莱州湾凹陷沙三段低位域湖底扇沉积特征及水道构型

刘军钊, 官大勇, 王志萍, 王启明, 李晓辉

(中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459)

湖底扇作为一种陆相湖盆深水重力流沉积体,中国最早在渤海湾盆地梁家楼地区的勘探实践中成功钻探,并在借鉴Walker的综合水下扇模式[1]基础上,建立带供给水道的湖底扇沉积模式,随后在渤海湾盆地、伊通盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地等均有深水湖底扇发现。

莱州湾凹陷为渤海重要富烃凹陷,在北部陡坡带深层沙河街组发现构造油气藏,储层类型为辫状河三角洲沉积,而南部相同层位和相近深度发育深水湖底扇沉积,且具有源内成藏的条件,具有良好勘探前景[2],在油气勘探及早期评价阶段主要依靠湖底扇的地震反射外部几何形态和模式化的相带平面展布规律来实施钻探,钻探结果表明湖底扇内部并非均质砂岩体,而是垂向上呈多套砂泥互层的复合体,且平面上湖底扇砂体成因机制、形态、富集位置均不相同。如何正确识别湖底扇重力流水道储层并刻画其水道构型特征是实施砂体沉积结构单元级别精准部井,提高油气勘探成功率的关键。

近年来,随着陆相湖盆深水湖底扇在多个盆地的成功钻探,从湖底扇发育模式[3-7]、储层沉积成因机制[8-12]、典型沉积识别标志[13-15]、有利储层相带位置[16-21]储层定量解释技术等方面重点丰富及完善了湖底扇相关研究。但在勘探及评价早期阶段,如何在少钻井的情况下,识别湖底扇内部有利砂体垂向发育规模及平面有利部位,少有人研究。

现通过识别已钻井湖底扇不同位置水道砂体成因及搬运机制,在此基础上,结合不同成因搬运机制的水道砂体地震反射特征,来刻画湖底扇不同相带的沉积特征及水道构型,并通过模型正演验证不同构型水道可靠性及富砂差异,以此来预测湖底扇水道砂体的纵向叠覆关系和平面发育富集区,为湖底扇岩性油气藏勘探勘探及早期评价阶段井位部署提供依据。

1 区域地质背景

莱州湾凹陷位于渤海海域东南部,二级构造隶属济阳拗陷,面积约1 500 km2,凹陷南部为潍北低凸起,北部紧邻莱北低凸起,西部可达垦东凸起,东部为鲁东隆起。凹陷东西分别受控郯庐走滑断裂带东支和西支,呈北陡南缓的地貌,北部为凸起边界大断裂陡坡带、南部为受控走滑派生断层的断阶缓坡带(图1)。新生代莱州湾凹陷经历多幕裂陷、沉积地层呈多旋回特征,古近系沙三段沉积时期盆地处于强烈裂馅期,湖盆范围广且水体较深。北部凸起边界断裂持续活动,凹陷持续沉降,沉积较厚地层(400～800 m)。沙三段自下而上分为下、中、上三个亚段。本次重点研究的湖底扇位于沙三中亚段。钻井重矿物表明,工区内沙三中段发育来自肯东凸起方向物源的高建设性的辫状河三角洲沉积,在辫状河三角洲前缘砂质不断堆积,在一定触发机制下产生多期重力流形成湖底扇。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of study area

2 层序地层特征

2.1 层序界面识别特征

2.2 层序格架内沉积体系构成

在三级层序格架的建立及内部四级层序界面识别基础上,结合钻井、录井、地震反射特征认为,该区低位域发育深水湖底扇,向盆地方向过度为深湖相泥岩沉积、湖侵体系域全区广泛分布湖相沉积、而高位体系域广泛发育辫状河三角洲以及高位湖底扇沉积。

本次重点研究的低位域湖底扇位于潍北凸起北侧断裂坡折下降盘,沙三段沉积时期,受东西两只郯庐走滑断裂的拉分作用,莱州湾凹陷持续裂陷,发育来自肯东凸起的陆源碎屑辫状河三角洲,高建设性的辫状河三角洲为湖底扇的发育提供了充足而稳定的物质基础,在断裂带下降盘发育重力流深水湖底扇(图3、图4),湖底扇南北延伸约12 km,面积达120 km2。

