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      南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)古近系東營組/沙河街組不整合結(jié)構(gòu)特征

      2018-06-07 06:58:08歐陽黎明楊少春張博明馮建偉何妮茜王喜冬
      關(guān)鍵詞:南堡風(fēng)化層巖性

      歐陽黎明,楊少春*,張博明,馮建偉,何妮茜,王喜冬,王 亞

      (1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580; 2.中國石油冀東油田分公司勘探開發(fā)研究院,河北 唐山 063004; 3.中石化重慶涪陵頁巖氣勘探開發(fā)有限公司,重慶 408014)

      0 引 言

      傳統(tǒng)意義上,不整合被認(rèn)為只是一個(gè)面。近年來隨著研究的深入,對不整合一種新的認(rèn)識逐漸為大家所接受:不整合不僅是一個(gè)二維上的面,更是三維上的體。不整合不僅記錄了海平面的變化和沉積的間斷,還代表了后期地質(zhì)作用對沉積物不同程度的改造。正是由于沉積物受到不同程度的改造,不整合在縱向上具有明顯的分層結(jié)構(gòu)。張克銀等在研究塔北隆起碳酸鹽巖頂部不整合時(shí)首次提出不整合三層結(jié)構(gòu),在縱向上將不整合劃分為殘積層、滲流層和潛流層,并相應(yīng)地討論了各層的控礦意義[1]。何登發(fā)認(rèn)為不整合三層結(jié)構(gòu)包括不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層和半風(fēng)化層,不整合在油氣成藏過程中扮演著重要角色,主要體現(xiàn)在封堵油氣和運(yùn)移通道兩個(gè)方面,同時(shí)總結(jié)出不整合結(jié)構(gòu)的作用主要與不整合結(jié)構(gòu)的特征及其與上、下地層的配置關(guān)系有關(guān)[2]。此外,也有很多學(xué)者對不整合控油作用開展研究。例如,吳孔友等在研究準(zhǔn)噶爾盆地時(shí)提出,風(fēng)化黏土層受上覆沉積物壓實(shí)作用導(dǎo)致巖性致密,可以作為良好的封蓋層,半風(fēng)化層受風(fēng)化淋濾改造,可作儲層[3];王艷忠等認(rèn)為不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層為高孔隙度和滲透率的巖石,巖石裂隙、溶蝕孔洞發(fā)育,既可以作為油氣運(yùn)移通道,又可成為油氣聚集的有效儲層[4]。綜合前人的研究成果,不整合的控油作用主要體現(xiàn)在改善下部儲層、作為油氣運(yùn)移通道和提供圈閉3個(gè)方面[5-12]。

      南堡凹陷屬于走滑伸展型斷陷,構(gòu)造演化具有幕式裂陷特征,南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)在此構(gòu)造背景下經(jīng)歷了多期裂陷演化,形成多個(gè)區(qū)域性不整合[13-16]。其中,古近系東營組/沙河街組(Ed/Es)不整合對應(yīng)于裂陷四幕[17-18],由沙河街組沉積晚期地層遭受剝蝕后東營組沉積其上形成。國內(nèi)外學(xué)者對研究區(qū)的不整合及其相關(guān)油氣藏進(jìn)行了大量研究[14,16,19],揭示了Ed/Es不整合之下沙河街組一段油氣分布范圍廣,之上東營組三段油氣分布相對局限的特點(diǎn),但研究多集中在這種現(xiàn)象與斷層發(fā)育的聯(lián)系[19-20],少有對與之相關(guān)不整合的研究。因此,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,利用巖芯觀察、礦物分析、測井與地震識別等手段,對南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合進(jìn)行分析和總結(jié),為揭示Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)特征及其與油氣差異性分布之間的關(guān)系奠定基礎(chǔ),以滿足后續(xù)勘探開發(fā)的需要。

      1 區(qū)域地質(zhì)概況

      南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷的東北部,是黃驊坳陷的次級構(gòu)造單元,屬斷陷型富油氣凹陷。3號構(gòu)造區(qū)位于南堡凹陷東南部,北部與曹妃甸次凹相鄰,南部緊鄰沙壘田凸起,整體呈EW向展布,構(gòu)造面積比較大,物源來自于沙壘田凸起,持續(xù)時(shí)間長及變化類型多的構(gòu)造演化使其具備多套生儲蓋組合,是油氣聚集的有利場所(圖1)。

      圖件引自中國石油冀東油田分公司內(nèi)部資料,有所修改圖1 南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological Sketch Map of No.3 Tectonic Region of Nanpu Sag

