東營凹陷斷陷萎縮期淺水三角洲沉積模式及勘探實踐
——以東營南坡沙二上亞段為例

陳 濤

(中國石化勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015)

東營凹陷受喜山運動幕式活動影響,沙二上亞段沉積期處于喜山運動的斷陷萎縮期[1-3],此時斷層活動強度明顯減弱,沉積背景、沉積相類型均發(fā)生改變,但前人未開展過系統(tǒng)研究。本次研究以東營南坡為例[4-7]對沙二段的沉積背景、沉積相特征進行研究,東營南坡鉆遇沙二上亞段探井1 500多口,是一個“高鉆遇、低認識”層系,對沉積類型、沉積演化規(guī)律未形成明確認識,制約著勘探進程。通過沉積背景及巖心相、測井相、地震相標志研究,明確沙二上亞段淺水三角洲發(fā)育的認識、沉積類型及砂巖儲集體展布規(guī)律。

1 淺水三角洲發(fā)育沉積背景

1.1 構(gòu)造背景

東營南坡沙二段構(gòu)造格局主要受喜山運動控制,喜山運動的幕式活動導致盆地發(fā)育與演化的階段性,沙二段沉積期處于喜山運動斷陷鼎盛期(Es3-Es2x)及斷陷萎縮期(Es2s-Ed)的轉(zhuǎn)化期,沙二上亞段、沙二下亞段斷裂性質(zhì)、斷層活動強度均存在較大差異[8-10]。

沙二上亞段受喜山運動斷陷萎縮期影響,斷裂活動明顯減弱,北西向斷層基本消亡,東西向斷層活動微弱,北東向斷層是主要活動斷層,湖盆具有北東向展布的統(tǒng)一沉積中心[11-12]。斷層扭張比大于0.8,斷層性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榕埍尘?受斷層性質(zhì)影響,斷層活動強度變?nèi)?活動速率小于10 m/Ma(圖1),湖盆基底平緩,古地形坡度小,僅0.52°～1.29°,湖盆具有坡緩、水淺的特點。

1.2 古地貌背景

受斷層活動強度、活動期次差異影響,受沙二上亞段/沙二下亞段不整合導致的地層暴露剝蝕作用影響,沙二上亞段古地貌背景、沉積中心發(fā)生變化。東營南坡沙二上亞段古地貌可看出(圖2),該時期盆地沉降中心與沙二下亞段相比發(fā)生明顯變化,盆地主沉降中心演變成一個北東向展布整體沉降中心,利津洼陷與博興洼陷演變成了一個統(tǒng)一洼陷,牛莊洼陷、花溝次洼、石村次洼等沉積中心消失。該時期盆地沉積范圍較之前明顯變小,盆地進入萎縮期,地層平緩、地形坡度小。

圖1 東營南坡沙二上亞段斷層活動

研究區(qū)沙二上亞段沉積期邊界控盆斷層活動性降低,形態(tài)由沙三段-沙二下亞段的鏟式演化為坡坪式,基底平緩,地形坡度十分平緩,僅0.52°～1.29°,湖底地形非常平緩,水上和水下古地形坡度沒有明顯變化,湖平面開闊,波浪能弱,波及范圍廣,利于淺水三角洲的發(fā)育。

圖2 東營凹陷南坡沙二上亞段古地貌

1.3 古氣候差異演化特征

從化石組合分析來看,沙二段沉積期孢粉化石豐富,沙二上亞段、沙二下亞段存在差異,沙二下亞段孢粉化石類型以水龍骨科、櫟粉屬、榆粉屬含量高,到沙二上亞段孢粉組合演化成以麻黃粉屬、唇形科和櫟粉屬含量高,說明沙二下亞段以濕潤氣候環(huán)境為主,沙二上亞段以熱帶-亞熱帶氣候環(huán)境為主。

