高分辨率層序地層學在河流相油田開發中的應用①

胡光義 陳 飛 孫立春 范廷恩 趙春明 吳勝和

(1.中國海洋石油總公司研究總院 北京 100027;2.中國海洋石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300452;3.中國石油大學 北京 102249)

0 引言

河流相是我國中、新生代陸相盆地重要的油氣儲集層系類型之一，在陸相盆地碎屑巖儲層已動用儲量中，河流相儲層約為53%［1，2］。東部中新生代含油氣盆地已開發的油田中，河流相儲層的石油地質儲量占46%以上，僅勝利油區就有1/3的儲量分布在新近系河流相儲層當中［1～4］。由于河流相沉積砂體時空演化的多變性和復雜性，尤其是砂巖單層厚度相對較小且橫向變化大，缺少巖性標志層，受地震資料分辨率所限［5］。因此，河流相等時地層單元的劃分與對比一直是困擾油氣田開發的重要難題［4］。

以基準面變化為驅動機制的高分辨率層序地層學［6］自提出以來，其理論、概念和方法日臻完善［7～12］，改變了盆地分析及沉積學的原始思路［12］。這一方法不僅考慮了基準面旋回過程與儲層結構層次性，以及不同級次旋回劃分標準的關系;而且重點強調了基準面旋回對砂體結構成因、沉積序列的控制作用;同時也明確了較短周期旋回對較長期旋回的影響及多層次逐級對比的技術方法［13，14］。但是，針對復雜多變的河流相沉積體系，隨著開發程度的加深，高分辨率層序地層學在小層精細對比中的矛盾也愈來愈凸顯，很難單獨通過鉆井來識別小級別基準面。因此這就要求在高級別基準面旋回控制下，從砂體成因演化角度，綜合多種信息，充分利用多種對比手段進行小層等時對比。

1 問題的提出

沉積學與層序地層學的研究對沉積盆地提出了許多新的課題，如油氣勘探中新發現儲集體的成因解釋和分布規律、沉積盆地高精度巖相古地理重建、油氣田開發過程中的儲集層精細表征和描述等等［15］。我國已經投入開發的河流相儲層是一個復雜的非均質體系，縱向上具有多級次的旋回性，平面是復雜的微相組合［16］，這就給精細的小層劃分對比帶來很多問題。主要問題表現在以下幾個方面:(1)河道疊置樣式雖然能反映垂向“基準面”的變化，但是往往只代表局部地區，很難在區域上進行對比追蹤;(2)缺乏廣泛發育的標志層;(3)河流環境包含辮狀河、曲流河和網狀河等多種相類型，沉積特征差異較大，導致地層在垂向和橫向上具有不同特點，難以確定較為統一的對比標準。

1.1 自旋回的影響

與其他沉積環境相比，河流相的自旋回作用更加明顯［17］。異旋回是響應基準面變化的產物，通常控制地層的疊加樣式，能形成有時間地層對比意義的成因地層單元［18］。而自旋回則通常是與基準面變化無關的事件作用的產物［17］，是局部的、無規律性或規律性不強的，在時間上和空間上是不可靠的［19］。譬如洪水事件導致的河道的決口、河道凸岸沉積的側向遷移等都屬于自旋回沉積。在基準面不發生變動的情況下，河流自身水動力的變化，這種變化可以是洪水事件的出現或者水動力反常的突然增強所導致，從而引起了河流的遷移擺動，產生了沉積的正韻律性。但是，多個這種河流沉積序列在縱向上的疊置，也可以理解為基準面上升旋回的產物。

1.2 沉積間歇面的作用

識別河道沉積間歇面，特別是對單一河道沉積間歇面的識別，是解剖復合砂體和精細小層劃分的基礎。沉積間歇面是受水流量變化影響一期連續穩定沉積結束到下一期連續穩定沉積開始之間形成的、有別于上下鄰層的巖性的沉積層序［20］。從電測曲線上看，間歇面的GR高、SP偏于基線位置、電阻率低。

這種間歇面大到區域性沉積剝蝕間斷面，小到下一次洪水沉積之間的沉積間隔。河流相的沉積間歇面主要包括泥質夾層、灰質(鈣質)夾層和物性夾層等3種類型［21］。正確識別沉積間歇面的規模類型，才能有效的識別基準面旋回的級次，正確的進行小層的劃分對比［22］。

