遼中凹陷北部東二下亞段湖底扇沉積數(shù)值模擬及應(yīng)用

魏洪濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452）

遼中凹陷北部東二下亞段湖底扇沉積數(shù)值模擬及應(yīng)用

魏洪濤

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452）

渤海海域遼中凹陷北部東二下亞段發(fā)育湖底扇沉積，但其形成機(jī)制以及時(shí)空展布規(guī)律尚不明確。采用數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)湖底扇模擬期次進(jìn)行劃分，并制作相對(duì)湖平面變化曲線(xiàn)和可容納空間變化模型，同時(shí)評(píng)估物源供應(yīng)和搬運(yùn)方式，獲取相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)，對(duì)湖底扇的形成過(guò)程及時(shí)空展布進(jìn)行了精細(xì)研究。模擬結(jié)果表明，研究區(qū)湖底扇主要發(fā)育在湖泛體系域內(nèi)，受先期不穩(wěn)定三角洲、較強(qiáng)的水動(dòng)力條件以及沉積坡折帶的共同作用而形成，具有雙物源、多期次及規(guī)模大的特點(diǎn)。以沉積模擬的結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合宏觀地震相以及地震屬性分析，進(jìn)行平面沉積相編圖，為湖底扇儲(chǔ)層精細(xì)描述和預(yù)測(cè)提供了可靠依據(jù)。

湖底扇；湖平面變化；沉積數(shù)值模擬；湖泛體系域；儲(chǔ)層描述；東二下亞段；遼中凹陷

0　引言

斷陷湖盆凹陷中心廣泛發(fā)育湖底扇沉積，因其具有蓋層條件好、圈閉面積大及近源成藏等優(yōu)勢(shì)，是陸相巖性-地層油氣藏勘探的重要領(lǐng)域［1］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者比較側(cè)重對(duì)湖底扇的形成機(jī)制、發(fā)育特征以及沉積微相構(gòu)成等方面的研究［2-6］，而對(duì)少井地區(qū)湖底扇分布預(yù)測(cè)的研究則較少。在渤海海域遼中凹陷北部東二下亞段三維地震剖面上發(fā)現(xiàn)了“蠕蟲(chóng)狀”地震反射特征，與渤海海域其他地區(qū)湖底扇地震資料具有相似性［7］，推測(cè)為湖底扇，然而目前尚無(wú)井鉆遇。湖底扇鉆前儲(chǔ)層預(yù)測(cè)必須依賴(lài)地球物理技術(shù)，而地球物理信息多解性強(qiáng)，使湖底扇富砂區(qū)精細(xì)預(yù)測(cè)存在一定的不確定性，難以滿(mǎn)足巖性油氣藏的勘探要求。

沉積數(shù)值模擬是通過(guò)邏輯或數(shù)學(xué)描述方法預(yù)測(cè)地質(zhì)系統(tǒng)和地質(zhì)沉積過(guò)程的綜合研究方法。由于地質(zhì)過(guò)程具有復(fù)雜性和多成因特征，前人多認(rèn)為地層數(shù)值模擬是不可能實(shí)現(xiàn)的［8］。但是，基于對(duì)地層的形成和沉積過(guò)程及其相互關(guān)系的不同理解，Burton等［9］和Cross［10］認(rèn)為地層中含有足夠代表沉積時(shí)賦存特征的信息、地層形態(tài)具有規(guī)則性以及沉積過(guò)程遵循物質(zhì)守恒原理等，這些不同認(rèn)識(shí)和理解為用定量方法重建盆地歷史提供了較好的理論依據(jù)［11］。目前，應(yīng)用較為成熟的Dionisos軟件，基于層序地層學(xué)原理，通過(guò)邏輯或數(shù)學(xué)描述方法，可以針對(duì)少井或者無(wú)井的地質(zhì)條件，定量評(píng)估可容納空間、物源供給和沉積搬運(yùn)之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，模擬多種沉積環(huán)境下的地層沉積演化過(guò)程，預(yù)測(cè)各種巖性的分布。在此基礎(chǔ)上，筆者探索用沉積數(shù)值模擬方法開(kāi)展湖底扇的平面沉積相編圖及沉積演化分析，以期在有限的條件下為海上勘探提供更可靠的信息，降低勘探風(fēng)險(xiǎn)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

