地震沉積學在識別重力流沉積體系中的應用①

張 晶 李雙文 袁淑琴 龍禮文 姚 軍 王 菁

(1.中國石油勘探開發研究院西北分院 蘭州 730020;2.中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室 蘭州 730020;3.中國石油大港油田公司 天津 300280)

0 引言

1998年，曾洪流等首次提出了“地震沉積學”概念［1］，標志著這門學科的誕生。2004年，曾洪流教授提出地震沉積學是“利用地震資料來研究沉積巖及其形成過程的一門學科;地震巖石學與地震地貌學組成了地震沉積學的核心內容”［2］。之后，曾洪流、Schlgaer、林承焰、董春梅、朱筱敏等國內外學者對地震沉積學的概念、方法及技術進行了研究，地震沉積學理論體系逐漸豐富和完善［3-7］。近年來，國內學者針對中國陸相復雜儲集層開展地震沉積學研究，在油氣勘探與開發中取得了顯著的效果，但多集中在三角洲和曲流河沉積體系地層中［8-10］。湖相重力流體系的地震沉積學研究無論國外還是國內均較少涉及。本文基于歧口凹陷采集、連片處理的高精度三維地震資料，以黃驊坳陷歧口凹陷歧南斜坡沙一段(Es1)的深水厚層砂巖為研究對象，應用地震沉積學的理論和方法，分析了斷陷湖盆以溝道型砂礫質碎屑流為主體的重力流沉積的地震相模式，探討了地震沉積學研究方法在重力流砂體形態刻畫和儲層預測中的應用，形成了一套適合本地區重力流水道儲層預測的思路和方法，試圖豐富和發展地震沉積學研究成果。

1 地質背景

黃驊坳陷歧南斜坡是目前大港油田巖性地層圈閉勘探的重點地區之一，主要勘探目的層為沙河街組沙一段(Es1)。歧南斜坡位于渤海灣盆地歧口凹陷西南部，其南部圍限于埕寧隆起和羊三木凸起之間，北部夾持于沙三段和沙一段均強烈斷陷的南大港斷層和張北斷層之間［11］，總體上為向北東方向傾伏的單斜，面積大約900 km2。在歧口凹陷沙一段和沙三段底部構造圖上，研究區均位于東西兩側正向構造之間的低洼部位，表明研究區為繼承性發育的沉積凹槽，油田上俗稱“歧南水道”，同時，區內趙北、張北、南大港等控盆斷裂強烈活動，斷層落差均在300 m以上，湖盆深陷擴張，沉積坡度陡，具備形成重力流的動力學背景(圖1)。

歧南斜坡為三維地震覆蓋區，地震資料品質較好，沉積現象豐富，構造相對較簡單，地層巖性以砂泥巖為主，比較適合開展地震沉積學的研究工作。因此，筆者在建立高頻等時地層格架基礎上，應用地震沉積學研究方法和技術，對研究區沙一段進行地震地貌恢復、屬性提取、90°相位轉換、地層切片及三維可視化等綜合研究，并結合巖芯、鉆測井資料，精細刻畫了重力流水道沉積體的平面展布形態和規模，明確了砂體的分布規律，為研究區油氣勘探奠定了堅實基礎，并取得了良好的地質效果。

2 高頻等時地層格架的建立

2.1 結合分頻技術和時頻分析，建立高頻等時格架

建立等時地層格架既是層序地層學的精髓，也是地震沉積學中一系列關鍵技術應用的前提［12］。

區域層序地層學研究表明，黃驊坳陷沙一段為一個完整的二級層序，內部可進一步劃分為3個三級層序，分別對應沙一上亞段(Ess1)、沙一中亞段(Esz1)和沙一下亞段(Esx1)［13-14］。地震沉積學認為原始地震剖面上同相軸不完全是等時的，其等時性受地震頻率控制，對地震剖面進行分頻后，產狀和位置在不同的分頻剖面上表現一致的同相軸其等時性較可靠［12］。本文運用小波變換計算不同頻率地震體來識別層序界面，通過對地震反射同相軸等時性分析，揭示沙一段(Es1)頂、底界面，沙一中亞段(Esz1)頂部、底部穩定泥巖具有很好的等時性，可作為地震沉積學研究的參考界面。在識別三級層序界面的基礎上，由于不同級別的地質層序體對應著地震剖面上的不同頻率特征，利用時頻分析技術對關鍵井按不同頻率進行掃描分析可以識別出由大到小的各級層序體，縱向上頻率變化的方向性代表了巖性粗細的變化［15］，如圖2a中顯示了沙一中亞段砂泥巖頻譜變化的關系、層序轉換點和頻率變化點的相對應，將沙一中亞段進一步劃分為4期中期旋回砂組，在關鍵井高頻層序劃分的基礎上，井震結合，對骨架剖面進行基準面旋回劃分與對比，并在30 Hz高頻地震數據體上識別追蹤四級層序界面。通過時頻分析的地震旋回劃分方法所識別和標定的層序界面與地震資料中的高頻成分和測井高頻層序劃分及旋回分析都吻合的較好，提高了旋回界面識別的準確性，從而建立了研究區高頻等時地層格架(圖2b)。

