渤海湾盆地黄河口凹陷中央构造脊沙河街组砂体展布规律与储层发育特征

Sandstone Distribution and Reservoir Characteristics of Shahejie Formation in Huangheko Sag，Bohai Bay Basin

摘要

中央构造脊是在黄河口凹陷内受走滑挤压作用形成的水下同沉积洼内隆起，同时也是黄河口凹陷重要的油气聚集带；但脊内沙河街组储层非均质性强，其砂体展布与储层发育规律尚不明确，制约了深部勘探部署.通过三维地震、钻测井、岩矿数据分析恢复了沙河街组沉积期中央构造脊古地貌特征、落实构造脊东西砂体展布与南北物源供给界限，并将构造脊细分为东、西、南3个主要单元对储层发育的差异性进行详细研究. 通过微观储层分析刻画结合构造-沉积特征总结不同单元储层发育特征，表明东脊沙三段沉积期地势较低，为主物源通道，南北搬运距离远，砂体成熟度高；后期隆升诱导裂缝发育，渗透率升高，优质储层发育；西脊沉积期地势较高，为主物源侧翼，薄层杂砂岩，泥质含量高，局部钙质发育，储层欠发育；南脊持续隆升，作为南北物源交互区，脊内微隆起周期出露水面沉积淋滤碳酸盐岩造成临近砂体碳酸盐胶结强，物性相对较差.

关键词

沙河街组 / 沉积体系 / 储层特征 / 差异性 / 中央构造脊 / 黄河口凹陷 / 石油地质学

Key words

Shahejie Formation / depositional systerm / reservoir characteristic / difference / central structural ridge / Huangheko Sag / petroleum geology

0 引言

中国东部典型箕状断陷主要包含斜坡带（也称缓坡带）、深陷带和陡坡带3个主要地质单元（童晓光，1984；康南昌等，2013；张亚雄等，2014），然而在特定的凹陷内，受挤压隆升或差异沉降，断陷盆地内易形成洼内隆起（李丕龙等，2000；张忠民等，2006；温宏雷等，2017；易士威等，2020）. 由于临近深陷带烃源岩，油气运移距离短，洼内隆起成为油气聚集的优势区. 加上埋深相对较浅，成岩强度弱，且易形成构造圈闭，从而成为诸多富烃凹陷的有利勘探区带（李丕龙等，2000；张忠民等，2006；温宏雷等，2017；易士威等，2020；Cui et al.， 2021）. 渤海湾盆地黄河口凹陷在中央构造脊相继发现了渤中34-2/4、渤中28-2S、渤中34-1等大中型油田（周心怀等，2019），使其成为渤海海域重要的油气发现带.

然而，关于砂体的展布规律，相关研究多集中于箕状断陷的陡坡带与斜坡带，凹陷中心多发育明显的深陷带，沉积深湖相泥岩，不同物源供源界限及砂体展布范围相对明确（童晓光，1984；康南昌等，2013；张亚雄等，2014；赵贤正等，2017；刘强虎等，2020；徐燕红等，2020；张自力等，2021）. 黄河口凹陷中央构造脊地势整体相对较高，砂体搬运距离、汇集方式与传统箕状凹陷陡坡与斜坡带存在较大差异，针对盆内构造脊沉积砂体展布与储层发育规律研究相对缺乏. 在构造脊不同区带构造、沉积与成岩背景下，内部储层物性差异大，呈现强非均质性特点. 在浅部储层勘探殆尽，勘探向深部发展的背景下，砂体展布特征不明与储层物性强非均质性严重约束了中央构造脊下一步勘探部署.

基于此，本文基于地震、岩矿资料明确中央构造脊南北砂体分界，东西砂体展布，划分构造脊内部构造沉积单元. 通过储层微观分析手段，落实盆内高地貌背景下不同单元内储层发育特征与控制因素，进行构造-沉积-成岩耦合分析，对于挖掘相关类型构造隆起勘探潜力，预测优质储层分布具有重要意义.

1 区域地质概况

黄河口凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷的东北部，北侧为渤南低凸起，南侧为垦东-青坨子凸起和莱北低凸起，东侧为庙西凹陷，西侧为沾化凹陷（图1a），凹陷总面积约3 309 km². 古近系孔店组-沙河街组沉积期盆地为北断南超的箕状凹陷，构造面貌表现为西深东浅、北陡南缓、凹中有隆的特征. 盆地次级构造单元受两组近东西向（或北东东向）伸展断裂和北北东向走滑断裂控制（薛永安等，2016；周心怀等，2019）.

