塔里木盆地塔河油田T區三疊紀沉積模式

賀婷婷,段太忠,趙 磊,劉彥鋒

(中國石化 石油勘探開發研究院,北京 100083)

塔里木盆地是中國重要的油氣勘探區之一,三疊紀時期塔里木盆地進入前陸盆地演化階段,其北部地區三疊紀—侏羅紀時期發育了一個包含天山南麓、庫車坳陷、沙雅隆起、滿加爾坳陷等4個相對獨立沉積帶的周緣前陸盆地系統[1]。塔河油田主體位于新疆維吾爾自治區輪臺縣與庫車縣之間,是塔里木盆地的超大型油氣田,塔河油田T區位于塔河油田的東北部,構造位置處于塔里木盆地東北坳陷區沙雅隆起中段南翼阿克庫勒凸起南部。對于塔河油田T區,相關學者對其構造演化、層序結構、儲集砂體成因類型等方面進行了大量的研究[2-6],認為研究區三疊紀時期為一套辮狀河三角洲與湖泊相的交互沉積,并且由于鉆井資料和取心資料不足,缺乏地震屬性分析,認為物源和整個全區物源方向一致,大致從北向南沉積,忽視了前陸盆地構造運動對沉積特征的影響,因此對研究區整個沉積體系演化特征有待進一步認識。鑒于此,本文利用巖心、測井及大量的三維地震資料,井震結合分析沉積體系的空間展布特征及其演化規律,最后根據前陸盆地構造運動特征,建立了塔河油田T區三疊紀兩種沉積模式。本研究不僅對前陸盆地的構造演化研究具有重要的理論意義,而且對塔里木地區三疊系碎屑巖儲層的勘探及開發具有一定的借鑒作用。

1 區域構造背景

塔里木盆地是一個由古生界克拉通盆地和中、新生界前陸盆地組成的大型復合盆地,先后經歷了震旦紀—泥盆紀的海相沉積期、石炭紀—二疊紀的海陸交互沉積期、三疊紀及其以后的陸相沉積期,受周緣活動造山帶的影響,具有復雜的構造演化歷史[7-13]。海西晚期運動是塔里木盆地最為強烈的一次運動,它結束了南天山和塔里木板塊北部地區海侵歷史[14],三疊紀開始塔里木盆地進入前陸盆地發展階段。Delles和Giles[15]提出了前陸盆地系統的概念,認為前陸盆地是造山帶與鄰近克拉通之間形成的潛在沉積可容空間,其發育主要與俯沖作用導致的周緣或弧后逆沖褶皺帶的地球動力學條件相關,由楔頂、前淵、前隆以及隆后4個獨立的構造單元組成(圖1),并且認為在一些前陸盆地系統中,前隆和隆后沉積帶可能不發育或缺失。

三疊紀早期,南天山碰撞造山,造山帶發生強烈的逆沖運動,由于南天山的快速崛起,位于其南部的庫車坳陷受到構造負荷的影響而快速沉降,成為前陸坳陷區,而沙雅隆起則演化為與前陸坳陷盆地密切伴生的前緣隆起帶[2],順托果勒低隆起及滿加爾生烴坳陷等地區則形成隆后沉積坳陷,它們共同構成了塔里木盆地三疊紀庫車前陸盆地系統。庫車前陸坳陷為一楔形沉降區,總體呈北厚南薄的特征,是山前重要的烴源巖層系[16],發育一套陸源碎屑巖沉積,庫車坳陷的北側為南天山褶皺帶,南側為沙雅隆起及隆后盆地[2]。三疊紀末塔里木板塊與羌塘地塊碰撞,整個三疊紀塔里木盆地處于強烈的擠壓構造背景下[7]。

圖1 前陸盆地系統示意圖[2]Fig.1 Schematic diagram of the foreland basin system[2]

