龐小軍 杜曉峰 馬正武 宋章強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

石臼坨凸起東段沙一、二段沉積時(shí)期物源剝蝕量與砂礫巖沉積量關(guān)系*

龐小軍 杜曉峰 馬正武 宋章強(qiáng)

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

龐小軍,杜曉峰,馬正武，等.石臼坨凸起東段沙一、二段沉積時(shí)期物源剝蝕量與砂礫巖沉積量關(guān)系[J].中國海上油氣，2017,29(4)：68-75.

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定量表征某一地質(zhì)時(shí)期物源區(qū)剝蝕量及被搬運(yùn)到湖盆中的砂礫巖量是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的難題。利用鉆井、地震等資料，結(jié)合薄片、重礦物、微量元素、鋯石測(cè)年等分析化驗(yàn)資料，運(yùn)用物源示蹤法、地層厚度趨勢(shì)法以及沉積速率法，對(duì)渤海石臼坨凸起東段古近系沙一、二段沉積時(shí)期物源剝蝕作用與砂礫巖沉積之間的定量關(guān)系進(jìn)行了探討。結(jié)果表明，沙一、二段沉積時(shí)期石臼坨凸起東段發(fā)育5個(gè)近源扇三角洲，其中東部2個(gè)扇三角洲的真實(shí)物源為中生界火成巖，西部3個(gè)扇三角洲真實(shí)物源主要為中生界碎屑巖夾火成巖。物源剝蝕量與砂礫巖沉積量之間呈明顯正相關(guān)，火成巖物源比碎屑巖物源具有更高的成砂率，且沉降中心越靠近物源成砂率越高。研究區(qū)東部扇體A更有利于形成厚層優(yōu)質(zhì)砂礫巖儲(chǔ)層。本文研究成果可為在勘探程度較低的陡坡帶定量預(yù)測(cè)砂巖儲(chǔ)層發(fā)育程度和規(guī)模提供借鑒。

石臼坨凸起東段；沙一、二段；物源；剝蝕量；砂礫巖沉積量；定量關(guān)系

物源的剝蝕作用與沉積過程一直是地學(xué)界研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。前人利用源-匯耦合理論[1]定性地闡述了物源體系、輸砂通道、坡折帶對(duì)沉積體系的控制作用，嘗試通過沉積體系的各種控制因素分析來推測(cè)砂礫巖體的分布和富砂程度。但是，由于這些凸起范圍較小，確定凸起的某個(gè)位置在地質(zhì)歷史時(shí)期遭受剝蝕后能夠形成多少量的砂礫巖，這仍然是一個(gè)亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。本文利用古地貌恢復(fù)原理，對(duì)渤海海域渤中坳陷石臼坨凸起東段中生界地層厚度進(jìn)行恢復(fù)，確定沙一、二段沉積時(shí)期物源區(qū)剝蝕地層年代和剝蝕厚度，刻畫沉積區(qū)扇三角洲，圈定扇三角洲砂礫巖范圍、厚度以及不同扇三角洲對(duì)應(yīng)的物源區(qū)范圍和厚度，利用Landmark、Geoframe或Surfer軟件中的面積和體積計(jì)算功能得到了各物源區(qū)的剝蝕量和被剝蝕后形成的砂礫巖量，以及不同巖性物源被剝蝕后的成砂率，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了有利儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)。本文研究成果可為在勘探程度較低的陡坡帶定量預(yù)測(cè)儲(chǔ)層發(fā)育程度與規(guī)模提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

石臼坨凸起東段位于渤中坳陷秦南凹陷與渤中凹陷的過渡處，其北側(cè)與秦南1號(hào)斷層之間存在多個(gè)小型的次級(jí)洼陷，南側(cè)與渤中凹陷呈斷坡過渡(圖1)。鉆井揭示，研究區(qū)地層發(fā)育較齊全，自下而上發(fā)育古近系孔店組、沙河街組、東營(yíng)組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系平原組。油氣在沙河街組至明化鎮(zhèn)組均有發(fā)現(xiàn)，但主要集中在沙一、二段；西部以帶油環(huán)的凝析氣藏為主，東部以優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)油為主，探明儲(chǔ)量研究表明，研究區(qū)整體上經(jīng)歷了孔店組—沙四段沉積期的初始裂陷，沙三段沉積期的強(qiáng)斷陷，沙一、二段沉積期的弱斷陷，東三段沉積期的斷拗轉(zhuǎn)換以及東二段沉積期之后的拗陷和熱沉降的構(gòu)造演化過程[2]。

