深水海底扇是发育于大陆坡海底峡谷前缘,由陆源碎屑物经浊流作用通过海底峡谷搬运至洋底堆积而成的扇形或锥形沉积体
[1]。比较典型的深水海底扇分布于尼日尔三角洲盆地
[2]、东非鲁伍马盆地
[3]、北美墨西哥湾盆地
[4]、新西兰塔拉纳基盆地
[5]、南海琼东南盆地
[6-7]和塔里木盆地等。近年来,随着海洋地球物理技术、数值模拟和实验沉积学的发展,深水海底扇研究在沉积过程、构型模式及控制因素等方面取得了显著进展。然而,由于技术方法和研究方法的限制也存在许多问题,例如多期叠置扇体精细解剖难度大,流体转化机制尚不明确,古环境重建存在多解性等
[8-11]。
塔里木盆地东南部晚奥陶世却尔却克组发育一套厚度超过2 000 m的巨厚砂岩、粉砂岩和泥岩韵律互层海底扇浊积岩,且野外露头可见不完整的鲍马序列,分布面积较广,形成于深海盆地背景
[1]。塔东南地区具备有效的烃源岩、砂岩储集体和有效运移路径等构成岩性油气藏的重要条件。赵孟军等研究发现塔里木盆地满加尔凹陷下古生界主要发育中下寒武统、中下奥陶统和上奥陶统3套烃源岩。其中,中下寒武统烃源岩和中下奥陶统烃源岩的沉积相特征和发育特征相似,有机质丰度高、类型好,而上奥陶统烃源岩分布局限、类型差。关于上奥陶统烃源岩的研究程度相对较低,仅有数位学者有过相关研究,但都只是对却尔却克组烃源岩地化特征的探讨
[12-13],对发育范围则仅是将该套地层作为整体分析
[14-15],未对储集体发育及成藏条件进行深入探讨
[16-17]。陈强路等
[18]、赵欣等
[19]认为研究区却尔却克组储层属于特低孔低渗的储层,近物源快速沉积作用导致的低成分成熟度和中等-差结构成熟度是却尔却克组致密砂岩形成的内在原因。然而受限于埋藏深度较大、钻穿目的层的钻井极少,以及储集体的物性较差等不利因素,长期以来塔东南地区深水海底扇的研究并未得到足够重视,导致该区研究程度缺少系统性和深入性。现充分利用现有的二维地震和有限的钻井资料开展层序-沉积划分,以明确深水浊积岩储集体和烃源岩的分布规律,拟指出海底扇的油气勘探潜力并优选出有利勘探区,为下一步油气勘探部署提供技术支撑。
1 区域地质概况
研究区位于塔里木盆地东南部(下文简称塔东南)的隆起和凹陷区夹持的塔里木盆地东部(下文简称塔东)低凸起部位,北接孔雀河斜坡和库鲁克塔格隆起,东南邻塔东南隆起,西北依满加尔坳陷(
图1)。塔东低凸起面积约为4.02×10
4 km
2,主要由上下两个构造层组成,下部构造层为寒武-奥陶系,之上被侏罗系覆盖,呈角度不整合接触。上部构造层为侏罗系至第三系,分布较为广泛
[20]。
该线性段磊构造受两条平行的巨型走滑断裂(于田断裂、民北—且末断裂)夹持
[21]。研究区演化历史较为复杂。随着Rodinia超大陆的裂解,塔里木盆地在寒武纪-早奥陶世处于伸展构造背景下,在塔里木盆地的西部和东部构造沉降呈显著差异性,且具有很强的不均一性
[22]。
在该时期,塔东南整体处于强烈伸展构造沉降期,主要分为3个阶段。
(1)早寒武世,经历了一次强烈的伸展沉降且幅度巨大,形成了寒武系最重要的雅尔当山组烃源岩
[17,23-24]。
(2)中-晚寒武世至早奥陶世早期,属于构造活动稳定期且沉降幅度较小
[25-26]。
(3)早奥陶世,又经历了一次强烈的沉降且幅度较大,水体深度达到了整个奥陶纪的最大,形成了奥陶系最重要的黑土凹组烃源岩
[13-14,27]。
中奥陶世-晚奥陶世早期可以分为两个阶段,其中在中奥陶世,北昆仑洋和北阿尔金洋的消减闭合使得塔里木地区由伸展转变为南压北张的构造格局
