遼中凹陷西斜坡古近系東三段湖底扇發育模式及大油田發現

牛成民，惠冠洲，杜曉峰，官大勇，王冰潔，王啟明，張宏國

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

湖底扇的概念來源于海底扇，是指在陸相湖盆中由地震、洪水、構造運動等事件觸發，導致碎屑物沿斜坡帶進入深湖區而形成的一種深水重力流沉積體。深水重力流沉積研究源于20 世紀五六十年代，Kuenen 等［1］首次提出了濁流概念；Bouma［2］通過野外露頭建立了著名的鮑馬序列；1978年，Walker［3］和Normark［4］先后提出了海底扇標準相模式；1984年，劉孟慧等［5］和趙澂林等［6］對渤海灣盆地重力流沉積特征進行了研究，提出了湖底扇相模式并進行了儲層預測。21 世紀以來，湖底扇研究進入了新的階段，眾多學者對湖底扇的形成演化機制［7-10］、沉積儲層特征［11-13］、有利砂體預測［14-15］進行了深入的解剖，明確了其巨大的油氣勘探地質意義。勘探實踐表明，在我國松遼盆地［16］、二連盆地［17］、鄂爾多斯盆地［18］、渤海灣盆地［19-20］、北部灣盆地［21-22］等陸相含油盆地的湖底扇巖性體中都獲得了規模性的勘探發現。隨著渤海海域勘探程度逐漸提高，單一構造圈閉勘探已不能滿足油氣增儲上產的需求，勘探方向逐步向地層油氣藏、巖性油氣藏等隱蔽油氣藏方向拓展，其中湖底扇成為了巖性油氣藏勘探研究的重要領域。近年來，在渤海海域的遼中凹陷、萊州灣凹陷和黃河口凹陷湖底扇勘探中都獲得了一定的發現，其中在遼中凹陷西部斜坡帶古近系東營組三段（東三段）湖底扇砂體的勘探中獲得了重大油氣發現。然而，學者們對遼中凹陷湖底扇的研究主要集中在北洼，而斜坡區湖底扇因鉆井資料少且地震資料品質較差，研究相對較少，對其沉積主控因素、沉積模式、成藏模式等缺乏系統認識。

通過對遼中凹陷西斜坡湖底扇物源體系、古地貌與坡折體系、湖平面變化進行分析，探討其沉積模式，在對旅大10-6 油田湖底扇沉積的巖石學特征，測井相、地震相特征及沉積相標志認識的基礎上，梳理湖底扇型巖性油氣藏的勘探發現歷程、油氣藏特征及油氣成藏模式，以期為今后斜坡帶湖底扇型隱蔽油氣藏的勘探提供參考。

1 區域概況

遼中凹陷位于渤海海域東北部、遼東灣坳陷中部，東西兩側分別被遼東凸起和遼西凸起所夾持，是遼東灣坳陷中面積最大的富生烴凹陷，面積約4 800 km2。在四十多年的勘探中，于區域內中央反轉帶相繼發現了旅大21-2、旅大27-2、旅大16-3等大中型油氣田，勘探實踐表明其為有利的油氣聚集區。

遼中凹陷在構造上整體表現為東斷西超的典型箕狀特征，東側為受遼東1號斷層控制的陡坡帶，西側是狹長寬緩的斜坡帶。研究區遼中凹陷西側斜坡帶（以下簡稱為西斜坡）緊鄰生烴中心，成藏條件好，鉆井揭示古近系發育完整，自下而上分別為孔店組、沙河街組和東營組。其中，東營組為區域主要勘探目標，自下而上可進一步劃分為東三段、東二段和東一段，湖底扇沉積體系主要發育在東三段（圖1）。東三段厚度為478～1 207 m，巖性分為3 段，上部為厚層泥巖夾薄層砂巖，中部以厚層泥巖為主，夾少量薄砂層，下部為泥巖與砂巖不等厚互層，局部發育中—厚層細砂巖。

