史超群,张金亮,王金凯,孙 婧,任伟伟,姜倩倩

(中国海洋大学海洋地球科学院,山东青岛266100)

马东油田沙一下亚段板2、板3油组高分辨率层序地层学研究

史超群,张金亮,王金凯,孙 婧,任伟伟,姜倩倩

(中国海洋大学海洋地球科学院,山东青岛266100)

马东油田为北大港油田港东开发区深层油田,目前已处在产量下降阶段。根据研究区地震、测井和岩心资料,应用高分辨率层序地层学原理,对区内板2、板3油组地层进行了多级次基准面旋回的识别和对比,将其分为1个长期基准面旋回、2个中期基准面旋回和10个短期基准面旋回;分析了基准面旋回对沉积特征、储层物性的控制作用,基准面下降后期、上升早期容易发育良好储层;基准面下降早期、上升后期,储层物性差。

高分辨率层序地层学;基准面旋回;黄骅坳陷;马东油田;滩坝;沙一下亚段

自Sloss(1948)提出层序(Sequence)概念后,层序地层学正式诞生[1]。1970年代,以Vail为首的Exxon石油公司将地质理论、地震勘探技术与现代计算机技术紧密结合,创立地震地层学(Seismic stratigraphy),使地层学的发展跃上一个新的台阶[2]。地震地层学通过对地层及其界面的反射特征的分析,逐步弄清反射界面之间的关系、反射界面之间所限定的地质体之间关系以及这些地质体和海平面变化之间的内在关系[3]。1980年,Vail等在《层序地层学原理》等著作中,以全球性海平面变化为控制因素,系统阐明了层序地层学的基本理论、关键性术语、解释程序和工作步骤,从而使层序地层学的理论与方法趋于完善,将层序地层学的发展推进现代层序地层学发展阶段[4]。经典层序地层学,以地层不整合或与之对应的整合界面为层序边界;主要利用地震资料解释地震地层,通过地震反射确定界面(沉积面或侵蚀面)形态和分布,再根据在层序内与层序不整合界面的关系来解释沉积体系与体系域,特别强调全球海平面变化是层序发育和沉积相分布的主控因素[5]。

随着盆地油气勘探开发向更复杂和更深入的方向发展,油气勘探对象从构造油气藏向各类岩性油气藏过渡,石油地质学家需要更精确的技术来提高层序地层分析的分辨率和储层预测的准确性[6]。以Cross领导的成因地层研究组为代表的高分辨率层序地层学逐渐成为油气藏勘探的主要理论基础,在划分和建立研究区层序地层格架基础上进行的地震反演、地震属性分析、沉积微相研究、砂体分布规律研究等会变得更为精细,从而能够更有效地提高储集层预测精度[7]。与源于被动大陆边缘海相地层的经典层序地层学理论不同,高分辨率层序地层分析以岩芯、三维露头、测井和高分辨率地震反射剖面资料为基础,运用精细层序划分和对比技术将钻井的一维信息变为三维地层关系预测的基础,建立区域、油田乃至油藏级储层的成因地层对比骨架,对储层、隔层及生油层分布进行评价及预测[8]。高分辨率层序地层学理论和方法主要包括地层基准面原理、体积划分原理、相分异原理和旋回等时对比法则,其理论核心是:在基准面旋回变化过程中,由于可容纳空间增长速率与沉积物补给通量比值(A/S)的变化,相同沉积体系域或相域中发生沉积物的体积分配作用,导致沉积物的保存程度、地层堆积样式、层序、相类型及岩石结构等发生变化[9]。相关地层沉积相类型、岩石结构、叠加样式等是其所处地理位置和可容纳空间的函数,因而地层分布形式和沉积相分布规律是可以预测的[10]。本文以马东油田沙一下亚段上部储层板2(简称BII)、板3油组(简称BIII)为例,说明高分辨率层序地层学在提高储集层预测中所发挥的作用,为今后岩性油气藏勘探提供新的思路。

1 区域地质背景

黄骅坳陷位于渤海湾盆地中部,西界隔沧县隆起与冀中坳陷相隔,南侧隔埕宁隆起与济阳凹陷相隔,北端与燕山褶皱带相连接,东北界伸向渤海海域,以海中隆起为界与渤中坳陷分割,面积约17 000 km2,为渤海盆地中的一个次级坳陷[11]。黄骅坳陷北宽南窄,总体呈北东-南西向展布,是新生代基础上发展起来的陆内伸展盆地,历经初始断陷、扩张断陷、断陷稳定发展、衰减和坳陷5个发展阶段,形成了孔店、南大港、北大港等潜山构造带和歧口、板桥、北塘、岐北、岐南等凹陷,构成了隆凹相间、“南北分块、东西分带”的构造格局[12]。黄骅坳陷古近系以来自下而上依次接受了孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组和平原组的巨厚沉积[13]。古近系沙河街组从上到下可划分为沙一段、二段、三段和四段,其中沙一段是黄骅坳陷含油范围最广、油层分布最稳定的勘探开发层系[14]。