3 低位域湖底扇典型沉积特征

莱北低凸起低位域湖底扇为发育在湖盆远端断裂坡折之下的深水重力流沉积体,基于Shanmugam[22]关于重力流流变学性质分类的原则,将重力流的沉积搬运形式分为滑动、滑塌、碎屑流、浊流,其中碎屑流分为泥质碎屑流和砂质碎屑流,不同重力流沉积类型在岩心、测井及地震响应有明显区别。

3.1 滑动-滑塌沉积

滑动、滑塌是重力流产生的初始阶段,二者在实际勘探开发实例中很难区分,因此将其统称滑动-滑塌,表明块体在内部少量裂隙并几乎没有形变或者少量形变扭转的情况下,沿其下部滑动面受重力作用发生位移。低位域湖底扇的滑动-滑塌沉积主要发生在一级断裂坡折下降盘,来自高位辫状河三角洲的物质在重力的作用下引发滑动-滑塌,滑动体在湖底扇部位的砂岩和泥岩中均可发生,砂岩滑动-滑塌体中可以较低位域湖底扇的滑动-滑塌沉积主要发生在一级断裂坡折下降盘,来自高位辫状河三角洲的物质在重力的作用下引发滑动-滑塌,滑动体在湖底扇部位的砂岩和泥岩中均可发生,砂岩滑动-滑塌体中可以较好保留三角洲沉积的交错层理,而泥质滑动-滑塌由于含水率较高,在搬运过程中易破碎而难以保存。加之辫状河三角洲的较强的砂岩建设性,因此水道中以砂岩滑动-滑塌为主,具有多期叠加性质,沉积厚度较大。

图2 莱州湾凹陷沙三中层序地层特征Fig.2 Sequence stratigraphic characteristics of Shasanzhong formation in Laizhouwan sag

从钻井来看岩性表现为块状层理细砂岩为主间夹泥质粉砂岩及薄层泥岩,反应混杂堆积特征,水道底部泥岩中见重力负荷引起砂球构造(图4E)等,为重力流沉积的典型标志。测井GR曲线表现为齿化箱形或箱形-钟形复合特征。

3.2 碎屑流沉积

碎屑流沉积为重力流滑动-滑塌的下一个阶段,碎屑流为层流,在流动过程中颗粒之间相对滑动,颗粒之间既有相互支撑力,也有黏滞力,基于流变形态可分为泥质碎屑流和砂质碎屑流,泥质碎屑流黏土含量高,黏滞力强,砂质碎屑流黏土含量低,砂岩相对纯净。碎屑流在流动过程中随着含水量上升,存在泥质碎屑流向砂质碎屑流转化的过程(图5)[8],加之“滑水作用”的影响,砂质碎屑流可以长距离搬运,在斜坡区沉积较为纯净的砂岩。岩心观察岩性以灰色细砂岩为主,块状层理,局部夹薄层暗色泥岩,岩性描述表明现多期水道交替叠加,单水道见两种岩性组合,一种为灰色细砂岩中含泥质条带,为泥质碎屑流沉积(图4F),顶部与上覆泥岩突变接触,测井曲线呈齿化箱形,另一种为块状层理细砂岩,质较纯,顶部见泥岩漂砾,及泥岩撕裂屑(图4A、B),顶部与上覆泥岩突变接触,为砂质碎屑流沉积。测井GR曲线表现顶底突变的箱形。

3.3 浊流沉积

浊流为一种紊流支撑悬浮搬运的重力流,为切应力与变形速率成正比的低黏性流体,服从牛顿内摩擦定律,其沉积物具有分异型性,工区内取心井可见正韵律组合,每个韵律下部平行层理细砂岩,上部沙纹层理粉砂岩、粉砂质泥岩(图4G),顶部与上覆泥岩渐变接触,单个韵律测井GR曲线表现为底部突变上部渐变的钟形。

4 湖底扇水道构型

依据岩心观察、录井资料、测井资料结合水动力条件,识别已钻井湖底扇典型沉积特征,在此基础上全工区范围内重点结合地震反射特征及表现的重力流搬运机制,共识别出5种沉积结构单元,分别是叠覆型水道、复合型水道、水道侧翼、单一型水道及水道间,并通过模型正演验证不同微相沉积单元分类可靠性及富砂差异。