圖1 遼中凹陷構造位置（a）和古近系巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Structural location of Liaozhong Sag（a）and stratigraphic column of Paleogene（b）

2 斜坡帶湖底扇發育模式

2.1 物源體系

渤海周緣前新生界地層層序研究表明，遼中凹陷西斜坡物源區包括遼西凸起和渤海灣盆地外西部燕山褶皺帶。研究區古地貌恢復圖（圖2）顯示，東三段沉積早期，遼西凸起部分出露在水面之上，形成“鏈狀島”，能夠提供一定的物源供給，而沒于水下的部分形成了潛在的輸砂通道，可將燕山褶皺帶的物源供給輸送至研究區內，為湖底扇沉積提供了物質基礎；東三段沉積中期，遼西凸起大部分沒于水下，僅少量出露水面，其作為研究區物源的有效性進一步下降，而燕山褶皺帶則持續供源，形成了大規模的辮狀河三角洲沉積，越過遼西凸起，為研究區供源。

圖2 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段沉積期源-匯體系Fig.2 Source-sink system of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

在東三段沉積期，遼西凸起出露母巖主要為中生代火成巖，燕山褶皺帶出露大面積的太古代變質巖，而東三段湖底扇碎屑鋯石測年顯示其年齡主要為2 500 Ma，在200 Ma 也有少量分布，這說明研究區碎屑巖中鋯石以太古代的碎屑鋯石為主，只有少量的中生代碎屑鋯石，進一步證實了燕山褶皺帶是主要的物源供給區，而遼西凸起為次要物源供給區。

綜上所述，研究區湖底扇是渤海灣盆地內、外共同供源的結果，盆外大規模的物源供給和變質巖的母巖區提供了碎屑物質和優質的儲集砂體。

2.2 古地貌與坡折體系

斷陷湖盆斜坡帶與陡坡帶相比地形相對平緩，但在沉積作用和構造作用的控制下，常發育沉積坡折帶和斷裂坡折帶。

沉積坡折帶是指由于不同沉積體系的沉積速率差異造成地形坡度突變，從而在空間形態上形成的坡折帶。地形坡度發生變化為早期沉積物滑動、滑塌提供了有利條件，直接控制了重力流卸載的主要發育位置。研究區東三段沉積中期，從遼西凸起向遼中凹陷湖盆中進積的辮狀河三角洲沉積體系在斜坡帶形成了沉積坡折，該坡折位于三角洲平原與三角洲前緣的結合位置，在地震剖面上一般與前積反射的頂部相對應，并且與湖底扇沉積具有較為清晰的界線（圖3），其形成與早期三角洲沉積所形成的古地貌背景息息相關。

圖3 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段沉積坡折帶控制湖底扇卸載位置Fig.3 Sedimentary slope break zone controls the unloading position of the sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

斷裂坡折是受控凹斷裂及區域構造應力影響而形成的具有一定斷層坡度和斷距的斷裂組合，整體斷裂發育規模較小，平面上多呈近東西向展布，地層以緩坡與凹陷相連接，向湖盆中心還發育次級斷裂坡折，形成較為明顯的沉積坡折。斷裂坡折帶形成的微古地貌變化控制著局部砂體搬運方向和差異富集程度，如研究區旅大10-5構造主要發育反向斷層形成的斷裂坡折帶，碎屑物的運移受到遮擋，湖底扇集中發育，而旅大10-6 構造發育同向斷裂坡折帶，湖底扇沿斷階帶向湖方向展布。

2.3 湖平面變化

東三段沉積期，研究區湖平面整體呈現出不斷上升的過程，受到頻繁變化的湖平面影響，形成多期次級湖泛面，湖底扇體系與三角洲體系在時間上先后發育、在空間上錯位互補。東三段沉積初期，湖平面相對較低，沉積可容納空間較小，遼西凸起整體出露水面，遼中凹陷僅能接受遼西凸起供給物源，形成辮狀河三角洲沉積，隨著湖平面上升，遼西凸起沉沒水下，湖盆欠補償形成湖相泥巖沉積。湖平面變化與物源體系變化耦合形成了三角洲、湖泊和湖底扇沉積，三者在空間上的反復疊置為巖性圈閉的形成提供了良好的保存條件（圖4）。

