辽中凹陷西斜坡古近系东三段湖底扇发育模式及大油田发现

2024-03-16牛成民惠冠洲杜晓峰官大勇王冰洁王启明张宏国

岩性油气藏 2024年2期

牛成民，惠冠洲，杜晓峰，官大勇，王冰洁，王启明，张宏国

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

湖底扇的概念来源于海底扇，是指在陆相湖盆中由地震、洪水、构造运动等事件触发，导致碎屑物沿斜坡带进入深湖区而形成的一种深水重力流沉积体。深水重力流沉积研究源于20 世纪五六十年代，Kuenen 等［1］首次提出了浊流概念；Bouma［2］通过野外露头建立了著名的鲍马序列；1978年，Walker［3］和Normark［4］先后提出了海底扇标准相模式；1984年，刘孟慧等［5］和赵澂林等［6］对渤海湾盆地重力流沉积特征进行了研究，提出了湖底扇相模式并进行了储层预测。21 世纪以来，湖底扇研究进入了新的阶段，众多学者对湖底扇的形成演化机制［7-10］、沉积储层特征［11-13］、有利砂体预测［14-15］进行了深入的解剖，明确了其巨大的油气勘探地质意义。勘探实践表明，在我国松辽盆地［16］、二连盆地［17］、鄂尔多斯盆地［18］、渤海湾盆地［19-20］、北部湾盆地［21-22］等陆相含油盆地的湖底扇岩性体中都获得了规模性的勘探发现。随着渤海海域勘探程度逐渐提高，单一构造圈闭勘探已不能满足油气增储上产的需求，勘探方向逐步向地层油气藏、岩性油气藏等隐蔽油气藏方向拓展，其中湖底扇成为了岩性油气藏勘探研究的重要领域。近年来，在渤海海域的辽中凹陷、莱州湾凹陷和黄河口凹陷湖底扇勘探中都获得了一定的发现，其中在辽中凹陷西部斜坡带古近系东营组三段（东三段）湖底扇砂体的勘探中获得了重大油气发现。然而，学者们对辽中凹陷湖底扇的研究主要集中在北洼，而斜坡区湖底扇因钻井资料少且地震资料品质较差，研究相对较少，对其沉积主控因素、沉积模式、成藏模式等缺乏系统认识。

通过对辽中凹陷西斜坡湖底扇物源体系、古地貌与坡折体系、湖平面变化进行分析，探讨其沉积模式，在对旅大10-6 油田湖底扇沉积的岩石学特征，测井相、地震相特征及沉积相标志认识的基础上，梳理湖底扇型岩性油气藏的勘探发现历程、油气藏特征及油气成藏模式，以期为今后斜坡带湖底扇型隐蔽油气藏的勘探提供参考。

1 区域概况

辽中凹陷位于渤海海域东北部、辽东湾坳陷中部，东西两侧分别被辽东凸起和辽西凸起所夹持，是辽东湾坳陷中面积最大的富生烃凹陷，面积约4 800 km2。在四十多年的勘探中，于区域内中央反转带相继发现了旅大21-2、旅大27-2、旅大16-3等大中型油气田，勘探实践表明其为有利的油气聚集区。

辽中凹陷在构造上整体表现为东断西超的典型箕状特征，东侧为受辽东1号断层控制的陡坡带，西侧是狭长宽缓的斜坡带。研究区辽中凹陷西侧斜坡带（以下简称为西斜坡）紧邻生烃中心，成藏条件好，钻井揭示古近系发育完整，自下而上分别为孔店组、沙河街组和东营组。其中，东营组为区域主要勘探目标，自下而上可进一步划分为东三段、东二段和东一段，湖底扇沉积体系主要发育在东三段（图1）。东三段厚度为478～1 207 m，岩性分为3 段，上部为厚层泥岩夹薄层砂岩，中部以厚层泥岩为主，夹少量薄砂层，下部为泥岩与砂岩不等厚互层，局部发育中—厚层细砂岩。

图1 辽中凹陷构造位置（a）和古近系岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Structural location of Liaozhong Sag（a）and stratigraphic column of Paleogene（b）

