鄂尔多斯盆地延长期湖盆底面构造定量化演化规律

高胜利,魏雪珂,赵军龙,孟祥宁,杨金侠

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院,陕西 西安 710065;2.西安石油大学 陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065;3.陕西师范大学 数学与统计学院,陕西 西安 710062)

0 引 言

在鄂尔多斯盆地致密油勘探开发中,对砂体与储层成因类型及其分布特征的研究一直是难点与热点,特别是湖盆沉积中心长6、长7油层组细粒砂岩沉积(粒度较细,以细砂岩、粉砂岩为主)越来越得到重视。厚层砂体的形成、展布方向、分布范围主要受控于沉积物的供给速率、湖盆底形及构造活动等因素[1-4]。

基于“陕北斜坡为一平缓的西倾单斜,构造简单,缺乏背斜等构造圈闭”这一传统理念,认为油藏的形成和分布主要受沉积相控制,构造等其他因素对延长组油藏的形成和分布的控制作用不明显[5-6]。延长组隆起构造特别是低幅度的鼻状隆起构造实际上比较发育,且其对三叠系油藏的形成与富集具有重要控制作用[7],随着致密油勘探步伐的加快,鄂尔多斯盆地华庆地区长6油藏的发现,引起构造因素(湖盆底形)对油藏控制作用的重视,鄂尔多斯盆地华庆地区长6目的层沉积期处于深湖-半深湖环境,按常规的勘探理论认为该区域是致密油勘探的“禁区”,研究认为长6油层组沉积期为三角洲大规模发育期,在有利沉积相和成岩相共同控制下形成大规模低渗透储集层,多坡折湖盆构造面貌背景下是大规模低渗透储集层形成的构造条件[8-11],已初步认为湖盆底形构造因素对致密油成藏的控制作用,致密油勘探迈向“深水区”的步伐加快,同时积极开展模拟试验,研究重力流沉积机理[12]。

重视构造因素在致密油成藏中的重要作用后,使直接寻找、评价致密油“甜点区”成为可能[13-16]。致密油优质储层的形成必须具备一定的构造条件,湖盆内次一级凹陷(或沉降中心)边缘、古高地前缘斜坡及古隆起边缘等往往是优质储层形成的构造条件[10],目前对于生烃期地层古构造特征、特别是定量化研究非常薄弱,对于鄂尔多斯盆地延长组生烃期地层古构造形态的恢复仍旧停留在传统的沉积相分析基础上,定性概略地层古构造轮廓[17-19]。对于鄂尔多斯中生界这样稳定克拉通内的坳陷性质的湖盆,利用目前岩性地层单元所揭示的地层充填结构和形态,以及地震资料反映的单调的几乎是平行的地层结构,难以对生烃期地层古构造形态特征和沉积坡折带等给予比较清晰的回答,盆地模拟技术提供了定量化研究湖盆地层古构造及其演化特征的有效途径。陈瑞银等利用Temis-3D盆地模拟软件对地层埋藏过程进行模拟,研究盆地演化史及其油气地质意义[20-21]。

1 研究方法与数据来源

盆地数值模拟技术集大量地质数据于一体,在研究致密油“甜点区”时可使地质研究工作者享受“大数据”创造的精细、准确和科学的地质成果,致密油勘探学科与数学、计算机等科学的相互融合,是基于当今大数据时代致密油勘探技术发展的大趋势。

1.1 方法原理

沉积物一般可近似分为2部分,即岩石颗粒骨架及其间的孔隙,由于颗粒骨架材料的不可压缩性(其真实压缩性很小),地质历史时期沉积物在经受压实作用时,其体积的变化应主要表现为孔隙体积的变化。

设在目前顶部埋深为ZN处有一岩石单元,其厚度为TN,若早期埋深为Zt时该单元的厚度为Tt,由上述前提,可用岩石厚度的变化来表示体积的这种变化,从而有

(1)

