正、负趋势及正、负拐点。以东部断阶带B1井为例(见图4)，在埋深为2 400～2 450 m时，曲线表现为正趋势，数值逐渐增大，表示基准面逐渐上升，呈水进退积样式；在埋深为2 280～2 400 m时，曲线表现为负趋势，数值逐渐减小，表示基准面逐渐下降，呈水退进积样式；正趋势与负趋势之间的拐点代表层序界面或层序内的特征界面。B1井在埋深为2 400 m处的正向拐点对应INPEFA曲线的正向峰值，代表洪泛面；在埋深为2 280 m处的负向拐点对应INPEFA曲线的负向峰值，代表进积—退积转换面。同时，正、负趋势和正、负拐点内可包含次一级的正、负趋势和拐点，代表次一级别的层序旋回和界面。

图4 B1井INPEFA曲线层序划分 Fig.4 Sequence division on the INPEFA curve ofwell B1

在测井曲线上准确识别进积—退积转换面，作为划分不同旋回的界限。界限处，GR曲线通常表现为中—高幅箱形或钟形，砂岩厚度较大，垂向上通常为水退到水进、沉积物粒度由反粒序到正粒序的转换位置(见图5(a))，INPEFA曲线表现为负向峰值。界限处局部发育薄层泥岩沉积，上部被砂岩侵蚀，后被下一期的基准面上升半旋回部分或完全侵蚀。洪泛面形成于湖平面达到最高、湖岸上超点向陆延伸最远的时期，多位于GR测井曲线的最高值与RT测井曲线的低值位置，因界面位置泥质含量较多，曲线多为中—高幅锯齿状。垂向上通常为水进到水退的转换位置(见图5(b))，INPEFA曲线表现为正向峰值。层序内部的多期次级洪泛面是划分高精度层序界面的基础。

图5 乌石凹陷始新统层序界面识别Fig.5 Identification of Eocene sequence interface in Wushi Sag

2.2 短期旋回识别

根据测井曲线和岩心柱状图特征识别短期基准面旋回，确定短期基准面旋回界面的性质。利用测井曲线(幅度、形态、曲线的接触关系及光滑程度)和岩心柱状图特征(结构变化、地层终止方式和接触关系)，结合A/S(可容纳空间与沉积物补给通量之比)变化的趋势，对研究区始新统短期基准面旋回进行识别(见图6)。河道冲刷面一般发育于水体逐渐变浅的过程，底部突变接触，测井曲线表现为钟形或箱形；当基准面突然上升时，水体变深，可容纳空间在短期内迅速增大，深水沉积物直接与浅水沉积物接触，几乎无过渡产物；垂向上，测井曲线形态和岩相类型转换，导致沉积旋回的转换，发育层序界面或湖泛面。

图6 乌石凹陷始新统短期旋回识别Fig.6 Eocene short-term cycle identification in Wushi Sag

2.3 中期旋回识别

通过特定的展布和组合方式(叠加样式、对称性变化、旋回加厚/变薄的趋势、频率)，短期旋回构成中期基准面旋回[25]。短期旋回叠加样式的变化预示较长期基准面旋回运动方向的变化，建立短期旋回叠加样式与中期旋回之间的关系，指导研究区中期和短期旋回识别与划分。

各类自旋回沉积、地层断失、岩性迅速变化等因素增加基准面旋回叠加样式的不确定性，可能导致某种短期旋回叠加样式出现其他短期旋回特征。乌石凹陷始新统主要发育4种短期旋回叠加样式：(1)由退积组成的退积叠加样式(见图7(a))；(2)先退积、后进积、整体进积叠加(见图7(b))；(3)先进积、后退积、整体退积叠加(见图7(c))；(4)由进积组成的进积叠加样式(见图7(d))。根据短期旋回叠加样式对中期旋回进行划分，对全井段层序旋回进行识别。