2.2 最小等時研究單元的確定

最小等時單元是地震相、測井相和巖芯相三者結合時，井震統一對比的最小研究尺度［12］。歧南地區沙一段地震反射波主頻為20 Hz，頻帶范圍7～35 Hz，砂巖層速度4 400 m/s左右，可以識別的砂巖厚度在25 m左右，沙一中亞段砂組厚度大約在40～70 m左右，砂組正韻律下部、反韻律上部砂組厚大于20 m可分辨，從圖2a可以看出，測井上可以劃分到準層序或更小的層序單位，但由于地震分辨率較低，準層序界面在地震剖面上無法追蹤，為了達到井震研究尺度的統一，將準層序組作為最小等時研究單元［12］。

3 重力流水道沉積特征及模式

重力流水道砂體是指由重力流或濁流在湖盆內的斷凹或溝槽中所形成的帶狀碎屑砂體，它可以堆積在淺水和深水中［16-17］。研究區內重力流水道砂體分布在趙北斷層及其以北，主要見于沙一段，是來自南部埕寧隆起物源的辮狀河三角洲前緣砂體沿歧南水道滑動、滑塌，在坡折帶的下傾方向深水區形成的條帶狀粗碎屑巖體。

3.1 沉積特征

通過對5口取芯井進行系統巖芯觀察，結合實驗數據和測井相分析，認為沙一段屬于典型的重力流水道沉積，具有以下沉積特征:

(1)沙一中的泥巖以灰色、深灰色為主，平面分布穩定，具有質純，有機質含量低的特點。而且在構造圖上(圖1)，研究區兩側地勢較高地區均為湖相泥巖，表明地勢較低的歧南水道處于深水沉積環境。

(2)巖芯觀察沙一段巖石類型以細砂巖和含礫砂巖為主，進一步研究發現，沙一段厚層塊狀砂巖是由3種不同成因類型的砂巖相互疊置構成:一種為砂礫質碎屑流，以qn6井3 399～3 411 m井段為代表，粒度粗，礫石無分選、無粒序漂浮于較細的砂質基質中，礫石成分以碳酸鹽為主，偶見直徑2～5 cm的紫紅色泥礫，沉積構造以塊狀構造為主(3 410.12 m)，顯示在重力作用下以基質和雜基(水、泥及砂質顆粒)支撐的塊體搬運機制以及以“凍結式”快速卸載堆積的沉積特點［11］，在伽馬測井曲線上表現為微齒化塊狀箱型，與下伏巖性呈突變接觸，單砂層厚度較大，一般大于1m，主要為4～7 m，在重力流水道水道中心微相中最為常見。第二種為滑塌巖，以qn6井3 293～3 310 m取芯井段為代表，巖性主要為細砂巖、粉砂巖和粉砂質泥巖，表現為砂泥混雜并發生強烈的同沉積變形，常見包卷層理(3 294.6 m)、泥巖撕裂屑(3 295.00 m)、滑塌變形層理(3 307.86 m)及重荷構造(3 410.12 m)等，其電測曲線齒化明顯，單砂層厚度主要為1～3 m，表現為多期鐘形、漏斗形或指形的疊加。第三種為濁積巖，典型識別標志為遞變層理，本區不太發育，常以砂、泥巖薄互層形式出現，在qn6井3 404.27 m井段巖芯可見平行層理，單砂層厚度為2～4 cm，由于層薄，測井曲線反映微弱(圖3a，b)。

圖2 歧南斜坡沙一中亞段高頻層序地層格架(平面位置見圖1)Fig.2 High frequency sequence stratigraphic framework of Esz1in Qi＇nan slope

(3)根據巖性和沉積構造特征，研究區的重力流水道沉積常見6種巖相類型，宏觀上重力流水道砂體的沉積剖面主要為大套暗色泥巖中發育厚層塊狀砂巖相和具變形層理砂泥巖相，總的剖面結構顯示出中間粗、上下細的逆—正粒序結構，下部為反旋回、上部為正旋回(圖3b)。