北北东向郯庐走滑断裂带贯穿渤南地区并派生出3组基底主干走滑正断层（漆家福等，2008， 2010），张婧等（2017）将其划分为东、中、西3个走滑带. 中央构造脊位于中部走滑带. 古新世-早始新世，中带在左旋走滑挤压作用下开始隆升，导致黄河口凹陷被分割为东、西两个次洼；中始新世（沙三段沉积期）以来，郯庐断裂带转为右旋走滑，两条分支断裂的右旋左阶排列形成具压扭性质的中央构造脊（张婧等，2017）. 从沉积地层来看，构造脊与东西洼陷一致，地层发育完整，为凹陷内部受走滑挤压作用形成的水下同沉积洼内隆起（图1中A-A’；温宏雷等，2017；张婧等，2017）.

黄河口凹陷中央隆起带为西次洼中部低隆区，东部与中央构造脊相连（刘豪等，2017）. 一般认为中央隆起带隆升作为对北部控洼断裂强烈活动的应力调节. 地震资料显示，中央隆起带南部断层上升盘与下降盘厚度差异明显，显示出孔店组与沙河街组沉积期断层活动明显，控制沉积作用（图1中B-B’）.

黄河口凹陷中央构造脊古近纪和新近纪地层发育较为完整，古近系自老到新发育孔店组、沙河街组和东营组（图2）. 沙河街组又分为1、2、3、4段；东营组又分为1、2、3段. 沙三段细分为上、中、下亚段，但由于侵蚀作用较强，构造脊沙三段主要保留沙三中亚段（刘豪等，2017）. 沙河街组（E_2-3 s）为黄河口凹陷古近系主要油气富集层段，与下伏孔店组为整合或假整合的接触关系. 由于黄河口凹陷仅在西部发育和保存了很薄的沙四段地层，因此本文以沙三与沙一二段为主要研究层位.

2 中央构造脊构造-沉积规律与单元划分

碎屑岩储层质量（孔隙度和渗透率）是物源、构造、沉积等多因素控制下原始沉积物组成和后期成岩改造的综合反映（Ramm， 2000； Kordi et al.， 2011； Ozkan et al.， 2011； Zhou et al.， 2016），优质储层发育预测是多因素综合分析过程. 近年来，渤海湾盆地深部储层勘探开发需要更精准的砂体与优质储层预测，从而要求精细的构造沉积单元划分与细致的构造-沉积-成岩过程恢复，而构造脊沉积期砂体展布决定了储层发育的物质基础，是优质储层预测的重中之重. 沉积区砂体的展布受沉积期古地貌与构造演化过程所控制. 与中央构造脊两侧东次洼与西次洼相比，沙河街组相对较薄的沉积厚度指示中央构造脊沉积期地势相对较高（图1），薄层砂体使得依靠地震资料预测构造脊砂体展布更具挑战性. 因此结合三维地震、钻测井资料以及岩性组合进行综合分析，恢复构造脊构造-沉积演化过程，对于弥补地球物理分辨率不足，增强砂体预测可靠性具有重要意义.

2.1　中央构造脊沉积体系展布

黄河口凹陷中央构造脊沙河街组以北部渤南低凸起以及西南部垦东凸起为主力物源区（周晓光等，2020；庞小军等，2021）. 与一般箕状断陷不同，其中部不发育深陷带深湖相泥岩，导致过渡带物源界限不明确，南北砂体展布范围从地震技术手段难以确定. 而理清构造脊砂体南北供源范围关键在于确定过渡带砂体物源差异性. 中央构造脊中部砂体卸载区B与C油田钻井较为丰富，为南北物源体系划分与砂体展布刻画提供了条件.

2.1.1　轻矿物分析

定量的砂岩岩相学分析是碎屑岩研究的基本方法. 准确获得砂岩的碎屑组分，有助于探讨沉积物的源区、背景和沉积盆地性质（Dickinson and Suczek，1979；何杰等，2020）. 过去几十年中，基于全岩与单矿物地球化学与地质年代学组成进行物源分析的技术突飞猛进，但砂岩主矿物分析仍然是物源分析根本性手段，其中，基于主要骨架颗粒QFR的砂岩分类方案应用最为广泛（Folk，1968， 1980）. 因此本文基于构造脊中部B、C两个构造钻井岩心沙河街组骨架颗粒进行QFR分类. 如图3所示，沙三段数据相对局限，沙二段数据量充足，但在QFR三角图中两个构造钻井岩心分析数据投点可以明显区分开来，B构造成熟度明显偏高，石英含量高，岩屑长石含量低；而C构造岩屑长石含量明显偏高，体现出明显不同的物源体系.

