陳 陽 張 揚 朱正杰 張瑞剛 李良林 陳 威 劉 鵬

（1 外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室；2 重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院;3 中國石油長慶油田公司第六采油廠；4 中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院）

0 引言

斷陷盆地形成早期發(fā)育的沉積類型多以沖積—河流體系形成的“紅層”為主[1-2]，代表著淺水環(huán)境下的氧化環(huán)境，缺少諸如湖泊這樣的大型匯水區(qū)，因此以往在對“紅層”的油氣成藏分析中多側(cè)重于油氣來源和輸導體系[3-5]，認為“紅層”多為“它源成藏”。渤南洼陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷勘探老區(qū)，勘探程度較高，但其沙四下亞段為高勘探區(qū)的低勘探層系，多年來一直認為沙四下亞段以沖積扇、辮狀河沉積為主[6-9]，廣泛發(fā)育砂礫巖體和紅色泥巖，成藏受控因素眾多，油氣勘探空間小[5，10]，勘探步伐緩慢；隨著鉆井數(shù)量逐年增加，大量的取心資料揭示出渤南洼陷沙四下亞段沉積體系有別于“紅層”的另類特征，沉積體系認識的變化必然會對油氣勘探思路和方法的轉(zhuǎn)變產(chǎn)生影響。因此，本文應(yīng)用最新的鉆井資料，在識別出一系列沉積相類型基礎(chǔ)上，通過地貌背景分析對沉積相的展布特征進行重新認識，最終指出沉積新認識所帶來的石油地質(zhì)意義。研究結(jié)果不但為渤南洼陷沙四下亞段的油氣勘探奠定了基礎(chǔ)，而且可為其他斷陷盆地發(fā)育早期“紅層”沉積的再認識提供思路借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤南洼陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷之中，四周被凸起區(qū)和潛山帶所環(huán)繞（圖1），其在經(jīng)歷了幾十年的油氣勘探實踐后，淺層勘探程度已較高，深層勘探程度相對較低，是濟陽坳陷深層攻關(guān)的主要目標區(qū)之一。在濟陽坳陷宏觀的構(gòu)造演化背景下，渤南洼陷燕山末期為裂陷期，新生代古近紀為斷陷期，裂陷期與斷陷期區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場存在差異，造成盆地格局、沉積充填等差異大，孔店組和沙四下亞段沉積時期為斷陷早期[11-13]，沙四上、下亞段沉積時期為斷陷早、中期分界點[14]，處于構(gòu)造應(yīng)力場轉(zhuǎn)型階段，因此沙四下亞段這一斷陷盆地早期具有較為特殊的沉積充填方式。渤南洼陷自下而上充填的地層分別為古近系、新近系及第四系，研究層位古近系沙四下亞段厚度介于200m到500m之間，埋深普遍大于3000m，前人認為屬于干旱環(huán)境下的一套紅色地層[15]，沉積物以沖積扇、辮狀河等形成的砂礫巖體為主，儲層較發(fā)育，但由于埋深大儲層物性普遍較差，優(yōu)質(zhì)儲層預測存在難度。逐年來隨著勘探的深入，鉆遇沙四下亞段的探井相繼發(fā)現(xiàn)油氣顯示，其中羅68井在沙四下亞段試油獲得日產(chǎn)幾十噸的工業(yè)油流，展示出研究區(qū)紅層良好的勘探前景。

圖1 渤南洼陷沙四下亞段區(qū)域構(gòu)造位置圖Fig.1 Structural position of the lower Es4 in Bonan sag

2 沉積相類型

隨著鉆井數(shù)量的不斷增加，取心資料愈加豐富，一些湖相沉積背景下的沉積類型逐漸被認識，主要有辮狀河三角洲及湖泊。因此，綜合沖積體系的以往認識，形成了沖積扇—辮狀河—辮狀河三角洲以及湖泊這一較為完整的沉積序列。