渤海海域遼中凹陷位于遼東灣地區(qū)中部，夾持于遼西低凸起和遼東凸起之間，為一東斷西超的箕狀凹陷，沿北東方向呈長(zhǎng)條狀分布。研究區(qū)位于遼中凹陷北部（圖1），古近系自下而上發(fā)育沙河街組和東營(yíng)組地層，其中，東營(yíng)組可以分為東三段、東二下亞段和東二上亞段［7］。東二段沉積時(shí)期，遼中凹陷北部處于裂陷晚期，地勢(shì)趨于平緩，受盆外長(zhǎng)軸方向物源的影響，表現(xiàn)為沉積作用控制下的湖盆遷移夷平過(guò)程，以發(fā)育大規(guī)模的辮狀河三角洲沉積為主；同時(shí)，東部斷層活動(dòng)性減弱，也發(fā)育了短軸方向的辮狀河三角洲沉積。因此，研究區(qū)東營(yíng)組發(fā)育時(shí)期具有很好的物源補(bǔ)給，大型沉積體能夠很容易地延伸至凹陷中心部位，為湖底扇的最終形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前，研究區(qū)共有6口鉆井，但均未鉆遇湖底扇砂體。采用沉積數(shù)值模擬方法進(jìn)行儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，對(duì)于該區(qū)巖性油氣藏的勘探具有重要的指導(dǎo)意義。

圖1　遼中凹陷北部構(gòu)造位置Fig.1　Structural location of the northern Liaozhong Depression

2　模擬參數(shù)提取

沉積數(shù)值模擬是定量評(píng)估可容納空間、物源供給和沉積搬運(yùn)之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系，并綜合模擬計(jì)算剝蝕、搬運(yùn)和沉積過(guò)程的方法。模擬時(shí)需要對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模型定義，并依據(jù)地質(zhì)分析制作湖平面的相對(duì)變化曲線(xiàn)，獲取可容納空間大小、沉積物供給量及盆地沉降速率等參數(shù)。

2.1模擬參數(shù)定義

根據(jù)研究區(qū)的范圍，設(shè)定模擬區(qū)大小為19 km× 18 km，網(wǎng)格大小為0.25 km。模擬的目的層為東二下亞段，模擬時(shí)間為28～26Ma，時(shí)間步長(zhǎng)為0.05Ma，主要巖性包括湖底扇砂巖、三角洲砂巖和泥巖。

2.2模擬期次劃分

在研究層段內(nèi)進(jìn)行層序的劃分與對(duì)比以及模擬期次的劃分，是開(kāi)展湖底扇沉積數(shù)值模擬的首要任務(wù)。運(yùn)用經(jīng)典的層序地層分析方法，結(jié)合地層的接觸關(guān)系，在東二下亞段識(shí)別出一個(gè)完整的三級(jí)層序（圖2），可以劃分為低位體系域、湖泛體系域和高位體系域，包括2個(gè)層序界面以及初始湖泛面（ffs）和最大湖泛面（mfs）。從層序的發(fā)育特征來(lái)看，T3m界面（28 Ma）為東二下層序的底界面，界面之上表現(xiàn)出明顯的底超和前積現(xiàn)象，界面之下表現(xiàn)出頂超現(xiàn)象，在全區(qū)較易識(shí)別與追蹤；初始湖泛面（27.5 Ma）與最大湖泛面（26.5 Ma）表現(xiàn)為穩(wěn)定的一條或多條較強(qiáng)的連續(xù)反射軸，多為湖相泥巖沉積，易于識(shí)別和追蹤，為進(jìn)積與退積作用的轉(zhuǎn)換面；T3u界面（26 Ma）為東二下層序的頂界面，界面之下表現(xiàn)為頂超現(xiàn)象。從層序的構(gòu)成來(lái)看，在低位體系域內(nèi)主要發(fā)育厚層的砂泥巖互層，為大型的辮狀河三角洲沉積；湖泛體系域以發(fā)育湖相泥巖為主，局部發(fā)育湖底扇沉積，表現(xiàn)為“蠕蟲(chóng)狀”斷續(xù)反射特征。一般而言，大型復(fù)合湖底扇是由多期事件性沉積所形成的疊置體，在不同期次的沉積記錄上有明顯的沉積間斷，這種沉積間斷表現(xiàn)為被不同尺度的湖泛面限定或分割。東二下層序復(fù)合湖底扇頂面和底面分別被最大湖泛面和初始湖泛面所限定，可以劃分為2期（圖2），中間被薄層泥巖所分割。