2.1.2　重矿物分析

重矿物相对稳定，能够一定程度保留母岩的特征且分选技术成熟，已经成为物源示踪的重要技术之一（赵红格和刘池洋，2003）. 对中央构造脊中部B构造与C构造主要钻井选取沙河街组85个岩心样品进行重矿物分析（图4），每个样品相对含量前五的重矿物类型对比分析发现，北部B构造重矿物以石榴子石（黄）、锆石（蓝）和白钛矿（红）为主，沙三段到沙一、二段具有继承性. 南部C构造重矿物以锆石（蓝）、白钛矿（红）为主，除沙一段少量样品外，其他普遍缺乏石榴子石（图4）. 重矿物组成的显著差异性同样显示出B与C具有明显物源差异性.

轻重矿物的明显差异性揭示出黄河口凹陷中央构造脊中部B、C构造的物源差异性，结合区域地质背景，可以推测B构造以北部物源为主，而C构造以南部物源为主，南北物源交互于构造脊中部. 同时B、C分属南北物源体系，证实中央隆起带在沙河街组沉积期呈隆起状态，分隔南北物源.

2.2　中央构造脊砂体展布东西差异性

中央构造脊位于走滑转换带，东西两侧下倾明显，同时受东西向调节断层的切割作用，由北向南形成堑、垒相间的构造格局. 中央构造脊现有勘探成果及钻井揭示储层发育呈现明显非均质性，体现出沙河街组沉积期构造脊东西两侧砂体展布与差异性演化特征. 针对于此，基于三维地震、钻井资料、岩性微观特征等多因素分析，落实沉积期构造脊东西两侧地形地貌特征与对沉积的控制作用.

中央构造脊东西两侧沙河街组沉积厚度与岩性组合特征呈现明显差异性（图5）. A构造与B构造分别位于中央构造脊东西两侧，三维地震剖面（图1，B-B’）显示A-1井与B-1井位于东西两侧构造高部位，且B构造现今处于更高部位. 然而三维地震与钻井均显示东侧B-1井比西侧A-1井沙河街组地层厚约190 m（图5）. 从岩性组合来看，西侧沙河街组以泥质杂砂岩、灰质砂岩、泥岩沉积为主，夹杂少量湖相碳酸盐岩薄层（图5a，5b），西侧的D-1井与E-2井钻遇目标层位，揭示类似特征，这种岩性组合特征体现出弱物源供给条件，主体物源通道侧翼及水下高地貌特征（薛永安等，2020；叶子倩等，2020）. 而构造脊东侧沙河街组砂体相对丰富，以净砂岩、砂砾岩沉积为主，砂体淘洗充分，成熟度高，粒度较粗，反映出主物源搬运通道特征，为辫状河三角洲前缘主体，水下分流河道微相特征，东侧B-2D/3D/4D等探井均揭示类似特征（图5c，5d）. 结合沉积厚度与岩性组合推测，沙河街组沉积期构造脊东西两侧存在明显地貌差异，西侧地势相对较高，约束主要位于东侧的沉积物搬运. 沙河街组沉积后期，两侧沉积厚度差异逐渐减小，东营组沉积期东西两侧沉积厚度近似，揭示中央构造脊东侧经历了沙河街组沉积早期相对低地貌，而东营组沉积期地貌隆升，东西沉积厚度相当. 总而言之，中央构造脊沙河街组沉积期古地貌呈现出西高东低，东侧富砂特点.

2.3　中央构造脊古地貌恢复、构造单元划分与砂体展布特征

骨架颗粒与重矿物分析指示南北物源供给交汇于中央构造脊中部，中央隆起带地震反射特征显示出构造脊中部继承性高地貌分隔南北物源. 而东西向地震反射、钻井以及取芯岩性组成特征揭示构造脊东西两侧沉积期呈现东低西高，东侧输砂的特征. 基于以上两点认识与三维地震资料对中央构造脊沙河街组沉积期古地貌进行恢复，在此基础上，通过井震标定，岩心约束对构造脊沉积体进行刻画（图6）. 来自于南北物源体系的砂体在构造脊中部汇集，形成与东西两侧典型箕状断陷近源砂体尖灭于深陷湖盆的最大差异性. 沙河街组沉积期，中央构造脊整体呈现水下高地貌，导致沉积砂体厚度相对较小. 但构造脊南北高差变化小，深陷带不发育，湖水浅，对砂体水下搬运阻力小，来自南北物源砂体延伸范围广，全脊均有砂体发育，形成构造脊独特地貌特征下砂体薄，规模大，南北交互的沉积特点（图6）.

