2. 中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院, 西安 710081
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China
鄂尔多斯盆地是我国主要的含油气盆地之一,目前在华庆地区延长组长6油层组砂岩储层中发现了储量规模巨大的油田[1-3]。岩相古地理研究表明,华庆地区延长组长6油层组沉积时期大面积发育半深湖—深湖沉积亚相,具有深水沉积特征[4-7],且该深湖区同时沉积了厚层砂岩,这些砂岩储集体的成因机理成为学者们关注的焦点[8-12]。
浊积岩[13]和震积岩[14]的概念自从被提出开始,就一直被认为是深水事件沉积的主角,也是全球沉积过程研究的热点[15-17]。目前根据事件沉积发生的位置,可以将其划分为“地内事件沉积”和“地外事件沉积”,根据其发生的规模可以分为全球性、区域性和地方性3类事件沉积。华庆地区长6油层组沉积时,深水区域中发现的事件沉积类型包括重力流事件、火山事件、地震事件和缺氧事件[17-20],目前学者们关于这方面的研究成果大多数停留在定性分析阶段[21-22],且多个沉积事件的相互组合关系的研究更为薄弱。
本文以事件沉积学理论为指导,基于华庆地区钻遇长6油层组的钻井岩心、测井、录井资料以及X射线荧光光谱元素分析结果,对各类沉积事件进行了系统研究,详细阐述了事件沉积存在的证据、沉积方式和强弱特征,并讨论各类事件之间的相互联系,最终解释该地区深水厚层砂体的成因机理,以期为大型坳陷型深水湖盆沉积事件形成的厚层砂体的成因研究提供地质依据。
1 区域研究背景华庆地区位于鄂尔多斯盆地西南部(图 1),延长组长6油层组沉积时期,研究区东北部和西南部发育小规模的三角洲前缘沉积,除此之外,其他绝大部分区域发育半深湖—深湖沉积[23],在半深湖—深湖亚相中广泛分布了砂质碎屑流和浊积岩,二者均可以作为良好的储集层[24]。因此,可将华庆地区长6油层组中的砂质碎屑流和浊积岩作为研究对象,探讨深水沉积的砂体与沉积事件的关系。根据长庆油田对该套地层的划分,延长组6油层组自上而下分为长61、长62、长63共3个油层亚组。其中长63油层亚组的砂体厚度最大。结合岩性及电性特征,又将长长63油层亚组自上而下分为长631、长632、长633共3个砂组。
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下载eps/tif图 图 1 鄂尔多斯盆地华庆地区的位置示意图 Fig. 1 Location map of Huaqing area in Ordos Basin |
作为重力流事件主体的浊流沉积和砂质碎屑流沉积广泛发育于华庆地区半深湖—深湖亚相中,可形成浊积岩和砂质碎屑沉积砂岩[25]。以X1井长6油层组为例(图 2),在岩心上观察到浊积岩主要为灰色、深灰色细砂岩、泥质粉砂岩,沉积物在沉积过程中受到了不同水动力条件的影响,形成了典型的浊积岩指示特征,包括火焰构造、槽模和粒序层理。电性特征上,浊积岩表现为SP呈钟形(70~90 mV),GR漏斗、锯齿形(90~110 API),Rt锯齿(20~40 Ω·m)。浊积岩中常见生物化石为水面沉降下来的植物碎片。砂质碎屑流沉积砂岩为灰色、灰褐色细砂岩,发育块状层理,测井特征为SP呈平缓形(< 50 mV),GR箱形内锯齿状(60~100 API),Rt指形或锯齿状(< 60 Ω·m)。
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下载eps/tif图 图 2 华庆地区X1井延长组综合柱状图 Fig. 2 Stratigraphic column of Yanchang Formation of well X1 in Huaqing area |
通过X1井的综合柱状图可以观察到,浊流沉积与砂质碎屑流沉积广泛发育于长6油层组中,证明重力流事件在长6油层组沉积期频繁发生,造成深湖亚相中存在砂体垂向上呈多层叠加堆积特征。砂体的沉积厚度数据反映了重力流事件发生的强度较大,致使深水区砂体累计沉积厚度普遍大于10 m,有个别单砂层厚度在5 m左右。
2.1.2 重力流事件的诱因重力流事件产生的诱因主要是地形因素和气候因素。首先,在长6沉积时期,鄂尔多斯盆地底部形态为“南陡北缓、西陡东缓”特征[25],华庆地区位于盆地的西南部,古地形倾角较盆地其他地区更陡,在季节性强降水条件下沉积物常被裹挟着冲入湖盆中,为浊积岩和砂质碎屑流沉积的形成提供了物质来源。
