孤北洼陷長堤斷裂帶扇三角洲砂礫巖體沉積特征及空間展布規(guī)律

邱隆偉,賈繼成,馬立馳,楊勇強,孫 超,辛 也,王 鑫,楊生超

[1.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580； 2.中國石化 勝利油田 地質(zhì)科學(xué)研究院，山東 東營 257015;3.中國石油 新疆油田公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；4.南京大學(xué)，江蘇 南京 210023]

在準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷中心區(qū)發(fā)現(xiàn)十億噸級礫巖大油區(qū),是目前發(fā)現(xiàn)的世界最大礫巖油田,為我國西部地區(qū)能源安全和國防軍工建設(shè)提供了重要保障,目前砂礫巖仍將是國內(nèi)的熱點。但坡帶砂礫巖體具有快速堆積、分選和成層性差等特征,一直是國內(nèi)勘探的難點。對于砂礫巖體的發(fā)育,國內(nèi)已經(jīng)有明確認(rèn)識,主要控制因素有:斷層活動、氣候變化、湖平面、物源、古地貌等方面。如鮮本忠[1]研究車鎮(zhèn)凹陷時認(rèn)為斷陷湖盆陡坡帶砂礫巖體主要受到構(gòu)造、湖平面、古地貌控制——斷裂結(jié)構(gòu)控型、構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶控源、古地貌控砂、復(fù)合基準(zhǔn)面控層位。董艷蕾[2]等在泌陽凹陷東南部核桃園組研究中,認(rèn)為構(gòu)造起主導(dǎo)作用,斷層陡緩程度控制著沉積體系。林暢松[3]等在東營凹陷和沾化凹陷砂礫巖的研究中指出:斷裂體系會改造古地貌,從而控制扇體的展布；與邊界斷層高角度相交的伴生的次級調(diào)節(jié)斷裂有很好的輸導(dǎo)作用,約束扇體分布；肖軍[4]在瓊東南盆地中認(rèn)為高角度相交的次級斷層控制著輸導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)育,碎屑物沿著次級同沉積斷裂向盆地推進(jìn)。因此斷層活動加強砂礫巖非均勻性分布,前人考慮了主控斷層及其伴生的次級斷層對砂礫巖扇體發(fā)育的影響[5-6],但對于同沉積次級斷層在不同時期活動強度不同而造成的影響方面研究不夠,并且對強弱物源背景下砂礫巖體的差異性分布樣式?jīng)]有進(jìn)行討論。本文從地震、測井、巖心出發(fā),在明確孤北洼陷東次洼沙(沙河街組)四段上亞段-沙二段時期砂礫巖體沉積特征的基礎(chǔ)上,開展次級斷層活動強度對扇體影響,以及物源強弱、湖平面變化等對砂礫巖的控制作用研究,建立砂礫巖體的分布樣式,為研究區(qū)的下一步勘探開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 地質(zhì)概況

孤北洼陷位于濟陽坳陷沾化凹陷東北部,東接長堤潛山,西接長堤東凸起,南接孤島潛山,北接樁西潛山,是典型的雙斷陷湖盆[7],洼陷周邊發(fā)育堤東、孤北、長堤及樁南4條邊界正斷層,洼陷中分布著東部次洼、西部次洼和中央低凸起等次級構(gòu)造單元(圖1)。研究區(qū)位于孤北洼陷的東部次洼(圖1),其東部斷層為長堤斷裂帶中段,斷層上陡下緩,表現(xiàn)正斷層性質(zhì)[7],主體為南北走向,傾向西,傾角 40°～65°,北端轉(zhuǎn)向NE向,南端轉(zhuǎn)向SW向,斷裂帶長約20 km,落差1.5～2.5 km,自北向南逐漸變緩,與近于平行的五號樁斷層[8],形成斷階(二臺階),二臺階分為南北兩段。在二臺階北部發(fā)育東西走向、與長堤斷層近于垂直的次級斷層(圖1)。

圖1 孤北洼陷構(gòu)造特征及井位分布Fig.1 Structure characteristics and well locations of the Gubei sub-sag

沙四段時期孤北洼陷處于古近紀(jì)裂陷早期,沉積類型以紅色陸源碎屑物為主,經(jīng)過剝蝕之后,孤北洼陷成為一個穩(wěn)定的淺湖湖盆。沙三段-沙二段早期,為裂谷-深斷陷期,湖盆快速沉降,湖平面快速上升,形成饑餓型的深湖-半深湖環(huán)境,發(fā)育了3期沉積旋回,同時期構(gòu)造活動頻繁,各個沉積區(qū)厚度變化大,與沙四段為不整合、上超不整合接觸。沙二段上亞段-東營組為裂谷-萎縮期,構(gòu)造活動減弱,水體變淺,凸起與凹陷分割作用減弱,與下覆沙三段為不整合接觸(圖2)。