從元素豐度變化特征也可以看出,Ca、Mg、Ca/Mg元素指標是古氣候識別的重要指標,東營南坡沙二下亞段Ca元素豐度0.88～6.37(平均3.22)、Mg元素豐度0.35～2.87(平均1.05)、Ca/Mg元素豐度0.79～9.48(平均3.97),沙二上亞段Ca元素豐度0.33～0.87(平均0.47)、Mg元素豐度0.15～1.44(平均0.9)、Ca/Mg元素豐度0.32～1.65(平均0.68),存在較大差異,反應出沙二上亞段古氣候環(huán)境主要為干旱氣候。

1.4 泥巖顏色差異演化特征

地層中沉積泥巖的顏色變化是還原古沉積環(huán)境、巖石沉積時氧化或還原條件和水動力條件的重要標志?；谘芯繀^(qū)內(nèi)已鉆井數(shù)據(jù),統(tǒng)計其氧化色泥巖(紫紅色泥巖、棕紅色泥巖及褐色泥巖)及還原色泥巖(灰色泥巖、綠色泥巖)占泥巖厚度的比例。研究區(qū)內(nèi)泥巖顏色多樣,包括灰色泥巖、綠色泥巖、紫紅色泥巖、棕紅色泥巖及褐色泥巖等。沙二下亞段一般為厚層灰綠色、灰色泥巖,反應整體比較穩(wěn)定的水下沉積過程,沙二上亞段泥巖多為紫紅色、棕紅色、灰綠色泥巖互層,水體淺,泥巖頻繁暴露與淹沒(圖3)。說明沙二上亞段沉積時期水體較淺,泥巖顏色還原色和氧化色互層發(fā)育,說明水下、水下沉積頻繁轉(zhuǎn)換。

圖3 東營南坡沙二上亞段泥巖顏色平面分布

綜合以上研究表明,受喜山運動斷陷萎縮期的影響,東營南坡沙二上亞段斷裂活動微弱,為緩坡構(gòu)造背景下的穩(wěn)定緩慢沉降,湖盆基底平緩,古地形坡度小,古氣候整體為炎熱-干旱型,物源供應充足,古水體淺且動蕩,具明顯的水深旋回變化,有利于淺水三角洲的形成。

2 淺水三角洲沉積特征

淺水三角洲是指在淺的古水體、平緩古地形背景下形成的三角洲類型[13-16]。沙二上亞段沉積期盆地邊界斷層活動強度減弱,斷層形態(tài)從沙二下亞段鏟式演化為坡坪式,基底平緩,變?yōu)檠谉岣珊倒艢夂?物源供給充足,成為淺水三角洲形成的有利條件[17-21]。

綜合考慮東營南坡古沉積背景,在巖心相、測井相、地震相分析基礎(chǔ)上,確定沙二上亞段主要發(fā)育淺水三角洲沉積。從沉積垂向演化來看,由粗粒沉積體系向細粒沉積體系演化、由深斷陷沉積向淺斷陷沉積轉(zhuǎn)變,沉積類型由大面積展布的辮狀河三角洲整體過渡為淺水三角洲。

2.1 淺水三角洲發(fā)育標志

沙二上亞段砂巖類型主要為灰色含礫粗砂巖、含礫中砂巖、中砂巖、細砂巖及粉砂巖,向湖盆中央粉砂巖含量有所增高。從粒度概率曲線特征來看,沙二上亞段粒度概率累積曲線具有兩段式(官104井)、三段式(官7井)兩種類型。兩段式曲線的跳躍次總體斜率高(62°),分選好,為主要搬運方式;懸浮次總體發(fā)育局限(20%),懸浮總體與跳躍總體的細切點φ值較大(2.5φ左右),反映較強水動力環(huán)境下(圖4(a))。三段式粒度概率曲線,反應出跳躍次總體斜率高(53°),而代表跳躍次總體的斜率中等(34°),分選均較好,其中跳躍次總體含量較高(72%),懸浮次總體含量次之,為粗粒沉積物在較強水動力環(huán)境中遭受雙向水流改造作用形成的沉積類型(圖4(b)),與辮狀河三角洲砂體兩段式粒度曲線存在明顯差異(圖4(c)、(d))。

