沉積正演模擬在準噶爾盆地吉木薩爾凹陷東斜坡二疊系梧桐溝組中的應用

王 韜，李 婷，郭文建，張 宇，楊彤遠，楊翼波，張建新

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000;2.中國石油長城鉆探工程有限公司，遼寧 盤錦 120010)

0 引言

隨著油氣勘探程度的日益提高，受控于沉積作用的巖性或構造－巖性復合型油氣藏已成為尋求發現的重點［1－6］。吉木薩爾凹陷是準噶爾盆地東部最重要的含油區之一，其東斜坡二疊系梧桐溝組巖性油氣藏勘探已獲突破并具備儲量升級與滾動擴邊的良好潛力，加強沉積特征研究、加深砂體分布認識有利于資源潛力的挖掘。前人圍繞沉積相展布、沉積演化規律、沉積控藏作用等已開展過較多研究［7－12］，但大多從單井相、砂地比等靜態特征出發，罕有以再現沉積充填過程為切入點開展動態的沉積模擬研究。該文在前人認識基礎上，結合更豐富的鉆井、測井及錄井資料，進行四維沉積正演模擬，以期進一步降低有利沉積相帶預測的不確定性，為后期勘探開發工作提供更多參考。

1 區域地質概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東北緣，為一西深東淺、西斷東超的箕狀凹陷，吉木薩爾凹陷東斜坡北界為吉木薩爾斷裂，南界為三臺斷裂，向西與凹陷深凹區相接，向東過渡為古西凸起(圖1)。目的層梧桐溝組(P3wt)位于吉木薩爾凹陷二疊系頂部，大部與其上覆三疊系和下伏蘆草溝組(P2l)呈平行不整合接觸，近凹陷邊緣局部呈角度不整合接觸，自下而上可分為梧一段(P3wt1)和梧二段(P3wt2)，沉積時期，吉木薩爾凹陷快速下降、湖盆不斷擴張，發育大型的辮狀河三角洲。梧桐溝組梧一段主要為厚層深灰色砂質礫巖、礫巖等近源粗碎屑;梧二段粒度變細，主要為厚層泥巖夾中薄層砂巖(圖1)。梧桐溝組作為凹陷內主要含油層系，早在20世紀90年代即獲工業油流。

圖1 研究區構造位置及二疊系梧桐溝組地層綜合柱狀圖(地層綜合柱狀圖據文獻［10］修改)Fig.1 The tectonic position of study area and comprehensive histogram of Permian Wutonggou Formation(the comprehensive histogram is modified according to the Literature［10］)

2 沉積正演模擬

沉積正演模擬綜合考慮氣候、地貌、海(湖)平面、水動力等因素來還原盆地的地層充填過程，可預測沉積相在沉積盆地的時空分布及演化。

2.1 影響因素分析

沉積正演模擬需定義可容納空間、物源供給、搬運能量3組主要參數。可容納空間由初始水深、湖平面升降、構造沉降量共同表征。研究區梧桐溝組沉積于濱淺湖—半深湖背景，依據地層厚度變化趨勢推算初始水深分別沿SE—NW和NE—SW向逐漸加深;綜合沉積韻律、地層厚度、巖性組合、穩定泥巖發育程度和測井曲線形態認為，梧桐溝組自下而上由1個水進中期旋回和1個水退中期旋回疊加，可細分為8個水進短期正旋回和3個水退短期反旋回，最大湖泛面位于梧二段中部;結合地層厚度變化和古水深變化判斷構造沉降量整體由邊緣向中心呈環帶狀增大趨勢，變化幅度為0～400 m，東南部和北部沉降相對較小(圖2)。