2 斜坡带湖底扇发育模式

2.1 物源体系

渤海周缘前新生界地层层序研究表明，辽中凹陷西斜坡物源区包括辽西凸起和渤海湾盆地外西部燕山褶皱带。研究区古地貌恢复图（图2）显示，东三段沉积早期，辽西凸起部分出露在水面之上，形成“链状岛”，能够提供一定的物源供给，而没于水下的部分形成了潜在的输砂通道，可将燕山褶皱带的物源供给输送至研究区内，为湖底扇沉积提供了物质基础；东三段沉积中期，辽西凸起大部分没于水下，仅少量出露水面，其作为研究区物源的有效性进一步下降，而燕山褶皱带则持续供源，形成了大规模的辫状河三角洲沉积，越过辽西凸起，为研究区供源。

图2 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段沉积期源-汇体系Fig.2 Source-sink system of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

在东三段沉积期，辽西凸起出露母岩主要为中生代火成岩，燕山褶皱带出露大面积的太古代变质岩，而东三段湖底扇碎屑锆石测年显示其年龄主要为2 500 Ma，在200 Ma 也有少量分布，这说明研究区碎屑岩中锆石以太古代的碎屑锆石为主，只有少量的中生代碎屑锆石，进一步证实了燕山褶皱带是主要的物源供给区，而辽西凸起为次要物源供给区。

综上所述，研究区湖底扇是渤海湾盆地内、外共同供源的结果，盆外大规模的物源供给和变质岩的母岩区提供了碎屑物质和优质的储集砂体。

2.2 古地貌与坡折体系

断陷湖盆斜坡带与陡坡带相比地形相对平缓，但在沉积作用和构造作用的控制下，常发育沉积坡折带和断裂坡折带。

沉积坡折带是指由于不同沉积体系的沉积速率差异造成地形坡度突变，从而在空间形态上形成的坡折带。地形坡度发生变化为早期沉积物滑动、滑塌提供了有利条件，直接控制了重力流卸载的主要发育位置。研究区东三段沉积中期，从辽西凸起向辽中凹陷湖盆中进积的辫状河三角洲沉积体系在斜坡带形成了沉积坡折，该坡折位于三角洲平原与三角洲前缘的结合位置，在地震剖面上一般与前积反射的顶部相对应，并且与湖底扇沉积具有较为清晰的界线（图3），其形成与早期三角洲沉积所形成的古地貌背景息息相关。

图3 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段沉积坡折带控制湖底扇卸载位置Fig.3 Sedimentary slope break zone controls the unloading position of the sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

断裂坡折是受控凹断裂及区域构造应力影响而形成的具有一定断层坡度和断距的断裂组合，整体断裂发育规模较小，平面上多呈近东西向展布，地层以缓坡与凹陷相连接，向湖盆中心还发育次级断裂坡折，形成较为明显的沉积坡折。断裂坡折带形成的微古地貌变化控制着局部砂体搬运方向和差异富集程度，如研究区旅大10-5构造主要发育反向断层形成的断裂坡折带，碎屑物的运移受到遮挡，湖底扇集中发育，而旅大10-6 构造发育同向断裂坡折带，湖底扇沿断阶带向湖方向展布。

2.3 湖平面变化

东三段沉积期，研究区湖平面整体呈现出不断上升的过程，受到频繁变化的湖平面影响，形成多期次级湖泛面，湖底扇体系与三角洲体系在时间上先后发育、在空间上错位互补。东三段沉积初期，湖平面相对较低，沉积可容纳空间较小，辽西凸起整体出露水面，辽中凹陷仅能接受辽西凸起供给物源，形成辫状河三角洲沉积，随着湖平面上升，辽西凸起沉没水下，湖盆欠补偿形成湖相泥岩沉积。湖平面变化与物源体系变化耦合形成了三角洲、湖泊和湖底扇沉积，三者在空间上的反复叠置为岩性圈闭的形成提供了良好的保存条件（图4）。

图4 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段湖平面变化控制湖底扇垂相叠置关系Fig.4 Lake level changes control the vertical superposition relationship of the sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

2.4 沉积模式

东三段沉积早期，湖平面较低，提供的可容纳空间有限，辽西凸起南侧整体出露水面，为旅大10-5构造辫状河三角洲沉积提供了物源。北侧凸起出露规模较小，仅能形成规模较小的三角洲沉积，三角洲沉积体发生滑塌，在旅大10-6 构造形成了湖底扇沉积（图5a）。

