鄂爾多斯盆地延長期湖盆底面構造定量化演化規律

高勝利,魏雪珂,趙軍龍,孟祥寧,楊金俠

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065;2.西安石油大學 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室,陜西 西安 710065;3.陜西師范大學 數學與統計學院,陜西 西安 710062)

0 引 言

在鄂爾多斯盆地致密油勘探開發中,對砂體與儲層成因類型及其分布特征的研究一直是難點與熱點,特別是湖盆沉積中心長6、長7油層組細粒砂巖沉積(粒度較細,以細砂巖、粉砂巖為主)越來越得到重視。厚層砂體的形成、展布方向、分布范圍主要受控于沉積物的供給速率、湖盆底形及構造活動等因素[1-4]。

基于“陜北斜坡為一平緩的西傾單斜,構造簡單,缺乏背斜等構造圈閉”這一傳統理念,認為油藏的形成和分布主要受沉積相控制,構造等其他因素對延長組油藏的形成和分布的控制作用不明顯[5-6]。延長組隆起構造特別是低幅度的鼻狀隆起構造實際上比較發育,且其對三疊系油藏的形成與富集具有重要控制作用[7],隨著致密油勘探步伐的加快,鄂爾多斯盆地華慶地區長6油藏的發現,引起構造因素(湖盆底形)對油藏控制作用的重視,鄂爾多斯盆地華慶地區長6目的層沉積期處于深湖-半深湖環境,按常規的勘探理論認為該區域是致密油勘探的“禁區”,研究認為長6油層組沉積期為三角洲大規模發育期,在有利沉積相和成巖相共同控制下形成大規模低滲透儲集層,多坡折湖盆構造面貌背景下是大規模低滲透儲集層形成的構造條件[8-11],已初步認為湖盆底形構造因素對致密油成藏的控制作用,致密油勘探邁向“深水區”的步伐加快,同時積極開展模擬試驗,研究重力流沉積機理[12]。

重視構造因素在致密油成藏中的重要作用后,使直接尋找、評價致密油“甜點區”成為可能[13-16]。致密油優質儲層的形成必須具備一定的構造條件,湖盆內次一級凹陷(或沉降中心)邊緣、古高地前緣斜坡及古隆起邊緣等往往是優質儲層形成的構造條件[10],目前對于生烴期地層古構造特征、特別是定量化研究非常薄弱,對于鄂爾多斯盆地延長組生烴期地層古構造形態的恢復仍舊停留在傳統的沉積相分析基礎上,定性概略地層古構造輪廓[17-19]。對于鄂爾多斯中生界這樣穩定克拉通內的坳陷性質的湖盆,利用目前巖性地層單元所揭示的地層充填結構和形態,以及地震資料反映的單調的幾乎是平行的地層結構,難以對生烴期地層古構造形態特征和沉積坡折帶等給予比較清晰的回答,盆地模擬技術提供了定量化研究湖盆地層古構造及其演化特征的有效途徑。陳瑞銀等利用Temis-3D盆地模擬軟件對地層埋藏過程進行模擬,研究盆地演化史及其油氣地質意義[20-21]。

1 研究方法與數據來源

盆地數值模擬技術集大量地質數據于一體,在研究致密油“甜點區”時可使地質研究工作者享受“大數據”創造的精細、準確和科學的地質成果,致密油勘探學科與數學、計算機等科學的相互融合,是基于當今大數據時代致密油勘探技術發展的大趨勢。

1.1 方法原理

沉積物一般可近似分為2部分,即巖石顆粒骨架及其間的孔隙,由于顆粒骨架材料的不可壓縮性(其真實壓縮性很小),地質歷史時期沉積物在經受壓實作用時,其體積的變化應主要表現為孔隙體積的變化。

設在目前頂部埋深為ZN處有一巖石單元,其厚度為TN,若早期埋深為Zt時該單元的厚度為Tt,由上述前提,可用巖石厚度的變化來表示體積的這種變化,從而有

(1)