图7 乌石凹陷始新统短期旋回叠加样式Fig.7 Eocene short-term cycle superposition pattern in Wushi Sag

2.4 地震响应特征

沉积地层的形成过程在地震剖面上具有一定的响应特征，通过地震同相轴之间的相互接触关系(上超、下超、削截、顶超、平行等)，可以追踪沉积界面的年代地层界面。研究区可识别削截、上超、下超、沟谷切割4种类型的层序界面，以及上、下同相轴平行和下超、削截2种洪泛面(见图8)。

图8 乌石凹陷始新统地震层序界面识别Fig.8 Identification of Eocene seismic sequence interface in Wushi Sag

3 层序界面特征

3.1 地层划分

研究区古近系始新统在地震反射界面T83以下的地震剖面上显示中振幅、中频率、较差连续性。地震反射界面T86为一套极强的泥岩标志层。始新统上部不存在明显的地层不整合现象，随湖平面升降旋回变化，地层内部存在明显的沉积旋回转换面(如T84b)，界面接触特征表现为削截、上超或平行结构；此外，可识别T84和T86等典型洪泛面(见图9-11)。

图9 乌石凹陷始新统层序地层划分方案Fig.9 Division scheme of the Eocene sequence stratigraphic in Wushi Sag

图10 乌石凹陷始新统各体系域特征Fig.10 Characteristics of the Eocene each system tract in Wushi Sag

研究层位构造较为复杂，结合区域构造演化特征，根据测井曲线特征、旋回叠加样式、地震反射剖面特征分析，确定符合实际的层序界面，从而实现由点到面的横向追踪。自下而上可将乌石凹陷始新统划分为2个三级层序(SQ1、SQ2)、6个四级层序(MSC1—MSC6)(见图9)。体系域是同一时期沉积体系的组合，具有一定的内在成因联系，通过将初始洪泛面与最大洪泛面进行有效划分，可以区分三级层序内(SQ1、SQ2)的低位体系域、海侵体系域与高位体系域。初始洪泛面标志层序界面之上第一次中期反旋回结束(MSC1、MSC4)与第二次中期正旋回开始(MSC2、MSC5)，最大洪泛面通常表现为中期正旋回之上的泥岩段(MSC3、MSC6)，沉积速率最慢。

3.2 SQ1层序

始新统SQ1层序下部以T90界面为界，与下伏长流组厚层泥岩、砂岩地层呈角度不整合接触；上部T84b是一个明显的大型层序转换界面。SQ1层序由完整的低位体系域(MSC1)、水进体系域(MSC2)、高位体系域(MSC3)组成，各体系域在基准面变化、沉积物供给速率、旋回叠加样式、地层结构、地震终止方式，以及垂向序列等方面存在较大差异(见图10-11)。

低位体系域(MSC1)基准面下降迅速，由2个短期旋回组成，物源持续供给，表现为局部进积、整体进积的旋回叠加样式；东部顺向断阶导致强制性水退，发育低位前积楔，地层结构以切叠式为主，砂体叠置、切割频繁，多呈复合砂体形态展布，GR曲线呈高幅漏斗形，向上粒度逐渐变粗；地震剖面显示MSC1体系域整体表现为中高振幅、中等频率、连续性较好的同相轴特征，底界面T90在凹陷边缘出现削截与角度不整合，凹陷中心以平行整合为主。

水进体系域(MSC2)基准面逐渐上升，由3个短期旋回组成，物源持续供给，沉积速率快，表现为局部退积、整体退积的旋回叠加样式；地层结构以切叠式为主，砂体在水进初期垂向叠置、侧向切割频繁，多呈复合砂体形态展布，GR曲线呈高幅钟形、箱形，砂(砾)岩层厚度大，向上粒度逐渐变细；地震剖面显示MSC2体系域界面清晰明确，以高振幅、低频率、较好连续性的反射同相轴为主，底界面T87在凹陷边缘出现削截与角度不整合。

