随着全球化石能源消费的不断增长,常规砂岩与碳酸盐岩大中型油气田的勘探举步维艰,砂砾岩这种粗粒沉积的特殊油气藏再次走进勘探家的视野。近年来,中国砂砾岩储集层展现出巨大的油气潜力,尤其是新疆准噶尔盆地玛湖大型砾岩油藏的发现,亟待开展针对性的研究。作者梳理了全球粗粒沉积研究的发展历程,将其划分为: 概念形成的萌芽(1885—1947)、成因分析的快速发展(1948—1987)以及理论形成的工业应用(1988至今)3个主要阶段,每个阶段均表现为科学家对粗粒沉积的热点与瓶颈问题进行了聚焦分析与探讨,由实际现象或油气田的发现引发出问题,开展成因探讨,形成理论后再指导实践的科学发展过程。综合每个阶段的研究主题以及代表性文章和事件,并结合作者长期研究过程中的思考,提出了当前粗粒沉积所面临的关键性热点问题与今后研究方向的建议,主要包括: 古地形特征与坡度、沉积成因机制、相带与微相划分、水槽模拟实验、砾岩成岩作用、测井解释瓶颈、地震处理与解释以及定量地质知识库建立的需求等。

微生物岩的原始定义指底栖微生物主导形成的沉积体或岩石体。笔者对该概念进行了扩充,认为微生物岩除了包括叠层石、凝块石、纹层石、核形石、均一石之外,还应该包括微生物骨架岩、微生物粘结岩、非钙化浮游或漂浮微生物形成的模铸岩、矿化浮游或漂浮微生物形成的颗粒岩和泥粒岩。P-T界线地层微生物岩的特征是具有由较粗矿物晶体(主要是方解石,其次是白云石)组成的斑点状、树枝状、网状结构的灰岩。这3种结构分别称为斑点状体、树枝状体、网状体,在露头上呈暗色,在薄片中呈浅色,一般由无定形的亮晶充填体和其间的微亮晶组成。亮晶充填体是指无定形的孔洞被不同成岩期形成的矿物充填形成的结构体,因成岩作用各异,造成不同层位、不同地点的亮晶充填体内部的矿物类型和充填顺序存在差异;所有的亮晶充填体都不具有壁,故不是钙化化石。通过形态、大小和生态比较,以及形成演化分析,认为亮晶充填体的前身是漂浮蓝细菌微囊菌,胶鞘是微囊菌形成模铸化石的关键因素。亮晶充填体是表层水漂浮生活的微囊菌沉入海底后,被泥晶沉积物掩埋或者被早期海底胶结物胶结,在泥晶沉积物半固结或固结之后腐烂留下的孔洞被后期成岩作用形成的矿物充填形成的。P-T界线地层微生物岩段顶部遭受成岩作用程度高,树枝状体和网状体中的亮晶充填体的轮廓基本都被破坏,变成微亮晶和亮晶,以前被学者解释为凝块石;但斑点状体、树枝状体、网状体是成岩流体沿着亮晶充填体或其他化石丰富的地方运移形成较粗的晶体而造成的,并不符合凝块石的定义。同时,少数学者把树枝状体本身当成底栖生物,也是没有充分认识树枝状体的矿物组成而做的解释。该微生物岩段含有钙化的小球状化石和同心层状化石,但它们不是组成微生物岩的主体。

本次研究在柴达木盆地旺尕秀地区上侏罗统红水沟组上覆地层中,首次发现了风成沉积。地层主体为一套棕黄色细—中砂岩,由分选、磨圆好的石英砂组成;扫描电镜下可见风成砂特有的碟形撞击坑和新月形撞击坑等特征;层内普遍发育风成大型高角度板状交错层理,层系厚度巨大,风成沙丘前积层特征明显;发育液化作用产生的牵引褶曲、倒转褶曲等常见的风成沙丘同沉积变形构造。根据岩性和沉积构造特征共在地层中识别出4种沉积亚相: 沙丘亚相、丘间亚相、旱谷亚相和沙漠湖亚相,其中沙丘亚相以风成大型交错层理为显著特征,丘间、旱谷和沙漠湖亚相则以水成沉积为主。风成砂沉积的存在丰富了柴达木盆地中生代的沉积类型,为区域地层对比及西北地区晚中生代古气候和古环境研究提供了新的证据和材料。