      南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)內(nèi)地層發(fā)育較全,自下而上依次發(fā)育古近系沙河街組和東營組、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組、第四系平原組,本文研究對象Ed/Es不整合上、下分別為古近系東營組和沙河街組地層。沙河街組和東營組為南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)的主力產(chǎn)油層,主要發(fā)育濱湖相、三角洲相砂巖以及砂礫巖儲層,物性較好。沙河街組自下而上依次可劃分三段(Es3)、二段(Es2)、一段(Es1),東營組也細(xì)分為三段(Ed3)、二段(Ed2)、一段(Ed1)。研究區(qū)構(gòu)造方面具有多幕斷陷演化的特點(diǎn),存在多個(gè)層位不同程度的風(fēng)化剝蝕,發(fā)育構(gòu)造、巖性、構(gòu)造-巖性等多種油氣藏類型,油源主要來自于東營組三段下部地層,生儲蓋配置較好[14,21-22]。

      2 不整合結(jié)構(gòu)劃分

      Ed/Es不整合在南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)發(fā)育廣泛。地震同相軸的上、下接觸關(guān)系表明Ed/Es不整合以削截不整合為主,主要分布在斜坡區(qū)和中部地區(qū),位于潛山的頂部,是在構(gòu)造擠壓背景下早期沉積的地層發(fā)生抬升、掀斜,風(fēng)化作用使翹起的地層遭受剝蝕,后期再次接受沉積而形成的[13,18]。在此過程中,地層受到的風(fēng)化剝蝕具有一定程度的差異性,因此,會在縱向上表現(xiàn)出不同特征。研究區(qū)不整合埋深較大,取芯井較少,取到不整合深度段的井更少,因此,通過分析少量巖芯,并主要利用錄井、測井以及礦物成分分析資料,綜合巖性特征、測井曲線的突變特征(圖2)以及黏土礦物在縱向上的分段特征[23-25],將Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)劃分為不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層、半風(fēng)化層3層(圖3)。

      圖2 不整合面附近測井曲線的縱向突變特征Fig.2 Vertical Mutation Characteristics of Well Logging Curves near Unconformity

      圖3 不整合結(jié)構(gòu)劃分Fig.3 Division of Unconformity Structure

      對南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)多口井進(jìn)行不整合結(jié)構(gòu)的劃分,發(fā)現(xiàn)各井的發(fā)育情況不盡相同。風(fēng)化黏土層只在部分井上發(fā)育,不整合面之上的巖石與半風(fēng)化層則發(fā)育較為廣泛,呈現(xiàn)出一部分井發(fā)育完整的三層結(jié)構(gòu)(不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層、半風(fēng)化層),另外一部分井則發(fā)育兩層結(jié)構(gòu)(不整合面之上的巖石、半風(fēng)化層)(表1)。

      3 不整合結(jié)構(gòu)特征

      地層遭受風(fēng)化剝蝕程度的不同會導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層在微觀特征和宏觀分布上都表現(xiàn)出不同特征。

      3.1 基本特征

      3.1.1 不整合面之上的巖石

      不整合面之上的巖石是指緊鄰不整合面之上,位于上覆巖層底部的那套巖石。Ed/Es不整合面之上的巖石類型主要有泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖和粉砂巖,個(gè)別井上發(fā)育薄層玄武巖,厚度為1~40 m不等,泥巖厚度最大。該結(jié)構(gòu)層是沉積間斷之后再次沉積的地層,風(fēng)化剝蝕程度低,因此,黏土礦物含量(體積分?jǐn)?shù),下同)較低,具體表現(xiàn)為高嶺石含量相對較高,伊利石含量相對于上覆巖石有上升趨勢,但總的黏土礦物含量依然較低(圖4)。測井響應(yīng)特征主要表現(xiàn)為自然電位呈現(xiàn)低幅度異常,聲波時(shí)差較低(圖5)。

      南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)不整合面之上的巖石類型主要為泥巖,厚度較大,因此,孔隙度和滲透率相對較低,整體物性較差。在橫向發(fā)育連續(xù)的情況下,該層多作為封蓋層,對下面的油氣起到封堵作用。少數(shù)砂巖相對發(fā)育的地區(qū)可作為油氣的輸導(dǎo)層。

      表1 不同井的不整合結(jié)構(gòu)劃分Tab.1 Divisions of Unconformity Structure in Different Wells

      3.1.2 風(fēng)化黏土層

      風(fēng)化黏土層也稱古土壤,位于風(fēng)化殼最上部,是在物理風(fēng)化的基礎(chǔ)上經(jīng)生物化學(xué)風(fēng)化作用改造形成的細(xì)粒殘積物,后經(jīng)上覆沉積物的壓實(shí)作用而形成的[26]。風(fēng)化黏土層區(qū)別其他結(jié)構(gòu)層的巖性特征為泥質(zhì)粉砂巖的累積厚度明顯變高,占總厚度的比例超過20%,但整體巖性以泥巖為主,也發(fā)育一定厚度的泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖互層的過渡性巖相。

