北部灣盆地烏石凹陷斷坳轉換期不整合結構特征及其成藏作用

吳孔友, 李彥穎, 范彩偉, 董 方, 洪 梅

北部灣盆地烏石凹陷斷坳轉換期不整合結構特征及其成藏作用

吳孔友1, 李彥穎1, 范彩偉2, 董 方1, 洪 梅1

(1. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院, 山東 青島 266580; 2. 中海石油(中國)有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057)

北部灣盆地T60不整合是古近系與新近系的分界, 且形成于盆地由斷陷進入坳陷的轉換階段。本文通過地震資料精細解析, 揭示位于盆地中部的烏石凹陷在該時期(T60)不整合發育明顯, 且剖面類型多樣。依據不整合上、下地震反射特征, 可劃分為平行?削截不整合、超覆?削截不整合、平行?褶皺不整合等8種不整合類型, 且在平面上削截類不整合的分布范圍最廣。研究表明不整合類型的平面分布規律受控于構造部位及變形強度。不整合在縱向上發育三層結構, 并依據測井曲線響應特征建立了縱向結構的識別方法。利用該識別方法, 烏石凹陷新近系下洋組底部(T60)不整合縱向結構發育, 多條曲線在不整合結構上、下層與中層之間出現臺階式突變, 且中層是多條變化幅度差曲線的低值區。同時, 對不整合結構中層風化黏土層重點分析, 揭示其平面發育規律主要受控于不整合剖面類型及剝蝕厚度這兩大要素。依據烏石凹陷東區不整合成藏條件及成藏模式, 疊合不整合剖面類型、風化黏土層厚度、烴源巖厚度等因素, 針對烏石凹陷東區, 優選出2個地層圈閉有利勘探區帶, 為下一步勘探部署提供了方向。

烏石凹陷; 斷坳轉換期; 不整合類型; 不整合結構; 地層圈閉

0 引 言

地層油氣藏在我國常規油氣資源中占有重要位置(宋國奇等, 2010), 其與不整合密切相關(張克銀等, 1996; 吳孔友等, 2002; 張建林, 2005; 楊克兵等, 2016)。宏觀上不整合類型控制地層油氣藏類型及展布, 微觀上不整合結構控制地層圈閉的有效性(劉傳虎和莊文山, 2008; 陶士振等, 2011)。不整合對油氣的控制作用主要體現在結構上層和下層對油氣具有輸導與儲集作用, 結構中層風化黏土對油氣的封蓋作用(吳孔友等, 2003; 郝芳等, 2005; 王艷忠等, 2006; 何登發, 2007; 陳濤等, 2011; Zou et al., 2012)。烏石凹陷是北部灣盆地重要含油氣凹陷之一, 古近系沉積期處于陸相斷陷階段, 而新近系沉積期盆地轉換為海相坳陷階段, 兩者接觸關系為一明顯的區域不整合。目前對該不整合的研究主要針對層序劃分及盆地演化方面(孫偉等, 2008; 馬云等, 2013), 關于不整合結構及其成藏作用研究尚未開展。考慮到不整合在地層油氣藏中的重要意義及烏石凹陷的潛在油氣價值, 本次研究將開展不整合類型、結構精細劃分及風化黏土層識別與分布規律等研究, 進而預測地層圈閉, 對指導該區下一步油氣資源勘探由深層轉向中淺層的部署及挖潛具有極為重要的理論與實踐意義。

1 地質背景

北部灣盆地是南海北部大陸邊緣典型的新生代斷陷裂谷盆地, 具有明顯的下斷上坳的雙層結構, 盆地展布面積約39800 km2(何家雄等, 2008)。而烏石凹陷是北部灣盆地中部的一個次級構造單元, 凹陷呈東西走向, 平面上呈“S”型, 北靠企西隆起, 與潿西南凹陷及海中凹陷相鄰, 南部以流沙凸起為界, 總面積約為2560 km2, 是北部灣盆地繼潿西南凹陷之后又一主要的生油氣凹陷(徐新德等, 2013; 尤麗等, 2015)。

