塔里木盆地哈拉哈塘-哈得地区三叠系克拉玛依组地震沉积学研究

李佳洋, 尹太举*, 雷晓红, 易艺, 刘芳君, 石放

(1.长江大学地球科学学院, 武汉 430100; 2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院, 库尔勒 841000)

塔里木盆地作为中国规模最大的叠合盆地,油气资源丰富。塔北中部隆起中生界存在多个区域性角度不整合和构造古隆起[1-2],为储油成藏提供了良好前提,其作为油气显示富集期,前人对其进行了大量的研究,包括对塔北隆起的中生界地层进行了层序划分和沉积充填演化,并在库车坳陷、塔西南坳陷、塔中隆起、塔北隆起等构造单元取得了重大突破。

刘永福等[3]建立了塔里木盆地塔北隆起西部下白垩统巴什基奇克组层序地层格架,将巴什基奇克组划分为3个三级层序;时晓章等[4]在塔北地区三叠系通过识别不整合面划分出来5个三级层序(TSQ1～TSQ5);王改云等[5]对塔里木盆地沙雅隆起白垩系卡普沙良群按照前陆盆地不同演化阶段将其内部划分为3个层序(SQ1～SQ3);吴高奎等[6]重新厘定了塔里木盆地塔北中生界层序地层格架,将中生界划分为4个二级层序(Ⅰ～Ⅳ)和11个三级层序;夏辉等[7]通过基础岩心测井资料结合定性的层序划分和定量的测井小波变换研究将塔北隆起英买力地区白垩系舒善河组层序划分为4个长期、8个中期、13个短期及84个超短期层序;肖建新等[8]从区域构造背景上分析库车坳陷白垩系层序,将其划分为1个二级层序、11个三级层序。

李维锋等[9]发现塔里木盆地库车坳陷沉积体在北部厚,南部薄,沉降中心和沉积中心之间存在较明显的错位,识别出了5种相类型;时晓章等[10]认为塔北地区三叠系主要发育曲流河、辫状河、三角洲、滨浅湖、半深湖和深湖6种沉积相;余海波等[11]对库车坳陷中生界的沉积相类型及分布等进行研究,认为北部单斜带发育冲积扇与辫状河三角洲,克拉苏构造带发育深湖沉积等;钟大康等[12]根据基础地质资料研究认为塔北地区侏罗系主要发育三角洲、湖泊、冲积扇和辫状河相沉积。林小云等[13]将塔里木盆地按区域划分为南部辫状河三角洲-湖泊沉积体系,南部正常三角洲-湖泊沉积体系;纪云龙等[14]认为塔里木盆地三叠系多种沉积相并存,北部山前发育冲积扇、辫状河三角洲等,坳陷中心发育辫状河三角洲、曲流河、湖泊;刘亚雷等[15]认为塔里木盆地内部主要发育扇三角洲和内陆湖泊;刘永福等[16]认为哈拉哈塘地区卡普沙良群中发育辫状河三角洲、浅水三角洲、滨浅湖。

前人对塔里木盆地三叠系地层进行的均为盆地级的研究,认为大背景主要发育三角洲-湖泊沉积,但区带化研究不足。三叠系在此区域出现油气显示,哈拉哈塘-哈得地区的研究也仅局限在白垩纪,对三叠纪研究甚少,没有充分应用地震资料,沉积相演化粗糙,无法对研究区油气勘探提供有利依据。那么,塔北中部哈拉哈塘-哈得区带克拉玛依组沉积相演化是怎样的呢?这是目前研究区勘探急需解决的问题。要解决此问题,仅利用已有测井,岩心资料,采取常规地震相特征分析与如此大范围区域无法达到良好匹配关系,而应用现在流行的新学科-地震沉积学,采用时深标定-地震相-地层切片的综合研究方法[17],优选振幅属性切片,分析地震属性结构,对研究区克拉玛依组沉积相平面展布特征能够起到很好的效果[18-19]。

