遼河西部凹陷曙北地區(qū)沙四段薄砂層成因類型及分布規(guī)律

宋 兵，王 波，劉興周，劉少治，陳希光，盧文忠

1.中國石油杭州地質(zhì)研究院，浙江 杭州310023；2.中國石油遼河油田公司 勘探開發(fā)研究院，遼寧 盤錦124010

0 引言

近年來，隨著油氣勘探程度的不斷提高，國內(nèi)大多數(shù)盆地工作重心逐步向巖性地層油氣藏轉(zhuǎn)移，已陸續(xù)開展薄砂層的預(yù)測及油氣勘探［1-9］，特別是東部斷陷盆地，勘探程度較高，薄層砂體日益受到人們的重視.這類砂體一般厚度只有半米至幾米，橫向變化快，非均質(zhì)性強，常與泥巖形成薄互層，預(yù)測難度大；但在地層中大多被優(yōu)質(zhì)烴源巖所包裹，有得天獨厚的油氣源優(yōu)勢，油氣一次運移就可成藏，還伴有超壓.勘探生產(chǎn)表明這類砂體油氣顯示以及生產(chǎn)效果都較好，因此潛力較大.同時，受“灘壩”研究熱潮的影響［10-14］，很多學(xué)者將薄砂層等同于灘壩砂體，進而影響對薄砂層的深入認(rèn)識和下一步勘探部署.

遼河西部凹陷曙北地區(qū)沙河街組四段大面積發(fā)育薄砂層（以沙四上亞段為例，地層厚度一般105～190 m，平均165 m；單砂層厚度一般1～6 m，平均1.8 m；累計砂巖厚度一般5～30 m，平均約23 m），鉆井都見很好的油氣顯示，特別是SHG155井和SH134井已見到了工業(yè)油流，而且生產(chǎn)效果好，展現(xiàn)出很好的勘探前景.前人研究［15-16］認(rèn)為，該區(qū)沙四段為辮狀河三角洲－湖泊沉積體系，薄砂層為灘壩沉積，與西部凹陷中南部（沙四段主儲量區(qū)）扇三角洲水下分流河道砂體的傳統(tǒng)認(rèn)識相矛盾.該區(qū)的薄砂層類型仍然不明確，這將直接影響薄砂層的分布預(yù)測及下一步的勘探部署工作.本文通過巖心、鉆測井及分析測試資料，對研究區(qū)沙四段薄砂層成因類型及典型特征開展研究，同時預(yù)測沙四段各砂層組的沉積展布特征，分析薄砂層分布的主控因素，歸納總結(jié)薄砂層沉積模式，以期為該區(qū)下一步勘探部署提供依據(jù).

1 地質(zhì)概況

遼河西部凹陷位于渤海灣盆地遼河斷陷的西南部，為中國東部典型的東斷西超式斷陷型富油氣凹陷，在平面上可劃分為9個構(gòu)造單元［17］（圖1a）.曙北地區(qū)包含其中的西部緩坡區(qū)中段以及盤山－陳家洼陷部分區(qū)域（圖1b），是在斜坡背景上發(fā)育的一個北東走向、南東傾向的單斜構(gòu)造，面積約200 km2.區(qū)內(nèi)斷裂體系發(fā)育，主要表現(xiàn)為多條北東走向、南東傾向的正斷裂，使得研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜化.曙北地區(qū)基底由太古宇（Ar）和部分中新元古界（Pt2－3）構(gòu)成，新生界自下而上依次發(fā)育古近系房身泡組（Ef）、沙河街組（Es）、東營組（Ed），新近系館陶組（Ng）和明化鎮(zhèn)組（Nm），并被第四系（Q）沉積覆蓋.目前發(fā)現(xiàn)太古宇、元古宇、沙河街組等多套含油層系.區(qū)內(nèi)已建成曙光油田，東北部為雷家碳酸鹽巖油田，西南部為杜家臺油田，表明研究區(qū)油氣資源豐富.沙河街組四段（Es4）為一個完整三級層序，與下伏房身泡組為假整合至不整合接觸，其沉積物是湖盆擴展發(fā)育時期形成的，泥頁巖分布很廣泛［18］，整體巖性為巨厚的暗色泥頁巖（厚度200～300 m）夾少量薄層砂巖（單層厚度一般1～6 m）、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、鮞灰?guī)r等，自下而上分為兩個油層，下部高升油層發(fā)育薄層油頁巖、泥灰?guī)r夾薄層砂巖，上部杜家臺油層段主要為砂巖、粉砂巖與泥巖間互.在油層組基礎(chǔ)上依據(jù)沉積旋回，本研究共精細(xì)劃分了5個砂層組，分別是杜家臺油層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂組和高升油層Ⅰ、Ⅱ砂組（圖1c）.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic map and comprehensive column of the study area

