河流相沉積的河型轉換特征與控制因素及其油氣地質(zhì)意義
——以南蘇丹Melut盆地Ruman地區(qū)坳陷期Jimidi組為例

陳彬滔，于興河，王磊，史忠生，馬輪，薛羅，史江龍，白潔，趙艷軍

1.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 730020

2.中國地質(zhì)大學（北京），北京 100086

3.中油國際尼羅河公司，蘇丹喀土穆 10687

0 引言

河流相沉積中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，曲流河和辮狀河砂體是國內(nèi)外眾多含油氣盆地的重要儲層類型[1-3]。長期以來，國內(nèi)外學者針對不同河型分別進行研究，建立了曲流河、辮狀河等不同河型的經(jīng)典沉積模式[4-8]，探討了基于密井網(wǎng)或露頭資料的河流相儲層構型特征[9-13]，成為油氣勘探過程中沉積相圖編制和儲層預測的重要依據(jù)[14-18]。近年來，國內(nèi)外地質(zhì)學家逐漸認識到河型存在時空轉換[19-22]，并且具有重要的油氣勘探開發(fā)意義[23-24]。就油氣勘探而言，河型時空轉換的新認識可能拓展勘探領域，同一研究區(qū)，下部層段可能為連片分布的辮狀河砂體，以構造油藏為主，但上部層段可能因河型轉換演變?yōu)闂l帶狀分布的曲流河砂體，具備巖性油藏勘探潛力。就油氣開發(fā)而言，河型時空轉換可能造成同一區(qū)塊不同小層的砂體展布和隔夾層分布不同，影響開發(fā)部署方案。

Melut盆地坳陷期Jimidi組發(fā)育厚約200 m的河流相沉積，沉積序列清晰，測井、錄井、巖芯、三維地震等資料品質(zhì)良好，為河型轉換研究奠定了基礎。以層序劃分和巖相類型、巖相組合分析為基礎，結合高分辨率儲層反演和沉積環(huán)境分析結果，揭示研究區(qū)河型轉換的規(guī)律并明確其主控因素，編制工業(yè)化圖件并應用于勘探實踐。

1 地質(zhì)概況

Melut盆地是中非剪切帶走滑背景下形成的中—新生代裂谷盆地（圖1a），該盆地位于南蘇丹境內(nèi)，面積約3.3×104km2，具四坳兩隆構造格局（圖1b）。Melut盆地的主要勘探發(fā)現(xiàn)集中于北部坳陷，目前已發(fā)現(xiàn)原油儲量約62億桶，是一個典型的富油坳陷[25]。Melut盆地的構造演化經(jīng)歷了早白堊世、晚白堊世、古近紀三幕裂陷作用，以及新近系以來的坳陷階段（圖1c）。研究目的層段新近系Jimidi組為坳陷期沉積，整體表現(xiàn)為厚層含礫中粗砂巖夾薄層棕紅色泥巖，在盆地大部分地區(qū)，總體表現(xiàn)為一套典型的河流相沉積。

圖1 南蘇丹Melut盆地Ruman地區(qū)位置及地層綜合柱狀圖（a）Melut盆地位置圖；（b）Melut盆地構造綱要圖；（c）Melut盆地地層綜合柱狀圖（據(jù)文獻[25]）Fig.1 Location and stratigraphic diagram of Ruman area,Melut Basin,South Sudan

2 層序地層劃分

基于Melut盆地的構造演化特征以及Ruman地區(qū)Jimidi組巖石組合類型、測井與錄井響應特征、地震反射特征等綜合分析，對Ruman地區(qū)Jimidi組進行了基準面旋回分析和層序劃分。

Jimidi組底部為一區(qū)域大型角度不整合面（圖2，3）：即新近系Jimidi組與下伏古近系Lau-Adar組之間呈角度不整合接觸關系，該不整合形成于距今約23 Ma，對應于古近紀與新近紀之間的斷—坳轉換面，地震剖面上見明顯地層傾角變化，不整合面之上發(fā)育下切谷，巖性上表現(xiàn)為厚層河道砂巖與下伏泥巖突變接觸，為三級層序界面。在Jimidi組內(nèi)部，首先根據(jù)粒度韻律、泥巖顏色及砂體厚度進行自旋回（短期基準面旋回）劃分，受河道遷移擺動、下切侵蝕早期沉積物的影響，短期基準面旋回以上升半旋回為主，下降半旋回保存程度不好。依據(jù)短期基準面旋回疊加樣式和轉換面標志，Jimidi組可劃分出3個中期基準面旋回（由下至上依次命名為J-III、J-II、J-I），1個長期基準面旋回（圖2，3）。