东三段沉积中期，湖平面开始上升，可容纳空间逐渐变大，辽西凸起整体沉入水下，仅有少量出露，形成了“链状岛”，水淹没部分形成了有效的输砂通道，燕山褶皱带的盆外物源形成的大型辫状河三角洲可通过“链状岛”之间的输砂通道进入研究区，形成了大规模的辫状河三角洲沉积。旅大10-5构造受反向断裂坡折控制，湖底扇相对集中发育，而旅大10-6 构造受沉积坡折和顺向断裂坡折控制，滑动滑塌体沉积于坡脚部位，易向砂质碎屑流转化，并表现为舌状体向湖方向延伸（图5b）。

东三段沉积晚期，湖平面进一步上升，可容纳空间充足，燕山褶皱带物源供给持续增强，碎屑物越过辽西凸起在研究区卸载沉积，形成了大型的辫状河三角洲体系。受继承性古地貌背景和持续断裂活动的影响，三角洲滑塌在旅大10-5 构造和旅大10-6 构造分别形成湖底扇沉积（图5c）。

3 湖底扇发育特征

3.1 岩石学特征

对辽中凹陷西斜坡旅大10-6 油田5 口井东三段174 个岩石薄片进行鉴定发现，岩性主要为中—细粒长石岩屑砂岩（图6a），矿物成分主要为石英、长石和岩屑，其中石英体积分数为16.0%～38.0%，平均为26.6%；长石体积分数为30.0%～48.0%，平均为40.7%；岩屑体积分数为15.0%～45.0%，平均为32.7%，岩屑成分以岩浆岩和变质岩岩块为主。碎屑颗粒分选性中等—好，呈次圆—次棱状，成分成熟度较低，结构成熟度较高。

图6 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段湖底扇储层岩石类型及孔隙特征Fig.6 Sublacustrine fan reservoirs rock types and pore characteristics of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

储层孔隙类型主要为原生粒间孔和溶蚀粒间孔，见少量粒内溶孔，孔隙发育一般，连通性较差。粒间充填物主要为铁白云石、菱铁矿和高岭石，其中菱铁矿呈凝块状分散于粒间，铁白云石呈星点状分布，高岭石呈分散状充填粒间。颗粒间以点-线、线接触为主，长石风化程度中等（图6b）。

颗粒粒度的分布和分选性是判断沉积环境和水动力的标志，常用粒度概率累积曲线及C-M图（C为累积曲线上算数百分比值为1%处对应的粒径，M为累积曲线上算数百分比值为50%处对应的粒径）来判断沉积环境及水动力特征［26］。研究区东三段砂体颗粒粒度概率累积曲线为“一跳一悬”式，滚动次总体不发育，跳跃总体和悬浮总体占优势，跳跃次总体的体积分数约为60%，悬浮总体体积分数约为40%，两者交点粒度Φ值为2，粒度较小，代表受牵引流影响的重力流沉积（图7a）。研究区东三段砂体颗粒粒度在C-M图上表现出数据点与C＝M线平行的特征，即以递变悬浮总体为主，代表快速沉积作用下形成的未经分选的沉积物，也说明流体性质以重力流为主（图7b）。

图7 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段砂体粒度分析Fig.7 Sand particle size of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

3.2 测井相及地震相特征

测井响应特征不仅能反映岩-电对应关系，也能指示沉积相带。研究区东三段湖底扇按照沉积位置和形成机制可进一步划分为内扇、中扇和外扇3个亚相，从测井曲线的变化可以看出湖底扇内扇—中扇—外扇沉积相带的变化。内扇亚相距物源区位置最近，沉积物粒度最大，岩性以中—细砂岩为主，测井响应特征为高电阻率值和低自然伽马值，电阻率和自然伽马曲线均表现为钟形和箱形（图8a）；中扇亚相距离物源区相对较远，岩性以细砂岩为主，见少量粉砂岩，从内扇—中扇颗粒粒度逐渐变小，测井响应特征为中—高电阻率值和低自然伽马值，电阻率和自然伽马曲线均为齿化箱形和钟形（图8b）；外扇亚相靠近湖盆中心，岩性以砂泥薄互层为主，粒度最小，测井响应特征为中电阻率值和中—低自然伽马值，电阻率和自然伽马曲线均为齿形或指形（图8c）。此外，东三段测井曲线整体表现为多个箱形或齿化箱形叠加，反映了多期湖底扇相互叠置发育的沉积特征。

图8 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段湖底扇测井相特征Fig.8 Logging facies characteristics of sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

