大庆长垣北部葡萄花上部油层高分辨率层序地层划分①

阮 壮 朱筱敏 何宇航 谭广辉

(1.中国石油大学 北京 102249;2.大庆油田勘探开发研究院 黑龙江大庆 163712)

大庆长垣北部葡萄花上部油层高分辨率层序地层划分①

阮 壮1朱筱敏1何宇航2谭广辉1

(1.中国石油大学 北京 102249;2.大庆油田勘探开发研究院 黑龙江大庆 163712)

应用高分辨率层序地层学以及沉积学相关理论,依据67口井的岩芯和8000口井的测井资料,将松辽盆地大庆长垣北部喇萨杏地区的葡萄花油组上部油层(PI油层)划分为1个受湖泛面限定的完整中期基准面旋回,并在其内部划分出10～14个短期基准面旋回,指出了PI油层在南北向上存在厚度以及短期旋回个数的差异。通过平行及垂直物源方向上的密井剖面分析并结合前人认识以及构造背景,认为葡I油层存在着三种不同的地层叠覆模式:低可容空间下的主动进积薄层叠覆模式;极低可容空间下的强迫进积过路沉积模式;侵蚀进积的叠合模式。该认知对于指导喇萨杏地区甚至整个长垣地区的高精度地层对比具有指导意义。

喇萨杏 高分辨率层序地层学 基准面旋回 地层叠覆模式

自高分辨率层序地层学理论引入中国以来[1,2],众多学者对该理论的核心原理进行了深入的研究[3～5],并将其技术方法广泛的应用于我国油气勘探开发的各个阶段,极大的推动了国内陆相层序地层学的发展。目前已有学者结合国内多个陆相盆地的沉积背景建立了大尺度的高分辨率层序地层格架[6],也有不少学者专注于采用该理论开展小层级别砂体的等时对比[7,8],均取得了较好的应用效果。事实证明高分辨率层序地层学在陆相地层层序划分中具有良好适用性,是一种先进的地层对比技术。
大庆长垣北部的葡萄花油层经过50余年的开发,构造有利区、砂体有利区均动用完毕,进入高含水开发阶段,剩余油进一步挖潜成为未来开发工作的重点。在过去几十年的生产中,对研究区葡萄花油层的认识主要集中于多个单区块的地质研究,没有宏观认识作为指导,全区的进一步精细地质研究也就无从谈起。笔者以高分辨率层序地层学理论为指导,结合钻井、测井等资料,对松辽盆地大庆长垣北部地区葡萄花油组上部油层开展了地层精细划分与对比研究,总结了研究区内短期旋回的垂向叠覆模式,以指导研究区高精度地层对比和储层分布规律研究,为该区下一步勘探开发指明方向。

1 地质概况

大庆长垣属于松辽盆地中央凹陷区内的二级构造带,它西接古龙凹陷,东连三肇凹陷,北邻黑鱼泡凹陷,为一个呈长条形的较大型背斜隆起带。研究区位于大庆长垣的北部,包括了自北向南的喇嘛甸、萨尔图及杏树岗3个三级构造单元,习惯上称为喇萨杏地区,总面积约920 km2(图1)[9]。研究区中新生代地层自下而上依次发育火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组、嫩江组、四方台组、明水组、依安组、大安组、泰康组和第四系。上白垩统姚家组一段与青山口组三段的葡萄花油层组上部油层(PI组)为区内重要的储层和含油层位。前人研究认为喇萨杏地区的青三段-姚一段隶属于松辽盆地北部沉积体系,是受北部水系及齐齐哈尔水系控制所形成的河流-三角洲复合体,且由于研究区水浅坡缓的地质背景,属于大型河流-浅水三角洲沉积体系[10,11]。