圖2　東二下層序湖底扇模擬期次劃分Fig.2　Division of sublacustrine simulation periods of lower Ed2sequence

2.3可容納空間模型建立

可容納空間的變化受湖平面變化和基底的沉降量（原始沉積物厚度）共同控制。基底的沉降量可以通過(guò)將頂、底面構(gòu)造圖相減得到（在此不考慮水深變化的影響）。相對(duì)湖平面變化受多種因素影響［12］，變化頻繁，且研究區(qū)位于斜坡帶，因此在少井的條件下，可以利用海相的濱岸上超法，結(jié)合圍巖古生物孢粉資料加以分析。在三級(jí)層序內(nèi)識(shí)別出層序界面上部的上超點(diǎn)向上遷移（低位體系域上超點(diǎn)、湖泛體系域上超點(diǎn)、早期高位體系域上超點(diǎn)）和層序界面下部的上超點(diǎn)向下遷移（晚期高位體系域上超點(diǎn)），再利用古生物和古地磁等方法，記錄對(duì)應(yīng)的沉積時(shí)間、橫向相對(duì)距離和縱向深度。其中，關(guān)鍵界面內(nèi)插點(diǎn)的沉積時(shí)間根據(jù)盆地內(nèi)部對(duì)應(yīng)等時(shí)點(diǎn)與關(guān)鍵界面間泥巖厚度占上下關(guān)鍵界面間泥巖總厚度的百分比來(lái)確定。分析相對(duì)湖平面變化曲線(xiàn)可以看出，東營(yíng)組沉積時(shí)期湖平面變化頻繁。在東二下層序低位體系域時(shí)期，相對(duì)湖平面快速下降，之后湖平面穩(wěn)定上升，至最大湖泛面附近湖平面達(dá)到最高，高位體系域時(shí)期湖平面又緩慢回落，整體變化幅度較?。▓D3）。

圖3　東二下層序相對(duì)湖平面變化分析Fig.3　Relative lake level change in lower Ed2sequence

2.4物源供應(yīng)及搬運(yùn)方式

東二段沉積時(shí)期，研究區(qū)北部受盆外長(zhǎng)軸方向物源的影響，以發(fā)育大規(guī)模的辮狀河三角洲沉積為主；同時(shí)，東部也發(fā)育了短軸方向的辮狀河三角洲沉積。因此，研究區(qū)湖底扇物源供應(yīng)主要來(lái)自北側(cè)和東側(cè)2個(gè)方向。由于研究區(qū)地層受同沉積斷層控制，不必考慮剝蝕厚度的恢復(fù)，只要根據(jù)地層的埋深和砂泥巖比例便可求得沉積物的原始厚度。用去壓實(shí)校正后的厚度平均值乘以研究區(qū)的面積作為沉積物供給的總體積。經(jīng)計(jì)算，28.0～26.5 Ma的沉積物供應(yīng)速率為84 km3/Ma。不同時(shí)期沉積物供給量的獲取較困難，主要依據(jù)模擬時(shí)與實(shí)際地震剖面的匹配程度，通過(guò)不斷調(diào)整得到。在沉積物供應(yīng)總量不變的情況下，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定了沉積物各個(gè)時(shí)期的供應(yīng)量，當(dāng)模型與地震觀測(cè)的形態(tài)接近時(shí)認(rèn)為參數(shù)比較合理。其中，27.5～27.0 Ma和27.0～26.5 Ma的沉積物供應(yīng)速率分別為32 km3/Ma和28 km3/Ma。

由于湖底扇多為重力流搬運(yùn)，并在一定的觸發(fā)機(jī)制下形成，因此，通過(guò)粒度描述可以確定，湖底扇沉積環(huán)境中顆粒搬運(yùn)方式以短期高能搬運(yùn)為主，辮狀河三角洲沉積環(huán)境中顆粒搬運(yùn)方式以水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為主，而搬運(yùn)參數(shù)則由軟件自動(dòng)估算。