马东油田是在北大港潜山构造带东南翼向海域延伸背景上发育起来的大型鼻状构造(见图1),属于北大港油田港东开发区深层油田,构造上位于北大港潜山构造带南翼、港东主断层下降侧,其北部紧邻唐家河油田,南部为歧口凹陷生油中心,西边以鞍部与马西深层油田相邻,东部与滩海区相接[15]。马东油田构造形态为典型滚动背斜,轴向北东,背斜形态自下而上具有继承性,构造高点逐渐北移,背斜幅度略有减小,范围逐渐扩大;区内井位分布不均,主要围绕马东油田构造高点分布[16]。沙一中、下亚段具有典型的泥包砂沉积特点,是马东油田开发的主要层位。其中沙一下亚段砂体最发育,划分为板2、板3、板4、滨1 4个油组,砂岩体积分数约为24%;沙一中亚段划分为板1和板0 2个油组,板1油组为一套稳定的深灰色泥页岩沉积,砂体主要发育在板0油组,体积分数约为17%[17]。此次研究的目的层位是板2、板3 2个油组,埋深3 000～4 000m,岩性主要为灰褐色油斑砂岩、灰色、浅灰色荧光细砂岩与灰色泥岩,砂岩较疏松、分选好,泥质纯、沙泥岩呈韵律分布,单砂层厚度大,一般为2～8 m。其中板2油组厚80～120 m顶部以泥岩为主,底部以砂岩为主。板3油组厚120～180 m,顶部以砂岩为主,底部以泥岩为主,多未钻穿。

图1 马东油田地质背景及地理位置图Fig.1 Sketch map showing the structural location of Madong Oilfield

2 高分辨率层序界面的识别

根据基准面旋回和可容纳空间变化原理,地层的旋回性是基准面相对于地表位置的变化产生的沉积作用、侵蚀作用、沉积物路过形成的非沉积作用和沉积不补偿造成的饥饿性乃至非沉积作用随时间发生空间迁移的地层响应[8]。地层中记录不同级次的地层旋回及相应级次的基准面旋回,存在着能反映相应级次基准面旋回所经历时间的“痕迹”,如何据一维钻井或露头剖面上的这些“痕迹”识别基准面旋回,是高分辨率层序划分与对比的基础[18]。在高分辨率层序地层学研究中,关键是层序划分和对比,而层序划分、对比的关键是层序界面的识别以及标志层的确定[19]。

2.1 基准面旋回界面的地震识别

地震反射界面基本是等时面或平行于地层内的等时界面,而地层基准面旋回与界面具有成因地层单元和时间界面的含义,因此地震反射界面应平行于或相当于基准面旋回界面[20]。

沙一下亚段板2油组上部为沙一中亚段板1油组。研究区板1为一套全区稳定发育的厚层低速泥岩层,在地震剖面上表现为连续的强振幅反射,为全区对比标志层,由此可在地震剖面上准确识别板2油组顶界(见图2)。整个板2油组砂体构成以正旋回为主的对称型旋回沉积,底界在旋回的底部,地震反射同相轴相对较弱,其上下各为一套强振幅、强连续性正相位同相轴。板3油组下部发育厚层泥岩,向上砂体增多,构成反旋回沉积,其内部可划分为一个次级反旋回和一个正旋回。板3油组底部地震反射较弱,同相轴不明显,连续性较差,但是紧邻其上为一的正相位同向轴,对应与BIII-4小层底部的砂体,因此较容易进行横向追踪。BIII-4小层上部泥岩稳定发育;下部砂体反射明显,在地震剖面上具有较好的连续性,是进行地层划分对比的局部标志层。