沙二上亞段沉積時期湖底地形平坦,坡度小(0.52°～1.29°),河流入湖所攜帶的碎屑物質(zhì)進積很遠,在地震剖面中可見疊瓦狀前積特征。疊瓦狀前積由一組傾角十分平緩的同相軸構(gòu)成,前積層傾角約3.1°,單一前積層延伸距離約1.47 km,地震剖面上的傾斜同相軸的上端和下端分別與上覆地層和下覆地層呈現(xiàn)頂超和下超的接觸關(guān)系,與S型前積顯著差異在于僅發(fā)育前積層而缺少頂積層和底積層(圖5),疊瓦狀前積反映了較強的水動力環(huán)境及近源淺水的沉積特征,是淺水三角洲發(fā)育的重要識別標志。

圖4 東營南坡沙二段典型井粒度概率曲線圖

2.2 淺水三角洲沉積類型

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景,結(jié)合錄井巖性(包括巖性、粒度、顏色、層理等)、測井形態(tài)(曲線形態(tài)、幅值等)、古生物分布、巖心資料等各方面反應沉積相類型的指標,識別出淺水三角洲發(fā)育的3個亞相12種微相類型。

2.2.1 淺水三角洲平原亞相

是河流入湖過程當中形成的水上分流平原,主要位于水面之上,唯有周期性的湖水面上升時,才可能處于短時期水下環(huán)境中。分流平原亞相發(fā)育4種微相類型:

(1)分流河道微相。分流河道組成淺水三角洲平原格架,單砂層較厚,以含礫砂巖及粗砂巖為主的分流河道砂體,分流河道砂體之間夾有粉砂巖,整體粒度較粗,分選中等,磨圓較好,物性好,具有明顯的二元結(jié)構(gòu)。

圖5 東營南坡沙二上亞段疊瓦狀前積地震相特征

分流河道底部可見明顯沖刷面,界面頂部常發(fā)育不同大小的泥礫沉積。通常發(fā)育槽狀交錯層理、楔狀交錯層理、平行層理等表征強水動力環(huán)境的沉積構(gòu)造。測曲線表現(xiàn)為高幅值箱形、呈齒化箱形,具間斷性正韻律特征。研究區(qū)分流河道砂體微相發(fā)育的單砂體厚度大,常常大于8 m,主要由疊加復合的河道砂體組成。砂體主要為塊狀或長條狀,砂體寬厚比大,砂體平面連續(xù)性好,沿河流方向呈現(xiàn)帶狀分布特征。

(2)天然堤微相。天然堤主要又泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等組成,粉砂巖少量發(fā)育,厚度一般小于2 m。從巖心特征上看,泥質(zhì)粉砂巖在巖芯上可見波狀層理,偶爾見平行層理,常見植物碎片,植物根系和生物擾動遺跡,以及局部發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核。測井響應是中幅的指狀標志,頂部和底部呈漸變或輕微突變,頂部逐漸變?yōu)槟鄮r沉積,底部與分流河道砂體發(fā)生突變接觸。其與道間泥、分流河道共生,從垂向上看,常常位于道間泥中或者分流河道的頂部。

(3)道間砂微相。道間砂微相為大面積或局部發(fā)育的薄層沉積,形成于分洪河道與分流河道之間。巖性主要為粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖,單層厚度一般在2～3 m。巖心可見厚泥巖加薄粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾層,鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育。測井響應為中幅指狀或鐘形,與河道砂體在頂部和底部呈現(xiàn)突變接觸關(guān)系。

