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基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例

孙希家 华晓莉 王军 姚城 张捷

孙希家, 华晓莉, 王军, 姚城, 张捷. 基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
引用本文: 孙希家, 华晓莉, 王军, 姚城, 张捷. 基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
XiJia SUN, XiaoLi HUA, Jun WANG, Cheng YAO, Jie ZHANG. Study of Proximal Source Fans on the Actic Region Based on Water Injection Nozzle Identification in a Rifted Basin: A case from the Qinhuangdao A structure in the Bohai Bay Basin, China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
Citation: XiJia SUN, XiaoLi HUA, Jun WANG, Cheng YAO, Jie ZHANG. Study of Proximal Source Fans on the Actic Region Based on Water Injection Nozzle Identification in a Rifted Basin: A case from the Qinhuangdao A structure in the Bohai Bay Basin, China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067

基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
基金项目: 

国家科技重大专项 2016ZX05024-003

详细信息
    作者简介:

    孙希家, 男, 1988年出生, 硕士, 工程师, 沉积储层, E-mail:sunxj23@cnooc.com.cn

  • 中图分类号: P618.13

Study of Proximal Source Fans on the Actic Region Based on Water Injection Nozzle Identification in a Rifted Basin: A case from the Qinhuangdao A structure in the Bohai Bay Basin, China

Funds: 

National Science and Technology Major Project 2016ZX05024-003

图(7)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-04
  • 修回日期:  2019-09-11
  • 刊出日期:  2020-06-10

目录

    基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
      基金项目:

      国家科技重大专项 2016ZX05024-003

      作者简介:

      孙希家, 男, 1988年出生, 硕士, 工程师, 沉积储层, E-mail:sunxj23@cnooc.com.cn

    • 中图分类号: P618.13

    摘要: 为探讨断陷盆地陡坡带近源扇体的发育规律,利用三维地震资料和钻井资料,在"源-汇"理论指导下对秦皇岛A构造近源扇体展开研究。结果显示:石臼坨凸起的中生界火山岩潜山为秦皇岛A构造提供充足的沉积碎屑。提出"隐性古沟谷"概念,解决了物源区无古沟谷输砂的问题。在构造重新落实的基础上,结合古断距恢复和古地貌恢复识别出了平行断裂型古转换带。发育在坡折带上的古转换带可以作为古水系进入盆地的入口,从而确定陡坡带近源扇体的发育位置。在物源分析、注水口识别、古地貌恢复的基础上,建立了隐性古沟谷-平行断裂型古转换带控砂模式。在该模式指导下,利用基于灰度共生矩阵的属性优化技术,精细刻画了近源扇体的平面形态。已钻井QHDA1井打在了秦皇岛A构造"二台阶"上的扇缘部位,未钻遇扇体的根部,故而储层不发育。研究区有利勘探区带位于构造"一台阶"的扇根部位。

    English Abstract

    孙希家, 华晓莉, 王军, 姚城, 张捷. 基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
    引用本文: 孙希家, 华晓莉, 王军, 姚城, 张捷. 基于断陷盆地注水口识别的陡坡带近源扇体研究——以石臼坨凸起南部陡坡带秦皇岛A构造东三段为例[J]. 沉积学报, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
    XiJia SUN, XiaoLi HUA, Jun WANG, Cheng YAO, Jie ZHANG. Study of Proximal Source Fans on the Actic Region Based on Water Injection Nozzle Identification in a Rifted Basin: A case from the Qinhuangdao A structure in the Bohai Bay Basin, China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
    Citation: XiJia SUN, XiaoLi HUA, Jun WANG, Cheng YAO, Jie ZHANG. Study of Proximal Source Fans on the Actic Region Based on Water Injection Nozzle Identification in a Rifted Basin: A case from the Qinhuangdao A structure in the Bohai Bay Basin, China[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2020, 38(3): 580-588. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2019.067
      • 自1972年Meade首次提出“源—汇”概念以来,源—汇系统研究逐渐成为全球地球科学领域的重要研究课题[1-2]。源—汇系统是由通过沉积路径联系在一起的剥蚀地貌和沉积地貌组成[3]。通过探讨物源区剥蚀、沉积物搬运和堆积及三者之间的耦合关系,最终建立完整的沉积过程。“源—汇”理论在陆相断陷盆地油气勘探过程中得到越来越多地应用,有效地提高了中深层储层预测的成功率[4-5]