塔河油田T區構造位置處于塔里木前陸盆地沙雅隆起南部阿克庫勒凸起桑東3號構造,是一受構造控制的背斜油氣藏,阿克庫勒凸起東鄰草湖凹陷,西接哈拉哈塘凹陷,北與雅克拉斷凸相接,向南過渡為順托果勒低隆起及滿加爾生烴坳陷(圖2)。塔河油田三疊系劃分為上、中、下3個統,對應3個地層組,自下而上依次是柯吐爾組(T1k)、阿克庫勒組(T2a)和哈拉哈塘組(T3h),厚約440 m左右,包括3個油組[17],下油組和中油組位于阿克庫勒組,上油組位于哈拉哈塘組,含油層段為各油組上部砂巖段,三疊系頂底均為不整合面所限定,頂部與上覆下侏羅統平行不整合接觸,底部與下覆二疊或石炭系角度不整合接觸。塔河油田T區面積大概10 km2,為了便于研究沉積特征,將本次研究的范圍設置為三維地震工區100 km2左右,測網密度為15 m×15 m。

2 研究區三疊系層序地層劃分

研究區單井層序地層劃分主要依據典型鉆井的巖性變化、測井曲線的旋回性特征以及地震資料,結合前人研究認識[2-6],進行層序的劃分。以鉆穿三疊系下油組的T1井為例,開展該區三疊系層序地層的分析。三疊系頂底均為大型不整合面,整體為1個構造層序(相當于二級層序),自下而上又劃分為6個長期基準面旋回(LSC)(相當于三級層序),其中,下三疊統發育1個長期旋回,中三疊統發育3個長期旋回,上三疊統發育2個長期旋回,在每一個長期旋回內部又進行了體系域的劃分(圖3),沉積相以辮狀河三角洲和湖泊相為主,層序的邊界以不整合面、巖性電性轉換面、沖刷面和湖泛面等為特征。

圖2 塔里木盆地構造單元劃分(a)及塔河油田T區地理位置示意圖(b)Fig.2 Structure unites of Tarim Basin(a) and schematic diagram showing the location of Block T of Tahe oilfield(b)

LSC1時期發育湖泊相沉積,底界面為三疊系與下伏二疊系的角度不整合面,頂、底界面處SP和GR曲線均出現較大的變化,巖性也發生突變,該時期低位體系域不發育,湖侵體系域和高位體系域發育。LSC2時期發育辮狀河三角洲沉積,底界面處SP和GR曲線均出現較大的變化,界面上下巖性發生突變,下伏下三疊統大套湖相泥巖與上覆的中三疊統辮狀河三角洲砂體呈突變接觸,該時期低位體系域發育,湖侵體系域不發育,高位體系域被剝蝕。LSC3時期發育辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系,底界面處SP和GR曲線均出現明顯的回返,表現為一沖刷界面,LSC3晚期存在一個最大湖泛面,在全區廣泛分布,可作為區域對比的一個標準面,該時期低位體系域、湖侵體系域和高位體系域保存完整,低位體系域沉積厚度大。LSC4時期發育辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系,底界面為厚層砂泥巖的分界面,界面上下巖性發生突變,下伏的湖相泥巖與上覆辮狀河三角洲砂體呈突變接觸,SP和GR曲線均出現較大的變化,該時期低位體系域、湖侵體系域、高位體系域發育,湖侵體系域沉積厚度較大,高位體系域辮狀河三角洲前緣砂體在靠近北東部物源區發育,在遠離北東部物源的其他井區不發育,這是由于LSC4湖侵體系域沉積時期,湖平面由上升轉變為緩慢下降,近物源區水流攜帶能力強,物源供應充足,河道砂體發育；而遠離物源區水流攜帶沉積物能力弱,河道砂體相對不發育。LSC5發育辮狀河三角洲沉積,底界面處SP和GR曲線均出現較大的變化,界面上下巖性發生突變,該時期低位體系域發育,湖侵體系域較發育,高位體系域被剝蝕。LSC6發育辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系,湖侵體系域和高位體系域發育,其頂界面為三疊系與侏羅系的分界面,其頂部由于下侏羅統底部河道沖刷,與下侏羅統底部形成區域性不整合面,指示整個三疊系沉積結束。