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组为大型拗陷湖盆沉积,长10油层组为延长组初始期沉积物。但其物源特征、沉积体系划分、沉积相类型等基础问题尚不清楚,严重制约了全盆地长10油层组的勘探发现。针对这些问题,作者采用了轻重矿物、锆石测年等分析方法,明确了长10油层组主要发育东北、西北、西南三大物源,根据物源特征沉积体系划分为东北、西北和西南沉积体系。综合野外露头、岩心、钻井、测井等资料揭示了长10主要发育河流—三角洲沉积,其中,西北沉积体系主要发育辫状河沉积,东北沉积体系发育曲河流—三角洲沉积,西南沉积体系发育辫状河—三角洲沉积,沉积中心位于太白—宜君一带,为浅湖相沉积。

在岩心观察的基础上,结合录井及多种分析化验资料,对吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组沉积相标志、物源方向、沉积相展布及沉积模式进行研究。结果表明,梧桐沟组沉积时期,鲁克沁地区湖盆经历了由断陷湖盆向坳陷湖盆转换的过程。梧桐沟组一段沉积时期,研究区东西两侧发育水下扇沉积,扇中水道形成多期叠置的厚层泥质砂砾岩沉积,砂砾岩分布面积大,物性较差。梧桐沟组二段和三段沉积时期,湖盆水体变浅,湖岸坡度变缓,研究区东西两侧发育扇三角洲沉积,前缘水下分流河道形成了几套厚10~15 m的砂砾岩沉积,分选性好于水下扇形成的砂砾岩,物性相对较好。相比较而言,扇三角前缘水下分流河道砂体和水下扇砂体顶部的含砾砂岩是较好的储集体。该研究成果将对鲁克沁稠油聚集带储集层预测及区带优选具有指导意义。

川西南荥经坳陷开展了多口页岩气调查井及参数井(CYY1,YD1和YD2)的钻探。通过大量岩心观察和沉积构造特征分析,在中下奥陶统识别出大量软沉积变形构造及脆性变形构造,包括重荷模、火焰构造、球—枕构造等负载相关构造,液化砂岩脉、液化泥砾等液化构造,以及布丁构造、卷曲变形、震裂缝、震裂角砾、同沉积断层等,具有典型地震导致的同生及准同生构造变形特征。记录显示至少发生了2次地震事件,并引发海啸以及多次余震。该区震积岩的发现表明早中奥陶世曾发生明显的构造活动,是加里东早期都匀运动一次构造运动幕的响应,这对川中隆起具有重要意义。构造运动导致荥经坳陷周缘断裂活动并引发地震。地震对沉积地层的改造极大地改善了研究区油气储集层条件,更利于油气的运移。

作为当今油气勘探开发的重要目标,海底水道的沉积构型样式复杂多变,其控制因素目前尚无定论,这大大增加了相关油气藏的钻探风险和开发难度。以尼日尔三角洲盆地陆坡区为例,以近海底高频地震信息为原型,揭示了海底水道体系的外部形态样式和内部结构样式,探究了水道体系与复合水道形态特征参数间的相互关系,分析了海底水道体系沉积构型控制因素。研究认为: (1)水道体系可分为限制性、半限制性和非限制性3个大类,限制性水道体系的边界为一明显的大型下切谷界面(或峡谷),半限制性水道体系的边界也发育明显的大型下切谷,但其界面两侧发育大型天然堤沉积,非限制性水道体系则不发育大型下切谷,其中每个大类又可依据其内部复合水道的类型,细分为2个小类(下切式和包络式)。(2)水道体系内部复合水道间存在垂向和侧向2种类型的叠置,前者可细分为孤立式、叠加式和切叠式3类,后者则包括叠合式和分离式2类。(3)地形坡度与水道体系类型和规模具有一定的耦合与关联,在类似油藏规模的局部沉积体内部,陡坡段(坡度大于1°)主要发育限制性水道体系,缓坡段(坡度0.5°~1°)主要发育半限制性水道体系,平坦段(坡度小于0.5°)主要发育非限制性水道体系;随着地形坡度的增大,水道体系的宽度减小、深度增加、宽深比减小,即向“窄深型”形态发展。该项研究不仅对深水沉积学的发展具有较大的理论意义,而且对高效开发海底水道油气藏具有重要的实际意义。

