杨丽莎,陈彬滔,马 轮,史忠生,薛 罗,王 磊,史江龙,赵艳军
(1.中国石油勘探开发研究院西北分院,兰州 730020;2.中国石油天然气集团公司油藏描述重点实验室,兰州 730020;3.中油国际尼罗河公司,苏丹喀土穆10687)
源—汇系统(Source to Sink)又被称为沉积物路径系统,可用于表征剥蚀产物由剥蚀地貌区形成并被搬运至汇水盆地最终沉积这一过程[1-5]。源—汇系统这一概念最初起源于现代海洋沉积学[6],近年来开始在沉积学研究中兴起,并成为沉积体系半定量分析的基础和研究热点之一[7]。尽管沉积学领域的源—汇系统研究仍处于探索阶段,但国内外众多学者在大陆边缘从源到汇的沉积系统[8-9]、深水沉积及其源—汇系统[10-11]、陆相断陷湖盆源—汇系统及其控砂机制[12-15]、现代湖盆源—汇系统分析[16-18]等方面均取得了丰硕成果。Sømme 等[8]以挪威南部Møre—Trøndelag 地区的地下实例为基础,采用源—汇分析手段,系统刻画了其沉积体系和扇体演化;Bhattacharya 等[8]定量估算了深水沉积体系的物源区、古水流、古坡度以及沉积物供给等源—汇参数,并将其应用于油气勘探潜力评价中;郑荣才等[10-11]在对珠江口盆地白云凹陷各类重力流沉积特征和分布规律进行详细分析的基础上,提出了集源、渠、汇三位一体的深水海底扇沉积模式;徐长贵[12]提出了陆相断陷盆地源—汇时空耦合控砂原理,Zhu等[13]、李顺利等[14]、刘强虎等[15]以渤海湾盆地为例,采用源—汇分析思路,开展了系统的沉积物源、有利储层评价与预测,并建立了断陷湖盆中断裂陡坡型、断裂缓坡型、斜坡型及断槽型4 类源—汇系统。Blum 等[16]以第四纪沉积为例,探讨了古峡谷体系的源—汇特征,陈彬滔等[17]以内蒙古岱海湖盆为例,分析了现代湖盆的水动力特征及其源—汇响应,朱秀等[18]针对云南洱海现代湖盆,提出了源—汇系统划分方法和基本特征,并提出古代源—汇系统研究中需重视不同源—汇系统之间的差异性。
上述研究多侧重于大陆边缘和陆相断陷盆地,较少涉及陆相坳陷湖盆的源—汇系统发育特征及耦合关系。笔者以Melut 盆地新近系Jimidi 组坳陷期沉积为切入点,基于大量钻测井资料和盆地二维、三维地震资料,开展陆相湖盆坳陷期源—汇系统研究,包括基岩组成、汇水单元分布、搬运体系类型、沉积体系展布等方面,并对湖盆坳陷期源—汇系统各要素进行定量表征和耦合关系分析,探讨湖盆坳陷期的源—汇系统配置关系,以期为湖盆中心区有利储集砂体展布预测和勘探提供借鉴。
Melut 盆地位于南苏丹境内,是中非剪切带走滑背景下所形成的一个中—新生代裂谷盆地[19][图1(a)],盆地面积3.3 万km2,平面上具有“四坳两隆”的构造格局[图1(b)],剖面上具有“西断东超”的特征。Melut 盆地的主要勘探发现集中于北部坳陷,目前已发现原油储量约8.5 亿t(62 亿桶),是一个典型的富油坳陷[20]。Melut 盆地的构造演化经历了早白垩世、晚白垩世和古近纪等3 幕裂陷作用,后又经历了新近纪以来的坳陷阶段[21][图1(c)]。新近系Jimidi 组岩性以厚层含砾中—粗砂岩为主,夹薄层棕红色泥岩,为坳陷期河流相沉积[22]。
图1 南苏丹Melut 盆地Ruman 地区位置及地层综合柱状图Fig.1 Location and stratigraphic column of Ruman area,Melut Basin,South Sudan
新近系Jimidi 组沉积时期,Melut 盆地构成一个完整的湖盆坳陷期源—汇系统。基于42 口井的钻测井资料以及高分辨连片三维地震资料和盆缘区二维地震资料,精细刻画了Melut 盆地Jimidi 组沉积时期的基岩组成、汇水单元分布、搬运体系类型、沉积体系展布等特征,可指导Jimidi 组稠油勘探的有利储集砂体预测以及湖盆坳陷期的源—汇系统配置关系的确定。