3 研究區沉積相類型

根據研究區6口取心井資料及一口密閉取心井粒度分析資料,結合測井及地震相特征,在塔河油田T區三疊紀識別出三大類沉積相,分別為辮狀河三角洲相、河流相及湖泊相。

3.1 巖心相特征

研究區辮狀河三角洲沉積相包括辮狀河三角洲平原和辮狀河三角洲前緣亞相,其中辮狀河三角洲平原水上分流河道厚度較大,局部見薄層細礫巖和泥礫,自下而上顯示為砂礫巖、含礫粗砂巖、中砂巖到細砂巖的沉積序列,正旋回,發育塊狀層理(圖4a),分流河道底部發育滯留沉積,以粗砂巖或礫巖為主(圖4b)；辮狀河三角洲前緣水下分流河道以細砂巖為主,砂體內部含灰白色鈣質夾層,具下粗上細的正韻律,發育平行層理(圖4c)；辮狀河三角洲前緣河口壩以細砂巖為主,發育爬升波紋層理(圖4d),總體上呈現出下細上粗的反韻律；天然堤位于水上分流河道和水下分流河道的兩側,屬于洪水期的溢岸沉積,其粒度較細,巖性主要為粉砂巖、泥質粉砂巖及粉砂質泥巖,發育波狀交錯層理(圖4e)。

圖3 塔河油田T區三疊系層序地層解釋(T1井)Fig.3 The Triassic sequence stratigraphic interpretation of Block T of Tahe oilfield(Well T1)

圖4 塔河油田T區三疊系巖心相特征Fig.4 Features of the Triassic core facies in Block T of Tahe oilfielda.辮狀河三角洲平原水上分流河道沉積,T2a1段,T2井；b.辮狀河三角洲平原水上分流河道底部滯留沉積,T2a1段,T2井；c.辮狀河三角洲前緣水下分流河道沉積,T2a1段,T1井；d.辮狀河三角洲前緣河口壩沉積,T2a1段,T2井；e.天然堤沉積,T2a1段,T1井；f.湖泊相沉積,T2a2段,T2井

湖泊相為濱淺湖-半深湖亞相,沉積巖性以灰黑色泥巖、粉砂質泥巖與薄層砂巖互層沉積,可見水平層理(圖4f)。

3.2 測井相特征

利用自然伽馬曲線結合巖心相特征進行測井相識別,共識別出箱形、鐘形、漏斗形、指形、交互指形等測井相(表1)。

辮狀河三角洲平原水上分流河道測井曲線特征顯示為中-高幅箱形、鐘形或鐘形-箱形疊加,箱形曲線頂、底部呈突變接觸,鐘形曲線頂部呈漸變接觸,底部呈突變接觸,說明沉積時水動力較強；辮狀河三角洲前緣水下分流河道測井曲線呈中幅箱形、鐘形,水動力較強；河口壩為漏斗形,頂部呈突變接觸,底部呈漸變接觸,說明水動力向上逐漸增強；天然堤測井曲線呈中-低幅指形,曲線頂、底呈突變接觸,為分流河道邊部溢岸沉積；濱淺湖-半深湖相測井曲線表現為低幅交互指形,表示砂泥巖互層沉積,厚泥巖夾薄層砂巖沉積。

3.3 地震相特征

根據地震剖面上地震反射外部形態和內部反射特征差異劃分地震相[18-19],塔河油田T區三疊紀地震相類型主要是席狀地震相和充填地震相(表2)。

席狀地震相代表辮狀河三角洲平原沉積環境以及湖泊相沉積環境,內部主要表現為平行、亞平行及雜亂反射結構。辮狀河三角洲平原相以中/低頻中振幅中連續性平行/雜亂反射地震相為特征,反映沉積時水動力條件較強,湖平面相對下降以及物源供應充足,以三角洲平原大套河道砂巖夾薄層泥巖為主,該地震相主要在中三疊統LSC2和LSC3長期旋回中發育；湖泊相以中等頻率中振幅中等連續性平行/亞平行反射地震相為特征,反映沉積時水動力相對較弱,以厚層泥巖夾薄層粉砂巖為主,該地震相在下三疊統LSC1長期旋回、中三疊統LSC3及LSC4長期旋回和上三疊統LSC6長期旋回中都有發育。

充填地震相代表辮狀河三角洲前緣沉積環境和河流相沉積環境,內部主要表現為前積及下切充填反射結構。辮狀河三角洲前緣相以中/低頻率中/強振幅中等連續性前積反射地震相為特征,反映沉積時水動力相對較強,以三角洲前緣厚層砂巖夾薄層泥巖為主,該地震相在中三疊統LSC3及LSC4長期旋回和上三疊統LSC5及LSC6長期旋回中可見；河流相以低頻率中/強振幅中等連續性下切充填反射地震相為特征,具谷狀外形,下切充填特征較明顯,下切谷呈“頂平底凸”的特征,該地震相主要在中三疊統LSC4長期旋回底部(中油組)發育。