研究區位于烏石凹陷東部(圖1), 內部劃分為北部掀斜斷塊構造帶、中央反轉構造帶、南部深洼陷帶。該區新生界發育較全, 古近系自下而上發育古新統長流組、始新統流沙港組以及漸新統潿洲組。其中, 長流組沉積期凹陷處于初始斷陷期, 凹陷邊緣7號斷層此時開始發育(胡林等, 2020)。流沙港組沉積期凹陷處于強烈斷陷期, 該時期烏石凹陷受珠瓊運動Ⅰ幕影響, 凹陷繼續張裂, 且活動性增強, 但整體區域性抬升, 沉積中心受7號斷層控制, 沉積范圍擴大。潿洲組沉積期凹陷處于斷陷晚期, 受珠瓊運動Ⅱ幕和南海擴張影響, 7號斷層持續性拆離伸展, 形成掀斜構造, 導致烏石凹陷東部形成繼承性的構造隆升帶, 潿一段頂面沉積地層遭受風化剝蝕, 即形成新近系與古近系之間明顯的T60角度不整合(胡德勝等, 2016; 李才等, 2018)。新近系沉積期以來, 烏石凹陷斷層活動趨于停止, 盆地整體進入裂后熱沉降的坳陷階段, 整體下降接受沉積, 依次沉積了下洋組、角尾組、燈樓角組、望樓港組(朱繼田等, 2010; 劉宏宇, 2019)。

圖1 北部灣盆地(a, 據馬云等, 2013)和研究區(b, 據楊海長等, 2011)構造簡圖

2 不整合類型及平面分布

2.1 剖面類型

隨著研究的深入, 學者們對不整合剖面類型提出了多種劃分方案(Dunbar and Rodgers, 1957; Beer et al., 1990; 吳亞軍等, 1998; 劉華等, 2003; 高長海等, 2013)。然而, 基于地質分層、層序劃分所使用的不整合類型, 只考慮不整合上或下地層結構的單一因素, 未將不整合上、下地層結構與變形特征作為整體來分析(隋風貴和趙樂強, 2006), 由此得出的不整合分類不能滿足深入認識其成因、結構及控藏作用的需要。在烏石凹陷中, 由于古近系沉積期盆地整體處于斷陷活動下, 發育多期張裂和多種構造樣式。之后由于構造隆升, 致使下覆地層遭受區域性剝蝕, 削截角度大、削截范圍廣, T60界面之上的下洋組形成超覆沉積, 表現為典型的“上超下削”(馬云等, 2013), 使得該期不整合成為構成地層圈閉的有利區帶。因此在不整合類型劃分上, 不僅要考慮不整合成因類型, 還要依據地層的幾何學特征, 進一步細分不整合類型。本次研究在對不整合剖面類型劃分充分調研的基礎上, 利用大量三維地震資料展開系統研究, 根據不整合上、下地震反射特征, 地層結構與變形差異, 將新近系下洋組底部不整合剖面細分為8種類型: 平行?平行不整合、平行?削截不整合、平行?斷褶不整合、平行?褶皺不整合、超覆?平行不整合、超覆?削截不整合、超覆?斷褶不整合以及超覆?褶皺不整合(圖2)。

2.2 平面分布

不整合類型的平面分布形式是構造運動作用方式的痕跡, 體現了構造運動的活動特點(吳孔友等, 2011)。在明確烏石凹陷東區下洋組底部不整合剖面特征的基礎上, 剖析了不整合類型的平面分布規律。不整合剖面類型具有明顯分區分布的特點(圖3): 平行?平行不整合、超覆?平行不整合主要發育在地形較為平緩的西部及南部; 平行?褶皺不整合主要集中在中部和東部地區, 發育范圍與中央構造反轉帶重疊; 超覆?褶皺不整合發育較少, 僅南部和東部零星發育; 平行?削截不整合、超覆?削截不整合發育廣泛, 北部掀斜斷塊構造帶以超覆?削截不整合發育為主, 東部則以平行?削截不整合最為典型; 而超覆?斷褶不整合及平行?斷褶不整合的分布則主要與大斷層的發育位置緊密相關。