圖4 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段湖平面變化控制湖底扇垂相疊置關系Fig.4 Lake level changes control the vertical superposition relationship of the sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

2.4 沉積模式

東三段沉積早期，湖平面較低，提供的可容納空間有限，遼西凸起南側整體出露水面，為旅大10-5構造辮狀河三角洲沉積提供了物源。北側凸起出露規模較小，僅能形成規模較小的三角洲沉積，三角洲沉積體發生滑塌，在旅大10-6 構造形成了湖底扇沉積（圖5a）。

東三段沉積中期，湖平面開始上升，可容納空間逐漸變大，遼西凸起整體沉入水下，僅有少量出露，形成了“鏈狀島”，水淹沒部分形成了有效的輸砂通道，燕山褶皺帶的盆外物源形成的大型辮狀河三角洲可通過“鏈狀島”之間的輸砂通道進入研究區，形成了大規模的辮狀河三角洲沉積。旅大10-5構造受反向斷裂坡折控制，湖底扇相對集中發育，而旅大10-6 構造受沉積坡折和順向斷裂坡折控制，滑動滑塌體沉積于坡腳部位，易向砂質碎屑流轉化，并表現為舌狀體向湖方向延伸（圖5b）。

東三段沉積晚期，湖平面進一步上升，可容納空間充足，燕山褶皺帶物源供給持續增強，碎屑物越過遼西凸起在研究區卸載沉積，形成了大型的辮狀河三角洲體系。受繼承性古地貌背景和持續斷裂活動的影響，三角洲滑塌在旅大10-5 構造和旅大10-6 構造分別形成湖底扇沉積（圖5c）。

3 湖底扇發育特征

3.1 巖石學特征

對遼中凹陷西斜坡旅大10-6 油田5 口井東三段174 個巖石薄片進行鑒定發現，巖性主要為中—細粒長石巖屑砂巖（圖6a），礦物成分主要為石英、長石和巖屑，其中石英體積分數為16.0%～38.0%，平均為26.6%；長石體積分數為30.0%～48.0%，平均為40.7%；巖屑體積分數為15.0%～45.0%，平均為32.7%，巖屑成分以巖漿巖和變質巖巖塊為主。碎屑顆粒分選性中等—好，呈次圓—次棱狀，成分成熟度較低，結構成熟度較高。

圖6 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段湖底扇儲層巖石類型及孔隙特征Fig.6 Sublacustrine fan reservoirs rock types and pore characteristics of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

儲層孔隙類型主要為原生粒間孔和溶蝕粒間孔，見少量粒內溶孔，孔隙發育一般，連通性較差。粒間充填物主要為鐵白云石、菱鐵礦和高嶺石，其中菱鐵礦呈凝塊狀分散于粒間，鐵白云石呈星點狀分布，高嶺石呈分散狀充填粒間。顆粒間以點-線、線接觸為主，長石風化程度中等（圖6b）。

顆粒粒度的分布和分選性是判斷沉積環境和水動力的標志，常用粒度概率累積曲線及C-M圖（C為累積曲線上算數百分比值為1%處對應的粒徑，M為累積曲線上算數百分比值為50%處對應的粒徑）來判斷沉積環境及水動力特征［26］。研究區東三段砂體顆粒粒度概率累積曲線為“一跳一懸”式，滾動次總體不發育，跳躍總體和懸浮總體占優勢，跳躍次總體的體積分數約為60%，懸浮總體體積分數約為40%，兩者交點粒度Φ值為2，粒度較小，代表受牽引流影響的重力流沉積（圖7a）。研究區東三段砂體顆粒粒度在C-M圖上表現出數據點與C＝M線平行的特征，即以遞變懸浮總體為主，代表快速沉積作用下形成的未經分選的沉積物，也說明流體性質以重力流為主（圖7b）。