2 沉積相類型及其特征

2.1 扇三角洲

研究工區(qū)二臺階主要發(fā)育扇三角洲。扇三角洲總體粒度粗、分選差,分為扇三角洲平原、扇三角洲前緣、前扇三角洲等亞相。扇三角洲平原沉積在湖平面之上,以泥石流和水上分流河道沉積為主,是陣發(fā)性洪水沖擊卸載的粗粒沉積,向上變粗特征,劃分出水下分流河道和水上分流河道間灣等微相。水上分流河道微相以砂質(zhì)礫巖和礫狀砂巖所構(gòu)成,可見褐色泥礫、分選差,層理不發(fā)育,以塊狀構(gòu)造為主。水上分流河道間灣微相顏色多為褐色,巖性為泥巖及粉砂巖。扇三角洲前緣巖性主要為細(xì)礫巖,中粗砂巖與細(xì)砂巖,牽引流構(gòu)造較發(fā)育,常見遞變層理和平行層理。劃分出水下分流河道、水下分流河道間灣和水下分流河道砂壩等微相。水下分流河道微相巖性為含礫砂巖、礫狀砂巖,分選差,底部有沖刷面[9],向上具有遞變層理、塊狀層理等。水下分流間灣巖性主要為泥巖、粉砂巖等,顏色多為灰色,可見水平層理。水下分流河口砂壩巖性以灰色的細(xì)砂巖和粉砂巖組成,呈現(xiàn)反序特征。前扇三角洲水動力總體較弱,層理多為平行層理,巖性為灰色及黑色粉砂質(zhì)泥巖,分布在扇三角洲前端。

2.2 滑塌濁積扇

滑塌濁積扇主要發(fā)育在東次洼北部斷階之下,扇三角洲前段。滑塌濁積扇巖性細(xì),以粉砂—細(xì)砂巖為主,發(fā)育段呈砂泥巖薄互層。砂巖中見有大量的準(zhǔn)同生變形構(gòu)造,并有遞變層理、沖刷面、液化構(gòu)造等,多含暗色泥礫和泥巖撕裂屑,反映了沉積物滑動再沉積的特點。滑塌濁積扇相可以分為內(nèi)扇、中扇、外扇3個亞相。中扇亞相巖性細(xì),以粉砂-細(xì)砂巖為主,發(fā)育段呈砂泥巖薄互層,主要由滑塌作用導(dǎo)致的塊體坡移而成。砂巖伴有暗色的泥礫和泥巖撕裂屑,常見構(gòu)造:準(zhǔn)同生變形構(gòu)造、沖刷面、遞變層理、液化構(gòu)造等,反映了沉積物滑動在沉積的特點。外扇亞相主要有塊體滑塌而伴生的攪渾作用形成的濁流以及遠(yuǎn)砂壩末梢、前三角洲泥等混雜堆積主要發(fā)育末梢微相[10]。

3 砂礫巖體發(fā)育特征

孤北洼陷是在燕山期拉張斷陷、燕山-喜馬拉雅運動早期擠壓轉(zhuǎn)拉張構(gòu)造演化而來,洼陷的形成演化受邊界斷層控制[11-12]。長堤斷層在沙四上亞段,斷層活動最強烈時期,最大落差超過500 m；沙三下亞段時期受到喜馬拉雅運動一幕的影響,長堤斷層最大落差超過450 m,生長指數(shù)為2.7[12]；沙三上亞段-沙二段時期,長堤斷層活動減弱。長堤斷層具有由南向北活動速率逐漸增大的特點[12],導(dǎo)致下降盤二臺階北段比南段砂礫巖體厚度大(圖3)。

對于下降盤二臺階北段地層,在沙四上亞段時期,3號次級斷層落差超過600 m,傾向北,地層為北厚南?。贿M(jìn)入沙三下亞段時期,早期階段3號正斷層活動相對強烈,傾向南,角度40°,總長4 km,自東向西逐漸變緩,地層為北薄南厚,最大落差超過400 m；晚期階段2號正斷層活動較強,傾向北,總長3 km,自東向西逐漸變緩,二臺階北段地層為北厚西薄,最大落差超過300 m；進(jìn)入沙三中亞段時期,二臺階北段地層厚度均勻；在沙三上亞段—沙二段時期,1號和3號次級斷層都活動,北段地層為兩端厚,中間薄(圖3)。 在沙四上亞段和沙三段下亞段，垂直物源方向上，可見楔形地震體，頂超面，砂礫巖靠近次級斷層厚度大(圖4a);順物源方向的地震反射穩(wěn)定連續(xù)，可見加積或前積反射結(jié)構(gòu)，砂礫巖體在剖面上表現(xiàn)為加積或進(jìn)積的樣式(圖4b)。

