咸化湖盆緩坡帶碳酸鹽巖巖石學(xué)特征及沉積模式
——以東營(yíng)凹陷古近系沙四上亞段為例

趙蘭全

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

引 言

湖相碳酸鹽巖是國(guó)內(nèi)外重要的油氣儲(chǔ)層成因類型，勘探潛力巨大[1-6]。與海相碳酸鹽巖相比，湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有相帶窄、厚度薄和儲(chǔ)層非均值性強(qiáng)等特點(diǎn)[7-10]，多形成于咸化湖盆的緩坡帶內(nèi)，湖盆水動(dòng)力條件、沉積物供給、古地貌和氣候變化控制著碳酸鹽巖在湖盆中的形成與分布[10-12]。湖泊的動(dòng)力系統(tǒng)復(fù)雜多變，在不同湖盆及湖盆內(nèi)的不同沉積環(huán)境中，碳酸鹽巖的巖性組合、組構(gòu)特征和儲(chǔ)層微觀特征都存在著較大的差異。因此，建立準(zhǔn)確的沉積模式是指導(dǎo)這類儲(chǔ)層勘探開發(fā)的關(guān)鍵。

近年來,湖相碳酸鹽巖作為濟(jì)陽(yáng)坳陷內(nèi)的一種非常規(guī)儲(chǔ)層，已在東營(yíng)凹陷和沾化凹陷內(nèi)的24個(gè)油田取得突破，油氣探明儲(chǔ)量達(dá)7 000×104t，表明湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)層有較大的勘探潛力[13]。在這些凹陷的緩坡帶內(nèi)往往發(fā)育大面積碳酸鹽巖。這些碳酸鹽巖種類繁多、成份復(fù)雜、成因多樣，在空間上具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，制約著該地區(qū)的油氣勘探和開發(fā)[14-15]。本文以巖心觀察描述和薄片鑒定為基礎(chǔ)，綜合單井相、剖面相和平面沉積相的成果，系統(tǒng)分析東營(yíng)凹陷沙四上亞段湖相碳酸鹽巖的沉積類型及其空間分布特征，建立精細(xì)的沉積和儲(chǔ)層發(fā)育模型，這對(duì)該地區(qū)及類似湖盆中碳酸鹽巖儲(chǔ)層的勘探與開發(fā)具有參考意義。

1 地質(zhì)背景

東營(yíng)凹陷是渤海灣盆地中的一個(gè)三級(jí)構(gòu)造單元，是在中、古生界基巖古地形背景上經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的典型的箕狀斷陷湖盆，具有北斷南超的特點(diǎn)[16]。東營(yíng)凹陷北連陳家莊凸起，南接魯西隆起和草橋-廣饒凸起，東鄰青坨子凸起，西部跨過青城隆起與惠民洼陷相接，凹陷由北部陡坡帶、中央隆起帶、牛莊洼陷、利津洼陷、博興洼陷、民豐洼陷以及南部緩坡帶等7個(gè)構(gòu)造單元組成[17](圖1(a))。沙河街組屬于新生界古近系地層，巖性以砂泥巖互層為主，自上而下可分為4段，每段地層又可分為若干個(gè)亞段，其中，沙四段地層可以分為上、下兩個(gè)亞段。沙四下亞段沉積時(shí)期主要為洪水-漫湖沉積體系，地層以紅色沉積為主。沙四上亞段時(shí)期為典型的半潮濕-干旱環(huán)境，東營(yíng)凹陷為典型的咸化湖盆，主要發(fā)育三角洲、砂質(zhì)灘壩和碳酸鹽巖灘壩(圖1(b))。碳酸鹽巖灘壩主要分布在湖侵和高位體系域中，以薄層賦存于厚層泥頁(yè)巖中。

圖1 東營(yíng)凹陷區(qū)域構(gòu)造圖及沙四段巖性地層綜合柱狀圖

2 巖石學(xué)特征

本文主要采用Dunham的分類，以顆粒類型和顆粒與泥晶基質(zhì)的比例為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)湖相碳酸鹽巖進(jìn)行巖石學(xué)分析。主要的巖石類型包括內(nèi)碎屑顆粒云巖、鮞粒云巖、生物碎屑顆?；?guī)r和泥晶灰?guī)r。

