斷陷湖盆碳酸鹽巖儲層預(yù)測研究

宋立才，高曉鵬，鄧宏文，馮 卉

(1.頁巖油氣調(diào)查評價重點實驗室中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100081;2.中國地質(zhì)科學(xué)院，北京 100081;3.中石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083;4.中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083)

引 言

世界油氣探明可采儲量中一半以上分布在碳酸鹽巖油氣藏中［1］，其中絕大部分是海相碳酸鹽巖油氣藏，在美國猶他盆地和中國渤海灣盆地等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了湖相碳酸鹽巖油氣藏［2］，2007年渤海灣盆地濟陽坳陷探明湖相碳酸鹽巖油氣儲量達7200×104t［3－4］。這些發(fā)現(xiàn)促進了湖相碳酸鹽巖研究，層序地層學(xué)方法也得到了初步應(yīng)用［5－6］;在惠民凹陷、沾化凹陷和四川盆地湖相碳酸鹽巖研究中，VAIL層序地層學(xué)方法均得到了應(yīng)用［8－9］。但是與海相碳酸鹽巖相比，湖相碳酸鹽巖因沉積環(huán)境更加不穩(wěn)定，分布范圍更小，單層厚度薄、厚度多變，仍是國內(nèi)外沉積學(xué)領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)。

沾化凹陷西部地區(qū)沙四上亞段在油田開發(fā)早期曾鉆出多口高產(chǎn)油井，但產(chǎn)量下降很快;由于埋藏較深，厚度較薄，儲層預(yù)測難度很大，隨后的鉆探成功率均很低［10］。高分辨率層序地層學(xué)自1995年引入中國以來，極大地提高了碎屑巖儲層分布預(yù)測的準(zhǔn)確性［11］。受此啟發(fā)，應(yīng)用高分辨率層序地層學(xué)對沾化凹陷西部沙四上亞段湖相碳酸鹽巖研究發(fā)現(xiàn)，在高分辨率層序地層格架下，湖相碳酸鹽巖儲層發(fā)育也具有明顯的規(guī)律性。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

沾化凹陷是濟陽坳陷東北部的一個次級單元，自新生代以來，經(jīng)歷了距今65.0～24.6 Ma的斷陷階段和24.6 Ma至今的拗陷階段，形成整體“北斷南超”、“凹凸相間”的復(fù)式半地塹式的箕狀斷陷。其中，斷陷階段由裂陷一幕、裂陷二幕、裂陷三幕和裂陷四幕組成，分別沉積了孔店組、沙四段、沙三段—沙二下亞段和沙二上亞段—東營組4個二級層序。

沙四段包含沙四下亞段和沙四上亞段2個三級層序，沙四上亞段與沙四下亞段以不整合接觸，形成于斷陷早期階段，斷層活動相對較弱，在北部陡坡帶扇三角洲之間和南部緩坡帶斜坡均廣泛發(fā)育碳酸鹽巖;沙四上亞段與上覆沙三段同樣以不整合接觸。

2 巖相特征

通過薄片觀察和重礦物、微量元素分析，結(jié)合測井、錄井資料，綜合考慮陸源碎屑的混入以及與膏巖、泥巖的過渡，研究區(qū)湖相碳酸鹽巖可劃分為灰?guī)r、白云巖和混積巖等3個大類，顆粒灰?guī)r(內(nèi)碎屑灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、復(fù)合顆粒灰?guī)r)、泥晶灰?guī)r、藻格架灰?guī)r、藻屑白云巖(藻砂屑白云巖、藻粉屑白云巖)、藻格架白云巖、灰質(zhì)白云巖(灰質(zhì)泥晶白云巖、灰質(zhì)粉晶白云巖)、泥灰?guī)r和砂質(zhì)灰?guī)r等8個亞類。

泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r出現(xiàn)頻率最高且厚度較大，顆?；?guī)r、藻格架灰?guī)r和藻格架白云巖出現(xiàn)頻率較低且厚度較薄;內(nèi)碎屑灰?guī)r中內(nèi)碎屑多為砂屑、粉砂屑，生物碎屑多為個體較小、結(jié)構(gòu)完整性較高的螺、介殼類、枝管藻等，膠結(jié)物一般為泥晶或微亮晶。因此，研究區(qū)碳酸鹽巖沉積時整體水動力條件較低，但不同亞類碳酸鹽巖形成的水動力條件存在明顯差異:泥灰?guī)r形成的水動力條件最低，泥晶灰?guī)r、顆?；倚纬傻膸r水動力條件依次增強。

3 高分辨率層序地層特征

圖1 沙四上亞段四級層序劃分

根據(jù)高分辨率層序地層學(xué)原理，基準(zhǔn)面旋回對比代表等時地層對比，可以極大地提高地層對比的準(zhǔn)確性。

湖相碳酸鹽巖以盆內(nèi)自生沉積物為主，主要受古氣候、古碳酸鹽巖、古構(gòu)造運動和陸源碎屑等因素控制;研究區(qū)構(gòu)造活動較弱，氣候的周期性變化控制著鹽度、湖平面和入湖沉積物的周期性變化。氣候因素主導(dǎo)下的湖平面變化控制著基準(zhǔn)面旋回的發(fā)育。