圖7 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段砂體粒度分析Fig.7 Sand particle size of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

3.2 測井相及地震相特征

測井響應特征不僅能反映巖-電對應關系，也能指示沉積相帶。研究區東三段湖底扇按照沉積位置和形成機制可進一步劃分為內扇、中扇和外扇3個亞相，從測井曲線的變化可以看出湖底扇內扇—中扇—外扇沉積相帶的變化。內扇亞相距物源區位置最近，沉積物粒度最大，巖性以中—細砂巖為主，測井響應特征為高電阻率值和低自然伽馬值，電阻率和自然伽馬曲線均表現為鐘形和箱形（圖8a）；中扇亞相距離物源區相對較遠，巖性以細砂巖為主，見少量粉砂巖，從內扇—中扇顆粒粒度逐漸變小，測井響應特征為中—高電阻率值和低自然伽馬值，電阻率和自然伽馬曲線均為齒化箱形和鐘形（圖8b）；外扇亞相靠近湖盆中心，巖性以砂泥薄互層為主，粒度最小，測井響應特征為中電阻率值和中—低自然伽馬值，電阻率和自然伽馬曲線均為齒形或指形（圖8c）。此外，東三段測井曲線整體表現為多個箱形或齒化箱形疊加，反映了多期湖底扇相互疊置發育的沉積特征。

圖8 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段湖底扇測井相特征Fig.8 Logging facies characteristics of sublacustrine fan of Ed3in the western slope of Liaozhong Sag

湖底扇沉積具有獨特的地震相特征，表現為與相鄰的湖相或三角洲相沉積的波阻抗差異較大。研究區東三段湖底扇為大套湖相泥巖沉積背景下發育的厚層砂巖夾薄層泥巖的巖性組合，地震反射特征表現為“底平頂凸”透鏡狀或丘狀外形結構，東三段頂、底均為強振幅反射，地層內部呈現出多個低頻、強振幅連續反射，具有較小規模的前積特征，反映出湖底扇內部有多期主溝道相疊加，與圍巖泥巖的弱振幅空白反射明顯不同，平面上呈多期湖底扇疊置連片分布（圖9）。

圖9 遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段湖底扇地震相特征Fig.9 Seismic facies characteristics of sublacustrine fan of Ed3 in the western slope of Liaozhong Sag

3.3 沉積相標志

研究區東三段湖底扇沉積中的中扇亞相是最有利的勘探相帶，鉆井取心主要集中在中扇亞相。從巖心可以識別出水平層理、泥巖漂礫、拉條狀的泥巖撕裂屑及土黃色的磨圓度較好的泥礫，在粒度變小的巖心段具有明顯的滑塌變形構造，在砂底可見砂泥巖突變面、變形層理等多種沉積構造（圖10）。

圖10 遼中凹陷西斜坡LD10-6-2 井古近系東營組三段湖底扇巖心照片Fig.10 Core photos of sublacustrine fan of Ed3 of well LD10-6-2 in the western slope of Liaozhong Sag

4 旅大10-6 油田勘探發現

4.1 發現歷程

遼中凹陷西斜坡的勘探始于20 世紀90 年代，由于整個斜坡帶形態寬緩、構造簡單且幾乎不發育斷層，無法形成有效的構造圈閉，近三十年勘探僅獲得了錦州27-6 油氣田和錦州31-1 氣田2 個小型商業發現。2018年，根據走滑控圈模式在斜坡南段解釋發現了旅大10-5 和旅大10-6 構造，但這2 個構造斷裂系統復雜，單個斷塊圈閉面積僅為0.8～2.5 km2，勘探風險極大。旅大10-6 構造經歷了近五年3 輪次的勘探，主要包括構造勘探階段、巖性探索階段和巖性評價階段。