然而，脊内构造演化与地貌格局的差异性造成构造脊内部砂体展布与储层物性的非均质性. 基于关键认识下的古地貌特征恢复显示中央隆起带向东延伸至中央构造脊，将中央构造脊划分为南北两大物源体系，北部物源体系控制下构造脊东西两侧呈现明显的地貌差异性，从而将中央构造脊分隔为东、西、南3个构造单元，分别称其为中央构造脊东脊、西脊与南脊，3个单元呈现不同的构造演化与沉积充填特点（图6a）.

西脊在沙河街组沉积期地势相对较高，作为水下分水脊分隔黄河口凹陷西洼与中央构造脊沙河街组沉积体系（图6b）. 因此沉积厚度小且以河道边缘泥质与水下高部位碳酸盐岩沉积为主，砂体欠发育. 东脊沙河街组沉积期地势相对较低，位于构造脊北部物源体系主供给通道，砂体富集，厚度大，自北向南长距离搬运淘洗. 沙河街组沉积后期至东营组沉积期，东脊西脊沉积厚度相当，意味着地貌隆升与西脊接近. 中央隆起带持续性隆起，分隔南北物源，南部物源供给充足，砂体富集，相关储层在C油田得以钻遇. 总而言之，中央构造脊特殊地貌背景下差异性发育远源搬运辫状河三角洲（图6b）.

3 储层物性非均质性与构造-沉积-成岩耦合分析

3.1　物性分布与储层非均质性

构造脊东脊、西脊与南脊沙河街组储层呈现强非均质性. 勘探实践及物性分析发现相对于东脊B油田沙河街组优质储层发育，西脊A构造，D/E等构造沙河街组砂薄泥厚，储层主要为薄层杂砂岩. 沉积主导下泥钙质含量高，造成相关储层物质基础差，原生孔隙欠发育，后期成岩改造难度大，优质储层欠发育.

黄河口中央构造脊南北高差相对小，脊内起伏大的构造地貌特征以及远距离搬运的沉积过程使得主物源砂体储层发育具有显著特点，长途搬运淘洗造成位于物源远端的构造脊中部砂体结构与成分成熟度高，泥质含量低，X衍射分析显示B、C构造储层黏土含量在5%以内. 高成熟度净砂岩成为B/C油气田优质储层发育的基础.

而同样位于主力砂体通道之上，分别位于中央隆起带南北两侧的东脊（B构造）与南脊（C构造）物性差异明显. 如图7所示，沙二段晚期厚层砂体，B构造与C构造孔隙度均在10%~20%之间，但渗透率差异显著，B渗透率明显高于C构造，沙三段及沙二段早期砂体，B构造发育优质高产储层，C构造多为致密层（图8，图9）. 这种储层的强非均质性与中央构造脊的构造沉积特征关系密切. 基于岩心观察，铸体薄片，扫描电镜，阴极发光等微观储层分析手段，对B/C构造储层发育特征进行对比分析，探讨储层发育主控因素.

3.2　东脊（B构造）

东脊在沙河街组沉积期处于主物源通道，B构造受北部渤南低凸起物源供给. 塑性易风化产物受长距离搬运淘洗殆尽，前寒武变质花岗岩母岩风化剥蚀后石英长石颗粒与变质花岗岩岩屑形成B构造沙河街组储层主要骨架颗粒（图8），高成熟度下原生粒间孔得以充分保留（图7），形成深部储层较高孔隙度.

东脊在沙河街组沉积后发生了构造隆升，受郯庐断裂带右旋挤压影响，背斜特征逐渐显现（图1中B-B’）. 脆性颗粒受隆升构造活动及压实影响易产生脆性破裂. 储层微观分析发现，较粗脆性矿物内部发育大量砾内微裂缝（图8a~8e），且部分构造裂缝切穿局部发育的方解石胶结物（Cal）（图7e），显示裂缝发育于沉积后成岩期. 砾内裂缝及构造裂缝的发育，联通粒间孔，形成良好的孔渗结构（图7，图8a~8e），使得储层渗透率相对较高，从而发育B油田优质高产储层.

