南堡凹陷3号构造区古近系东营组/沙河街组不整合结构特征

欧阳黎明，杨少春*，张博明，冯建伟，何妮茜，王喜冬，王 亚

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北 唐山 063004； 3.中石化重庆涪陵页岩气勘探开发有限公司，重庆 408014)

0 引 言

传统意义上，不整合被认为只是一个面。近年来随着研究的深入，对不整合一种新的认识逐渐为大家所接受：不整合不仅是一个二维上的面，更是三维上的体。不整合不仅记录了海平面的变化和沉积的间断，还代表了后期地质作用对沉积物不同程度的改造。正是由于沉积物受到不同程度的改造，不整合在纵向上具有明显的分层结构。张克银等在研究塔北隆起碳酸盐岩顶部不整合时首次提出不整合三层结构，在纵向上将不整合划分为残积层、渗流层和潜流层，并相应地讨论了各层的控矿意义[1]。何登发认为不整合三层结构包括不整合面之上的岩石、风化黏土层和半风化层，不整合在油气成藏过程中扮演着重要角色，主要体现在封堵油气和运移通道两个方面，同时总结出不整合结构的作用主要与不整合结构的特征及其与上、下地层的配置关系有关[2]。此外，也有很多学者对不整合控油作用开展研究。例如，吴孔友等在研究准噶尔盆地时提出，风化黏土层受上覆沉积物压实作用导致岩性致密，可以作为良好的封盖层，半风化层受风化淋滤改造，可作储层[3]；王艳忠等认为不整合面之上的岩石和半风化层为高孔隙度和渗透率的岩石，岩石裂隙、溶蚀孔洞发育，既可以作为油气运移通道，又可成为油气聚集的有效储层[4]。综合前人的研究成果，不整合的控油作用主要体现在改善下部储层、作为油气运移通道和提供圈闭3个方面[5-12]。

南堡凹陷属于走滑伸展型断陷，构造演化具有幕式裂陷特征，南堡凹陷3号构造区在此构造背景下经历了多期裂陷演化，形成多个区域性不整合[13-16]。其中，古近系东营组/沙河街组(Ed/Es)不整合对应于裂陷四幕[17-18]，由沙河街组沉积晚期地层遭受剥蚀后东营组沉积其上形成。国内外学者对研究区的不整合及其相关油气藏进行了大量研究[14,16,19]，揭示了Ed/Es不整合之下沙河街组一段油气分布范围广，之上东营组三段油气分布相对局限的特点，但研究多集中在这种现象与断层发育的联系[19-20]，少有对与之相关不整合的研究。因此，本文在前人研究的基础上，利用岩芯观察、矿物分析、测井与地震识别等手段，对南堡凹陷3号构造区Ed/Es不整合进行分析和总结，为揭示Ed/Es不整合结构特征及其与油气差异性分布之间的关系奠定基础，以满足后续勘探开发的需要。

1 区域地质概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷的东北部，是黄骅坳陷的次级构造单元，属断陷型富油气凹陷。3号构造区位于南堡凹陷东南部，北部与曹妃甸次凹相邻，南部紧邻沙垒田凸起，整体呈EW向展布，构造面积比较大，物源来自于沙垒田凸起，持续时间长及变化类型多的构造演化使其具备多套生储盖组合，是油气聚集的有利场所(图1)。

图件引自中国石油冀东油田分公司内部资料，有所修改图1 南堡凹陷3号构造区地质简图Fig.1 Geological Sketch Map of No.3 Tectonic Region of Nanpu Sag

南堡凹陷3号构造区内地层发育较全，自下而上依次发育古近系沙河街组和东营组、新近系馆陶组和明化镇组、第四系平原组，本文研究对象Ed/Es不整合上、下分别为古近系东营组和沙河街组地层。沙河街组和东营组为南堡凹陷3号构造区的主力产油层，主要发育滨湖相、三角洲相砂岩以及砂砾岩储层，物性较好。沙河街组自下而上依次可划分三段(Es3)、二段(Es2)、一段(Es1)，东营组也细分为三段(Ed3)、二段(Ed2)、一段(Ed1)。研究区构造方面具有多幕断陷演化的特点，存在多个层位不同程度的风化剥蚀，发育构造、岩性、构造-岩性等多种油气藏类型，油源主要来自于东营组三段下部地层，生储盖配置较好[14,21-22]。

2 不整合结构划分

Ed/Es不整合在南堡凹陷3号构造区发育广泛。地震同相轴的上、下接触关系表明Ed/Es不整合以削截不整合为主，主要分布在斜坡区和中部地区，位于潜山的顶部，是在构造挤压背景下早期沉积的地层发生抬升、掀斜，风化作用使翘起的地层遭受剥蚀，后期再次接受沉积而形成的[13，18]。在此过程中，地层受到的风化剥蚀具有一定程度的差异性，因此，会在纵向上表现出不同特征。研究区不整合埋深较大，取芯井较少，取到不整合深度段的井更少，因此，通过分析少量岩芯，并主要利用录井、测井以及矿物成分分析资料，综合岩性特征、测井曲线的突变特征(图2)以及黏土矿物在纵向上的分段特征[23-25]，将Ed/Es不整合结构划分为不整合面之上的岩石、风化黏土层、半风化层3层(图3)。