(4)道間泥微相。道間泥微相主要發(fā)育厚層紫紅色、灰色或灰綠色泥巖,中巖心上發(fā)育鈣礫、植物化石及生物遺跡構(gòu)造。測井響應特征為低幅的直線形或者微齒狀特征。

2.2.2 淺水三角洲內(nèi)前緣亞相

該亞相發(fā)育在平均高水位湖平面與低水位湖平面之間的區(qū)域。沉積受河流、湖泊雙重作用影響,發(fā)育5種微相類型:

(1)水下分流河道微相。在研究區(qū),古地形寬緩,湖泊與湖底面的沉積物長距離接觸,能量衰減,湖泊水動力減弱,而河流的動力表現(xiàn)更為突出,水下分流河道在湖盆中央長距離延伸。水下分流河道微相巖性較粗,以含礫砂巖及粗砂巖、中-細砂巖為主,分選、磨圓均較好,垂向上表現(xiàn)為為間斷性正韻律疊置。與平原亞相分流河道對比,水下分流河道的沉積粒度更細、分選程度更高、磨圓程度更高、泥質(zhì)成分含量減少、底部礫石含量減少,距離物源方向越近,砂體發(fā)育越寬,河道分叉,改道特征明顯。巖心具有沖刷界面小,平行層理、小型楔狀交錯層理、槽狀交錯層理、塊狀層理比較發(fā)育。

(2)水下天然堤微相。水下天然堤的主要發(fā)育泥質(zhì)粉砂巖,測井響應特征為中等幅度的箱形或齒化箱形,水下天然堤規(guī)模小。巖心上通常發(fā)育楔狀交錯層理和波狀層理等,常見干裂特征,可見植物碎片。

(3)水下道間砂微相。水下道間砂巖以薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主,單層厚度一般小于2 m。在巖心上,有波狀層理和透鏡狀層理,多伴生水平層理發(fā)育的灰綠色泥巖,自然電位曲線呈低幅指狀,由于被厚層泥包裹,曲線近似平直。

(4)水下道間泥微相。水下道間泥主要為厚度大的灰色、灰綠色和紫紅色泥巖,在巖心上發(fā)育水平層理和透鏡狀層理。自然電位曲線呈現(xiàn)靠近泥巖基線的極低幅直線,受薄層泥質(zhì)粉砂巖夾層影響,部分區(qū)域呈低幅微齒狀。

(5)河口壩微相。該微相的分布與規(guī)模均較局限,僅在局部發(fā)育,一般存在于水下分流河道前端,河口壩巖性主要為向上變厚的粉細砂巖、中砂巖、含礫砂巖,單層厚度一般較小,主要發(fā)育反韻律,帶有復合韻律。測井響應上呈現(xiàn)中高幅、薄層漏斗特征。巖心上可見低角度交錯層理、生物鉆孔和植物根系。

2.2.3 淺水三角洲外前緣亞相

淺水三角洲外前緣亞相是指處于低水位以下的三角洲前緣的前端,研究區(qū)主要發(fā)育3種微相:

(1)殘留水下分流河道及席狀砂微相。殘留水下分流河道及席狀砂微相常常伴生有時難以區(qū)分,是水下分流河道被湖泊水動力破壞后形成的斷續(xù)沉積,巖性主要是細-粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等,厚度一般比較薄。測井響應特征上呈現(xiàn)出中低幅指狀特征,存在間斷性正韻律。

(2)席間泥微相。巖性以灰色、灰綠色、灰黑色和紫色紅泥巖為主,薄層細砂巖夾層,巖心水平層理發(fā)育。測井響應上呈現(xiàn)出低或極低振幅的直線性、微齒形狀。

表1 東營南坡沙二上亞段淺水三角洲沉積相特征表

3 淺水三角洲發(fā)育模式

3.1 淺水三角洲沉積特征

國外學者通過現(xiàn)代沉積研究提出了多種類型的三角洲發(fā)育模式,淺水三角洲是形成于淺水、穩(wěn)定的構(gòu)造臺地、地形平緩、緩慢沉降的坳陷背景條件下,以分流河道砂體為主體的一種特殊的三角洲類型[18-23]。