3.1 沙四上亞段三級層序特征

沙四上亞段三級層序的頂界面、底界面均為區(qū)域性不整合界面，界面處自然伽馬、聲波時差等測井?dāng)?shù)據(jù)發(fā)生突變;層序內(nèi)部的最大湖泛面對應(yīng)于一套高伽馬、低密度、高聲波時差的泥巖(圖1)。沙四上亞段三級層序在南北向剖面上整體呈楔形:北部義和莊凸起周緣厚度最大，碳酸鹽巖厚度為30～60 m;南部緩坡帶厚度相對較薄，碳酸鹽巖厚度為10～30 m。

3.2 沙四上亞段高分辨率層序特征

3.2.1 高分辨率層序地層劃分

研究區(qū)基準(zhǔn)面下降到上升的轉(zhuǎn)換面往往位于整套灰?guī)r內(nèi)部，沉積發(fā)育較連續(xù)，不易于識別與對比;湖泛事件代表的基準(zhǔn)面上升到下降的轉(zhuǎn)換面——湖泛面更容易識別與對比。因此，選取層序內(nèi)的最大湖泛面和其上部一套廣泛發(fā)育的泥巖所代表的次級湖泛面作為四級旋回(層序)界面，自下而上一共劃分為3個四級層序C3、C2和C1(圖1)。

C3層序形成于斷陷早期，相當(dāng)于三級層序上升半旋回，在陸源碎屑影響強烈區(qū)域為一套厚層粗粒砂礫巖沉積，影響較小的區(qū)域為薄層泥巖沉積。

C2層序發(fā)育在三級層序中部基準(zhǔn)旋回轉(zhuǎn)換面(最大湖泛面)之上，主要為基準(zhǔn)面下降期碳酸鹽巖沉積，以一套基準(zhǔn)面上升期湖泛泥巖或泥灰?guī)r結(jié)束。

C1層序發(fā)育在次級湖面之上，外源碎屑的注入對湖盆碳酸鹽巖發(fā)育的影響最弱，碳酸鹽巖廣泛發(fā)育。

五級層序劃分:選取更低一級湖泛面作為五級層序界面進行了層序的劃分發(fā)現(xiàn):南部緩坡帶沉積的旋回性明顯，可劃分出7個五級層序;北部陡坡帶五級層序較難識別，僅在C1層序中識別出2個五級層序。

圖2 橫穿凹陷方向沙四上亞段四級層序地層剖面

3.2.2 高分辨率層序地層格架

在四、五級層序劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合地震資料和構(gòu)造背景以基準(zhǔn)面旋回為單元進行對比發(fā)現(xiàn)，五級層序僅可在局部有限的范圍內(nèi)實現(xiàn)對比，而四級層序可以實現(xiàn)全區(qū)對比，進而建立高分辨率層序地層格架(圖2)。

模式特征:湖相碳酸鹽巖四級層序整體呈楔形，主體由基準(zhǔn)面下降半旋回構(gòu)成，對于南部緩坡帶的碎屑巖沉積則完全相反，由基準(zhǔn)面上升半旋回構(gòu)成(圖3)。基準(zhǔn)面上升時，陸源碎屑物質(zhì)注入增加，碎屑巖沉積發(fā)育，同時抑制了碳酸鹽巖的發(fā)育;基準(zhǔn)面下降，水體變淺，鹽度增加，有利于碳酸鹽巖的形成和向凹陷深部擴展，從而發(fā)育大面積較為純凈的碳酸鹽巖，局部可發(fā)育藻格架灰(云)巖和顆?；?guī)r等。

4 沉積相分布及儲存預(yù)測

4.1 高分辨率層序地層格架下的沉積相分布

以高分辨率層序地層發(fā)育模式為指導(dǎo)，在高分辨率層序地層格架下進行沉積亞相對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)湖相碳酸鹽巖具有明顯的規(guī)律性:沙四上沉積時期湖盆生物生產(chǎn)率較小，大型藻礁不發(fā)育，生物碎屑灰?guī)r和內(nèi)碎屑灰?guī)r也較少，基底地貌高差明顯造成沉積亞相的帶狀局限分布。

通過巖心和薄片觀察，結(jié)合測井、錄井資料，確定了研究區(qū)沉積相類型與巖性組合標(biāo)志(表1)。

表1 沙四上亞段沉積相劃分及其特征

C3層序絕大部分為碎屑巖和膏巖沉積，不再進一步做沉積相分布研究。

C2層序:陳家莊凸起前緣緩坡帶發(fā)育規(guī)模相對較大的三角洲，碳酸鹽巖不發(fā)育，厚度一般小于10 m，主體為淺湖亞相;義和莊凸起周緣發(fā)育小型近岸扇體，以斷階地貌控制的碳酸鹽臺地亞相、局限臺地亞相為特征，凹陷中央的低凸起上發(fā)育淺灘亞相(圖4a)。