表1 塔河油田T區三疊紀典型測井相分析Table 1 Analysis of the typical Triassic logging facies in Block T of Tahe oilfield

4 研究區沉積序列演化特征

地震資料為研究沉積體系演化提供了一種途徑。通過地震相分析可以觀察典型的沉積現象,而基于每個層的地震屬性分析可以推斷砂體展布的變化規律,某些巖性界面清晰的層位,利用地震屬性能夠直接看到沉積微相的空間展布。地震屬性分析中最重要的一步是屬性優選,本次選用了能夠反映地質結構信息的標準化波形屬性,因為這種屬性更能反映地質結構。自下而上提取不同層位的地震屬性分析各層地質結構類型和變化規律,地震屬性分析的目的是從地震切片上找到這些地質結構,總結其形態特征、分布特征、演化規律,在此基礎上賦予其沉積學意義,進而得到沉積體系演化規律。現以各層的典型地層切片為例,說明地震屬性的地質意義,分析研究區沉積體系演化特征。

表2 塔河油田T區三疊紀主要地震相類型Table2 Major types of Triassic seismic facies in Block T of Tahe oilfield

從LSC2沉積時期的地震屬性切片可以看出北東方向展布的近似條帶狀的地質結構(圖5),而且這些自北東向南西有變寬的趨勢,近北東方向地震剖面中(剖面位置見圖2)地震相表現為中頻中振幅中連續性平行反射,并且T1井鉆井資料顯示主要為辮狀河三角洲平原厚層中-粗粒河道砂巖夾薄層泥巖沉積,自然伽馬測井曲線顯示為高幅微齒化箱形,綜合分析認為LSC2沉積時期為北東向分布的辮狀河三角洲平原沉積。

LSC3沉積時期也可見北東向展布的近似帶狀的地質結構(圖6),并且在工區靠近南部區域出現了弧形分界線,可能表示水上與水下的界面,LSC3-LST時期延續了LSC2時期辮狀河三角洲平原相沉積特征,近北東方向地震剖面中(剖面位置見圖2)地震相表現為低頻中振幅中連續性平行/雜亂反射,而LSC3-TST和LSC3-HST時期辮狀河三角洲前緣和湖泊相沉積厚度均較小,地震剖面上反射特征不明顯,主要通過鉆井資料和測井資料來進行識別,T1井鉆井資料顯示LSC3中晚期,巖性由中-細砂巖、粉砂巖向厚層泥巖夾薄層砂巖過渡,自然伽馬測井曲線呈現鐘形、漏斗形向低幅交互指形轉換。因此LSC3沉積時期整體為北東向辮狀河三角洲平原向辮狀河三角洲前緣以及湖泊相過渡的沉積體系。

LSC4-LST時期地震屬性切片顯示的條帶狀展布的河道非常明顯(圖7),河道展布方向比較復雜,以近東西方向為主,近南北方向地震剖面中(剖面位置見圖2)地震相表現為低頻率強振幅中等連續性充填反射特征,下切充填特征較明顯,T1井自然伽馬測井曲線顯示齒化箱形逐漸過渡為鐘形,并且厚箱形曲線中可見多個小鐘形的疊置,反映河道沉積的韻律性,綜合分析可知為近東西方向展布的河流相沉積。LSC4-TST時期,地震相表現為中等頻率中振幅中等連續性平行反射特征,測井資料顯示為一套湖相厚層泥巖夾薄層粉砂巖沉積,晚期高位體系域HST發育,湖平面緩慢下降,演變為辮狀河三角洲前緣沉積,受地形坡度和沉積厚度影響地震相剖面上反射特征不明顯,主要通過測井資料來進行識別,T1井自然伽馬測井曲線顯示為中幅鐘形。

圖5 塔河油田T區三疊系LSC2沉積時期地震屬性切片(a)及北東方向地震相解釋剖面(b)(剖面位置見圖2)Fig.5 Seismic attribute slice(a) and NE seismic facies interpretation profile(b) during the depositional period of the Triassic LSC2 in Block T of Tahe oilfield(see Fig.2 for the profile location)