2018 年，從構造圈閉勘探轉為巖性圈閉勘探，在東三段發現的湖底扇砂體總面積約為57.7 km2，內部可追蹤7 期砂體，單期面積為2.3～9.5 km2，古近系湖底扇型巖性油氣藏勘探領域獲得重大突破。為探索研究區含油氣性及油氣成藏模式，在構造圈閉面積大、儲層發育的斷塊鉆探了LD10-6-1 井，于東三段鉆遇了4 期湖底扇砂體，砂巖總厚度為239.1 m，單砂層厚度為1.6～33.5 m，平均厚度為9.7 m，測井解釋油層總厚度為67.7 m，氣層總厚度為17.8 m，多個油組未揭示油水界面，湖底扇型巖性油氣藏初露端倪。

2019—2020 年，為了探索研究區巖性油氣藏模式、擴大儲量規模，開展了湖底扇巖性目標整體研究，針對該區中深層進行了三維地震資料重新處理，識別并精細刻畫了旅大10-5 和旅大10-6 這2 個構造區共39 個湖底扇砂體。結合沉積及油氣運聚條件研究，優選儲層發育、油氣匯聚條件好的湖底扇，按照巖性油藏模式設計并鉆探的LD10-6-2 井在東三段鉆遇4 期湖底扇砂體，砂巖總厚度為187.6 m，測井解釋油層厚度為57.7 m，氣層厚度為74.3 m，氣層測試獲日產氣40.3×104m3、日產油212.6 m3，油層測試獲日產油241.2 m3、日產氣4.5×104m3，證實了斜坡帶巖性勘探的巨大潛力，確立了研究區巖性油氣藏模式。

2020—2021 年，為了加深湖底扇的特征及分布研究，在旅大10-5、旅大10-6 構造區開展了整體評價鉆探，在鉆探過程中發現部分探井儲層砂體橫向快速尖滅、儲層發育但整體見水等復雜情況，3 口評價井接連失利。針對儲層尖滅問題，開展層序地層研究、劃分沉積期次、恢復不同沉積期古地貌，進而明確物源、古地貌及湖平面變化共同控制湖底扇分布及富砂性。同時開展油氣運聚研究，明確了“匯聚脊-通源斷層-順向砂體”三元耦合湖底扇規模性源外油氣成藏模式，重新優選了具備有利運聚背景的3 個湖底扇開展鉆探。其中，LD10-6-6 井在東三段鉆遇厚層湖底扇砂體，厚度達153.7 m，測井解釋油層厚度24.0 m，氣層厚度29.8 m，證實了“物源-坡折帶-湖平面”控制的富砂模式和“匯聚脊-通源斷層-順向砂體”控制的油氣富集規律，確定了遼中凹陷西斜坡巖性油氣藏的規模。

4.2 油氣藏特征

旅大10-6 油田位于遼中凹陷中洼西斜坡，緊鄰生烴主洼，油源供給充足，整體成藏條件優越。主力含油層系東三段主要發育湖底扇沉積，砂體平面分布范圍較廣，縱向上多期疊置，單砂體面積為3.47～52.74 km2，平均厚度為5.5～52.5 m，儲層孔隙度為14.1%～20.8%，平均為18.0%，滲透率為0.3～203.3 mD，平均為45.7 mD，具有中孔、低滲特征。

受多條斷層和不同期次砂體控制，旅大10-6 油田東三段可分為20 個相互獨立的油氣藏，其中11個油藏、9 個氣藏，埋深為2 660.0～3 420.0 m。基于測試和取樣資料可知，該區東三段地層溫度為70.70～113.50 ℃，溫度梯度為2.84 ℃/100 m，原始地層壓力為24.652～35.233 MPa，壓力系數為1.055，壓力梯度為1.07 MPa/100 m，屬于常溫、常壓油氣藏。油藏原油為輕質油，具有低含硫、高含蠟、膠質瀝青質含量中等、凝固點高的特征，地面（20 ℃）原油密度為0.831～0.833 g/cm3，50 ℃時黏度為2.67～2.90 mPa·s。其中硫的質量分數為0.05%，蠟的質量分數為17.14%～18.99%，凝固點為24.0～26.0 ℃，氣油比199～233 m3/m3。

