近年来, 国内外许多专家学者针对研究区沙三段沉积相、储层特征及相关沉积体系进行了深入研究, 取得了较多的认识和成果。冉启佑等^[1]通过开展岩石学特征、岩相种类及岩相组合特征研究, 认为高尚堡油田Es₃²⁺³亚段发育扇三角洲沉积相, 物源主要来自NE向; 游秀玲等^[2]在地层倾角测井资料、岩石学特征及沉积构造分析的基础上, 认为高尚堡油田Es₃²⁺³亚段为扇三角洲环境, 主要发育近岸水下分流河道、前缘河口砂坝及远端席状砂微相, 物源主要来自NE、SW及SE向; 王友净等^[3]通过对岩石学特征、粒度分布、沉积构造和沉积相序等综合分析, 认为高尚堡油田Es₃²⁺³亚段为扇三角洲沉积相, 并发育水下分流河道, 分流间湾、河口砂坝、水下溢岸沉积及席状砂微相。

高尚堡油田位于南堡凹陷的中心。该油田主要的含油层系为古近系沙河街组地层, 其含油面积为26.8 km^2[4], 该油田具有良好的勘探开发前景。沉积特征分析属于早期油藏描述的基础地质研究, 它是精细勘探和开发的前提和基础。虽然许多学者已经采用多数据、多方法、多视角的方式对研究区Es₃²⁺³亚段进行研究, 可是研究成果仍然不能满足当前精细生产的需要。因此, 本文致力于分析Es₃²⁺³亚段的沉积特征, 进一步研究目的层位的地质条件, 这对后期圈定有利区具有重大意义。

1 地质概况

渤海湾盆地东临胶辽隆起, 西以山西台向斜为邻; 南靠东濮凹陷南缘, 北接燕山褶皱带(见图 1)。该盆地具有多旋回性、多层系和多油藏类型的特点^[5-7]。

南堡凹陷是渤海湾盆地北部一个小型的断陷盆地, 位于华北板块东北部、燕山台褶带南缘。南堡凹陷北断南超, 具典型的箕状凹陷构造特征^[8-9](见图 1)。

高尚堡油田位于南堡凹陷北部高柳构造带上, 本次研究工区高北斜坡带属于高尚堡油田的一部分(见图 1), 高尚堡油田西起西南庄凸起, 东到柏各庄断层, 南至高北断层, 是由多级别的断层控制的构造岩性油藏, 油藏埋深2 900~4 600 m^[10]。高尚堡油田发育的地层自上而下为第四系平原组(Q), 新近系明化镇组(Nm)、馆陶组(Ng), 古近系东营组(Ed)和沙河街组(Es)。沙河街组地层自上而下又可分为沙一段、沙二段和沙三段。

其中, 沙三段地层自上而下可分为Es₃¹, Es₃², Es₃³, Es₃⁴, Es₃⁵ 5个亚段^[11-15], 而本次研究的目的层位是Es₃²⁺³亚段。

本次研究共采集了三类样品, 分别为:岩石薄片样品, 取心井岩心样品以及测井数据。其中, 对岩石薄片样品进行各类分析实验达100余样次, 拍摄各类镜下照片200余张, 根据统计归纳相应深度段地层的薄片分析数据, 可大致确定研究区某一小层内岩石的岩性特征以及结构成熟度与成分成熟度; 关于岩心样品的采集, 笔者共观察了6口研究区的取心井岩心, 根据观察岩心上面的岩性构造特征来确定相应深度段地层的沉积环境与微相特征; 同时, 共采集了50余口井的测井数据, 然后对其处理, 即, 分析相应深度段内岩石的测井曲线形态, 来确定该深度段地层的微相发育特征。

2 物源分析

物源分析是盆地研究最重要的一个方面, 它对沉积环境和沉积体系的分析具有极其重大的意义^[16-17]。对于古物源与古水流方向的判定, 目前已存在多种分析方法, 比如岩石成分分析、结构成熟度及成分成熟度分析、地层倾角分析、古地磁分析、重矿物分析等^[18]。