式中Zt為某一地層在t時刻的頂界埋深,m;ZN為某一地層在現今頂界埋深,m;Tt為某一地層在t時刻的地層厚度,m;TN為某一地層在現今的地層厚度,m;φ(z)為埋深為z時的孔隙度,%。

壓實研究表明,沉積物處于正常壓實狀態時,沉積物特別是細粒沉積物的孔隙度與相應埋深間的關系可用下述指數函數表示

φ=φ0·e-c·Z

(2)

式中φ和φ0分別為埋深為Z和地表處的孔隙度;c為壓實系數。

要恢復出不同地質歷史時期沉積物被壓實掉的那部分厚度,就要進行壓實厚度校正。

將(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)為一超越方程,可求出Tt和Zt的近似解。先將地層恢復到剛沉積時的狀態,然后依次求出不同地質歷史時期該地層的埋深和厚度,根據計算出的最后一個時間步長(現今)與目前真實的厚度、埋深間的誤差去修正前些時期的計算。

公式(3)是針對正常壓實情況而建立的,對超壓地層,該超壓又非單純靠壓實作用形成時,這時的地層厚度與孔隙度、壓力、溫度等多個因素相互依賴,因此出現這種情況時,將超壓模型與壓實模型綜合考慮,與地層流體壓力演化史恢復同步進行[22-23]。

1.2 地質模型

泥巖壓實已成為油氣成藏動力學背景研究必須開展的一項基礎工作,通過泥巖壓實研究,能夠獲取泥巖壓實規律、估算地層剝蝕厚度和孔隙流體壓力,獲取壓實參數并以其作為流體動力數值模擬的約束條件,對盆地演化過程及異常流體壓力分析具有重要的意義。

沉積物自沉積后在其上覆負荷或構造應力的作用下,經歷了地層水不斷排出、孔隙度降低、地層厚度變小的過程,由于砂巖在壓實過程中,還受膠結、溶蝕等多種成巖作用的影響,而泥巖只發生與機械壓實有關的成巖作用,且泥巖的壓實作用是不可逆的。通過泥巖壓實研究,能夠獲取泥巖壓實規律、估算地層剝蝕厚度和孔隙流體壓力。該項研究主要獲得泥巖壓實規律、泥巖壓實系數及砂巖孔滲關系等規律認識[24]。

針對盆地沉積歷史及區域構造特點,以地層對比法為主,并與泥巖壓實趨勢外推法相結合,在考慮古地表起伏形態的基礎上,通過類似于地震解釋中相交測線的閉合驗證的方法,來估算研究區內抬升剝蝕事件對應的地層剝蝕厚度。地層剝蝕厚度估算方法有泥巖壓實趨勢外推法、地層對比法、地熱指標法和沉積速率法等多種方法[20]。

采用盆地模擬技術方法手段,使用法國石油研究院研制的Temisflow盆地模擬軟件實現[21]。為了獲得與真實情況相符合的模擬結果,需要盡可能多的利用實測數據作為約束條件去修正模擬演化過程,通過不斷修改推測性的邊界條件和模擬參數,使模擬結果接近于實測的標定值。

2 湖盆底面構造特征

2.1 長10期底面凹凸構造

長10期底面構造特征表現為“多凹陷區、凹陷幅度大,盆地的東西兩側為2條貫穿南北向凹陷帶,中部地區為凸起帶”的凹凸面貌格局。盆地中部相對高程值高,尤其是志丹、涇川等地,相對高程值達500 m以上。盆地東部凹陷帶在榆林—子長—延安—洛川—白水一線,凹陷幅度在100～140 m之間。盆地西部凹陷帶在天池—環縣—鎮原一線,凹陷幅度比東部凹陷帶大(圖1)。

圖1 延長組長10期底面構造面貌特征Fig.1 Structural features of the bottom surface of Chang 10 of Yanchang Formation