2 薄砂層成因類型及特征

研究區(qū)沙四段垂向上具有厚泥薄砂的特征，如曙134井杜家臺油層，地層厚度196.5 m，累計砂厚31.5 m，砂地比16%；單砂層厚度1～5 m，共14層，平均2.25 m/層，而且這些薄砂體橫向變化快，非均質(zhì)性強.根據(jù)巖心觀察、巖石成分、結(jié)構(gòu)、沉積構(gòu)造特征，結(jié)合巖電組合特征以及沉積背景分析，在研究區(qū)共識別了扇三角洲和湖泊2個主要的沉積體系.砂體成因類型主要有扇三角洲前緣的水下分支流河道、河口壩，以及濱淺湖中的低隆灘壩和沿岸淺灘，共4類.各類砂體由于沉積環(huán)境、水動力條件不同，其巖性、層理構(gòu)造、垂向序列、測井曲線及地震響應(yīng)特征也各不相同（圖2）.

2.1 水下分流河道

研究區(qū)水下分流河道砂體較發(fā)育，由于搬運距離較遠(yuǎn)，主要為前緣遠(yuǎn)端型.巖性以中—細(xì)砂巖為主，少量粗砂巖和粉砂巖，中—薄層狀，單層厚度一般為4～8 m，疊加厚度最大可達(dá)20～40 m，砂泥巖分異較好.由于主要位于前緣遠(yuǎn)端，水動力大幅減弱，在巖心上，水道底部的沖刷面發(fā)育不明顯，整體上礫石很少見，但反映牽引流的交錯和平行層理較發(fā)育.單期水道一般下部發(fā)育交錯層理中—細(xì)砂巖，向上漸變?yōu)槠叫袑永矸奂?xì)砂巖、波紋層理泥質(zhì)粉砂巖，頂部殘留部分灰色、深灰色水平—韻律層理泥巖和粉砂質(zhì)泥巖.縱向上常見多個正粒序水道疊置.測井曲線為中高幅鐘形、齒化箱形曲線組合.齒中線水平，近底部下傾，上部細(xì)齒增多，內(nèi)收斂.底部大多見突變特征，如圖2中SH602井測井曲線－1的2212～2219 m井段.鐘形反映了一期完整的水流勢能由強變?nèi)醯倪^程，箱形反映厚度較大的多期疊加層序［19］.地震上主要呈中強振幅、較連續(xù)型反射，具前積或退積反射特征，如圖2中過SHG154井地震剖面虛線內(nèi)（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

2.2 河口壩

研究區(qū)巖心上觀察到較少，主要由于水下分流河道頻繁改道，河口壩砂體很難保留下來.巖性比水下分流河道略細(xì)，以粉—細(xì)砂巖為主，垂向組合多為反韻律，也可見復(fù)合韻律，單韻律層厚度一般僅為0.2～0.5 m.河口砂壩的層理構(gòu)造與水下分流河道不同，幾乎不見沖刷面，主要發(fā)育水平層理及小型交錯層理.自然電位和電阻率曲線呈中高幅漏斗狀，如圖2中SH602井測井曲線－2的2229.5～2231 m井段.地震相則表現(xiàn)為中弱振幅，斷續(xù)、疊瓦狀反射特征，如圖2中過SH131井地震剖面虛線內(nèi)（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