多個河道單元疊置出現的沉積間歇面，橫向上延續性穩定或呈現出漸變的趨勢，可在全區追溯對比。局部存在的沉積間歇面，一般延伸不穩定，主要為河道的上部單元、決口扇的上部或者河道和決口扇的復合體的上部單元。識別過程中一定要注意區分沉積間歇面是單元間還是單元內的，也就是全區分布還是局部分布。a井—b井中部沉積間歇面分布較為連續，而b井上部和下部只是在局部有分布(圖1)。

1.3 河型和砂體疊置樣式的變化

河道類型轉化是地貌、氣候以及沉積物供給的綜合反映［23～25］，實際受控于基準面升降導致的可容納空間變化的影響。在平面上表現為不同河型在同一河流體系中的首尾相接，在空間上表現為不同河型在垂向上的相互疊置［23］。

基準面發生變化時，河道可以不發生侵蝕和充填，而可以通過河道形態或河道類型的變化適應基準面升降引起的河床坡度的變化［26］。基準面快速下降時，河道發生侵蝕或充填;基準面緩慢下降時，河道彎曲度增大，河道深度變小、寬度變大，容易形成高彎度曲流河［26，27］。

基準面上升早期，相對湖平面開始下降，A/S＜1，河流發生下切以及沉積物過路。相對湖平面上升，河道遷移擺動能力相對較強，平面上連片、垂向上疊置，形成復合河道砂體，主要以低彎度曲流河為主。不同期次、不同級次的砂體疊置，砂體內部發育各種形式的沖刷面，形成泛連通結構。隨著基準面的不斷上升，A/S比值增大，河道疊置程度與連續性變差。當達到A/S＞1，湖平面達到頂點，河道彎曲度增大，河道規模變小，砂體變薄，河道砂體呈透鏡狀發育于細粒泛濫平原沉積內，河道砂體彼此孤立、連通性差，河道逐步形成高彎度曲流河沉積。

圖1 渤海Q油田明下段疊置砂體沉積間斷面展布圖Fig.1 Discontinuity interface of superimposed sand body in Lower Member of Minghuazhen Formation at Q oilfield in Bohai

1.4 基準面旋回的級次

基準面旋回的多級次性導致地層旋回的多級次性，而劃分出的級別又表現出很強的相對性。另一方面，人們可能過多地強調層序旋回性的方面，而忽略了地質作用的階段性。導致不同人對于地層旋回級別的理解卻可能有很大區別［17，28］。短期旋回具有成因層序的意義，因而最短期的地層旋回也可以稱為一個成因層序［17］。短期旋回可識別程度與地層剖面所形成的古地理位置、沉積相成因類型和沉積速率等因素有關。同時，借助于巖芯和測井，把其空間分布，特別是不同微相的分布作為定義和識別不同級別沉積層序的一個重要標準。基準面旋回級次的劃分根據客觀標志的易分辨性確定，層序的分級不宜過多，與實際生產開發需求的層次相對應。

2 高分辨率層序格架內河流相精細小層對比

2.1 河流相模式指導

河道類型、砂體結構及相模式演化受控于準面旋回升降的影響，通過對砂體結構及其相模式的分析，可以宏觀的識別準面旋回變化，從而正確的劃分層序格架。

基準面下降到最低可容空間最小，發生大面積的侵蝕暴露。隨后基準面緩慢上升期，水流局限于大型侵蝕溝谷內，河道在侵蝕河谷內頻繁擺動遷移，主要由下切河谷中的河道充填物和河漫灘上的細粒越岸沉積物組成。河流發育于寬廣的河流階地中，以粗粒沉積為主，形成橫向上和縱向上互相切割的復合河道砂體，發育低彎度曲流河。基準面緩慢上升早期，可容納空間增長較慢，形成多層橫向連續、厚度大的砂體。泛濫平原上的細粒沉積物可能會受河道改造。基準面緩慢上升晚期，隨可容空間增長速度的提高，垂向加積速度也會增大，形成彼此孤立、橫向上受限的河道以及分布廣泛的泛濫平原沉積。此階段主要以過渡型曲流河為主。基準面下降時期，河道寬度變大、深度變小，懸浮負載為主，泛濫平原上的加積速度也會降低，河道砂體的密度向上增大，形成橫向相對孤立的砂體與土壤層，以高彎度曲流河為主(圖2)。這一模式明確了基準面升降對體系域演化的控制和可容空間變化對砂體展布特征的影響。這一解釋模式與 Wright等和 Shanley 等［29，30］提出的沖積層序地層模式中河流砂體樣式的演變規律有很強的相似性。