圖3 孤北洼陷沙四上亞段—沙二段構(gòu)造演化剖面及斷層落差Fig.3 Structural evolution profiles and the fault throw of Es4s-Es2 in the Gubei sub-saga. 孤北洼陷長堤下降盤斷層北段南北向沙四上亞段—沙二段構(gòu)造演化剖面；b. 孤北洼陷長堤下降盤斷層北段南北向沙四上亞段—沙二段斷層落差；c. 孤北洼陷長堤斷層和埕東斷層沙四上亞段—沙二段斷層落差

二臺階南段次級斷層發(fā)育少,扇體厚度小。對應(yīng)長堤斷層相對活動弱,沙四上亞段最大斷距400多米,沙三下亞段最大斷距為300多米(圖3)。二臺階南段古沖溝內(nèi),沙四上亞段和沙三下亞段地震反射雜亂,不連續(xù),反射軸向上由退積反射結(jié)構(gòu)向進(jìn)積反射結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,砂礫巖體也相應(yīng)的顯示退積和進(jìn)積的特點(圖5)。

圖4 孤北洼陷長堤斷裂帶北段沙四上亞段—沙二段典型地震剖面(剖面位置見圖1)Fig.4 Typical seismic profile of Es4s-Es2 in the northern segment of Changdi fault zone in the Gubei sub-sag(seismic line location see Fig.1)a. 次級斷層交替活動垂直物源方向地震剖面；b. 順物源方向前積地震剖面

4 沉積體系展布

結(jié)合前人研究,研究工區(qū)沙四上亞段和沙三下亞段分別發(fā)育湖侵體系域和高位域,沙三中亞段為湖侵體系域,沙三上亞段為高位域；沙二上亞段為湖侵域和高位域。物源主要來自東北部和南部。沙四上亞段湖侵域時期,東北物源形成扇三角洲跨過二臺階,前端形成濁積巖。南部分布小范圍的扇三角洲；高位域時期,繼承湖侵域時期的扇體分布,扇三角洲范圍擴大,北部扇三角洲延伸至樁54附近。沙三下亞段湖侵域時期,東北部的扇三角洲分布在樁7至樁2之間二臺階上,前端發(fā)育濁積巖；高位域時期,扇三角洲范圍擴大,南部扇三角洲延伸至樁69附近；沙三中亞段時期,湖平面快速上升,扇三角洲分布狹窄,地層以泥質(zhì)粉砂巖為主。沙三上亞段和沙二段,物源減弱,只有發(fā)育北部扇三角洲,東北部扇三角洲分布延伸到樁421附近,南部扇三角洲范圍擴大[13](圖6)

圖5 孤北洼陷長堤斷裂帶南段沙四上亞段—沙二段地震-地質(zhì)解釋剖面(剖面位置見圖1)Fig.5 Seismic-geological interpretation profiles of Es4s-Es2 in the southern segment of Changdi fault zone in Gubei sub-sag(seismic line location see Fig.1)

5 砂礫巖體展布控制因素

斷層活動是砂礫巖體展布主控因素,沙四上亞段-沙三下亞段斷層活動強,砂礫巖體厚度大。此外,長堤斷層北段活動強,坡度陡,物源供應(yīng)強,有利于形成厚層扇三角洲及其前端的滑塌濁積巖；斷層南段活動強度小,物源供應(yīng)弱,扇三角洲分布范圍小,前端不利于形成滑塌濁積扇。同沉積次級斷層控制著砂礫巖的分布,有很好的輸導(dǎo)作用,不同時期活動強度不同,對扇體展布影響不同。

湖平面對沉積體分布有影響,當(dāng)湖平面上升的時候,扇體逐漸退積,向上范圍縮??；當(dāng)湖平面下降的時候,扇體逐漸進(jìn)積,向上范圍擴大。

物源強弱影響扇體的堆積樣式,在強物源時期,扇體展布受湖平面影響較小,砂體以加積為主；當(dāng)物源弱的時候,受湖平面影響較大,進(jìn)積和退積扇體疊加堆積。