(4)沉積物粒度概率曲線以圓弧形為主，懸浮組分比例高，占30%～40%。據3 200.79～3 403.9 m井段的粒度統計結果顯示，C值為120～1 200 μm，M值為35～330 μm，樣點在C-M圖上大致平行于C=M基線集中分布［11］。

3.2 沉積模式

歧南斜坡沙一段沉積時期，受張北、南大港斷裂構造影響，歧南斜坡發育地勢相對較低的斷槽或溝槽，發育于盆地緩坡邊緣的辮狀河三角洲沉積體系順著緩坡向湖盆中心大幅推進;到達深湖后，在地震、火山噴發或水動力機制的誘導下，早期沉積的辮狀河三角洲前緣沉積物就會順著這些斷槽進行搬運并發生沉積，從而在較深水環境中形成一系列平行盆地長軸方向的、順斷層走向分布的條帶狀重力流水道沉積，在水道末端地形較平坦的湖盆中心部位還會發育多期疊置的朵體(圖3c)。在湖盆內部因大斷裂而產生的斷凹或溝槽對重力流水道砂體的形成和分布起著重要的控制作用。

通過對歧南斜坡沙一段重力流水道沉積特征分析及沉積模式的建立，為開展地震沉積學研究奠定了基礎。

圖3 歧南斜坡重力流水道砂體沉積特征及沉積模式Fig.3 Sedimentary characteristics and depositional sequence of gravity-flow channel in Qi＇nan slope

4 地震沉積學綜合分析解釋

地震沉積學研究已經形成了較為規范的流程［18］，目前應用最多的是90°相位轉換、地層切片和分頻技術等。本文在建立高頻等時格架的基礎上，應用地震沉積學的思路和方法對重力流水道砂體進行精細刻畫。

4.1 古地貌和地震屬性預測重力流水道的宏觀展布

在地震反射等時性分析約束下完成了沙一中亞段地震地貌學研究。古地貌恢復對沉積體系配置及儲集砂體的展布的研究具有重要意義。常用的方法主要有殘余厚度法、印模法、地球物理法、高分辨率層序地層法、沉積學方法等［19-21］。目前，古地貌恢復的方法主要從構造恢復和地層恢復兩方面入手［21］，筆者主要針對研究區地層的恢復，由于古生物是確定古水深的可靠標志，研究區缺乏古生物資料，沒有進行古水深校正，本文主要采用去壓實校正和正斷層斷面厚度補償相結合恢復歧南斜坡沙一中沉積前的相對古地貌，而不是絕對古地貌。由于歧南斜坡沙一段沉積時期構造相對穩定，是一較連續沉積過程，沒有長時期的剝蝕，剝蝕量相對較小，研究中僅對斜坡邊緣高部位剝蝕厚度明顯的井點用地層橫剖面對比法進行估算。主要基于壓實前后地層骨架體積不變原理，首先分巖性建立壓實曲線方程，采用回剝法進行單井地層厚度壓實校正，并在鉆井壓實校正的基礎之上，利用地震資料進行井間古地貌趨勢補償［22］。同時，對正斷層斷面厚度進行補償，避免因斷面影響地震地貌出現假的古隆起，主要依據斷層上、下盤最遠端斷點位置，刪除斷層區域，再應用克里格插值法恢復斷層位置地層厚度。

古地貌恢復結果表明，沙一中亞段沉積時期，沿ch59—qn2—qn6—zh65—zh56井一線發育一個大型溝槽，溝槽內地層厚度較大，沙一中地層厚200～400 m，溝槽以外地層厚度減薄［16］。大致在 zh65—zh47井一帶，相當于趙北斷層的位置，發育古地形突然變陡的坡折帶，在古地貌圖上，該帶沉積厚度等值線較密集(圖4a)。坡折帶控制沉積相帶分異［23］，鉆井取芯及測井資料證實，坡折帶以南為辮狀河三角洲沉積，坡折帶之下于qn8—qn6—qn2井一帶大規模發育重力流砂體。古地貌恢復可在宏觀上預測重力流水道砂體的有利發育區，并且隨著古地貌在沉積期上的變化，沉積物的卸載區也發生變化。沙一中沉積早期，研究區趙北斷層下降盤qn8井以東的zh48—qn2井區古地貌上呈現明顯的低洼，沉積物在此聚集(圖4b)，而到沙三中沉積晚期，南大港等控盆斷層的強烈活動，沉積中心向西遷移，此時低洼區域主要位于qn8—qn2井區(圖4c)。