2.2 巖相、相序組合特征

河流沉積環境具有一定巖相組合構成的相序組合特征，是一定古地貌和能量條件的產物，反映了A/S比值的變化［31］。在研究區主要有以下幾種類型的巖相相序組合。

(1)厚層塊狀砂巖相，厚度一般為幾十厘米，厚的可達1 m，無原生沉積構造。水動力較強沉積物快速堆積產物。巖性都較粗，以粗砂巖和中砂巖為主，局部含有礫石和泥礫，泥礫一般具有定向排列(圖3A，3B)。有時，因鈣質膠結的粉砂巖，內部無層理整體呈塊狀，但是厚度一般較小(圖3C)，反映了水動力較弱條件下，沉積物快速沉積而成。厚層塊狀砂巖一般為河道底部的砂體，砂體彼此切割相互疊置，主要形成復合型砂體。底部突變接觸，頂部與上覆的正粒序砂巖呈過渡接觸，一般代表了層序的底界面。

圖2 河流相河型與層序地層模式(據Wright等，1993，略有改動)Fig.2 Fluvial facies chaanel patterns and sequence stratigraphic model(after Wright，et al.，1993)

圖3 渤海Q油田明化鎮組河流相巖相類型特征Fig.3 Characteristics of fluvial facies lithofacies at Q oilfield in Bohai

(2)平行層理砂巖相，巖性主要為細—粉砂巖(圖3D)。富含片狀暗色炭屑，且其常沿層理面有綠灰色泥礫分布。常與槽狀交錯層理和板狀交錯層理共生。一般發育于河道的中下部。

(3)槽狀交錯層理砂巖相，巖性主要為細—粉粒砂巖，沿層理面有油氣分布(圖3E)。代表強水動力條件，一般位于河道中上部或者河道的邊部靠近天然堤的地方。有時，也會是決口扇的沉積而成，但是一般為反韻律—正韻律組成的復合韻律。以大規模側向遷移擺動為主，主要形成復合型砂體類型。

還有一種砂紋層理粉砂巖相，內部波痕紋理發育，是細粒沉積物在水流作用下形成(圖3F)。水動力相對較弱，一般出現于河流決口扇、天然堤與洪泛平原沉積微相。

(4)砂巖夾泥巖相，粉砂巖中交錯層理可見，泥巖為塊狀構造，泥巖厚度較小，常小于0.2 m。常具正粒序和底沖刷構造(圖3G)。反映水動力在強、弱交替情況下的特征。處于河道的邊部，為側疊型向孤立型砂體轉變的類型。

(5)泥巖夾砂巖相，大套泥巖中粉砂巖發育，粉砂巖厚度一般都較薄，層厚小于0.1 m。泥巖顏色一般發紅，而粉砂巖層一般發灰色(圖3H)。

(6)厚層泥巖相，厚度大于0.4 m。泥巖一般為淺灰色、土黃色和紅褐色，質地不純，呈塊狀。內部見結核，反映了泛濫平原的蒸發環境(圖3I)。泥巖相組合表現了一種低能的快速沉積的環境，反映了較高的可容納空間。

2.3 關鍵面的約束對比

關鍵界面主要包括標志層、地層轉換面［17］、洪泛面、不整合面和地震強反射面等。標志層在巖性及電性剖面上有著明顯特征，能夠有效的橫向對比。研究區通過分析發現了四個相對穩定的輔助標志層。一是館陶組的底部巨厚砂礫巖體，其厚度大，分布面積廣，側向連通性好，全區穩定分布。館陶組底部是公認的區域角度不整合，故這套標志層有很好的可對比性。二是NmⅡ油組底界砂巖、與泥巖突變接觸，地震反射軸上為強反射底界。三是NmⅣ油組頂部大段高伽瑪泥巖段，棕紅、灰綠色泥巖。四是明下段頂部－明上段底部高阻砂泥巖互層，淺灰色、土黃色砂巖與淺棕紅、灰黃色泥巖。這些層段具有分布穩定、特征明顯、等時界限的特點，可作為區域對比標志層。在開發階段，在生產油田范圍內，本油田地層的砂體發育層段作為標志層使用能起到很好的效果。地層轉換在地層剖面上常表現為地層疊加樣式的變化。洪泛面通常由具有一定厚度的顏色較深、質地較純泥質巖或較上覆、下伏巖性粒度相對較細的細粒沉積組成，并可以在一定范圍內追蹤。不整合面上、下地層突變接觸，發育各類沖刷現象。