图5 湖底扇水道搬运机制(顺物源方向)[8]Fig.5 Gravity flow transport mechanism in sub lacustrine fan channel(along the source direction)[8]

4.1 叠覆型水道

叠覆型水道位于二一级断裂坡折之下内扇相带,平面上紧邻断裂坡折,是湖底扇内扇的主体,来自高位辫状河三角洲的物质特定触发机制下引发滑动-滑塌,沿一级断裂坡折之下限制性古地貌向二级断裂坡折延伸,由于地貌的限制以及沉积物滑动-滑塌的频繁产生,沉积厚度较大。由于辫状河三角洲的建设性较强,以砂岩滑塌为主,局部地区发育泥质滑塌。

叠覆型水道发育一级断裂坡折之下,在一定触发机制下发育滑动、滑塌、碎屑流沉积多期交互沉积,内部多期叠置砂体发育地震呈叠覆蠕虫状反射,而水道两侧受古地貌限制,向两侧逐渐减薄,顺物源方向叠覆型水道地震呈中等振幅中-低频差连续反射(图5),垂直物源方向呈顶凸低凸的凸凹镜外形,内部具叠置蠕虫状反射结构。正演结果也说明砂体较发育,其含砂率在40%～60%,垂直物源方向叠覆水道边两侧厚度减薄,边缘部位砂体欠发育,以空白反射为特征[图6B、图7]。

4.2 复合型水道

位于二级断裂坡折之下中扇相带。由限制性地貌向开阔性地貌转换(图3),携带泥沙的高密度沉积物通过内扇输砂通道后在重力作用下形成碎屑流沉积,由于内扇滑动-滑塌沉积物既有较为纯净的辫状河三角洲砂岩也有来自湖相泥岩的泥质滑塌成分,由于泥质碎屑流黏滞力强,搬运距离相对较短,在中扇高部泥质碎屑流沉积为主,因此复合水道在紧靠二级断裂坡折的部位岩性多为细砂岩含泥质条带,而砂岩较为纯净的砂质碎屑流伴随滑水机制的作用,搬运距离较远,另外泥质碎屑流在流动过程中,随着含水量增加也会逐步向砂质碎屑流转化[6-9],因此在中扇低部位主要以砂质碎屑沉积为主,砂岩较纯,储层物性明显提升。顺物源方向复合水道高部泥质碎屑流位表现为中-弱振幅中-低频中等连续反射,低部位砂质碎屑流表现为中-强振幅-中频反射(图5),垂直物源方向上二者均呈复合“U”或者复合“V”形特征,由于水道整体富砂,在差异压实作用下,略具“顶凸”外形,水道内部呈杂乱下切状反射,整体含砂率在50%～70%[图6C、图7]。

图6 湖底扇水道地震反射特征(垂直物源方向)[8]Fig.6 Seismic reflection characteristics of sub lacustrine fan channel (perpendicular to the source direction)[8]

图7 湖底扇沉积结构单元地震识别及富砂性Fig.7 Seismic identification of sedimentary structural units and sand richness of sub lacustrine fan

4.3 水道侧翼

水道侧翼位于中扇相带,形成于多期碎屑流水道越岸沉积,取心井证实水道为多期重力流叠加,其中某其重力流沉积规模较大时,沉积物越过“U”形或者“V”形水道,沉积于两期水道之间,平面上向远离远水道方向厚度减薄,岩性上表现为泥岩夹薄层粉砂岩或泥质细砂岩。垂直物源方向地震剖面上,水道侧翼位于两支相邻水道之间,在差异压实作用下,略具“顶凹”外形,水道侧翼内部呈中-强振幅低频中-好连续特征,呈断续哑铃状反射结构,整体含砂率在10%～30%(图7)。

4.4 单一型水道

单一型水道位于外扇相带,属于复合型水道的延伸,多为浊流沉积,表现为单一的水道对底部地层的侵蚀和下切,水道规模小,横向上以水道间连接,砂体局限发育水道之中,整个水道厚度通常小于湖底扇总厚度的1/2。岩性上以具有韵律特征的平行层理细砂岩向上过渡为砂纹层理粉砂和粉砂质泥岩。垂直物源方向地震剖面上,单一型水道呈孤立“V”形,水道内部呈中-弱振幅低频差连续反射特征。水道整体含砂率在40%～60%,但总体厚度不大且平面分布较为局限[图6D、图7]。