總體來看, 烏石凹陷東區下洋組底部不整合類型分布的規律性, 是構造運動作用方式及強度變化的體現: 斜坡區不整合主要發育超覆?削截不整合、超覆?平行不整合等; 隆起區不整合類型發育多樣, 平行?褶皺不整合、平行?斷褶不整合、超覆?削截不整合等均有發育; 而洼陷區受構造運動影響相對較弱, 往往發育平行?平行不整合和平行?削截不整合等類型。

3 不整合結構識別及風化黏土層發育的影響因素

3.1 不整合縱向結構識別

不整合代表后期地質作用對前期沉積巖(物)不同程度的改造, 改造程度的不均一性及后期下沉發生水進形成上覆巖石, 使得不整合具有了層次結構。這種層次結構使得不整合縱向上可劃分為包括上層、中層及下層三層結構, 構成不整合結構體(王艷忠等, 2006; 吳孔友等, 2012; Wu et al., 2013)。但不整合的層次結構厚度較薄, 識別難度較大, 目前尚無法通過地震方法確定, 而是主要依賴于測井方法。不整合結構體各結構層無論在巖性、孔隙度、滲透率等方面均存在差異, 在測井資料上會有所響應, 因此可以選擇敏感測井曲線進行處理, 放大或突出顯示異常值, 進而劃分不整合縱向結構, 具體流程如下:

(1) 曲線變化幅度差及歸一化計算

①選取對不整合孔隙敏感的補償中子CNL、密度DEN、電阻率和自然伽馬GR進行曲線變化幅度差計算, 計算公式為:

式中: Δi為CNL、DEN、或GR,i為當前深度點的測井曲線值,i–1和i+1為當前深度點鄰近的兩點的測井曲線值。

②對各個參數進行歸一化計算

各曲線量綱不同, 數值相差較大, 因此, 對補償中子CNL、電阻率、自然伽馬GR的變化幅度差采用如下公式歸一化:

式中: Zi表示當前深度點上述變化幅度差曲線歸一化后數值, 可分別用ZN、ZR、ZG表示; ΔYi表示當前深度點該種測井曲線實際變化幅度差值; ΔYmax表示該種測井曲線的最大變化幅度差; ΔYmin表示該種測井曲線的最小變化幅度差。

圖3 烏石凹陷下洋組底部不整合類型、剝蝕厚度及風化黏土層厚度疊置圖

密度DEN變化幅度差則采用如下公式進行歸一化處理:

(2) 構建不整合孔隙綜合判別參數

利用歸一化計算后的變化幅度差曲線N、D、R及G構建不整合孔隙綜合判別參數。

(3) 巖石骨架物質不同, 補償中子及密度測井計算的總孔隙度存在明顯差異, 結合二者數值關系構建一個經驗指數, 定義為總孔隙度變化幅度差比值c, 可作巖性判別曲線。

密度測井計算總孔隙度的公式為:

式中:b為密度測井曲線讀出的測量值;f為孔隙中流體的密度值;ma為巖石骨架密度值。

補償中子測井計算總孔隙度的公式為:

式中:b為補償中子曲線上讀出的測量值;Nma為巖石骨架中子值;Nf為孔隙中流體的中子值。

構建總孔隙度變化幅度差比c公式為:

式中:N為補償中子測井計算的總孔隙度;D為密度測井計算的總孔隙度。

(4) 自然伽馬測井

泥質含量的變化會引起GR曲線幅度的變化, 可用于區分不整合三層結構, 并可借此對比風化泥巖與正常泥巖, 泥質含量指數計算公式為:

式中: GRlog為實際測量值; GRmax、GRmin分別為該曲線的最大、最小測量值。

則泥質含量sh計算公式為:

式中: GCUR為希爾奇指數, 可根據實驗室取心分析資料確定。

(5) 不整合內部結構劃分

根據不整合內部結構的特點, 通過不整合孔隙綜合判別參數、巖性判別曲線c、泥質含量曲線sh三者的結合, 完成不整合內部結構的定量劃分。

以研究區w-o井為例(圖4), 處理后的測井曲線在不整合處具有明顯的響應特征。電阻率、伽馬等幅度差曲線顯示, 在不整合結構體上層、下層與中層的接觸處, 常出現臺階式高值, 中層的GR、R、NPHI等曲線值均較低, 而上層、下層波動則比較強烈。從孔隙綜合判別參數來看, 也同樣呈現中層為內凹的低值區態勢, 此外, 泥質含量曲線sh和總孔隙度變化幅度差比c在w-o井的下洋組底部不整合三層結構劃分中也起到了很好的識別作用。

3.2 風化黏土層發育規律

目前對不整合結構控藏作用研究主要集中在不整合結構的上層和下層對油氣輸導與儲集作用方面, 而對中層(即風化黏土層)特征及其作用研究較少(鄒才能等, 2014)。風化黏土層可以作為不整合結構體上層油氣充注成藏的底板遮擋層, 防止油氣向下部溢出, 同時也可以作為頂板蓋層, 對不整合結構下層的油氣充注成藏起封蓋作用, 防止油氣向上部漏出(王艷忠等, 2006; 吳孔友等, 2012)。在風化黏土層缺失或厚度不足以達到頂底板作用的區域, 不整合結構上、下層連通, 可作為良好的輸導體系, 起輸導作用(吳孔友等, 2003; 高長海等, 2013)。明確風化黏土層的厚度及分布是研究不整合控藏的必要環節, 本文在不整合結構識別的基礎上, 重點統計了研究區鉆遇下洋組底部不整合各井風化黏土層的發育厚度, 繪制其等值線圖(圖3): 在w-o井區附近出現了厚度高值集中區, 最高厚度可達8 m以上, 以該井為中心, 風化黏土厚度逐漸向四周減薄。其中沿其東南方向, 厚度遞減速度較快, w-n井區厚度就降到4 m以下, 至w-m井區, 風化黏土層甚至缺失, 這種情況反映出該片區域因靠近中央隆起帶, 坡度較陡, 風化黏土在構造高部位較難保存, 導致發育厚度普遍較低。經過風化黏土層的厚度低值帶繼續向南, 其厚度又開始逐漸遞增, 這是由于靠近南部洼陷帶, 由構造高部位向構造低部位, 物體能量的降低, 風化黏土層容易堆集。由w-o井沿北西西向, 同樣受構造高部位影響, 厚度遞減。在斜坡區, 厚度較大, 其中東南邊界和北西邊界是厚度高值區, 可達5 m以上。

A. 不整合結構體上層; B. 不整合結構體中層; C. 不整合結構體下層。

3.3 風化黏土層發育的影響因素

(1) 地層剝蝕厚度

剝蝕量的大小關系到對油氣勘探潛力的正確評價, 依據地質背景可以選擇多種方法(黃捍東等, 2006)。烏石凹陷東區鉆遇中淺層的井較多, 本研究采用測井資料恢復剝蝕厚度的方法, 具體步驟為數據采集、單井剝蝕厚度推算和區域剝蝕量恢復。以T60反射層作為目標層位, 依據聲波時差測井數據分別建立界面上、下地層聲波時差值與深度的簡單指數模型:

式中:代表深度(m);代表沒有明顯剝蝕的地表聲波時差值;代表正常壓實趨勢斜率的常數;代表地層深度為處的聲波時差值。

延伸曲線至等聲波時差線, 讀取兩曲線的地層深度差值即可得剝蝕厚度。

運用聲波時差值與深度的簡單指數模型, 對研究區鉆遇不整合的井進行剝蝕量恢復, 并依據剝蝕量數據做出區域剝蝕厚度等值圖。通過對研究區T60反射層區域剝蝕厚度的恢復, 可以得出該區剝蝕厚度分布的一般規律: 整體剝蝕厚度均較小, 最大值位于東部高幅背斜帶構造高部位, 最大剝蝕厚度約150 m, 其余構造單元剝蝕厚度均小于80 m, 指示研究區暴露時間短, 剝蝕厚度小。將剝蝕厚度與風化黏土層發育厚度的疊置可以發現, 剝蝕厚度值由東向西呈現先降低后增加的大體趨勢, 風化黏土厚度則表現為先增加后降低。但剝蝕厚度高值區并非不發育風化黏土, 這可能與風化黏土的形成速度比剝蝕、搬運速度快有關(圖3)。