        目前渤海海域主力油气勘探层系已经进军中深层。陡坡带作为“山”与“盆”的过渡带,是中深层油气勘探的重要领域。断陷盆地陡坡带的形成深受边界断裂的构造样式和活动规律影响。同时,边界断裂通过控制古地貌形态影响着陡坡带可容纳空间变化及沉积体系的展布。在近源背景下,陡坡带多发育近岸水下扇、扇三角洲等粗碎屑堆积[6]。但是受物源类型、沉积物搬运通道及古地貌特征等各种因素的影响,陡坡带的沉积相带横向变化快,砂体分布差异性明显,导致砂体难以精细预测。

        秦皇岛A构造位于渤海石臼坨凸起南部陡坡带(图 1)。该区构造背景复杂,地震资料品质较差,钻井资料较少,导致古近系东三段沉积体系展布规律不清,制约勘探进程。前人在济阳坳陷和泌阳凹陷隐蔽油气藏勘探中,发现古沟谷、古断槽等作为古水系的注水口,控制了物源体系的注入及发展方向,系统建立了“逢沟必扇”的近源扇体发育模式,并成功指导了一批大中型油气田的发现[7-9]。但是古沟谷易受后期构造作用和沉积作用的改造,较难保存。秦皇岛A构造的近源方向上古沟谷特征就不明显。那么在无沟谷背景下是否发育砂砾岩扇体?如何去定位近源扇体发育的位置?针对这些问题,利用三维地震资料和钻井资料,在“源—汇”理论指导下,通过有效物源分析、沉积物搬运路径恢复及扇体展布刻画,创新提出了“隐性古沟谷”概念,并建立了隐性古沟谷—平行断裂型古转换带控砂模式,形成了一套无沟谷沉积背景下的陡坡带近源扇体研究技术,指导研究区下一步的勘探工作。

        图  1  秦皇岛A构造位置

        Figure 1.  Location of Qinhuangdao A area

      • 渤海石臼坨凸起南部陡坡带(石南陡坡带)位于渤中凹陷北部、石臼坨凸起南部边界断裂(石南一号断裂)下降盘,平面上大体呈北西—南东向展布(图 1)。受黄骅—德州右旋走滑断裂以及张家口—蓬莱左旋走滑断裂的双重影响,石南一号断裂表现为一张性与剪张性复合、平直形与弧形交互、活动时间各异、平面分段性明显的复杂断裂带[10],控制了石南陡坡带的构造格局。古近系东营组发育东三段、东二段、东一段等3套地层,对应的地震反射层位自下而上分别为T3、T3M、T3U、T2。古近系遭受了多期幕式构造运动的影响,其中东三段沉积时期对应裂陷Ⅳ幕早期,断裂活动增强,发育近源扇三角洲沉积;在东二段—东一段沉积时期,断裂活动逐渐减弱,湖盆逐渐萎缩,水体变浅,三角洲大规模快速向湖区充填。该区相继发现了渤中2、渤中1等含油气构造,特别是2015年曹妃甸B油田的成功发现[11],显示了石南陡坡带勘探的巨大潜力。秦皇岛A构造位于曹妃甸B油田东部,紧邻渤中西次凹,成藏位置非常优越。