湖底扇沉积具有独特的地震相特征，表现为与相邻的湖相或三角洲相沉积的波阻抗差异较大。研究区东三段湖底扇为大套湖相泥岩沉积背景下发育的厚层砂岩夹薄层泥岩的岩性组合，地震反射特征表现为“底平顶凸”透镜状或丘状外形结构，东三段顶、底均为强振幅反射，地层内部呈现出多个低频、强振幅连续反射，具有较小规模的前积特征，反映出湖底扇内部有多期主沟道相叠加，与围岩泥岩的弱振幅空白反射明显不同，平面上呈多期湖底扇叠置连片分布（图9）。

图9 辽中凹陷西斜坡古近系东营组三段湖底扇地震相特征Fig.9 Seismic facies characteristics of sublacustrine fan of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

3.3 沉积相标志

研究区东三段湖底扇沉积中的中扇亚相是最有利的勘探相带，钻井取心主要集中在中扇亚相。从岩心可以识别出水平层理、泥岩漂砾、拉条状的泥岩撕裂屑及土黄色的磨圆度较好的泥砾，在粒度变小的岩心段具有明显的滑塌变形构造，在砂底可见砂泥岩突变面、变形层理等多种沉积构造（图10）。

图10 辽中凹陷西斜坡LD10-6-2 井古近系东营组三段湖底扇岩心照片Fig.10 Core photos of sublacustrine fan of Ed3 of well LD10-6-2 in the western slope of Liaozhong Sag

4 旅大10-6 油田勘探发现

4.1 发现历程

辽中凹陷西斜坡的勘探始于20 世纪90 年代，由于整个斜坡带形态宽缓、构造简单且几乎不发育断层，无法形成有效的构造圈闭，近三十年勘探仅获得了锦州27-6 油气田和锦州31-1 气田2 个小型商业发现。2018年，根据走滑控圈模式在斜坡南段解释发现了旅大10-5 和旅大10-6 构造，但这2 个构造断裂系统复杂，单个断块圈闭面积仅为0.8～2.5 km2，勘探风险极大。旅大10-6 构造经历了近五年3 轮次的勘探，主要包括构造勘探阶段、岩性探索阶段和岩性评价阶段。

2018 年，从构造圈闭勘探转为岩性圈闭勘探，在东三段发现的湖底扇砂体总面积约为57.7 km2，内部可追踪7 期砂体，单期面积为2.3～9.5 km2，古近系湖底扇型岩性油气藏勘探领域获得重大突破。为探索研究区含油气性及油气成藏模式，在构造圈闭面积大、储层发育的断块钻探了LD10-6-1 井，于东三段钻遇了4 期湖底扇砂体，砂岩总厚度为239.1 m，单砂层厚度为1.6～33.5 m，平均厚度为9.7 m，测井解释油层总厚度为67.7 m，气层总厚度为17.8 m，多个油组未揭示油水界面，湖底扇型岩性油气藏初露端倪。

2019—2020 年，为了探索研究区岩性油气藏模式、扩大储量规模，开展了湖底扇岩性目标整体研究，针对该区中深层进行了三维地震资料重新处理，识别并精细刻画了旅大10-5 和旅大10-6 这2 个构造区共39 个湖底扇砂体。结合沉积及油气运聚条件研究，优选储层发育、油气汇聚条件好的湖底扇，按照岩性油藏模式设计并钻探的LD10-6-2 井在东三段钻遇4 期湖底扇砂体，砂岩总厚度为187.6 m，测井解释油层厚度为57.7 m，气层厚度为74.3 m，气层测试获日产气40.3×104m3、日产油212.6 m3，油层测试获日产油241.2 m3、日产气4.5×104m3，证实了斜坡带岩性勘探的巨大潜力，确立了研究区岩性油气藏模式。

2020—2021 年，为了加深湖底扇的特征及分布研究，在旅大10-5、旅大10-6 构造区开展了整体评价钻探，在钻探过程中发现部分探井储层砂体横向快速尖灭、储层发育但整体见水等复杂情况，3 口评价井接连失利。针对储层尖灭问题，开展层序地层研究、划分沉积期次、恢复不同沉积期古地貌，进而明确物源、古地貌及湖平面变化共同控制湖底扇分布及富砂性。同时开展油气运聚研究，明确了“汇聚脊-通源断层-顺向砂体”三元耦合湖底扇规模性源外油气成藏模式，重新优选了具备有利运聚背景的3 个湖底扇开展钻探。其中，LD10-6-6 井在东三段钻遇厚层湖底扇砂体，厚度达153.7 m，测井解释油层厚度24.0 m，气层厚度29.8 m，证实了“物源-坡折带-湖平面”控制的富砂模式和“汇聚脊-通源断层-顺向砂体”控制的油气富集规律，确定了辽中凹陷西斜坡岩性油气藏的规模。

