萊州灣凹陷沙三段低位域湖底扇沉積特征及水道構型

劉軍釗, 官大勇, 王志萍, 王啟明, 李曉輝

(中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300459)

湖底扇作為一種陸相湖盆深水重力流沉積體,中國最早在渤海灣盆地梁家樓地區的勘探實踐中成功鉆探,并在借鑒Walker的綜合水下扇模式[1]基礎上,建立帶供給水道的湖底扇沉積模式,隨后在渤海灣盆地、伊通盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地等均有深水湖底扇發現。

萊州灣凹陷為渤海重要富烴凹陷,在北部陡坡帶深層沙河街組發現構造油氣藏,儲層類型為辮狀河三角洲沉積,而南部相同層位和相近深度發育深水湖底扇沉積,且具有源內成藏的條件,具有良好勘探前景[2],在油氣勘探及早期評價階段主要依靠湖底扇的地震反射外部幾何形態和模式化的相帶平面展布規律來實施鉆探,鉆探結果表明湖底扇內部并非均質砂巖體,而是垂向上呈多套砂泥互層的復合體,且平面上湖底扇砂體成因機制、形態、富集位置均不相同。如何正確識別湖底扇重力流水道儲層并刻畫其水道構型特征是實施砂體沉積結構單元級別精準部井,提高油氣勘探成功率的關鍵。

近年來,隨著陸相湖盆深水湖底扇在多個盆地的成功鉆探,從湖底扇發育模式[3-7]、儲層沉積成因機制[8-12]、典型沉積識別標志[13-15]、有利儲層相帶位置[16-21]儲層定量解釋技術等方面重點豐富及完善了湖底扇相關研究。但在勘探及評價早期階段,如何在少鉆井的情況下,識別湖底扇內部有利砂體垂向發育規模及平面有利部位,少有人研究。

現通過識別已鉆井湖底扇不同位置水道砂體成因及搬運機制,在此基礎上,結合不同成因搬運機制的水道砂體地震反射特征,來刻畫湖底扇不同相帶的沉積特征及水道構型,并通過模型正演驗證不同構型水道可靠性及富砂差異,以此來預測湖底扇水道砂體的縱向疊覆關系和平面發育富集區,為湖底扇巖性油氣藏勘探勘探及早期評價階段井位部署提供依據。

1 區域地質背景

萊州灣凹陷位于渤海海域東南部,二級構造隸屬濟陽拗陷,面積約1 500 km2,凹陷南部為濰北低凸起,北部緊鄰萊北低凸起,西部可達墾東凸起,東部為魯東隆起。凹陷東西分別受控郯廬走滑斷裂帶東支和西支,呈北陡南緩的地貌,北部為凸起邊界大斷裂陡坡帶、南部為受控走滑派生斷層的斷階緩坡帶(圖1)。新生代萊州灣凹陷經歷多幕裂陷、沉積地層呈多旋回特征,古近系沙三段沉積時期盆地處于強烈裂餡期,湖盆范圍廣且水體較深。北部凸起邊界斷裂持續活動,凹陷持續沉降,沉積較厚地層(400～800 m)。沙三段自下而上分為下、中、上三個亞段。本次重點研究的湖底扇位于沙三中亞段。鉆井重礦物表明,工區內沙三中段發育來自肯東凸起方向物源的高建設性的辮狀河三角洲沉積,在辮狀河三角洲前緣砂質不斷堆積,在一定觸發機制下產生多期重力流形成湖底扇。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of study area

2 層序地層特征

2.1 層序界面識別特征

2.2 層序格架內沉積體系構成

在三級層序格架的建立及內部四級層序界面識別基礎上,結合鉆井、錄井、地震反射特征認為,該區低位域發育深水湖底扇,向盆地方向過度為深湖相泥巖沉積、湖侵體系域全區廣泛分布湖相沉積、而高位體系域廣泛發育辮狀河三角洲以及高位湖底扇沉積。

本次重點研究的低位域湖底扇位于濰北凸起北側斷裂坡折下降盤,沙三段沉積時期,受東西兩只郯廬走滑斷裂的拉分作用,萊州灣凹陷持續裂陷,發育來自肯東凸起的陸源碎屑辮狀河三角洲,高建設性的辮狀河三角洲為湖底扇的發育提供了充足而穩定的物質基礎,在斷裂帶下降盤發育重力流深水湖底扇(圖3、圖4),湖底扇南北延伸約12 km,面積達120 km2。