該區氣藏中天然氣具有低含CO2、微含硫、不含氦氣的特征，其中CH4和C2H6—C6H14以上氣體的質量分數分別為81.45%～85.89%和12.15%～16.74%，N2和CO2質量分數分別為0～0.31%和1.50%～1.65%。天然氣相對密度為0.674～0.744，H2S 密度為6.45～12.37 mg/m3。凝析油具有低密度、低黏度、低含硫、中含蠟、凝固點低的特征，地面（20 ℃）凝析油密度為0.765 g/cm3，黏度為0.92～0.97 mPa·s。

4.3 油氣成藏模式

遼中凹陷發育古近系沙河街組三段（沙三段）、沙一—二段和東三段共3 套烴源巖。油源對比結果顯示，研究區油樣色-質譜表現出中—高4 甲基甾烷、中—高伽馬蠟烷及C27甾烷優勢等特征，反映出深層沙河街組是主力供烴層系。因此，東營組湖底扇砂體儲層為“下生上儲”成藏，屬于“脊-斷”耦合成藏模式。旅大10-5、旅大10-6 構造區深部發育2 條近東西向構造脊，構造脊上沙三段發育的砂礫巖分布面積較大，凹陷區沙河街組油氣生成之后，經過初次運移直接進入與烴源巖相接的沙三段砂礫巖體中，再通過構造脊由凹陷區向斜坡帶橫向運移并聚集在構造脊高部位形成構造脊“中轉站”油氣藏。隨著斜坡帶斷層的幕式活動，切脊斷層將深部砂礫巖中匯聚的油氣向上部東三段湖底扇儲層中垂向轉移，形成了高效的垂向運移通道，而非切脊斷層只能將斷面周圍接觸的烴源巖所生成的少量油氣運移至淺層，形成垂向差異運移。油氣到達湖底扇砂體后，由于斷層的分割作用，產生側向分流，優先在順向砂體中聚集。東三段湖底扇發育的斜坡區整體以湖相泥巖沉積為主，湖底扇優質儲層包裹在厚層泥巖之間，形成了“泥包砂”的特征，油氣保存條件較好。因此，研究區形成了以旅大10-6構造區為代表的“匯聚脊-通源斷層-順向砂體”三元耦合湖底扇規模性源外油氣成藏模式（圖11）。

圖11 遼中凹陷西斜坡“匯聚脊-通源斷層-順向砂體”油藏模式Fig.11 Hydrocarbon accumulation model of“convergence ridge-source fault-parallel sand body”in the western slope of Liaozhong Sag

根據砂體的規模、“匯聚脊-斷層-砂體”配置關系，優選具有匯聚脊背景、有通源斷層且正向充注的扇體進行部署鉆探，已確定旅大10-6 構造探明油當量為3 000×104t，是遼中凹陷西斜坡首個發現的大型輕質巖性油氣田。

5 結論

（1）遼中凹陷西斜坡古近系東營組三段受盆外燕山褶皺帶與遼西凸起雙物源體系影響，以前者為主，坡折帶和微古地貌變化控制湖底扇的形成位置和富砂程度，從而形成了多種類型的富砂沉積體系，在多期湖平面變化和物源變化的控制下，各類地層圈閉、巖性圈閉廣泛發育，是有利的勘探區帶。

（2）油氣運聚能力是源外型巖性油氣藏成藏的關鍵因素，深部匯聚脊對遼中凹陷西斜坡古近系東營組的油氣起到了初次匯聚的作用，再通過長期活動的垂向通源斷裂二次運移進入到源外砂體中聚集成藏。源-匯體系控制形成的有效巖性圈閉與“脊-斷-砂”三元耦合的油氣優勢運移模式控制了源外成藏與油氣富集。

（3）遼中凹陷旅大10-6 油氣田的發現實現了渤海海域斜坡帶湖底扇型巖性油氣勘探的領域性突破，對整個渤海油田及陸上相近沉積背景的斜坡帶勘探具有重要的借鑒意義。