[27]。塔东地区保持较快的构造沉降速率,盆地性质由欠补偿状态转变为补偿-超补偿状态。在晚奥陶世中晚期,塔东地区凑找沉降作用减弱,反以补偿-超补偿沉积充填为特征,沉积水体逐步变浅,满加尔坳陷趋近消亡
[26]。奥陶世末-早志留世,整体抬升阶段,满加尔坳陷在强烈的沉积充填和微弱的构造沉降的综合作用下接近消亡,沉积水体显著变浅
[28-29]。
2 却尔却克组层序-沉积特征
2.1 层序地层特征
综合分析塔东地区地震资料、测井曲线的旋回性特征
[30],结合却尔却克组沉积序列特点,将上奥陶统却尔却克组划分为1个二级层序,细分为5个三级层序,自下而上分别命名为SQ1~SQ5[SQ(sequence)为层序]。却尔却克组的顶、底界面SB6、SB1[SB(sequence bottom interface)为层序底界面]在地震反射界面分别对应于
${\mathrm{T}}_{7}^{0}$和
${\mathrm{T}}_{7}^{2}$,组内SQ1~SQ5的层序界面自下而上分别为SB2、SB3、SB4和SB5。
塔东地区指示层序边界的地震反射终止关系,主要有上超、削蚀和顶超等类型。却尔却克组底
${\mathrm{T}}_{7}^{2}$界面为岩相转换面,界面上下的岩性差异大,界面之下为碳酸盐岩,界面之上转换为碎屑岩,故而形成强波阻抗的界面(
图2)。界面SB1整体表现为强-中振幅、中频、好连续的反射特征,可在全盆地内追踪。层序界面SB2、SB3、SB4和SB5为岩性转换面,界面之下为泥岩,界面之上为粉砂岩或细砂岩,测井响应对应于自然伽马(GR)由高变低。界面整体表现为强-中振幅、中频、好连续的反射特征。却尔却克组顶
${\mathrm{T}}_{7}^{0}$界面是奥陶系与上覆地层志留系的不整合面,为二级层序界面,在塔东地区为角度不整合,地震上存在削截等不整合现象,向满加尔坳陷逐渐变为整合接触
[31-32]。从岩性组合与测井响应分析,SQ1~SQ5均为完整的沉积基准面上升和基准面下降的三级旋回结构。
从地震上看,SQ1发育东南-西北向的楔形体(
图2)。沉积厚度上,塔东地区沉积厚度最大,超过500 ms,呈东南向西北展布的扇形(
图3)。地震剖面和SQ1沉积厚度的特征共同指示了阿尔金方向物源的存在。SQ2和SQ3地震反射以平行-亚平行为主,沉积中心向西部转移,塔东地区西部沉积厚度最大,指示了相对稳定的沉积背景和物源供给西迁的特点(
图2、
图3)。SQ4、SQ5发育大规模多期前积体,指示了剥蚀区强劲物源,同时大面积发育侵入岩,顶部被剥蚀保存不全。
2.2 海底扇沉积体系类型与特征
塔东南地区上奥陶统普遍发育海底扇
[33-34],海底扇沉积体系由辫状重力流水道、中扇浊积水道、外扇浊积水道、外扇席状浊积和深海平原组成。从规模上来看,浊积水道和席状浊积广泛发育,深海泥次之,而中扇辫状重力流水道仅在局部发育。由于塔东南地区的强劲物源供给的影响,塔东地区的水道和朵叶的规模较大[
图4(a)]。海底扇沉积体系的岩石学与测井响应有较大差异(
图5),具体特征如下。
(1)中扇辫状重力流水道:重力流水道规模较大,野外露头可见“U”形侵蚀面[
图4(b)]。伴随厚层块状砂岩充填,水道底部通常可见软沉积物变形的特征。录井岩性以石英砂岩、细砂岩为主,含少量粉砂岩、泥岩,顶底都为突变接触,由多个正粒序组成,水动力强,岩性频繁交替。GR(自然伽马)、RD(深双侧向电阻率)表现为箱形[