3 低位域湖底扇典型沉積特征

萊北低凸起低位域湖底扇為發育在湖盆遠端斷裂坡折之下的深水重力流沉積體,基于Shanmugam[22]關于重力流流變學性質分類的原則,將重力流的沉積搬運形式分為滑動、滑塌、碎屑流、濁流,其中碎屑流分為泥質碎屑流和砂質碎屑流,不同重力流沉積類型在巖心、測井及地震響應有明顯區別。

3.1 滑動-滑塌沉積

滑動、滑塌是重力流產生的初始階段,二者在實際勘探開發實例中很難區分,因此將其統稱滑動-滑塌,表明塊體在內部少量裂隙并幾乎沒有形變或者少量形變扭轉的情況下,沿其下部滑動面受重力作用發生位移。低位域湖底扇的滑動-滑塌沉積主要發生在一級斷裂坡折下降盤,來自高位辮狀河三角洲的物質在重力的作用下引發滑動-滑塌,滑動體在湖底扇部位的砂巖和泥巖中均可發生,砂巖滑動-滑塌體中可以較低位域湖底扇的滑動-滑塌沉積主要發生在一級斷裂坡折下降盤,來自高位辮狀河三角洲的物質在重力的作用下引發滑動-滑塌,滑動體在湖底扇部位的砂巖和泥巖中均可發生,砂巖滑動-滑塌體中可以較好保留三角洲沉積的交錯層理,而泥質滑動-滑塌由于含水率較高,在搬運過程中易破碎而難以保存。加之辮狀河三角洲的較強的砂巖建設性,因此水道中以砂巖滑動-滑塌為主,具有多期疊加性質,沉積厚度較大。

圖2 萊州灣凹陷沙三中層序地層特征Fig.2 Sequence stratigraphic characteristics of Shasanzhong formation in Laizhouwan sag

從鉆井來看巖性表現為塊狀層理細砂巖為主間夾泥質粉砂巖及薄層泥巖,反應混雜堆積特征,水道底部泥巖中見重力負荷引起砂球構造(圖4E)等,為重力流沉積的典型標志。測井GR曲線表現為齒化箱形或箱形-鐘形復合特征。

3.2 碎屑流沉積

碎屑流沉積為重力流滑動-滑塌的下一個階段,碎屑流為層流,在流動過程中顆粒之間相對滑動,顆粒之間既有相互支撐力,也有黏滯力,基于流變形態可分為泥質碎屑流和砂質碎屑流,泥質碎屑流黏土含量高,黏滯力強,砂質碎屑流黏土含量低,砂巖相對純凈。碎屑流在流動過程中隨著含水量上升,存在泥質碎屑流向砂質碎屑流轉化的過程(圖5)[8],加之“滑水作用”的影響,砂質碎屑流可以長距離搬運,在斜坡區沉積較為純凈的砂巖。巖心觀察巖性以灰色細砂巖為主,塊狀層理,局部夾薄層暗色泥巖,巖性描述表明現多期水道交替疊加,單水道見兩種巖性組合,一種為灰色細砂巖中含泥質條帶,為泥質碎屑流沉積(圖4F),頂部與上覆泥巖突變接觸,測井曲線呈齒化箱形,另一種為塊狀層理細砂巖,質較純,頂部見泥巖漂礫,及泥巖撕裂屑(圖4A、B),頂部與上覆泥巖突變接觸,為砂質碎屑流沉積。測井GR曲線表現頂底突變的箱形。

3.3 濁流沉積

濁流為一種紊流支撐懸浮搬運的重力流,為切應力與變形速率成正比的低黏性流體,服從牛頓內摩擦定律,其沉積物具有分異型性,工區內取心井可見正韻律組合,每個韻律下部平行層理細砂巖,上部沙紋層理粉砂巖、粉砂質泥巖(圖4G),頂部與上覆泥巖漸變接觸,單個韻律測井GR曲線表現為底部突變上部漸變的鐘形。

4 湖底扇水道構型

依據巖心觀察、錄井資料、測井資料結合水動力條件,識別已鉆井湖底扇典型沉積特征,在此基礎上全工區范圍內重點結合地震反射特征及表現的重力流搬運機制,共識別出5種沉積結構單元,分別是疊覆型水道、復合型水道、水道側翼、單一型水道及水道間,并通過模型正演驗證不同微相沉積單元分類可靠性及富砂差異。

