龐小軍,王清斌,解 婷,趙 夢,馮 沖
(中海石油(中國)有限公司天津分公司渤海石油研究院,天津 300459)
近年來,“源-匯”系統逐漸成為沉積學研究的熱點。徐長貴等[1-2]提出了“源-匯時空耦合體系”的概念,并指出其主要由物源體系、匯聚體系和基準面轉換體系組成,該理論為渤海海域中深層優質儲層的預測提供了新的思路,使渤海中深層儲層預測的成功率得到了很大的提高;之后,國內學者對國內沉積學研究進展、源-匯過程、沉積盆地源-匯研究進展等作了較詳細的闡述[3-5],并逐步健全了源-匯系統的研究內容,即源區古地理、沉積區古地貌、搬運過程、沉積物類型等的演化,并指出它的先進性在于“正演、定量和動態”的研究方法和思路,而物源的研究是源-匯系統研究的重點之一。國內外對物源的研究主要集中在現今物源性質(母巖巖性)及其與儲層的關系,并將利用巖屑、重礦物、鋯石等各種分析化驗資料統計的母巖信息與殘留的母巖進行對比,進而恢復儲層的物源方向,并討論母巖類型與優質儲層之間的關系[6-9]。近年來,龐小軍等[10-11]和代黎明等[12]從物源動態演化的思路出發,利用巖屑、重礦物、鋯石測年等對石臼坨凸起圍區古近系沉積區儲層的古物源進行了研究,發現不同沉積期來自同一物源位置的母巖巖性具有較大的差異性,進而恢復了不同沉積期真實的古物源,并探討了古物源與優質儲層之間的匹配關系。
以往對黃河口凹陷北緣古近系沉積、油氣成藏、烴源巖、構造、儲層等方面的研究較多[13-16],而對古物源與優質儲層方面的研究較少。另外,通過鉆井發現,在古近系不同母巖對應的沉積區儲層規模和物性差異均較大。因此,利用44 口井的錄井、測井資料和三維地震綜合解釋成果,以及31 口井的巖心觀察、6 口井的巖屑成分統計、200 多個鑄體薄片、重礦物統計分析,對黃河口凹陷西北緣古近系沙三段至東三段各沉積期的古物源進行恢復,并探討古物源對優質儲層的控制,以期為類似物源區附近優質儲層的預測提供借鑒。

圖1 黃河口凹陷北緣地區位置(a)、地層(b)、沙二段沉積相展布(c)Fig.1 Location(a),strata(b)and sedimentary facies distribution(c)in the northern margin of Huanghekou Sag
黃河口凹陷位于渤海海域東南部,面積約為3 300 km2,其北部、南部、西部、東部分別與渤南低凸起、萊北低凸起、沾化凹陷、廟西凹陷逐漸過渡[13-14][圖1(a)]。研究區位于黃河口凹陷北緣及渤南低凸起,渤南低凸起分為東段和西段。黃河口凹陷北緣新生代地層發育齊全,古近系由老至新依次發育孔店組、沙四段、沙三段、沙二段、沙一段、東三段、東二段和東一段,其中,沙三段和沙一段為主要的烴源巖發育段[13],孔店組至東一段均為儲層發育段,且孔店組至東三段以扇三角洲、辮狀河三角洲砂礫巖儲層為主[15],另外,沙一段發育碳酸鹽淺灘儲層,東二段和東一段以曲流河三角洲和辮狀河三角洲為主[15-16];沙一段、東二段下部和東三段發育區域性泥巖蓋層[13-15][圖1(b)—(c)]。黃河口凹陷北緣已發現的油氣藏主要分布在古近系沙一段、沙二段和東三段儲層中。本次研究以沙三段、沙二段、沙一段和東三段為研究對象。沙三段主要發育厚層泥巖夾薄層砂巖,最大厚度約200 m;沙二段主要發育厚層砂礫巖夾薄層泥巖,最大厚度約160 m;沙一段主要發育厚層泥巖或中薄層砂礫巖與碳酸鹽巖、泥巖的互層,最大厚度約130 m;東三段主要發育厚層泥巖,僅在局部位置發育中薄層砂礫巖、砂巖與泥巖的互層,最大厚度約80 m。
古物源恢復主要包括基巖分布的刻畫、母巖巖性的恢復、溝谷體系的刻畫[11]。