高位体系域(MSC3)基准面逐渐上升，由3个短期旋回组成，物源间歇性供给，但供给强度逐渐加大，表现为局部进积、整体进积的旋回叠加样式；高位体系域发育初期，地层结构以孤立式为主，多以席状薄层砂形式展布，高位体系域发育后期，地层结构以切叠式为主；GR曲线呈中—低幅漏斗形、箱形，向上粒度逐渐变粗，但整体砂岩厚度较小，砂体展布规模有限；地震剖面显示MSC3体系域以低振幅、低频率、差连续性的反射同相轴为主，底界面T86为最大洪泛面位置，界面之下为视削截，界面之上呈明显下超特征。

3.3 SQ2层序

SQ2层序下部以T84b界面为界，与SQ1层序呈角度不整合接触；上部T83为一个明显的不整合界面，高位被剥蚀。SQ2层序由完整的低位体系域(MSC4)、水进体系域(MSC5)、高位体系域(MSC6)组成，砂岩呈薄互层特征发育，MSC4和MSC5体系域为短期快速水退到较长期水进过程，砂体发育程度相对较高(见图10-11)。

低位体系域(MSC4)基准面下降迅速，由3个短期旋回组成，物源间歇性供给，沉积速率慢，表现为先退积后进积、整体进积的旋回叠加样式；砂体多呈孤立状展布，或与其他砂体单一拼接，地层结构以桥接式、孤立式为主，砂体厚度小，呈薄互层特征发育，GR曲线呈中—低幅漏斗形，向上粒度逐渐变粗；地震剖面显示MSC4体系域普遍发育中—低振幅、中等频率、连续性中等的地震同相轴反射特征。

水进体系域(MSC5)基准面逐渐上升，由4个短期旋回组成，物源间歇性供给，沉积速率慢，表现为先进积后退积、整体退积的旋回叠加样式；GR曲线呈中—低幅钟形，向上粒度逐渐变细，发育由厚到薄层的不规则砂岩；地层结构以孤立式、桥接式为主，砂体拼接、叠置现象少；地震剖面显示MSC5体系域界面清晰明确，以中—高振幅、高频率、较好连续性的反射同相轴为主，底界面T84a在凹陷中心削截发育明显。

高位体系域(MSC6)基准面逐渐上升，由2个短期旋回组成，物源供给强度逐渐加大，表现为局部进积、整体进积的旋回叠加样式；高位体系域发育初期，席状薄层砂呈孤立式展布，高位体系域发育后期，地层结构以桥接式为主；GR曲线呈低幅漏斗形，向上粒度逐渐变粗，但整体砂岩厚度较小，砂体展布规模有限；地震剖面显示MSC6体系域以低—中振幅、低频率、中等连续性的反射同相轴为主，底界面T84为最大洪泛面位置，界面之下为视削截，界面之上呈明显下超特征。

3.4 典型剖面对比

乌石凹陷始新统整体呈下粗上细的粒度特征，岩性从底部流三段的砂砾岩、含砾砂岩向上过渡为流二段的中细砂岩、泥岩等。研究区地层划分前期多以简单的岩性对比为主，且地层穿层现象明显(见图12)，未考虑基准面旋回变化与层序结构样式的响应关系；同时受地震资料多解性的影响，未实现全区统一的层序地层划分。层序地层划分方案的基准面变化特征明显(见图13)，地震剖面中，MSC3体系域顶部追踪红色界面，有效解决地震多解性的问题；MSC2顶部界面在地震剖面上表现为强轴特征。

图12 乌石凹陷始新统岩性地层对比Fig.12 Lithology stratigraphic correlation of the Eocene in Wushi Sag

图13 乌石凹陷始新统层序地层对比Fig.13 Sequence stratigraphic correlation of the Eocene in Wushi Sag