针对该研究方法,对目标区域开展井震标定、层序搁架确定、层位追踪、属性提取、岩性匹配、沉积相图编制、沉积演化分析等,为后续结合矿物成分分析、区域构造背景和断层分布来从整体上厘清哈拉哈塘-哈得地区三叠系克拉玛依组沉积充填响应过程,完善三叠系沉积体系认识,深化塔里木盆地三叠系湖泊-三角洲沉积模式的理解,降低储集砂体的预测风险,以期为哈拉哈塘-哈得地区三叠系克拉玛依组岩性地层圈闭成藏条件分析及勘探决策提供依据。

1 区域地质背景

塔里木盆地位于中国的西北部,环绕在昆仑山、阿尔金山和天山之间,面积约56×104km2,盆地发生了多旋回、多幕次的构造运动,在中生代演化为陆内盆地阶段[6],其内部演化具有阶段性、继承性。自北向南整个构造格局变化明显,凹凸相间,依次为库车坳陷、塔北隆起、北部坳陷、中央隆起、塔西南坳陷、塔东南隆起和塔东南坳陷共7个一级构造单元。塔北隆起由东向西展布,长约400 km,宽约80 km,东起柯坪断隆,西至库鲁克塔格断隆,北接库车坳陷,南抵北部坳陷带,是由温宿、西秋、新和、牙哈4个次隆构成的一个大型古隆起带,整体处于衰亡阶段[6]。哈拉哈塘-哈得地区主要位于塔北隆起中部区带,其在古生代克拉通内古隆起的基础上,于二叠纪末-三叠纪早期定型为库车周缘前陆盆地的前缘隆起[20](图1),其中,自下而上发育有三叠系的俄霍布拉克组、克拉玛依组、黄山街组,白垩系的阳霞组、舒善河组、巴西改组、巴什基奇克组,本次研究目的层为中三叠系克拉玛依组。

图1 塔北隆起构造单元划分Fig.1 Tabei uplift tectonic unit division

2 地震沉积学研究

对于大面积区域沉积相在空间中的展布刻画,仅利用钻、测井和岩心资料很难进行把控,其垂向分辨率高但空间横向连续性较差[21],往往在局部可以有比较好的效果,而相与相之间的关联性矛盾较多,通过最新的高分辨率三维地震资料进行地震沉积研究可以使其在整体有很好的关联响应,对进一步的微相刻画及有利砂体评价提供重要基础,本文研究应用地震沉积学方法对塔北中部隆起18 000 km2的大面积区域进行振幅属性提取,并能够清楚观察到河道、扇体的发育形态,表明地震沉积学在大面积的区块认识上也存在其优势。

2.1 地震沉积学技术分析沉积相工作流程

(1)通过人工合成记录及原始垂直地震剖面(vertical seismic profiling, VSP)数据报告进行层位标定,对高精度地震资料进行地层格架的建立。其中T2-1k为克拉玛依下段的底,T2-2k为克拉玛依组下段的顶,T3h为克拉玛依组上段的顶界[图2(a)]。

图2 三维地震剖面层序地层划分Fig.2 Three-dimensional seismic profile sequence stratigraphic division

(2)建立层序地层格架后,对地层进行自动追踪解释,最后插值到所需密度。

(3)通过利用petrel中的seismic interpretation模块,追踪地层呈现席状但不平卧[图2(a)],选择地层切片,以克拉玛依组上段和下段的顶底界面为界限,等比插出多个地层切片[22]。对已插出的地层切片在petrel中生成一系列的地震属性平面图,通过对比,选取最具有代表性的属性平面图进行分析。

(4)对属性平面图变化区域依据所存在该段的取心井岩心、岩屑特征和测井曲线特征进行匹配,明确河道、湖泊等位置关系,发现三角洲特征明显,确定了沉积相类型。

(5)按照沉积演化分析克拉玛依组各阶段沉积相平面演化规律及特点。

2.2 地震岩性分析

为了建立不同岩性、沉积相与地震波形和振幅的对应关系,提高井-震对比的精度,对研究区各井进行合成地震记录标定[23](图3),有VSP的井优先选用VSP来进行层位控制。TSQ1、TSQ2、TSQ4中的砂体对应波谷,TSQ3由于砂体与泥层连续薄互层,使对应关系较为一般。整体上地震资料中的波峰和波谷与厚层砂体和薄层砂体组合具有良好的对应关系。且振幅的强弱差异与稳定砂岩和稳定泥岩厚度具有较好的匹配关系,厚砂体或者厚层泥岩振幅中强-强,薄层砂体与泥岩连续互层以弱振幅、差连续为主。

