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南堡凹陷南部沙一段控砂模式
杜庆祥1, 郭少斌1, 曹中宏2, 张晓龙2, 李媛姝2    
1. 中国地质大学(北京)能源学院, 北京 100083;
2. 中国石油冀东油田公司勘探开发研究院, 河北唐山 063004
摘要: 南堡凹陷盆地内部构造特征复杂,砂体时空分布差异较大。为了明确砂体分布规律,首先对南部缓坡带构造-沉积背景进行研究和岩心相观察,识别了沙一段辫状河三角洲前缘砂体;进而通过对南部缓坡带层序地层格架的建立、沉积学研究和地震地质解释,发现沙一段砂体同时受到顺源和逆源两种同沉积断裂坡折带类型控制。其中,顺源坡折带控制了断槽物源通道的走向,逆源坡折带改变了水流的流向,阻止了砂体的运移。据此,建立了南堡凹陷南部缓坡带沙一段同沉积断裂的控砂模式,得出沙一段砂体具有"沙垒田凸起供砂,断槽物源通道输砂,逆源坡折带阻砂和同沉积洼槽带聚砂"的发育特点。
关键词: 南堡凹陷     缓坡带     沙一段     断槽     逆源坡折带     控砂模式    
Sandbody Development Model of the First Member of Shahejie Formation in Paleogene in Southern Nanpu Sag
Du Qingxiang1, Guo Shaobin1 , Cao Zhonghong2, Zhang Xiaolong2, Li Yuanshu2    
1. School of Energy and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Jidong, Oilfield Company, Tangshan 063004, Hebei, China
Supported by the National Major Program of Oil and Gas(2011ZX05006-006)
Abstract: The structural characteristic of Nanpu sag basin is complex, and the sandbody distribution varies in time and space. In order to determine the sandbody distribution pattern, the analysis of core facies with structural and sedimentary background in gentle slope zone was conducted to identify and interpret the braided delta front sandstone. According to the establishment of the sequence stratigraphy framework, sedimentology, and seismic geological interpretation, the distrution of sandbodies in Nanpu sag was controlled by two kinds of synsedimentary fault slope-break belts, including the source direction fault slope-break belts that controlled the sediment transport channel and the sedimentary enrichment space, and the reverse source fault slope-break belts that changed the flow direction and prevented lateral sediment transport. Thus, the sandbody development model of the First Member of Shahejie Formation in Paleogene in the south area of Nanpu sag is concluded and characterized as "Shaleitian salient providing the sands source, the groove and faulted trough transporting sands, the reversed slope-break zone and convex limiting the space, the distributary channel underwater in the braided delta front controlling the spatial distribution, and the slope-break zone determining the gathering of sands".
Key words: Nanpu sag     gentle slope zone     First Member of Shahejie Formation     faulted trough     reversed slope-break zone     sandbody development model    

0 引 言

沉积盆地控砂模式的研究,是沉积学和层序地层学研究的重点和热点,也是制约岩性油气藏勘探的难点。前人围绕砂体分布的控制因素进行了大量研究,主要提出了构造坡折带控砂[1, 2, 3, 4],沟谷和同沉积断裂控砂[5],构造调节带和传递带控砂[6, 7, 8],及断槽物源通道控砂等认识[9]。其中,按照与物源方向的关系,构造坡折带可以划分为顺源坡折带和逆源坡折带[10, 11]两种类型。前人提出的典型构造坡折带控砂模式中,所讨论的同沉积断裂走向或倾向主要为顺物源方向或斜交物源方向,较少涉及倾向和物源方向相反的同沉积断裂,这类断裂往往形成逆源断裂坡折带,其限定甚至改变了水流方向,对砂体形成具有阻挡作用。而在陆相盆地中,逆源断裂坡折带普遍存在,对油气勘探开发具有重要的影响,因此针对同沉积断裂尤其是逆源坡折带的研究具有较高的科研和应用价值。笔者在前人关于南堡凹陷古近系控砂模式研究的基础上[12, 13],以南部缓坡带沙一段3号构造带为例,通过沉积相展布特征的研究,探讨顺源坡折带与逆源坡折带等多因素控砂模式,以期找到断陷湖盆缓坡带的砂体分布规律,为成熟探区勘探思路的拓展提供科学依据。