2.2 基准面旋回界面的测井识别

测井资料是高分辨率层序地层学的基础,经岩心资料刻度的不同类型测井曲线的形态及其组合,提供了岩性、岩相的叠置形式,同时也提供了识别层序界面和研究层序叠加样式的基础[21]。测井曲线分析是通过短期旋回的叠加样式分析识别较长期基准面旋回的最好手段。在测井曲线上,能识别出侵蚀面和湖泛面以及泥岩标志层:侵蚀面一般处于砂岩的底部,从砂岩与下伏地层的突变接触关系来判断它的存在,位于箱状自然电位曲线的底部;而湖泛面则以湖相泥岩的出现为标志,测井曲线呈现高自然电位、高自然伽马、高声波时差及低密度的“三高一低”特点[22]。

图2 马东油田地震资料的界面识别特征Fig.2 Seismic characteristics of the stratum surfaces in Madong Oilfield

板2、板3油组沉积,含油性好,表现为低声波时差、高电阻率特征,自然伽马和自然电位曲线幅度差明显。上覆于板2油组之上的板1油组厚层湖相泥岩测井曲线特征明显,表现为明显高声波时差、高自然电位、高自然伽马、低密度、电阻率呈锯齿状。因此,可以很容易在测井曲线上识别板2油组顶界。板2、板3油组为泥岩夹砂岩的岩性组合。其中BⅡ-4小层底部砂体最为发育,顶部泥岩比较稳定;底部砂岩自然伽马、自然电位曲线多呈现负箱状,而其电阻率曲线、真电阻率曲线则基本与自然电位、自然伽马成镜像关系(图3)。板3油组中,BⅢ-1-2、BⅢ-2-2、BⅢ-4-3单层的砂体比较发育。其中BⅢ-4小层上部泥岩稳定发育,下部砂体也具有较好的连续性,是进行地层划分对比的局部标志层。其上部泥岩自然电位、自然伽马曲线呈现基本稳定的高值,下部砂岩则呈现出高幅度负异常(见图3)。

图3 马东油田BII-4小层和BIII-4小层底部测井曲线特征Fig.3 The well-log characteristics of Layer BII-4 and Layer BIII-4

图4 马东油田板Ⅲ砂组层序界面岩心识别特征Fig.4 The characteristics of core boundaries of Layer BIII in Madong Oilfield

2.3 层序界面的岩心识别

岩芯、钻井剖面,特别是三维露头剖面,较测井、地震反射剖面具有更高的分辨率,因而是高级次旋回识别的基础[23]。因此根据岩石相组合内部所记录的基准面变化信息,首先识别基准面旋回的转换点,其次在层序内部通过岩石序列中水深变化或沉积地貌的保存程度或沉积物被侵蚀的趋势来确定层序形成过程中的基准面的变化方向[24]。通过对研究区取心井的详细观察和描述,可以识别出2种岩心界面(见图4)。

岩相类型或相组合的转换面:反映了可容纳空间与沉积物供给即A/S值的变化。研究区主要为泥岩与砂岩的突变界面。如沉积环境水体深度、水动力条件随时间交替发生变化,便形成了研究区沙泥岩交互出现的韵律层理。岩石相内部的层理变化界面:反映沉积物形成过程中水动力条件的变化,如:波状层理-沙纹层理-平行层理-低角度交错层理,反映了一个水体逐渐变浅、可容纳空间逐渐减小的进积旋回。因此,可利用层理构造变化特点,来反映基准面的升降变化。一般反映水动力条件减弱、水体变深的层序,可作为基准面上升半旋回,而反映水动力条件增强、水体变浅的层序,则作为基准面下降半旋回。其中,基准面下降半旋回界面在研究区最为普遍。

3 基准面旋回的识别

高分辨率层序地层学研究是对地层记录中反映基准面旋回变化的时间地层单元进行二元划分。不同级次的基准面旋回必将形成不同级次的地层旋回。因而,在地层记录中如何识别代表多级次基准面旋回的多级次地层旋回是高分辨率层序地层对比的关键[22]。

3.1 短期基准面旋回的识别

短期基准面旋回层序(简称SSC)是一组沉积事件形成的小规模的进积-退积样式,根据地表露头、钻井岩心和测井曲线等实际资料来划分,相当于经典层序地层学理论中的准层序[22]。一般来说主要有3种基本类型:向上“变深”的非对称型短期旋回层序、向上“变浅”的非对称型短期旋回层序和对称型短期旋回层序[25]。研究区主要发育后2种短期旋回层序。

