地球物理相在东营凹陷始新统红层沉积相研究中的应用

李继岩, 贾光华, 王晓蕾, 刘会来

(1.胜利油田分公司地质科学研究院, 山东 东营 257000; 2.胜利油田博士后流动工作站, 山东 东营 257000;3.胜利油田东辛采油厂, 山东 东营 257061; 4.胜利油田石油开发中心, 山东 东营 257000)

0 引 言

地球物理相是用资料丰富的测井或地震的组合响应特征反映地质体的信息,从而达到识别沉积相的目的,包括测井相和地震相。测井相最早是法国地质学家O Serra[1]提出,其目的在于利用测井资料评价或解释沉积相,即根据不同沉积环境中形成的砂体粒度、分选性及泥质含量,利用自然电位、自然伽马等测井曲线组合的变化特征[2],包括曲线的幅度、形态、组合形式、齿中线、包络线等确定沉积相的时空分布规律。地震相是由特定地震反射参数所限定的三维空间中的地震反射单元,它能够代表特殊地质体的地震响应,如扇体、火成岩、盐岩拱升等[3]。地球物理相早已应用于河流相、三角洲相、火山岩岩相等沉积相类型的划分中,且衍生了基于BP神经网络测井相、分形测井相等方法[4-9]。但未见报道地球物理相应用于红层沉积相的研究成果。

渤海湾盆地中始新统红层是研究程度相对较低的层系之一,它是指地层颜色以棕红色、紫红色等偏红色色调为主、地层中缺乏古生物的陆相碎屑沉积,俗称“哑地层”。国外学者对红层的研究主要针对红层的分布特征、形成条件、地层划分等基础研究[10]。中国的研究成果主要集中于渤海湾含油气盆地始新统红层,重点对红层地层划分对比方法、沉积相类型、储层成岩作用等进行了不同程度的研究。关于红层沉积相类型的研究成果相对较少,相关认识存在分歧,赵澄林[11]、杨剑萍[12]、袁静[13]等对渤海湾盆地多个凹陷红层沉积相进行过研究,将其分为冲积扇、洪水-漫湖2种类型;潘树新等[14]提出干旱气候控制下的洪水-河漫湖中形成大套红层,这里的洪水-河漫湖概念与洪水-漫湖的意义基本相似,但强调了河流的改造作用;操应长等[15]在研究东营凹陷始新统红层时,将红层沉积相划分为冲积扇、冲积平原、漫湖三角洲、漫湖滩坝4种类型。由于实际钻井取心资料少,对沉积相平面展布规律缺乏系统研究,导致对砂体分布规律认识有限,从而大大制约了该区红层油藏的勘探。

借鉴前人的成果,本文通过对东营凹陷钻遇红层的20余口探井进行精细岩心观察与描述,确定了红层沉积相类型。在此基础上,为研究东营凹陷红层沉积相平面展布规律,首次尝试建立测井相、地震相与红层沉积相之间的对应关系,最终达到利用丰富的地球物理资料对沉积相带平面和剖面展布规律研究的目的。

1 地质概况

东营凹陷是位于济阳坳陷东南部的中、新生代断陷复合盆地,走向NEE,四周由凸起所环绕(见图1)。其新生代受喜山运动控制,经历了3个断陷期,即孔店组-沙四段的初始断陷期、沙三段-沙二下亚段的断陷深陷期、沙二上亚段-东营组的断陷萎缩期。其中初始断陷期发育了孔二段、孔一段、沙四下亚段、沙四上亚段。孔一段-沙四下亚段发育紫红色或灰色泥岩以及灰色或棕红色砂岩,俗称始新统红层,将研究对象确定为孔一段(见图1)。

2 沉积相类型分析

在前人研究成果的基础上[11],综合钻井岩心、录井岩屑等地质资料,利用岩心观察、镜下薄片鉴定、粒度测试等技术手段,深入剖析了红层岩性特征、粒度分布特征、沉积构造特征,确定了红层沉积相类型,主要发育冲积扇和洪水-漫湖相,前者分为扇根、扇中、扇缘3种亚相,后者分为漫湖坪、漫湖席状砂、漫湖滩坝、漫湖三角洲4种亚相,并进一步总结了红层沉积相特征的典型标志。