1 南堡凹陷区域地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷东北部(图 1a),是一个中、新生代与古生代复合型沉积盆地,具有北断南超箕状凹陷的构造特征。北以西南庄断层与老王庄凸起、西南庄凸起相接,东北方向以柏各庄断层与柏各庄凸起、马头营凸起相邻,南以斜坡带或断层带与沙垒田凸起相连(图 1b)。该凹陷总体构造格局呈NNE向,面积约1 932 km2,其内油气资源丰富,并于2004年发现了南堡油田。其主要产油层系位于中浅层(东一段(Ed1)及以上地层明化镇组、馆陶组(Nm+g)),构造圈闭是勘探工作的重点。2011年堡古2井在沙一段4 km垂深发现了高产工业油流,实现了沙一段油气突破,使中深层构造-岩性圈闭成为南堡凹陷重要的勘探方向。

a. 南堡凹陷区域位置;b.研究区井位位置;c.近南北向地层剖面。 图 1 研究区区域位置(据文献[14, 15]修改) Fig.1 Regional position of the research area (modified after refrence [14, 15])

研究区位于南堡凹陷南部缓坡带,斜向伸展断裂发育。凹陷西部表现为单断式箕状断陷结构,东部演变为双断式断陷结构。根据断层的平面组合特征,断层具有显著的右旋活动分量,是典型的扭张性断层[16]。纵向上,按断裂的几何接触关系,断裂系统构造样式可分为3种,包括“Y”形或反“Y”样式、“X”形反转构造样式和“阶梯式”多米诺构造样式。按断裂形成时期,断裂系统纵向上又可划分出早期(Es3构造层)和后期(Es1Q地层)两个断裂系统。砂箱实验显示,南堡凹陷新生代断裂构造形态是在沙河街期近NWSE向伸展变形后叠加东营期-现今近SN向伸展作用体制下形成的[17]

南堡凹陷古近系分为4个裂陷幕[14],结合前人层序划分结果[12, 18],古近系沙河街组一段对应裂陷三幕,为一个二级层序,细分为2个三级层序SQ5和SQ6,分别对应沙一段下亚段(Es1x)和中亚段(Es1z)。由于南部缓坡带较少存在坡折带,层序低位域相对不发育,故把三级层序划分为湖扩展体系域(基准面上升半旋回)和湖退缩体系域(基准面下降半旋回)的二分模式相对较为合理[19]

2 沉积相分析

构造沉积背景和重矿物研究[20, 21]表明,南堡凹陷南部缓坡带物源主要来自沙垒田凸起。物源方向较明确,但是对于南部沙一段的沉积相类型,前人研究存在一定分歧。有学者在南堡凹陷发现了砂质碎屑流沉积[22],有学者认为南堡3号构造带沙一段为扇三角洲[23]或一套水下扇沉积[24],近期的研究认为主要发育辫状河三角洲沉积[21]。沉积相研究上存在的分歧,对精细勘探工作的开展和沙一段控砂模式的研究带来诸多不利因素。为了厘定古近系沙一段沉积相,笔者精细观察了18口井共计220 m的岩心,通过识别岩石的颜色、组分、结构和构造,确定沙一段沉积相类型,为控砂模式的研究奠定基础。

研究区泥岩颜色整体呈现为灰色、浅灰色、灰白色,反映了沉积物主要形成于浅水还原环境。同时,见到了较多的古生物化石,包括聚集的植物茎干和叶片化石(图 2a)、保存完好的双壳类与螺类动物化石(图 2b)及掘穴、漫游和觅食迹等生物遗迹构造(图 2c),显示为滨浅湖沉积体系。

a. 南堡306X1,Es1z,植物茎干化石;b.南堡306X1,Es1z,完整螺化石;c. 南堡3-19,Es1z,生物遗迹;d. 南堡3061X1,Es1z,槽状交错层理,辫状河三角洲前缘水下分流河道;e. 南堡3-81,Es1z,板状交错层理,辫状河三角洲前缘水下分流河道;f. 南堡3-81,Es1z,平行层理,辫状河三角洲前缘水下分流河道;g. 南堡3-81,Es1x,冲刷-充填构造,滞留砾石层呈定向排列,辫状河三角洲前缘水下分流河道;h. 南堡3-26,Es1z,砾岩层和泥岩层波状互层,且砾岩层见明显的正粒序结构,辫状河三角洲前缘水下分流河道;i. 南堡1,Es1x,冲洗交错层理,滨浅湖滩坝。 图 2 南部缓坡带辫状河三角洲典型沉积构造 Fig.2 Typical sedimentary structure of southern gentle slope zone