(2) 不整合剖面類型

4 不整合成藏作用及地層圈閉優選

4.1 成藏條件與模式

烏石凹陷中淺層目前發現的油氣主要分布在東部次洼, 在潿洲組和下洋組均有發現。下洋組主要為背斜油氣藏, 有斷層切割, 位于分布最廣的頂部泥巖層下面; 潿洲組油氣主要儲集在背斜背景上的斷塊圈閉、褶皺不整合圈閉中。烏石凹陷主力烴源巖為古近系流沙港組, 盡管流一段、流二段、流三段均達到烴源巖標準, 但從目前油氣勘探結果來看, 流二段發育關鍵供烴源巖, 特別是位于流二段頂、底的油頁巖。研究區烏石凹陷東區埋藏深、流二段巨厚、斷層發育、構造復雜, 具有優越的油氣成藏條件。通過構造特征與構造樣式解析, 東區發育張扭性斷層、張性斷層、壓性斷層、角度不整合、低幅度背斜、高幅度背斜等多種構造樣式, 特別是多類型斷層與不整合發育的縱向結構為油氣運移提供了良好通道。空間上, 在流二段供烴背景下, 在斷層、砂體、不整合聯合輸導作用下, 烏石凹陷東區發育“一”字型、“之”字型和“多”字型成藏模式(圖5)。“一”字型成藏模式中, 油氣垂向優勢運移通道是溝通深部油源的大型斷裂, 油氣沿斷裂帶向上輸導, 受較厚的泥巖或風化黏土層遮擋聚集成藏, T60不整合中層風化黏土層在該模式中可發揮頂板作用, 阻止油氣向上運移, 結構體下層風化淋濾帶則可成為油氣的儲集空間。在“之”字型成藏模式中, 深、淺層斷裂溝通不整合, 形成垂向?側向復合輸導體系, 深層斷裂切穿烴源巖, 形成油氣初次運移通道, 不整合結構體下層風化淋濾帶和上層底礫巖(水進砂體)成為了側向運移通道。“多”字型成藏模式受深、淺兩套斷裂體系控制, 不整合成為連接兩套斷裂體系的紐帶, 是油氣側向運移的優勢路徑。深部斷裂體系靠近深洼帶, 斷穿烴源巖使深層油氣可以有效排出, 同時也是潛山油氣藏的主要分布區域。側向運移段不整合結構完整, 風化黏土層橫向連續性好, 在此路徑上可形成多種地層油氣藏, 當淺層斷裂體系溝通不整合結構, 油氣沿斷裂向上運移, 便可形成斷塊油氣藏、背斜油氣藏等。T60作為烏石凹陷東區中淺層的區域性不整合, 可成為地層圈閉(油氣藏)的有利勘探層。

4.2 地層圈閉有利目標優選

在對T60不整合類型平面分布與風化黏土層發育厚度疊合分析基礎上(圖3), 將研究區主力烴源巖流沙港組二段厚度等值線、風化黏土層厚度等值線與T60不整合類型平面分布圖疊合分析, 再結合其他成藏條件進行地層圈閉有利區的評價, 在T60不整合之下潿洲組中優選出了A、B兩個有利目標區(圖6a)。A區面積約為29.2 km2, 發育平行?褶皺不整合, 風化黏土厚度在3 m以上, 且處于烴源巖成熟區, 生烴層系厚度大于500 m; B區15.7 km2, 同樣發育為平行?褶皺不整合, 風化黏土厚度介于4～7 m之間, 處于烴源巖成熟區, 生烴層系厚度介于300～500 m之間。從風化黏土的蓋層條件、烴源巖指標、可起輸導作用的斷層發育情況上看, A、B兩區均具有良好的成藏條件。過目標區的地震剖面顯示, 圈閉A、B均為遭受剝蝕的背斜(圖6b), 經風化黏土層頂板封蓋, 油氣沿斷裂垂向運移至T60, 再沿不整合縱向結構下層進入圈閉, 形成褶皺不整合油氣藏。經時深轉換計算, 地層圈閉A的閉合度約為71 m, 圈閉B的閉合度約為73 m。