2.1 內(nèi)碎屑顆粒云巖

內(nèi)碎屑顆粒云巖是緩坡帶內(nèi)顆粒碳酸鹽巖最主要的組成部分，是岸邊早期弱固結(jié)的碳酸鹽巖接受湖浪改造，破碎再沉積的產(chǎn)物。內(nèi)碎屑顆粒主要由白云石礦物組成，包括砂屑和礫屑2種類型，且以前者居多。砂屑的粒徑范圍一般為0.1～1 mm，磨圓和分選較好，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均一，混有少量的生物碎屑和陸源碎屑 (圖2(a))；礫屑的粒徑范圍為2～5 cm，多呈棱角狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成分成熟度相對(duì)較低，其形成與湖盆內(nèi)部短期的風(fēng)暴流作用有關(guān)。

2.2 鮞粒云巖

鮞粒云巖在緩坡帶較為常見，主要分布在淺水高能區(qū)。鮞粒種類豐富，從形態(tài)上講，既有形似橢圓的單晶鮞，也有受壓實(shí)作用導(dǎo)致的條狀鮞，鮞粒的直徑介于0.1～0.5 mm，核心多為砂屑，也有少部分陸源碎屑，包殼層少而薄。鮞粒的核心一般不穩(wěn)定，在沉積期易被大氣淡水所溶蝕，形成鑄?？?圖2(b))。

2.3 生物碎屑顆?；?guī)r

生物碎屑顆?；?guī)r主要分布在沿岸透光性好的淺水區(qū)。緩坡帶內(nèi)生物碎屑顆粒的種類復(fù)雜多樣，在高能沉積環(huán)境和低能環(huán)境中都能見到此類生物碎屑。主要的生物碎屑為介形類和螺，常與雙殼類、核形石和管狀藻等共生(圖2(c),圖2(d))。介形的主要種屬為光華南星介，原始形態(tài)保存較差，介殼多呈層狀排列，殼薄無殼飾，殼體多為橢圓形，少數(shù)為紡錘形(圖2(e))；螺主要為中華扁卷螺組合，屬水螺屬，直徑介于0.01～2.8 mm之間，殼體保存較好，殼體內(nèi)部和殼體間多被泥晶碳酸鹽巖所充填，表明其形成于低的水動(dòng)力條件。

圖2 東營(yíng)凹陷南坡沙四上亞段湖相碳酸鹽巖巖石學(xué)特征

2.4 泥晶碳酸鹽巖

泥晶碳酸鹽巖是緩坡帶內(nèi)碳酸鹽巖的主體，多以深灰色塊狀和紋層狀產(chǎn)出，常與深色泥頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖和石膏共生，富有機(jī)質(zhì)且普遍含黃鐵礦。按礦物成分可劃分為泥晶灰?guī)r和泥晶云巖，由岸向湖盆方向，泥晶灰?guī)r逐漸向泥晶云巖過渡[18]。泥晶碳酸鹽巖形成于低能環(huán)境中，多分布于濱淺湖環(huán)境的局限洼地和淺灘周緣，泥晶灰?guī)r中往往混有少量生物碎屑組分，呈雜亂狀分布(圖2(f))。

3 緩坡帶湖相碳酸鹽巖發(fā)育規(guī)律

基于沙四上亞段沉積期的古地貌、沉積環(huán)境和水動(dòng)力條件等特征，將東營(yíng)凹陷南部緩坡帶劃分為沿岸帶、近岸帶和遠(yuǎn)岸帶(圖3)。沿岸帶位于最低湖平面和最高湖平面之間，地層坡度緩，波浪和沿岸流作用明顯，部分時(shí)期暴露地表。近岸帶位于最低湖平面和浪基面之間，長(zhǎng)期位于水面以下，地勢(shì)具有高低起伏的特點(diǎn)，水下高地處水動(dòng)力條件較強(qiáng)。遠(yuǎn)岸帶位于浪基面之下，整體為缺氧的環(huán)境，沉積水體較為穩(wěn)定。在不同區(qū)帶內(nèi)碳酸鹽巖的類型、宏觀展布和微觀儲(chǔ)層特征存在較大差異。

圖3 東營(yíng)凹陷南斜坡中部沙四上亞段古地貌(據(jù)勝利油田內(nèi)部資料)

3.1 緩坡帶碳酸鹽巖基本特征

沿岸帶內(nèi)地層主要發(fā)育綠色、淺灰色泥巖夾薄層淺灰色碳酸鹽巖，碳酸鹽巖單層厚度小于2 m?；揖G色泥巖的發(fā)育表明該帶內(nèi)水體富氧且循環(huán)好，利于高能環(huán)境顆粒碳酸鹽巖的形成。巖性以高能的生物碎屑顆粒云巖和內(nèi)碎屑顆粒云巖為主，生物碎屑主要有枝管藻、輪藻和介形蟲等。碳酸鹽岸淺灘發(fā)育段的巖心中常見浪成交錯(cuò)層理、波狀層理和沖洗層理。薄片中顆粒分選和磨圓較好，原始粒間孔隙保存較好，粒間充填少量亮晶方解石膠結(jié)物。受大氣淡水的淋濾作用，生物碎屑云巖和鮞粒云巖中粒內(nèi)溶孔和鑄模孔較為發(fā)育，與粒間的殘余原生孔隙溝通，儲(chǔ)層物性整體較好(圖4(a))。