2.3 层序地层格架建立

在精细标定的基础上,结合测井层序标志层,塔北中部隆起三叠系地层自下而上划分为3个三级层序:SQ1、SQ2、SQ3,分别对应于俄霍布拉克组,克拉玛依组,黄山街组,其中,目的层克拉玛依组又可以划分为2个四级层序:TSQ2和TSQ3。

垂向上,三叠系作为一个二级层序,顶底为两个区域性角度不整合,分别对应于两个大型构造活动,即二叠纪末,三叠纪初的古特提斯洋关闭,天山隆升阶段和在三叠纪末的羌塘碰撞,天山隆升阶段。在三级层序界面上,SQ1和SQ2之间的层序界面T2-1k为冲刷不整合面和与之对应的整合界面,界面上可见上超,在地震上为中强振幅、好连续反射特征,界面上超尖灭在牙哈古隆起上;SQ2和SQ3之间的层序界面T3h为冲刷不整合面和与之对应的整合界面,界面下可见明显削截现象,界面也上超尖灭在牙哈古隆起上[24]。SQ2可以划分为两个四级层序,TSQ2和TSQ3的层序界面T2-2k也为局部的削截和超覆[图2(b)]。

2.4 地震地貌分析

2.4.1 地层切片制作

地层切片技术作为开展地震沉积学研究的一项关键技术,沉积相分析中需要的岩性和地貌信息可以从其地层切片的地震振幅中获取。地震地貌成像的一个关键条件就是从沉积界面上提取相应的振幅数据[25]。通过选取稳定的、可连续追踪的TSQ2、TSQ3的顶和底地震同相轴作为参考层[23,25],在进行精细解释的基础上,沿层切片制作60张地层属性切片,选取其中具有代表性的进行分析,揭示克拉玛依组四级层序内部沉积相展布特征及演变规律[26-27]。

2.4.2 地震沉积相分析

不同类型的沉积相在地震剖面上具有不同的反射特征,在地震属性平面图上也呈现出各自的特点[28-29]。对研究区目的层进行多属性提取,选取最能表征沉积相响应特征的属性图来进行沉积相刻画,从而提高属性对沉积相表征的准确性。由于振幅属性可以极大限度的反映出来砂体的横向展布特征[30],故通过筛选,选取均方根振幅属性分析克拉玛依组上段沉积相,选取平均负振幅属性分析克拉玛依下段沉积相,从属性平面图(图6和图8)可以明显看出河道特征和三角洲向前推进的样式,综合前人研究成果,故整体沉积体系为三角洲-湖泊沉积体系。

地震切片属性图主要依据颜色的区域差异所展现出来的分布特点来反映沉积相带的变化,研究区目的层系提取的振幅属性图颜色按照振幅强弱依次为红、黄、绿、紫,选取不同层位代表井岩心、岩屑与研究区各区域颜色进行匹配(图4),表明克拉玛依下段属性图中红色区域指示三角洲平原沉积,黄色-绿色区域主要指示三角洲前缘沉积,蓝色-紫色主要对应湖泊相沉积。克拉玛依上段均方根振幅属性图中,蓝色-紫色区域大面积分布,以下切谷为分界线,区分三角洲平原沉积和湖泊沉积,绿色区域主要对应三角洲前缘沉积(表1)。结合岩心、测井、区域构造和地震反射类型能够揭示沉积相平面展布特征[31]。

表1 属性平面图各色振幅与沉积相对应关系Table 1 The amplitude of each color of the attribute plan corresponds to the deposition

图4 哈得-哈拉哈塘地区沉积相与岩电和岩心、岩屑特征Fig.4 Sedimentary facies and petrology, core, and debris characteristics in the Hader-Harlahatang area

2.5 沉积相类型

塔北中部隆起在克拉玛依组主要为湖泊-三角洲沉积体系,广泛发育三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相和湖泊相。不同的沉积相也具有相应的岩性组合、测井响应、沉积构造和地震反射特征(图4和表2),但也存在例外,则需要结合地质认识判断。