2.2 長9期底面凹凸構造

長9期底面構造特征繼承了長10期底面構造特征,整體表現為盆地的東西兩側為南北向凹陷帶,中部地區為凸起帶,盆地整體構造值偏低,凹陷幅度較小。和長10期相比,在盆地中部的凸起帶,已經逐漸演變為凹陷區。盆地大部分區域相對高程在150～300 m之間,僅在盆地北部靖邊—橫山一帶和盆地南部的涇川—旬邑一帶存在小范圍區域的凸起,相對高程值達400 m以上(圖2)。

圖2 延長組長9期底面構造面貌特征Fig.2 Structural features of the bottom surface of Chang 9 of Yanchang Formation

2.3 長8期底面凹凸構造

長8期底構造面貌特征整體為“橢圓環狀”的凸起,在盆地北部呈條帶狀展布。凹陷區域面積相對長9期進一步擴大,主要集中在盆地的西南部,在長9期相對凸起的涇川—旬邑一帶到長8期轉變為凹陷帶,相對高程值普遍在100～150 m之間。在橫山—環縣區域相對高程值超300 m(圖3)。

圖3 延長組長8期底面構造面貌特征Fig.3 Structural features of the bottom surface of Chang 8 of Yanchang Formation

2.4 長7期底面凹凸構造

長8期凸起的“橢圓環狀”區域有進一步的抬升,涇川—旬邑一帶的凹陷區相對下降。整體來說,盆地長7期的構造面貌格局特征與長8期相似,但是構造落差擴大。在鹽池—定邊—志丹和榆林一帶的地區是盆地長7期的構造高點,相對高程值超450 m,涇川—旬邑一帶的相對高程值不足30 m,整體構造變化趨緩(圖4)。

圖4 延長組長7期底面構造面貌特征Fig.4 Structural features of the bottom surface of Chang 7 of Yanchang Formation

2.5 長6期底面凹凸構造

長6期底構造面貌特征相對長7期的構造特征變化較明顯,整體表現為一較大的北西—南東向凸起區帶,該凸起帶兩側分別向北東和南西發育一較小的次凸起區。主凸起區帶分布在鹽池—吳起—直羅—黃陵一線地區,其中天池、鹽池、子長等地的相對高程值達到400 m以上。東北和西南次凸起帶分別發育在榆林—延安和環縣—慶陽地區。該主凸起帶和西南次凸起帶間的姬塬—慶城—鎮原—旬邑一線地區為凹陷區帶,尤其涇川—旬邑地區,其相對高程值不超過50 m,是盆地中構造最低的區域。同時在東北部的橫山—靖邊—鐮刀彎一線地區也出現面積較小凹陷區帶,相對高程值在200 m左右(圖5)。

圖5 延長組長6期底面構造面貌特征Fig.5 Structural features of the bottom surface of Chang 6 of Yanchang Formation

2.6 長4+5底面凹凸構造

長4+5期底構造面貌整體上為一較大的北西—南東向主凸起帶,該主凸起帶兩側分別發育近北西—南東向的凹陷區,主要呈“三凸兩凹、相間分布”的構造面貌。該期的主凸起帶分布在定邊—吳起—直羅—洛川—白水一線地區,此凸起帶面積大,整體相對高程值在300 m以上。盆地中構造最高的區域是在西南部的環縣—鎮原地區的一條南北向的凸起帶,相對高程值可達500 m以上。在環縣—慶城—涇川—旬邑一線和鹽池—靖邊—子長一線地區為凹陷區,相對高程值為50～200 m,較長6期增大(圖6)。

圖6 延長組長4+5期底面構造面貌特征Fig.6 Structural features of the bottom surface of Chang 4+5 of Yanchang Formation

2.7 長3期底面凹凸構造

長3期底構造面貌特征與長4+5期構造面貌特征相似,具有繼承性。該期盆地中構造凸起區域的面積明顯增大,除盆地西南部環縣—涇川—旬邑一線地區的凹陷面貌仍然存在,幾乎整個盆地都是凸起區,相對高程值在300～600 m之間。盆地西南部的環縣—鎮原次凸起區的相對高程值和面積變小,盆地西南部環縣—涇川—旬邑一線地區的凹陷區面積及凹陷深度也相對變小,相對高程值為50～150 m(圖7)。