黃河口凹陷北緣古近系沙三段至東三段儲層的物源來自渤南低凸起[15-16],該低凸起不同的基巖巖性造成地震反射特征具有明顯的差異性。利用鉆井資料對不同基巖的三維地震進行標定(圖2,3),再進行平面追蹤,圈定了不同基巖的分布[參見圖1(c)]。
地震上,花崗巖表現為雜亂反射[圖3(a)];火山巖表現為中振幅、中—高頻、斷續—較連續、亞平行反射[圖3(b)—(d)];碳酸鹽巖表現為中—弱振幅、中—低頻、斷續—較連續、亞平行反射,局部為空白反射[圖3(b)—(c)];砂礫巖表現為中—強振幅、中—高頻、疊瓦狀前積反射[圖3(b)]。因此,渤南低凸起西段由南向北,基巖依次為太古界變質花崗巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖和中生界火山巖(圖2),不同基巖均呈北西—南東向展布[參見圖1(c)]。渤南低凸起東段基巖主要發育太古界變質花崗巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、中生界火山巖、孔店組砂礫巖(圖2)。不同巖性在地震剖面上的反射特征具有明顯的差異性,且不同巖性之間均發育一條較為連續的強振幅地震反射(圖3)。整體上,渤南低凸起古近系沙三段至東三段基巖由老到新依次為太古界變質花崗巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、中生界火山巖(夾碎屑巖)、孔店組砂礫巖。

圖2 渤南低凸起基巖連井剖面[剖面位置參見圖1(c)中的FF′]Fig.2 Well-tie section of bedrock in Bonan low uplift
古物源體系恢復主要包括各地質時期的古溝谷體系和母巖巖性的恢復。利用三維地震資料,對物源區的溝谷體系進行詳細刻畫,再結合巖心、壁心和薄片等分析化驗資料,對研究區古近系各地質時期的母巖巖性進行了分析。

圖3 渤南低凸起基巖地震反射剖面[剖面位置參見圖1(c)]Fig.3 Seismic reflection profiles of bedrock in Bonan low uplift
2.2.1 溝谷體系的刻畫
溝谷體系是物源區由脊梁線、溝谷、分水嶺和坡降等組成的碎屑物搬運通道[17],利用物源區構造等值線,將沿物源走向的最高點連接在一起,即脊梁線;溝谷在物源區構造等值線上表現為由脊梁向沉積區方向呈連續的線狀、斷續狀低值區,向脊梁方向由多條短線狀的次級溝谷與長線狀的主溝谷連接,在地震剖面上具有明顯的下切特征;分水嶺為溝谷體系之間的界線,由脊梁線向沉積區方向,將構造等值線上的高值點進行連接形成的線,即分水嶺。沉積區的一個或多個三角洲沉積體對應一個溝谷體系。利用三維地震反射特征[圖4(a)],識別出了物源區的溝谷體系[圖4(b)]。該區發育V型谷、W 型谷和U 型谷,共16 個溝谷體系。整體上,東部物源區的溝谷體系范圍大于西部,東部溝谷體系具有延伸長、范圍大的特點,西部具有延伸短、范圍小的特點,這些溝谷體系是碎屑物搬運的重要通道。
2.2.2 母巖巖性的恢復