通过分析泥岩中的主、微量元素可以还原长6油层组沉积期的古气候环境。将华庆地区岩心样品送同济大学海洋地质国家重点实验室进行X射线荧光光谱分析(XRF),得到华庆地区长6油层组泥岩的主、微量元素数据(表 1),并结合已有研究成果[26]对纸坊组、长7和长10泥岩测试数据绘制出古气候与古环境演化图(图 3)。华庆地区长62 —长63沉积时期,鄂尔多斯盆地整体上表现为内陆湖泊的稳定期,其气候环境与纸坊组、长10和长7沉积时期相比更为稳定。湖水的古盐度与长7相比明显下降,稳定在较低水平(Sr/Ba比值低反映了古盐度较低)。整个区域湖水的氧化还原环境主要以稳定的还原环境为主,而在长7沉积时期主要为过渡型弱还原环境,可通过Cu和Zn含量进行判断。从古气候上看,长62—长63沉积时期的古气候与长7期相比有向温暖湿润气候变化的趋势,Sr/Cu和CaO(/ MgO×Al2O3)变低反映了这一趋势。从古水深角度分析,长7沉积时期湖水深度达到最大,之后从长63开始湖水深度明显变小,到长62时期湖水深度进一步降低,反映出长6沉积时期湖盆范围逐渐缩小的特点,“f 值”越来越小反映了湖水深度逐渐变浅,其中f =(Rb×Al)/(Zr×K)。
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下载CSV 表 1 华庆地区延长组泥岩主、微量元素分析测试结果 Table 1 Analysis and test results of main and trace elements in mudstone of Yanchang Formation in Huaqing area |
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下载eps/tif图 图 3 华庆地区纸坊组—延长组古气候、古环境演变综合柱状图 Fig. 3 Comprehensive histogram of paleoclimate and paleoenvironment evolution from Yanchang to Zhifang Formation in Huaqing area |
凝灰质泥岩是华庆地区长6油层组岩石中常见的与火山事件相关的岩石类型。通过录井资料统计了十余口井延长组长6油层组凝灰质泥岩的发育特征(表 2),主要包括:具滑感,性脆,岩屑呈鱼鳞状,荧光直照呈浅黄色,平均厚度1.74 m。以X2井为例(图 4),分别在1 936~1 938 m,1 939~1 940 m和1 950~1 952 m处发育凝灰质泥岩,累计厚度约5.0 m,其测井曲线特征整体呈现中等电位、高自然伽马值、低电阻率值和高声波时差特征:自然电位为60~70 mV,声波时差为250~300 μs/m,自然伽马为150~180 API,电阻率为15~35 Ω·m。凝灰质泥岩主要分布在长62~63油层亚组中,根据凝灰质组分在后期储层改造中具有贡献作用,长62~63油层亚组中因凝灰质溶蚀形成的次生孔隙多于其他层位[27]。
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下载CSV 表 2 华庆地区延长组长6油层组凝灰质泥岩发育特征 Table 2 Development characteristics of tuffaceous mudstone of Chang 6 reservoir in Huaqing area |
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下载eps/tif图 图 4 华庆地区X2井延长组凝灰质泥岩发育段综合柱状图 Fig. 4 Comprehensive column of tuffaceous mudstone of Yanchang Formation in well X2 in Huaqing area |
两块凝灰质泥岩样品及其周边泥岩的主、微量元素分析结果显示,长6油层组的凝灰质泥岩中Fe2O3的质量百分含量比长7油层组凝灰质泥岩普遍高10%左右,部分样品甚至高30%,这可能与火山岩的类型有关。这些凝灰质泥岩样品在进行XRF实验分析时,Pt坩埚中的熔样残留物黏结在了坩埚底部,不能完全倒出,分析结果显示该残留物中S元素含量较高,因此可以推测,采集的凝灰质泥岩样品中黄铁矿(FeS)含量较高,其主要来自于火山灰或还原环境的硫铁矿。火山喷发出的硫化氢气体部分溶于深水区,在还原条件与火山灰中铁结合形成了FeS。