3　模擬結(jié)果分析

根據(jù)已獲取的地質(zhì)參數(shù)，利用Dionisos軟件，對(duì)研究區(qū)東二下亞段湖泛體系域（27.5～26.5 Ma）進(jìn)行了沉積模擬。從研究區(qū)沉積模擬三維圖可見(jiàn)，由于盆地差異沉降和早期三角洲的沉積，低位體系域沉積晚期在JZ17-2井區(qū)形成了較大的坡折帶。27.4～27.0 Ma時(shí)，碎屑物質(zhì)從北側(cè)和東側(cè)向湖盆搬運(yùn)，遇到地形坡折處便大量沉積下來(lái)，形成了第1期湖底扇。地層在JZ17-2井區(qū)厚度最大，砂地比也最高［圖4（a）～（b）］。由于湖平面持續(xù)上升，在地層中部形成了一套薄層泥巖，在盆地中心區(qū)域厚度最大，向邊緣減薄尖滅。27.0～26.5 Ma時(shí)，隨著湖平面的持續(xù)上升，碎屑物質(zhì)同樣從北側(cè)和東側(cè)向湖盆推進(jìn)，并在第1期湖底扇發(fā)育的位置上再向前推進(jìn)，形成了第2期湖底扇，模擬的2個(gè)沉積中心特征更加明顯，在2個(gè)水道前緣區(qū)域砂地比最高［圖4（c）～（d）］。湖底扇的2期砂體與中部的泥巖層在縱向上主要呈進(jìn)積的接觸關(guān)系，與地震資料所反映的地質(zhì)現(xiàn)象和地震特征較為一致，基本上接近實(shí)際的沉積過(guò)程（圖5）。

圖4　東二下層序湖底扇砂體分布Fig.4　Sand body distribution of sublacustrine fan of lower Ed2sequence

圖5　東二下層序湖底扇模擬結(jié)果（a）與實(shí)際地震資料（b）對(duì)比Fig.5　The comparison of sublacustrine fan between simulation result（a）actual seismic data（b）of lower Ed2sequence

模擬結(jié)果表明，在東二下層序低位體系域時(shí)期，物源來(lái)自東部和北部方向，發(fā)育大型辮狀河三角洲前緣砂體；在湖泛體系域時(shí)期，隨著相對(duì)湖平面的上升，水動(dòng)力較強(qiáng)，湖平面的周期性變化、濱岸線(xiàn)的遷移和水體的震蕩變化對(duì)先期沉積物改造作用強(qiáng)烈，先期沉積的三角洲變得不穩(wěn)定；同時(shí)，由于受早期同沉積坡折的影響，在斷裂活動(dòng)等突發(fā)事件的觸發(fā)下，在前三角洲或凹陷部位間歇性地發(fā)育了2期湖底扇沉積，二者之間被一套穩(wěn)定分布的薄層泥巖所分割。模擬結(jié)果驗(yàn)證了湖底扇在湖泛體系域內(nèi)發(fā)育的可靠性。

4　模擬結(jié)果與應(yīng)用

上述沉積模擬結(jié)果在三維空間上再現(xiàn)了湖底扇的分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合宏觀地震相、地震屬性分析及地層厚度圖等資料，可以對(duì)湖底扇儲(chǔ)層進(jìn)行精細(xì)描述。

從第1期湖底扇屬性聚類(lèi)圖［圖6（a）］來(lái)看，該期湖底扇受2個(gè)物源供給方向的影響，發(fā)育有2個(gè)沉積主體，其中東側(cè)物源沉積主體較北側(cè)物源沉積主體規(guī)模大；圖中顯示由東北向西南逐漸由紅色區(qū)域過(guò)渡為藍(lán)色區(qū)域，巖石地球物理相關(guān)性分析認(rèn)為這反映了砂巖逐漸減少的變化趨勢(shì)，而這種趨勢(shì)與沉積模擬預(yù)測(cè)的砂巖含量變化趨勢(shì)相一致。此外，靠近東側(cè)和北側(cè)的綠色區(qū)域?yàn)閮?nèi)扇發(fā)育區(qū)，紅色區(qū)域?yàn)橹猩戎黧w部分，黃色和藍(lán)色區(qū)域分別為中扇側(cè)翼和遠(yuǎn)端。從第2期湖底扇屬性聚類(lèi)圖［圖7（a）］來(lái)看，由于該沉積時(shí)期相對(duì)湖平面進(jìn)一步擴(kuò)大，沉積中心往前推移，紅色區(qū)域?qū)?yīng)的2個(gè)中扇主體范圍變大，僅在邊緣地帶發(fā)育中扇遠(yuǎn)端。從研究區(qū)儲(chǔ)層地震預(yù)測(cè)與沉積模擬結(jié)果相結(jié)合而確定出的湖底扇內(nèi)部構(gòu)成［圖6（b）、圖7（b）］可以看出，除接受了東側(cè)物源的供給，北側(cè)物源也為湖底扇的發(fā)育提供了物質(zhì)來(lái)源，2期湖底扇平面分布范圍有差異，第2期湖底扇沉積面積相對(duì)較大。