母巖巖性的恢復是對各沉積期物源區的母巖類型、分布進行恢復。每一個溝谷體系范圍內的母巖巖性都可以基于其對應沉積區儲層的巖心和巖屑進行恢復,以黃河口凹陷北部沙二段為例,通過對巖心和壁心中礫石成分以及鑄體薄片中巖屑的統計發現(圖5),BZ26-2-c 井區儲層巖屑成分以火山巖為主,見少量的變質巖和沉積巖巖屑,對應的儲層母巖為中生界火山巖夾碎屑巖;BZ27-2-b 井區儲層巖屑以火山巖為主,變質巖和沉積巖次之,沉積巖主要為碳酸鹽巖、砂巖、泥巖,對應的儲層母巖為中生界火山巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、太古界變質花崗巖;BZ28-2 S-b 井區儲層巖屑以火山巖為主,變質巖次之,對應的母巖巖性為中生界火山巖、太古界花崗巖,沙二段沉積期該井區對應的物源區母巖為孔店組砂礫巖,對BZ28-1-b 和BZ28-1-c井巖心觀察發現,孔店組砂礫巖的礫石和巖屑成分以中生界火山巖為主,太古界變質花崗巖次之,因此,BZ28-2 S-b 井區儲層物源為孔店組砂礫巖;BZ28-1-d 和BZ29-4-e 井區儲層巖屑以碳酸鹽巖為主,見少量的變質巖和火山巖,對應的母巖巖性以寒系—奧陶系碳酸鹽巖為主;BZ29-4-c 井區儲層巖屑以火山巖為主,對應的母巖巖性以中生界火山巖為主;BZ36-1-a 井區儲層巖屑以火山巖為主,代表母巖巖性以中生界火山巖為主。因此,沙二段沉積期,東部東段物源區母巖以中生界火山巖為主,西段物源區母巖以寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、孔店組砂礫巖為主;西部東段物源區母巖以中生界火山巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖和太古界變質花崗巖為主,西段物源區母巖以中生界火山巖為主。

圖4 渤南低凸起溝谷體系特征及分布Fig.4 Characteristics and distribution of valley system in Bonan low uplift

圖5 黃河口凹陷北緣地區沙二段巖屑成分平面分布Fig.5 Plane distribution of cuttings of the Es2in the northern margin of Huanghekou Sag
利用上述方法,恢復了研究區古近系沙三段、沙二段、沙一段和東三段沉積期物源區的母巖巖性(圖6)。沙三段沉積期,西部物源區以中生界火山巖為主,東部西段物源區以太古界花崗巖、孔店組砂礫巖和寒武系—奧陶系碳酸鹽巖為主,東部中段、東段均以中生界火山巖為主;沙二段沉積期,西部物源區仍然以中生界火山巖為主,僅在西部東段部分地區出露中生界火山巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、太古界變質花崗巖,東部繼承了沙三段的物源特征;沙一段沉積期,發生了區域性的湖侵,湖水淹沒部分物源區,物源區巖性繼承了沙二段的特征,但范圍明顯變小;東三段沉積期,發生了沉積區的整體沉降,湖盆變深,但湖水向沉積區大范圍退縮,物源區面貌再次發生明顯的變化,物源區在繼承了沙一段物源的基礎上,大量的沙一段泥巖充當了東三段的物源。物源區的范圍經歷了“大—小—大”的演化過程(圖6),沙三段至東三段沉積期的母巖也發生了明顯的變化。

圖6 黃河口凹陷北緣地區古近系物源體系恢復及沉積相展布Fig.6 Restoration of Paleogene provenance and sedimentary facies distribution in the northern margin of Huanghekou Sag