2.1 冲积扇相的沉积学特征

图1 东营凹陷构造位置图及地层柱状图

图2 冲积扇相带沉积特征典型标志

(1) 岩性特征。通过对研究区近300余口探井的钻井岩屑资料进行统计表明,冲积扇岩石类型主要以棕红色砂砾岩、含砾砂岩、灰色或紫红色泥岩不等厚互层为主。扇体不同部位岩性有所差别,从扇根到扇缘,岩性逐渐变细,依次为砾岩、砂砾岩、含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩、粉砂岩等。全岩矿物镜下薄片鉴定结果表明,沉积物组分中石英、长石含量低,石英含量平均约为42%,长石含量平均约为38%,岩屑含量普遍偏高,大约18.5%,岩石分选磨圆差,表明岩石成分和结构成熟度均较低。

(2) 粒度分布特征。粒度概率曲线存在3种典型类型:第1种为一段宽缓上拱式,粒度区间大,分选差,滚动、悬浮、跳跃组分混杂,是典型的冲积扇扇根亚相重力流沉积粒度概率曲线[见图2(a)];第2种为低斜—跳加—悬式,主要由下段跳跃次总体和上段悬浮次总体2部分组成,跳跃次总体斜率较低(40°～50°),表明沉积物分选差,粒度粗,反映较强水动力无簸选沉积特征,为冲积扇扇中亚相的典型粒度概率曲线[见图2(b)];第3种为低斜滚动跳跃加悬浮式粒度概率,滚动组分斜率大,跳跃组分含量一般为70%～80%,悬浮含量一般10%～20%左右,分选差,反映水体能量强,指示重力流向牵引流过度的特征,一般为冲积扇扇缘亚相的粒度概率曲线[见图2(c)]。

(3) 沉积构造特征。冲积扇沉积属于间歇性水流成因,发育过程中沉积作用复杂。其扇根和扇中亚相粗碎屑沉积物中主要发育代表快速沉积的块状层理,偶见河道中的正粒序、冲刷—充填构造;由于水动力逐渐减弱,扇缘亚相细粒沉积物中发育平行层理、交错层理以及变形构造(见图2)。

图3 洪水-漫湖相带沉积特征典型标志

2.2 洪水-漫湖相的沉积学特征

2.2.1 岩石学特征

(1) 浅色的岩石类型。岩石主要以棕红色粉砂岩和紫红色泥岩不等厚互层,夹少量粗碎屑岩以及灰绿色泥岩,其中粗碎屑岩是重力流控制下的洪水水道型沉积,细粒沉积物略显正韵律,是漫湖环境的沉积产物。

(2) 较高成分成熟度和低结构成熟度。成分成熟度主要反映陆源碎屑岩搬运与改造的历史,随着搬运距离的增加,石英的含量增加,岩屑含量减少。通过统计东营凹陷25口井120块岩石薄片鉴定结果,认为东营凹陷始新统洪水-漫湖相中的石英(约52%)、长石含量相对较高(约35%),岩屑含量降低,成分成熟度相对较高。但岩石均为次棱角状磨圆,分选系数低,约1.5～2.0,分选中等—差,反映结构成熟度较低。

2.2.2 多种类型的粒度概率曲线

洪水-漫湖相砂体粒度概率曲线特征可以归纳出4种类型:第1种为高斜两段式曲线,由跳跃及悬浮次总体组成,整体以细粒沉积物为主,其粒度变化区间小,φ值一般为2～8,跳跃次总体含量占绝对优势,一般为60%～80%,悬浮组分含量为20%～40%,该类曲线代表以牵引流为主的水动力环境,常出现在洪水-漫湖的漫湖坪亚相中[见图3(a)];第2种为两跳加一悬式粒度概率曲线,沉积物以细粒为主,分选中等-好,跳跃次总体占绝对优势,两段跳跃次总体含量达到70%～80%,斜率45°～60°,悬浮次总体含量10%～30%,φ值在1.5～4.0,分选中等,该类曲线代表波浪作用的存在,主要代表漫湖席状砂(见图3(b));第3种为高斜跳跃加悬浮次总体,悬浮次总体占绝对优势,一般为60%～80%,常反映漫湖滩坝沉积[见图3(c)];第4种为多段式,主要反映水动力复杂的沉积环境,在水动力不稳定漫湖三角洲中多见该类型的粒度概率曲线[见图3(d)]。