物源供給包括物源區位置、沉積物類型與物源供應速度。研究區東南部的古西凸起和北側的沙奇凸起為2個物源供給區，存在S、E、N 3個物源方向(圖2)。單井巖性統計表明，梧二段較梧一段水體加深，沉積物變細。梧一段單井巖性的平均含量:礫巖為37.5%、砂巖為34.5%、泥巖為28.0%。梧二段單井巖性的平均含量:礫巖為14.0%、砂巖為41.0%、泥巖為45.0%。根據地層厚度和沉積時間可分別計算出梧一段物源供應量為22.67 km3/Ma，梧二段物源供應量為17.82 km3/Ma。

圖2 研究區二疊系梧桐溝組沉積正演可容納空間參數Fig.2 The accommodation space parameters of sedimentary forward modeling of Permian Wutonggou Formation in study area

搬運能量體現長期低能、短期高能或斜坡垮塌等不同搬運過程。研究區作為隆起區與深凹區的過渡地帶，具備地形由陡變緩的自然趨勢，巖性的不均一性也反映出有不同能量的水體進行混合搬運，梧一段中下部大段粗碎屑沉積形成于高能環境，廣泛分布的梧一段中上部及梧二段砂質及泥質沉積形成于低能環境，整體上梧桐溝組為處于長期低能環境與短期高能環境的交替過程中沉積形成。

2.2 正演模型建立

為得到較合理的模擬結果，模擬前要通過大量調研，明確區域地質背景，建立地質概念模型，并確定古地貌、古水深、沉積物巖性、物源供應量等基礎參數，之后進行模擬—對比、調參—再模擬的反復實驗，不斷優化參數、改善結果、優選模型，直至結果可信后再加以應用與分析。此次模擬兼顧三維地震資料、已鉆探重點區、前人研究重點區及模型邊界適應性，范圍北至J15井、南過J010井、西過J171井、東抵J6井，尺寸為32 km×18 km，面積約為576 km2，梧桐溝組自距今約為262.00 Ma開始沉積，約為259.60 Ma梧一段結束沉積，約為256.00 Ma梧二段結束沉積，總沉積時間約為 6.00 Ma［13－14］。綜合考慮模擬效果的精確性和計算機運行速度，設定模型網格步長為200 m×200 m，時間步長為0.06 Ma。在影響因素分析基礎上，建立百余個模型進行反復實驗和優化調整(表1、2)。

表1 研究區二疊系梧桐溝組沉積正演模型定量參數Table 1 The quantitative parameters of sedimentary forward modeling of Permian Wutonggou Formation in study area

表2 研究區二疊系梧桐溝組沉積正演模型變量參數Table 2 The variable parameters of sedimentary forward modeling of Permian Wutonggou Formation in study area

2.3 模擬結果合理性驗證

由于資料的不完備性、地質過程的復雜性和技術方法的局限性等，模擬與真實地質過程間必然存在差異。經過比對優選，模型定量參數按表1設置;變量參數中物源供應方式設為“在表1基礎上，參考沉積旋回，不均一供應”，搬運方式設為“牽引流比例為70%、碎屑流比例為30%”，物源位置中南部物源設為“由①移動至①'”、東部物源設為“由②移動至②'”、北部物源設為“由③移動至③'”。模擬后巖性結構與實際情況相似度高，多數井的實鉆砂地比與模擬結果對比誤差絕對值小于15個百分點(表3)，模型的參數設置與理論分析較匹配，認為其與研究區實際情況較吻合、模擬結果較合理。

表3 研究區二疊系梧桐溝組單井實鉆砂地比與沉積正演模擬結果對比Table 3 The comparison of sandstone－formation ratio in actual drilling and sedimentary forward modeling results of single well in Permian Wutonggou Formation in study area