在本次研究中, 笔者利用成分成熟度、重矿物分布物源分析方法以及地震相分析来确定Es₃²⁺³亚段地层沉积时的古水流方向。

2.1 成分成熟度

碎屑岩成分成熟度是指碎屑沉积成分在其长期风化、搬运、沉积作用的改造下接近最稳定的终极产物的程度^[17]。在本次研究中, 笔者采用公式I_c=Q/(F+R) (I_c为成分成熟度; Q、F、R分别为石英、长石和岩屑的含量)计算目的层位砂岩样品的成分成熟度, 绘制出成分成熟度等值线图(见图 2)。T30×1井位于研究区西北部, 该井目的层位的岩石I_c值< 0.2, 同样地, 位于研究区东北方向的一些井的I_c值也偏小, 例如G22井的I_c < 0.2;但是, 位于研究区中部区域的G23井岩石I_c值介于0.3~0.4之间, 而位于研究区南部区域的一些井的岩石成分成熟度值则较高, 例如G2井的I_c值介于0.4~0.5, 位于研究区最南端的G65-6井的I_c值则>0.5;这一定程度上说明了研究区东北向及西北向的Es₃²⁺³亚段砂岩的成分成熟度比研究区南部的低。即, 研究区在Es₃²⁺³沉积期, 物源方向来自东北及西北方向。

2.2 重矿物分布特征

重矿物是物源区的重要标志, 由于其耐腐蚀、稳定性强, 能够较好地保留母岩特征^[19]。在这种方法中, 经常会用到ZTR指数, 该指数计算公式为:[(锆石+电气石+金红石)/透明重矿物]×100%。如图 2, 研究区西北向的T30×1井以及研究区东北向的G87井它们的ZTR指数均 < 10;位于研究区中部的G82井、G26井, 它们的ZTR指数值则介于10~20之间; 而研究区南部的G11井、G83-10井的ZTR指数值则介于20~30之间, 特别是位于研究区西南部的一些井的ZTR指数可>40。这反映出研究区西北和东北向Es₃²⁺³亚段岩石的ZTR指数小于研究区南部Es₃²⁺³亚段岩石的ZTR指数。即, 研究区西北和东北向Es₃²⁺³亚段岩石的成熟度低于研究区南部Es₃²⁺³亚段岩石的成熟度。可知, 研究区主要受柏各庄凸起物源的控制, 西南庄凸起提供部分物源, 因离北部的柏各庄凸起、北西向的西南庄凸起比较近, 物源供给充足。

2.3 地震相

在地震沉积反射特征中, 前积层是扇三角洲的重要组成部分, 它指示水流前进的方向, 可以作为物源分析的重要依据。选取垂直柏各庄凸起和西南庄凸起方向的3条地震剖面, 可见明显的前积层(见图 3)。根据前积层指向可以看出, 在Es32+3沉积时期古水流主要由西北及东北向流向西南向。为了进一步验证该水流方向, 本次研究另选取A、B、C 3条切古水流方向的3条剖面, 可见地震反射特征上透镜体的存在。故, 可判断沉积凹陷内的沉积物主要从柏各庄凸起和西南庄凸起这两个方向向盆地推进, 即, Es32+3沉积期, 研究区物源主要来自东北和西北这两个方向(见图 4)。

3 沉积特征 3.1 岩石类型及结构

研究区岩性特征表明:高北斜坡带Es₃²⁺³亚段以泥岩沉积为主, 含量超过70%, 细砂岩、粉砂岩、砾岩及中砂岩等含量少。砂岩类型主要以细砂岩为主, 含量为41%, 其次为粉砂岩、砾岩, 粉砂岩含量为30%, 砾岩含量为26%(见图 5)。目的层位砂岩的结构成熟度中等:风化中等, 呈次尖及次尖-次圆状, 分选性中等, 胶结类型以接触、接触-孔隙、孔隙式胶结为主, 显示近源搬运的特点。

3.2 岩石组分分析

对高北斜坡带Es₃²⁺³亚段岩心样品岩石薄片的分析统计得出, 研究区内目的层位砂岩主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩(见图 6)。石英平均含量28%, 长石含量平均35.5%, 岩屑含量平均36.5%。石英在碎屑成分中含量较低, 长石及岩屑含量最高, 成分成熟度较低(见表 1), 反映研究区近物源、短距离搬运的特点。

4 微相分析

通过沉积环境、岩石学特征等相标志的分析, 认为高北斜坡带Es₃²⁺³亚段主要发育一套扇三角洲沉积体系, 扇三角洲前缘和扇中沉积为主, 不同沉积环境水动力条件存在明显差异, 各微相砂体的沉积层序特征也有着明显的差别。据此, 在高北斜坡带Es₃²⁺³亚段主要识别出辫状河道、扇中前缘、沙坝、河道间和沙席等沉积微相。

(1) 辫状河道

高北斜坡带Es₃²⁺³亚段辫状河道主要由砾岩、砂砾岩和砂岩组成, 显示向上变细的正旋回沉积, 碎屑粒度粗, 分选一般很差, 颗粒大小混杂, 单层厚度大。常见块状层理、平行层理、低角度到高角度的交错层理、递变层理及槽状交错层理(见图 9)。测井曲线主要为平滑箱型或钟型、齿化箱型或钟型、钟型-箱型组合型。可识别出5种比较典型的辫状河道沉积层序(见图 7)。