图5(a)]。
(2)中扇浊积水道:岩心上常见厚层粉砂岩与泥质粉砂岩互层的现象,水道底部可见冲刷面[
图4(d)、
图4(f)]。岩性以泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩为主,发育规模和砂岩厚度相较于辫状重力流水道更小,水动力条件较弱。GR、RD测井曲线为箱形[
图5(b)]。
(3)外扇浊积水道:规模相对中扇浊积水道更小,岩性更细,以粉砂岩为主,岩心上可见泥质撕裂屑[
图4(g)]。岩性以泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩为主,含少量凝灰岩,底部砂岩和泥岩呈突变接触,上部为渐变接触,水动力条件弱。GR测井曲线为指形[
图5(c)]。
(4)外扇席状浊积:露头可见砂质泥岩与泥岩互层的现象,普遍发育鲍马序列[
图4(c)]。岩心上薄层泥岩与薄层粉砂质泥岩、粉砂岩互层,体现了水动力条件弱的特点[
图4(d)、
图4(e)]。岩性以泥岩为主,含少量薄层粉砂岩、粉砂质泥岩,水动力条件弱。GR测井曲线整体起伏较小,在含砂层段剧烈波动[
图5(d)]。
(5)深海平原:岩性以泥岩为主,含少量薄层粉砂质泥岩,水动力条件极弱。GR测井曲线变化极小,在含砂层段轻微波动[
图5(e)]。
井震结合揭示塔东南地区遭受不同程度的剥蚀。以塔东1井为例,SQ4、SQ5全部被剥蚀,SQ3的局部和SQ1、SQ2被保存(
图6)。残存的却尔却克组厚约1 300 m,岩石类型以石英砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩为主,砂泥岩频繁互层。
却尔却克组的底界面之下为黑土凹组黑色泥页岩,反映了深水还原沉积环境;却尔却克组的顶界面之上为志留系红色泥岩,反映了氧化沉积背景。从SQ1到SQ3,砂岩含量逐渐减少,泥岩含量逐渐增多,地震解释表明发育的水道个数增加,但单一水道的规模减小。沉积体系从海底扇中扇与外扇垂向叠置,逐步过渡为海底扇外扇与深海平原互层。以上证据表明塔东地区在SQ1~SQ3时期,随着沉积水体不断上升,海底扇的展布范围逐步减小。
3 储层与烃源岩特征
3.1 储层的地震响应
地震上识别解剖了塔东南上奥陶统海底扇体系4种富砂沉积单元,包含中扇辫状重力流水道、中扇浊积水道、外扇浊积水道及外扇席状浊积(
表1)。
3.1.1 中扇辫状重力流水道:充填地震相
在地震剖面上,指示中扇辫状重力流水道沉积对应两种充填地震相:杂乱充填相和前积充填相。杂乱充填相在研究区表现为中振幅-差连续性反射,外形呈“U”“V”和“W”形,其中以“V”形居多,内部反射结构为杂乱状,指示水流动力很强不断下切侵蚀形成“V”形峡谷,主要分布于研究区塔东1井区东部的SQ1、SQ2。
前积充填相表现为中振幅-中连续性,“U”和“V”形低凹处为前积充填,主要分布于研究区塔东2井区西北部的SQ1。钻井资料显示辫状重力流水道沉积物粒度较粗,岩性以砾质砂岩、含砾砂岩、砂岩及粉砂岩为主
[34],具有较高的砂泥比,为潜在的优质储集体。
3.1.2 中扇浊积水道:楔状和丘形地震相
在顺物源地震剖面上,中扇浊积水道在地震上外形呈楔形,为中强振幅-好连续反射,内部反射结构常呈发散状,通常代表差异沉降背景下沉积物沉积速率向一侧递减,指示沉积区构造活动强烈,沉积物快速堆积,主要分布于塔东2井区西北部。