2.2.3 沉积构造特征

(1) 明显的冲刷-充填构造。洪水-漫湖砂体沉积构造类型多样,红色砂岩层底面的冲刷-充填构造十分发育,反映有重力流沉积的存在,冲刷面深度不均匀,深可达十几厘米,被红色泥砾所充填,在冲刷面之上可出现一些内碎屑沉积层,代表了洪水水道或漫湖三角洲沉积(见图3)。

(2) 层理类型复杂多样。洪水-漫湖中既发育重力流和牵引流兼而有之的层理类型,如冲刷-充填构造、粒序层理;另外,由于漫湖坪频繁间互的沉积特征,泥岩和砂岩单层薄,主要发育小型的与牵引流有关的层理类型,如波状交错层理、小型楔状交错层理、小型槽状交错层理等(见图3)。

(3) 丰富的生物扰动构造和贫乏的植物屑。东营凹陷始新统红层沉积时期,地形较平坦,湖泊水体较浅,一般浅水湖泊有利于生物活动。从岩心观察来看,生物扰动构造比较发育的层主要位于漫湖坪亚相中,主要是在洪水期过后,大量的生物繁殖,形成生物遗迹构造,以生物潜穴为主,有垂直的、倾斜的,距离大小不一的潜穴(见图3)。

图4 东营凹陷始新统红层自然电位曲线测井相特征

(4) 内碎屑较发育。陆源组分具低结构成熟度,但在冲刷沟道中充填的泥质和砂质碎屑的圆度非常好,呈圆状和椭圆状,漂浮在以粉细砂、泥为主的“杂基”中,从磨圆程度上来看,其结构成熟度是高的,但从“杂基”支撑结构来看,成熟度又是低的,类似福克谈到的碳酸盐岩中的“结构”退变。这种“结构”退变现象是洪水-漫湖沉积环境的特殊产物,被称作内碎屑。内碎屑的成因是在枯水期,漫湖坪暴露在大气中,发生龟裂形成泥质和砂质片状砾,这些泥质和砂质片状砾再经洪水流破碎、搬运、磨蚀,再沉积形成内碎屑,这种内碎屑常具氧化圈[8]。阵发性洪水流携带这些圆度较好的内碎屑及陆源碎屑以递变悬浮的方式在冲刷形成的水道中再沉积,形成了这种具“结构退变”现象的沟道沉积。东营凹陷始新统红层的漫湖席状砂亚相中可见很多的泥岩撕裂屑,是一种内碎屑形式(见图3)。

3 测井相特征

通过对钻遇红层多口探井的自然电位曲线和自然伽马曲线进行对比发现,红层发育段2条曲线的变化趋势几乎相似,但自然伽马测井曲线的锯齿化现象更为突出,导致该曲线纵向变化规律不如自然电位曲线明显,另外部分钻遇红层的探井未进行自然伽马测井,因此考虑变化规律的明显程度与资料多少,该研究选用传统的自然电位曲线对测井相进行研究。自然电位的幅度、形态、组合形式、齿中线、包络线等特征能反映流体、地层泥质含量等沉积相信息。首先通过分析研究区近300余口探井自然电位曲线组合形态、幅度大小、齿中线等基本特征,认为东营凹陷始新统红层测井曲线整体具有较薄单层的微齿化和齿化特征,其次利用自然电位测井曲线特征表征地层变化,与岩心资料进行对比,总结了不同沉积类型的测井响应,最终建立了东营凹陷始新统红层5大类、8小类测井曲线组合模式(见图4)。