3 模擬結果應用與分析

沉積正演模擬作為輔助沉積學研究的重要技術方法，其利用已知有限數據推測未知空白區地層形態、沉積相分布特征的功能已廣泛應用于含油氣盆地的相關研究中［15－20］。

3.1 沉積相展布特征

綜合某一時期礫巖、砂巖、泥巖各自的正演模擬結果即可預測該時期沉積相，提取不同時期的正演模擬結果即可預測不同時期的沉積相(圖3)，進 而分析沉積特征及演化規律。圖3中，圖a—d以261.88 Ma為例示意某一時期沉積正演預測沉積相過程，即綜合礫、砂、泥3類巖性預測結果后得到預測沉積相，為節約圖幅，圖e—l直接展示其余8個時期的預測沉積相。

圖3 研究區二疊系梧桐溝組沉積正演預測沉積相Fig.3 The prediction of sedimentary facies of sedimentary forward modeling of Permian Wutonggou Formation in study area

P3wt1沉積早期(261.88 Ma)，水體范圍最小，由古西凸起入湖的物源分別在S、E 2個方向形成相對孤立的三角洲，三角洲朵葉體規模較小、前緣相帶較窄，平原相帶和非沉積區分布廣泛。P3wt1沉積早中期(261.16 Ma)，水體逐漸擴張，三角洲繼承性發育規模有所加大，非沉積區開始向邊緣退出。P3wt1沉積晚中期(260.68 Ma)，水體繼續擴張，源自古西凸起的三角洲占據主導地位，前緣相帶展布規模明顯加大，平原相帶局限于邊緣區域，來自沙奇凸起的物源在研究區西北部有所表現，研究區基本被水體覆蓋。P3wt1沉積晚期(259.84 Ma)，水體持續擴張，來自古西凸起的2個物源相互靠攏，三角洲沉積主體向邊緣退積但沉積規模、前緣相帶范圍與砂體分布達到最大。P3wt2沉積早期(259.24 Ma)，水體保持擴張狀態，湖相沉積比例增加，沉積物供給由粗轉細，三角洲前緣相帶向邊緣萎縮，平原相帶完全退出。P3wt2沉積早中期(258.52 Ma)，與P3wt1沉積晚期相似，在退積背景下，由于物源供給的變化導致三角洲規模階段性擴大。P3wt2沉積中期(258.04 Ma)，水體接近湖泛面，大部分區域為湖相沉積，前緣相潰縮于近物源端。P3wt2沉積晚中期(257.04 Ma)，湖面開始下降，三角洲開始進積，近中心部位主要為湖相沉積，但砂質沉積已開始增多。P3wt2沉積晚期(256.12 Ma)，湖面繼續下降，進積三角洲規模加大，平原相帶在邊緣重現。

3.2 沉積演化規律

梧桐溝組沉積期，研究區為辮狀河三角洲—湖相沉積體系。梧一段沉積于水進背景，梧二段經歷先水進再水退的過程，各個時期沉積具有繼承性發育特點，來自古西凸起的物源控制了三角洲的展布規模和范圍，來自沙奇凸起的物源只在小范圍有所體現。早期水體范圍很小，不同來向的物源分隔明顯，三角洲規模小而孤立;之后水體擴張，加之從古西凸起而來的S、E 2支物源相互靠攏，三角洲連片沉積，前緣相帶和砂體范圍不斷增大，從邊緣到中心均可見砂體;進入梧二段沉積期，水體繼續擴張，三角洲持續退積，地勢逐漸被填平補齊，湖相沉積比例增大，物源供應量較梧一段有所減少，沉積物類型明顯由偏砂礫巖組合轉向偏砂泥巖組合;梧二段沉積中期達到湖泛期，之后湖面開始下降，但水體范圍并無顯著減小，水退環境下三角洲重新進積，砂體再度擴張;水進—水退的環境交替導致三角洲沉積由中心向邊緣再向中心變遷，形成砂體在縱向上先退積再進積的疊置，并與湖泛期、物源供給間歇期沉積的泥巖構成良好配置。在梧桐溝組沉積后的構造演化中，吉木薩爾凹陷整體西降東升，主體構造相對平緩，至J7井附近剝蝕較為明顯，以致現今梧桐溝組在研究區自西向東保存完整性變差，上部較細粒沉積漸被剝蝕，下部較粗粒沉積殘余比例增加。