      • 物源体系分析包括剥蚀区母岩类型识别及分布范围确定、古沟谷等输砂通道的刻画。母岩的剥蚀碎屑通过输砂通道被输送出来,通过汇水盆地的注水口进入盆地中,形成一系列的近源扇体。在前人工作的基础上[3, 11],借助于最新的钻井资料和分析化验资料等识别出各种母岩岩性;利用潜山地震相特征的识别和追踪,结合地震属性分析确定相应母岩分布范围;通过三维地震资料的精细解释,识别出剥蚀区现存的古沟谷。最终获得了石臼坨凸起西部物源区分布图(图 2)。曹妃甸B油田的主力物源来自于中生界的火山岩,上游方向上发育有较大规模的古沟谷。经过统计,CFDB-1井上游方向发现有多条残存的U型或V型古沟谷,平均宽度为702 m,平均深度为109 m,宽深比约为6.4。CFDB-1井东三段实钻结果显示发育巨厚砂砾岩扇体,面积约为13.7 km2,含砂率78%。秦皇岛A构造的主力物源也来自于中生界的火山岩,但是上游方向上并没有发现大规模的古沟谷存在,QHDA-1井东三段实钻结果显示含砂率仅为17%,最高粒级为细砂。

        图  2  石臼坨凸起西部物源区分布及岩性特征

        Figure 2.  Stratum and lithology distribution characteristics of the western provenance of the Shijiutuo Uplift

        从实钻结果来看,QHDA-1井东三段发育“泥包砂”的地层结构。这说明该井在东三段可能钻遇泥扇,也可能钻遇了砂砾岩扇体的边部。刘玉瑞[12]、蒲仁海等[13]分别在研究苏北盆地戴南组和塔里木盆地上三叠世的泥扇时发现,泥扇的形成必须有一个较大规模的泥质物源供给,单纯靠盆内泥质供源,很难形成明显的前积体。结合前面的区域物源分析可知,秦皇岛A构造并不存在这样一个泥质物源。因此该井东三段钻遇的不是泥扇,而是砂砾岩扇体的边部。也就是说,秦皇岛A构造也应该发育近源的砂砾岩扇体。

      • 对于断陷盆地陡坡带来说,沉积物搬运路径按发育位置包括物源区输砂通道和盆缘输砂通道两部分。从地震资料上看,秦皇岛A构造与邻区曹妃甸B构造相比,它的近源方向上古沟谷特征不明显。但这并不能说明东三段沉积时期不发育可以搬运碎屑物质的古沟谷。基于该认识,提出“隐性古沟谷”的概念。隐性古沟谷可以作为秦皇岛A构造物源区输砂通道,将碎屑物质由物源区搬运至盆地边缘。边界断裂控制下的古转换带为低势区,常作为水系汇聚流入断陷盆地的注水口,控制着近源扇体的发育[14-16]。因此古转换带可以充当盆缘输砂通道,与隐性古沟谷共同组成了一条完整的输砂路径,连接物源区和沉积区,实现了“源” “渠”“汇”三者的有机统一。

      • 在当前资料和技术条件下,秦皇岛A区物源方向上无法找到古沟谷。按照前人观点[4-5],不发育沟谷即无输砂通道,就意味着不会有古水系的注入和近源扇体的形成。但是必须注意到这样一个基本事实:古沟谷不易保存,容易被后期构造运动和沉积作用破坏。所以不能确定研究区在东三段沉积时期不发育沟谷,更不能否认这些曾经可能存在过的沟谷所起到的输送沉积碎屑的作用。所以从这个意义上讲,古沟谷实际上应该包括两类:显性古沟谷和隐性古沟谷。显性古沟谷是指那些保存到现今的古沟谷,而且利用目前的资料和技术手段可以刻画出来。而隐性古沟谷是指那些在地质历史时期存在过的,并且发挥过输砂作用的古沟谷,但是现今已经被破坏,且利用目前的资料和技术手段无法识别出来。隐性古沟谷实际上是显性古沟谷被后期改造、破坏的产物。曹妃甸B油田近源方向上发育显性古沟谷,而秦皇岛A构造近源方向上应该发育隐性古沟谷(图 2)。无论是显性古沟谷还是隐性古沟谷,都可以作为输砂通道,配合有效物源,为近源扇体的发育提供物质基础。与显性古沟谷相比,隐性古沟谷的规模、数量、位置等特征目前很难确定,只能定性的认识到沉积碎屑可以通过这种古沟谷搬运过来,而无法确定古水系进入盆地的位置。所以下一步要探讨古水系的注水口,为精细刻画近源扇体奠定基础。