表2 各沉积相在地震剖面上的典型反射特征Table 2 Typical reflection characteristics of sedimentary facies on seismic profiles

2.5.1 三角洲平原亚相

三角洲平原亚相广泛发育在塔北中部隆起克拉玛依组上段东南部和克拉玛依组下段东北部,砂岩以灰色、灰白色细砂为主,泥岩以黄色、红色泥岩为主。斜层理、低角度交错层理及平行层理多发育,指示河道沉积。测井曲线为厚层齿状箱型,在地震剖面上为中强振幅、中连续-断续充填反射结构或中好连续亚平行反射结构[24]。

2.5.2 三角洲前缘亚相

三角洲前缘亚相主要发育在克拉玛依组下段,从北东方向向西南方向一直延伸,克拉玛依组上段由于湖盆收缩,发育较少,仅沿三角洲平原向前延伸较短距离。岩心以深灰、灰绿、灰褐色等偏还原色的颜色为主,常见有低角度交错层理、微波状层理、小型爬升层理等。测井上多为薄层指形、漏斗形,在地震上表现为中强振幅、中高频、中强连续平行亚平行反射结构。

2.5.3 湖泊相

湖泊相在整个塔北隆起中部克拉玛依组均有分布,但在克下段分布广泛且较为分散,而克上段分布比较集中,主要分布在西部和西北部方向,发育半深湖沉积。岩心上见大段深灰色、灰黑色泥岩,局部存在薄层砂,能够观察到水平层理。地震剖面上主要表现为弱振幅、低连续杂乱反射或空白反射特征,还存在中-强振幅、平行-亚平行,中强连续性,中高频的地震反射特征。

2.6 地震沉积相平面演化

2.6.1 克拉玛依组下段地震沉积相平面演化特征

对克拉玛依组下段进行平均负振幅切片,将其按照演变过程选取最具代表性的6层切片TSQ2-1到TSQ2-6,将不同色块以时深对应到测井曲线上分析振幅所代表的岩性类型,其中,紫色代表整体以泥质沉积为主,多为湖湾沉积或泥质充填下切谷;蓝色代表整体仍以泥质沉积为主,但其中夹杂少量砂体,多出现在紫色和绿色交互的位置,反映沉积环境的渐变过渡;绿色代表砂质沉积为主,也包括砂泥互层类型,成规模连片出现,能够看出三角洲特征,为三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相向周缘推进的样式;红色及黄色代表砂质含量普遍偏高的区域,反映靠近物源区或主物源供给沿此路径分布进而向周缘推进。在TSQ2-6层切片中,均能观察到明显的河道向前延伸并推进到前端的朵叶体现象。

(1)TSQ2-6切片中[图6(f)],红色-黄色区域占比较少,多以绿色为主,说明物源供应量较少,推进距离也较近,三角洲相整体推进方向也一致,红色-黄色集中的大规模区域为三角洲平原区域,红色-黄色集中较小规模成发散扇状分布的区域为三角洲前缘朵叶体区域,朵叶体分布较为分散,红色-黄色呈窄条状或不规则杂乱连通状的为三角洲河道,连接三角洲平原和前缘构成整套三角洲沉积体系[图7(f)],紫色-蓝色大面积分布在西部,为湖湾沉积,在三角洲朵体和河道间也局部存在。

图6 哈得-哈拉哈塘地区克拉玛依组下段平均负振幅属性图Fig.6 Average negative amplitude properties of the lower section of the Karamay Formation in the Hade-Harlahatang area

图7 哈得-哈拉哈塘地区克拉玛依组下段沉积相图Fig.7 Sedimentary facies diagram of the lower section of the Karamay Formation in the Hade-Harlahatang area

(2)TSQ2-5切片中[图6(e)],红色-黄色属性区域占比依旧很低,但朵叶体红色占比增加,表明湖盆面积开始收缩,沉积砂体向周围延伸程度减弱,且河道汇聚同一朵叶体的频率增加,窄条状河道延伸出现两大分支,以向西和向西北两条为主,主要以向西北推进为主。紫色-蓝色区域较TSQ2-6切片明显减小,湖盆面积向西北收缩,如图7(e)所示。