2 PI油层高分辨率层序地层学特征

2.1 层序级次及划分方法确定

多级次基准面的识别与划分是高分辨率层序地层格架建立的基础[12]。但目前对各级次基准面旋回的时间跨度以及各级次旋回与经典层序地层中各级层序的对应关系还存在着很大争议[13]。随着高分辨率层序地层学应用面的逐渐增加,层序分析的对象以及研究要求也有所变化,因此对旋回级次划分的要求也不尽相同。笔者认为郑荣才等[14,15]所提出的基准面旋回6级次划分方案更能满足油气开发阶段的研究精度需求,是一种较为成熟的划分方案。参照该划分方案,开发阶段的油层、小层以及单砂层大致对应于中期、短期以及超短期基准面旋回。此外,开发阶段采用高分辨率层序地层学方法的目的是建立低时间跨度内的等时地层格架,并对其中发育的砂体进行等时追踪对比。在实际操作中,开发阶段更重视的是两套遮挡隔层之间的砂体组成及结构特征,因此将基准面旋回界面作为油层组或油层的边界来进行划分的思路并不符合实际开发过程中追求砂体连通性的需求。针对这一问题,陈景山等[13]提出采用不同级次湖泛时期所沉积的泥质层或隔、夹层代替为旋回界面的划分思路,这种层序划分方案与经典的高分辨率层序划分方案间存在半个基准面旋回的位差。这种以湖泛面作为层序界面的划分方案,不仅符合油气藏开发层系的等时划分原则,也可以满足生产需要,在本文的层序划分中即采用这种划分方案。

图1 研究区构造位置图(据文献[9]修改)Fig.1 Structural location of the study area (modified from literature[9])

目前已有很多学者开展了对松辽盆地白垩系层序地层划分的相关研究[16～19],虽然采用的方法及主要研究的地区不同,但在许多方面依然取得了一些一致性的认识:通常将姚家组及嫩江组划归为一个超长期旋回,泉头组及青山口组划分为一个超长期旋回。在姚家组-嫩江组的超长期旋回内,将姚家组划归为一个以姚一段顶界为湖泛面的长期旋回;在泉头组-青山口组的超长期旋回内,将青三段划为一个以PII组底界为湖泛面的长期旋回。因此研究区PI油层沉积时期的地层跨越了两个长期基准面旋回,其中姚一段中的地层隶属于姚家组长期旋回的上升半旋回,而青三段中的地层则隶属于青三段长期旋回中的下降半旋回。即整个PI油层由两个中期基准面半旋回组成。根据以湖泛面为界的观点,可将PI油层看作一个完整的中期基准面旋回(如完全参照经典高分辨率层序地层学理论则应为两个半旋回),而油田划分的小层相当于短期基准面级别。

2.2 层序界面识别

层序界面识别是实现高分辨率层序地层划分与对比的基础和关键,而层序界面的类型一般有两种情况:第一种是基准面下降-上升的转换面;第二种是湖泛面。受资料精度的限制,中期基准面及以下级别的旋回基准面通常采用测井及岩芯资料来识别。

研究区中期旋回的顶底界面为湖泛面,对应于PI组顶底所发育的前三角洲亚相的泥岩,泥岩展布稳定,标志明显,较易于追踪。中期基准面旋回的下降-上升转换面对应于姚家组与青山口组之间的区域性不整合,该界面上下测井曲线整体形态由反韵律向正韵律突变,在岩芯上表现为河道底部的强烈冲刷侵蚀,因此也较易于追踪对比。

短期基准面旋回是高分辨率层序地层格架建立和分析的基础地层单元,其识别主要可通过岩芯、测井等综合资料判定。基准面下降-上升转换面以及湖泛面的识别是短期旋回识别的关键,研究区内短期旋回基准面下降-上升转换面主要表现为:

(1)表示相对湖平面的急剧下降所导致暴露标志:古土壤(根土岩)、河道下切的河道滞留砾岩等(图2a,c);(2)反映水体变浅后泥岩暴露地表产生的氧化色,如棕色、紫红色泥岩(图2a);(3)测井曲线上表现出的异常突变面,界面上下两侧测井曲线形态发生突变(图2a);(4)代表水深变化的岩性转折,界面之下砂质含量向上增加,界面之上砂质含量向上减少(图2a);(5)水体变浅时,强烈蒸发作用造成的钙质结核形成,测井曲线上表现为异常的高电阻率。