物源体系作为源—汇系统的重要组成部分,为汇水区提供物质供给。基岩性质和汇水单元特征分析是源—汇系统构成要素研究的重要组成部分。
2.1.1 基岩组成
Melut 盆地盆缘区和盆内隆起区18 口钻遇基岩探井的岩屑观察和镜下鉴定结果显示,Melut 盆地基岩的主要岩石类型为前寒武系[22]花岗片麻岩和千枚岩(图2)。花岗片麻岩广泛分布于东北部的Gandool 地区和西南部的Tean 地区,其中G-1 井于井深860 m 钻遇花岗片麻岩,录井岩屑见明显片麻结构,矿物组分以长石(质量分数为47%~50%)、云母(质量分数为18%~20%)、石英(质量分数为13%~15%)为主,含少量的角闪石和辉石(质量分数为1%~3%)以及锆石等重矿物。自然伽马、自然电位、电阻率、声波时差以及密度等测井响应均明显不同于上覆沉积盖层,具有典型的“高伽马、高电阻、高密度、低声波时差”等特征。G-1 井的井震标定结果显示,花岗片麻岩与上覆沉积盖层之间呈连续强反射突变接触,基岩内幕层段对应的地震剖面具有中弱振幅、似平行反射结构。
图2 Melut 盆地不同物源区基岩的岩性特征及地震响应Fig.2 Lithologies and reflection features of basement in different provenances,Melut Basin
千枚岩主要分布于西北部的Kaka 地区,其中K-1 井钻至井深985 m 处出现千枚岩基岩,录井岩屑见千枚状结构,矿物组分以绢云母、绿泥石和石英为主,含少量长石及炭质、铁质矿物。自然伽马、自然电位、电阻率、声波时差以及密度等测井响应均明显不同于上覆沉积盖层,具有“高伽马、低电阻、中等密度、中等声波时差”特征。K-1 井的井震标定结果显示,千枚岩基岩与上覆沉积盖层之间呈近连续中强反射突变接触,基岩内幕层段对应的地震剖面具有弱振幅、杂乱反射结构。
2.1.2 汇水单元刻画
前寒武系基岩组成特征分析结果显示,Melut盆地西北部基岩(Kaka 地区)以千枚岩为主,受盆地整体沉降影响,西北部千枚岩基岩区为低幅度隆起并曾遭受剥蚀,但整体地形平缓、沟道宽缓、下切作用中等,表现为一个高势点。以稳定沉降界面(Jimidi 组顶界面)作为基准面,采用沉降回剥技术,重建了Melut 盆地Jimidi 组沉积时期的古地理格局(图3)。西北部千枚岩基岩区总体为一级汇水单元,面积约300 km2,垂向高差约100 m,结合盆地边缘构造沉降量及构造样式差异,可进一步划分出2个二级汇水单元(Snw-a 和Snw-b),Snw-a 汇水单元的构造沉降量和沟道下切强度略大于Snw-b。在二级汇水单元内部,综合考虑水系、地形等参数,基于次一级分水边界识别结果,可将二级汇水单元Snw-a 进一步划分为Vnw-1 和Vnw-2 等2 个三级汇水单元,将二级汇水单元Snw-b 进一步划分为Vnw-3、Vnw-4、Vnw-5 等3 个三级汇水单元。
图3 Melut 盆地Jimidi 组沉积时期(坳陷期)的古地理格局(a)及地震剖面特征(b)Fig.3 Palaeogeographic framework(a)and seismic section(b)during the deposition of Jimidi Formation in Melut Basin