圖5 湖底扇水道搬運機制(順物源方向)[8]Fig.5 Gravity flow transport mechanism in sub lacustrine fan channel(along the source direction)[8]

4.1 疊覆型水道

疊覆型水道位于二一級斷裂坡折之下內扇相帶,平面上緊鄰斷裂坡折,是湖底扇內扇的主體,來自高位辮狀河三角洲的物質特定觸發機制下引發滑動-滑塌,沿一級斷裂坡折之下限制性古地貌向二級斷裂坡折延伸,由于地貌的限制以及沉積物滑動-滑塌的頻繁產生,沉積厚度較大。由于辮狀河三角洲的建設性較強,以砂巖滑塌為主,局部地區發育泥質滑塌。

疊覆型水道發育一級斷裂坡折之下,在一定觸發機制下發育滑動、滑塌、碎屑流沉積多期交互沉積,內部多期疊置砂體發育地震呈疊覆蠕蟲狀反射,而水道兩側受古地貌限制,向兩側逐漸減薄,順物源方向疊覆型水道地震呈中等振幅中-低頻差連續反射(圖5),垂直物源方向呈頂凸低凸的凸凹鏡外形,內部具疊置蠕蟲狀反射結構。正演結果也說明砂體較發育,其含砂率在40%～60%,垂直物源方向疊覆水道邊兩側厚度減薄,邊緣部位砂體欠發育,以空白反射為特征[圖6B、圖7]。

4.2 復合型水道

位于二級斷裂坡折之下中扇相帶。由限制性地貌向開闊性地貌轉換(圖3),攜帶泥沙的高密度沉積物通過內扇輸砂通道后在重力作用下形成碎屑流沉積,由于內扇滑動-滑塌沉積物既有較為純凈的辮狀河三角洲砂巖也有來自湖相泥巖的泥質滑塌成分,由于泥質碎屑流黏滯力強,搬運距離相對較短,在中扇高部泥質碎屑流沉積為主,因此復合水道在緊靠二級斷裂坡折的部位巖性多為細砂巖含泥質條帶,而砂巖較為純凈的砂質碎屑流伴隨滑水機制的作用,搬運距離較遠,另外泥質碎屑流在流動過程中,隨著含水量增加也會逐步向砂質碎屑流轉化[6-9],因此在中扇低部位主要以砂質碎屑沉積為主,砂巖較純,儲層物性明顯提升。順物源方向復合水道高部泥質碎屑流位表現為中-弱振幅中-低頻中等連續反射,低部位砂質碎屑流表現為中-強振幅-中頻反射(圖5),垂直物源方向上二者均呈復合“U”或者復合“V”形特征,由于水道整體富砂,在差異壓實作用下,略具“頂凸”外形,水道內部呈雜亂下切狀反射,整體含砂率在50%～70%[圖6C、圖7]。

圖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]

圖7 湖底扇沉積結構單元地震識別及富砂性Fig.7 Seismic identification of sedimentary structural units and sand richness of sub lacustrine fan

4.3 水道側翼

水道側翼位于中扇相帶,形成于多期碎屑流水道越岸沉積,取心井證實水道為多期重力流疊加,其中某其重力流沉積規模較大時,沉積物越過“U”形或者“V”形水道,沉積于兩期水道之間,平面上向遠離遠水道方向厚度減薄,巖性上表現為泥巖夾薄層粉砂巖或泥質細砂巖。垂直物源方向地震剖面上,水道側翼位于兩支相鄰水道之間,在差異壓實作用下,略具“頂凹”外形,水道側翼內部呈中-強振幅低頻中-好連續特征,呈斷續啞鈴狀反射結構,整體含砂率在10%～30%(圖7)。

4.4 單一型水道

單一型水道位于外扇相帶,屬于復合型水道的延伸,多為濁流沉積,表現為單一的水道對底部地層的侵蝕和下切,水道規模小,橫向上以水道間連接,砂體局限發育水道之中,整個水道厚度通常小于湖底扇總厚度的1/2。巖性上以具有韻律特征的平行層理細砂巖向上過渡為砂紋層理粉砂和粉砂質泥巖。垂直物源方向地震剖面上,單一型水道呈孤立“V”形,水道內部呈中-弱振幅低頻差連續反射特征。水道整體含砂率在40%～60%,但總體厚度不大且平面分布較為局限[圖6D、圖7]。