图2 不整合面附近测井曲线的纵向突变特征Fig.2 Vertical Mutation Characteristics of Well Logging Curves near Unconformity

图3 不整合结构划分Fig.3 Division of Unconformity Structure

对南堡凹陷3号构造区多口井进行不整合结构的划分，发现各井的发育情况不尽相同。风化黏土层只在部分井上发育，不整合面之上的岩石与半风化层则发育较为广泛，呈现出一部分井发育完整的三层结构(不整合面之上的岩石、风化黏土层、半风化层)，另外一部分井则发育两层结构(不整合面之上的岩石、半风化层)(表1)。

3 不整合结构特征

地层遭受风化剥蚀程度的不同会导致各结构层在微观特征和宏观分布上都表现出不同特征。

3.1 基本特征

3.1.1 不整合面之上的岩石

不整合面之上的岩石是指紧邻不整合面之上，位于上覆岩层底部的那套岩石。Ed/Es不整合面之上的岩石类型主要有泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩和粉砂岩，个别井上发育薄层玄武岩，厚度为1～40 m不等，泥岩厚度最大。该结构层是沉积间断之后再次沉积的地层，风化剥蚀程度低，因此，黏土矿物含量(体积分数，下同)较低，具体表现为高岭石含量相对较高，伊利石含量相对于上覆岩石有上升趋势，但总的黏土矿物含量依然较低(图4)。测井响应特征主要表现为自然电位呈现低幅度异常，声波时差较低(图5)。

南堡凹陷3号构造区不整合面之上的岩石类型主要为泥岩，厚度较大，因此，孔隙度和渗透率相对较低，整体物性较差。在横向发育连续的情况下，该层多作为封盖层，对下面的油气起到封堵作用。少数砂岩相对发育的地区可作为油气的输导层。

表1 不同井的不整合结构划分Tab.1 Divisions of Unconformity Structure in Different Wells

3.1.2 风化黏土层

风化黏土层也称古土壤，位于风化壳最上部，是在物理风化的基础上经生物化学风化作用改造形成的细粒残积物，后经上覆沉积物的压实作用而形成的[26]。风化黏土层区别其他结构层的岩性特征为泥质粉砂岩的累积厚度明显变高，占总厚度的比例超过20%，但整体岩性以泥岩为主，也发育一定厚度的泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩互层的过渡性岩相。

岩石的矿物成分分析结果(表2)表明，风化黏土层遭受一定程度的风化剥蚀，其稳定成分的含量相对较高，主要体现在石英和黏土矿物含量要明显高于不整合面之上的岩石和半风化层，而长石等不稳定矿物含量相对较低(图4)。在风化剥蚀过程中，随着风化程度的加强，K的富集有利于高岭石向伊利石的转化，因此，黏土矿物表现出高岭石含量较低、伊利石含量较高的特点，同时，黏土矿物总含量为Ed/Es不整合三层结构中最高。测井响应特征表现出低密度、高声波时差、高自然伽马(图5)。

表2 岩石矿物成分分析结果Tab.2 Analysis Results of Rock Mineralogical Composition

风化黏土层受上覆沉积物的压实作用导致岩性致密，孔隙度和渗透率相对较低，物性差，可作为良好的封盖层。

图4 不整合结构石英-长石含量变化Fig.4 Content Variation of Quartz-feldspar of Unconformity Structure

3.1.3 半风化层

半风化层位于风化黏土层之下，是风化还不彻底的岩石。岩石类型主要以细砂岩、粉砂岩为主，其发育少量不等粒砂岩，泥岩较少，各井段厚度不同，多在10～50 m之间。

在矿物特征方面，黏土矿物含量在经历了风化黏土层的峰值之后，在半风化层有明显下降的趋势。半风化层总体上呈现出贫高岭石、富伊利石，黏土矿物总含量明显降低的特点(图4)。半风化层的测井响应特征与不整合面之上的岩石差别较大。其中，自然伽马大于不整合面之上的岩石，低于正常泥岩；声波时差较大(图5)。