      巖石的礦物成分分析結(jié)果(表2)表明,風(fēng)化黏土層遭受一定程度的風(fēng)化剝蝕,其穩(wěn)定成分的含量相對較高,主要體現(xiàn)在石英和黏土礦物含量要明顯高于不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層,而長石等不穩(wěn)定礦物含量相對較低(圖4)。在風(fēng)化剝蝕過程中,隨著風(fēng)化程度的加強(qiáng),K的富集有利于高嶺石向伊利石的轉(zhuǎn)化,因此,黏土礦物表現(xiàn)出高嶺石含量較低、伊利石含量較高的特點(diǎn),同時(shí),黏土礦物總含量為Ed/Es不整合三層結(jié)構(gòu)中最高。測井響應(yīng)特征表現(xiàn)出低密度、高聲波時(shí)差、高自然伽馬(圖5)。

      表2 巖石礦物成分分析結(jié)果Tab.2 Analysis Results of Rock Mineralogical Composition

      風(fēng)化黏土層受上覆沉積物的壓實(shí)作用導(dǎo)致巖性致密,孔隙度和滲透率相對較低,物性差,可作為良好的封蓋層。

      圖4 不整合結(jié)構(gòu)石英-長石含量變化Fig.4 Content Variation of Quartz-feldspar of Unconformity Structure

      3.1.3 半風(fēng)化層

      半風(fēng)化層位于風(fēng)化黏土層之下,是風(fēng)化還不徹底的巖石。巖石類型主要以細(xì)砂巖、粉砂巖為主,其發(fā)育少量不等粒砂巖,泥巖較少,各井段厚度不同,多在10~50 m之間。

      在礦物特征方面,黏土礦物含量在經(jīng)歷了風(fēng)化黏土層的峰值之后,在半風(fēng)化層有明顯下降的趨勢。半風(fēng)化層總體上呈現(xiàn)出貧高嶺石、富伊利石,黏土礦物總含量明顯降低的特點(diǎn)(圖4)。半風(fēng)化層的測井響應(yīng)特征與不整合面之上的巖石差別較大。其中,自然伽馬大于不整合面之上的巖石,低于正常泥巖;聲波時(shí)差較大(圖5)。

      圖5 不整合結(jié)構(gòu)基本特征Fig.5 Basic Characteristics of Unconformity Structure

      受風(fēng)化淋濾作用改造,半風(fēng)化層的物性整體上高于不整合面之上的巖石和風(fēng)化黏土層,巖石的孔隙度和滲透率發(fā)育,可以作為油氣的運(yùn)移通道或者儲層。

      3.2 分布特征

      3.2.1 剖面發(fā)育特征

      井剖面上,不整合面上、下巖性的組合關(guān)系會影響其在油氣運(yùn)聚過程中的作用。由于南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)不同井巖性發(fā)育特征不同,巖性多樣,同時(shí)也存在發(fā)育厚度不均一的現(xiàn)象,故采取以累積厚度占總厚度20%為界,高于20%的巖性可作為該井區(qū)不整合結(jié)構(gòu)的代表巖性,低于20%的巖性則統(tǒng)一歸為其對應(yīng)的大類。從各井的巖性組合(表3)可以看出,Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)以CNB組合和BAB組合為主。CNB組合是一個(gè)上泥下砂、中間風(fēng)化黏土層缺失的組合類型,上覆泥巖封堵能力強(qiáng),下伏砂巖被改造物性較好,在配合有效的側(cè)向封堵和油源條件下,油氣可聚集在不整合面之下成藏;BAB組合中間的風(fēng)化黏土層較為發(fā)育,巖性較為致密,風(fēng)化黏土層作為蓋層,不整合面之上的巖石可起到輸導(dǎo)作用,半風(fēng)化層則可以作為良好的儲層,通過斷層等的連接,可在風(fēng)化層形成上、下側(cè)向輸導(dǎo)的雙輸導(dǎo)層油氣運(yùn)移。

      根據(jù)多口井的不整合結(jié)構(gòu)劃分結(jié)果,在順物源和垂直物源方向分別建立一條不整合結(jié)構(gòu)連井剖面(圖6、7)。結(jié)果表明,Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)發(fā)育特征在順物源和垂直物源方向上存在明顯的差異性。在順物源方向A—A′剖面上,風(fēng)化黏土層的發(fā)育厚度不大,多穩(wěn)定在20 m左右,且在部分井上不發(fā)育,如NP36-3604井;不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層則在各井上都較為發(fā)育,且厚度較為穩(wěn)定。在垂直物源方向B—B′剖面上,風(fēng)化黏土層發(fā)育厚度較大,達(dá)到50 m,但也存在部分井不發(fā)育風(fēng)化黏土層。