研究区储集层岩性主体为砂砾岩、不等粒砂岩和中-粗砂岩,以中粗粒结构为主,分选较好,次圆-次棱角状,杂基含量少,颗粒支撑,石英和变质岩岩屑含量较高,总体成熟度中等,与具有低成熟度的水下扇及扇三角洲差别大。沙一段砂砾岩中的槽状交错层理(图 2d)、板状交错层理(图 2e)、平行层理(图 2f)和块状层理,表明砂体形成于较强的牵引流作用,物源供给较充分。同时,沙一段可见十分明显的多期冲刷面构造,其上见大量滞留砾石层(图 2g)。每一期冲刷面上伴有撕裂泥屑和滞留砾岩层,有滚圆或扁平的泥砾及变质岩岩屑等。每一个单层的砾石均表现为定向排列。个别井砾岩层和泥岩层波状互层,且砾岩层见明显的正粒序结构(图 2h),与辫状河三角洲前缘水下分流河道的特征较吻合。另外,岩心观察发现的冲洗交错层理(图 2i)、波状层理和低角度交错层理,指示了较强的湖浪作用,对应滨浅湖滩坝微相。

综上所述,沙一段沉积砂体位于断陷湖盆缓坡带的滨浅湖区带,成分成熟度和结构成熟度中等,牵引流特征明显,主要砂体厚度大,且多期分流河道叠置,二元结构不明显,推测沙一段主要以辫状河三角洲前缘亚相为主,水下分流河道占主导,反映了较强的河流控制作用,且河口砂坝发育较差。

3 坡折带类型

按照同沉积断层倾向或走向与物源方向的关系,可将南堡凹陷南部缓坡带沙一段的坡折带类型划分为逆源坡折带、断裂倾向顺源坡折带和断裂走向顺源坡折带(表 1)。其中,逆源坡折带是指,形成坡折带的同沉积断裂倾向与物源方向相反或以钝角相交,这时在坡折带以上(同沉积断裂下降盘)可容纳空间增大,水流被限制从而改变流向,砂体的搬运受到阻挡或者发生卸载,堆积在坡折带以上(同沉积断裂下降盘)。而断裂倾向顺源坡折带是指,形成坡折带的断裂倾向与物源方向相同或以锐角相交,这时在坡折带以下可容纳空间增大,水流容易越过坡折带,向盆地内部搬运砂体,并可能在坡折带以下发生沉积物卸载。断裂走向顺源坡折带是指,形成坡折带的断裂走向与物源方向相同或以锐角相交,这时可容纳空间受到同沉积断裂控制,靠近断裂的可容纳空间增大,且断裂走向往往引导了水流的前进方向,形成断槽物源通道,使之具有输砂和聚砂的特点。结合南堡凹陷沙河街组沉积相类型、坡折带控砂特点及对沉积相的控制作用见表 1

表 1 南堡凹陷南部主要坡折带类型及特征 Table 1 Classification table of fault slope break belt in southern Nanpu sag
4 顺源坡折带控相和输砂

断裂倾向顺源坡折带类型前人论述较多,理论体系较为完备。走向顺源的同沉积断层形成的顺源坡折带,在研究区较为发育,且分隔了沉积体系,体现了古构造对沉积相类型的控制作用。同沉积断裂上升盘(如南堡3-19)为古水深相对较浅部位,波浪作用较强,较易形成滨浅湖滩坝;而同沉积断裂下降盘(如南堡306X1、堡古2等)位于古水深相对较深部位,且具有较高的可容纳空间,因而砂体很容易顺着断裂下降盘进入盆内,形成辫状河三角洲前缘水下分流河道。

同沉积断裂的走向限定了水下分流河道的延伸方向,构成了断槽物源通道输砂控砂的特征。以南堡3号构造带3号断裂为例,解剖沙一段断槽物源通道(图 3a),发现在平行于同沉积断裂F3的断槽物源通道方向上(图 3b),靠近断裂附近,砂体厚度大,局部可超100 m,层数多,砂地比较高,局部在0.4左右,岩石粒度粗,岩心上可以见到多期河道相互冲刷,并发现了堡古2沙一段油藏。而远离物源通道粒度变细,厚度变薄为30 m以下,层数减少,砂地比降低到不足0.1,岩心相表现为深湖半深湖泥岩。垂直于断槽物源通道方向上(图 3c):断裂上升盘砂体厚度小,砂层少,沉积相为滨浅湖滩坝;而下降盘砂体厚度大,层数多,沉积相为辫状河三角洲水下分流河道。体现了断裂下降盘断槽物源通道输砂聚砂的沉积特征。

a.沙一段井点位置;b.平行于断裂F3连井对比剖面1;c.垂直于断裂F3连井对比剖面2。 图 3 沙一段中亚段底面构造系统与连井对比剖面 Fig.3 Structure system of Es1z bottom surface and comparison profile with wells