盆地东北部基岩(Gandool地区)以花岗片麻岩为主,受盆地整体沉降和部分断裂活动的影响,东北部花岗片麻岩基岩区产生了较多破裂并遭受差异剥蚀,形成了多条沟道,与西北部地区相比,其总体地形偏陡、沟道狭窄、下切作用略强。东北部基岩区总体为一级汇水单元,面积约240 km2,垂向高差约300 m,主要以构造样式差异为依据,进一步划分为2 个二级汇水单元(Sne-a 和Sne-b),其中Sne-b汇水单元受断裂作用控制明显,沟道深、下切强度大。在二级汇水单元内部,综合考虑水系、地形等参数,基于次一级分水边界识别结果,可将二级汇水单元Sne-a 进一步划分为Vne-1、Vne-2、Vne-3 等3 个三级汇水单元,将Sne-b 进一步划分为Vne-4和Vne-5 等2 个三级汇水单元。
盆地西南部(Tean 地区)基岩类型与东北部一致,仍以花岗片麻岩为主。尽管盆缘区发育一条活动的边界断层,但是,物源区断裂作用弱,表现为整体构造沉降所致的低幅度隆起,沟道数量多、下切作用中等。东南部基岩区总体为一级汇水单元,面积约200 km2,垂向高差约300 m,主要以盆地边缘构造沉降量和沟道结构样式差异为依据,可进一步划分为2 个二级汇水单元(Ssw-a 和Ssw-b),其中Ssw-a 汇水单元沟道偏深、下切强度略大,而Ssw-b汇水单元沟道略宽、下切强度略弱。在二级汇水单元内部,综合考虑水系、地形等参数,基于次一级分水边界识别结果,可将二级汇水单元Ssw-a 进一步划分为Vsw-1、Vsw-2、Vsw-3、Vsw-4、Vsw-5 和Vsw-6 等6 个三级汇水单元,将Ssw-b 进一步划分为Vsw-7、Vsw-8、Vsw-9 和Vsw-10 等4 个三级汇水单元。
总体而言,Melut 盆地的基岩组成以花岗片麻岩和千枚岩为主,二者的分布特征具有明显的分区性,其中,西北部Kaka 地区以千枚岩为主,东北部Gandool 和西南部Tean 地区以花岗片麻岩为主。Jimidi 组沉积时期(坳陷期)可识别出3 个一级汇水单元,根据盆地构造沉降量、构造样式差异等特征又可进一步划分为6 个二级汇水单元、20 个三级汇水单元,实现了物源体系的精细刻画,为沉积区沉积体系展布预测和源—汇耦合关系的建立提供了基础。
搬运体系是连接源区与沉积区之间的桥梁,是向盆内输送沉积物的渠道。基于盆缘区二维地震剖面解释结果,总结出Melut 盆地Jimidi 组沉积时期的4 种典型搬运通道类型,分别为下切谷型的V型、U 型、W 型和断槽型(图4)。V 型下切谷主要发育于地形坡度较陡、构造沉降量较大的东北部Gan‐dool 地区,具有下切作用强、水动力条件强的特点,地震剖面上可见其外部形态近似对称;定量统计结果显示,研究区的V 型下切谷的总体分布频率仅为15%,宽度为0.8~1.5 km,深度为150~250 m,宽深比为5,说明坳陷期V 型下切谷虽存在,但并非主体搬运通道类型。U 型下切谷发育于构造沉降量偏低、地形坡度偏缓的西北部Kaka 地区,具有“宽浅”特征,内部充填物表现为垂向和侧向叠加样式,反映水道频繁侧向迁移。定量统计结果显示,研究区的U 型下切谷的总体分布频率约为30%,宽度为1~4 km,深度为120~180 m,宽深比为20,是坳陷期主体搬运通道类型之一。W 型下切谷主要发育于仅受整体构造沉降影响的西南部Tean 地区和西北部Kaka 地区,通常具有不对称外部形态,内部充填物表现为侧向加积样式。定量统计结果显示,研究区的W 型下切谷的总体分布频率为50%,宽度为0.5~1.2 km,深度为100~150 m,宽深比为10,也是坳陷期主体搬运通道类型之一。断槽型搬运通道的两侧或一侧受断裂控制,通常具有窄、深、限制性强的特点,Jimid 组沉积时期,盆地整体处于坳陷期,断裂活动弱,断槽型搬运通道仅局限分布于Gandool 地区,分布频率仅为5%。就相同物源区而言,从上游到下游,搬运通道类型通常由断槽型和V 型为主,逐渐演变为以U 型和W 型为主。