圖2 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組基準面旋回劃分與對比（沉積構造圖例見圖4）Fig.2 Base-level cycle division and correlation of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

圖3 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組井震層序格架Fig.3 Well-seismic sequence framework of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

3 沉積特征

3.1 巖相類型與巖相組合

基于Jimidi組5口探井的巖芯和井壁取芯觀察結果，識別出7種典型的巖相類型，綜合巖芯和測井數(shù)據(jù)，總結出5類典型的巖相組合（圖4）。垂向加積型巖相組合類型（M→Sp→Sh，圖4a）的巖性以中粗砂巖為主，具向上變粗韻律，近漏斗形測井相，底部沖刷現(xiàn)象不明顯。側向加積型巖相組合類型（St→Sp→M→Sp→M，圖4b）的巖性以中砂巖為主，具向上變細韻律，鐘形測井相，其典型特征在于板狀交錯層理中砂巖相之間常見薄層塊狀泥巖相。充填型巖相組合類型（Gm→St→Sh→M，圖4c）的巖性以中粗砂巖為主，具略微向上變細韻律，近箱形測井相，底部沖刷現(xiàn)象明顯。充填—廢棄型巖相組合類型（Gm→St→Fl→M，圖4d）整體呈正韻律，小型鐘形測井相，下部為活動河道期充填的砂質(zhì)沉積物，上部為廢棄河道期充填的細粒沉積物。漫溢型巖相組合類型（Sr→Fl→Sr→Fl，圖4e）表現(xiàn)為砂泥互層，指狀測井相，反映水流間歇活動的漫溢沉積特征。

圖4 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組的典型巖相組合Fig.4 Typical lithofacies association of sandy braided river deposition for Jimidi Formation,Ruman area,Melut Basin

3.2 沉積環(huán)境

綜合測井/錄井相、地震反射特征、鉆井巖芯觀察、巖相類型與巖相組合等分析結果，Melut盆地Jimidi組雖總體為河流相沉積，但可識別出兩類河型，分別為辮狀河和曲流河。

辮狀河沉積表現(xiàn)為中厚層中粗砂巖夾薄層泥巖（泥巖顏色為棕紅色—雜色），多期沖刷，沖刷面見定向排列礫石，單層砂體厚度約為5～12 m，主要巖相類型為槽狀和下截型板狀交錯層理中粗砂巖，正粒序和弱反粒序均發(fā)育；測井響應為高幅鋸齒箱形或漏斗形，地震剖面上多表現(xiàn)為U型下切，河道具有寬度大、下切深度中等、近似對稱的特點，河道內(nèi)部充填以垂向加積為主（圖5）。J-II中期基準面旋回沉積時期古地貌雖坡降相對陡，但地形總體平緩。

圖5 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組沉積時期的沉積相類型及典型特征（沉積構造圖例見圖4）Fig.5 Types and typical features of sedimentary facies for Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

曲流河沉積表現(xiàn)為中厚層中細砂與厚層泥巖互層（泥巖顏色以灰綠色泥巖為主，局部見棕色），沖刷面上見泥礫，單層砂體厚度約為5～10 m，主要巖相類型為槽狀和下切型板塊交錯層理中細砂巖，以正粒序為主；測井響應為高幅鋸齒鐘形，地震剖面上表現(xiàn)為W型下切，寬深比小于辮狀河，河道不對稱，河道內(nèi)部充填以側向加積為主。古地貌雖坡降相對緩，但地形起伏，其中J-III中期基準面旋回沉積時期受下伏區(qū)域不整合面和河道下切作用的影響，溝谷特征明顯，控制了曲流狀河道砂體的分布。

