砂質(zhì)辮狀河沉積模式的建立①——以委內(nèi)瑞拉奧里諾科重油帶H區(qū)塊為例

陳仕臻 林承焰 任麗華 劉文婧 陳和平 黃文松

(1.中國石油大學(華東)地球科學與技術(shù)學院 山東青島 266580;2.中國石油東方地球物理勘探有限公司 河北涿州 072751;3.中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100083)

0 引言

砂質(zhì)辮狀河以其相對高的水流能量、較快的沖刷和沉積速率以及頻繁的河道遷移等特征為人們所熟知，一般形成大面積分布、看似均質(zhì)的砂巖沉積儲層，而實際上儲層內(nèi)部卻有著復(fù)雜的非均質(zhì)性［1-2］。近些年來，國內(nèi)學者針對砂質(zhì)辮狀河沉積開展了許多工作［3-6］，重點大多集中在利用密井網(wǎng)資料對心灘砂壩進行構(gòu)型方面的解剖，并且將識別精度提高到了心灘內(nèi)部垂積體和落淤層的級別，一定程度上豐富了砂質(zhì)辮狀河的現(xiàn)有研究成果。但是，人們在將研究重點集中在心灘砂壩上的同時，也不能忽略另外一種重要的辮狀河沉積單元——河道沉積，應(yīng)當把具有成因聯(lián)系的心灘和河道沉積作為一個整體加以研究。因此，本文從二者的形成與演化過程入手，采用多種分析手段重點探討了心灘砂壩及河道沉積的發(fā)育規(guī)模，最后提出適用于研究區(qū)的砂質(zhì)辮狀河沉積模式。與傳統(tǒng)的砂質(zhì)辮狀河沉積模式［7-9］相比，本文強調(diào)了辮狀河道可能存在活動河道、砂質(zhì)河道充填、廢棄河道充填三種狀態(tài)，前者與地表的流水環(huán)境相對應(yīng)，后兩者則與心灘砂壩一起構(gòu)成了砂質(zhì)辮狀河儲層的幾個主要沉積單元。

1 心灘砂壩與辮狀河道的形成、演化過程

砂質(zhì)辮狀河中的心灘砂壩與辮狀河道不斷交錯，形成互嵌式的配置格局。這種配置方式對于水流能量強弱和沉積物供給的變化非常敏感，容易導(dǎo)致新河道的不斷產(chǎn)生和舊河道的廢棄，因而辮狀河又被稱作游蕩性河流［10-11］。

對于心灘的成因，國內(nèi)學者大多強調(diào)沉積物的垂向加積和順流加積作用［12］，而根據(jù)國外學者對于辮狀河現(xiàn)代沉積的解剖發(fā)現(xiàn)，水流從心灘兩側(cè)的辮狀河道環(huán)繞經(jīng)過時，也存在著部分側(cè)積作用，在心灘邊部形成所謂的側(cè)積砂壩［13］。事實上，辮狀河道不僅能對心灘砂壩的邊緣加以改造，有時還會導(dǎo)致心灘壩體的分割與合并，單一心灘砂壩在沉積過程中可能逐漸被辮狀河道劈分成多個獨立的砂壩，多個砂壩也可能組合成一個大的復(fù)合壩體(圖1)?？傊?，心灘砂壩的形成、生長、變化過程都與辮狀河道的演化有著密不可分的關(guān)系，二者間相互影響。因此，在對心灘展開剖析的同時，加強辮狀河道成因及沉積物特征方面的研究，對于總結(jié)砂質(zhì)辮狀河的沉積模式顯得非常有必要。

圖1 心灘砂壩分裂與合并過程圖解a.心灘砂壩分裂;b.心灘砂壩合并Fig.1 Illustration of the splitting and merging processes of channel bar