圖1 研究區(qū)位置Fig .1 Location of the study area近億噸。鉆井證實(shí)，研究區(qū)的主要烴源巖為沙三段，沙一、二段，東三段，東二段等4套烴源巖。

2 沉積相類型及展布

通過地震解釋、鉆井、錄井等資料的詳細(xì)研究，結(jié)合沉積構(gòu)造背景分析和前人研究成果[2-3]，認(rèn)為石臼坨凸起東段及圍區(qū)沙一、二段主要發(fā)育扇三角洲和湖泊相。

扇三角洲由于扇根部分不發(fā)育或后期往往遭受抬升剝蝕，主要表現(xiàn)為扇三角洲前緣的弱振幅前積反射(圖2a)；向湖盆方向逐漸過渡為強(qiáng)振幅連續(xù)反射，代表前扇三角洲亞相或湖相泥巖。整體上，扇三角洲地震反射特征為弱振幅前積—強(qiáng)振幅連續(xù)，具楔狀外形，向湖盆方向振幅和連續(xù)性逐漸增強(qiáng)。在地震屬性上，由于扇三角洲前緣亞相砂礫巖厚度較大、泥巖厚度較小，導(dǎo)致波阻抗差異較小，均方根振幅值弱，向湖盆方向增強(qiáng)再到減弱(圖2b)。在錄井及測(cè)井上，扇三角洲前緣亞相的水下分流河道沉積以灰色砂礫巖、含礫砂巖、中粗砂巖與泥巖的互層為主，整體上以正旋回為主，局部可見反旋回。研究區(qū)北側(cè)發(fā)育多個(gè)靠近斷層的次洼，扇三角洲厚度較大；南側(cè)整體為一個(gè)緩坡，且次洼遠(yuǎn)離斷層，扇三角洲厚度小。

圖2 研究區(qū)沙一、二段扇三角洲地震相及地震屬性特征Fig .2 Seismic facies and seismic attributes of fan-deltas of Es1～2 in the study area

分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)南、北兩側(cè)沙一、二段發(fā)育5個(gè)主要的扇三角洲(圖3)，它們的根部與次洼的距離分別為2.1、7.5、8.0、9.0、5.0 km。

圖3 研究區(qū)沙一、二段主要扇三角洲分布Fig .3 Distribution of major fan deltas of Es1～2 in the study area

3 物源分析

基于巖石成分、重礦物、稀土元素及鋯石測(cè)年等資料，運(yùn)用物源示蹤技術(shù)[4-9]對(duì)研究區(qū)沙一、二段沉積時(shí)期物源方向、巖性和地質(zhì)時(shí)代進(jìn)行了綜合判別和恢復(fù)。

3.1 地球化學(xué)物源示蹤

由于稀土元素(REE)在成因過程中具有改造作用很小的穩(wěn)定地球化學(xué)特征，其分布特征可以用來恢復(fù)“原始”母巖性質(zhì)及特點(diǎn)，REE的配分型式也就成為目前物源分析中應(yīng)用最廣、最有效的地球化學(xué)方法和手段之一。無論是礫巖還是砂巖、泥巖，都經(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)化后的REE數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析和解釋母巖性質(zhì)。

對(duì)研究區(qū)采集的物源及沉積區(qū)的樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的REE數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明：當(dāng)母巖巖性為火成巖時(shí)，REE的配分模式圖表現(xiàn)為右傾、陡，Eu弱負(fù)異常(圖4a)；當(dāng)母巖巖性為碎屑巖時(shí)，REE的配分模式圖表現(xiàn)為右傾、緩，Eu負(fù)異常(圖4b)。

對(duì)沉積區(qū)扇體樣品進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的REE數(shù)據(jù)分析，各井區(qū)的配分模式表現(xiàn)如下：A3井區(qū)為右傾、緩，Eu明顯負(fù)異常為主(圖4c)；B5井區(qū)為右傾、陡，Eu弱負(fù)異常。通過剝蝕區(qū)樣品與沉積區(qū)樣品REE配分模式圖及特征參數(shù)的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)二者的相似性和繼承性(圖4d)，A3井區(qū)的源巖以碎屑巖為主，B5井區(qū)的源巖以火成巖為主。

3.2 鋯石測(cè)年物源示蹤

分析表明，石臼坨凸起東段物源區(qū)D2井區(qū)基巖為二疊系砂泥巖互層，D1井區(qū)基巖為中生界厚層火成巖夾薄層砂泥巖。取樣點(diǎn)巖性如下：B4、B1和C2井為沙一、二段中細(xì)砂巖，A3井為東三段細(xì)砂巖，D2井為二疊系細(xì)砂巖，D1井為沙三段細(xì)砂巖。