图2 层序界面及湖泛面识别特征a.G117-J23井中的层序界面:河道底部冲刷面,测井曲线突变面及砂质含量突变面,代表暴露地表的紫红色泥岩;b.X3-1-J617井中的湖泛面;c.B1-330-J49井,983.42m,河道底部冲刷面,砂岩中见泥砾;d.N7-30-J735井, 1088.63 m,灰黑色泥岩见大量介形虫Fig.2 Identification feature of sequence boundary and flooding surface

短期基准面旋回的湖泛面较易识别,主要表现有:(1)稳定的暗色泥岩段(图2d);(2)测井曲线上正旋回向反旋回变化的转折点(图2b);(3)退积式叠置方式向进积或加积式叠置方式转换的部位。

2.3 层序划分方案

只有对层序界面有准确的识别并对地层进行了精细划分,才能够进行高精度的地层对比.ross的高分辨率层序地层学理论表明,基准面旋回的变化控制了不同级别的地层旋回,也必然形成了不同级别的层序界面[1]。根据上文中对各级次基准面的梳理以及对各级旋回下降-上升转换面、湖泛面沉积学响应特征的研究,综合分析钻井岩芯、测井、沉积特征等资料,将喇萨杏地区的PI油层看作1个完整的中期旋回,并在其内部细划出14个短期旋回(图3)。由划分结果可以发现此方案中的长期、中期和短期旋回层序与前人提出的油组、油层和小层砂体划分方案大致相当。

3 层序地层格架的建立

本文以高分辨率层序地层学理论为指导,选择平行和垂直物源方向的两条连井剖面进行地层划分与对比,分析地层旋回性和层序特征在纵向和横向的变化,建立了喇萨杏地区PI油层的高分辨率层序地层对比格架。

3.1 南北向层序剖面

南北向层序剖面近平行物源方向,旋回样式受物源的远近和所处的沉积背景位置影响明显。在中期基准面上升半旋回中研究区北部靠近物源区,多为三角洲平原亚相,沉积物供给充足而可容空间相对较小,多发育强烈的进积作用甚至过路沉积;研究区南部远离物源区,沉积物供给较少,而可容空间逐渐增加,多发生垂向加积作用。故沉积厚度在南部有明显的增加。在中期基准面下降半旋回时期,研究区北部虽然靠近物源但多为三角洲前缘亚相,可容空间较高,多发生垂向加积;到研究区南部远离物源区,多个短期旋回进入前三角洲亚相,物源供应严重不足,以泥质沉积为主,沉积厚度急剧减小。在此思想指导下,建立了纵跨喇嘛甸油田、萨尔图油田、杏树岗油田,南北长达60 km的500口密开发井层序地层剖面.I油层厚度从最北部的L8-3022井的39.6 m,经60 km到最南部的X13-33-134井增加为87.0 m,增加厚度达47.4 m,增厚率为119.70%,整体增幅较大(图4)。层序剖面表明:

图3 大庆长垣北部X2-1-J29井PI油层组基准面旋回划分方案Fig.3 Identification of base level cycles of PIoil-bearing layer on Well X2-1-J29 in Northern Placanticline

(1)PI油层短期旋回个数在南北向存在差异,北部的喇嘛甸地区可识别出10个短期基准面旋回,而在南部的杏树岗地区识别出14个短期基准面旋回,发生变化旋回为PI31、PI32、PI41及PI42短期旋回。

(2)PI油层中期基准面上升半旋回时期向南沉积厚度迅速增加,厚度增加主要受可容空间控制,具体成因有两种:一为伴随向远源处可容空间增长地层由薄层进积作用逐渐转变为厚层的加积作用(PI11-PI21b),这造成北部地区的多个短期旋回难以区分;另一种为可容空间极低条件下的过路沉积区,伴随可容空间增长逐渐发育沉积(PI31-PI32),这种过路沉积作用造成了研究区南北部短期旋回个数有所差异。

(3)PI油层中期基准面下降半旋回时期向南整体沉积厚度逐渐减小,厚度减小主要由于南部物源供应不足所造成的。

(4)PI41及PI42小层在研究区北部完全遭受剥蚀,PI41小层仅在杏树岗南部地区有发育,这种剥蚀作用也造成北部地区短期旋回个数小于南部地区。

(5)PI5-PI7小层全区稳定,向南逐渐减薄,不存在地层尖灭。

3.2 东西向层序剖面

东西向层序剖面近垂直物源方向,鉴于研究区稳定沉降、坡缓水浅的地质背景,短期旋回样式的变化主要由水系位置、沉积微相等因素控制。运用以上方法,建立横跨杏树岗油田东西长达20 km的110口密开发井层序剖面.I油层厚度从西部至东部变化不大。层序剖面(图5)表明:

(1)自西向东地层厚度较为稳定,除PI41间断性发育外,不存在地层的缺失。

(2)PI油层中部时期(PI33-PI32)为水退最大期,河道微相极为发育,冲刷作用强。

4 沉积层序叠加样式

4.1 基准面旋回对沉积地层的控制

图4 喇萨杏地区PI油层南北向层序剖面(60 km)Fig.4 Sequence section from north to south of PIoil-bearing layer in La-Sa-Xing area(60 km)

图5 喇萨杏地区PI油层东西向层序剖面(20 km)Fig.5 Sequence section from east to west of PIoil-bearing layer in La-Sa-Xing area(20 km)

根据上文所述,可以发现喇萨杏地区PI油层为大型凹陷盆地缓坡带河流-浅水三角洲沉积体系,自底部-中部-上部由水退序列转变为水进序列沉积,其中中部为最大水退期,反映了基准面下降-基准面上升的变化过程,其转换面位于青山口组与姚家组之间的不整合面。此时北部喇嘛甸及萨北地区构造抬升相对最高,可容空间相对最小,湖盆急剧萎缩,湖岸线推移至工区以南。该期构造变动造成了两个直接结果:(1)PI41及PI42地层遭受暴露剥蚀以及PI33时期河道的冲刷侵蚀,北部喇嘛甸地区这两期旋回完全缺失,萨南地区PI41缺失,至杏树岗南部PI41地层才得以保留;(2)基准面的快速下降导致北部地区可容空间急剧减小,基准面位于平坦的古地形面附近甚至更低,造成北部大范围地区发生过路沉积,沉积物向南部搬运至杏树岗地区才得以沉积,这也是造成PI3时期南北厚度差异极大且北部地区缺失PI31及PI32两期旋回的根本原因。北部地区PI33与PI22小层之间存在沉积间断也有相关的证据:刘波[20]等认为喇嘛甸地区PI22小层与PI33小层的砂体形态存在很大的差异,PI22小层时期表现为曲流河砂体形态,而PI33小层时期则表现为辫状河砂体特征,两者性质截然不同却相互紧密叠置,两个小层砂体间难见溢岸沉积物。而根据富裕县大马岗村现代砾石质辫状河向曲流河演变的分析可以发现,辫状河向曲流河的转变一般需要经历砾石质辫状河(底部)-小型砂质曲流河(中部)-后期决口泛滥(上部)三个阶段,而在喇嘛甸及萨北地区则只能见到这一河型转变过程的底部段,这可以作为研究区PI33小层与PI22小层之间存在地层缺失的证据。

前人研究已经将松辽盆地北部姚家组时期所发育的三角洲划归为浅水三角洲[10],浅水三角洲均为河控的高建设型三角洲类型,并且形成时的古地形坡度一般小于1°,这种特殊的地质背景造成研究区在姚一段时期始终以进积作用占据主导,当湖平面相对稳定时表现为强烈的进积作用。在PI油层中,PI11相对于PI12时期、PI21a相对于PI21b时期湖平面基本稳定,丰富的物源造成近源区可容空间迅速减小,大量沉积物只能向沉积中心搬运以寻求沉积空间,最终造成PI21b-P I11时期近源区地层薄而远源区地层厚的现象。

4.2 沉积层序垂向叠置模式

综合研究区内67口单井的层序地层格架以及密井网下的闭合层序地层对比剖面,提出了喇萨杏地区的三种地层叠覆模式(图6):

(1)低可容空间下的主动进积薄层叠覆模式(图6a)