来自沙垒田方向的物源,在缓坡带形成大型辫状河三角洲,并携带大量碎屑物质注入到湖泊中,形成南堡3号和3号东构造带东两个分支。南堡3号东分支以南堡3-19井为代表,钻井揭示为滩坝亚相;南堡3号分支以堡古2井为代表,钻井取心分析为前缘水下分流河道砂砾岩相,向北逐渐推进至半深湖深湖区,局部地区发育滑塌浊积体。南堡3号构造带堡古2井沙一段砂体规模大,主要受到走向顺源同沉积断层的控制,沿断槽物源通道向盆地内部延伸距离远。Es1后期(SQ6下降半旋回)隆升,高部位受到侵蚀,从多个角度形成了断槽物源通道输砂和洼陷区聚砂的控砂特征。

5 逆源坡折带限流和阻砂

逆源坡折带具有重要的阻砂作用。南堡凹陷在3号构造带F6断裂形成了逆源坡折带,限定了水流的前进方向,阻止了砂体的横向搬运。结合古地貌分析和强振幅、中低频率地震相,圈定辫状河三角洲前缘的外边界;结合单井箱型或钟形的测井形态和大于0.3的砂地比数值,圈定水下分流河道延伸方向。以层序SQ6下降半旋回为例,该时期主要的沉积相类型包括辫状河三角洲前缘和滨浅湖滩坝(图 4)。其中,F6断裂上升盘多口井砂体厚度小,含砂率低,沉积相类型主要为滨浅湖滩坝,反映了同沉积断裂F6形成的逆源坡折带对物源的阻挡作用。逆源坡折带以上(F6下降盘)存在可容纳空间,水流携带砂体必须首先填满该洼地,才能到达断裂上升盘高部位,继续向盆地内部运移。由于断裂持续活动,很难有砂体在逆源断裂上升盘聚集,形成了F6断裂上升盘多口井贫砂的现状。 F6 在深层起到了遮挡物源的作用,使得大量沉积物沿着F3形成的断槽物源通道,在F3控制的次洼构造带形成大型辫状河三角洲沉积体系。逆源坡折带和顺源坡折带联合控制了南堡凹陷沙一段砂体的分布和聚集。

图 4 沙一段中亚段SQ6下降半旋回沉积相图 Fig.4 Sedimentary facies map in the descending half cycle of Es1z

总体上,南堡凹陷南部缓坡带沙一段的控砂模式表现为“沙垒田凸起供砂,断槽物源通道输砂,逆源坡折带阻砂,洼槽带聚砂”的特点(图 5)。沙一段砂体沿着沙垒田凸起主要断裂的交叉点或断裂调节带分布了一系列的点物源,通过沟谷和同沉积断裂下降盘联合输送砂体到达盆内,受到逆源坡折带的阻挡而改变输送路线,而顺源坡折带更加利于砂体输送进入盆地内部可容纳空间发育区,受到同沉积断裂控制的负地形区是砂体沉积的有利部位。

图 5 南堡凹陷南部缓坡带沙一段中亚段控砂模式 Fig.5 Sandbody development model of Es1z in gentle slope zone,the southern Nanpu sag
6 结 论

南堡凹陷南部缓坡带砂体分布规律受多重因素的制约,各种因素互相影响;物源供给和可容纳空间的比值变化控制了各个时期的砂体富集状况,断槽物源通道控制了沉积相水下分流河道的延伸,而坡折带又控制了砂体的富集空间。具体认识如下:

1)南部缓坡带的主要沉积相类型包括滨浅湖滩坝和辫状河三角洲前缘相,其中前者主要分布在同沉积断裂的上升盘,而后者主要分布在断裂的下降盘。

2)按照同沉积断层倾向或走向与物源方向的关系,可将南堡凹陷南部缓坡带沙一段的坡折带类型划分为逆源坡折带、断裂倾向顺源坡折带和断裂走向顺源坡折带。

3)南部缓坡带沉积相控砂作用主要体现在水下辫状分流河道的顺断槽延伸,拓展了砂体平面展布;断槽物源通道的富砂特征反映了同沉积断裂下降盘为砂体聚集区;近断槽物源通道砂体主要沉积辫状河三角洲水下分流河道。

4)沙一段砂体总体上表现为“沙垒田凸起供砂,断槽物源通道输砂,逆源坡折带阻砂和同沉积洼槽带聚砂”的特点。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201602104
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文章信息

杜庆祥, 郭少斌, 曹中宏, 张晓龙, 李媛姝
Du Qingxiang, Guo Shaobin, Cao Zhonghong, Zhang Xiaolong, Li Yuanshu
南堡凹陷南部沙一段控砂模式
Sandbody Development Model of the First Member of Shahejie Formation in Paleogene in Southern Nanpu Sag
吉林大学学报(地球科学版), 2016, 46(2): 348-357
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2016, 46(2): 348-357.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.201602104

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收稿日期: 2015-08-08

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