上述研究表明,黃河口凹陷北緣沙三段至東三段不同位置儲層的古物源演化具有明顯的差異性。研究區西部中段和西段母巖巖性經歷了碎屑巖夾薄層火山巖(沙三段)→火山巖夾薄層碎屑巖(沙二段至沙一段)→變質花崗巖(東三段)的剝蝕演化過程[圖7(a)],西部東段母巖巖性經歷了碎屑巖夾火山巖(沙三段)→火山巖(沙二段)→火山巖、變質花崗巖、碳酸鹽巖(沙二段上部至沙一段)→變質花崗巖(東三段)[圖7(b)]的剝蝕演化過程;東部西段母巖巖性經歷了碎屑巖夾火山巖(沙三段)→火山巖(沙二段)→變質花崗巖、砂礫巖(沙二段上部至沙一段)→泥巖(東三段)[圖7(c)]和碎屑巖夾火山巖(沙三段)→火山巖(沙二段)→碳酸鹽巖(沙二段上部至沙一段)→泥巖(東三段)[圖7(d)]等2 個剝蝕演化過程,東部東段母巖巖性經歷了碎屑巖夾薄層火山巖(沙三段)→火山巖夾薄層碎屑巖(沙二段至東三段)[圖7(e)]的剝蝕演化過程。整體上,當物源區演化至中生界火山巖剝蝕階段時,在沉積區更容易形成砂礫巖沉積,而研究區西部沙二段沉積期,物源區處于火山巖剝蝕階段,在沉積區更易形成厚層砂礫巖沉積;在研究區東部東段沙二段至東三段沉積期,物源區處于火山巖為主的剝蝕階段,在沉積區也容易形成較厚的砂礫巖沉積。

物源體系對儲層的控制主要表現在砂巖規模和儲層物性2 個方面[11],也是控制優質儲層發育的重要因素。
黃河口凹陷北緣地區古近系物源對砂巖規模具有明顯的控制作用,主要表現為對砂巖平面展布和厚度的控制(圖7,8)。古近系沙三段至東三段主要發育扇三角洲沉積,溝谷體系發育,溝谷體系入湖的位置大多對應著一個或多個扇三角洲群,其物源均來自渤南低凸起,為近源沉積。
沙三段沉積期[參見圖6(a)],物源區母巖巖性以中生界碎屑巖夾火山巖為主,東部西段以寒武系—奧陶系碳酸鹽巖以及少量的孔店組砂礫巖和太古界變質花崗巖為主,西部和東部西段溝谷體系范圍均小,東部東段溝谷體系范圍大。在沉積區,平面上扇三角洲發育,西部和東部西段扇三角洲范圍均小,東部東段扇三角洲范圍大,縱向上均以厚層泥巖夾薄層砂巖為主(圖8),整體上砂巖規模較小。

圖8 黃河口凹陷北緣地區古近系各沉積期連井剖面[剖面位置參見圖1(c)GG′]Fig.8 Well-tie section of different sedimentary period of Paleogene in the northern margin of Huanghekou Sag
沙二段沉積期[參見圖6(b)],物源區范圍繼承了沙三段,但巖性發生了明顯變化,西部以中生界火山巖剝蝕為主,溝谷體系范圍小,在沉積區形成了厚度大、范圍小的扇三角洲砂礫巖沉積;西部東段物源區局部發育中生界火山巖、太古界變質花崗巖及少量寒武系—奧陶系碳酸鹽巖組合剝蝕,由于該位置對應的沉降中心離物源區較遠[15-16],在沉積區形成了厚度和范圍均大的扇三角洲砂礫巖;東部東段物源區仍然以孔店組砂礫巖、太古界花崗巖的組合以及寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖剝蝕為主,由于碳酸鹽巖在風化、搬運過程中易被溶蝕,因此,在沉積區不發育儲層或僅在靠近物源的位置發育范圍、厚度均較小的扇三角洲砂礫巖;東部東段物源巖性為中生界火山巖剝蝕,在沉積區發育大規模的扇三角洲砂礫巖沉積,且范圍、厚度均大,該時期也是研究區最主要的儲層發育期。
沙一段沉積期[參見圖6(c)],物源繼承了沙二段的面貌,但受湖侵的影響,物源區范圍縮小,物源區西部和東部東段以火山巖剝蝕為主,西部東段見少量的碳酸鹽巖剝蝕,對應的沉積區主要發育扇三角洲砂巖以及薄層碳酸鹽淺灘沉積,規模較小;物源區東部西段以碳酸鹽巖剝蝕為主,在對應的沉積區僅發育范圍、厚度均小的扇三角洲砂礫巖及薄層碳酸鹽巖淺灘。