LSC5-LST時期可見南北向帶狀分布的地質結構,并且在工區靠近東部出現一條南北向的河流相沉積。近南北方向地震剖面中(剖面位置見圖2)地震相顯示為中等頻率強振幅中等連續性(圖8),沉積物粒度相對較粗,T1井自然伽馬測井曲線呈箱形-鐘形-漏斗形疊加的特征,分析可知為南北向分布的辮狀河三角洲前緣沉積。LSC6-LST時期繼承了LSC5時期辮狀河三角洲前緣沉積特征,LSC6沉積時期,地震相表現為中等頻率中振幅中等連續性平行反射特征,測井資料顯示為一套湖相厚層泥巖夾薄層粉砂巖沉積,綜合分析認為LSC5和LSC6沉積時期主體上發育一套南北向的辮狀河三角洲前緣-湖泊相沉積體系。

綜合巖心相、測井相、地震相及地震屬性分析,認為塔河油田T區三疊紀沉積時期發育辮狀河三角洲平原、辮狀河三角洲前緣,河流相及湖泊相沉積體系。具體演化過程為:下三疊統柯吐爾組發育湖相沉積,隨著湖平面下降,中統阿克庫勒組下段中下部發育近北東方向的辮狀河三角洲平原沉積,然后進入一個湖平面逐漸上升的過程,阿克庫勒組下段的上部演變為近北東方向的辮狀河三角洲前緣沉積,湖平面繼續上升發育湖相沉積,然后進入阿克庫勒組上段,上段與下段之間存在時間較長的沉積間斷,這期間構造抬升,填平補齊作用明顯,地勢平緩,發育近東西方向的河流相沉積,進入哈拉哈塘組后出現規模較大的湖侵,發育近南北方向的辮狀河三角洲前緣-湖泊相沉積體系。

圖6 塔河油田T區三疊系LSC3沉積時期地震屬性切片(a)及北東方向地震相解釋剖面(b)(剖面位置見圖2)Fig.6 Seismic attribute slice(a) and NE seismic facies interpretation profile(b) during the depositional period of the Triassic LSC3 in Block T of Tahe oilfield(see Fig.2 for the profile location)

5 研究區沉積模式

晚二疊世塔里木板塊與伊犁地體的碰撞仍在持續,造成塔里木板塊向伊犁地體發生A型俯沖作用,導致三疊紀時期在南天山的南緣產生了庫車周緣前陸盆地[20]。前陸盆地沉降和抬升受多種因素影響,例如沖斷推覆、沉積載荷、俯沖等等,但是相關學者[21-29]的研究表明前陸盆地演化的主要原因是造山帶負載導致的巖石圈撓曲,造山帶的逆沖作用是前陸盆地沉降的最重要控制因素,也直接影響了前陸盆地的沉積特征。因此三疊紀時期塔里木庫車前陸盆地的沉降主要是天山褶皺沖斷帶巨大的載荷作用于塔里木板塊邊緣而使其彎曲沉降[20]。

井震結合分析得出研究區主體發育辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系,三疊紀時期物源方向自下而上由北東方向逐漸演化為正北方向,并且首次從地震屬性分析中發現了短暫的近東西方向的河流相沉積。研究區三疊紀時期位于塔里木庫車前陸盆地內,因此沉積體系受造山帶逆沖構造運動影響,導致塔河油田T區三疊紀沉積時期存在垂直于造山帶和平行于造山帶沉積搬運的兩種沉積模式(圖9)。

圖7 塔河油田T區三疊系LSC4沉積早期地震屬性切片(a)及近南北方向地震相解釋剖面(b)(剖面位置見圖2)Fig.7 Seismic attribute slice(a) and nearly NS seismic facies interpretation profile(b) during the depositional period of the Triassic LSC4 in Block T of Tahe oilfield(see Fig.2 for the profile location)