6 油氣藏分布與勘探前景

目前勘探認(rèn)為研究區(qū)主要發(fā)育構(gòu)造油氣藏、地層油氣藏,構(gòu)造油氣藏主要儲層于沙四上亞段和沙三下亞段,地層油氣藏主要分布在沙三中亞段—沙二段。本文認(rèn)為研究區(qū)沙四上亞段和沙三下亞段構(gòu)造油氣藏和地層油氣藏共同發(fā)育:長堤下降盤北段沙三下亞段經(jīng)歷暴露剝蝕形成的不整合面,及其楔形地層發(fā)育有利于形成側(cè)向封堵,沙三中亞段湖平面快速上升,形成的泥巖直接覆蓋在扇三角洲砂體之上,扇三角洲前緣分流河口砂壩和河道砂體為有利儲層,次級斷層交替活動形成的背斜,有利油氣向上運移,共同作用形成地層油氣藏。所以二臺階北段具有其良好的儲層和封堵條件,是下一步的有利勘探開發(fā)區(qū)塊。此外,扇三洲前端形成滑塌濁積巖,也是最有利的勘探點[14](圖7)。

圖6 孤北洼陷東次洼沙四上亞段—沙二段沉積相平面分布Fig.6 Map showing sedimentary faces distribution of Es4s-Es2 in the eastern Gubei sub-saga.沙二亞段；b.沙三上亞段；c.沙三下亞段高位域；沙三下亞段湖侵域；e.沙四上亞段高位域；f.沙四上亞段湖侵域

7 結(jié)論

1) 在孤北洼陷東次洼沙四上亞段—沙二段,發(fā)育了扇三角洲-濁積體系,其中水下分流河道和水下分流河口壩是最有利的儲層相帶。

2) 沙四上亞段—沙二段的砂礫巖的分布受到構(gòu)造、湖平面、物源的聯(lián)合控制,各個控制因素的強弱導(dǎo)致砂礫巖體空間展布的差異性。次級斷層受到邊界斷層的控制,具有周期性活動特征,控制沉積物輸導(dǎo)體系,形成砂礫巖體楔形地層。

3) 在次級斷層和湖平面的影響下,二臺階北段形成有利的構(gòu)造和地層油氣藏,是下一步的勘探有利位置。

圖7 孤北洼陷長堤斷裂帶沙四上亞段—沙二段樁2—樁4—樁701—樁7—樁4連井沉積相Fig.7 Sedimentary facies profile of Es4s-Es2 crossing Zhuang 2,Zhuang 4,Zhuang 701,Zhuang 7 and Zhuang 4 wells in Changdi fault zone in the Gubei sub-sag

[1] 鮮本忠,王永詩,周廷全,等.斷陷湖盆陡坡帶砂礫巖體分布規(guī)律及控制因素—以渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷為例[J].石油勘探與開發(fā),2007,34(4):429-436.

Xian Benzhong,Wang Yongshi,Zhou Tingquan,et al.Distribution and controlling factors of glutinite bodies in the actic region of a rift basin:an example from Chezhen Sag,Bohai Bay Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2007,34(4):429-436.

[2] 董艷蕾,朱筱敏,耿曉潔.泌陽凹陷東南部核桃園組近岸水下扇與扇三角洲沉積特征比較及控制因素分析[J].石油與天然氣地質(zhì),2015,36(2):271-279.

Dong Yanlei,Zhu Xiaomin,Geng Xiaojie,et al.Sedimentary characteristics comparison and controlling factors analyses of nearshore subaqueous fan and fan delta in the Hetaoyuan Formation of southeastern Biyang Sag[J].Oil & Gas Geology,2015,36(2):271-279.

[3] 林暢松,鄭和榮,任建業(yè),等.渤海灣盆地東營、沾化凹陷早第三紀(jì)同沉積斷裂作用對沉積充填的控制[J].中國科學(xué),2003,33(11):1025-1036.

Lin Changsong,Zheng Herong,Ren Jianye,et al.Early Tertiary syndepositinal faults control on deposition infilling in Dongying and Zhuanhua Depressions[J].Science in China,2003,33(11):1025-1036.

[4] 肖軍,王華,陸永潮,等.東南盆地構(gòu)造坡折帶特征及其對沉積的控制作用[J].海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),2003,23(3):55-63.

Xiao Jun,Wang Hua,Lu Yongchao,et al.Characteristics of structural slope-break zone and its controlling effect on sediment in the qiong dong nan basin[J].Marine Geology & Quaternary Geology,2003,23(3):55-63.

[5] 馮有良,徐秀生.同沉積構(gòu)造坡折帶對巖性油氣藏富集帶的控制作用-以渤海灣盆地古近系為例[J].石油勘探與開發(fā),2006,33(1):23-25.