在垂直物源地震剖面上,水道外形呈叠置的丘形,为中振幅-中差连续反射,内部为杂乱-前积复合充填。主要分布于塔东1井区东部SQ1~SQ3。钻井资料显示浊积水道沉积物粒度较于辫状重力流水道更细,岩性以块状细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主
[35],具有较高的砂泥比,为潜在的优质储集体。
3.1.3 外扇浊积水道:叠瓦状前积地震相
外扇浊积水道在地震剖面上表现为叠瓦状地震相。主要特征为中振幅-差连续反射,内部同相轴彼此相互平行并部分重复,且同相轴常表现为非系统性终止。在所有层序均有分布,主要集中于塔东1、2井区及东北部。钻井资料显示外扇浊积水道岩性以粉砂岩、泥质粉砂岩及薄层泥岩组成韵律层,砂岩底部可见水道底模
[1],整体相对富泥,为潜在的规模性储集体。
3.1.4 外扇席状浊积:透镜状地震相
外扇席状浊积在地震剖面上表现为透镜状地震相。主要特征为中振幅-中差连续性反射,外形呈中部厚两边薄的双凸形,部分呈现低角度前积。在研究区大面积广泛发育,在所有层序均有分布,集中于塔东2井西北部、塔东1井东部和英东2井东部。钻井资料显示外扇席状浊积岩性由粉砂岩、泥质粉砂岩和泥岩组成,砂岩底部见水道底模
[1],整体相对富泥,为潜在规模储集体。
3.2 储层连井对比
选取研究区近东北方向塔东2-塔东1-东探1-英东1-米兰1-英东2井连井剖面,分析塔东南地区却尔却克组储层垂向发育特征(
图7)。塔东南地区SQ1~SQ3发育深海海底扇,主体为外扇沉积亚相,局部发育中扇。塔东2井SQ1底部和中部、塔东1井SQ1上部、SQ3底部发育中扇辫状重力流水道和浊积水道微相,砂体厚度大,砂地比值高。英东1-米兰1-英东2小区域SQ1和SQ2顶部砂体连通性较好,储层厚度较大;SQ4、SQ5发育浅海海底扇沉积,塔东2-塔东1井区全被剥蚀,东探1和英东2因处于构造高部位SQ5全被剥蚀,SQ4局部被剥蚀,砂体整体欠发育,仅英东1和英东2井区外扇浊积水道发育,砂体厚度较大,但横向分布不稳定。整体上成岩作用以强烈的压实、压溶以及胶结作用为主。其中压实和胶结可较低孔隙度,而压溶作用则增加孔隙度
[36-37],根据塔东1、米兰1、英东2井的共114个数据点计算出其平均孔隙度为2.59%,平均渗透率为0.135×10
-3 μm
2,属低孔-特低渗储层
[18-19]。
综上所述,塔东南地区持续发育海底扇沉积,研究区未见粗粒的内扇亚相,仅发育中扇和外扇亚相,海底扇砂体横向连通性差,非均质性强,仅局部层段较好,纵向多层叠置,单井各层序砂体累计厚度在46.5~484 m(
表2)。
3.3 烃源岩特征
在研究区寒武系-奥陶系发育有两套优质烃源岩:分别为中-下寒武统以塔东1井为代表的泥质岩烃源岩,以及上寒武统-中、下奥陶统,以塔东1井为代表的泥质岩烃源岩
[16]。中-下寒武统烃源岩有机质丰度高,单井总有机碳含量(total organic carbon,TOC)平均值最高可达2.56%,研究地区平均值可达1.98%;生烃潜力(
S1+
S2)低,均值约为0.31 mg/g。整体显示为中-好烃源岩。中-下奥陶统烃源岩有机质丰度高,单井TOC平均值最高可达1.71%,研究地区平均值可达1.21%。生烃潜力(
S1+
S2)均值约为0.7 mg/g。整体为差-好烃源岩。在中-晚奥陶世却尔却克组沉积期,塔东南发育海相盆地相的烃源岩
[38]。该组烃源岩是在奥陶纪海侵背景下处于深-浅海沉积环境发育大规模海底扇的间歇期沉积