東營南坡沙二上亞段沉積期斷裂活動微弱,為緩坡背景下的穩(wěn)定、緩慢沉降,湖盆地形平緩,古地形坡度小,形成了淺水三角洲發(fā)育的有利條件。沙二上亞段沉積時期整體為炎熱-干旱型古氣候,加劇母源區(qū)的物理風化作用,為淺水三角洲的發(fā)育提供了充足的物源,加之穩(wěn)定的緩坡背景,導致湖泊面積變化較大,湖平面升降影響的沉積相帶較寬,沙二上亞段具明顯的水深旋回變化,成為淺水三角洲形成的有利條件。

在構(gòu)造穩(wěn)定、水體較淺、古氣候炎熱-干旱的東營凹陷南坡沙二上亞段形成近源、粗粒的進積型淺水三角洲,具有大平原、小前緣的發(fā)育特征(圖6)。研究區(qū)淺水三角洲具有如下特征:

(1)具有“坡緩水淺”的建設性三角洲沉積特征。三角洲沉積是河流和湖泊能量互相起作用的結(jié)果。走研究區(qū)沙二段上部,地形坡度非常平緩,僅0.52°～1.29°,水上、水下古地形坡度為發(fā)生明顯變化,盆地基底古地形平緩,湖面非常開闊,波浪能量弱,波及范圍廣。沿盆地緩坡方向進入的來自南部的物源充足,對三角洲的建設始終起著控制作用。研究區(qū)的發(fā)育的淺水三角洲表現(xiàn)為建設性的河控三角洲特征。

(2)發(fā)育牽引流為主的粗粒沉積。研究區(qū)砂巖類型主要為灰色含礫粗砂巖、含礫中砂巖、中砂巖、細砂巖及粉砂巖。三角洲平原及三角洲內(nèi)前緣的巖性整體較粗,向湖盆中央粉砂巖含量有所增高。粒度概率累積曲線多為反映牽引流沉積的兩段式及局部發(fā)育的反映雙向水流的三段式,粗粒沉積物在較強水動力環(huán)境中遭受雙向水流改造作用形成的沉積類型,可見槽狀交錯層理。

(3)砂體分布一般有明確的方向,通常是順物源分布。由于研究區(qū)淺水三角洲主要受河流作用控制,湖泊改造作用影響較小,因此河道砂體及水下分流河道砂體的展布均呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性,一般順河流方向分叉發(fā)育,不同砂體的寬度差別比較大,但延伸距離都比較遠(圖6)。

圖6 東營南坡沙二上亞段淺水平三角洲發(fā)育模式

(4)三角洲相帶分異明顯,各亞相帶發(fā)育齊全,且三角洲前緣亞相帶十分廣闊。研究區(qū)淺水三角洲的物源供給來自南部凸起,在干熱的氣候環(huán)境下,凸起遭受風化剝蝕產(chǎn)生大量的碎屑沉積物,向沉積區(qū)提供充足的物源、寬緩的古地形和寬闊的可容空間,因此淺水三角洲具有分異明顯的亞相帶,相帶發(fā)育比較齊全。

3.2 砂體展布規(guī)律及勘探實踐

沙二上亞段主要發(fā)育淺水三角洲砂體,由于地形緩、無快速沉降,主要發(fā)育河道砂體,河道頻繁分叉、改道,砂體在垂向上相互疊置,平面上砂體分散、分隔性強,砂巖儲集體平面上表現(xiàn)為“枝狀”砂體特征,砂體厚度大、分割性強,不同河道砂體之間互不連通,與斷層匹配可以形成大規(guī)模發(fā)育的構(gòu)造-巖性圈閉。如東營南坡陳官莊地區(qū)沙二下亞段為辮狀河三角洲沉積,砂體連通性比較好,主要表現(xiàn)為“坨狀”砂體特征,從屬性圖上可以看出砂體連片分布、相互聯(lián)通(圖7a),沙二上亞段為淺水三角洲沉積,砂體分割性強,主要表現(xiàn)為“枝狀”砂體特征,從屬性圖上可以看出,砂體以河道砂體為主,砂體互不連通,分割性強(圖7b)。淺水三角洲砂體分割性強,具體更為廣闊的勘探空間。