式中Zt为某一地层在t时刻的顶界埋深,m;ZN为某一地层在现今顶界埋深,m;Tt为某一地层在t时刻的地层厚度,m;TN为某一地层在现今的地层厚度,m;φ(z)为埋深为z时的孔隙度,%。

压实研究表明,沉积物处于正常压实状态时,沉积物特别是细粒沉积物的孔隙度与相应埋深间的关系可用下述指数函数表示

φ=φ0·e-c·Z

(2)

式中φ和φ0分别为埋深为Z和地表处的孔隙度;c为压实系数。

要恢复出不同地质历史时期沉积物被压实掉的那部分厚度,就要进行压实厚度校正。

将(1)式代入(2)式,得

Tt=φ0/c·e-cZt·(1-e-cTt)+TN-φ0/c·e-cZN·(1-e-cTN)

(3)

公式(3)为一超越方程,可求出Tt和Zt的近似解。先将地层恢复到刚沉积时的状态,然后依次求出不同地质历史时期该地层的埋深和厚度,根据计算出的最后一个时间步长(现今)与目前真实的厚度、埋深间的误差去修正前些时期的计算。

公式(3)是针对正常压实情况而建立的,对超压地层,该超压又非单纯靠压实作用形成时,这时的地层厚度与孔隙度、压力、温度等多个因素相互依赖,因此出现这种情况时,将超压模型与压实模型综合考虑,与地层流体压力演化史恢复同步进行[22-23]。

1.2 地质模型

泥岩压实已成为油气成藏动力学背景研究必须开展的一项基础工作,通过泥岩压实研究,能够获取泥岩压实规律、估算地层剥蚀厚度和孔隙流体压力,获取压实参数并以其作为流体动力数值模拟的约束条件,对盆地演化过程及异常流体压力分析具有重要的意义。

沉积物自沉积后在其上覆负荷或构造应力的作用下,经历了地层水不断排出、孔隙度降低、地层厚度变小的过程,由于砂岩在压实过程中,还受胶结、溶蚀等多种成岩作用的影响,而泥岩只发生与机械压实有关的成岩作用,且泥岩的压实作用是不可逆的。通过泥岩压实研究,能够获取泥岩压实规律、估算地层剥蚀厚度和孔隙流体压力。该项研究主要获得泥岩压实规律、泥岩压实系数及砂岩孔渗关系等规律认识[24]。

针对盆地沉积历史及区域构造特点,以地层对比法为主,并与泥岩压实趋势外推法相结合,在考虑古地表起伏形态的基础上,通过类似于地震解释中相交测线的闭合验证的方法,来估算研究区内抬升剥蚀事件对应的地层剥蚀厚度。地层剥蚀厚度估算方法有泥岩压实趋势外推法、地层对比法、地热指标法和沉积速率法等多种方法[20]。

采用盆地模拟技术方法手段,使用法国石油研究院研制的Temisflow盆地模拟软件实现[21]。为了获得与真实情况相符合的模拟结果,需要尽可能多的利用实测数据作为约束条件去修正模拟演化过程,通过不断修改推测性的边界条件和模拟参数,使模拟结果接近于实测的标定值。

2 湖盆底面构造特征

2.1 长10期底面凹凸构造

长10期底面构造特征表现为“多凹陷区、凹陷幅度大,盆地的东西两侧为2条贯穿南北向凹陷带,中部地区为凸起带”的凹凸面貌格局。盆地中部相对高程值高,尤其是志丹、泾川等地,相对高程值达500 m以上。盆地东部凹陷带在榆林—子长—延安—洛川—白水一线,凹陷幅度在100～140 m之间。盆地西部凹陷带在天池—环县—镇原一线,凹陷幅度比东部凹陷带大(图1)。

图1 延长组长10期底面构造面貌特征Fig.1 Structural features of the bottom surface of Chang 10 of Yanchang Formation