① 粒度递变层理—大型交错层理型

辫状河道以底部具粒度递变层理细砾岩为特征, 向上过渡为具有交错层理特点的砂质沉积, 这种正韵律沉积为河道沉积典型特征。

② 反韵律—正韵律型(R2-R3-S1)

这一辫状河道类似于砾质高密度浊流沉积所形成的沉积层序, 在这种砾质粗碎屑中床体很难发育和保存, 因此, 这类沉积层序多由一个底部反递变和上覆的正递变沉积单元组合而成。

③ 多河道叠覆冲刷型

此类型辫状河道为复合、多期次叠加型河道, 前一期次河道沉积受到后期沉积时较强水流改造作用, 单一期次底部多含有泥砾等典型冲刷面特征。

④ 大型交错层理—粒度递变层理型

交错层理是最常见的一种层理类型。研究区岩心观察发现低角度交错层理较常见, 槽状交错层理多出现在河道沉积的下部, 向上过渡为递变层理。

⑤ 河道充填—多河道沙坝叠置型

该型河道沉积层序表现为河道充填和多河道沙坝叠置, 河道充填底部可见大型交错层理, 河道沙坝表现为正粒序。

(2) 前缘沙坝

前缘沙坝位于扇三角洲辫状河道的河口前方。具备向上变粗的反韵律序列或者先向上变粗再变细的复合韵律层序, 上部与泥岩层突变接触, 向盆地方向岩性变细, 垂向上为向上变粗的反韵律, 分选较好, 测井曲线主要为平滑漏斗形、齿化漏斗形及小型漏斗形或舌形。通过详细的岩心观察研究区识别出2种较典型的前缘沙坝沉积层序:①反粒序递变层理型(见图 8); ②沙纹层理—交错层理型(见图 8)。

(3) 扇中前缘

扇中前缘位于扇中辫状水道向盆地延伸的部位, 沉积物粒度较细, 岩性以细砂岩为主。沉积序列底部的冲刷特征弱发育, 然而交错层理却很发育, 沉积厚度比辫状水道小。其测井曲线为中幅的钟形或箱形, 一定程度上反映出河道冲刷作用的减弱。

(4) 沙席

沙席微相位于扇三角洲前缘的前端, 其砂岩分选较好, 岩性主要为粉、细砂岩, 具不明显的粒度韵律性。主要发育低角度交错层理、沙纹层理和平行层理, 生物成因的沉积构造不发育。其测井曲线主要呈现中幅或高幅指形。

5 砂体展布及沉积微相分布

在岩心描述及相分析的基础上, 以砂体数据为基础, 结合本区的沉积背景、物源方向及各种相标志的研究成果, 刻画了Es₃²⁺³亚段各油组的砂体及沉积微相平面展布特征。研究区主要以扇三角洲前缘和扇中亚相沉积为主, 图 8为部分主力油组砂体和沉积微相平面分布图。

4油组沉积时期, 研究区大部分砂体厚度10~20 m, 加密区局部达30 m, 辫状河道规模小, 以扇中前缘、沙坝和沙席沉积为主。3油组沉积时期, 扇体规模扩大, 以辫状河道沉积为主, 在辫状河道的控制下, 砂体沉积持续变厚, 大于30 m, 加密区砂体厚度达40~50 m, 局部更高, 为有利储集层提供了基础。2油组沉积时期受沉积体系域控制扇体规模有所减小, 辫状河道控制砂体展布, 密集井网区以扇中前缘沉积为主, 砂体厚度30~40 m。

6 结论

(1) 综合分析研究区砂岩的成分成熟度指数、重矿物分布特征, 可知研究区主要为以弱还原环境为主的浅湖-半深湖环境, 在Es₃²⁺³沉积时期, 明确了研究区的沉积物源主要来自于东北部的柏各庄凸起和西南部的西南庄凸起。

(2) 研究区在目的层位主要发育粗碎屑沉积, 结构成熟度及成分成熟度均较差, 稳定组分石英含量较少, 不稳定成分含量较高, 反映沉积物近物源, 经历短距离搬运的特点。

(3) 根据各微相砂体的沉积层序特征, 识别出高北斜坡带Es₃²⁺³亚段主要发育一套扇三角洲沉积体系, 并以辫状河道、扇中前缘、沙坝、河道间和沙席等沉积微相为主, 并明确了主力油组砂体及微相的平面展布特征, 这对后期圈定有利区具有重要意义。