4.5 水道间

水道间位于外扇相带,分布于单一型水道之间,多为湖相细粒沉积而短暂的接受浊流水道的越岸沉积,呈席状分布,岩性为大套泥岩夹泥质粉砂岩及粉砂质泥岩。地震剖面上呈弱振幅中-低频好连续平行反射特征(图7)。

5 沉积模式及主控因素

5.1 沉积模式

莱州湾凹陷沙三中段沉积时期,发育来自肯东凸起方向物源的高建设性的辫状河三角洲沉积,在辫状河三角洲前缘砂质不断堆积,在一定触发机制下,产生重力流沉积湖底扇。

湖底扇分为内扇、中扇、外扇,内扇发育在一级断裂坡折之下的限制性地貌之上,其储层为滑动-滑塌的叠覆型水道。中扇位于二级断裂坡折之下的开阔地貌,储层类型以复合水道,水道的走向受局部地势高低控制,外扇位于湖底扇外缘,沉积水动力减弱,主体以细粒粉砂质泥岩、暗色泥岩为主,局部发育单一型水道。

湖底扇顺物源方向,发育重力流类型具有明显规律性,紧靠辫状河三角洲物源位置发育滑动-滑塌沉积,局部泥质滑塌,进入二级断裂坡折之下以泥质屑流沉积为主,低部位砂质碎屑流沉积为主,随着重力流多个方向分散和沉积能力减弱,仅局部发育浊流沉积的单一水道(图8)。

5.2 控制因素

物源:沙三段沉积时期,伴随莱州湾凹陷的进一步裂陷,发育来自肯东凸起物源的高建设性的辫状河三角洲提供大量物质基础,在三角洲前缘形成相对高角度砂质前积体,当厚度及平面规模达到下伏泥岩承载极限时,在自身重力作用下引发沿湖相泥岩表面的滑动、滑塌。

坡折:坡折是引发重力流产生的必要条件,研究区内低位域湖底扇一级断裂坡折之下地层突然加厚,三角洲沉积物易于在此滑动滑塌,一级坡折带控制了湖底扇沉积部位,在一级坡折带之下形成叠覆型的砂泥混杂叠覆水道,二级断裂坡折限流调节湖底扇沉积再分配,二级断裂坡折之下随着流体含水量的增大进一步发育碎屑流沉积的复合型水道储层,另外断裂活动差异造成断裂坡折带之下地势高低的变化也影响水道的走向。古地貌:限制型地貌物源供给集中,发育叠覆型水道,以宽缓U形为主,整体含砂率高、规模大,开阔型地貌物源供给分散,发育复合型水道,多期水道改造和相互叠加的特征,以W形和多期次V形为主,随着地势平缓,水道能量进一步减弱,以单一型水道为主,含砂率低、规模小、水道间发育。

图8 莱州湾凹陷低位域湖底扇沉积相模式图Fig.8 Sedimentary model of sub lacustrine fan in lowstand tract of Laizhouwan sag

6 结论

(1)莱州湾凹陷低位水道型湖底扇重力流搬运机制为滑动-滑塌、泥质碎屑流、砂质碎屑流及浊流,砂质碎屑流由于滑水机制而搬运距离更远,且砂岩较纯净。

(2)结合地震反射特征所表现的重力流搬运机制,共识别出5重沉积结构单元,分别是叠覆型水道、复合型水道、水道侧翼、单一型水道及水道间,叠覆型水道位于内扇,复合型水道、水道侧翼位于中扇,单一型水道及水道间位于外扇。

(3)物源供给、坡折、古地貌共同控制低位域湖底扇的发育及有利储层的展布;高建设性的辫状河三角洲提供了湖底扇发育的砂质基础,折带与古地貌共同控制沉积物的搬运机制和水道类型及水道走向。

(4)内扇叠覆型水道发育多期滑动-滑塌沉积,储层总厚度大。中扇高部位复合型水道发育泥质碎屑流砂岩,储层泥质含量较高;低部位发育砂质碎屑流砂岩,由于受“滑水机制”影响,复合水道低部位砂岩较纯净物性好。内扇叠覆型水道以及中扇复合型水道低部位是油气勘探部署井位的有利区。