高可容纳空间条件下的短期基准面旋回主要为基准面下降半旋回,表现为向上变粗的垂向序列。向上“变浅”的非对称型短期旋回层序中仅发育基准面下降半旋回记录,上升半旋回表现为水进冲刷或欠补偿沉积,主要发育于距物源区较远但沉积物供给充足的条件下,显示了伴随基准面下降和可容纳空间逐渐减小,由加积向进积转化的地层响应过程。该类短期基准面旋回多见于较长期基准面旋回由上升到下降转化处[25]。研究区该类短期基准面旋回层序主要发育于滩坝沉积体系中,由湖泥-砂滩-砂坝、湖泥-砂坝、湖泥-砂滩构成(见图4)。

中等可容纳空间发育的短期基准面旋回具对称性,在各相带内都较发育,以层序中同时保留基准面上升半旋回及下降半旋回而具有向上变深复变浅的对称性结构为特征[25]。该类层序主要形成于A/S>1的高可容纳空间背景之下,层序顶底界面一般为整合界面,偶见弱冲刷界面,层序内发育由进积-加积-退积-进积(加积)作用形成的向上由粗变细复变粗的对称型沉积结构序列[25]。研究区该类短期旋回层序主要由砂坝-湖泥-砂滩-砂坝、砂滩/砂坝-湖泥-砂滩/砂坝等序列构成(见图5)。

图5 马东油田板2、板3油组2种短期旋回层序结构Fig.5 Two kinds of short-term base-level cycles developed in the study area

3.2 中、长期基准面旋回的识别

中期旋回亦以发育对称型旋回为主,属长期旋回层序中的次一级湖进-湖退旋回产物,发育于区域性湖进或湖退过程中,是由数个短期旋回层序按一定的方式叠置组成[26]。中期基准面的识别是在短期基准面旋回识别的基础上,对短基准面旋回进行组合,形成不同的地层叠加样式,确定不同叠加样式的顶、底界面,作为中期旋回转换面的位置[27]。

通过研究,作者将马东油田板2、板3油组分为2个中期基准面旋回,即MSC1和MSC2(见图6)。中期基准面旋回MSC1是一个完整的基准面旋回,其上升半旋回由短期基准面旋回SSC2—SSC4组成(相当于BII-2—BII-4小层),其下降半旋回由短期基准面旋回SSC1组成(相当于BII-1小层);中期基准面旋回MSC2也为一个完整的基准面旋回,其上升半旋回由短期基准面旋回SSC8—SSC10组成(对应BIII-4、BIII-5小层),其下降半旋回由短期基准面旋回SSC5—SSC7组成(对应BIII-1—BIII-3小层)。在中期基准面旋回进一步叠加的基础上,根据各单层的沉积特征,以及研究区的沉积背景,作者又将研究区板2、板3油组划分为一个长期基准面旋回LSC1。板2、板3油组位于长期基准面旋回LSC1的下降半旋回。

图7 马东油田板2、板3油组东西向层序地层连井剖面(自西向东)Fig.7 High-resolution stratigraphic frameworks of the study formation in Madong Oilfield(from west to east)

4 高分辨率层序地层格架的建立

层序地层格架的建立,就是把相同时代形成的岩层按一定顺序纳入相关年代的地层对比格架中。高分辨率地层对比是以多级次基准面为参照面的地层对比[18]。层序界面识别和基准面旋回划分的最终目的是在研究区进行高分辨率地层对比,建立研究区的层序地层格架,从而可以进一步分析层序地层发育特征和演化规律,为研究砂体的展布和油气分布奠定基础[22]。在建立研究区层序地层格架时选择大致东西向3条剖面和近南北向4条剖面,建立了研究区的高分辨率层序地层对比格架。

以图7、8为例,从研究区层序地层连井剖面可以看出,研究区沙一下亚段板2、板3油组内部不同的层序及同一层序内的不同部分具有不同的特征,其总体的分布均遵循沉积物的体积分配原理。研究区板2、板3油组各级别基准面旋回厚度变化不大,地层保存程度较为完整。短期或中期基准面旋回的发育程度与其所处的地理位置及其在中期旋回中可容纳空间的相对大小有关。这一特征主要受可容纳空间所限制的沉积物的体积分配和A/S值所决定的沉积物的保存程度控制。

如图9所示,中期基准面旋回MSC2对应板3油组,该时期沉积的地层具有西薄东厚的特征,砂体比较发育。内部短期基准旋回以向上“变浅”的非对称型短期基准旋回最为发育。该时期研究区发育滩坝沉积体系,其中BIII-4-3、BIII-1-2单层沉积时期砂体最为发育。MSC1以上升半旋回相对发育为特征,相当于板Ⅱ油组,也有西薄东厚的特征,其中BII-4小层沉积时期砂体最为发育。