连井剖面中，砂层组对比遵循传统岩性对比原则(砂对砂，泥对泥)；地震剖面中，l23砂层组顶界存在多解性，根据岩性对比，可追踪绿色界面，根据层序地层学原理，可追踪红色界面，且砂层组界面地震反射特征不够典型。

4 层序结构样式

流沙港组沉积时期，北部湾盆地乌石凹陷为深湖盆形凹陷，在凹陷北部断层控制下形成三角洲及三角洲前积体，多级东西向的断裂控制始新统沉积，总体上西北向薄、东南向较厚，层序发育较全，断裂系统较为发育；未发生明显地层剥蚀，在盆地西北部存在由地层隆起导致的鼻状低凸起，且发育一条断距较大的断层，使北部断阶带地层急剧变薄，整体地层厚度较小(见图14)；同时使北部断阶带与南部洼陷带、东部断阶带分属不同的沉积期次。

图14 乌石凹陷始新统地震层序格架栅状图Fig.14 Fence diagram of the Eocene seismic sequence in Wushi Sag

层序结构样式与构造活动、盆缘背景、物源供给、沉积相类型与展布紧密相关[26-28]。东部断阶带地层坡度小，介于2°～5°，顺向断阶发育；南部洼陷带构造位置相对较低，沉积期间发生构造反转，形成洼中隆，之后地层坡度迅速增大(5°～13°)，地层厚度为三个构造带中的最大厚度，目的层埋深为2 100～4 200 m。挠曲坡折带是在古梁、古断层、古潜山之上受披覆作用影响而产生的，发育明显的坡折带，下部有明显的上超和地层增厚现象，上部发育小型下切谷；在SQ1层序中坡折带最为明显，越过坡折带，地层迅速加厚；地震剖面上可见典型的前积反射结构，测井曲线上可见典型的齿形、钟形、漏斗形曲线特征(见图9、图15)。

图15 乌石凹陷始新统挠曲坡折带层序结构样式(剖面位置见图1)Fig.15 Sequence structure pattern of the Eocene flexural slope-break belt in Wushi Sag(section position as shown in fig.1)

研究区始新统SQ1层序处于盆地的初始断陷期，地层坡度较大，持续性物源供给较为充足，砂体发育面积广、厚度大，沉积物沉积速率快；始新统SQ2层序处于盆地的断陷扩张期，研究区(尤其是北部高地势地区)地层坡度较SQ1层序有所减缓，盆地处于区域湖扩张时期，碎屑体系供给缺乏，物源间歇性供给，在挠曲坡折的缓坡背景下，低位体系域和水进体系域(MSC4、MSC5)发育初期，砂体在坡折带下部发育，MSC4和MSC5体系域为短期快速水退到较长期水进过程，砂体发育程度相对较高，是SQ2层序主力砂体展布层段(见图9、图15)。

5 结论

(1)北部湾盆地乌石凹陷始新统自下至上可划分为2个三级层序(SQ1、SQ2)和6个四级层序(MSC1—MSC6)，地层展布特征为“西北薄、东南厚、断裂发育”，为挠曲坡折带层序结构样式，表现为低位体系域与水进体系域发育初期砂体发育的特点。

(2)乌石凹陷始新统主要发育4种短期基准面旋回叠加样式，即由退积组成的退积叠加样式；先退积后进积，整体进积；先进积后退积，整体退积；由进积组成的进积叠加样式。同时，识别削截、上超、下超、沟谷切割4种类型的层序界面，以及上、下同相轴平行和下超、削截2种洪泛面。

(3)乌石凹陷始新统SQ1层序处于盆地初始断陷期，地层坡度较大，持续性物源供给较为充足，沉积物沉积速率快，其中MSC2体系域为主力砂体展布层段；SQ2层序处于盆地的断陷扩张期，研究区(尤其是北部高地势地区)地层坡度较SQ1层序有所减缓，物源间歇性供给，其中MSC4和MSC5体系域为短期快速水退到较长期水进过程，砂体发育程度相对较高，是SQ2层序主力砂体展布层段。