按照水流的流動情況和沉積物負載差異，砂質(zhì)辮狀河中的河道可能呈現(xiàn)出三種不同的狀態(tài)。第一種稱為活動河道狀態(tài)(Active channel)，表現(xiàn)為河道暢通、水流速度較快且沉積物在水中以搬運和沖刷作用為主。此時的河道內(nèi)較難形成新的沉積，這也是人們在地表現(xiàn)代沉積中經(jīng)常容易觀察到的河道狀態(tài);第二種是砂質(zhì)河道充填狀態(tài)(Sandy channel fill)，由于河道分流或者別的原因造成水流的流速突然降低，導(dǎo)致其攜帶的沉積物超過了負載能力，沉積和充填作用逐漸變?yōu)橹鲗?dǎo)，河道內(nèi)充填下來的物質(zhì)迅速增多，但主要還是以砂質(zhì)沉積為主;第三種則是廢棄河道充填狀態(tài)(Abandoned channel fill)，河道入口或出口由于多種原因發(fā)生阻塞，形成在一段時間內(nèi)保持隔離的靜水環(huán)境。這種相對封閉的條件在后期并未受到明顯改造，最終，河道被泥質(zhì)沉積物逐漸充填，從而形成廢棄河道沉積(圖2)。

可以看出，活動河道經(jīng)常被流動的水體占據(jù)，大致相當于沉積物在水中處于一種路過而不沉積的狀態(tài);廢棄河道充填形成的泥巖沉積有時能較好地保留原始河道條帶狀的頂平底凸形態(tài)，與周圍的砂巖沉積有著明顯區(qū)別，可以作為對原始河道規(guī)模進行恢復(fù)的參考依據(jù);而砂質(zhì)河道充填形成的沉積，在成因上則與心灘砂壩有著本質(zhì)不同，沉積物主要以正粒序和沖刷面等特征區(qū)別于后者。

圖2 廢棄河道形成過程Fig.2 The formation process of abandoned channel

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)H區(qū)塊位于奧里諾科重油帶之上，是現(xiàn)今世界上重油資源最富集的地帶之一［14-15］。該區(qū)目前尚處于大規(guī)模開發(fā)前期的油藏評價階段，缺少三維地震資料覆蓋。工區(qū)內(nèi)現(xiàn)有井數(shù)較少且平均井距很大，一般介于3～4 km之間，僅局部存在著一定數(shù)量的新鉆水平井。目的層Oficina下段E油組發(fā)育一套河流相環(huán)境下的砂質(zhì)辮狀河沉積(圖3)，砂體在平面上呈大面積連片狀分布，表面看似均質(zhì)，而實際上的鉆井結(jié)果卻顯示儲層內(nèi)部具有復(fù)雜的非均質(zhì)性。譬如，某口井在目的層的錄井結(jié)果幾乎都是砂巖顯示，距離很近的另一口相臨水平井卻鉆遇到了厚層泥巖，并且該泥巖的發(fā)育規(guī)律尚不清晰，延伸方向和距離也都難以判斷，這種情況極大降低了單井的砂巖鉆遇率，導(dǎo)致后續(xù)鉆井工作中的泥巖規(guī)避面對巨大壓力。因此，現(xiàn)階段本區(qū)面臨的最重要問題是建立適合研究區(qū)的砂質(zhì)辮狀河沉積模式，并在該模式指導(dǎo)下開展后續(xù)的相關(guān)布井和鉆井工作，同時也為本區(qū)的開發(fā)方案制定提供更多依據(jù)。

圖3 研究區(qū)目的層段綜合柱狀圖Fig.3 The column section of target interval in the study area

3 辮狀河沉積單元關(guān)鍵參數(shù)研究

前人采用地震手段對地下的辮狀河進行識別［16-18］，但是本區(qū)由于缺少三維地震資料覆蓋，現(xiàn)階段尚不具備此項研究的條件。根據(jù)已有的資料情況，在對砂質(zhì)辮狀河河道的三種存在狀態(tài)有了一定了解之后，通過現(xiàn)代沉積類比和經(jīng)驗公式調(diào)研對心灘砂壩和地表有水流通過的活動河道規(guī)模進行估計，而對于地下的廢棄河道充填沉積，則利用水平井資料予以解剖。

3.1 現(xiàn)代沉積類比

在滿足與研究區(qū)具有相似沉積環(huán)境和沉積背景的前提下，利用地表豐富的現(xiàn)代沉積現(xiàn)象對砂質(zhì)辮狀河的心灘砂壩和活動河道規(guī)模進行類比。根據(jù)前人已有的認識，工區(qū)辮狀河沉積在緩坡背景、河谷兩側(cè)無明顯山地限制的條件下。為此，在保證各辮狀河河道帶規(guī)模大致處在同一數(shù)量級的前提下，通過Google Earth軟件篩選與本區(qū)沉積條件相似的Yukon River、Jamuna River、Rakaia River等數(shù)十個現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河，并對其心灘規(guī)模及河道寬度數(shù)據(jù)進行測量(圖4)，經(jīng)統(tǒng)計后可知心灘長度介于360～1 000 m之間，平均為800 m;心灘寬度介于108～600 m，平均為280 m;活動河道的寬度一般介于120～380 m，平均為220 m。