2.1 沉積相類型的固有認識

沖積扇、辮狀河是研究區(qū)固有的認識。其中沖積扇以砂礫巖沉積為主（圖2a、b），在扇端部位存在含礫砂巖（圖2c），粒度概率累積曲線呈“一段式”（圖3a），粒度粗、成熟度低、磨圓差、分選差、儲集物性變化大為其主要特征，總體上具有明顯的重力流沉積特征，扇根、扇中、扇緣亞相在巖性類型、砂體單層厚度、電性特征、沉積構(gòu)造等方面都存在明顯差異；辮狀河巖性以淺灰色、棕色細礫巖、含礫砂巖、中—粗砂巖、細砂巖和紅色泥巖（圖2d、e）為主，常形成正旋回剖面，底部礫石具疊瓦狀排列，常見塊狀層理、板狀交錯層理、波狀交錯層理和平行層理（圖2f），自然電位曲線多呈箱形中高幅負異常，其次為鐘形，視電阻率曲線為鋸齒狀中高幅異常。

圖2 渤南洼陷沙四下亞段沉積構(gòu)造特征Fig.2 Sedimentary features of the lower Es4 in Bonan sag

圖3 渤南洼陷沙四下亞段粒度概率累積曲線Fig.3 Cumulative curve of particle size probability of the lower Es4 in Bonan sag

2.2 沉積相類型的再認識

隨著鉆井取心資料的增加，根據(jù)大量鉆井剖面、巖性巖相特征、沉積韻律、沉積構(gòu)造和水動力條件等資料，認為研究區(qū)辮狀河的前端還存在辮狀河三角洲以及湖泊，此外陡坡帶砂礫巖直接入湖還形成了扇三角洲。

2.2.1 湖泊

研究區(qū)多口探井的取心段中均顯示出了湖泊相的特征。但沙四下亞段沉積時期湖域面積較小，主要分布在北部洼陷帶和陡坡帶，并在不同的沉積時期湖相泥巖顏色深淺略有差異，表現(xiàn)出了濱淺湖、半深湖等不同的湖泊亞相類型，同時在某些沉積時期，研究區(qū)氣候干燥、蒸發(fā)強烈，湖盆面積縮小形成膏質(zhì)泥巖乃至膏鹽巖，又形成了鹽湖環(huán)境。

濱淺湖亞相距離湖岸相對較近，水動力條件相對較強。其中濱湖亞相受河流入湖的沖積水流和湖泊沿岸流、波浪來回沖刷、淘洗，發(fā)育的沉積物接近水面，有時出露水面，處于弱氧化—弱還原環(huán)境，發(fā)育粗碎屑物質(zhì)和黃綠色泥巖（圖2g）；淺湖亞相水體較濱湖深，沉積物受波浪和湖流作用的影響較強，巖性以粉砂巖和淺灰色泥巖為主，有時夾雜自三角洲平原沼澤相中沖積而來的黑色炭屑（圖2h）。

半深湖亞相距離湖岸相對較遠，地處乏氧的弱還原—還原環(huán)境，水動力條件弱，主要為湖流，巖性以暗色泥巖為主（圖2i、j），具有粉砂巖、化學巖的薄夾層或透鏡體（圖2k），可見菱鐵礦和黃鐵礦等自生礦物（圖2l）。值得注意的是，研究區(qū)沙四下亞段沉積期伴隨著干旱、半干旱氣候條件[14-16]，出現(xiàn)間歇性的鹽湖，形成了膏質(zhì)泥巖和泥質(zhì)膏巖沉積（圖2m、n）。