圖6　東二下層序第1期湖底扇屬性聚類(lèi)（a）及儲(chǔ)層精細(xì)描述（b）Fig.6　The attribute clustering（a）and fine reservoir description（b）of the first phase of sublacustrine fan of lower Ed2sequence

圖7　東二下層序第2期湖底扇屬性聚類(lèi)（a）及儲(chǔ)層精細(xì)描述（b）Fig.7　The attribute clustering（a）and fine reservoir description（b）of the second phase of sublacustrine fan of lower Ed2sequence

總體來(lái)看，在東二下層序沉積時(shí)期，湖泛體系域內(nèi)發(fā)育的湖底扇沉積橫向獨(dú)立，縱向疊置，儲(chǔ)蓋組合良好。由于連接?xùn)|二段湖底扇與東三段和沙三段烴源巖的斷層廣為發(fā)育，具備有利的巖性油氣藏成藏條件［13-14］。湖底扇分布范圍較廣，最大面積達(dá)50 km2，中扇主體富砂區(qū)面積達(dá)30 km2，勘探潛力巨大。

5　結(jié)論

（1）通過(guò)劃分湖底扇模擬期次，制作相對(duì)湖平面變化曲線(xiàn)和可容納空間變化模型，評(píng)估物源供應(yīng)和搬運(yùn)方式，并獲取相應(yīng)的地質(zhì)參數(shù)，可以開(kāi)展沉積數(shù)值模擬。

（2）研究區(qū)湖底扇主要發(fā)育在湖泛體系域內(nèi)，受先期不穩(wěn)定三角洲、較強(qiáng)的水動(dòng)力條件及沉積坡折帶的共同作用而形成，具有雙物源、多期次及規(guī)模大的特點(diǎn)。模擬結(jié)果再現(xiàn)了湖底扇的形成過(guò)程，并驗(yàn)證了其發(fā)育的可靠性。

（3）借助于沉積數(shù)值模擬開(kāi)展平面沉積相編圖和儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，可為少井條件下的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供有利借鑒，從而較好地指導(dǎo)油氣勘探目標(biāo)的優(yōu)選。

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（本文編輯：于惠宇）

Numerical simulation of sublacustrine fan deposition of lower E d2Formation and its application in northern Liaozhong Depression

Wei Hongtao
（Tianjin Branch of CNOOC Ltd.，Tianjin 300452，China）

Sublacustrine fan developed in lower Ed2Formation in northern Liaozhong Depression of Bohai Bay，but its formation mechanism and space-time distribution rules were unclear.By the use of numerical simulation technology，deposition process and distribution of sublacustrine fan were studied based on the geological parameters including division period，relative lake level change curve and accommodate spatial change model，source supply and transport pattern.The simulation result shows that sublacustrine fan mainly developed in lake flooding system tract，it was formed by the together action of the early instability delta，strong hydrodynamic condition and sedimentary slope break belt，and it is characterized by multi period，double provenance and wide distribution features.Based on the simulation results，combined with macro seismic facies and seismic attributes analysis，plane sedimentary map was drawn，which provides favorable basis for fine reservoir description and prediction of sublacustrine fan.

sublacustrine fan；lake level change；numerical simulation ofdeposition；floodingsystemtract；reservoir description；lower Ed2Formation；LiaozhongDepression

P618.13

A

1673-8926（2015）05-0183-06

2015-05-10；

2015-07-15

“十二五”國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)“近海隱蔽油氣藏勘探技術(shù)”（編號(hào)：2011ZX05023-002）資助

魏洪濤（1969-），男，碩士，工程師，主要從事科研管理及石油地質(zhì)方面的研究工作。地址：（300452）天津市塘沽區(qū)渤海石油路688號(hào)海洋石油大廈A座405室。E-mail：weiht@cnooc.com.cn。