圖2 曙北地區(qū)沙四段薄砂層成因類型及特征Fig.2 Genetic types and characteristics of E s4 thin sand layers in Shubei area

2.3 低隆灘壩

根據(jù)灘壩砂體的發(fā)育位置和水動力條件，將研究區(qū)灘壩劃分為兩類.一類是位于斜坡背景之上局部隆起頂部及周邊，由浪控湖流作用形成的低隆灘壩；另一類是位于湖盆邊緣扇三角洲兩側(cè)，由沿岸流和浪控湖流共同作用形成的沿岸淺灘.在曙北地區(qū)，主要發(fā)育低隆灘壩，分布在低隆的頂部及周圍，沉積物以細(xì)砂巖、粉砂巖為主，薄層狀，單層厚度一般2～5 m，分選、磨圓相對較好，雜基含量相對較低.巖心上具波紋層理、雙向交錯層理，反映了波浪作用和雙向湖浪改造作用，正反粒序都可見，縱向上與泥巖突變接觸.測井曲線以指狀、尖峰狀為主，局部相對厚層時可呈扁箱狀或為齒化鐘形或漏斗形，如圖2中SH118井測井曲線的3280～3300 m井段.地震反射特征主要為中弱振幅、中等連續(xù)狀，如圖2中過SH107井地震剖面虛線內(nèi)（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

2.4 沿岸淺灘

由于研究區(qū)西側(cè)遭受過較大的抬升被剝蝕，此類砂體保存較少.巖性主要為灰綠和灰黃色砂泥巖的薄互層，見低角度交錯層理，反映水上水下交替、垂向水流和斜向沿岸流共同作用的結(jié)果.除了灰綠、灰黃互層之外，局部油層呈褐灰色.測井曲線以指狀、尖峰狀為主，局部弱齒化鐘形，如圖2中SH23井測井曲線的1266.5～1270.5 m井段.地震相沒有明顯的反射，表現(xiàn)為弱—空白反射特征，如圖2中過SH23井地震剖面虛線內(nèi)（杜Ⅲ砂組）的地震反射.

3 薄砂層分布規(guī)律

3.1 薄砂層分布特征

薄砂層分布在縱橫向上都有一定的規(guī)律性.隨著基準(zhǔn)面上升，扇三角洲前緣砂體退積，灘壩砂體規(guī)?？s?。▓D3）.

圖3 曙北地區(qū)沙四段各砂層組沉積相圖Fig.3 Sedimentary facies maps of E s4 sand layers in Shubei area

高升時期，西部凹陷開始裂陷，在一系列北東走向斷層作用下，斷塊旋轉(zhuǎn)傾斜形成多個露出水面的“孤島”，主要有東側(cè)的曙光古潛山和西側(cè)的興隆臺古潛山（見圖3d、e）.此時氣候干燥，物源供給較少，西側(cè)發(fā)育多個小型扇三角洲前緣朵體，“孤島”在面向有物源供給的扇三角洲一側(cè)發(fā)育多個低隆灘壩砂體，扇間沿岸發(fā)育淺灘砂體.高Ⅱ時期，南部發(fā)育延伸較遠(yuǎn)的扇三角洲前緣分支水道朵體，北側(cè)扇三角洲朵體延伸較短，在出露區(qū)向物源供給方向分別發(fā)育2個長軸為北東向的低隆灘壩砂體，向雷家地區(qū)逐漸過渡為灰/云坪沉積，在湖岸扇間發(fā)育沿岸淺灘砂體（圖3e）.高Ⅰ時期，水體略有加深，扇三角洲繼承性發(fā)育，出露區(qū)規(guī)模變小，灘壩砂體、灰/云坪規(guī)模同樣變?。▓D3d）.隨著凹陷持續(xù)下沉，水體加深，“孤島”也逐漸沒入水下，高升末期，已基本填平補齊，形成較平整的沉積底面.