图4 Melut 盆地Jimidi 组沉积时期(坳陷期)的搬运通道类型及其典型特征Fig.4 Types and features of transportation pathways during the deposition of Jimidi Formation in Melut Basin
总体而言,湖盆坳陷期的搬运通道类型以U 型和W 型下切谷为主,其他类型的搬运通道虽有分布,但数量偏少。定量分析结果显示,U 型搬运通道的截面积平均值为0.475 km2,表明其沉积物搬运通量最大,搬运能力最强,W 型和V 型搬运通道的截面积平均值约为0.08 km2,搬运能力次之。断槽型搬运通道的截面积平均值为0.09 km2,虽然平均截面积略大于W 型和V 型,但是其平面延伸距离偏短,搬运能力最弱。
三大物源区的搬运通道定量统计结果显示(图5),西北部Kaka 地区以U 型下切谷搬运通道为主,搬运通道具有宽度大、下切深度中等、宽深比大,单一搬运通道沉积物搬运通量大的特点,搬运通道的截面积总和约为2.5 km2,沉积物搬运通量最大;东北部Gandool 地区以W 型为主,但局部发育V 型和断槽型搬运通道,搬运通道的截面积总和约为0.45 km2,沉积物搬运通量偏小;西南部Tean 地区以W 型为主,搬运通道具有数量多、单一搬运通道沉积物搬运通量小的特点,搬运通道的截面积总和约为0.8 km2,沉积物搬运通量中等。
图5 Melut 盆地Jimidi 组沉积时期(坳陷期)Kaka,Gandool,Tean 三大物源区的物源通道识别(剖面位置见图3)Fig.5 Identification features of transportation pathways for Kaka,Gandool and Tean provenances during the deposition of Jimidi Formation in Melut Basin
2.3.1 沉积体系类型
基于测井/录井相、地震反射特征、钻井岩心观察与岩相识别等分析结果,在Melut 盆地Jimidi 组共识别出河流、扇三角洲、浅水三角洲、湖泊等4 种沉积相(图6),并通过连井沉积相格架剖面对比以及地震相和地震属性分析,明确了不同沉积相的平面展布范围,主要发育以下几种岩相类型:槽状交错层理含砾中粗砂岩(Gt)、槽状交错层理中粗砂岩(St)、板状交错层理中粗砂岩(Sp);平行层理中粗砂岩(Sh)、流水沙纹层理细砂岩(Fr)和水平纹层泥岩(M)。
河流相可细分为辫状河和曲流河,其中研究区的辫状河沉积的岩性以中厚层中—粗砂岩为主,夹棕红色泥岩,多期冲刷,冲刷面见定向排列砾石,单层砂体厚度为5~12 m,主要岩相类型为槽状和下截型板状交错层理中—粗砂岩,正粒序和弱反粒序均发育;测井响应为高幅锯齿箱形或漏斗形,地震剖面上表现多表现为U 型下切,河道具有宽度大、下切深度中等、近似对称的特点,河道内部充填以垂向加积为主。研究区内辫状河相主要分布于Kaka—Mooz 地区,受西北部Kaka 物源体系的影响,分布面积为200 km2,延伸长度为20 km。曲流河沉积的岩性主要为中厚层中—细砂岩,夹棕色、灰绿色泥岩,冲刷面上见泥砾,单层砂体厚度为5~10 m,岩相类型为槽状和下切型板块交错层理中—细砂岩,以正粒序为主;测井响应为高幅锯齿钟形,地震剖面上表现为W 型下切,宽深比小于辫状河,河道不对称,河道内部充填以侧向加积为主。曲流河沉积相主要分布于Mooz—Ruman 地区,同样受西北部Kaka 物源体系的影响,因地形变缓、坡降减小,发生辫—曲转换,由近物源区的辫状河沉积转换为远物源区的曲流河沉积,曲流河沉积的分布面积约为100 km2,延伸长度约为10 km(图7)。