3.1 漏斗形

(1) 微齿化漏斗形。对应岩性为砾岩、含砾砂岩、含砾泥质砂岩及泥岩,棱角状砾石杂乱堆积,呈现块状层理,粒度概率曲线一般呈一段弧形上拱式。曲线顶部突变,代表物源供应突然中断,这表明冲积扇受到季节性气候影响,物源可发生突然中断。底部也为突变式,代表了冲积扇扇根主河道中的冲刷面。幅度表现为中-高幅,说明岩石颗粒较粗,渗透率较好。岩石单层厚度薄,表现为微齿化特征,说明物源丰富,但沉积能量有变化改造不彻底,齿中线平行或内收敛,反映能量周期性变化。整体上,包络线呈“凹”形,曲率中心位于负方向一侧,代表了匀减速式的进积式沉积。因此,该类型曲线组合代表冲积扇扇根砂体前积式沉积特点。

(2) 齿化漏斗形。对应岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩及泥岩,颗粒分选磨圆度均较高,岩心观察中一般发育小型交错层理、平行层理,粒度概率曲线为高斜—跳夹—悬式。单齿呈对称齿形,顶底均呈现线性渐变特征,顶部均匀线性渐变代表均匀能量减退过程,如波浪改造能量过程;底部均匀线性渐变代表沉积物期次性供给特征,如以牵引流为主的漫堤、漫滩等沉积特点。该曲线幅度中-低,说明沉积物粒度细、渗透性低;单层齿化现象明显,说明沉积物具有物源供给充足、水流能量节奏性变化、韵律性沉积的特征;齿中线平行、包络线是一条倾斜直线,反映能量周期性变化特征。整体来看,该类曲线反映砂体向顶部沉积时水流能量加强,颗粒变粗,分选性变好,说明砂体顶部受破浪作用改造,代表漫湖滩坝沉积。

3.2 微齿化钟形

对应的岩性主要有砾岩、含砾砂岩、中粗砂岩,岩石颗粒分选磨圆均较差,岩石中发育块状层理、冲刷-充填构造,偶见粒序层理。单齿呈对称齿形,顶底均表现为突变特征,顶部突变表明物源具有突然终止现象,底部突变代表了河道冲刷充填现象,以重力流为主的一种沉积特征。该类曲线幅度表现为中-高,说明颗粒粗、渗透性较好的特征,单层齿化现象不明显,具微齿化特征,表明物源供给较充足,但改造不彻底。齿中线平行,反映能量周期性变化,包络线是一条“凸”形曲线,曲率中心在自然电位正方向一侧,代表了匀减速式的退积沉积。这类曲线反映水流能量向上逐渐降低或物源供给量减少,常代表河道的侧向迁移或逐渐废弃、水流能量逐渐停止等沉积环境,主要发育在冲积扇扇中。

3.3 箱形

该类曲线又根据齿中线的形态,分为2种类型:齿中线水平和齿中线下倾平行型。

(1) 齿中线水平平行微齿化箱形。该类曲线与微齿化钟形代表了的其它特征类似,唯一的区别在于其曲线整体呈箱型,反映沉积过程中能量均匀,物源供给比较充足的一种现象。曲线齿化说明水流能量略有变化,掺入部分泥质,可代表水流能量较强的冲积扇扇中,也可代表重力流和牵引流共同控制下的漫湖三角洲沉积。

(2) 齿中线上倾平行微齿化箱形。对应的岩性为灰色的细砂岩、粉砂岩及红色泥岩,岩石颗粒分选磨圆中等,岩石中生物扰动构造和生物钻孔非常发育,粒度概率曲线往往为高斜—跳夹—悬式。单齿曲线底部匀速渐变,代表了沉积物期次性供给的特征,如漫滩、漫堤的沉积特点,曲线顶部突变,表明物源供给和沉积能量突然变化。该类曲线自然电位幅度中等,表明颗粒中等粗细、渗透性中等,单层齿化现象不明显,具微齿化特征,表明物源供给较充足,但改造不彻底。齿中线表现为上倾平行,是一组反向细齿的组合,表明每个薄砂层均为下细上粗的反粒序特征,表明砂体向顶部沉积时水流能量加强,沉积物颗粒变粗,分选变好,反映沉积物经受过后期破浪作用的改造。该类曲线代表了洪水-漫湖的漫湖坪亚相,它主要为洪水主退期后,湖平面逐渐下降,先期的水道沉积物或次级洪水期携带物在湖浪反复作用下沉积的棕红色粉细砂岩。

