断裂组合导流作用对扇三角洲形态的影响——基于盆1井西凹陷百口泉组的沉积物理模拟实验.pdf

第41卷第3期2023年6月Vol.41 No.3Jun.2023沉 积 学 报ACTA SEDIMENTOLOGICA SINICA断裂组合导流作用对扇三角洲形态的影响基于盆 1 井西凹陷百口泉组的沉积物理模拟实验潘双苹1，胡光明1，唐友军2，刘忠保1，徐佑德3，修金磊3，魏薇1，张欣越21.长江大学地球科学学院，武汉 4301002.长江大学资源与环境学院，武汉 4301003.胜利油田勘探开发研究院，山东东营 257061摘 要 断裂组合导流如何控制扇体的几何形态、哪种断裂组合有利于将碎屑物质搬运至盆地中心，是准噶尔盆地盆1井西凹陷百口泉组勘探初期面临的重要难题之一。针对这一问题，运用沉积物理模拟实验的方法，结合研究区地质背景，设计了一个具有三级平台坡折底形的实验池，开展无断裂、平行断裂和交叉断裂条件下扇三角洲沉积模拟实验。实验结果表明：断裂组合类型是控制扇体形态的关键因素，与边界断裂大角度相交或近于垂直的平行断裂和交叉断裂对扇体的形态都有明显的控制作用，受控的扇体有较大的长宽比；在断裂组合控制下，复合扇体的发育通常经过断裂导流和无断裂导流两个阶段；在物源供应充足且供应量相同的条件下，平行断裂导流形成的复合扇体的长宽比要小于交叉断裂导流形成的复合扇体；此外，断裂组合对扇体形态的影响还取决于断裂控制流体定向流动的时间长短，长时间没有填满的断裂，更容易将粗碎屑运移到盆地中心，形成长宽比较大的扇体。该研究揭示了沉积盆地中不同断裂组合对扇体发育的可能影响，研究结果对于指导盆1井西凹陷百口泉组的碎屑岩储层预测具有参考意义。关键词 断裂组合导流作用；扇体形态；沉积物理模拟；准噶尔盆地；百口泉组第一作者简介 潘双苹，女，1996年出生，硕士研究生，储层沉积学，E-mail:通信作者 胡光明，男，教授，沉积储层与层序，E-mail:中图分类号 P618.13 文献标志码 A0 引言 近年来，新疆油田根据玛湖凹陷的勘探实践，提出了退覆式浅水扇三角洲沉积模式1，根据这一模式，在玛湖凹陷上乌尔禾组和百口泉组发现三级地质储量超过10108 t2。该沉积模式最重要的特点之一是砂砾岩储层满盆分布，形成这一特点的关键因素是“山口主槽，控扇延展”1，即山口和主槽是向凹陷中心输送粗碎屑的有利通道，它们的分布控制了扇体的展布，而主槽受控于主断裂，且部分次级断裂也控制了次级沟槽的分布，为粗碎屑的搬运提供通道3。因此，从根本上说，断裂的分布对扇体的展布有重要的控制作用。在百口泉组沉积时期，盆1井西凹陷与玛湖凹陷同属于准噶尔盆地相邻的两个部分4，中石化在该凹陷中部的庄2井也发现了厚层的含砾粗砂岩。参照玛湖凹陷勘探实践推测，这些粗碎屑能够从物源区经长距离搬运至凹陷中心，断裂构成的通道起到了重要的导流作用。不同断裂组合对粗碎屑的导流效率是有差异的，哪种断裂组合导流能够更快地将粗碎屑从源区搬运至凹陷中心，关系到凹陷中心粗碎屑来自凹陷东侧的石西扇还是西侧的中拐扇，直接影响到以后的勘探方向。目前学界关于断裂对扇体影响的研究主要侧重于断裂对扇体演化与分布的控制58，而断裂组合导流对扇体形态的影响、对粗碎屑长距离搬运的控制作用研究较少3。因此笔者结合研究区的地质特征，通过一系列沉积物理模拟实验对这一问题进行了探索。收稿日期：20210816；修回日期：20211221；录用日期：20220114；网络出版日期：20220114基金项目：国家自然科学基金项目（41472097）；中石化重点科研项目（P19016-1）Foundation：National Natural Science Foundation of China,No.4147 2097;Key Scientific Research Project of SINOPEC,No.P19016-1DOI:10.14027/j.issn.10000550.2021.170文章编号：10000550（2023）03086712第41卷沉 积 学 报1 区域地质背景 准噶尔盆地处于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和塔里木板块之间，是晚古生代至中、新生代持续发育的多旋回叠合盆地9。