圖4 東營(yíng)凹陷南部緩坡帶沙四上亞段湖相碳酸鹽巖沉積學(xué)特征分析

近岸帶內(nèi)地層主要表現(xiàn)為灰色泥巖夾薄層深灰色碳酸鹽巖。與沿岸帶相比，碳酸鹽巖的總厚度更大。主要巖石類型為泥晶灰?guī)r和內(nèi)碎屑顆粒云巖，前者在地層中所占比例較大。局部高地是高能淺灘的有利發(fā)育區(qū)，淺灘儲(chǔ)層中殘余粒間孔隙少見(圖4(b))，次生孔隙主要為非選擇性溶蝕孔隙和裂縫，孔隙中充填大量殘余的瀝青質(zhì)，表明次生孔隙的形成可能與有機(jī)酸溶蝕有關(guān)[14]。低洼區(qū)水動(dòng)力條件較弱，主要發(fā)育泥晶灰?guī)r(圖5)。

圖5 近岸帶古洼地灘間泥晶灰?guī)r沉積特征(G6井)

遠(yuǎn)岸帶內(nèi)發(fā)育的薄層泥晶-微晶白云巖以?shī)A層形式賦存于厚層的深色泥頁(yè)巖中，單層厚度多小于1 m,巖石類型以泥晶云巖為主，多見水平層理和細(xì)水平紋層。遠(yuǎn)岸帶內(nèi)地形起伏不大，但具有較強(qiáng)的分割性，發(fā)育多個(gè)孤立洼地。錄井資料揭示，泥晶白云巖主要分布在洼地內(nèi)。沙四上時(shí)期，整個(gè)東營(yíng)凹陷北部最深的地區(qū)主要發(fā)育厚層膏鹽。這些膏鹽的沉積消耗了湖水中的大量Ca2+離子，使水體n(Mg2+)∶n(Ca2+)值大大提高，利于遠(yuǎn)岸帶內(nèi)白云石的形成[13]。

3.2 碳酸鹽巖空間發(fā)育特征

東營(yíng)凹陷沙四上亞段沉積期為半干旱氣候，沙四上亞段地層為一個(gè)完整的三級(jí)層序，自下而上依次發(fā)育低位、湖侵和高位體系域[16]。從垂向看，低位體系域主要發(fā)育三角洲和灘壩沉積，薄層碳酸鹽巖主要形成于湖侵體系域和高位體系域，這表明一定的水深是湖相碳酸鹽巖形成的關(guān)鍵[16]。從湖盆邊部向湖盆中心，湖相碳酸鹽巖的類型存在明顯的差異性。由岸向湖方向水體能量減弱，水深和鹽度增加，造成沿岸帶內(nèi)主要發(fā)育各種高能生物碎屑顆粒碳酸鹽巖沉積，向近岸帶逐漸過渡為內(nèi)碎屑顆粒云巖和泥晶灰?guī)r，而在遠(yuǎn)岸帶則主要發(fā)育薄層泥晶白云巖沉積(圖6)

圖6 東營(yíng)凹陷南斜坡沙四上亞段南北向剖面(剖面位置見圖1AA′)

從古地貌圖可以看出研究區(qū)中部W94—M18井區(qū)發(fā)育一個(gè)北東向的古梁，對(duì)東部陸源碎屑的注入起到明顯的阻隔作用，造成東營(yíng)凹陷南部緩坡帶中部地區(qū)受陸源碎屑的影響較弱。南部的廣饒凸起西部出露的母巖為古生界的碳酸鹽巖，這些碳酸鹽巖母巖易遭風(fēng)化剝蝕，為湖盆提供了大量的Ca2+、Mg2+等離子，為緩坡帶內(nèi)碳酸鹽巖的形成提供物質(zhì)基礎(chǔ)[13-14]。受強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用，湖盆水體變咸，造成大量碳酸鹽巖的形成。由陸向湖方向依次發(fā)育薄層的生物碎屑顆粒灘、內(nèi)碎屑灘和泥晶云巖。沿岸帶內(nèi)的生物碎屑顆粒灘呈帶狀分布于凸起周緣，低能的泥晶灰?guī)r含量較低。近岸帶內(nèi)碳酸鹽巖發(fā)育類型受古地貌影響強(qiáng)烈，古高地處發(fā)育高能的內(nèi)碎屑顆粒云巖，而相對(duì)低洼處則以發(fā)育泥晶灰?guī)r為主。遠(yuǎn)岸帶內(nèi)發(fā)育大量的泥晶白云巖，呈薄層狀?yuàn)A于厚層的深色泥頁(yè)巖中，低洼部位更利于白云石的形成，造成其在平面上呈土豆?fàn)罘植嫉奶攸c(diǎn)(圖7)。