鋯石年齡分布揭示(圖5)，D2井二疊系砂巖鋯石結(jié)晶年齡以元古代為主，表明二疊系砂巖物源來自更古老的燕山褶皺帶元古界變質(zhì)花崗巖。B4和C2井區(qū)沙一、二段鋯石結(jié)晶年齡以中生代白堊紀(jì)和太古—元古代為主。研究區(qū)沙河街組及東三段均為近源沉積，物源均來自石臼坨凸起東傾末端，因此推測(cè)該井區(qū)沙一、二段物源為白堊系火成巖與砂泥巖的互層，其中白堊系砂巖物源來自于北部燕山褶皺帶太古—元古界變質(zhì)花崗巖。A3井區(qū)東三段鋯石結(jié)晶年齡以太古—元古代為主，白堊紀(jì)次之，表明物源為中生界砂泥巖夾火成巖，而中生界由上至下火成巖的比例越來越高，因此該井區(qū)沙一、二段近源三角洲的物源火成巖含量至少與東三段物源相近。B1井區(qū)沙一、二段鋯石結(jié)晶年齡以太古—元古代為主，白堊紀(jì)次之，表明物源為中生界砂泥巖夾火成巖。整體上，沙一、二段沉積時(shí)期研究區(qū)東部物源區(qū)主體部分的真實(shí)剝蝕巖性為中生界火成巖為主，碎屑巖次之；西部以碎屑巖為主，火成巖次之。

物源示蹤綜合分析認(rèn)為，研究區(qū)沙一、二段沉積時(shí)期的真實(shí)物源巖性與現(xiàn)今殘留的物源區(qū)正好相反(圖6)，且地質(zhì)時(shí)代不一致，因此不能以現(xiàn)今殘留的物源區(qū)巖性代表某一地質(zhì)時(shí)期真實(shí)的物源區(qū)剝蝕巖性，只有通過各種物源示蹤技術(shù)及精細(xì)的地質(zhì)綜合分析，才能正確認(rèn)識(shí)真實(shí)的物源巖性和時(shí)代特征。

圖5 研究區(qū)扇體發(fā)育區(qū)鋯石年齡分布Fig .5 Distribution of zircon age in fan areas in the study area

圖6 研究區(qū)物源巖性特征Fig .6 Source rock characteristics of the study area

4 砂礫巖沉積量計(jì)算

砂礫巖沉積量計(jì)算的關(guān)鍵是砂礫巖范圍的刻畫和厚度的恢復(fù)。在油氣勘探中，往往將砂巖與泥巖的分界點(diǎn)劃分為扇三角洲相與湖相的分界線，因此扇三角洲的邊界與砂礫巖沉積體的邊界近似。

首先利用井震結(jié)合標(biāo)定研究區(qū)沙一、二段扇三角洲的頂?shù)捉缑?，由點(diǎn)-線-面的追蹤方式依次對(duì)扇三角洲頂?shù)鬃粉欓]合，可以得到扇三角洲厚度圖；再利用各扇三角洲發(fā)育區(qū)井點(diǎn)的砂巖含量與三角洲地震屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到砂礫巖含量平面分布和砂礫巖沉積的厚度(圖7)。

圖7 研究區(qū)沙一、二段砂礫巖等厚圖Fig .7 Isopach map of sandstone and conglomerate of Es1～2the study area

砂礫巖沉積量等于砂礫巖體面積與厚度的乘積，這個(gè)步驟可以利用Landmark、Geoframe或者Surfer等軟件實(shí)現(xiàn)。利用上述方法，綜合考慮每個(gè)井區(qū)扇三角洲的范圍，可以計(jì)算得到各井區(qū)砂礫巖體的體積，即砂礫巖沉積量(表1)。

表1 研究區(qū)沙一、二段扇三角洲規(guī)模及砂礫巖體積Table 1 Fan delta dimension and sandy conglomerate volume of Es1～2 in the study area

5 物源區(qū)剝蝕量計(jì)算

研究區(qū)沙一、二段沉積時(shí)期剝蝕量恢復(fù)借鑒了前人的研究成果[10-16]，是在剝蝕厚度恢復(fù)和剝蝕區(qū)范圍圈定后利用專業(yè)軟件計(jì)算出沉積區(qū)某一地層所需要的剝蝕量，計(jì)算軟件主要為L(zhǎng)andmark或Geoframe的體積計(jì)算模塊。