该模式形成于较低的可容空间条件下,A/S<1,在研究区反映为湖平面相对稳定甚至略有上升,但依然无法满足充沛物源供给的条件,湖平面上升所形成的新增可容空间被沉积物迅速充填,最终造成湖岸线的位置稳定或者向沉积中心迁移。这种情况下近物源区可供碎屑物质发生堆积的空间有限,碎屑物质大量向远物源区搬运并发生沉积。此时近物源区多个短期旋回薄层紧密叠置,多期河道间缺乏溢岸沉积;而在远物源区各短期旋回沉积厚度变大,多期河道间发育溢岸沉积,研究区PI11-PI21b短期旋回属于这种叠置模式。例如研究区北部的B4-90-J255井以及B2-362-JP25井中多期次河道砂体间缺乏溢岸泥质沉积,代表了近源区较低的可容空间;研究区南部的X6-12-JE24井中河道二元结构清晰可见,代表了较高的可容空间条件(图7)。从层序剖面上看,研究区北部PI11-PI21b短期旋回整体厚度多为8～12 m,而到研究区最南部厚度可达25 m,增长一倍以上(图4)。

(2)极低可容空间下的强迫进积沉积过路模式(图6b)

图6 喇萨杏地区PI油层地层垂向叠置模式Fig.6 Stratigraphy aggradationmodel of PIoil-bearing formation in La-Sa-Xing area

该模式形成于极低的可容空间条件下,A/S<< 1,在研究区表现为湖平面下降或稳定时期可容空间完全无法承载新增碎屑沉积物,造成碎屑物质在近源区发生沉积过路作用,在远源区发生沉积。在此条件下近源区往往发生沉积间断,短期旋回缺失。研究区PI32与PI31小层在喇嘛甸及萨尔图地区缺失即属于这种模式。值得注意的是浅水三角洲的缓坡背景会使这种过路沉积物的发育范围更广[21],而在古地形差较大的背景下往往难以发育如此广阔的过路沉积区。从南北向层序剖面上可以看到研究区北部仅发育PI33短期旋回,到X3-3-132井附近始发育PI32旋回而PI31旋回依然缺失,再向南到X6-1-29井附近PI31旋回可以识别(图4),这种地层垂向发育样式与强迫进积沉积过路模式相吻合。

图7 喇萨杏地区不同可容空间条件下的正韵律叠置形态Fig.7 Model of positive rhythm assembleage in different accommodation condition in La-Sa-Xing area

(3)进积与侵蚀作用的叠合模式(图6.)

研究区的PI43-PI33小层间的叠置形态属于该模式。伴随着中期基准面的不断下降,PI43、PI42及PI41小层表现为向上进积的特点,砂地比值不断增加。此后的构造抬升使北部喇嘛甸及萨尔图地区均暴露地表遭受剥蚀:构造抬升幅度最大的喇嘛甸地区遭受剥蚀时间最长,强度最大,最终造成喇嘛甸地区PI42及PI41小层完全缺失(N4-3-34井以北地区);构造抬升幅度较小的萨尔图地区PI42小层部分得以保存(X6-1-29井以北地区);抬升幅度最小的杏树岗地区则地层保留较全,这在南北向层序剖面上表现明显(图4)。此外,PI41与PI42的地层残余程度除不整合面外还受上覆地层冲刷侵蚀的影响,在东西向层序剖面上可以发现PI33主要发育河道的地区往往PI41地层较薄甚至完全缺失,如X7-3-43井附近PI41地层厚度多在1 m以下;PI33主要发育泥质沉积的地区PI41地层保留较好,如横剖面最西部的X7-3-BW193井附近PI41地层厚度多在3 m以上(图5)。通过对南北向及东西向层序剖面的分析,笔者认为进积与侵蚀的叠合模式可以较好的反映研究区PI43-PI33小层间的垂向叠置形态。

以上的三种地层叠覆样式是造成研究区南北地区地层厚度差异以及短期基准面旋回个数差别的主要因素。鉴于研究区PI油层地层叠覆模式的多样性及复杂性,在实际的地层对比中应综合考虑沉积环境变化、古构造形态、地层连续性、剖面对接等多方面因素,以保证地层对比的正确性与等时性。

5 结论与认识

本文应用高分辨率层序地层学与沉积学的新理论和新方法,采用岩芯、测井等综合资料并结合前人研究成果建立了松辽盆地大庆长垣北部喇萨杏地区PI油层的高分辨率层序地层格架,探讨了研究区地层叠置的特点认识如下:

(1)按照基准面旋回变化的不同级次,结合钻井、岩芯、测井资料分析,将喇萨杏地区PI油层划分为1个以湖泛面为顶底的完整中期旋回,并在其内部划分出14个短期旋回。

(2)高分辨率层序地层剖面和岩芯资料揭示PI油层中期基准面上升半旋回具有南部地层厚度增加,短期旋回个数增多的趋势。中期基准面下降半旋回具有南部地层厚度减小,但短期基准面个数增多的变化特征。

(3)喇萨杏地区PI油层存在着三种不同的地层叠置模式:低可容空间下的主动进积薄层叠覆模式;极低可容空间下的强迫进积过路沉积模式;侵蚀进积的叠合模式。该认知对于指导喇萨杏地区甚至整个长垣地区的高精度地层对比具有指导意义。

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High-Resolution Sequence Stratigraphy Division of Upper Putaohua Reservoir,Northern Daqing Placanticline

RUAN Zhuang1ZHU Xiao-min1HE Yu-hang2TAN Guang-hui1
(1.China University of Petroleum,Beijing 102249; 2 Exploration and Development Research Institute of Daqing Oilfield Company,Daqing,Heilongjiang 163712)

Daqing Placanticline was located in the central sag of Songliao Basin.Upper Putaohua oil-bearing layer (PI)belongs to a part of the 3rd Member of Qingshankou Formation and 1st Member of Yaojia Formation.According to the data of logging,cores,seismic and high-resolution sequence stratigraphy theory,the high-precision sequence stratigraphy framework has been established.The 3rd Member of Qingshankou Formation and the 1stMember of Yaojia Formation are combined to one long base level cycle,which was limited by flooding surfaces.The PIoil-bearing layer is judged leaping over the transformation surface,which could be considered as onemiddle base level cycle and 14 short base level cycles inside.

Flooding surfaces are considered asmarin surfaces of themiddle term cycle in the study area,corresponding to themudstone of front delta facies in top and bottom of PI oil-bearing layer.Because of the stable spreading for this front deltamudstone,it is easy to track the surface ofmiddle base level cycle.The transformation surface in themiddle base level cycle corresponds to the unconformity between Qingshankou Formation and Yaojia Formation.The framework of high-resolution sequence stratigraphy is established based on the understanding above。

Based on the framework of high-resolution sequence stratigraphy,several sections are established.Much bigger thickness of stratigrahpy andmore short-term base level cycles are found in southern of study area.According to the analysis of these high-dense sections,three kinds of stratigraphy overridingmodels are proposed,includes active progradation model in low accommodation condition,forcing progradation model in lowest accommodation condition and congruencemodel of progradation and erosion。

The firstmodel formed in lower accommodation space(A/S<1),which reflected relatively stable lake level in the study area(the increasing rate of lake-level can notmeet the abundant supply of sourcematerial),the new accommodation space formed by lake level rising was rapidly filled with sediment,leading the location of shorelinemigrate to depocenter。

The second model formed in much lower accommodation space conditions(A/S<<1),accompaning with relatively decline of lake level in the study area.PI32and PI31layers in Lamadian and Saertu areawere belong to the this kind ofmodel.Gentle slope of Shallow-water delta willmake this deposition hiatus developmentwidely。

PI43-PI33layers belong to the third model.With the continuous decline of themid-term base level,PI43,PI42and PI41layer showed progradation style,the ratio of sand increase to up.PI43-PI33layers in Saertu and Lamadian area were eroded after the tectonic uplifting in the northern area。

These stratigraphy overriding models are the main facts causing the differences in stratigraphic thickness and number of short-term cycles.The establishment of these deposition models is favor of the high-precision strata correlation in La-Sa-Xing area,northern Daqing Placanticline。

La-Sa-Xing;high-resolution sequence stratigraphy;base level cycle;stratigraphy overridingmodel

阮壮 男 1983年出生 博士 沉积学 E-mail:wofe0103@163.om

P539

A

1000-0550(2012)02-0301-09

①中国石油天然气股份有限公司大庆油田重大科技项目(编号:DXYT-1201002-2009-JS-985)资助。

2011-01-20;收修改稿日期:2011-04-21