2.2.2 辮狀河三角洲

大量的鉆井巖心資料表明研究區(qū)深洼帶存在湖泊，而斜坡帶的辮狀河入湖必然形成辮狀河三角洲。辮狀河三角洲的陸上沉積區(qū)為三角洲平原亞相，主要分為辮狀河道、洪泛平原、河間洼地和河間沼澤等微相，其中辮狀河道微相是辮狀河三角洲平原的主體，巖性為礫巖、中—粗砂巖、含礫砂巖、含礫泥質(zhì)巖及紅色泥巖等，巖心觀察表明研究區(qū)辮狀河道中含礫砂巖分布廣泛，礫石磨圓度差，以次圓—次棱狀為主（圖2d），同時含礫砂巖中往往伴隨著板狀交錯理及平行層理（圖2d、f），反映出水動力條件相對較強的沉積特征；此外粒度概率累積曲線呈“三段式”（圖3b），滾動、跳躍、懸浮組分都有發(fā)育，沉積物分選性相對較差。

辮狀河三角洲前緣亞相是三角洲平原亞相向水下的延伸，其又可細分為水下分流河道、河口壩、席狀砂等微相。但由于研究區(qū)發(fā)育的湖泊面積較小，辮狀河沉積物入湖后展布的范圍較為局限，沉積物分異不充分，形成的微相邊界較難界定，研究區(qū)鉆井巖心中以粉砂巖、細砂巖和含礫砂巖居多，且可見較為明顯的平行層理（圖2o、p)，反映了水動力條件較強的水下分流河道沉積，其粒度概率累積曲線多呈“兩段式”（圖3c、圖4），反映出典型牽引流的沉積特征，其中跳躍段斜率較大，代表著沉積物分選性相對較好。

圖4 渤南洼陷義193井沙四下亞段單井相Fig.4 Sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag in Well Yi 193

2.2.3 扇三角洲

扇三角洲是指沖積扇直接入湖形成的一種沉積類型。研究區(qū)湖泊相的存在使陡坡帶物源區(qū)緊鄰湖盆水體，季節(jié)性洪流剝蝕物源區(qū)形成沖積扇，沖積扇進入湖盆水體形成扇三角洲。

扇三角洲平原主要指陸上的沖積扇部分，其由于常被剝蝕而保存不全或不被保存，可細分為泥石流、辮狀分流河道、泛濫平原和溢岸沉積。泥石流沉積由厚層塊狀礫巖組成；辮狀分流河道沉積巖性主要為灰色礫巖、含礫砂巖和粗砂巖，底部沖刷，有大量滯留沉積形成的礫石，礫石磨圓較差（圖2q）；泛濫平原沉積主要由棕色塊狀泥巖組成（圖2r），代表了陸上暴露環(huán)境，泥巖厚度較薄，為1～3m；溢岸沉積巖性主要為灰色粉砂巖，分選中等。

扇三角洲前緣是沖積扇入湖之后的部分，可進一步劃分為水下分流河道、河口壩、前緣席狀砂等微相。其中水下分流河道是陸上辮狀分流河道向水下的延伸部分，研究區(qū)發(fā)育的水下分流河道巖性自下而上由灰色、灰白色含礫砂巖、粗砂巖、細砂巖及粉砂巖組成，構(gòu)成正粒序，在上部砂巖之中可見平行層理（圖2s），粒度概率累積曲線呈“三段式”特征，其中滾動組分較多（圖3d），具有重力流和牽引流的雙重水動力特征；河口壩位于分流河道前緣，巖性為灰色細砂巖，砂體單層厚度為2～4m，由于枯水期與洪水期的交替[15]，泥質(zhì)粉砂巖等細粒沉積物也有出現(xiàn)；前緣席狀砂沉積主要由灰色泥巖夾粉砂巖、細砂巖組成，砂巖分選相對較好，單砂體厚度為1～2m。

3 沉積相展布再認識

在沖積—河流體系的以往觀點指導下，前人只認識到四周物源區(qū)形成的沖積扇和辮狀河向洼陷中心匯聚，而沖積扇的主要沖積方向以及辮狀河的形態(tài)等沉積展布特征并未進行深入的研究[5-6]，在認識上還存在著一些爭議。本次研究在“源—匯”理論體系指導下[17-18]，先從“源”出發(fā)，通過原始沉積邊界的恢復來推測物源區(qū)沉積物的主要沖積方向；后從“匯”的角度，通過沉積中心的分析判斷匯水區(qū)位置，從而由“源”到“匯”明確沉積展布。