      表3 不整合結(jié)構(gòu)巖性組合Tab.3 Lithology Combinations of Unconformity Structure

      注:砂巖包括細(xì)砂巖和粉砂巖;黏土層是以泥質(zhì)粉砂巖為代表的黏土層。

      圖6 不整合結(jié)構(gòu)順物源方向A—A′剖面及巖性組合Fig.6 A-A′ Profiles and Lithology Combinations of Unconformity Structure Along the Parallel Direction of Sediment Sources

      3.2.2 平面分布特征

      根據(jù)不整合結(jié)構(gòu)平面厚度分布(圖8),不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在順物源方向上較為發(fā)育,主要分布在北部、中部和南部地區(qū),東部和西部地區(qū)欠發(fā)育;而風(fēng)化黏土層發(fā)育程度較大的區(qū)域集中在垂直物源方向的零散帶上,在順物源方向上除了中部地區(qū)較為發(fā)育,南部和北部地區(qū)都欠發(fā)育。

      圖8 不整合結(jié)構(gòu)平面厚度分布Fig.8 Plane Distributions of Thickness of Unconformity Structure

      圖9 不整合結(jié)構(gòu)空間分布Fig.9 Spatial Distributions of Unconformity Structure

      3.2.3 空間分布特征

      以測井識別的不整合結(jié)構(gòu)為依據(jù),通過地震資料建立南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)構(gòu)造格架,利用Petrel軟件對不整合結(jié)構(gòu)的空間分布進(jìn)行建模。通過多次模擬直至實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果,發(fā)現(xiàn)不整合結(jié)構(gòu)發(fā)育程度具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性(圖9)。靠近物源區(qū)不整合結(jié)構(gòu)整體較為發(fā)育,不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在全區(qū)分布較好,且厚度較為穩(wěn)定,中間的風(fēng)化黏土層則集中分布在西南部以及中部地區(qū),不同地區(qū)厚度差別較大。這與連井剖面以及平面分布特征分析中的認(rèn)識一致。整體上看,Ed/Es不整合三層結(jié)構(gòu)完整發(fā)育的區(qū)域集中在中部地區(qū),其他區(qū)域多以發(fā)育不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層兩層結(jié)構(gòu)為主。結(jié)合不整合結(jié)構(gòu)的基本特征,可以初步判斷南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)中部地區(qū)不整合結(jié)構(gòu)對油氣產(chǎn)生封堵作用,其他大部分地區(qū)則多作為輸導(dǎo)層對油氣進(jìn)行運(yùn)移。

      3.3 小 結(jié)

      不整合結(jié)構(gòu)特征以及分布上的差異是決定不整合控油作用的主要因素。不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層物性較好,分布厚度相對穩(wěn)定,而風(fēng)化黏土層則發(fā)育相對局限,物性較差。因此,在風(fēng)化黏土層發(fā)育的地區(qū),油氣在風(fēng)化黏土層的遮擋下沿著半風(fēng)化層向高處運(yùn)移,表現(xiàn)出油氣在Ed/Es不整合之下的沙河街組一段連片發(fā)育,例如南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)中部地區(qū);而在風(fēng)化黏土層缺失的地區(qū),在無上覆蓋層的遮擋條件下,油氣直接通過不整合結(jié)構(gòu)向上運(yùn)移,從而分布在東營組三段中,這就是東營組三段油氣平面上分布不連續(xù)和零散分布的原因。

      4 結(jié) 語

      (1)由于風(fēng)化剝蝕程度的不同,南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)可以劃分為不整合面之上的巖石、風(fēng)化黏土層及半風(fēng)化層3層,其中不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層較發(fā)育,風(fēng)化黏土層欠發(fā)育。

      (2)風(fēng)化黏土層受風(fēng)化剝蝕程度較高,黏土礦物含量高,巖石中穩(wěn)定成分相對較高,孔隙度和滲透率低,物性最差;半風(fēng)化層受淋濾作用改造,孔隙度和滲透率較高,物性最好;不整合面之上的巖石由于未受改造,與上覆巖層特征相似。

      (3)不整合面之上的巖石和半風(fēng)化層在順物源方向較發(fā)育,在垂直物源方向欠發(fā)育;風(fēng)化黏土層主要發(fā)育在垂直物源方向的零散帶上,在順物源方向除了中部地區(qū)較發(fā)育,南部和北部地區(qū)都欠發(fā)育。南堡凹陷3號構(gòu)造區(qū)Ed/Es不整合結(jié)構(gòu)在順物源方向主要發(fā)育不整合兩層結(jié)構(gòu),在垂直物源方向則發(fā)育三層結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)化黏土層的物性較差,半風(fēng)化層物性較好,故在發(fā)育完整三層結(jié)構(gòu)的區(qū)域,不整合結(jié)構(gòu)通常作為封蓋層,而在缺失風(fēng)化黏土層的區(qū)域,不整合結(jié)構(gòu)則作為輸導(dǎo)層。

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