3.4 微齿化漏斗形箱形组合型

对应的岩性为灰色的中粗砂岩、砂砾岩以及红色泥岩,岩石颗粒分选磨圆差,厚度较大,常呈块状,单层厚度大,岩石中发育冲刷-充填构造、各种交错层理以及粒序层理较发育,粒度概率曲线大多为多段式。该类曲线具有下部为微齿化漏斗形、上部为微齿化箱形的典型特征,表明物源供应非常充足,但水流能量由弱变强,逐渐稳定。该类曲线自然电位幅度中-高,说明岩石渗透性较好,可能为重力流和牵引流2种流体类型控制下形成岩石类型。因此,它为漫湖三角洲的典型曲线特征。

3.5 指状形

(1) 互层指状形。这种曲线对应薄层间互的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩等细粒沉积物,岩石颗粒分选磨圆中等,岩石中生物扰动构造、各种小型交错层理非常发育,粒度概率曲线往往为高斜—跳夹—悬式。该类曲线主要为对衬齿形,中-高幅,齿中线近水平,包络线可为水进、水退、加积式,反映水流能量时常变化,代表了漫湖坪亚相中间歇性出露地表的部分,洪水期,水流能量加强,枯水期,水流能量逐渐减弱。

(2) 含指状低平形。这种曲线代表了水流能量和物质供应量均较小的情况下,由于水流向四周不断的扩散,对应的岩性主要有细砂岩、粉砂岩等比较细粒沉积物,以泥质沉积为主,岩石中发育各种小型交错层理、平行层理以及内碎屑,粒度概率曲线为高斜两跳夹一悬式、低斜滚动跳跃夹悬浮式。该类曲线主要发育洪水-漫湖中的漫湖席状砂、漫湖坪以及冲积扇扇缘亚相中。

上述5大类、8小类自然电位曲线组合类型是研究区红层中最常见的曲线类型。不同沉积环境中,由于水动力条件的差异及其时空演变,导致上述不同类型曲线组合形态可反映不同沉积环境。

4 地震相标志

通过大量抽取研究区不同测线的三维地震剖面,利用地震反射内部结构和外部形态描述地震相类型,并以地震反射同相轴的振幅和连续性等地震参数进行描述[15-16],且与岩心观察的沉积特征进行对比,总结了不同沉积相类型的地震相特征。结果发现,东营凹陷始新统红层的地震相特征能够反映相类型,但对亚相及微相识别能力有限。冲积扇相带的地震相特征比较明显,而洪水-漫湖相带的地震相特征不明显,红层中主要发育杂乱充填相、透镜状中强振幅中连续相等4种地震相类型(见图5)。

4.1 充填杂乱相和变振幅杂乱前积相

充填杂乱相主要分布在凹陷南坡靠近凸起附近,垂向上各层段分布广泛,地震上表现为充填状外形,杂乱形内部反射构造,中强振幅中低频差连续性杂乱反射结构[见图5(a)];变振幅杂乱前积相主要集中在凹陷南坡金家-柳桥断裂带的西段,振幅不稳定,连续性较差,前积方向指示物源水流的方向[见图5(b)]。2类地震相对应的岩性以分选差砂砾岩、含砾砂岩为主,相同深度段内岩心观察大多为块状层理, 偶见冲刷-充填构造以及平行层理等,粒度概率曲线为一段上拱式、低斜—跳—悬式以及低斜滚动跳跃夹悬浮三段式。主要反映近源的堆积或冲积作用。

4.2 透镜状中强振幅中连续相

透镜状中强振幅中差连续性相主要分布在凹陷南坡靠近突起附近以及凹陷西部的滨南-利津地区,地震上振幅中-强,同相轴连续性中等[见图5(c)]。对应岩性以分选差的砂砾岩、含砾砂岩、中粗砂岩为主,相同深度段内岩心中发育块状层理、交错层理、冲刷充填构造以及交错层理,粒度概率曲线主要为一段式、低斜两段和三段式以及多段式。反映沉积时水动力较强且水体不稳定的冲积扇以及漫湖三角洲沉积区。