4 河型垂向演化及控制因素

4.1 河型垂向演化特征

Melut盆地Jimidi組可劃分為三個中期基準面旋回。J-III中期基準面旋回的主要巖相類型為槽狀和下切型板狀交錯層理中細砂巖，巖相組合類型以側向加積型和充填—廢棄型為主，單砂體具有典型的二元結構，平面砂體呈彎曲長條狀展布，河道曲率大，厚層砂體（邊灘）多呈透鏡狀分布于河道邊部。J-II中期基準面旋回的主要巖相類型為槽狀和下截型板狀交錯層理中粗砂巖，巖相組合類型以充填型和垂向加積型為主，單砂體多呈箱形，內(nèi)部常發(fā)于多期沖刷面，平面砂體形態(tài)復雜，具網(wǎng)狀和樹枝狀特征，厚層心灘砂體多發(fā)育于河道中部。J-I中期基準面旋回的主要巖相類型為下切型板狀交錯層理中粗砂巖，巖相組合類型以充填—廢棄型為主，單砂體具有典型的二元結構，平面砂體呈彎曲長條狀展布，但河道曲率大于J-III中期基準面旋回沉積期，邊灘規(guī)模略小，呈點狀或新月狀分布（圖6，7）?？傮w而言，從J-III中期基準面旋回到J-I中期基準面旋回，具有從曲流河到辮狀河再到曲流河的“曲—辮—曲”河型垂向演化特征。

圖6 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組連井砂體對比剖面（a）和儲層反演剖面（b）Fig.6 (a)Sandstone correlation profile,and(b)reservoir inversion profile of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

圖7 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組不同中期基準面旋回的砂體厚度圖（a）J-III中期基準面旋回；（b）J-II中期基準面旋回；（c）J-I中期基準面旋回Fig.7 Sandstone thickness maps for different mid-term base level cycles of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

4.2 河型演化控制因素

（1）構造作用 構造作用導致地形坡度變化，造就特定的古地貌背景，是河型演化的最重要控制因素。Melut盆地在古近紀與新近紀過渡期遭受構造隆升，形成了Jimidi組底大型構造不整合。受差異隆升、剝蝕以及河流下切作用的影響，此時期發(fā)育大量溝谷體系（表1、圖8），平面呈彎曲狀，此類溝谷體系控制著J-III中期基準面旋回曲流狀砂體的分布。隨著溝谷體系填平補齊，J-II中期基準面旋回時期地貌總體平坦，但地形坡度較大，西北部物源區(qū)持續(xù)隆升、物源供給強，研究區(qū)以發(fā)育辮狀河型為特征。J-I中期基準面旋回時期，地形坡度減小，轉而發(fā)育曲流河型。

表1 河型演化的控制因素分析表Table 1 Controlling factor analysis for river pattern evolution

圖8 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimid組河型演化控制因素Fig.8 Controlling factors for river pattern evolution of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

（2）基準面變化 Jimidi組沉積時期對應于長期基準面上升半旋回（圖8），由J-III中期基準面旋回至J-I中期基準面旋回，可容納空間逐步增大，河流側向遷移能力增強，決定了河流逐步向曲流河型過渡的總體趨勢。但是受前述構造作用所形成的曲流狀溝谷體系的影響，J-III沉積時期雖可容納空間小，但仍主要發(fā)育溝谷控制的曲流河型。待J-II沉積時期溝谷填平補齊之后，主要受基準面變化的影響，轉換為辮狀河型。J-I中期基準面處于長期基準面上升半旋回末期，可容納空間最大，河流側向遷移能力最強，為典型的受長期基準面旋回變化控制的曲流河型。

（3）沉積物供給 沉積物供給屬于河型轉換的內(nèi)在影響因素，主要表現(xiàn)在供給量是否充沛以及物源距離。J-III至J-I沉積時期，研究區(qū)距物源區(qū)距離變化不大，均為約35 km；但是物源供給量卻存在巨大差異。J-III和J-II沉積時期，西北部物源區(qū)仍屬于高隆地貌，地形坡度大，氣候干燥炎熱，植被稀少，風化作用強，物源供給量大。J-I沉積時期，地形坡度減小，物源供給量減小，河型轉換為以曲流河型為主。