研究成果應用到陳官莊油田官114區(qū)塊沙二段勘探實踐中,本次研究認為陳官莊地區(qū)沙二段上部主要為淺水三角洲沉積類型,砂體分隔性強、互不連通,受斷層切割可以形成大規(guī)模分布的構(gòu)造巖性圈閉,油藏具有連片分布的可能,在此認識指導了完鉆了官114-3、官114-5、官114-9、官114-13等10口井均獲得成功,使研究區(qū)有單點含油擴展為含油連片,不同井鉆遇砂體具有不同的油水界面,官114-9井鉆遇油水界面2 300 m,官114-1井油水界面2 320 m,官114-13井油水界面2 350 m,說明砂體之間是互不連通的,進一步證實了淺水三角洲“枝狀”砂體發(fā)育的特征。而且沙二上亞段、沙二下亞段鉆遇油層分布特征來看,沙二上亞段多砂體含油,油層在平面上呈疊合連片的特征,沙二下亞段油層零星分布,只在局部構(gòu)造高點含油(圖8),進一步說明淺水三角洲砂體具有更大的潛力。

東營凹陷沙二上亞段沉積期處于喜山運動的斷陷萎縮期，儲層類型主要為淺水三角洲河道砂體，淺水三角洲具有大平原、小前緣特征，河道頻繁分叉、改道，導致砂體在垂向上相互疊置，平面上以“枝狀”砂體為主，砂體厚度大、分割性強，不同河道砂體之間互不連通，與該時期廣泛發(fā)育的北東向斷層、地層尖滅線匹配可以形成大規(guī)模發(fā)育的構(gòu)造-巖性、地層-巖性圈閉，2018—2019年在東營凹陷南坡沙二上亞段上報構(gòu)造-巖性油藏探明儲量933萬t，上報地層-巖性油藏探明儲量427.3萬t，顯示出該類型圈閉的巨大勘探潛力。研究成果對濟陽坳陷其他類似地區(qū)油藏勘探具有較大的指導意義。

圖7 東營南坡陳官莊地區(qū)沙二段振幅屬性圖

圖8 東營南坡官114井區(qū)沙二上亞段近東西向油藏剖面圖

4 結(jié) 論

(1)東營凹陷沙二上亞段處于喜山運動斷陷萎縮期,斷裂活動減弱,湖盆基底平緩,古地形坡度小,為熱帶-亞熱帶干旱古氣候環(huán)境,物源供應充足,古水體淺且動蕩,具明顯的水深旋回變化,有利于淺水三角洲的發(fā)育。

(2)沙二上亞段沉積特征表現(xiàn)為楔狀交錯層理、板狀交錯層理發(fā)育,粒度概率曲線表現(xiàn)為兩段式、三段式,跳躍次總體斜率高,懸浮次總體發(fā)育局限,地震相上表現(xiàn)為疊瓦狀前積特征,說明研究區(qū)沉積類型為強水動力、近源淺水的淺水三角洲。

(3)沙二上亞段為近源、粗粒的進積型淺水三角洲,三角洲具有大平原、小前緣特征,發(fā)育厚度大、分割性強的“枝狀”砂巖儲集體,與斷層匹配可以形成大規(guī)模分布的構(gòu)造巖性圈閉,具有更為廣闊的勘探空間,研究成果指導陳官莊地區(qū)勘探實踐,取得較好效果。