4.3 席状亚平行中弱变振幅中低频中差连续相

该类地震相分布在东营凹陷南坡构造中高部位,同相轴基本平行,连续性中等—差,振幅不稳定(见图5(d))。振幅低说明沉积水动力条件较弱,低连续说明水体不稳定,沉积时没有形成稳定的岩性界面。岩性以分选较好的细砂岩、粉砂岩为主,反映远源的冲积作用,可反映洪水-漫湖相沉积。

5 沉积相展布特征

5.1 沉积相序特征

利用测井相特征能够划分单井沉积相,对于没有取心的探井进行剖面沉积相序的划分具有很重要的意义。以东营凹陷始新统红层冲积扇亚相的划分为例,冲积扇的形成和发育受控于沉积物堆积速度和盆地沉降速度,两者速度的差异性,使得冲积扇砂体发生进积、退积和侧向转移,从而沉积层序明显不同。当盆地沉降速度大于沉积物堆积速度时,砂体将不断向沉积物源区退积,形成下粗上细的正旋回沉积层序;反之,形成下细上粗的反旋回沉积层序。东营凹陷始新统红层冲积扇相带中常见退积型的正旋回沉积层序(见图6)。

图5 东营凹陷始新统红层地震相特征

5.2 沉积相平面展布规律

以上研究表明,地球物理相和沉积相之间具有很好的对应关系,研究区红层不同沉积亚相的自然电位曲线组合具有差异性,而地震相能够较好地反映冲积扇沉积相带,对洪水-漫湖相带也有一定的反映。因此,利用实际探井取心资料从“点”上确定了红层沉积相类型,在此基础上,切取了研究区大量的地震剖面进行详细观察,圈定了上述4种地震相的分布范围,从而大致标定了始新统红层沉积相的“线”边界。最终通过近300余口探井的自然电位曲线分析,划分了单井沉积相序,确定了沉积亚相的平面分布范围(见图7)。

东营凹陷孔一段沉积时期,气候以干旱为主、水体浅,在盆地的不同部位发育不同的沉积相类型,以冲积扇、洪水-漫湖沉积为主(见图7)。冲积扇主要分布于靠近鲁西隆起和广饶凸起的南部地区,分为扇根、扇中、扇端亚相。冲积扇前方逐渐过渡为洪水-漫湖相沉积,分为漫湖坪、漫湖席状砂、漫湖滩坝3个亚相,直至王46井北侧,逐渐过渡为滨湖沉积,到郝科1与胜科1一带,发育浅湖沉积,凹陷陡坡带发育范围较小的半深湖沉积,丰深2井附近发育规模较小的近岸水下扇。另外,研究区西北部发育规模巨大的漫湖三角洲,主要由无棣凸起供给物源;凹陷内部发育规模不等、孤立分布的漫湖滩坝沉积。由此可见,孔一段沉积时期,东营凹陷红层发育冲积扇—洪水-漫湖—盐湖沉积体系。

图6 王73井孔店组冲积扇沉积相

图7 东营凹陷始新统孔一段沉积体系展布

6 结束语

东营凹陷始新统红层发育冲积扇和洪水-漫湖2种相类型,前者分为扇根、扇中、扇缘亚相,后者分为漫湖坪、漫湖席状砂、漫湖滩坝、漫湖三角洲4种亚相。不同沉积亚相的自然电位曲线组合模式具有差异性,始新统红层识别出5大类、8小类测井相。而研究区地震相能够清晰的反映冲积扇特征,洪水-漫湖相的地震相特征不明显,主要发育5种类型的地震相。在以上研究的基础上,利用地震相确定了沉积相的大致范围,在单井沉积相序划分的基础上,运用测井相标定了沉积亚相的分布范围,最终确定了东营凹陷始新统红层沉积相平面展布规律。

在研究钻井取心资料少、勘探程度低的新层系沉积相类型及平面分布规律时,钻井取心资料往往仅能从“点”上反映沉积相类型,极大地限制了沉积相带分布规律研究,而地球物理相往往具有资料非常丰富,覆盖面广等特点,通过建立测井相和地震相与地质相之间的对应关系,从而达到利用地球物理相反映沉积相平面展布规律的目的。所以,测井相和地震相起到了很好的桥梁作用,极大地体现了地球物理手段在地质应用方面的优越性。

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