Feng Youliang,Xu Xiusheng.Syndepositional structural slope-break zone controls on lithologic reservoirs— A case from Paleogene Bohai Bay Basin[J].Petroleum Exploration and Development,2006,33(1):23-25.

[6] 劉延莉,邱春光,鄧宏文,等.冀東南堡凹陷古近系東營組構(gòu)造對扇三角洲的控制作用[J].石油與天然氣地質(zhì),2008,29(1):95-101.

Liu Yanli,Qiu Chunguang,Deng Hongwen,et al.Control of the structure of the paleogene Dongying Form ation upon fan delta deposition in the Nanpu Depression,Jidong oilfield[J].Oil & Gas Geology,2008,29(1):95-101.

[7] 張建林,林暢松,鄭和榮.斷陷湖盆斷裂-古地貌及物源對沉積體系的控制作用-以孤北洼陷沙三段為例[J].油氣地質(zhì)采收率,2002,9(4):24-27.

Zhang Jianlin,Lin Changsong,Zheng Herong.Controlling action of fractures,palaeogeomorphology and material sources of rift lake-basin on sedimentary system-taking Es3 Gubei subsag as example[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2002,9(4):24-27.

[8] 李雪梅,王偉,王娉娉,等.濟陽拗陷長堤地區(qū)新生代構(gòu)造特征及其演化[J].西南石油大學(xué)學(xué)報,2014,36(5):40-48.

Li Xuemei,Wang Wei,Wang Pingping,et al.Cenozoic tectonic characteristics and evolution in Changdi Area of Jiyang Depression[J].Journal of Southwest Petroleum University,2014,36(5):40-48.

[9] 王鑄坤,李宇志,操應(yīng)長,等.渤海灣盆地東營凹陷永北地區(qū)沙河街組三段砂礫巖粒度概率累積曲線特征及沉積環(huán)境意義[J].石油與天然氣地質(zhì),2017,38(2):230-240.

Wang Zhukun,Li Yuzhi,Cao Yingchang,et al.Probability cumulative grain-size distribution curves and their implications for sedimentary environment identification of coarse clastic rocks of the Es3 in Yongbei area,the Dongying Sag,Bohai Bay Basin[J].Oil & Gas Geology,2017,38(2):230-240.

[10] 鄭榮才,文華國,韓永林,等.鄂爾多斯盆地白豹地區(qū)長6油層組湖底滑塌濁積扇沉積特征及其研究意義[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,36(6):566-575.

Zheng Rongcai,Wen Huaguo,Han Yan Yonglin,et al.Discovery and significance of sublacustrine slump turbidite fans in Chang 6 oil-bearing formation of Baibao region in Ordos Basin,China[J].Journal of Chengdou University of Technology(Science &Technology Edition),2006,33(6):566-575.

[11] 楊劍萍,趙衛(wèi)衛(wèi),姜在興.沾化凹陷孤北油田古近系沙三段扇三角洲沉積特征及油氣儲層意義[J].石油與天然氣地質(zhì),2003,24(2):157-161.

Yang Jianping,Zhao Weiwei,Jiang Zaixing.Sedimentary characteristics and reservoir significance of eogene Es3 fan delta in gubei oilfield,zhanhua depression[J].Oil & Gas Geology,2003,24(2):

157-161.

[12] 張陽,回宇婷,邱隆偉,等.雙斷湖盆沉積特征及其控制因素研究—以孤北洼陷沙四上亞段為例[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,44(5):868-876.

Zhang Yan,Hui Yuting,Qiu Longwei,et al.Sedimentary characteristics and its controlling factors of double-fault lacustrine basin:a case study of the upper 4th member of Shahejie formation in Gubei depression[J].Journal of China University of Mining & Technology,2015,44(5):868-876.

[13] 王永詩,莊文山.孤北洼陷沙三、四段沉積體系分析[J].油氣地質(zhì)與采收率,2003,10(3):35-37

Wang Yongshi,Zhuang Wenshan.Analysis on sedimentary system in Es3and Es4of Gubei subsag[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency,2003,10(3):35-37.

[14] 史文東,趙衛(wèi)衛(wèi).沾化凹陷孤北洼陷下第三系沙三段扇三角洲沉積體系及其與油氣聚集的關(guān)系[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,27(2):15-18.

Shi Wendong,Zhao Weiwei,Sedimentary characteristics of fan-deltaic depositional system in third member of Shahejie formation in Gubei oil field[J].Journal of Southwest Petroleum University(Edition of Natural Science),2003,27(2):15-18.