      • 地震剖面和时间切片显示,秦皇岛A构造的边界断层为F1,东三段地层(T3-T3M)直接对接上升盘的中生界火山岩潜山(图 3ab)。边界断层F1与次级断层F2走向平行,均为近东西走向。二者的共同作用使秦皇岛A构造的盆地边缘构造样式表现为南倾的断阶带。F1的断面坡度较陡,形成高陡型的断裂坡折,在下降盘发育明显的楔状上超—下超式前积体(图 3a)。这种前积类型往往代表对应的扇体粒度较粗,厚度较大,轴向延伸距离短[17]。需要特别指出的是,坡折带是扇体发育的必要条件,而非充分条件。坡折带并不一定对应着扇体发育,但是在物源供给充足的情况下,扇体一定发育在有水系注入的坡折之下。所以必须要沿着坡折带,寻找古水系的注水口,才能定位扇体发育的位置。

        图  3  秦皇岛A构造边界断层特征

        Figure 3.  Features of the boundary fault in the Qinhuangdao A area

        从现今的边界断层垂直位移分布曲线(图 3c)可以看出,F1活动性具有“早强晚弱”的特点。由于边界断裂是同沉积发育,随着地层的生长,断距也在不断累积。所以通过现今断距计算的活动速率并不能代表地质历史时期的活动速率,需要进行古断距的恢复。断裂的形成及演化过程一般表现为分段生长的发育模式,包括孤立成核、软连接和硬连接等3个阶段。在断层生长的过程中,不仅垂向断距不断累加,而且水平延伸长度也在不断增长[18]

        古断距的恢复主要有垂直断距相减法和最大断距相减法两种方法[19]。垂直断距相减法(图 4a)是指沿断层延伸方向逐点回剥,下部所有层位断距减去其最上部层位相对应的断距。该方法忽略了断层水平长度的生长,只进行了垂向古断距的恢复。而最大断距相减法(图 4b)是指沿断层延伸方向下部层位断距分别减去上部层位各断层段相应的最大断距。这种方法可以同时消除垂向断距和水平长度累加导致的误差。所以采用该方法来恢复边界断层的古断距。通过古断距的恢复,得到垂向古断距分布曲线(图 5a)。边界断层现今的垂直位移特征与地质历史时期的垂直位移特征差别较大,这也说明了进行古断距恢复的必要性。在进行古断距恢复的同时,利用残余地层厚度法对研究区东三段进行了古地貌的恢复(图 5b)。在边界断层垂向古断距分布曲线上,断距低值部位即为古转换带位置[20-22]。在古地貌图上,转换带表现为“上升盘凹陷、下降盘凸起”的地貌特征。通过“双古恢复”(边界断裂古断距恢复和工区古地貌恢复),共同确定了研究区转换带的位置,即古水系的注入口(图 5b)。

        图  4  古断距恢复方法分析(引自Dutton et al.[18]

        Figure 4.  Analysis of the throw backstripping method (after Dutton et al.[18] )

        图  5  古转换带的识别

        Figure 5.  Identification methods of ancient relay zone

      • 由边界断裂的垂向古断距分布曲线(图 5a)可知,该断层具有明显的分段生长的特征,主要表现为每一个断层段中间部位位移大,活动强烈,向两侧位移量逐渐变小。在东三段沉积时期处于硬连接阶段,表现为不同断层段搭接在一起。断层的这种分段生长特征控制了沉积区和搬运区的古地貌特征。断层中部活动强烈,一方面导致断层下降盘强烈沉降,形成深凹;另一方面导致上升盘均衡抬升,形成幅度较大的凸起。断层活动性沿走向向两端减弱直至消失,导致下降盘相对凸起,成为分水岭;而上升盘凸起逐渐消失,形成相对低地或缓坡,可以充当盆缘注水口。这是断陷盆地边缘为单一断裂的构造背景下古地貌的发育特征。而研究区为平行双断裂联合控制下形成的断阶陡坡带,将单一台阶复杂化,形成了“一台阶”和“二台阶”,其古地貌特征更加复杂,表现为同一构造台阶“凸”、“凹”相间,不同构造台阶“凸”、“凹”对接(图 5b)。