5.1 物源剝蝕邊界標(biāo)定

通過綜合分析區(qū)域地質(zhì)背景及構(gòu)造演化史，根據(jù)地震反射特征識(shí)別凸起邊界斷層、溝谷、凸起脊梁線等，對(duì)各扇體對(duì)應(yīng)的凸起物源剝蝕區(qū)進(jìn)行精細(xì)刻畫，分井區(qū)確定剝蝕范圍(圖8)，并利用Landmark或Geoframe軟件中的面積計(jì)算模塊得到凸起各扇體對(duì)應(yīng)的物源區(qū)剝蝕面積(表2)。

圖8 研究區(qū)沙一、二段沉積期物源剝蝕邊界的刻畫Fig .8 Depicts the denudation boundary of Es1～2 in the study area表2 研究區(qū)沙一、二段各扇體對(duì)應(yīng)的物源區(qū)剝蝕情況Table 2 Denudation profile of provenace of fans of Es1～2in the study area

扇體名稱對(duì)應(yīng)物源區(qū)剝蝕面積/106m2剝蝕量/109m3A秦皇島東4井區(qū)構(gòu)造9.04.17B秦皇島36-3構(gòu)造14.03.90C秦皇島東2井區(qū)構(gòu)造4.82.10D秦皇島29-2構(gòu)造3.93.20E秦皇島35-5構(gòu)造3.63.10

5.2 物源區(qū)剝蝕厚度恢復(fù)

剝蝕厚度恢復(fù)方法主要有基于井資料的聲波時(shí)差法、沉積速率法、鄰近厚度比值法及厚度趨勢(shì)分析法等[17-21]。根據(jù)渤中坳陷實(shí)際鉆遇目的層的鉆井?dāng)?shù)量、地震資料品質(zhì)等，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景，對(duì)凸起區(qū)總的剝蝕厚度主要采用聲波時(shí)差法和厚度趨勢(shì)法相結(jié)合進(jìn)行恢復(fù)；而對(duì)于沉積區(qū)某地層需要的物源區(qū)剝蝕厚度，主要采用沉積速率法，并結(jié)合凸起區(qū)總的剝蝕厚度來進(jìn)行恢復(fù)(圖9)。

圖9 研究區(qū)中生界剝蝕厚度恢復(fù)Fig .9 Recovery of denuded thickness of Mesozoic in the study area

5.2.1 凸起區(qū)剝蝕總厚度恢復(fù)

通過對(duì)沙一、二段沉積時(shí)期物源年代和巖性的分析發(fā)現(xiàn)，該時(shí)期物源主要為中生界。石臼坨凸起東段是一個(gè)窄條形的低凸起，規(guī)模小，中生界在該區(qū)分布均較穩(wěn)定，厚度變化不大，現(xiàn)今凸起殘留的中生界可以通過井震標(biāo)定進(jìn)行追蹤。中生界剝蝕厚度可用聲波時(shí)差法和厚度趨勢(shì)法相結(jié)合進(jìn)行恢復(fù)。首先利用測(cè)井資料，運(yùn)用聲波時(shí)差法，對(duì)凸起區(qū)鉆遇或鉆穿中生界的井點(diǎn)位置的中生界剝蝕厚度進(jìn)行恢復(fù)；再利用鉆井、地震資料，運(yùn)用趨勢(shì)法，結(jié)合井點(diǎn)位置的中生界剝蝕厚度，得到平面上的凸起剝蝕的總厚度(圖9a)。由圖9a可以看出，研究區(qū)東部中生界剝蝕厚度大于西部。

5.2.2 沙一、二段沉積時(shí)期凸起區(qū)剝蝕厚度恢復(fù)

沙一、二段沉積時(shí)期凸起區(qū)的剝蝕厚度恢復(fù)主要采用了沉積速率法，而近源沉積的沉積速率可以近似地反映緊鄰?fù)蛊饏^(qū)的剝蝕速率。利用這種方法，先沿凸起走向計(jì)算出沙一、二段沉積速率占整個(gè)凸起供源時(shí)期沉積區(qū)沉積速率的比例，再乘以中生界總的剝蝕厚度，就可以近似得到沙一、二段沉積時(shí)期凸起區(qū)剝蝕厚度(圖9b)。由圖9b可以看出，沙一、二段沉積時(shí)期凸起區(qū)剝蝕厚度繼承了整個(gè)中生界剝蝕特征。

5.3 物源剝蝕量計(jì)算

在沙一、二段沉積時(shí)期凸起區(qū)剝蝕厚度恢復(fù)及剝蝕區(qū)面積計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用Surfer8.0軟件中自動(dòng)生成等厚線圖[10]，計(jì)算出剝蝕區(qū)的剝蝕量(表2)。計(jì)算結(jié)果同樣表明，研究區(qū)東部的剝蝕量大于西部。