(3)TSQ2-4切片中[图6(d)],红色-黄色整体区域占比没有增加,但是红色占比显著增加,在三角洲平原区域能够得到清楚地观察到,说明物源供应量提高,但受限于湖盆面积,供应范围没有变化。河道向前延伸的大趋势逐渐改变,紫色在南侧范围扩大,在西侧基本消失,朵体延伸距离加大,也说明物源供应充足,西北方向的朵叶体展布收缩,仅存在一条较好的前缘体系,河道推进以西部方向为主,如图7(d)所示。

(4)TSQ2-3切片中[图6(c)],呈现出和第5层切片相同的三角洲平面展布样貌,但由于物源供应的增加,绿色区域展布的宽度更大,延伸距离更远。沉积在保留TSQ2-4切片沉积样式的基础上,向西推进继续存在,而西北向河道-朵叶体分支复活,红色-黄色区域展现出很好的砂质沉积。紫色分布呈楔状分布在河道和朵叶体之间,将其分隔为不同朵体,如图7(c)所示。

(5)TSQ2-2切片物源供应骤增[图6(b)],三角洲平原被红色区域所覆盖,入湖河道分支明显,南侧紫色-蓝色区域向北侧淹没,湖岸线回升,第三层切片向西北侧推进朵体仅剩余绿色区域的残余沉积,三角洲逐渐废弃,东北-西为主三角洲沉积体系的发育区域,三角洲整体上呈细条带状,如图7(b)所示。

(6)TSQ2-1切片物源供给持续增加[图6(a)],湖盆进一步收缩,红色属性全区域覆盖,三角洲平原面积扩大,前缘延伸范围减小,窄条带状红色-黄色消失,河道特征不明显,平原上识别出高位域三角洲前缘。同时,在三角洲平原亚相上出现一边界明显,宽度范围巨大,横向伸展约30 000 m,类似于河道的区域。而由整体三角洲体系演化大背景,平原亚相上的河流沉积宽度显然形成不了如此大规模的河道带,而原先在此处展布的是三角洲东南部分支朵体,此处认为是三角洲废弃下切形成的下切谷沉积,如图7(a)所示。

2.6.2 克拉玛依组上段地震沉积相平面演化特征

选取克拉玛依组上段均方根属性切片[32],其演化程度较小,期次变化不大,继承性强,故选取三层切片对演化过程进行分析,三层切片主要发育三角洲-湖泊沉积体系,包括三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相和湖泊相。其中,和克拉玛依组下段研究方法一致,通过测井、岩性对其颜色进行相应的关系匹配(图5),且均方根振幅越大,砂厚越大[33],分析得出湖泊沉积和三角洲平原沉积均以紫色-蓝色为主,三角洲平原区域测井曲线上由箱型过渡为指状高峰为主,整体泥质增多,泥岩颜色以红色、黄色等氧化色为主,砂岩粒径变粗,磨圆度变差,地震以中连续中振幅为主。绿色-蓝色振幅为整个下切谷的充填沉积,岩心以灰色为主、测井曲线多变,漏斗形,薄层指形均有。红色-黄色振幅为砂质堆叠或砂质含量高的部位,测井曲线以厚层箱形和齿状箱型为主。

(1)TSQ3-3切片紫色区域成片分布在西北方向[图8(c)],东南方向紫色和蓝色区域则呈条带或块状分布,上面能够看到细小的窄条带状绿色-蓝色分布,存在多条小规模河流沉积。片状紫色和条带状紫色区域之间能观察到明显的绿色为主的曲状下切谷,红色-黄色在东北部结构不明显的坨状三角洲平原地带呈现出类似于辫状河的心滩分布特点,下切谷主干区域则鲜少分布,绿色发育下切谷区域,在东北部坨状三角洲平原沉积向前延伸也能看到连片出现,成朵叶体状,为三角洲前缘沉积,如图9(b)所示。蓝色在下切谷内部与绿色交互出现。

图8 哈得-哈拉哈塘地区克拉玛依组上段均方根属性图Fig.8 Root mean square attribute map of the upper section of the Karamay Formation in the Hade-Harlahatang area