3.1 原始沉積邊界恢復推測古水流方向

斷陷盆地的演化過程往往伴隨著多期構(gòu)造運動[19-20]，因此斷陷盆地演化早期發(fā)育的地層在中后期都會不同程度地遭受抬升剝蝕[20]，研究區(qū)沙四下亞段也是如此。因此，僅依據(jù)現(xiàn)今殘留地層特征來進行沉積規(guī)律分析，其結(jié)果往往有多解性。基于此，本文首先優(yōu)選剝蝕厚度恢復方法進行剝蝕厚度恢復[21-22]，進而還原原始沉積邊界，而后根據(jù)原始沉積邊界展布特征確定古沖溝位置，最終依據(jù)“溝扇對應(yīng)”關(guān)系推測古水流方向。

研究結(jié)果表明：渤南洼陷沙四下亞段沉積晚期陳家莊凸起發(fā)生強烈構(gòu)造抬升，其南部地層遭受大規(guī)模剝蝕，剝蝕地層厚度最大可達170m，其與沙四上亞段之間為二級不整合面[14]；沙四下亞段的原始沉積邊界普遍南移2～6km，在平面上呈現(xiàn)出多個古沖溝，其中東、西兩側(cè)古沖溝規(guī)模較大，中間發(fā)育的兩個古沖溝規(guī)模相對較?。▓D5），由此根據(jù)古沖溝發(fā)育的位置可推斷研究區(qū)南部應(yīng)至少存在4個扇群，古沖溝發(fā)育的形態(tài)又決定了扇群的沖積方向為北北西向（圖5），扇體前端漫流匯聚之后形成的辮狀河在古地形的控制下又改向北北東方向，最終匯聚到洼陷之中（圖5）。

圖5 渤南洼陷沙四下亞段沉積相展布Fig.5 Distribution of sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag

3.2 沉積中心分析確定湖盆范圍

所謂沉積中心是指某一沉積時期，地勢最低、沉積地層厚度最大的區(qū)域，研究過程中往往根據(jù)地層厚度來判斷沉積中心的位置。而在湖盆之中，沉積中心代表著水體深度最大的區(qū)域，這一區(qū)域沉積的暗色泥巖厚度通常也是最大的，因此可以根據(jù)暗色泥巖的分布特征來確定湖盆的范圍及其沉積中心。

在測井數(shù)據(jù)校正巖屑錄井數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，依據(jù)渤南洼陷沙四下亞段所有鉆井的巖屑錄井數(shù)據(jù)，結(jié)合取心資料，明確了這一沉積期暗色泥巖主要發(fā)育在北部深洼帶，最大厚度超過60m（圖5），呈環(huán)帶狀由洼陷邊緣到中心逐漸增厚。考慮到巖屑錄井過程中錄井人員可能存在對泥巖顏色誤判的情況，本文取暗色泥巖厚度20m等值線作為湖盆邊界，保守推測了湖盆范圍，結(jié)果顯示：渤南洼陷沙四下亞段沉積期湖盆范圍較為局限，在北部深洼帶呈北西西向展布，與西北部的郭局子洼陷湖盆連為一體（圖5），在沉積中心的控制下，各物源區(qū)形成的扇體或河道的沖積方向均指向沉積中心。

3.3 源—匯體系控制下的沉積模式

源—匯體系指導下[17-18]，沉積物由物源區(qū)到匯水區(qū)有序變化、連續(xù)分布。其中陳家莊凸起和孤島潛山南部物源區(qū)距離匯水區(qū)較遠，地形坡度較緩，沉積物自物源區(qū)沖出山口首先形成沖積扇，在較緩的地形背景下沖積扇前端逐漸演化為辮狀河，辮狀河道沖積方向指向匯水區(qū)，進入?yún)R水區(qū)之后形成辮狀河三角洲，多期三角洲相互疊置，砂體疊合連片（圖6）；而埕東凸起、義和莊凸起以及孤島潛山北部物源區(qū)緊鄰匯水區(qū)，地形坡度較大，沉積物自物源區(qū)沖出山口直接進入?yún)R水區(qū)，從而形成扇三角洲，扇三角洲受控于局限的湖盆范圍，展布范圍有限（圖6）。