图5 不整合结构基本特征Fig.5 Basic Characteristics of Unconformity Structure

受风化淋滤作用改造，半风化层的物性整体上高于不整合面之上的岩石和风化黏土层，岩石的孔隙度和渗透率发育，可以作为油气的运移通道或者储层。

3.2 分布特征

3.2.1 剖面发育特征

井剖面上，不整合面上、下岩性的组合关系会影响其在油气运聚过程中的作用。由于南堡凹陷3号构造区不同井岩性发育特征不同，岩性多样，同时也存在发育厚度不均一的现象，故采取以累积厚度占总厚度20%为界，高于20%的岩性可作为该井区不整合结构的代表岩性，低于20%的岩性则统一归为其对应的大类。从各井的岩性组合(表3)可以看出，Ed/Es不整合结构以CNB组合和BAB组合为主。CNB组合是一个上泥下砂、中间风化黏土层缺失的组合类型，上覆泥岩封堵能力强，下伏砂岩被改造物性较好，在配合有效的侧向封堵和油源条件下，油气可聚集在不整合面之下成藏；BAB组合中间的风化黏土层较为发育，岩性较为致密，风化黏土层作为盖层，不整合面之上的岩石可起到输导作用，半风化层则可以作为良好的储层，通过断层等的连接，可在风化层形成上、下侧向输导的双输导层油气运移。

根据多口井的不整合结构划分结果，在顺物源和垂直物源方向分别建立一条不整合结构连井剖面(图6、7)。结果表明，Ed/Es不整合结构发育特征在顺物源和垂直物源方向上存在明显的差异性。在顺物源方向A—A′剖面上，风化黏土层的发育厚度不大，多稳定在20 m左右，且在部分井上不发育，如NP36-3604井；不整合面之上的岩石和半风化层则在各井上都较为发育，且厚度较为稳定。在垂直物源方向B—B′剖面上，风化黏土层发育厚度较大，达到50 m，但也存在部分井不发育风化黏土层。

表3 不整合结构岩性组合Tab.3 Lithology Combinations of Unconformity Structure

注：砂岩包括细砂岩和粉砂岩；黏土层是以泥质粉砂岩为代表的黏土层。

图6 不整合结构顺物源方向A—A′剖面及岩性组合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

根据不整合结构平面厚度分布(图8)，不整合面之上的岩石和半风化层在顺物源方向上较为发育，主要分布在北部、中部和南部地区，东部和西部地区欠发育；而风化黏土层发育程度较大的区域集中在垂直物源方向的零散带上，在顺物源方向上除了中部地区较为发育，南部和北部地区都欠发育。

图8 不整合结构平面厚度分布Fig.8 Plane Distributions of Thickness of Unconformity Structure

图9 不整合结构空间分布Fig.9 Spatial Distributions of Unconformity Structure

3.2.3 空间分布特征

以测井识别的不整合结构为依据，通过地震资料建立南堡凹陷3号构造区构造格架，利用Petrel软件对不整合结构的空间分布进行建模。通过多次模拟直至实现预期结果，发现不整合结构发育程度具有很强的非均质性(图9)。靠近物源区不整合结构整体较为发育，不整合面之上的岩石和半风化层在全区分布较好，且厚度较为稳定，中间的风化黏土层则集中分布在西南部以及中部地区，不同地区厚度差别较大。这与连井剖面以及平面分布特征分析中的认识一致。整体上看，Ed/Es不整合三层结构完整发育的区域集中在中部地区，其他区域多以发育不整合面之上的岩石和半风化层两层结构为主。结合不整合结构的基本特征，可以初步判断南堡凹陷3号构造区中部地区不整合结构对油气产生封堵作用，其他大部分地区则多作为输导层对油气进行运移。

3.3 小 结

不整合结构特征以及分布上的差异是决定不整合控油作用的主要因素。不整合面之上的岩石和半风化层物性较好，分布厚度相对稳定，而风化黏土层则发育相对局限，物性较差。因此，在风化黏土层发育的地区，油气在风化黏土层的遮挡下沿着半风化层向高处运移，表现出油气在Ed/Es不整合之下的沙河街组一段连片发育，例如南堡凹陷3号构造区中部地区；而在风化黏土层缺失的地区，在无上覆盖层的遮挡条件下，油气直接通过不整合结构向上运移，从而分布在东营组三段中，这就是东营组三段油气平面上分布不连续和零散分布的原因。

4 结 语

(1)由于风化剥蚀程度的不同，南堡凹陷3号构造区Ed/Es不整合结构可以划分为不整合面之上的岩石、风化黏土层及半风化层3层，其中不整合面之上的岩石和半风化层较发育，风化黏土层欠发育。

(2)风化黏土层受风化剥蚀程度较高，黏土矿物含量高，岩石中稳定成分相对较高，孔隙度和渗透率低，物性最差；半风化层受淋滤作用改造，孔隙度和渗透率较高，物性最好；不整合面之上的岩石由于未受改造，与上覆岩层特征相似。

(3)不整合面之上的岩石和半风化层在顺物源方向较发育，在垂直物源方向欠发育；风化黏土层主要发育在垂直物源方向的零散带上，在顺物源方向除了中部地区较发育，南部和北部地区都欠发育。南堡凹陷3号构造区Ed/Es不整合结构在顺物源方向主要发育不整合两层结构，在垂直物源方向则发育三层结构。由于风化黏土层的物性较差，半风化层物性较好，故在发育完整三层结构的区域，不整合结构通常作为封盖层，而在缺失风化黏土层的区域，不整合结构则作为输导层。

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