杜家臺時期，受前期填平補齊影響，整體地勢更加平緩，原潛山區(qū)由于斷層繼續(xù)活動變?yōu)樗碌吐^(qū).此時氣候變得干燥，物源供給較大，南部曙光扇三角洲向南東方向延伸更遠(yuǎn)，低隆區(qū)發(fā)育灘壩砂體和少量灰/云坪沉積，北部以灰/云坪沉積為主.杜Ⅲ時期，初始裂陷趨于穩(wěn)定，西部斜坡物源供給加強，曙光扇三角洲前緣水道砂體連片分布，向東推進到興隆臺潛山附近，前端發(fā)育河口壩砂體；高升期“孤島”此時變?yōu)樗碌吐〗邮艹练e，發(fā)育大面積灘壩砂體，低隆頂部物源供給不足處形成泥灘，在水下低隆向雷家延伸方向發(fā)育連片灰/云坪；西側(cè)高部位緊鄰扇三角洲沿岸線狀發(fā)育淺灘砂體沉積（圖3c）.杜Ⅱ時期，隨著水體變深，南部扇三角洲前緣砂體雖然還是大面積分布，但灘壩砂體和灰/云坪規(guī)模都有所變小（圖3b）.杜Ⅰ期，隨著斷陷活動繼續(xù)加強，可容納空間遠(yuǎn)大于物源供給，南部扇三角洲前緣砂體急劇萎縮，灰/云坪較發(fā)育，灘壩砂體范圍南遷，規(guī)模變?。▓D3a）.總體來看，由下至上扇三角洲及灘壩砂體的范圍逐漸縮小.

曙北地區(qū)油氣勘探已證實，沙四段扇三角洲前緣水下分流河道及低隆灘壩砂體為重要儲集體.中南側(cè)儲層最為發(fā)育，連通性好，特別是杜Ⅲ和杜Ⅱ砂組儲量區(qū)塊多，向北儲層相對減少，同時受泥質(zhì)和碳酸鹽含量的影響，含油性整體變差.高Ⅱ、高Ⅰ和杜Ⅰ期儲層不太發(fā)育，單層厚度很薄，連通性差，油氣顯示也較少.整體的油氣顯示特征與砂體的平面和縱向演化相符.從目前勘探成果來看，已上報的儲量區(qū)主要分布在扇三角洲前緣砂體內(nèi)，少量為灘壩砂體.在儲量區(qū)之外，分布最廣泛的儲集砂體是低隆灘壩，杜Ⅲ時期的SH107－SH112井區(qū)，杜Ⅱ時期SH134東南井區(qū)、SHG155－SHG84井區(qū)，以及高Ⅱ時期的SHG111－SHG84井區(qū)等灘壩有利發(fā)育區(qū)是下一步重點勘探對象.另外，儲量區(qū)外還有小型扇三角洲發(fā)育，如SH74東井區(qū)繼承性發(fā)育的扇三角洲前緣砂體也可以作為備選勘探對象.