扇三角洲在地震剖面上表现为中低频、中弱振幅、中—差连续性的多期叠加楔形反射,根据其测井相和岩相等特征,可进一步细分为扇三角洲平原和扇三角洲前缘亚相。扇三角洲平原表现为以厚层含砾中—粗砂岩为主,夹棕红色泥岩,砾石大小混杂,多期冲刷,单层砂体厚度约为10~20 m,主要岩相类型为槽状交错层理含砾中—粗砂岩相,具有块状或正粒序,测井响应为高幅锯齿箱形;扇三角洲前缘表现为以中厚层中—细砂岩为主,夹棕色、灰色泥岩,局部含砾,单层砂体厚度为6~12 m,主要岩相类型为槽状和板状交错层理中—细砂岩相,反粒序,测井响应为高幅锯齿箱形。扇三角洲主要分布于Gandool—Assel 和Tean 地区,受东北部Gandool 和西南部Tean 物源体系的影响,其中Tean 地区的扇三角洲具有数量多、单个面积小的特点。定量分析结果显示,扇三角洲平原的分布面积约为100 km2,延伸长度为5~10 km,扇三角洲前缘的分布面积为220 km2,延伸长度为8~15 km,整体具有“小平原、大前缘”的特征。
浅水三角洲在垂直物源方向的地震剖面上表现为中强振幅、不连续、间断反射,具有典型的分流河道特征,在顺物源方向的地震剖面上表现为中强振幅、连续、低角度前积反射。根据其测井相和岩相等特征,可进一步细分为浅水三角洲平原和浅水三角洲前缘亚相。浅水三角洲平原表现为以厚层中—细砂岩为主,夹灰绿色泥岩,冲刷面上见泥砾,单层砂体厚度为10~15 m,主要岩相类型为槽状和板状交错层理中—细砂岩相,块状结构或弱正粒序,测井响应为高幅锯齿箱形或钟形。浅水三角洲前缘表现为中厚层细砂岩与灰色泥岩互层,单层砂体厚度为5~10 m,主要岩相类型为槽状和板状交错层理细砂岩相,多期正粒序叠加,测井响应为钟形。研究区内浅水三角洲主要分布于Moleeta 地区,受西北部Kaka 物源体系的影响,为曲流河和辫状河延伸至地形平缓的汇水湖区所形成的沉积相类型,其中浅水三角洲平原的分布面积约为50 km2,延伸长度为10 km,浅水三角洲前缘的分布面积为250 km2,延伸长度为20 km,整体也具有“小平原、大前缘”的特征。
Jimidi 组沉积时期为盆地坳陷期,仅局部发育滨浅湖沉积,岩性主要为厚层灰色泥岩,夹薄层粉—细砂岩,单层砂体厚度为2~5 m,主要岩相类型为流水沙纹和浪成沙纹层理粉—细砂岩,弱反粒序,测井响应为指状或小型漏斗形,地震剖面表现为强振幅、连续、平行反射特征。研究区内滨浅湖沉积仅分布于Wengi 地区,分布面积约为80 km2。
为了表征Melut 湖盆坳陷期源—汇要素之间的相关关系,对各类参数进行了定量统计(表1)。物源区的定量统计参数包括汇水面积和地形高差,其中汇水面积控制沉积物供给量,地形高差影响沉积物搬运势能;搬运区的定量统计参数包括搬运通道的宽深比和截面积,其中宽深比影响沉积物汇入盆地之前的搬运方式,截面积控制沉积物输送量;汇区的定量统计参数包括沉积体系面积和平均厚度,通过面积和平均厚度计算沉积体系的空间体积,继而定量表征汇区的沉积物总量。
为了明确源—汇系统各参数对沉积体系规模的控制作用,基于沉积体系体积(V)、地形高差(H1)、汇水面积(S1)、搬运通道截面积(S2)等参数的相关性分析结果,拟合得到以下公式:
可见盆地内沉积物总量与源区汇水面积、地形高差、搬运通道截面积密切相关,其相关系数为0.8,但是汇水单元面积是决定沉积体系规模的首要影响因素,汇水单元面积大,则易于形成大规模沉积体系。