        在物源分析、注水口识别、古地貌恢复的基础上,建立了隐性古沟谷—平行断裂型古转换带控砂模式(图 6)。来自石臼坨凸起上的中生界火山岩碎屑物质通过早期的隐性古沟谷逐渐汇集至盆地边缘,由平行断裂型古转换带形成的注水口进入盆地,受控于盆内“凸凹相间、凸凹对接”的复杂古地貌格局,搬运方向发生了重新分配,最终在构造“一台阶”相对低势区形成了一系列的近源扇体。构造“一台阶”为有利的勘探区带。QHDA-1井所钻的区域位于构造“二台阶”,非主力砂体汇聚区,因此砂体不发育。

        图  6  隐性古沟谷—平行断裂型转换带控砂模式

        Figure 6.  Controlling sand model composed of the implicit incised valleys and parallel fault transfer zone

      • 隐性古沟谷—平行断裂型转换带控砂模式揭示了研究区近源扇体的发育规律。在该规律的指导下,利用剖面地震相和平面地震属性结合的方法进行近源扇体的刻画。顺着控砂模式指出的古水流方向,可以在地震剖面上识别出非常清楚的前积反射。但是受埋深大、地质背景复杂、资料品质低等不利因素的影响,常规属性切片无法清楚地刻画扇体边界。

        针对这个问题,本次研究采用基于灰度共生矩阵算法的属性优化技术对振幅类属性进行优化,有效地刻画了扇体的平面形态。这种方法实际就是在振幅属性切片的基础上,将大概率的密切关联的像素点以灰度的形式展示出来,从而突出了图像的轮廓[23]。利用灰度共生矩阵优化之后,振幅属性切片可以清楚地看到扇体的形态(图 7a)。属性切片上的各个扇体在地震剖面均有响应。例如剖面c沿着物源方向切穿了1号扇体,垂直于物源方向切穿2号扇体。在地震剖面上可以清楚的看到1号扇体表现为楔形前积反射,而2号扇体表现为双向下超的丘形反射(图 7c)。剖面d沿着物源方向切穿2号扇体,在地震剖面上表现为楔形前积反射。属性切片、剖面地震相所反应扇体的发育特征与控砂模式所揭示的沉积规律是非常吻合的,这证明了研究结果的有效性。秦皇岛A构造“一台阶”共发育4个近南北向展布的近源扇体(图 7b)。这些近源扇体是下一步油气勘探的重点目标。

        图  7  控砂模式指导下的近源扇体精细刻画

        Figure 7.  Fine characterization of proximal source fans guided by the controlling sand model

      • (1)综合利用钻井资料和地震资料,采用地震资料的精细解释、边界断层古断距恢复、古地貌恢复以及基于灰度共生矩阵算法的属性优化技术等关键技术,刻画并论述了秦皇岛A构造的有效物源、沉积物搬运路径以及近源扇体的展布,恢复了研究区完整的源—汇体系,建立了隐性古沟谷—平行断裂型古转换带控砂模式,合理解释了已钻井QHDA-1井砂体不发育的原因,指出了秦皇岛A构造“一台阶”发育一系列近源扇体,具有较大勘探潜力。

        (2)针对研究区古沟谷不发育的特点,创新思路,突破“逢沟必扇”理论等固有思想的束缚,将沉积物搬运路径细分为物源区输砂通道和盆缘输砂通道两部分。通过创新提出“隐性古沟谷”的概念,解决了物源区无古沟谷输砂的问题;优选最大断距相减法,恢复了边界断层古断距,识别出了平行断裂型转换带,找到了盆缘输砂通道。最终恢复了研究区沉积物搬运路,形成了一套无沟谷沉积背景下的陡坡带近源扇体研究方法,实现了在无沟谷条件下的“找砂”。

    参考文献 (23)

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