盆地大致经历了二叠纪前陆盆地、三叠纪到白垩纪内陆坳陷盆地、古近纪以后前陆盆地等多个演化阶段10。在西北、东北方向的挤压、压扭作用下，盆地边缘形成了大型的边界断裂，海西中期至喜马拉雅时期，因应力调整派生出一系列与边界断裂近于垂直或大角度相交的走滑断裂11。盆1井西凹陷位于准噶尔盆地中央坳陷区，北部与玛湖凹陷以达巴松凸起相隔。在三叠纪百口泉组沉积时期，盆1井西凹陷与玛湖凹陷是统一的内陆坳陷盆地的两个部分4。该时期发生持续湖侵1,1215，来自西侧盆缘造山带与东侧陆梁隆起的物源16，在盆1井西凹陷中形成了广泛的扇三角洲沉积体系17。该凹陷中石化探区目前处于勘探早期，探井4口，取心16.4 m，百口泉组地震资料品质较差，但在多层系见良好的油气显示，预示了良好的勘探前景17。2 实验设计 2.1地质模型重建地质模型的重建是进行沉积物理模拟实验设计的基础，以下将从古地形特征、断裂分布特征、流体性质和湖平面变化等4个方面对其进行阐述。2.1.1古地形特征胜利油田勘探开发研究院结合地震解释，根据印模法恢复了盆1井西凹陷百口泉组的古地形（图1）。该古地形具有多级平台坡折的特点，从西侧向凹陷中部，中拐扇依次经历了三个平台，从东侧向凹陷中部，石西扇经历了两个平台，平台的坡度大致在 0.5 1.5，平台与平台之间为坡度较大的坡折（图1）。图 1盆 1 井西凹陷百口泉组古地形、沉积体系及断裂分布图Fig.1Palaeotopography,sedimentary system,and fault distribution of the Baikouquan Formation in Well Pen1 West Sag 胜利油田分公司勘探开发研究院准噶尔西部勘探研究室.内部交流2018.868第3期潘双苹等：断裂组合导流作用对扇三角洲形态的影响2.1.2断裂分布特征盆1井西凹陷西侧断裂为近于平行的线形，其走向与沉积体系的展布方向较为一致，东侧的断裂呈人字形交叉，为弧形，它们与盆地边界断裂近于垂直或大角度相交（图1）。它们是盆地边界断裂活动时，由于横向应力调节而派生出的高角度走滑断裂，形成于海西中期以后，断距很小，有的地震剖面上甚至没有明显的断距（图2），这些特征与玛湖凹陷是一致的9,11,18。准噶尔盆地印支运动的区域主应力主要来自西北和东北19，向南构造应力逐渐减小，这一特征体现在从玛北到玛西再到玛南断裂的密度逐渐减小11,18，在盆1井西内部也延续了这一趋势（图1）。由此推测，盆1井西凹陷断裂活动要比玛湖凹陷弱得多，其走滑断裂平移距离远小于玛湖凹陷的走滑断裂。因此，盆1井西凹陷走滑断裂平移对扇体的影响较小，其对扇体的控制主要通过断裂作为供源通道来实现，这正是本次模拟实验的关注点。2.1.3流体性质百口泉组沉积时期，准噶尔盆地为干旱半干旱气候2022，容易暴发阵发性洪水和泥石流，流体性质为重力流（主要是泥石流）和牵引流，形成的扇体具有旱扇的特点。该区岩心有泥岩、泥质中粗砂岩、含砾泥质中粗砂岩、泥质砂砾岩，以粗粒岩性为主；结构上粗细混杂，分选差，砾石以棱角状、次棱角状为主；常见基底式胶结、杂基支撑结构（图3a），颗粒漂浮在杂基中，特别是长条形颗粒竖立在杂基中（图3b），说明沉积物在搬运过程中快速堆积。沉积构造以块状层理、递变层理为主（图3ac），递变层理以2030 cm厚最为常见，且反复出现，说明流体具有阵发性特征，能量不稳定，变化频繁。据以上特征判断，流体性质为泥石流。沙12井的粒度概率累积曲线主要表现为宽缓的上拱弧形（图4），根据典型的粒度概率累计曲线23判断，为颗粒或杂基支撑悬浮搬运，即典型的泥石流。部分岩心可见冲刷充填构造（图3d），冲刷面之上的粒度较冲刷面之下的细，分选要好，为河道沉积，为牵引流的沉积结果。