圖7 延長組長3期底面構造面貌特征Fig.7 Structural features of the bottom surface of Chang 3 of Yanchang Formation

3 凹凸中心及其遷移

恢復出來的各期底面凹凸構造面貌特征,其本質就是各期底面構造沉降史特征。系統考察各期底面凹凸構造面貌及其演化特征,認為整個延長期,在盆地中部和南部分別發育有一沉降中心,中部各期沉降中心軸線在定邊—甘泉一線左右來回遷移,而西南部各期沉降中心軸線在環線—旬邑一線左右來回遷移,長7期湖盆是中、西南部2個湖盆合二為一的時期(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地延長組不同沉積時期沉降中心(軸)及其遷移特征Fig.8 Subsidence center(axis)and migration characteristics of Yanchang Formation in Ordos Basin during different sedimentary periods

對于盆地中部湖盆坳陷,長10-長9期湖盆沉降中心軸一致,長8期沉降中心軸逆時針旋轉,向北遷移,長7期后沉降中心軸遷移至盆地中部,呈北東—南西向展布,長6期又向東北方向遷移,長4+5乃至長3期沉降中心軸線又逆時針旋轉遷移至盆地中部。

4 湖盆演化對油藏分布的影響

研究湖盆在形成和消亡期間沉積坳陷的遷移規律,其重要意義在于能對各期砂體的縱向相互疊置、橫向分布的認識。延長組沉積時期各沉積體系的演化過程,可以在時空上組成有利的生儲蓋組合[25-26]。

沿地層沉積厚度最大處的連線(厚度脊線)兩側,為目前發現的長8油藏。這就說明長8油藏主要分布在長8底面凸起構造位置的兩側,該底面凸起構造現象的存在,對于長8儲層的形成非常重要(圖9)。堆積(沉積)厚度揭示的凸起構造就是沉積坡折帶[27]。鄂爾多斯盆地南部不同類型濁積巖與油藏的關系表明,濁積巖儲層油藏發育,而有利于的盆地底形條件是該儲層形成的誘發機制之一[21]。

圖9 長8地層堆積(沉積)厚度與長8油藏疊合圖Fig.9 Superposition diagram of accumulation(deposition) thickness of Chang 8 Formation and Chang 8 reservoir

鄂爾多斯盆地新近的勘探實踐證實,坡折帶對非構造圈閉的發育具有明顯的控制作用[28],其控制作用體現在對優質儲層的形成,坡折帶附近主要發育水下分流河道微相,偶爾發育河口壩沉積微相,并且控制著沉積微相的分布及組合規律?？碧匠晒砻?三疊系延長組油藏主要聚集在三角洲前緣分流河道、河口壩、平原分流河道及深湖—半深湖區的濁積砂體之中。也正因為底面凸起即沉積坡折帶的存在,也為長10-長3沉積期濁積巖的形成創造了必要的湖盆底形條件。

5 結 論

1)延長期盆地中部和南部分別發育有一沉降中心,中部各期沉降中心軸線在定邊—甘泉一線遷移,西南部各期沉降中心軸線在環線—旬邑一線遷移;

2)長7期湖盆是中、西南部2個湖盆合二為一的時期,盆地中部湖盆坳陷,長10-長9期湖盆沉降中心軸一致,到長8期,沉降中心軸逆時針旋轉、向北遷移,長7期后沉降中心軸遷移至盆地中部、呈北東—南西向展布,長6期又向東北方向遷移,最后到長4+5乃至長3期,沉降中心軸線又逆時針旋轉遷移至盆地中部;

3)對于盆地西南部湖盆坳陷,沉降中心圍繞環縣—旬邑一線左右遷移幅度相對較小,沉降中心軸是向東北遷移至盆地中部,而中部湖盆坳陷是向西南遷移,長7期整個盆地演變為一個湖盆。