3.3 油氣富集規律

梧桐溝組油藏由下伏蘆草溝組烴源巖供烴，該套烴源巖為好—較好級別，凹陷西部、中部深凹區烴源巖質量優于東部斜坡區。根據沉積結果分析，蘆草溝組優質烴源巖的油氣在近凹陷中心沿不整合面與構造裂縫進入梧桐溝組，由于梧桐溝組底部以粗粒沉積為主，自身儲集能力不佳且上部缺少泥巖封蓋，故油氣沿層內裂縫和砂礫巖體內部再度向有利儲集部位運移調整。梧桐溝組中部三角洲規模較大、沉積粒度適中、儲集體物性和連續性較好、砂體間泥巖發育封蓋條件有利，由底部調整而來的油氣多富集于此。同時，由于三角洲前緣相帶在該時期廣覆沉積、有利砂體疊置連片，未進入圈閉的油氣可以繼續沿“砂毯”向高部位運移，在凹陷邊緣遇斷層垂向向上進入有利儲集體，但在之后的演化過程中，上部層位聚集的油氣因靠近剝蝕線或逸散或成為稠油(圖4)。

圖4 研究區二疊系梧桐溝組沉積成藏模式Fig.4 The sedimentary accumulation model of Permian Wutonggou Formation in study area

梧桐溝組中部即梧一段頂部和梧二段底部為主力含油層;近中心油氣富集于近烴源巖的下部砂體，圈閉主要受控于巖性，為稀油油藏;近邊緣油氣富集于斷層附近，在下部和上部砂體中同時賦存，圈閉受斷層、巖性共同控制，油質變稠。研究區西北部可見源自沙奇凸起的沉積物，但其遠離研究區東南部以古西凸起為物源廣泛分布的三角洲沉積，前者顯然無法接受在后者內部運移調整的油氣，故研究區西北部未能成藏。

總體上，研究區梧桐溝組油氣富集受生儲蓋組合、砂體分布、輸導體系、成藏后保存條件共同控制，研究區中心梧一段頂部和梧二段底部前緣相內的巖性圈閉可作為勘探的有利目標，伴隨蘆草溝組頁巖油大規模開發可作為良好兼探目標;研究區外的吉木薩爾凹陷中西部烴源巖條件更佳，并推測有來自沙奇凸起的辮狀河三角洲沉積主體，也值得關注;研究區邊緣，保存條件較差，不利于油氣成藏。

4 結論與認識

(1)準噶爾盆地吉木薩爾凹陷東斜坡二疊系梧桐溝組為先水進再水退背景下沉積的辮狀河三角洲—湖泊沉積體系，自梧一段沉積時水體不斷擴張，至梧二段沉積中期達到最大，之后水體開始縮減，物源主要來自研究區東南部的古西凸起。

(2)先水進再水退的沉積過程決定了三角洲前緣相帶及砂體自下而上呈現先退積再進積的疊置關系，決定了沉積物粒度自下而上先粗再細再加粗的變化規律，形成砂體自下而上先靠近凹陷中心再移向凹陷邊緣再延伸至凹陷中心的分布規律。

(3)近凹陷中心有利于巖性圈閉的形成，近凹陷邊緣有利于斷層－巖性圈閉的形成，綜合考慮生儲蓋組合、砂體分布、輸導體系、成藏后保存條件等因素認為，梧一段頂部和梧二段底部的巖性圈閉為油氣富集的有利目標，預測存在稀油油藏，值得重點關注。

(4)沉積正演模擬方法在實踐中存在一定的邊界效應，對于較復雜的地質過程，在模型設置、計算流暢性上也存在困難，但能幫助研究人員高效地驗證理論認識和概念模型，更好地以動態、整體的角度認識沉積過程，仍不失為一種較好的輔助研究技術手段。

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