（4）氣候條件 氣候條件屬于河型轉換的宏觀控制因素，泥巖顏色指數(shù)和孢粉分析結果顯示，J-III和J-II沉積時期為干旱炎熱氣候條件，孢粉組合以被子植物孢粉為主，包括花粉合溝型孢屬、山欖粉屬、山龍眼粉屬、疣面單縫孢屬，此時期植被稀少，河岸抗沖刷能力弱，河道不穩(wěn)定，頻繁遷移改道，更易發(fā)育不穩(wěn)定河型。J-I沉積時期轉為溫暖潮濕氣候條件，孢粉組合以蕨類植物孢粉為主，包括三角孢屬、光面單縫孢屬、水龍骨單縫孢屬，河岸抗沖刷能力強，河道穩(wěn)定型增強，更易發(fā)育穩(wěn)定的曲流河型。此外，氣候條件還間接影響物源供給和湖平面變化，從而控制河型演化。

J-III到J-I中期基準面旋回所具有“曲—辮—曲”河型垂向演化特征受控于構造作用、基準面變化、沉積物供給、氣候條件四大因素。其中構造作用是核心控制因素，不僅直接控制著J-III曲流河型的發(fā)育，還控制著地形坡度，影響著從J-II到J-I的辮—曲河型轉換。基準面變化是重要控制因素，決定了河型演化的總體趨勢。沉積物供給和氣候條件分別屬于內(nèi)在因素和宏觀因素。四種因素疊加作用，造就了Jimidi組別具特色的“曲—辮—曲”河型垂向演化特征。

5 油氣地質(zhì)意義

Ruman地區(qū)Jimidi組“曲—辮—曲”河型垂向演化造成不同層段的儲層物性、連通性、油藏類型存在差異，拓展了勘探領域，從以往單純的構造油藏勘探延伸至構造—巖性油藏勘探。

J-III中期基準面旋回以溝谷地貌控制下的曲流河砂體為特征，單砂體厚度5～10 m，孔隙度18%～24%，砂體橫向連通性一般，存在近連續(xù)分布的北西—南東向河漫灘相對低孔封隔帶。J-II中期基準面旋回轉換為辮狀河型，單砂體厚度5～12 m，孔隙度22%～28%，多套厚層砂體橫向連通，不存在連續(xù)分布的北西—南東向河漫灘封隔帶。J-I中期基準面旋回再次轉換為曲流河型，單砂體厚度5～8 m，孔隙度18%～22%，砂體呈條帶狀展布，發(fā)育多套北西—南東向河漫灘相對低孔封隔帶（圖9）。

圖9 Melut盆地Ruman地區(qū)Jimid組油藏剖面Fig.9 Oil accumulation profile of Jimidi Formation in Ruman area,Melut Basin

已知油藏解剖及稠油油藏成藏規(guī)律調(diào)研結果顯示，稠油油藏多以構造—巖性油藏為主，相對低孔封隔帶控制構造—巖性圈閉的邊界，高孔砂巖控制稠油油藏富集。以Ruman地區(qū)Jimidi組“曲—辮—曲”河型垂向轉換和高孔砂巖（孔隙度≥18%）控制稠油油藏分布的地質(zhì)認識為指導，基于砂體展布與頂面構造的疊加分析結果，論證認為J-III和J-I中期基準面旋回為構造背景與河漫灘相對低孔封隔帶綜合控制的構造—巖性油藏，J-II中期基準面旋回因不發(fā)育北西—南東走向的相對低孔封隔帶，單純發(fā)育構造油藏。依據(jù)該思路在構造下傾方向部署了RL-1井，在J-III和J-I中期基準面旋回的構造圈閉溢出點之外獲工業(yè)油流，J-II中期基準面旋回無發(fā)現(xiàn)（圖9），驗證了部署思路的正確性并說明了河型轉換分析在油氣勘探部署中的重要性。

6 結論

（1）湖盆坳陷期Jimidi組發(fā)育垂向加積型、側向加積型、充填型、充填—廢棄型、漫溢型等5類典型巖相組合，可識別出辮狀河和曲流河兩類河型。

（2）Jimidi組由下至上具有從曲流河到辮狀河再到曲流河的“曲—辮—曲”河型垂向演化特征，其主控因素為構造作用所造就的古地貌背景和整體基準面上升的大趨勢。

（3）“曲—辮—曲”河型轉換造成不同層段的儲層物性、連通性、油藏類型存在差異，拓展了勘探領域，從以往單純的構造油藏勘探延伸至構造—巖性油藏勘探，并獲得勘探突破。

致謝 感謝文章評審過程中審稿專家和編輯部老師提出的寶貴意見及建議！