圖4 現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河心灘及活動河道規(guī)模測量Fig.4 The scale measurements of channel bar and active channel in modern sandy braided river

3.2 經(jīng)驗公式

受現(xiàn)有資料條件的限制，除了現(xiàn)代沉積類比，還可以通過經(jīng)驗公式求取心灘與河道沉積單元的相關(guān)參數(shù)。地質(zhì)學家從砂質(zhì)辮狀河多年的研究中逐漸認識到，河流的滿岸水流深度決定了沉積下來的交錯層系厚度，而前者又與沙丘高度和平均滿岸河道寬度間存在一定的統(tǒng)計關(guān)系。因此，通過對砂巖交錯層系厚度的測量，便可由經(jīng)驗公式間接求出河道寬度的大小。根據(jù)以上思路，選取目的層巖芯進行觀察，測量得出交錯層系平均厚度，它與平均沙丘高度具有如下統(tǒng)計關(guān)系［19］:

注:hm為平均沙丘高度，m;sm為砂巖交錯層系的厚度平均值，m;β為系數(shù)。

通常情況下，平均河道深度一般為沙丘高度的6～10倍。再根據(jù)Bridge等［20］總結(jié)的經(jīng)驗公式(3)，最終可以求得河流的寬度。

注:wc為平均河道寬度，m;dm為平均河道深度，m。

本區(qū)的交錯層系平均厚度為92 cm，根據(jù)上述公式可得河道深度在5.49～9.15 m之間，河道寬度介于197～199 m。

Kelly［5，21］利用 22 個現(xiàn)代辮狀河(或水槽實驗數(shù)據(jù))和34個古代露頭數(shù)據(jù)建立了砂質(zhì)辮狀河心灘砂壩寬度wb與單河道深度dm、單一心灘長度lb與其寬度wb之間的關(guān)系式:

注:wb為心灘砂壩寬度，m;lb為心灘砂壩長度，m。

利用以上公式，可以根據(jù)已有的河道相關(guān)參數(shù)推算出心灘砂壩寬度介于128～264 m，心灘砂壩長度在540～1 089 m之間。

3.3 水平井資料應(yīng)用

與直井相比，水平井橫穿儲層內(nèi)部且在平面上延伸較長，在驗證井間儲層的橫向分布范圍方面有著先天的優(yōu)勢。研究區(qū)內(nèi)局部分布有一些新鉆水平井，正好為本次水平井資料驗證提供了基礎(chǔ)。目的層砂質(zhì)辮狀河儲層主要為呈連片狀分布的砂巖沉積，其內(nèi)部也夾雜著一些泥巖，但是這些泥巖沉積的平面延展范圍和縱向上的沉積厚度都比較有限，屬于心灘內(nèi)部落淤層、壩頂串溝、壩間凹槽等規(guī)模較小的夾層成因類型［6，22-23］。實際上，研究過程中也存在鉆遇到厚層泥巖的情況，經(jīng)過多條水平井軌跡驗證后發(fā)現(xiàn)其具有一定的寬度、厚度和延伸長度，平均厚度為5.8 m，寬度在200 m左右，推測為廢棄河道充填沉積(圖5)。

圖5 水平井鉆遇廢棄河道充填泥巖及其平面顯示Fig.5 The drilling status of abandoned channel filling mudstone by horizontal wells and its aerial view

4 砂質(zhì)辮狀河沉積模式的建立

從前面的研究結(jié)果可以看出，砂質(zhì)辮狀河中的河道并不只是簡單地發(fā)育一種沉積類型，而是根據(jù)河道所處狀態(tài)的不同來決定其沉積結(jié)果。地表的活動河道狀態(tài)沉積下來的物質(zhì)較少，更多的是代表一種現(xiàn)代沉積現(xiàn)象，而砂質(zhì)河道充填及廢氣河道充填才是在地下儲層中經(jīng)常見到的河道沉積物表現(xiàn)形式。因此，除了對心灘砂壩開展必要的研究以外，河道的狀態(tài)及其沉積結(jié)果分析則是在建立辮狀河沉積模式時必須要重點加以考慮的問題。