研究區沙一中地層巖性以砂、泥巖為主，通過對地震屬性提取與分析，優選出振幅類、統計類、方位角等多種屬性與地層巖性、沉積體系的平面展布細節匹配較好，各屬性之間也具有較好的相關性，與鉆井資料吻合較好。這主要是由于沙一中以湖相為主體的沉積環境中砂巖波阻抗大于泥巖，砂體具有較高的波阻抗值，在水道兩側，均為低阻抗的湖相泥巖，在沙一中亞段的均方根振幅圖上，重力流水道發育區為明顯的強振幅的反射特征，大體上存在兩個振幅高值條帶。主水道一支位于qn8—qn3與qn6—qn2井之間，一支位于zh47—zh48井區(圖4d)。

地震地貌與宏觀屬性相結合顯示歧南斜坡沙一中亞段以南部埕寧隆起物源體系為主，古溝槽和坡折帶控制沉積體系發育。沙一中砂體分布局限，水道砂體位于趙北斷層下降盤或三角洲前方溝槽內，由南向北呈條帶狀延伸。

4.2 水道砂體的標定

對關鍵井水道砂體進行精細標定，從過qn8井垂直重力流水道的90°相位地震剖面可以看出，qn8井位于水道砂體側翼，通過井震標定，清晰刻畫了水道砂體的地震響應特征:橫剖面上多期河道側向遷移疊置，具有典型水道沖刷-充填反射特征，整體表現為頂平下凸的透鏡體，其下伏層的湖盆泥巖遭受侵蝕沖刷，復合砂體內部結構清晰，單期水道表現為短軸狀、不連續、強振幅的特征，水道間往往被較厚的泥巖隔層分開。根據地震反射外形的不同可進一步細分為“透鏡狀”、“梭狀”和“蠕蟲狀”。其中，“透鏡狀”地震相呈底凹頂凸型，為下切水道的典型地震響應特征，通常對應于水道中心微相。“梭狀”地震相呈“頂凹底凹”或“頂平底凹”的“梭狀”外形特征，反映單期或多期突發性高能碎屑流對下伏地層的侵蝕沖刷。“蠕蟲狀”地震相中強振幅、斷續、首尾相連呈疊瓦狀排列，反映不同時期水道由于垂向疊加，側向遷移形成的側向加積式反射特征(圖5a)。

4.3 地層切片水道砂體識別

依據地震沉積學的基本原理，在垂向上無法識別的地質體，在平面上有可能通過橫向分辨率被識別出來［7］。通過90°相位地震資料基礎上的地層切片技術可以較準確地在平面上分析沉積體的沉積特征，能更好地研究厚度比地震分辨率薄的沉積體。

圖4 歧南斜坡沙一中亞段古地貌圖和均方根振幅屬性圖Fig.4 Paleogeomorphic map and RMS amplitude attribute of Esz1in Qi＇nan slope

圖5 90°相位地震剖面與典型地層切片(沙一段)Fig.5 90°phase and interpretation of stratal slices in Qi＇nan slope

利用地層切片技術對重力流水道砂體進行精細刻畫，最關鍵的一步是選出具有地質時間界面意義的參照同相軸［14］。因此，在該研究區內，在對地震數據濾波基礎上，應用中石油西北分院研制的Geosed1.0軟件的地震反射同相軸等時性分析技術，優選出沙一段的頂、底界面及沙一中亞段頂、底界面為等時層序界面，在對關鍵層序界面進行追蹤解釋的基礎上，以90°相位化地震數據體為基礎，在沙一段內部等比例內插，制作100張地層切片，目的是反映自沙一層序底部至頂部地震相的縱向變化特征，結合鉆井巖芯校正，開展井震對比檢驗，明確重力流水道沉積微相平面分布與空間演化規律。

從層位上看，研究區重力流水道砂體主要位于沙一上底部與沙一中亞段［16］。現對挑選的3張典型地層切片進行沉積相解釋。由于區內沙一段90°相位化地震數據體的振幅信息與砂、泥巖具有較好對應關系［11］。經過鉆測井、巖芯資料證實了地層切片中紅色與較厚層砂巖對應，黃色代表薄層砂巖或泥質砂巖，而藍色對應的是泥巖層。在No58地層切片上(圖5b)，對應于沙一中下部沉積，此時處于初始湖泛期，來自南部埕寧隆起的物源供給充足，半深湖區重力流水道貫穿工區南北，規模大，對下伏地層侵蝕作用顯著，是突發事件所致，重力流水道明顯分為兩支，自南向北發育，主水道位于qn8以東與qn6—zh48井區，到qn6井以北兩支水道開始合并。到No38地層切片上(圖5c)，對應于沙一中上部地層切片，已達到最大湖泛期，主水道位于qn8和qn2井區，規模減小，兩條水道近平行呈南北向順直延伸，前端終于qn2井附近，延伸長度約9.5 km，與No58地層切片相比，qn8井已由水道側翼到水道中心位置，表明水道向西遷移，而且由于大規模湖侵，砂體分布較為局限。在No17地層切片上(圖5d)，對應于沙一上中下部沉積，為高水位沉積期，水動力強，而且物源供給充分，重力流砂體發生大規模進積，發育三條辮狀水道，水道較沙一中沉積期明顯向東遷移，規模較大，水道砂體形成分叉，合并，連片、并行等多種組合形式。