5.4 物源剝蝕量與砂礫巖沉積量的關(guān)系

表3為研究區(qū)各井區(qū)剝蝕量與砂礫巖量的對(duì)比關(guān)系，可以看出：①物源巖性相同時(shí)，剝蝕量與砂礫巖沉積量呈正相關(guān)；②火成巖比碎屑巖具有更高的成砂率。例如，扇體A和B物源巖性為中生界火成巖，成砂率均大于50%；扇體C、D、E物源巖性為中生界碎屑巖夾火成巖，成砂率平均小于35%。③沉降中心越靠近物源，成砂率越高。例如，扇體A和B物源均為中生界火成巖，但是前者沉降中心離物源較近，成砂率比后者明顯高。④沙一、二段沉積時(shí)期， 研究區(qū)扇體A母巖為火成巖，且剝蝕量較大，因此在該區(qū)更有利于形成厚層優(yōu)質(zhì)砂礫巖儲(chǔ)層。

表3 研究區(qū)沙一、二段沉積期剝蝕量與砂礫巖沉積量對(duì)比Table 3 Comparison of denudation quantity and sandy conglomerate volume of Es1～2 in the study area

6 結(jié)論

1)通過巖性和地質(zhì)年代恢復(fù)，認(rèn)為沙一、二段沉積時(shí)期石臼坨凸起東段東部物源巖性以中生界火成巖為主，西部以中生界碎屑巖夾火成巖為主。研究區(qū)沙一、二段發(fā)育5個(gè)扇三角洲，其中東部2個(gè)扇三角洲物源來自中生界火成巖，西部3個(gè)扇三角洲物源來自中生界碎屑巖夾火成巖。

2) 石臼坨凸起東段沙一、二段物源剝蝕量與砂礫巖沉積量呈明顯的正相關(guān)，火成巖物源比碎屑巖物源具有更高的成砂率，且沉降中心越靠近物源成砂率越高。研究區(qū)扇體A母巖為火成巖，剝蝕量較大，沉降中心距物源較近，更有利于形成厚層優(yōu)質(zhì)砂礫巖儲(chǔ)層。

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(編輯：張喜林)

Study on the relationship between provenance denudation quantity and sandy conglomerate volume of the Paleogene Es1～2in eastern Shijiutuo uplift，Bohai sea

PANG Xiaojun DU Xiaofeng MA Zhengwu SONG Zhangqiang

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300459,China)

It is a challenging problem to quantitatively characterize the denudation quantity of provenance area and the volume of sandy conglomerate transported into the lacustrine basin.Based on drilling, seismic and other data, combined with thin section, heavy minerals, trace elements, zircon dating and other analytical laboratory data, and using the methods of provenance tracer, stratigraphic thickness trend and deposition rate, the quantitative relationship between the provenance denudation and the deposition of sandy conglomerate in the Paleogene Es1～2in eastern Shijiutuo uplift of the Bohai sea is studied.The results show that Es1～2develops five near-provenance fan deltas in eastern Shijiutuo uplift.The real provenance of the two fan deltas in the east is Mesozoic igneous rock, and the real provenance of the three fan deltas in the west is mainly the Mesozoic clastic rock.There is a significant positive correlation between provenance denudation and sandstone accumulation.The igneous provenance has a higher rate of sand formation than the clastic provenance.The closer the sedimentary centers to the provenance, the higher the rate of sand formation.Fan A in the east of the study area is more favorable for the development of thick and high quality sandy conglomerate reservoir.The results can provide a reference for the quantitative prediction of sandstone reservoir development degree and scale in steep slope zones with low exploration degree.

eastern Shijiutuo uplift; Es1～2; provenance; denudation quantity; sandy conglomerate volume; quantitative relationship

龐小軍，男，工程師，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)，獲碩士學(xué)位，主要從事沉積儲(chǔ)層研究工作。地址：天津市濱海新區(qū)海川路2121號(hào)渤海石油研究院(郵編：300459)。E-mail：pangxj@cnooc.com.cn。

杜曉峰，男，高級(jí)工程師，2001年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，獲碩士學(xué)位，長(zhǎng)期從事石油地質(zhì)與勘探研究工作。地址：天津市濱海新區(qū)海川路2121號(hào)渤海石油研究院(郵編：300459)。E-mail：duxf@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0068-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.008

TE121.3

A

2017-03-07 改回日期：2017-05-16

*“十三五”國家科技重大專項(xiàng)“渤海海域勘探新領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)研究(編號(hào)：2016ZX05024-003)”部分研究成果。