綜上所述，通過現(xiàn)代沉積類比、經(jīng)驗公式調(diào)研、水平井資料應(yīng)用等手段對心灘砂壩與河道沉積單元的關(guān)鍵參數(shù)進行恢復(fù)，并參考前人對于辮狀河的已有認識［4-6］，建立本區(qū)的砂質(zhì)辮狀河沉積模式(圖6):心灘砂壩、砂質(zhì)河道充填、廢棄河道充填構(gòu)成了砂質(zhì)辮狀河沉積的三個主要組成單元，它們在成因、沉積作用方式、沉積物特點及幾何形態(tài)等方面都各有不同(表1)。此外，在主要單元內(nèi)部還分布有一些規(guī)模較小的落淤層、串溝、凹槽等次級組成部分，它們雖然所占比例不大，但是也在一定程度上使辮狀河儲層更加復(fù)雜化。以上所有沉積單元在三維空間中按照地質(zhì)和沉積規(guī)律相互配置，形成了砂質(zhì)辮狀河儲層“表面看似均質(zhì)，實則內(nèi)部復(fù)雜”的沉積特點。

在本區(qū)砂質(zhì)辮狀河沉積模式的指導(dǎo)下，結(jié)合水平井資料建立適用于研究區(qū)的三維地質(zhì)模型(圖7)。從圖中的廢棄河道充填沉積及泥質(zhì)夾層(落淤層、串溝、凹槽)透視結(jié)果可以看出，廢棄河道大致保留了條帶狀的河道發(fā)育特點，厚度和延伸范圍超過了周圍一般的泥質(zhì)夾層，對砂質(zhì)辮狀河儲層的非均質(zhì)性影響明顯。同時，廢棄河道充填也是鉆井過程中需要特別留意的一種沉積類型，應(yīng)盡量使鉆井軌跡沿著垂直其發(fā)育的方向伸展。將該模型與研究區(qū)的砂體及隔夾層分布預(yù)測工作相結(jié)合，取得了良好的應(yīng)用效果，對于后續(xù)開發(fā)方案的實施以及提高新井的砂巖鉆遇率具有重要意義。

5 結(jié)論

(1)砂質(zhì)辮狀河中的河道可能呈現(xiàn)出三種不同的狀態(tài)，各個狀態(tài)下的沉積特點亦不相同?；顒雍拥老喈斢诔练e物在水中處于路過而不沉積的狀態(tài)，與地表現(xiàn)代沉積中的河道相對應(yīng);廢棄河道充填形成的泥巖沉積能較好地保留原始河道頂平底凸的形態(tài)，與周圍的砂質(zhì)沉積有著明顯區(qū)別;砂質(zhì)河道充填形成的砂巖沉積在成因上與心灘砂壩存在本質(zhì)不同，它以正韻律和沖刷面等特征與后者相區(qū)別。

圖6 砂質(zhì)辮狀河沉積模式Fig.6 The depositional model of sandy braided river

表1 砂質(zhì)辮狀河各主要沉積單元特征總結(jié)Table 1 The characteristics of major sedimentary units in sandy braided river

圖7 地質(zhì)模型中的廢棄河道充填沉積和泥質(zhì)夾層透視圖Fig.7 The perspective view of abandoned channel fill and clay interlayers in the geological model

(2)結(jié)合研究區(qū)實際資料情況，通過現(xiàn)代沉積類比、經(jīng)驗公式調(diào)研、水平井資料應(yīng)用等手段對心灘砂壩和河道沉積單元的關(guān)鍵參數(shù)進行研究。分析后得出河道沉積的平均厚度在5.49～9.15 m之間，寬度介于197～199 m;心灘砂壩長度在540～1 089 m之間，寬度介于128～264 m。

(3)提出本區(qū)的砂質(zhì)辮狀河沉積模式:心灘砂壩、砂質(zhì)河道充填、廢棄河道充填構(gòu)成了砂質(zhì)辮狀河沉積的三個重要組成單元，它們按照沉積規(guī)律相互配置，形成了砂質(zhì)辮狀河儲層“表面看似均質(zhì)”的沉積特點，但實際上儲層內(nèi)部卻具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。在該模式指導(dǎo)下建立本區(qū)的三維地質(zhì)模型，對于提高井間砂體的鉆遇率和后續(xù)開發(fā)方案的落實具有重要意義。

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