图8 马东油田板2、板3油组南北向层序地层连井剖面(自北向南)Fig.8 High-resolution stratigraphic frameworks of the study formation in Madong Oilfield(from north to south)

图9 马东油田板2、板3油组地层厚度图(即MSC1、MSC2厚度图)Fig.9 The thickness contours of Oil-group B and B in Madong Oilfield (the thickness contours of MSC1 and MSC2)

5 基准面旋回内沉积及储层物性

在基准面旋回变化过程中,由于A/S比值的变化,在相域空间中发生沉积物的体积分配作用和相分异作用,进而控制了沉积相带的推进和后退[28]。研究区板2、板3油组沉积时期,黄骅坳陷多凹、多坡、多隆起的地质背景为该区浅水滩坝沉积体系油气藏形成提供了有利条件[29]。滩坝砂体在湖盆中不占主要地位,但由于砂体临近生油区,往往处于烃源岩包围之中,且孔隙度和渗透率往往较高,因此可成为良好的油气储层。随着基准面的下降,A/S比值逐渐变小,沉积相带向前进积,发育湖泥-砂滩-砂坝、湖泥-砂坝、湖泥-砂滩相序沉积;随着基准面上升,A/S比值逐渐变大,沉积相带向后退积,发育湖泥-砂滩-砂坝、湖泥-砂滩/砂坝相序(见图5)。

砂体的厚度、砂地比和储层物性与基准面旋回内的位置密切相关[30]。研究区具有较高的孔隙度和渗透率的地层多发育在中期基准面下降到上升的转换面附近,该位置可容纳空间较低,容易形成粒度较粗的砂坝沉积,分布范围广,形成的沉积地层砂泥比值较高,砂体厚度也较大,地层的平均孔隙度和渗透率相对较高;而低孔、低渗地层则往往位于中期基准面上升到下降的转换面位置附近该位置可容纳空间较高,多形成薄层的细粒砂滩和湖泥,沉积地层砂泥比值较低,砂体厚度小,一般地层的平均孔隙度和渗透率也相对较差(见图10)。

图10 马东油田板2、板3油组基准面旋回与砂体厚度、砂地比及储层物性的关系Fig.10 Relationships between the baselevel cycles of the Oil-group B and B and the thickness of sandstones,sand ratio,petrophysical property in Madong Oilfield

6 结论

(1)根据高分辨率层序地层学原理和方法,应用地震资料、测井资料和岩心资料对马东油田板2、板3油组内部层序界面进行识别。识别出研究区主要发育的向上变浅的非对称型(B型)和向上变深复变浅的对称型(C型)两种短期基准面旋回。

(2)将研究区板2、板3油组划分为1个长期基准面旋回、2个中期基准面旋回和10个短期基准面旋回。

(3)基准面旋回对沉积特征、储层物性的垂向分布具有明显的控制作用。基准面下降后期、上升早期,砂体面积广,厚度大,储层物性好;基准面下降早期、上升后期,砂体面积小,厚度薄,储层物性差。

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Abstract: As a deep oilfield,Madong Oilfield belonging to Beidagang Oilfield is at the stage of descending.On the foundation of the Seismic data,logging data and core material,the authors identified and compared base level cycles for layer BII and BIII according to the principle of high-resolution sequence stratigraphy.Higher baselevel cycles were recognized as an long baselevel cycle,two intermediate baselevel cycles and 10 short baselevel cycles.It was analyzed that the baselevel cycles could control the sedimentary characteristics and the reservoir properties.The sand body descending at the late stage of baselevel-dropping and early stage of baselevel-rising often has well properties.While the sand body descending at the early stage of baselevel-dropping and late stage of baselevel-rising usually has bad properties.

Key words: high-resolution sequence stratigraphy;baselevel cycle;Huanghua depression;Madong Oilfield;beach-bar;Lower First Member of Shahejie Formation

责任编辑 徐 环

High-resolution Sequence Stratigraphy Research into Layer BII and BIII of the Lower First Member of Shahejie Formation,Madong Oilfield

SHI Chao-Qun,ZHANGJin-Liang,WANGJin-Kai,SUN Jing,REN Wei-Wei,J IAN G Qian-Qian
(College of Marine Geo-Science,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P539.2

A

1672-5174(2010)09Ⅱ-213-08

海洋公益性行业科研专项项目(200805029);山东省自然科学基金(2009ZRB02103)资助

2010-04-12;

2010-09-07

史超群(1986-),女,硕士生。E-mail:shichaoq@126.com