4.5 水道間

水道間位于外扇相帶,分布于單一型水道之間,多為湖相細粒沉積而短暫的接受濁流水道的越岸沉積,呈席狀分布,巖性為大套泥巖夾泥質粉砂巖及粉砂質泥巖。地震剖面上呈弱振幅中-低頻好連續平行反射特征(圖7)。

5 沉積模式及主控因素

5.1 沉積模式

萊州灣凹陷沙三中段沉積時期,發育來自肯東凸起方向物源的高建設性的辮狀河三角洲沉積,在辮狀河三角洲前緣砂質不斷堆積,在一定觸發機制下,產生重力流沉積湖底扇。

湖底扇分為內扇、中扇、外扇,內扇發育在一級斷裂坡折之下的限制性地貌之上,其儲層為滑動-滑塌的疊覆型水道。中扇位于二級斷裂坡折之下的開闊地貌,儲層類型以復合水道,水道的走向受局部地勢高低控制,外扇位于湖底扇外緣,沉積水動力減弱,主體以細粒粉砂質泥巖、暗色泥巖為主,局部發育單一型水道。

湖底扇順物源方向,發育重力流類型具有明顯規律性,緊靠辮狀河三角洲物源位置發育滑動-滑塌沉積,局部泥質滑塌,進入二級斷裂坡折之下以泥質屑流沉積為主,低部位砂質碎屑流沉積為主,隨著重力流多個方向分散和沉積能力減弱,僅局部發育濁流沉積的單一水道(圖8)。

5.2 控制因素

物源:沙三段沉積時期,伴隨萊州灣凹陷的進一步裂陷,發育來自肯東凸起物源的高建設性的辮狀河三角洲提供大量物質基礎,在三角洲前緣形成相對高角度砂質前積體,當厚度及平面規模達到下伏泥巖承載極限時,在自身重力作用下引發沿湖相泥巖表面的滑動、滑塌。

坡折:坡折是引發重力流產生的必要條件,研究區內低位域湖底扇一級斷裂坡折之下地層突然加厚,三角洲沉積物易于在此滑動滑塌,一級坡折帶控制了湖底扇沉積部位,在一級坡折帶之下形成疊覆型的砂泥混雜疊覆水道,二級斷裂坡折限流調節湖底扇沉積再分配,二級斷裂坡折之下隨著流體含水量的增大進一步發育碎屑流沉積的復合型水道儲層,另外斷裂活動差異造成斷裂坡折帶之下地勢高低的變化也影響水道的走向。古地貌:限制型地貌物源供給集中,發育疊覆型水道,以寬緩U形為主,整體含砂率高、規模大,開闊型地貌物源供給分散,發育復合型水道,多期水道改造和相互疊加的特征,以W形和多期次V形為主,隨著地勢平緩,水道能量進一步減弱,以單一型水道為主,含砂率低、規模小、水道間發育。

圖8 萊州灣凹陷低位域湖底扇沉積相模式圖Fig.8 Sedimentary model of sub lacustrine fan in lowstand tract of Laizhouwan sag

6 結論

(1)萊州灣凹陷低位水道型湖底扇重力流搬運機制為滑動-滑塌、泥質碎屑流、砂質碎屑流及濁流,砂質碎屑流由于滑水機制而搬運距離更遠,且砂巖較純凈。

(2)結合地震反射特征所表現的重力流搬運機制,共識別出5重沉積結構單元,分別是疊覆型水道、復合型水道、水道側翼、單一型水道及水道間,疊覆型水道位于內扇,復合型水道、水道側翼位于中扇,單一型水道及水道間位于外扇。

(3)物源供給、坡折、古地貌共同控制低位域湖底扇的發育及有利儲層的展布;高建設性的辮狀河三角洲提供了湖底扇發育的砂質基礎,折帶與古地貌共同控制沉積物的搬運機制和水道類型及水道走向。

(4)內扇疊覆型水道發育多期滑動-滑塌沉積,儲層總厚度大。中扇高部位復合型水道發育泥質碎屑流砂巖,儲層泥質含量較高;低部位發育砂質碎屑流砂巖,由于受“滑水機制”影響,復合水道低部位砂巖較純凈物性好。內扇疊覆型水道以及中扇復合型水道低部位是油氣勘探部署井位的有利區。