圖5 烏石凹陷東區成藏模式圖

圖6 地層圈閉有利區帶評價

5 結 論

(1) 烏石凹陷東區新近系下洋組底部不整合共發育8種剖面類型: 平行?平行不整合、平行?削截不整合、平行?褶皺不整合、平行?斷褶不整合、超覆?平行不整合、超覆?削截不整合、超覆?褶皺不整合和超覆?斷褶不整合, 且分布具有差異性。

(2) 新近系下洋組底部不整合縱向劃分3層結構, 各層在測井曲線上具有明顯的響應特征, 根據曲線變化幅度差、孔隙綜合判別參數、泥質含量曲線sh、總孔隙度變化幅度差比值c等, 在縱向上識別不整合結構: 變化幅度差及值在不整合結構上、下層與中層的接觸面為臺階式突變, 中層為低值區, 較穩定, 泥質含量較高。中層結構風化黏土層厚度發育受不整合剖面類型、剝蝕厚度影響, 可對下伏地層圈閉起封蓋作用。

(3) 根據烴源巖發育層位、輸導體系空間分布, 建立了3種油氣成藏模式, 綜合不整合剖面類型、風化黏土層厚度、烴源巖厚度, 在烏石凹陷東區評價出2個地層圈閉有利勘探區帶, 是中淺層油氣勘探優選目標。

致謝:兩位匿名審稿專家提出了建設性意見和建議, 在此表示衷心感謝。

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Characteristics of Unconformity Structure and its Implication for Petroleum Accumulation During Fault-depression Transition Period in the Wushi Sag, Beibuwan Basin

WU Kongyou1, LI Yanying1, FAN Caiwei2, DONG Fang1, HONG Mei1

(1.School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao 266580, Shandong, China; 2. Zhanjiang Branch, CNOOC China Limited, Zhanjiang 524057, Guangdong, China)

As the Paleogene-Neogene boundary, the T60 unconformity in the Beibuwan Basin recorded the transition of the faulted basin into the depression basin. Eight types of unconformities are identified to occur during the deposition of the T60 unconformity in the Wushi Sag, which is located in the central part of the basin, based on changes of seismic reflection characteristics of the unconformity. The unconformity types include parallel-truncation unconformities, overlap-truncation unconformities, and parallel-folding unconformities, among which truncation unconformities have the widest distribution range in the plan view. The plane distribution of each type of unconformity is controlled by structural location and deformation strength. Given the three layered structures of these unconformities, this study develops an efficient method to recognize the vertical structures of the unconformities on the logging curves. Vertical unconformity structures are found to be developed at the bottom of the Neogene Xiayang Formation in the Wushi Sag based on the comprehensive interpretation of the logging curves. Step-like changes occur in several logging curves at the contact surfaces between the middle weathered clay layer and the upper and lower layers of the unconformity structure. Moreover, the weathered clay layer corresponds to the low-value intervals in multiple changing amplitude difference curves, and its planar distribution is found to be mainly controlled by the unconformity types and denudation thicknesses. Eventually, two favorable exploration areas of stratigraphic traps in the eastern Wushi Sag are selected for further exploration and deployment, based on comprehensive analyses of the unconformity-related accumulation conditions and modes, unconformity types, weathered clay layer thickness, and source rock thickness.

Wushi Sag; fault-depression transition period; unconformity types; unconformity structures; stratigraphic traps

2020-11-03;

2021-04-09

國家科技重大專項“地層圈閉描述及有效性分析技術研究”(2017ZX05001003004)資助。

吳孔友(1971–), 男, 教授, 從事油區構造解析研究工作。E-mail: wukongyou@163.com

P548; TE122

A

1001-1552(2022)02-0272-010