针对珠江口盆地中新统珠江组强制海退体系域沉积层序特征认识不足、层序归属不合理等问题,综合利用高分辨率三维地震、岩心和测井数据,采用层序地层学、地震沉积学和石油地质学的相关理论和分析方法,在对强制海退形成机理进行分析的基础上对该体系域的沉积层序特征、演化模式和有利砂体分布进行了探讨分析,指出该体系域顶界面具有明显的顶超侵蚀特征,应归属于SQ1层序的最后一个体系域,并总结了该体系域的沉积层序演化模式。结果表明: 强制海退体系域具有退覆式的高角度斜交型前积反射结构,表现为陆架边缘三角洲的沉积特征,钻测井资料显示为多个具反旋回的前三角洲泥、远砂坝、河口砂坝与水下分流河道的组合沉积;强制海退体系域钻井岩心中发育陆坡区常见的生物扰动、泥质条带变形和滑塌、滑动现象,其前端下倾方向发育具强振幅反射结构的浊积扇沉积;强制海退体系域有利储集砂体位于该体系域顶界面和底界面附近,分别为陆架边缘三角洲前缘砂体和浊积扇砂体,是实现岩性油气藏勘探突破的重要方向。

以柴达木盆地英西地区古近系下干柴沟组上段(E_2-3xg²)为例,基于岩心、薄片、扫描电镜、测录井、X衍射及物性分析,探讨湖平面升降对混积型碳酸盐储集层形成及其分布的控制。英西地区E_2-3xg²整体为咸化背景下的湖相混合沉积,内部由多种结构类型的湖平面升降沉积旋回在纵向叠置而成,并伴随岩石结构产状及矿物组分的周期性变化。区内储集层类型多样,以混积型碳酸盐岩为主,各类储集层的纵向演化及物性分布与单个湖平面升降旋回具有良好的耦合关系,自下而上构成原生晶间微孔—溶扩晶间微孔—充填残余溶孔的孔隙组合,储集层物性具有向上变好的趋势。各类储集层的形成机理与空间分布受湖平面升降旋回控制,白云石晶间微孔型储集层形成于湖退早—中期,与准同生白云石化作用相关,物性一般,分布广泛;溶扩晶间微孔型和溶孔型储集层形成于湖退晚期,与地貌高部位的短暂暴露溶蚀相关,储渗性能优异,局部发育。

黔东铜仁地区寒武系清虚洞组和娄山关组中分布有多处热液白云岩,其形态包括块状、透镜状、角砾状等。通过露头及薄片观察、流体包裹体温度测定、稀土元素和锶同位素分析,笔者探讨了研究区不同类型热液白云岩的形成机制、热液性质与来源及其与铅锌成矿作用的关系。结果表明: (1)热液白云岩由中粗晶—巨晶鞍状白云石组成,形成温度为96~223 ℃,平均为155.86 ℃;盐度为8.28~16.15 wt% NaCl,平均为12.30wt% NaCl;具有轻稀土富集和Ce负异常特征,LREE/HREE为16.51,δCe为0.79, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr为0.708662。(2)块状和透镜状热液白云岩形成于交代作用较完全的环境,角砾状热液白云岩可能形成于水力破裂作用;白云石化流体可能来自包括震旦系碳酸盐岩在内的下伏地层,断层和裂缝为其运移通道。(3)白云石化流体与区域铅锌成矿流体温度、盐度和地球化学特征相近,来源相同或相似;热液白云岩中含有少量成矿物质,应形成于铅锌主成矿期前后。