3.2 薄砂層分布控制因素

3.2.1 古地貌

古地貌控制盆地水動力條件以及儲集砂體的發(fā)育和展布.西部凹陷長約110 km、寬為12～30 km，呈窄湖面、長岸線、北東走向的狹長型.沙四段初始裂陷期，沉積前古地貌整體表現(xiàn)為東斷西超、東陡西緩單斷式箕狀特征.沙四早期，曙北地區(qū)整體地勢平緩，發(fā)育的多條北東走向西傾斷裂切割基底，使基底面貌進一步復(fù)雜化，形成洼隆相間的古地貌特征.沉積、沉降中心的不均衡，局部水下低隆起可以充分響應(yīng)波浪作用，同時岸線的曲折也有益于波浪作用的響應(yīng)，利于灘壩砂體沉積［20］.地層沉積具有填平補齊的性質(zhì).沙四早期，曙光古?。d隆臺潛山北翼一線形成了南北沉積環(huán)境的分水嶺（見圖3d、e中所示的兩個古隆區(qū)），控制了研究區(qū)大沉積環(huán)境的形成.界線以南地域開闊，為大型扇三角洲體系沉積區(qū)；界線以北（含低隆區(qū)）為半封閉的環(huán)境，為無明顯水流注入的湖灣區(qū).由于地勢相對平緩、水體相對較淺，在曙光古?。d隆臺潛山頂部及周緣，以及曙光低隆向雷家地區(qū)傾伏的低隆帶上沉積了一套低隆砂質(zhì)灘壩－灰/云坪沉積體.由于曙光潛山和興隆臺潛山等低隆的存在，阻擋物源向湖盆延伸，控制北側(cè)延伸較短的扇三角洲朵體發(fā)育.在西側(cè)高部位湖岸線附近，還發(fā)育沿岸淺灘沉積.

3.2.2 古物源

物源是是沉積體形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，控制著沉積物類型及分布特征［21］.前人通過母巖類型、重礦物ZTR指數(shù)和礫巖分布規(guī)律研究認(rèn)為，研究區(qū)沙四段的主要物源為西部凸起［22］.初陷期湖盆水體很淺，水系流域小，曙光地區(qū)主要接受西部元古宇基底和中生界公興河洼陷和胡家鎮(zhèn)洼陷物源供給（圖3）.鉆井顯示物源主要來自公興河洼陷，河水進入湖盆后，在杜家臺和曙光南部地區(qū)形成了大型的扇三角洲砂體，由于受古地貌的控制，分成兩支，一支繼續(xù)向南延伸形成大型扇三角洲主體，另外一支沿山谷向北東方向流動，一直延伸到遠(yuǎn)離物源的曙北地區(qū)，發(fā)育薄層砂體.研究區(qū)中北部由于湖盆邊界中生界老山無明顯的溝谷，加之基底為中生界泥巖地層（圖4），無明顯物源注入，不能形成規(guī)模扇三角洲砂體，只能發(fā)育湖相沉積物.曙北地區(qū)沙四段之下基本全為房身泡組玄武巖，其石英和長石含量偏低，風(fēng)化產(chǎn)物以泥質(zhì)為主［23］.因此，高升時期，出露水面的“孤島”也很難提供沉積大規(guī)模砂體的足夠物源.杜家臺時期，扇三角洲砂體向曙北低隆方向延伸較遠(yuǎn)，在波浪搬運和改造下，形成灘壩砂體.整體研究區(qū)物源供應(yīng)還是較少，半封閉的環(huán)境使水體礦化度較高，灰/云坪比較發(fā)育，因此在發(fā)育灘壩砂體的同時，還發(fā)育了灰/云坪等.在扇體邊緣地帶，沿岸流攜帶扇三角洲砂體沿著湖岸線搬運沉積，在局部地區(qū)形成沿岸淺灘砂體.

圖4 曙光－高升地區(qū)沙四段沉積前地質(zhì)圖Fig.4 Paleo－geological map before E s4 deposition in Shuguang-Gaosheng area

3.2.3 古水深

研究區(qū)沙四段處于裂陷初期，水體相對較淺，前人通過巖心資料中獲得的波痕波長、沉積物顆粒直徑、沉積物密度等參數(shù)，計算曙北地區(qū)古水深為6～7 m，這個水深條件有利于灘壩砂體的沉積［15］.沙四段整體是填平補齊式充填，表現(xiàn)為一個以湖侵為主的過程（圖3）.特別是杜家臺時期更加明顯，由下至上，湖平面持續(xù)上升，可容空間增長速率大于沉積物供給速率，水體深度不斷加大，扇三角洲沉積體系向湖盆邊緣退積，低隆灘壩發(fā)育規(guī)模變小.淺灘砂體也隨著湖盆的擴張逐漸向西側(cè)推移.