2.2 长9期底面凹凸构造

长9期底面构造特征继承了长10期底面构造特征,整体表现为盆地的东西两侧为南北向凹陷带,中部地区为凸起带,盆地整体构造值偏低,凹陷幅度较小。和长10期相比,在盆地中部的凸起带,已经逐渐演变为凹陷区。盆地大部分区域相对高程在150～300 m之间,仅在盆地北部靖边—横山一带和盆地南部的泾川—旬邑一带存在小范围区域的凸起,相对高程值达400 m以上(图2)。

图2 延长组长9期底面构造面貌特征Fig.2 Structural features of the bottom surface of Chang 9 of Yanchang Formation

2.3 长8期底面凹凸构造

长8期底构造面貌特征整体为“椭圆环状”的凸起,在盆地北部呈条带状展布。凹陷区域面积相对长9期进一步扩大,主要集中在盆地的西南部,在长9期相对凸起的泾川—旬邑一带到长8期转变为凹陷带,相对高程值普遍在100～150 m之间。在横山—环县区域相对高程值超300 m(图3)。

图3 延长组长8期底面构造面貌特征Fig.3 Structural features of the bottom surface of Chang 8 of Yanchang Formation

2.4 长7期底面凹凸构造

长8期凸起的“椭圆环状”区域有进一步的抬升,泾川—旬邑一带的凹陷区相对下降。整体来说,盆地长7期的构造面貌格局特征与长8期相似,但是构造落差扩大。在盐池—定边—志丹和榆林一带的地区是盆地长7期的构造高点,相对高程值超450 m,泾川—旬邑一带的相对高程值不足30 m,整体构造变化趋缓(图4)。

图4 延长组长7期底面构造面貌特征Fig.4 Structural features of the bottom surface of Chang 7 of Yanchang Formation

2.5 长6期底面凹凸构造

长6期底构造面貌特征相对长7期的构造特征变化较明显,整体表现为一较大的北西—南东向凸起区带,该凸起带两侧分别向北东和南西发育一较小的次凸起区。主凸起区带分布在盐池—吴起—直罗—黄陵一线地区,其中天池、盐池、子长等地的相对高程值达到400 m以上。东北和西南次凸起带分别发育在榆林—延安和环县—庆阳地区。该主凸起带和西南次凸起带间的姬塬—庆城—镇原—旬邑一线地区为凹陷区带,尤其泾川—旬邑地区,其相对高程值不超过50 m,是盆地中构造最低的区域。同时在东北部的横山—靖边—镰刀弯一线地区也出现面积较小凹陷区带,相对高程值在200 m左右(图5)。

图5 延长组长6期底面构造面貌特征Fig.5 Structural features of the bottom surface of Chang 6 of Yanchang Formation

2.6 长4+5底面凹凸构造

长4+5期底构造面貌整体上为一较大的北西—南东向主凸起带,该主凸起带两侧分别发育近北西—南东向的凹陷区,主要呈“三凸两凹、相间分布”的构造面貌。该期的主凸起带分布在定边—吴起—直罗—洛川—白水一线地区,此凸起带面积大,整体相对高程值在300 m以上。盆地中构造最高的区域是在西南部的环县—镇原地区的一条南北向的凸起带,相对高程值可达500 m以上。在环县—庆城—泾川—旬邑一线和盐池—靖边—子长一线地区为凹陷区,相对高程值为50～200 m,较长6期增大(图6)。

图6 延长组长4+5期底面构造面貌特征Fig.6 Structural features of the bottom surface of Chang 4+5 of Yanchang Formation

2.7 长3期底面凹凸构造

长3期底构造面貌特征与长4+5期构造面貌特征相似,具有继承性。该期盆地中构造凸起区域的面积明显增大,除盆地西南部环县—泾川—旬邑一线地区的凹陷面貌仍然存在,几乎整个盆地都是凸起区,相对高程值在300～600 m之间。盆地西南部的环县—镇原次凸起区的相对高程值和面积变小,盆地西南部环县—泾川—旬邑一线地区的凹陷区面积及凹陷深度也相对变小,相对高程值为50～150 m(图7)。