对晚第四纪钱塘江下切河谷内SE2孔沉积物重矿物和稀土—微量元素进行系统分析,并与邻区长江沉积物相应特征进行对比。结果显示: (1)晚第四纪钱塘江下切河谷充填物中河床(U5)、河漫滩(U4)和古河口湾(U3)沉积物的重矿物组合为赤褐铁矿—磁铁矿—锆石—白钛石—锐钛矿;微量元素中的铁族元素、大离子亲石元素和高场强元素与平均大陆上地壳(UCC)相近,且大离子亲石元素和大部分高场强元素与北美页岩(NASC)相近,在Th/Co-Cr/Th投点图中靠近钱塘江物源区,远离现代长江沉积物投点区;稀土元素球粒陨石和NASC标准化曲线与钱塘江沉积物特征相似,不同于现代长江沉积物。(2)近岸浅海(U2)和现代河口湾(U1)沉积物的重矿物组合为绿帘石—辉石—角闪石—石榴石—榍石—金红石—电气石;微量元素具有与UCC较为相近或富集的铁族元素,大离子亲石元素和高场强元素相对亏损,且与NASC相比,铁族和高场强元素明显亏损,大离子亲石元素亏损较弱,在Th/Co-Cr/Th投点图中主要落于长江和钱塘江来源沉积物之间;稀土元素在球粒陨石和NASC标准化曲线中,配分模式与现代长江沉积物极为相似。(3)U5、U4和U3单元具有与U1和U2单元不同的沉积物来源: 前者母岩主要为长英质中酸性火成岩,为古钱塘江提供; 而后者沉积物主要来源于中基性物源区,由长江提供,同时上游钱塘江也提供了部分沉积物。可见,长江沉积物自近岸浅海沉积时期开始大量进入到钱塘江下切河谷内,为钱塘江下切河谷的沉积环境演化提供了重要物质基础。

文中报道了天津市北部燕山山前地带共4个高岩心采取率钻孔的沉积学、地层学、年代学和微体古生物综合研究。420个热退磁样品的磁倾角曲线显示,具147 m厚松散地层的标准孔Z3孔下部地层属于2.58 Ma的松山(Matuyama)极性带。随着地壳沉降,只是从早更新世,冲积扇侧缘泥质沉积物才开始充填了底砾岩层之上的沉积空间,形成广义的山前盆地中的泛滥平原;与传统上视为上新统特征沉积的红棕色黏土类似的亮黄橙—黄橙色—亮红棕色黏土,延续出现到早更新世中期,当时区域沉降中心位于距离山前断裂不足4 km处。0.78 Ma以来的布容(Brunhes)极性带厚57.8 m。谨慎地依据120 ka的布莱克(Blake)亚时确定上更新统后,可见中更新统大部缺失,与天津市区沧县隆起和北京永定河冲积平原南部所见此时的地层间断十分相近。3个钻孔的7个¹⁴C测年数据证实,距离山前断裂不足2 km的钻孔45 ka以来的地层最厚达41 m;显示自MIS3初始期,沉降中心向北迁移更靠近山前断裂,且在构造断裂作用下形成了新的狭义的山前盆地。研究区可见15 ka富有机质黏土及上覆泥炭,表明末次冰消期开始的气候转暖首先影响到华北平原山前地区。此项工作为研究晚新生代以来“源到汇”过程中渤海湾西岸的沉降提供了一个基准点。

针对野外露头地质知识库数据获取方法存在的不足,利用无人机倾斜摄影的敏捷、全局性视角及定量化程度高的特点,对山西吕梁市坪头乡剖面野外露头数据进行了采集、处理与地质解释,建立了野外露头区地质知识库,并以此为基础建立了典型区块野外露头内部三维地质模型。研究表明: (1)无人机倾斜摄影采集处理后数据模型具有三维坐标(经度、纬度和海拔)及对应的图像信息,可以准确定位并测量任意位置点坐标,为建立精准的地质知识库奠定了良好的基础;(2)对露头区储集层骨架与地质统计学参数进行了统计,建立了典型露头区地质知识库,主要包括储集层成因、砂体连续性与规模、砂体数量与相对比例、砂体几何形态和变差函数等参数;(3)在虚拟井位设置、岩性标定和储集层地质知识库的指导下,利用地质统计学变差函数的方法,建立了典型露头区三维地层-构造模型和2套岩性模型,模型与地质认识较为一致。