圖7 東營(yíng)凹陷沙四上亞段準(zhǔn)層序5沉積體系平面分布

4 沉積模式及其油氣勘探意義

對(duì)東營(yíng)凹陷沙四上亞段南部緩坡帶內(nèi)湖相碳酸鹽巖的研究表明：古物源和古水文條件決定沉積類型，古地貌控制宏觀展布特征，古湖平面變化決定垂向發(fā)育層位(圖8)。

圖8 東營(yíng)凹陷南部緩坡帶沙四上亞段湖相碳酸鹽巖沉積模式

沿岸帶內(nèi)以發(fā)育綠色泥巖為主，波浪和湖流作用較強(qiáng)，水體循環(huán)良好,透光性好，氧氣充足，利于生物的發(fā)育和高能顆粒碳酸鹽巖的形成，灘體在平面上呈席狀分布，造成淺灘的巖石類型主要為生物碎屑顆粒云巖、內(nèi)碎屑顆粒云巖和鮞粒云巖。近岸帶內(nèi)水體動(dòng)力條件相對(duì)較弱，厚層泥巖多為灰色，表明其長(zhǎng)期位于水下，泥晶碳酸鹽巖的含量明顯增高。局部水下高地波浪作用稍強(qiáng)，利于碳酸鹽巖淺灘的形成，而在其他地區(qū)主要發(fā)育泥晶灰?guī)r，淺灘主要由內(nèi)碎屑顆粒云巖組成。遠(yuǎn)岸帶整體為缺氧的還原環(huán)境，水體安靜，主要發(fā)育厚層深色泥、夾薄層的泥晶云巖。

東營(yíng)凹陷南部緩坡帶發(fā)育的湖相碳酸鹽巖是一類重要的油氣儲(chǔ)層。沉積作用對(duì)儲(chǔ)層的形成起到明顯的控制作用，沿岸帶內(nèi)主要發(fā)育席狀分布的顆粒淺灘，儲(chǔ)層中粒間孔隙發(fā)育，大氣淡水的淋濾促使粒內(nèi)孔隙和鑄?？椎男纬?，儲(chǔ)層整體物性較好，薄片分析面孔率介于12%～30%。近岸帶內(nèi)灘體的分布受控于湖盆內(nèi)部的古高地，同時(shí)受同沉積咸化湖水的影響，粒間膠結(jié)作用較強(qiáng)，原生孔隙保存較差，且大氣淡水成因的各類孔隙基本不發(fā)育，面孔率介于2%～13%。遠(yuǎn)岸帶內(nèi)泥晶白云巖多與油頁(yè)巖互層，主要分布在局部洼地處，除發(fā)育大量的晶間孔之外，同時(shí)具有良好的脆性，可以作為頁(yè)巖油勘探的目標(biāo)，構(gòu)造縫的集中發(fā)育區(qū)是這類儲(chǔ)層的甜點(diǎn)[12]。

5 結(jié) 論

東營(yíng)凹陷南坡沙四段上亞段湖相碳酸鹽巖主要為砂屑云巖、生物碎屑云巖、泥晶灰?guī)r和泥晶云巖。 由岸向湖方向，巖石類型由高能的亮晶生物云巖和砂屑灰云巖向泥晶灰(云)巖轉(zhuǎn)變，且碳酸鹽巖的單層厚度逐漸減薄。由于古地貌和水動(dòng)力的差異，整個(gè)緩坡帶由沿岸帶、近岸帶和遠(yuǎn)岸帶組成。各帶內(nèi)湖相碳酸鹽巖的宏觀展布、巖石組構(gòu)特征和儲(chǔ)集空間等方面存在明顯差異。其中，沿岸帶內(nèi)高能淺灘發(fā)育規(guī)模較大，單層厚度大，由于受大氣淡水的淋濾改造，孔隙發(fā)育較好，是下一步油氣勘探的有利目標(biāo)。