東三段沉積期[參見圖6(d)],受強烈構造活動的影響,湖平面向湖盆方向退縮。該時期繼承了沙一段的有效物源,另外,沙一段泥巖充當了部分物源,而泥巖無法為三角洲提供骨架顆粒,因此,該時期的有效物源與沙一段的物源相同,但物源區的有效碎屑物要搬運到湖盆,必先經過沙一段泥巖頂面,所以碎屑物搬運的距離變長。在物源區西部,火山巖剝蝕殆盡,出露大量的太古界花崗巖并開始剝蝕,同時發育沙一段泥巖物源,有效供源范圍減小,搬運距離變長,僅在西部西段發育小型扇三角洲。在物源區東部,繼承沙一段物源的基礎上,大量沙一段泥巖充當了物源,有效供源范圍明顯減小,搬運距離變長;在沉積區,西段沙一段泥巖范圍大的位置發育厚度較小的扇三角洲砂巖,東段沙一段泥巖范圍小的位置發育一定規模的扇三角洲砂礫巖。
研究表明,儲層的物性主要受母巖、沉積作用、沉積環境、成巖作用、深部流體等作用的控制[18-19],但對于不同的構造,儲層物性的主控因素具有明顯的差異性。這里重點探討黃河口凹陷北緣古近系古物源對儲層物性的控制作用。
古物源為儲層提供了大量的骨架顆粒和填隙物[11-12],控制了原始孔隙度的差異以及后期的成巖作用差異,進一步造成相同深度段內現今儲層物性迥異。例如,研究區中部(BZ28-1-d,BZ29-4-e 井區)沙一段和沙二段儲層主要分布在碳酸鹽巖母巖區附近,該儲層發育的沉積環境均為半咸水環境,巖心觀察揭示,儲層骨架顆粒中含有大量的碳酸鹽巖巖屑和礫石[圖9(a)—(b)],顆粒間以方解石、白云石等膠結物為主[圖9(a)],泥質雜基含量較少,儲層孔隙度為0.4%~23.1%,平均為10.5%,滲透率為0.16~110.70 mD,平均為4.5 mD,為低孔、特低滲儲層,物性較差(圖10),儲集空間以微裂縫、粒緣縫為主[圖9(b)],見少量的溶蝕孔。這是由于碳酸鹽巖母巖為儲層提供了大量的碳酸鹽巖骨架顆粒和方解石、白云石等膠結物,砂礫巖儲層緊鄰碳酸鹽巖基底,早成巖期堿性成巖作用形成了大量的方解石膠結物[20-21],完全充填孔隙和喉道[圖9(a)],中成巖階段A1期酸性流體對方解石膠結物和碳酸鹽巖巖屑和礫石的溶蝕有限[20-23][圖9(a)—(b)],且不易被帶走,導致最終儲層物性較差。
黃河口凹陷北緣東部和西部沙一段及沙二段儲層主要分布在火山巖、花崗巖、砂礫巖等母巖區附近,儲層骨架顆粒為花崗巖、石英、變質巖、火山巖等[圖9(c)],顆粒間以泥質或細粉砂巖等雜基為主[圖9(c)—(d)],方解石、白云石等膠結物含量較少;相同深度段內的儲層孔隙度為3.0%~35.3%,平均為19.2%,滲透率為0.03~241.60 mD,平均為23.5 mD,為中高孔、中低滲儲層,物性好(圖10);儲集空間以原生孔隙為主[圖9(c)—(d)],同時見大量的溶蝕孔。由于相同深度段內的沙一段和沙二段儲層發育大量的長石及中酸性火山巖巖屑,且填隙物以泥質或細粉砂巖等雜基為主,早成巖期方解石等礦物膠結作用較弱[圖9(c)—(d)],在中成巖階段A1期的酸性成巖環境下,長石、中酸性火山巖巖屑以及少量膠結物發生溶蝕作用[20-23],形成了大量的溶蝕孔隙[圖9(d)—(f)],儲層物性較好。
另外,在沙一段和沙二段儲層的同一深度段內,無論物源區母巖是碳酸鹽巖還是火山巖、花崗巖,儲層均以中高孔、中高滲為主[圖10(a)—(b)],儲層物性較好(生屑灘發育區的混積巖儲層孔隙度為2.2%~36.9 %,平均為20.4 %,滲透率為0.21~1 038.20 mD,平均為177.5 mD);碳酸鹽巖母巖區附近的生屑灘以較純的生物骨架顆粒堆積而成的生屑白云巖、生屑灰巖或者少量生物骨架顆粒組成的灰巖為主,生屑白云巖、生屑灰巖發育大量的生物體腔孔、白云石晶間孔[圖9(g)],儲層物性較好;非碳酸鹽巖母巖區附近的生屑灘以火山巖巖屑、花崗巖巖屑、長石或石英與生物碎屑為骨架顆粒的生屑白云巖、生屑灰巖或鮞粒灰巖、鮞粒白云巖、表鮞狀砂巖為主,發育大量的生物體腔孔、長石或火山巖溶蝕孔[圖9(h)—(i)],從而使得儲層物性較好。