4.2 油气藏特征

旅大10-6 油田位于辽中凹陷中洼西斜坡，紧邻生烃主洼，油源供给充足，整体成藏条件优越。主力含油层系东三段主要发育湖底扇沉积，砂体平面分布范围较广，纵向上多期叠置，单砂体面积为3.47～52.74 km2，平均厚度为5.5～52.5 m，储层孔隙度为14.1%～20.8%，平均为18.0%，渗透率为0.3～203.3 mD，平均为45.7 mD，具有中孔、低渗特征。

受多条断层和不同期次砂体控制，旅大10-6 油田东三段可分为20 个相互独立的油气藏，其中11个油藏、9 个气藏，埋深为2 660.0～3 420.0 m。基于测试和取样资料可知，该区东三段地层温度为70.70～113.50 ℃，温度梯度为2.84 ℃/100 m，原始地层压力为24.652～35.233 MPa，压力系数为1.055，压力梯度为1.07 MPa/100 m，属于常温、常压油气藏。油藏原油为轻质油，具有低含硫、高含蜡、胶质沥青质含量中等、凝固点高的特征，地面（20 ℃）原油密度为0.831～0.833 g/cm3，50 ℃时黏度为2.67～2.90 mPa·s。其中硫的质量分数为0.05%，蜡的质量分数为17.14%～18.99%，凝固点为24.0～26.0 ℃，气油比199～233 m3/m3。

该区气藏中天然气具有低含CO2、微含硫、不含氦气的特征，其中CH4和C2H6—C6H14以上气体的质量分数分别为81.45%～85.89%和12.15%～16.74%，N2和CO2质量分数分别为0～0.31%和1.50%～1.65%。天然气相对密度为0.674～0.744，H2S 密度为6.45～12.37 mg/m3。凝析油具有低密度、低黏度、低含硫、中含蜡、凝固点低的特征，地面（20 ℃）凝析油密度为0.765 g/cm3，黏度为0.92～0.97 mPa·s。

4.3 油气成藏模式

辽中凹陷发育古近系沙河街组三段（沙三段）、沙一—二段和东三段共3 套烃源岩。油源对比结果显示，研究区油样色-质谱表现出中—高4 甲基甾烷、中—高伽马蜡烷及C27甾烷优势等特征，反映出深层沙河街组是主力供烃层系。因此，东营组湖底扇砂体储层为“下生上储”成藏，属于“脊-断”耦合成藏模式。旅大10-5、旅大10-6 构造区深部发育2 条近东西向构造脊，构造脊上沙三段发育的砂砾岩分布面积较大，凹陷区沙河街组油气生成之后，经过初次运移直接进入与烃源岩相接的沙三段砂砾岩体中，再通过构造脊由凹陷区向斜坡带横向运移并聚集在构造脊高部位形成构造脊“中转站”油气藏。随着斜坡带断层的幕式活动，切脊断层将深部砂砾岩中汇聚的油气向上部东三段湖底扇储层中垂向转移，形成了高效的垂向运移通道，而非切脊断层只能将断面周围接触的烃源岩所生成的少量油气运移至浅层，形成垂向差异运移。油气到达湖底扇砂体后，由于断层的分割作用，产生侧向分流，优先在顺向砂体中聚集。东三段湖底扇发育的斜坡区整体以湖相泥岩沉积为主，湖底扇优质储层包裹在厚层泥岩之间，形成了“泥包砂”的特征，油气保存条件较好。因此，研究区形成了以旅大10-6构造区为代表的“汇聚脊-通源断层-顺向砂体”三元耦合湖底扇规模性源外油气成藏模式（图11）。

图11 辽中凹陷西斜坡“汇聚脊-通源断层-顺向砂体”油藏模式Fig.11 Hydrocarbon accumulation model of“convergence ridge-source fault-parallel sand body”in the western slope of Liaozhong Sag

根据砂体的规模、“汇聚脊-断层-砂体”配置关系，优选具有汇聚脊背景、有通源断层且正向充注的扇体进行部署钻探，已确定旅大10-6 构造探明油当量为3 000×104t，是辽中凹陷西斜坡首个发现的大型轻质岩性油气田。