3.3　南脊（C构造）

C构造以西南部垦东凸起物源供给为主，在沙河街组沉积期南部物源长距离搬运，经过充分搬运淘洗，在中央隆起带以南沉积了高成熟度中砂岩，以辫状河三角洲前缘亚相为主，粒度相对较细，磨圆分选好，以粒间孔为主要孔隙类型（图9）. 而靠近中央隆起带，受继承性隆起影响，沉积湖相碳酸盐岩及陆源碎屑混积岩. 前人研究认为湖相云岩及混积岩发育受古构造、古地貌、古气候、陆源碎屑供给以及湖平面等多因素联合控制（叶子倩等，2020）. 中央构造脊内部多微型起伏，最为典型的为构造脊中部的持续高地，作为中央隆起带向东部构造脊方向的延伸，具备湖相云岩发育的构造地貌条件，且构造脊中部南北物源交汇，受物源供给强度变化影响大，低陆源供给期间，温暖气候条件下具备沉积湖相云岩条件. 且较高的地貌与构造脊浅水条件使得微型高地对湖平面变化更加敏感，呈现周期性没于水面沉积碳酸盐岩及出露水面遭受淡水淋滤特点. 这种特点得到C构造钻井的证实. 最为临近中央隆起的B-3井钻遇湖相白云岩夹层（图8a），揭示沉积期水下高地特征（薛永安等，2020；叶子倩等，2020）.

基于距离中央隆起带较近的C-3井取芯标定的测井特征显示云岩段呈现低自然伽马及显著的深、浅侧向电阻率正向尖峰与自然电位低值（图9）. 基于此，依据测井特征与岩屑录井资料在单井柱状图中沙河街组识别出3期典型云岩发育段，其周缘砂岩均为致密层（图9a）. 该井取芯段显示湖相云岩发育周期性岩溶角砾层段（图9b），指示周期性水下沉积碳酸盐岩与水面暴露淋滤. 湖相云岩的沉积与淋滤与构造脊内部浅水高地的周期性没于水下与暴露水面相匹配. 微观储层发现，泥晶云岩与邻近砂岩均发育3期云钙质沉淀，首期云质为泥晶云岩，为准同生期形成，陆源碎屑供给较弱时直接沉淀（图9c），陆源净砂岩供给较强时附着于陆源碎屑颗粒表面形成泥晶套（图9d，9e，9f）；第二期云质胶结物呈枳壳状包裹颗粒，晶型较为完整，指示地表暴露淋滤后沉淀特征；第三期为方解石胶结物，充填粒间孔隙，是储层致密的主要原因. 基于宏观构造地貌特征与微观储层特征认为，构造脊中部继承性高地貌湖相云岩的水下沉积与水上暴露淋滤形成富Ca²⁺、Mg²⁺流体，渗流进入附近的保留大量原生粒间孔隙的净砂岩，造成临近砂体多期碳酸盐胶结与充填（图9c~9f，图10），从而降低了储层物性，是C储层物性相对较差的重要原因.

总而言之，中央构造脊储层发育非均质性受特殊背景下构造-沉积与成岩过程的综合影响. 沉积期差异古地貌背景下不同沉积作用决定性影响了构造脊北部东西两侧储层发育差异性. 构造脊南北低高差、水体浅，远距离搬运的构造沉积条件决定了中部净砂岩的沉积物质基础，而构造脊内隆起微地貌及差异演化控制了东脊的裂缝发育与南脊的致密胶结成岩作用（图10）.

4 结论

（1）三维地震与岩矿资料分析显示沙河街组沉积时期中央构造脊中部B构造砂体属北部物源体系，C构造属南部物源体系，来自南北物源砂体在构造脊中部聚集. 揭示与典型箕状断陷近源砂体尖灭于深陷带不同，中央构造脊整体古地貌较高，湖水浅，对砂体水下搬运阻力小；南北高差变化小，深陷带不发育，来自南北物源砂体搬运距离远，并在构造脊中部汇聚，全脊砂体发育，形成构造脊独特地貌特征下砂体薄，规模大，南北连片的特点.

（2）中央构造脊东脊沙河街组沉积期位于低部位，砂体主通道，南北搬运距离远，储层成熟度高，原生物质基础好；后期构造隆升诱导构造裂缝发育，提高渗透性，改造条件好，成为优质储层发育重要因素；中央构造脊内部地貌起伏多，中部继承性微隆起交替出露与没入水下，导致泥晶云岩周期性沉积与淋滤，相关流体产物造成南脊C构造砂体碳酸盐胶结强，储层物性相对较差.

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基金资助

”十三五”国家科技重大专项(2016ZX05024-003)

中海石油（中国）有限公司综合科研项目(YXKY-2017-TJ-01)