除此之外，没有发现其他典型的牵引流特征，这可能与取心较少有关（该区只有沙12井一口井的取心，合计16.4 m），但是在邻区玛湖凹陷同一层位的岩心中发现槽状交错层理、板状交错层理，为典型的牵引流沉积构造24。由此推测，本区也应当发育牵引流沉积。图 2T2k 层拉平地震剖面上的平行断裂（a）和交叉断裂（b）（剖面位置见图 1）Fig.2The parallelfaults(a)and crossfaults(b)in the seismic section of T2k(section locations are marked in Fig.1)869第41卷沉 积 学 报2.1.4湖平面变化百口泉组沉积时期，玛湖凹陷与盆1井西凹陷为统一的盆地，经历了共同的湖平面升降过程。参照前人对玛湖凹陷的研究，认为百口泉组整体为一个水体加深不断湖侵的过程1,1215。2.2实验条件设计在明确研究区地质条件的基础上，依托中国石油天然气集团公司油气储层重点实验室长江大学湖盆沉积模拟实验室，笔者设计了一个具有三级平台坡折的底形，分别用于模拟三级平台坡折背景下无断裂、平行断裂和交叉断裂条件下的扇体沉积形态，然后将3种实验所测得的扇体几何参数进行对比，研究不同断裂组合对扇体形态的影响。2.2.1底形设计设计的模拟实验水池长 5.5 m、宽 3.0 m、深0.8 m，最低处为0.5 m宽0.1 m深的水池，用于排水和补水以控制水位变化（图5）。从低处向高处依次为一级平台（2）、二级平台（5）和三级平台（8），各平台之间设有垂直高差为8 cm的坡折；一级、二级和三级平台长度分别为2 m、1.5 m和1.5 m，宽度均为3 m（图5）。为方便物料桶中的流体流出到各级平台沉积，在二级和三级平台上均设有导流槽，每个平台导流槽的上游较浅下游较深。一级平台、二级平台和三级平台的坡度依次增加，符合研究区从盆向源坡度逐渐增加的特点；另外，各平台的坡度相对于研究区而言都有所增加，是因为实验室的水沙关系（水动力与沙粒大小和重量的关系）不是自然界的水沙关系的等比例缩小，沉积物理模型是变态模型，如果平台坡度与研究区平台坡度一致，则在实验条件下，水流难以将碎屑物质向前搬运，因此，设计各级平台坡度比研究区平台的坡度大，这也是国外沉积模拟实验中的通行做法2526。为了对比，对多级平台坡折基础底形进行改造，设计了3种底形的实验。（1）三级平台坡折无断裂导流实验图 3沙 12 井百口泉三段岩心特征（a）块状层理，杂基支撑，5 131.5 m；（b）块状层理，杂基支撑，长条形颗粒竖立，5 131.3 m；（c）叠置的递变层理，5 129.5 m；（d）切割冲刷，5 132.4 mFig.3Core characteristics for the Third member of the Baikouquan Formation in well Sha 12(a)matrixsupported,massive pebbly sandstone,5 131.5 m;(b)matrixsupported,massive pebbly sandstone,vertical strip grains,5 131.3 m;(c)superimposed graded bedding,5 129.5 m;and(d)cutting and scouring,5 132.4 m图 4沙 12 井百口泉三段粒度概率累计曲线Fig.4Probability cumulative grain size curve of the Third member,Baikouquan Formation in well Sha 12870第3期潘双苹等：断裂组合导流作用对扇三角洲形态的影响该实验底形上左右两侧设置两个物源（设置两个物源主要是因为实验场地有限，在实际地质条件中，如果向上游追溯，两个物源是来自一个物源），分别对应两个平行的间隔1 m的导流槽。在一级平台开始实验前，将一级平台上的导流槽填平，二三级平台上的导流槽保留（图6a）；在二级平