[13,17],为一套纯暗色泥岩/页岩,其分布受周边构造约束,分别超覆于西缘的古城-轮古东台地边缘,东部的罗西台地边缘之下。南北向上,受南部的车尔臣断裂及北部孔雀河断裂影响,于塔东南地区断失,并超覆在孔雀河斜坡之上。对研究区域的单井资料进行搜集和整理,梳理出了英东2、米兰1、塔东1、塔东2等单井的TOC、(
S1+
S2)等数据
[14-16]。统计结果如下(
表3)。对却尔却克组烃源岩特征取得如下认识。
英东2井共计有79个样品点,TOC平均值0.50%,最大可达1.21%,其中TOC大于0.5%的样品有31个,占比39.2%,集中于SQ2和SQ3的深度3 570~3 688 m。英东2井的生烃潜力指数为0.13~1.55 mg/g,平均值0.63 mg/g,可知英东2井区有机质丰度较低,生烃潜力中等。米兰1井共计有440个样品点,TOC平均值0.478%,最大可达2.12%,其中TOC大于0.5%的样品有166个,占比37.7%,TOC高值在SQ1~SQ4均有分布(
图8)。米兰1生烃指数0.06~1.22 mg/g,平均值0.36 mg/g, 可知米兰1井区有机质丰度较低,生烃潜力差-中等。纵向上,SQ1~SQ3有机质丰度相对较高,尤其米兰1井区附近,TOC平均值约为0.59%。在SQ2、SQ3沉积时期,伴随着全球海平面继续上升,塔里木盆地海域面积进一步扩大
[39],海底扇沉积展布范围逐步缩小,多发育孤立的小型扇体,而其碎屑对有机质解释作用较弱,因此有机质丰度较高(
图9)。SQ4、SQ5沉积期间,主要发育深水浊流沉积,此时沉积速率较高,受浊流影响有机质被稀释,从而破坏了有机质保存
[14]。同时,在沉积过程中,由于大量氧气输入,不利于烃源岩形成,导致有机质丰度非常低。此外,在塔东2井区,由于后期构造运动作用,该套烃源岩随塔东地区地层抬升而剥蚀殆尽。塔东南上奥陶统样品干酪根碳同位素表现为Ⅰ型有机质类型,表明却尔却克组烃源岩母质来源为低等藻类。塔东南上奥陶统烃源岩,在海西晚期以生油作用为主,进入喜马拉雅期后,烃源岩以在生凝析油和干气为特征
[12]。塔东地区却尔却克组定义与原理镜质体反射率
Ro介于1.13%~1.78%,平均值为1.54%。并且米兰1井最大热解温度
Tmax为445~460 ℃,氢指数HI为80~150 mgHC/gTOC;英东2井
Tmax为435~450 ℃,HI为60~120 mgHC/gTOC
[40-41]。表明塔东上奥陶统烃源岩演化阶段已经达到成熟-过成熟阶段,烃源岩整体演化程度高。
综上所述,塔东南研究工区有机质丰度较低,平均值只有0.57%,但纵向上上奥陶统却尔却克组SQ1~SQ5,TOC逐步减小,其中SQ2、SQ3 的TOC较高,SQ4、SQ5的TOC较低,厚层泥岩较发育。有机质类型为Ⅰ型,现处于成熟-高成熟阶段。烃源岩发育主要受控于深水浊流体系周期性海平面上升。
4 有利勘探区评价
4.1 保存条件分析
分析烃源岩特征,发现塔东南的烃源岩普遍已达到高-过成熟阶段,属于生湿气、干气成烃演化阶段。而寒武系-下奥陶统烃源岩在中晚奥陶世才开始进入游离相排油排气阶段,该时期也是排烃高峰时期
[42]。寒武系烃源岩生排烃高峰为奥陶纪末,中-下奥陶统烃源岩生排烃高峰为志留纪,圈闭形成于加里东晚期。二者时空匹配良好,油气充注发生于圈闭定型后,成藏有效性高