與常規的沉積相研究結果相比，地層切片更為精細地刻畫了重力流水道在不同時期的分布范圍與演化規律。切片顯示，隨著時間的推移，水道主體經歷了由東而西、再由西而東的演化規律。結合沙一中早晚期的微古地貌分析(圖4b，c)，揭示湖盆古地貌沙一中沉積早期較平坦，沉積中心在偏東部qn6—zh48井區，到沙一中沉積晚期南大港等控盆斷層的強烈活動，導致湖盆最低洼處向西遷移，到沙一上亞段沉積時期，由于構造活動減弱及填平補齊作用，湖盆底形又復平坦的過程［11］。

4.4 沉積微相特征

圖6 歧南斜坡沙一中亞段重力流水道展布特征Fig.6 Distribution of gravity-flow channel in mid-Es1member in Qi＇nan slope

在反演剖面圖上，重力流水道單砂體形態表現為孤立狀，強振幅的特征，單河道邊界清晰，垂向上疊置遷移，河道間普遍存在泥質隔層(圖6a)。在透視圖上，重力流水道砂體規模巨大，為多期水道疊加復合而成，由南向北呈條帶狀展布(圖6b)。研究區在建立高頻等時格架的基礎上，應用地震沉積學技術和方法明確了沉積環境、沉積體系宏觀展布特征，并對重力流水道砂體的內、外部特征進行精細刻畫和描述。在此基礎上，結合巖芯相、測井相的綜合研究成果，得出沉積微相平面分布圖。結果表明，沙一中亞段重力流水道砂巖體主要分布在張北、南大港斷裂帶形成的凹槽內和緩坡帶辮狀河三角洲砂體的前端，順斷層走向呈長條狀或帶狀分布，單期水道寬度約1～2 km，長度為5 km以上，平均厚度3 m左右。按照重力流成因機制［24］，歧南斜坡重力流水道可進一步劃分為水道中心、水道邊緣和水下漫溢等3種沉積微相(圖6c)。通過鉆井檢驗，應用該方法進行沉積微相預測精度和符合率較高，較好的指導了沉積微相平面展布特征研究。

5 油氣勘探意義和主要結論

研究黃驊坳陷大型陸相斷陷湖盆發育的重力流水道砂體的分布對在湖相泥巖中尋找巖性油氣藏具有一定的指導意義。

重力流水道呈條帶狀多期次發育，縱向上疊加、橫向上連片，配合歧南斜坡背景，可在上傾方向形成巖性尖滅，或由于斷層的遮擋形成巖性、構造—巖性圈閉。砂體為大段暗色泥質巖所夾持，生儲蓋組合等條件配置良好，又處于油氣運移方向上，具備形成巖性油氣藏的條件，是歧南斜坡重要的儲油砂體類型。近幾年研究區以沙一段為主要目的層系，采用地震沉積學的方法進行砂體預測和描述，圈定不同層系巖性圈閉的邊界。在此基礎上，分批部署鉆探 ch59、ch64x1井均獲得工業油氣流，砂體預測結果得到了鉆井資料的進一步證實。重力流水道是一種重要的深水儲層，qn6井的平均孔隙度為16.7%，ch59井的平均孔隙度為10.9%，且歧南斜坡沙一中亞段埋深處于晚成巖A亞期，次生孔隙較發育，相對優質儲集層主要分布在水道中心微相［17］。目前此類砂體并未大規模鉆探，研究區是一個重要的油氣勘探區域。

本文以歧南斜坡沙一段發育的帶狀重力流水道砂體為研究對象，在地震沉積學理論和方法的指導下，形成了以古地貌和地震屬性約束物源方向，預測重力流水道的宏觀展布;地層切片、反演與三維可視化相結合刻畫砂體空間展布形態的斷陷湖盆溝道型重力流地震沉積學識別方法和技術，較準確刻畫了沙一段重力流水道儲層空間展布和內部結構特征，取得了良好的地質效果，具有推廣應用價值。同時，重力流水道的發現對深水重力流沉積體系研究具有重要意義，且可為研究區的油氣勘探提供新的油氣勘探目標。

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