C1層序:陳家莊凸起前緣緩坡帶三角洲逐漸消亡，混合坪亞相、淺湖亞相廣泛發(fā)育;義和莊凸起周緣的陡坡帶扇三角洲消失，大面積發(fā)育局限臺地亞相、臺地亞相，凹陷中央低凸起上由于陸源碎屑影響的減弱，淺灘亞相發(fā)育范圍較大(圖4b)。

對比分析:C1層序在其下部C2層序沉積填平補齊作用的基礎(chǔ)上，凹陷內(nèi)部地貌更趨于平緩，受陸源碎屑的影響減弱，南部緩坡帶混合坪亞相、淺灘亞相和北部陡坡帶局限臺地亞相、臺地亞相均明顯擴大。

圖4 沙四上亞段沉積亞相分布

4.2 高分辨率層序地層格架下的儲層分布預(yù)測

4.2.1 儲層物性特征及影響因素

按照孔隙形態(tài)和成因類型，研究區(qū)儲層孔隙主要有生物格架孔、生物體腔孔、粒間孔、遮蔽孔、鑄模孔、溶孔和構(gòu)造縫等7個亞類，孔隙的分布與沉積相有很強的相關(guān)性。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，碳酸鹽巖次生改造作用具有明顯的選擇性，原生孔隙度和滲透率較高的儲層更易發(fā)生次生改造作用，進而改善原生孔隙度和滲透率。

在儲層物性統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)生產(chǎn)資料，采用相對分級的方法將研究區(qū)儲層分為好儲層、較好儲層和差儲層3個類別，分別以臺地亞相(藻礁)、淺灘亞相和局限臺地亞相為代表(表2)。

表2 沙四上亞段沉積相與巖性、物性關(guān)系

4.2.2 有利儲層分布預(yù)測

研究區(qū)湖相碳酸鹽巖埋藏相對較深，目前的地震、測井等地球物理資料主要針對淺層碎屑巖儲層，可利用程度較低，因此儲層分布的預(yù)測主要通過地質(zhì)預(yù)測實現(xiàn)。

儲層垂向分布。根據(jù)橫穿凹陷方向湖相碳酸鹽巖高分辨率層序地層發(fā)育模式可知(圖3)，每個四級層序主體均由泥巖—泥灰?guī)r—灰?guī)r—生物灰?guī)r/內(nèi)碎屑灰?guī)r所代表的基準(zhǔn)面下降半旋回構(gòu)成，這表明四級層序儲層物性自下而上是一個非儲層—差儲層—較好儲層—好儲層的半旋回;C1、C2共同構(gòu)成一個更長周期的基準(zhǔn)面半旋回(圖1)，C1層序的儲層發(fā)育規(guī)模比C2層序更大。

儲層水平展布。鑒于沉積相對于儲層的控制作用和基底地形起伏，儲層在平面上整體呈近平行于北部邊界斷層的帶狀分布(圖5a、5b)。C2層序:在義和莊凸起周緣，臺地亞相以在翹傾斷塊前緣部位發(fā)育規(guī)模較小的帶狀藻礁沉積體為特征，為好儲層發(fā)育區(qū)，例如Y4井附近(圖5a);凹陷中央低凸起上的淺灘亞相整體物性較好，為較好儲層，局部可為好儲層，如S52、S56井附近;南部緩坡帶混合坪亞相以混積巖為主，物性較差，僅在L63井區(qū)混合坪分布區(qū)發(fā)育好儲層。

C1層序:在義和莊凸起周緣，臺地亞相范圍明顯擴大，在翹傾斷塊的前端狹長的區(qū)域內(nèi)好儲層的分布更加廣泛 (圖5b);凹陷中央的低凸起上，因淺灘亞相較C2層序時更加發(fā)育，好儲層和較好儲層的范圍也明顯擴大;局限臺地亞相、混合坪亞相及淺灘亞相周圍的部分淺湖亞相為差儲層發(fā)育區(qū)。

圖5 沙四上亞段儲層分布

5 結(jié)論

(1)斷陷湖盆碳酸鹽巖層序充填整體呈楔形，湖泛面代表的基準(zhǔn)面上升至下降的轉(zhuǎn)換面為高分辨率層序地層劃分的良好界面;湖相碳酸鹽巖在基準(zhǔn)面旋回下降期較上升期更為發(fā)育:碎屑巖沉積體系逐漸減弱，臺地亞相、局限臺地亞相、淺灘相亞相等的發(fā)育范圍逐漸擴大。

(2)高分辨率層序地層對儲層的控制作用表現(xiàn)在:垂向上，隨基準(zhǔn)面下降儲層物性呈變好趨勢;平面上，不同類型儲層整體呈近平行于北部邊界的帶狀分布，北部陡坡臺地亞相中的礁灰(云)巖、內(nèi)碎屑灰?guī)r發(fā)育區(qū)和淺灘亞相的局部為好儲層發(fā)育區(qū)，凹陷中央的淺灘亞相為較好儲層發(fā)育區(qū)，北部陡坡局限臺地亞相和緩坡混合坪亞相為差儲層發(fā)育區(qū)。

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