华庆地区长6油层组凝灰质泥岩的平面分布特征显示(图 5),凝灰质泥岩的分布范围较广,在南部、东北部和西北部均有分布,且相互孤立,未能连成一片。西北部的凝灰质泥岩沉积厚度较大,成条带状,最厚部位可达13 m(X4井),南部凝灰质泥岩较薄,呈分散的条带状。因火山灰的沉积是由于火山喷发后经由大气或河流等形式携带入湖,所以凝灰质泥岩的平面分布特征主要受控于火山灰进入湖盆的方式。当火山活动较为强烈时,喷出的火山灰能够经过高空直接运移至湖盆内,这样形成的凝灰质泥岩厚度较为均匀,分布面积通常较大。当火山喷发相对较弱时,形成的低密度火山灰因空气浮力作用飘移较远,最终落到地面,被河流携带入湖,这样形成的沉积岩厚度差异较大,凝灰质泥岩分布范围较窄,多呈狭长的条带状,并主要分布在湖盆周缘。根据华庆地区长6油层组中凝灰质泥岩分布形态判断,火山灰进入湖盆的方式主要以河流裹挟为主,在湖盆中分布范围较小,局部厚度较大。
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下载eps/tif图 图 5 华庆地区延长组长6油层组凝灰质泥岩平面分布图 Fig. 5 Plane distribution characteristics of tuffaceous mudstone of Chang 6 reservoir in Huaqing area |
凝灰质泥岩的分布可直观地反映火山事件强度。为了从时间尺度上比较长6—长7沉积时期火山事件强弱变化情况,基于研究区各井的录井资料,对凝灰质泥岩样品的发育情况进行了详细统计,得到各个层位的凝灰岩或凝灰质泥岩分布直方图(图 6)。由此可见,火山事件强度最大时期位于长73—长81油层亚组沉积时期,这一时期的火山活动频繁,大量富含凝灰质组分的沉积物进入湖盆并沉积于泥岩中。随着时间的推移,到长6沉积时期,凝灰质泥岩数量明显减少,反映了火山事件频率和规模均大幅度减小,其中在长62沉积期有一小高峰,推测在长62沉积期间的火山事件发生的频率和规模略有小幅增加。
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下载eps/tif图 图 6 华庆地区延长组凝灰岩和凝灰质泥岩分布特征 Fig. 6 Distribution characteristics of tuff or tuffaceous mudstone of Yanchang Formation in Huaqing area |
地震事件沉积所形成的岩石包括在不同沉积构造与沉积背景下的地震作用过程中,由于地壳颤动引起的各种作用力对沉积物改造而形成的震积岩,以及由地震作用引起的海啸或重力流对沉积物进行改造而形成的海啸岩或震浊积岩[27-29]。不同的地震强度对沉积物的改造程度有所不同,地震震级越大,改造作用越强。Rodrguez-Pascua et al [30]提出了利用沉积构造来判别地震震级的方法,认为小于5级地震主要形成扰动层理及震动卷曲变形,5~6级地震可见蘑菇状砂岩脉及肠状液化砂岩脉,6~7级地震会出现环状层理及砂球、砂枕构造,7~8级地震会出现枕状层,大于8级地震可见阶梯状断层及砂砾岩中的液化砂脉。通过华庆地区长6油层组岩心观察,发现了大量地震事件引起的同生变形构造,主要包括扰动层理、火焰状构造、槽模、无液化交错层理、蘑菇状砂脉和液化交错层理等,其中液化交错层理、火焰状构造和槽模构造发育最为广泛,通过这些层理构造特征与Rodrguez-Pascua et al提出的震级图序相匹配(图 7),可以判断华庆地区长6油层组沉积时期曾多次发生4.5~5.5级地震,地震发生的频率较高。
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下载eps/tif图 图 7 华庆地区延长组沉积构造判别地震震级(据文献[26]修改) ①环状层理;②扰动层理;③无液化交错层理;④蘑菇状砂脉;⑤液化交错层理;⑥假结核;⑦液化砂岩脉;⑧枕状构造;⑨阶梯状微断层 Fig. 7 Discrimination of seismic magnitude by sedimentary structure in Yanchang Formation in Huaqing area |
华庆地区西南部X13井的岩心观察结果显示,其长62砂组中部发育了一套富含微断层的灰色细砂岩,与泥岩呈互层状,累计厚度约5 m,在这5 m岩心中共发育典型的震积岩13组,每组发育的微断层各具特点(图 8)。底部微断层延伸长度较短,数量较少,方向基本一致;中部微断层延伸长度明显变长,数量较多且非常密集,同时断层的走向也出现多种方位;上部微断层延伸长度又变短,分布稀疏,走向基本一致,并发育液化卷曲构造。微断层的广泛发育反映了这一时期的地震活动较为强烈,底部岩心反映了较小的地震震级(4~5级),中部最为强烈(6~7级以上),上部地震活动逐渐减弱(4~5级)。