3.3 薄砂層沉積模式

研究區(qū)主要發(fā)育扇三角洲－湖泊沉積體系.古地貌表現(xiàn)為整體平緩、洼隆相間.古物源受來自東部燕山隆起帶的緩坡曙光物源、高升物源及來自西部中央凸起帶的陡坡物源的控制（圖4），主要源于太古宇和中生界.古基底盆內(nèi)主要是房身泡組玄武巖，盆緣則以中生界砂礫巖為主，局部為灰?guī)r和泥巖.古水深在裂陷初期水體相對較淺，為填平補齊式充填，水深及湖盆范圍隨著層序演化而有規(guī)律地變化.古地貌、古物源、古水深控制了沙四段沉積體系的縱橫向展布.

曙北地區(qū)扇三角洲前緣特征明顯，平面上物源有根，可以延伸較遠(yuǎn)，主要受主物源供給的控制，縱向上隨物源供給和水深變化而有規(guī)律進/退積.河口壩主要分布在扇三角洲前緣靠湖方向，受水下定向流影響形成，研究區(qū)分布有限（圖5）.低隆灘壩首先要具備古低隆的地貌背景，其次要有就近的物源供給.高升時期，古地貌上表現(xiàn)為多個洼中水上低隆，在迎向扇三角洲物源供給的一側(cè)發(fā)育低隆灘壩；到杜家臺時期，在構(gòu)造沉降和水體上升作用下，早期水上低隆沒入水下變?yōu)樗碌吐?，在扇三角洲不斷提供物源的情況下，低隆的頂部及周緣可以形成連片的大型低隆灘壩砂體（圖5）.沿岸淺灘主要分布在主物源區(qū)扇與扇之間的沿岸地區(qū)，主要是沿岸流作用形成的，規(guī)模有限.在物源供給不充足的地方，如北側(cè)雷家地區(qū)則發(fā)育灰/云坪沉積，也是有利的儲集層.

圖5 曙北地區(qū)沙四段沉積模式圖Fig.5 Sedimentary model of E s4 in Shubei area

4種砂體類型中，扇三角洲前緣水下分流河道和河口壩砂體含油氣性良好，目前大部分已鉆探并歸入儲量區(qū)，僅緩坡北側(cè)發(fā)育的小型扇三角洲砂體在儲量區(qū)外，同沿岸淺灘一樣，規(guī)模有限.隨著勘探的發(fā)展，未來儲量區(qū)外大面積發(fā)育的低隆灘壩砂體將會是碎屑巖增儲上產(chǎn)的潛在接替區(qū)域.

4 結(jié)論

（1）曙北地區(qū)沙四段發(fā)育扇三角洲－湖泊沉積體系，薄砂層主要有扇三角洲前緣中的水下分流河道、河口壩和濱淺湖中的低隆灘壩、沿岸淺灘4種成因類型.水下分流河道交錯層理較發(fā)育，測井曲線為鐘形、齒化箱形；河口壩具反韻律，漏斗狀測井曲線；低隆灘壩分布于低隆頂部及周圍，具波狀交錯層理，測井曲線呈指狀；而沿岸淺灘為近岸分布.其中水下分流河道和低隆灘壩是研究區(qū)最主要的砂體.

（2）受古物源和古地貌控制，南部受古物源和古地貌控制發(fā)育大型扇三角洲，前端發(fā)育河口壩，中北部主要發(fā)育規(guī)模型低隆灘壩，西側(cè)近岸發(fā)育沿岸淺灘.而古水深變化控制砂體的進退和規(guī)模演化.

（3）在儲量區(qū)之外，低隆灘壩是分布最廣泛的儲集砂體.杜Ⅲ時期的SH107－SH112井區(qū)，杜Ⅱ時期的SH134東南井區(qū)、SHG155－SHG84井區(qū)，高Ⅱ時期的SHG111－SHG84井區(qū)等低隆灘壩有利發(fā)育區(qū)是下一步重點勘探對象.