圖6 渤南洼陷沙四下亞段沉積模式Fig.6 Distribution of sedimentary facies of the lower Es4 in Bonan sag

4 沖積扇—湖泊沉積體系再認識的石油地質(zhì)意義

4.1 湖相暗色泥巖具有一定的生油氣潛力

湖相沉積體系的新認識得益于暗色泥巖的發(fā)現(xiàn)，而這套暗色泥巖具有一定厚度的同時，在地球化學參數(shù)上也指示具有一定的生油氣潛力，需要說明的是，本文涉及的所有樣品地球化學方面的測試均由中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)測試中心完成。首先，在有機質(zhì)豐度上，發(fā)現(xiàn)的暗色泥巖有機碳含量（TOC）介于0.05%～0.99%之間，雖整體偏低，但也有個別樣品有機碳含量達到了0.99%（表1），高于國內(nèi)外普遍認為的有效烴源巖下限0.4%～0.6%[23]，此外氯仿瀝青“A”的含量多大于0.01%，已經(jīng)脫離了非烴源巖的范疇[23]，在有機質(zhì)豐度上為潛在的烴源巖；其次，在有機質(zhì)成熟度上，鏡質(zhì)組反射率（Ro）較高，兩個樣品點的測試結(jié)果均大于1.0%（表1），已達到有機質(zhì)熱演化程度的成熟—過成熟階段[23]，因此前文所述反映有機質(zhì)豐度的氯仿瀝青“A”含量較低可能是烴源巖過成熟所致；再者，生烴潛力分析顯示所有的樣品點S1+S2值均較小，只具有生成天然氣的潛力，但熱解峰溫（Tmax）值卻普遍大于450℃（表1），處于主要的生油帶范圍內(nèi)；此外，對有機質(zhì)類型測定發(fā)現(xiàn)所有樣品點有機質(zhì)類型均為Ⅱ—Ⅲ型（表1）。值得一提的是，本次進行的地球化學參數(shù)測試，受控于取心段中暗色泥巖較發(fā)育的井均處于湖泊邊緣（圖5），沒有真正取到湖盆中心的暗色泥巖，因此測試的樣品點并不能完全代表研究區(qū)沙四下亞段烴源巖的生烴潛力，據(jù)此評價的結(jié)果可能低于真實的生烴潛力。實際上研究區(qū)沙四下亞段所獲原油的生物標志化合物特征顯示出不同于傳統(tǒng)主力烴源巖——沙三段及沙四上亞段烴源巖生物標志化合物的特點，疑似沙四下亞段與沙四上亞段烴源巖的混源油[5]，由此認為研究區(qū)沙四下亞段暗色泥巖具有成為有效烴源巖的可能，具有一定的生烴潛力。

表1 渤南洼陷沙四下亞段烴源巖地球化學參數(shù)表Table 1 Geochemical parameters of source rocks of the lower Es4 in Bonan sag