Melut 盆地Jimidi 组沉积时期的湖盆及周围山脉构成了完整的陆相湖盆坳陷期源—汇系统,基于湖盆及其周缘区域的地形地貌、物源区母岩类型、水系与搬运通道类型等特征,依据源—汇耦合关系,可划分出3 个典型源—汇系统,分别为西北部的Kaka—Ruman 源—汇系统、东北部的Gandool—Wengi 源—汇系统以及西南部的Tean—Ruman West 源—汇系统。其中西北部Kaka—Ruman 源汇系统为典型的斜坡型源—汇耦合模式,源区高势区的变质岩经风化、剥蚀作用在汇水区不断汇聚之后,主要沿U 型沟谷通道向盆内低势区搬运,依次形成连片的河流浅水三角洲沉积体系,多期叠置的沉积体面积可达600 km2,此类坳陷期长轴方向源—汇系统的主要控制因素为物源供应和湖平面变化。东北部的Gan‐dool—Wengi 源—汇系统和西南部的Tean—Ruman West 源—汇系统具有断裂坡折型源—汇系统的特征,物源区基岩性质为花岗片麻岩,发育多个汇水单元,面积小、数量多,垂直高差相对更大(约300 m),碎屑沉积物顺V 型或断槽型通道向盆内搬运,在断裂坡折处卸载、堆积,形成厚度大但平面面积相对较小的近源扇体,此类坳陷期短轴方向源—汇系统的主要控制因素为物源供给、构造活动以及古地貌。
Melut 盆地Ruman 地区Jimidi 组物源方向和沉积体系类型一直以来存在争议,制约了有利砂体与低孔封隔带的精细刻画,尽管该地区已发现稠油油藏多年,但一直按照构造圈闭控藏的思路进行部署,难以发现规模储量。基于源—汇系统定量-半定量研究结果,准确预测Jimidi 组沉积时期Ruman 地区为西北部的Kaka—Ruman 源—汇系统的一部分,沉积体系类型属于河流相,主力砂体近似呈北西—南东向展布,河道间存在河漫滩细粒沉积低孔封隔带(图8)。受古地貌和基准面变化的影响,Jimidi 组河流型具有“曲—辫—曲”的垂向演化特征[22],J-Ⅲ砂组沉积中期基准面旋回以沟谷地貌控制下的曲流河砂体(单砂体厚度为5~10 m,孔隙度为18%~24%)为特征,存在近连续分布的北西—南东向河漫滩相对低孔封隔带。J-Ⅰ砂组沉积中期基准面旋回再次转换为曲流河型(单砂体厚度5~8 m,孔隙度18%~22%),砂体呈条带状展布,发育多套北西—南东向河漫滩相对低孔封隔带。鉴于稠油油藏多以构造-岩性油藏为主,相对低孔封隔带控制构造-岩性圈闭的边界,高孔砂岩控制稠油油藏富集。J-Ⅲ砂组沉积和J-Ⅰ砂组沉积中期基准面旋回砂体横向变化较大且存在侧向低孔封隔带和顶、底板盖层条件,易于形成大面积、非连续构造-岩性稠油油藏,据此部署的R-L-1 风险探井获得勘探突破,扩大含油面积近30 km2,而J-Ⅱ砂组砂体横向连续性强,侧向低孔封隔带不发育,是构造油藏发育层段,不具备岩性油藏的勘探潜力。
图8 Melut 盆地Ruman 地区Jimidi 组沉积时期沉积演化Fig.8 Sedimentary evolution during the deposition of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin
(1)Melut 盆地北部坳陷基岩的岩石类型为千枚岩和花岗片麻岩,Jimidi 组沉积时期,西北、东南、西南部共识别出3 个一级汇水单元和5 个二级汇水单元,汇水单元总面积约740 km2。
(2)Melut 盆地Jimidi 组沉积时期(坳陷期)发育4 种典型搬运通道类型,分别为V 型、U 型、W 型下切谷型以及断槽型,其中以U 型和W 型下切谷为主。
(3)Melut 盆地Jimidi 组沉积时期发育3 个源—汇系统,西北部Kaka—Ruman 源汇系统为典型的斜坡型源—汇耦合模式,盆内发育面积约600 km2的河流浅水三角洲沉积体系;东北部的Gandool—Wengi 源—汇系统和西南部的Tean—Ruman West源—汇系统具有断裂坡折型源—汇系统的特征,盆内分别发育面积约400 km2和112 km2的扇三角洲沉积体系。
(4)Melut 盆地源—汇系统要素定量分析结果表明,湖盆坳陷期盆内沉积物总量与源区汇水面积和地形高差密切相关,但汇水单元面积是决定沉积体系规模的首要影响因素,汇水单元面积大,则易于形成大规模沉积体系。