圖9 黃河口凹陷北緣地區古近系儲層鏡下特征(a)砂礫巖,骨架顆粒以碳酸鹽巖巖屑為主,見少量的石英、長石,填隙物以方解石、白云石膠結物為主,孔隙不發育,BZ29-4-e 井,2 371.00 m,鑄體薄片,單偏光;(b)砂礫巖,骨架顆粒以碳酸鹽巖巖屑為主,見少量的石英、長石,發育粒緣縫,BZ29-4-e 井,2 368.00 m,鑄體薄片,單偏光;(c)砂礫巖,骨架顆粒以中酸性火山巖、長石、石英為主,填隙物以細粉砂及泥質雜基為主,原生孔和溶蝕孔均發育,BZ36-1-b 井,2 134.10 m,鑄體薄片,單偏光;(d)含礫細砂巖,骨架顆粒以中酸性火山巖巖屑、長石、石英為主,原生孔和次生孔發育,BZ36-1-b 井,2 189.70 m,鑄體薄片,單偏光;(e)長石沿解理縫溶蝕,發育粒內溶蝕孔,BZ36-1-b 井,2 134.10 m,掃描電鏡;(f)粒間膠結物發生溶蝕,形成膠結物晶間孔,BZ36-1-b 井,2 134.10 m,掃描電鏡;(g)生屑白云巖,骨架顆粒以生物碎屑為主,生物體腔孔發育,BZ28-1-a 井,3 021.05 m,鑄體薄片,單偏光;(h)生屑白云巖,見長石、巖屑溶蝕現象,BZ36-1-b 井,2 207.20 m,鑄體薄片,正交偏光;(i)表鮞狀砂巖,骨架顆粒以中酸性火山巖巖屑、長石、石英為主,見中酸性火山巖巖屑、長石溶蝕,BZ36-1-b 井,2 197.50 m,鑄體薄片,正交偏光Fig.9 Microscopic characteristics of Paleogene reservoirs in the northern margin of Huanghekou Sag

圖10 黃河口凹陷北緣地區古近系物源巖性與儲層物性的關系Fig.10 Relationship between Paleogene provenance lithology and reservoir physical properties in the northern margin of Huanghekou Sag
(1)黃河口凹陷北緣地區古近系各沉積期古物源與現今殘留的基巖明顯不同。沙三段沉積期,西部物源區以中生界火山巖為主,東部西段物源區以太古界花崗巖、孔店組砂礫巖和寒武系—奧陶系碳酸鹽巖為主,東部中段、東段以中生界火山巖為主;沙二段沉積期,西部物源區仍然以中生界火山巖為主,僅在西部東段部分地區出露中生界火山巖、寒武系—奧陶系碳酸鹽巖、太古界變質花崗巖,東部繼承了沙三段的物源特征;沙一段沉積期,物源區巖性繼承了沙二段的特征;東三段沉積期,物源區在繼承了沙一段物源的基礎上,大量的沙一段泥巖充當了東三段的物源。
(2)古物源對砂體的規模具有明顯的控制作用。縱向上,中生界火山巖剝蝕階段,沉積區形成的砂巖范圍和厚度均較大;中生界碎屑巖夾火山巖剝蝕階段,沉積區形成的砂巖范圍和厚度均中等;寒武系—奧陶系碳酸鹽巖剝蝕階段或沙一段泥巖剝蝕階段,沉積區形成的砂巖規模較小。另外,各地質時期,供源充足的情況下,溝谷體系范圍大的位置,沉積區形成的砂巖范圍較大。
(3)古物源差異對儲層物性具有明顯的控制作用。碳酸鹽巖供源時,由于母巖為儲層提供了大量的碳酸鹽巖骨架顆粒和方解石、白云石等膠結物,早期和晚期堿性成巖作用形成了大量的方解石膠結物,充填孔隙和喉道,中成巖期酸性流體對方解石膠結物和碳酸鹽巖巖屑和礫石的溶蝕有限,且不易被帶走,導致儲層物性較差;火山巖、花崗巖、砂礫巖供源時,能夠為儲層提供大量可溶蝕且易被帶走的長石、火山巖巖屑等,且方解石、白云石等膠結物含量較少,儲層物性較好。