图7 延长组长3期底面构造面貌特征Fig.7 Structural features of the bottom surface of Chang 3 of Yanchang Formation

3 凹凸中心及其迁移

恢复出来的各期底面凹凸构造面貌特征,其本质就是各期底面构造沉降史特征。系统考察各期底面凹凸构造面貌及其演化特征,认为整个延长期,在盆地中部和南部分别发育有一沉降中心,中部各期沉降中心轴线在定边—甘泉一线左右来回迁移,而西南部各期沉降中心轴线在环线—旬邑一线左右来回迁移,长7期湖盆是中、西南部2个湖盆合二为一的时期(图8)。

图8 鄂尔多斯盆地延长组不同沉积时期沉降中心(轴)及其迁移特征Fig.8 Subsidence center(axis)and migration characteristics of Yanchang Formation in Ordos Basin during different sedimentary periods

对于盆地中部湖盆坳陷,长10-长9期湖盆沉降中心轴一致,长8期沉降中心轴逆时针旋转,向北迁移,长7期后沉降中心轴迁移至盆地中部,呈北东—南西向展布,长6期又向东北方向迁移,长4+5乃至长3期沉降中心轴线又逆时针旋转迁移至盆地中部。

4 湖盆演化对油藏分布的影响

研究湖盆在形成和消亡期间沉积坳陷的迁移规律,其重要意义在于能对各期砂体的纵向相互叠置、横向分布的认识。延长组沉积时期各沉积体系的演化过程,可以在时空上组成有利的生储盖组合[25-26]。

沿地层沉积厚度最大处的连线(厚度脊线)两侧,为目前发现的长8油藏。这就说明长8油藏主要分布在长8底面凸起构造位置的两侧,该底面凸起构造现象的存在,对于长8储层的形成非常重要(图9)。堆积(沉积)厚度揭示的凸起构造就是沉积坡折带[27]。鄂尔多斯盆地南部不同类型浊积岩与油藏的关系表明,浊积岩储层油藏发育,而有利于的盆地底形条件是该储层形成的诱发机制之一[21]。

图9 长8地层堆积(沉积)厚度与长8油藏叠合图Fig.9 Superposition diagram of accumulation(deposition) thickness of Chang 8 Formation and Chang 8 reservoir

鄂尔多斯盆地新近的勘探实践证实,坡折带对非构造圈闭的发育具有明显的控制作用[28],其控制作用体现在对优质储层的形成,坡折带附近主要发育水下分流河道微相,偶尔发育河口坝沉积微相,并且控制着沉积微相的分布及组合规律。勘探成果表明,三叠系延长组油藏主要聚集在三角洲前缘分流河道、河口坝、平原分流河道及深湖—半深湖区的浊积砂体之中。也正因为底面凸起即沉积坡折带的存在,也为长10-长3沉积期浊积岩的形成创造了必要的湖盆底形条件。

5 结 论

1)延长期盆地中部和南部分别发育有一沉降中心,中部各期沉降中心轴线在定边—甘泉一线迁移,西南部各期沉降中心轴线在环线—旬邑一线迁移;

2)长7期湖盆是中、西南部2个湖盆合二为一的时期,盆地中部湖盆坳陷,长10-长9期湖盆沉降中心轴一致,到长8期,沉降中心轴逆时针旋转、向北迁移,长7期后沉降中心轴迁移至盆地中部、呈北东—南西向展布,长6期又向东北方向迁移,最后到长4+5乃至长3期,沉降中心轴线又逆时针旋转迁移至盆地中部;

3)对于盆地西南部湖盆坳陷,沉降中心围绕环县—旬邑一线左右迁移幅度相对较小,沉降中心轴是向东北迁移至盆地中部,而中部湖盆坳陷是向西南迁移,长7期整个盆地演变为一个湖盆。