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下载eps/tif图 图 8 华庆地区延长组X13井长62段震积岩微断层发育特征 (a)1 902.2 m,块断型微断层;(b)1 901.6 m,泥岩撕裂与高角度雁列式微断层;(c)1 901.9 m,砂质团块与微断层;(d)1 901.1 m,泥质条带与微断层;(e)1 900.5 m,砂质条带与高角度雁列式微断层;(f)1 901.9 m,高角度微断层 Fig. 8 Developmental characteristics of micro-fault of Chang 62 seismite reservoirs in well X13 in Huaqing area |
缺氧事件与富氧事件的沉积特征具有明显区别。缺氧事件处于还原条件,其沉积水体中的溶氧量较低,导致沉积岩的颜色偏深色,富含黄铁矿和菱铁矿等,有机质保存较好,低价硫含量较高。通过对华庆地区长6油层组中泥岩的氧化还原环境恢复(参见图 3),可以得出泥岩的沉积环境以还原环境为主,颜色较深,有机碳含量较高,黄铁矿的平均质量分数为3.08%,菱铁矿的平均质量分数为0.58%,均反映了缺氧环境特征。因此,可以推测在长6油层组沉积时,水体中的含氧量普遍较低,缺氧事件贯穿于整个长6的沉积过程。
3 沉积事件相互作用各种沉积事件的发生对华庆地区延长组长6油层组厚层砂岩的沉积具有一定的贡献作用。长6砂岩的分布特征显示(图 9),中部沉积了大量来自东北和南部物源方向的沉积物,其中砂质碎屑流砂体最为发育,震积岩较为发育,并夹薄层凝灰质泥岩,反映了沉积过程中多个事件交替发生。
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下载eps/tif图 图 9 华庆地区延长组沉积事件示意图与长6沉积砂体分布图 Fig. 9 Schematic diagram of sedimentary events and distribution of Chang 6 sand bodies in Huaqing area |
在长6沉积早期,构造沉降和气候因素共同作用下,沉积水体较深,湖盆面积较大,生物种类繁多,这些都为长6油层组烃源岩的形成提供了必要的物质基础,随后受到地形因素和降水的影响,东北部和南部充足的碎屑物质被携带至湖盆周缘的浅湖区沉积下来,在强降水和地震事件作用下,发生重力流事件,从而造成了碎屑沉积物往深湖区运移并大量堆积,形成了浊积岩和砂质碎屑流沉积,最终形成了厚层砂岩。重力流事件沉积的砂岩与深湖区缺氧环境下沉积的暗色泥岩共同组成了纵向上理想的生储盖组合。
长6沉积时期的地震事件发生时,原本位于盆地南部地势较陡的区域,靠近湖底斜坡处堆积的砂体受到扰动,易发生向湖盆中心运移的滑塌作用,从而形成重力流沉积,外部形态上表现为中心式堆积特征。湖盆中心的半深湖—深湖区,由于地形坡度较小,砂体不易发生大规模滑塌作用,但是受到长6时期地震活动的影响仍发育了微断层或液化变形构造。
长6沉积时期的火山事件产生的火山灰进入湖盆后,导致湖水浑浊,对缺氧事件具有一定贡献作用。火山灰沉积后形成的凝灰岩和凝灰质泥岩,易发生成岩蚀变形成大量次生孔隙,从而提高了储层的孔隙度和渗透率,优化了长6油层组的储集性能。
延长组长6沉积时期的重力流事件、地震事件和火山事件的发生,使得浊流和火山灰在湖底沉积时,水体能见度较差,阳光被遮挡,悬浮物的增加使得水体的密度变大,降低了其循环能力,对缺氧事件的发生具有一定促进作用,抑制了有机质的氧化和细菌分解作用,利于有机质的保存,从而形成暗色泥岩和灰岩等良好的烃源岩。
4 结论(1)鄂尔多斯盆地华庆地区长6油层组多为深水沉积,沉积期发生的沉积事件主要包括重力流事件、火山事件、地震事件和缺氧事件,各种沉积事件对沉积物的影响既有区别又存在相互作用。地震事件常诱发重力流事件的发生,而重力流事件和火山事件又促进了水体的缺氧,在这些沉积事件的共同作用下,最终形成了研究区纵向上理想的生储盖组合。
(2)与重力流事件相关的浊积岩与砂质碎屑流沉积广泛发育于长6油层组,造成了砂体在深湖区大面积多层堆积;长6沉积时期的火山事件发生的强度和影响范围均小于长7沉积时期,凝灰质泥岩的平均厚度仅为1.74 m,且主要分布在长62—长63油层亚组,且富含Fe元素的火山灰主要以河流搬运方式进入湖盆中;长6沉积时期的地震事件频繁发生,震级主要为4.5~5.5级;多期缺氧事件有利于有机质的保存,对研究区优质烃源岩的形成具有极大的贡献作用。
致谢: 中国石油长庆油田勘探开发研究院李士祥和楚美娟,海洋地质国家重点实验室李艳丽给予了悉心指导,在此表示感谢!
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