逆沖運動活動期(圖9a),伴隨造山帶的逆沖活動,由于巖石圈的撓曲響應,山前盆地近源區發生快速沉降,強烈的構造沉降導致盆地近源區的可容納空間增大,湖水上升,地勢變陡,河流搬運動力增大,侵蝕作用隨之增強[30],大量粗粒沉積物在盆地近源區快速堆積,從而在盆地近源區形成了厚度較大的粗粒辮狀河三角洲沉積,持續的構造沉降導致大規模的湖侵,盆地遠源區發育湖泊相,因此逆沖活動期研究區形成垂直于造山帶沉積搬運的辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系。另外不同時期的地震標準化波形屬性分布圖顯示,在造山帶運動過程中,造山帶整體也不斷地向南部發生小規模的遷移,辮狀河三角洲物源方向由北東方向逆時針遷移到正北方向。這可能是由于沖斷帶山體受逆沖構造運動擠壓作用的影響,水平前展作用產生水平滑動位移量,從而使山體向其南部發生前移,導致物源前進[31],沉積物源搬運距離減小,入湖后形成水下沉積體。

逆沖運動平靜期(圖9b),造山帶山前巖石圈開始回彈,盆地近源區構造抬升,導致可容納空間減小,湖平面下降,地勢平緩,源區相對低的地勢導致物理風化較弱,碎屑產率較低,河流搬運作用弱[30],盆地近源區沉積物供應不足以及沉積物在盆地內的分散能力有限,主要發生細粒沉積物的填平補齊作用。并且由于先前逆沖活動時期構造擠壓,在盆地內產生了許多近似平行于造山帶的斷裂,因此逆沖運動平靜期,細粒沉積物主要在這些斷裂帶內沉積下來,從而在研究區形成近似平行于造山帶沉積搬運的河流相沉積。當下一次逆沖活動期到來時,盆地近源區又快速地發生構造沉降,大量粗粒沉積物在近源區堆積,盆地進入下一個沉積旋回。

圖8 塔河油田T區三疊系LSC5沉積時期地震屬性(a)及南北方向地震相解釋剖面(b)(剖面位置見圖2)Fig.8 Seismic attribute slice(a) and NS seismic facies interpretation profile(b) during the depositional period of the Triassic LSC5 in Block T of Tahe oilfield(see Fig.2 for the profile location)

6 結論

1) 根據區域巖心、測井及地震資料,結合前人研究成果,建立了塔河油田T區三疊系層序地層劃分方案,塔河油田T區三疊系頂底均為不整合面所限定,整體上劃分為一個構造層序(二級層序),在其內部又劃分了6個長期基準面旋回(三級層序),在長期旋回內部進一步劃分了高位體系域、湖侵體系域和高位體系域。

2) 根據巖心及粒度分析資料,總結了辮狀河三角洲平原水上分流河道、河道底部滯留沉積、辮狀河三角洲前緣水下分流河道、河口壩、天然堤及淺湖-半深湖沉積的巖心相特征；結合測井曲線及巖心相特征識別出箱形、鐘形、漏斗形、指形、交互指形等測井相；根據地震反射的外形特征及內部結構劃分了席狀地震相和充填地震相。綜合分析巖心相、測井相和地震相特征,確定區域沉積相類型為辮狀河三角洲、河流及湖泊相。

3) 典型地層切片地震標準化波形屬性分析顯示,塔河油田T區三疊紀沉積時期,下油組辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系呈近北東方向分布,上油組辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系呈正北方向展布,而中油組河流相沉積呈近東西方向分布。

4) 塔里木盆地三疊紀進入前陸盆地發展階段,受區域逆沖構造運動影響,研究區三疊紀沉積盆地存在兩種沉積模式。逆沖作用活動期,盆地近源區強烈的構造沉降導致大量粗粒沉積物在近源區堆積,并且在造山帶運動過程中,造山帶整體也不斷地向南部發生小規模的遷移,導致辮狀河三角洲物源方向由北東方向逆時針遷移到正北方向,從而形成近似垂直于造山帶沉積搬運的辮狀河三角洲-湖泊相沉積體系；逆沖平靜期,盆地近源區構造抬升,沉積物供應不足,發生細粒沉積物的填平補齊作用,從而形成近似平行于造山帶沉積搬運的河流相沉積。塔河油田T區沉積模式為塔里木地區三疊系儲層勘探開發提供了地質依據。

圖9 塔河油田T區三疊紀沉積模式Fig.9 Triassic sedimentary models for Block T of Tahe oilfield