4.2 湖泊—三角洲沉積體系可提供沉積體與儲集空間

研究區(qū)沙四下亞段沉積體系的再認識給油氣儲集方面帶來的石油地質(zhì)意義分為兩個方面：①辮狀河三角洲與扇三角洲沉積的新認識為油氣儲集場所提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，二者主要發(fā)育在北部深洼帶湖盆之中，展布范圍相對較大（圖5），尤其是辮狀河三角洲砂體在經(jīng)過了較長距離搬運之后，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度相對較高，所形成的儲集體抗壓實能力相對較強，具有較多的孔隙空間，為有利儲集體的形成奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。②沉積的湖相暗色泥巖雖在生烴能力大小方面暫未定論，但暗色泥巖在埋藏熱演化過程中必然會在不同階段產(chǎn)生不同類型的酸性流體，如熱演化初期會在厭氧細菌的作用下產(chǎn)生腐殖酸、富非酸等酸性流體，熱演化早、中期又會產(chǎn)生有機酸，酸性流體可使各類型沉積砂體發(fā)生溶蝕作用形成次生孔隙帶，實際上研究區(qū)沙四下亞段2500～4500m普遍發(fā)育次生孔隙，當埋深達到4000m時孔隙度仍能高達15%、滲透率大于10mD（圖7）；在沉積相類型上，沖積扇、辮狀河及辮狀河三角洲沉積體中均發(fā)育較多的次生溶蝕孔隙，而近源沉積的扇三角洲砂體抗壓實能力較弱，在現(xiàn)今普遍埋深超過4000m的地層中物性較差，儲層致密，為無效儲層?？傮w上，得益于湖泊—三角洲沉積體系的再認識，研究區(qū)沙四下亞段存在有利儲集體發(fā)育的沉積條件和成巖條件，由洼陷到盆緣、由深至淺依次發(fā)育辮狀河三角洲、辮狀河、沖積扇有利儲集體（圖5、圖7），因此在尋找有利儲集體的過程中應(yīng)注重酸性流體的成巖改造作用，關(guān)注與暗色泥巖毗鄰或存在較好輸導關(guān)系的儲集體。

圖7 渤南洼陷沙四下亞段物性散點圖Fig.7 Physical properties scatters of the lower Es4 in Bonan sag

4.3 斷陷盆地早期“紅層”沉積再認識可擴大勘探空間

在以往的勘探實踐中，認為斷陷盆地沉積早期形成的“紅層”本身不具備生烴能力，其油氣成藏除受控于自身圈閉發(fā)育程度外，還主要受儲層成巖改造、與上覆層系烴源巖接觸關(guān)系、是否存在有效輸導體系等成藏要素的控制，受控因素較多。因此，以往的勘探中雖鉆遇到了多種圈閉類型，但成功的探井多是以巖性—構(gòu)造圈閉為主，此類圈閉多集中于溝通沙四上亞段烴源巖的斷裂帶，且砂體較發(fā)育的沉積區(qū)，這一斷裂和砂體均有利的疊合區(qū)多處于研究區(qū)中南部，鉆探的目的層位也僅限于沙四上亞段頂部，中下部鉆探較少且無油氣發(fā)現(xiàn)，總體上在平面上、縱向上的勘探空間都較小。隨著斷陷盆地早期“紅層”沉積的再認識，也即是湖相暗色泥巖與辮狀河三角洲前緣砂體的發(fā)現(xiàn)使“紅層”成藏在油氣來源、儲層改造、有利圈閉、運移輸導等方面的限制都得到適當放寬，勘探空間拓展、勘探潛力增大。

5 結(jié)論

以渤南洼陷沙四下亞段為代表的斷陷盆地早期不僅沉積水上的沖積扇、辮狀河等傳統(tǒng)認識中的沉積相類型，還發(fā)育水下的扇三角洲、辮狀河三角洲及湖泊。

沙四下亞段沉積期，渤南洼陷南部原始沉積邊界上存在4個古沖溝，古沖溝位置和形態(tài)決定了4個扇群前端漫流匯聚之后的沖積方向為北北東向，并最終匯聚到北部的沉積中心區(qū)，從而在緩坡帶形成沖積扇—辮狀河—辮狀河三角洲—湖泊這一較為完整的沉積體系，在陡坡帶形成扇三角洲—湖泊沉積體系。

新發(fā)現(xiàn)的湖相暗色泥巖不但具有一定的生烴潛力，而且可生排酸性流體對儲層進行成巖改造，同時新認識的辮狀河三角洲沉積可提供有利儲集體并增加有利圈閉數(shù)量，從而烴源巖、儲層、圈閉等成藏要素得到拓展，擴大了勘探空間。