[43-47]。塔东隆起带加里东晚期-海西早期断裂活动相对较弱,燕山期构造活动增强,断裂活动强度自西向东逐渐增大。因此盖层的封盖质量对天然气藏的保存起着至关重要的作用。纵向上,海底扇体系发育多套深海泥,可作为海底扇的直接盖层;横向上,塔东南SQ4、SQ5顶部均沉积了一套厚约300 m的泥岩,横向上分布稳定,且上奥陶统剥蚀区上覆侏罗系红色泥岩,均可作为SQ1~SQ3储层的区域性盖层。
4.2 有利勘探区预测
研究区发育的生储盖组合条件较好,下部发育三套烃源岩,烃源岩普遍已达到高-过成熟阶段,属于生湿气、干气成烃演化阶段,可以作为气源岩。在寒武系和中-下奥陶统,品质较好的烃源岩发育的基础上,海底扇沉积体系发育的海底平原深海泥可形成良好的烃源岩,亦可作为局部盖层,海底扇中扇和外扇水道砂体分布临近烃源岩,在合适的圈闭条件下具有近源成藏优势,整体具备非常规致密砂岩气成藏条件。SQ1~SQ5沉积时期的海底扇中扇和外扇砂体较厚、粒度较粗、砂地比高、且埋深相对较浅,处于现今构造高点和斜坡位置,水道砂体的油气易被深海泥侧向封堵而形成岩性圈闭带,或砂体被断层封挡形成断层-岩性复合圈闭带(
图10)。
5 结论
(1)塔东南却尔却克组划分为5个三级层序SQ1~SQ5,SQ1发育由东南到西北方向的楔形体,指示了阿尔金方向物源的存在;SQ2、SQ3厚度总体较为稳定,地震反射以平行-亚平行为主,指示了沉积背景相对稳定的特点;SQ4、SQ5发育大规模多期前积体,指示了剥蚀区强劲物源。海底扇沉积体系可划分为中扇、外扇和海底平原亚相,包括中扇辫状重力流水道和中扇浊积水道,外扇浊积水道和席状浊积,以及深海泥沉积微相。
(2)塔东南却尔却克组海底扇的发育主要受控于周缘构造活动。SQ1、SQ2和SQ3沉积时期,北昆仑洋和北阿尔金洋的消减闭合使得塔里木地区由伸展转变为南压北张的构造格局,塔东南保持较快的构造沉降速率,来自于阿尔金造山带的海量物源在塔东地区卸载,发育海底扇。SQ4沉积时期,阿尔金地体和西昆仑地体对塔里木陆块持续碰撞,剥蚀区强劲物源在此沉积,发育巨厚前积体。SQ5沉积时期,塔东地区构造抬升,沉积充填演化进入填平补齐阶段,在强烈的沉积充填和微弱的构造沉降综合作用下,满加尔坳陷趋近消亡。
(3)塔东南却尔却克组海底扇沉积体系发育4种富砂沉积单元,包含中扇辫状重力流水道、中扇和外扇浊积水道及外扇席状浊积。其中中扇辫状重力流水道砂体厚度大,砂地比值高,主要发育于SQ1~SQ3;外扇浊积水道和席状浊积砂体发育规模较大,但横向分布不稳定,整体海底扇砂体纵向多层叠置,横向连通性差,仅局部层段较好。
(4)塔里木盆地满加尔凹陷下古生界烃源岩主要发育中-下寒武统、中-下奥陶统和上奥陶统3套烃源岩。中-下奥陶统黑土凹组烃源岩与中-下寒武统烃源岩有机质丰度高、类型好;上奥陶统却尔却克组烃源岩有机质丰度较低,平均值只有0.57%,其中SQ2、SQ3的TOC较高,SQ4、SQ5的TOC较低,厚层泥岩较发育。有机质类型为Ⅰ型,现处于成熟-高成熟阶段。烃源岩发育主要受控于深水浊流体系周期性海平面上升。
(4)海底扇沉积体系发育的海底平原深海泥既是良好的烃源岩,亦可作为局部盖层,海底扇中扇和外扇水道砂体分布临近烃源岩,在合适的圈闭条件下具有近源成藏优势,水道砂体厚度和规模较大、砂地比高,且埋深相对较浅,处于现今构造高点和斜坡位置,油气易被深海泥侧向封堵而形成岩性圈闭带,或砂体被断层封挡形成断层-岩性复合圈闭带。
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