图9 哈得-哈拉哈塘地区克拉玛依组上段沉积相图Fig.9 Sedimentary facies diagram of the upper section of the Karamay Formation in the Had-Harlahatang area

(2)TSQ3-2切片南部河道化结构特征更为明显[图8(b)],原先高位域三角洲前缘体系收缩废弃,下切谷发育加快,由原先的单一下切谷发育为三条下切谷[图9(a)],呈现出多期摆动叠加的形态,下切谷发育位置受物源区的供给速率、物源规模大小有关[26]。红色-黄色区域在东北部继承原先似心滩的局部砂体堆叠沉积特点,在下切谷内部也开始杂乱分布。

(3)TSQ3-1切片[图8(a)]与TSQ3-2切片形态基本一致,说明沉积过程中没有发生太大的变化。仅绿色颜色加深,说明物源供应增强,其中的红色-黄色在下切谷内部的分布区域也发生了变化,能够看出其大多分布在了类似于曲流河边滩的位置。表明了下切谷作为一整个大的沉积体系内部其实是多个不同沉积作用的叠加。

2.6.3 下切谷类型

下切谷按照其充填沉积物类型可分为泥质充填下切谷和砂质充填下切谷,以克上段下切谷区域结合测井曲线分析(图10),选取HD3井、HD10井及YK101井,地震上能够观察到顶平底凸的河道特征,属性上在以绿色为主的下切谷内,因此均为砂泥互层,而HD10靠近中部,砂体厚度较厚,而YK101井和HD3井在绿色和蓝色转换位置,则砂质含量偏低。

图10 井震结合河道对比分析图Fig.10 Comparative analysis diagram of well seismic combined with river channel

下切河谷由于其明确的边界特征,尤其是砂质沉积充填下切谷对油气成藏具有积极作用,但整个研究区面积广大,下切谷沉积体系内部应为包含多类型河流作用的复杂沉积,对其的内部解剖将成为储层精细刻画的主要方向。

下切河谷沉积按其成因机制为三角洲废弃下切形成,其内部沉积物则是后期充填形成,而在层序划分中就产生了以岩性划分和成因划分两种不同的划分方案,下切河谷内部沉积物的划分归属问题仍需后续解决。

3 结论

以地震属性为基础,结合多种资料对塔北中部隆起三叠系克拉玛依组内部沉积相演化进行研究,总结出以下结论。

(1)地震沉积学借助先进的地震手段并在沉积学规律的指导下,更紧密的采用井震结合的手段研究沉积特征的学科[34],首次对18 000 km2的大面积区域进行地震沉积学研究,表明该方法不仅在小区块中能够很好地反映出沉积演化特征,而且在大面积区块中也有着理想的效果,对勘探领域整体和局部的衔接关系存在重要意义。

(2)塔北中部隆起三叠系克拉玛依组主要发育三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相和湖泊相,在地震剖面上分别表现为中强振幅、中连续-断续充填反射结构或中好连续亚平行反射结构,中强振幅、中高频、中强连续平行亚平行反射结构和弱振幅杂乱或空白反射结构。

(3)优选地震属性、综合地质资料可以揭示大面积区域沉积相平面特征[35],增加沉积相内部刻画的区域性认识及对应沉积演化的规律。首次对塔里木盆地哈拉哈塘-哈得地区克拉玛依组沉积时期进行精细沉积演化研究,认为其主要发育湖泊-三角洲沉积体系。其中,三角洲平原亚相在克拉玛依组上段东南区域广布,三角洲前缘亚相在克拉玛依组下段广布,呈现出北东向南西推进形态,湖泊相主要集中在西北区域。由老到新,盆地整体是一个衰亡的过程,仅在克下段存在短期的岸线上升,湖盆逐渐缩小,对应的三角洲平原逐渐扩大,三角洲前缘延伸变短。

(4)在克下段顶部和克上段三角洲平原分布区域存在下切谷体系,下切谷为三角洲废弃下切形成,分为砂质充填下切谷和泥质充填下切谷,在地震上表现为边界明显的短轴强反射特征。由于其极好的边界特点可以作为岩性油气成藏的有利区域。