2.4 油水界面性質對比

油水界面性質在油田開發中對油藏范圍內小層對比有著極為重要意義［14］。被不同的隔夾層所分開的小層之間存在不同的油水界面，每個油水系統內部均表現出具有統一的油水界面，油層位于高部位而水層應當位于低部位(圖4)。另外，通過對產液剖面和吸水剖面的分析以及壓力測試都可以檢驗小層受效程度，從而明確小層對比的準確性。

2.5 河流切割充填對比

圖4 渤海Q油田明化鎮組河流相油水界面性質對比Fig.4 Oil-water interfacial correlation of fluvial facies of Minghuazhen Formation at Q oilfield in Bohai

圖5 渤海Q油田明化鎮組河流相河道切割充填對比Fig.5 Channel cutting and filling correlation of fluvial facies of Minghuazhen Formation at Q oilfield in Bohai

由于河流的沖刷作用，其底部一般發育切割充填構造，因此可以根據河道沉積的特點進行精細小層對比。初期，河流以下切侵蝕作用為主，地層遭受侵蝕，形成低彎度的下切侵蝕河道。早期，在侵蝕河道內部河道頻繁擺動遷移，填充粗粒物質，砂體彼此切割，相互疊置，形成廣闊的相互疊置復合河道砂體結構。后期，河流將早期河流沉積單元上部部分或全部被沖蝕，并沉積新的河道砂巖，形成垂向上相互疊加的厚層河道砂巖。晚期，河道彎曲度增大，細粒物質被保存下來，砂體具有單層式，砂體彼此孤立、砂體與砂體之間的連通性差。因此河道具有頂平底凸的特點，河道位置一般表現為下凸形態，為小層對比的界面(圖5)。隨著河道的遷移擺動，在種變化在剖面表現為一定的規律性。此外，宏觀上由于沉積的繼承性，小層界面應該具有厚度變化趨勢的一致性。

3 河流相層序對比實例分析

渤海Q油田位于渤海灣盆地的石臼坨凸起上，在潛山披覆構造背景上形成的并被斷裂復雜化的、受巖性和構造雙重因素控制的河流相大型油田［32］。主要含油層系發育于新近系明化鎮組(Nm)下段，并進一步細分為Nm0、NmⅠ、NmⅡ、NmⅢ、NmⅣ和NmⅤ共6個油組。研究區內鉆遇地層平均厚度為482 m，區域上分布比較穩定。巖石類型為長石砂巖，巖性主要為中—細砂巖及粉砂巖，泥巖呈灰綠色。

應用高分辨率層序地層學的理論和方法，在三級和四級層序框架以及關鍵面的約束控制下，以河流相沉積模式為指導，對其進行巖相、相序組合特征的分析，結合油水界面在空間的分布位置，綜合多種方法對渤海Q油田的明化下段地層進行小層劃分和對比，劃分了38個五級層序、13個四級層序和4個三級層序，其中五級層序厚度約為12.7 m(圖6)。

小層內部河道砂體的結構類型、疊加樣式和相對保存程度具有一定的規律性。在層序界面附近，基準面上升早期，由于可容納空間較低，河流下切形成河道的下切侵蝕，下切河道規模較大最厚處達15 m。河道遷移擺動能力相對較強，單套砂體規模變大，河道呈大規模沖刷充填。隨后，隨著基準面緩慢上升，河流水體能量大，沉積物負載量大，發育相互切割、彼此疊置的河道砂巖，砂體內部發育各種形式的沖刷面。當基準面達到快速上升階段時，地層表現為退積的疊加樣式，形成復合河道砂體。基準面達到最高時期，河道彎曲度增大，形成彼此孤立、橫向上受限的河道。整體上呈現多期河道相互疊加，河道間有明顯的隔(夾)層。基準面下降時期，可容納空間達到最大，沉積物供給相對不足、河道作用相對較弱，側積作用不甚發育，使得河道規模變小，側向連通性差，呈窄小的條帶狀孤立分散于泛濫平原中，橫向相對孤立的砂體與土壤層。

4 結論

(1)開發階段應用高分辨率層序地層學進行河流相高精度小層劃分時，應該考慮以下幾個問題，包括河流相地層各類自旋回沉積、沉積間歇面的作用、河型和砂體疊置樣式的變化以及基準面旋回的級次的劃分。旨在通過這些問題的分析，達成一定的共識并在小層精細劃分應多加注意。

圖6 渤海Q油田明化鎮組河流相高精度層序劃分對比Fig.6 Fluvial facies correlation section based on high resolution sequence at Q oilfield in Bohai

(2)開發階段應用高分辨率層序地層學進行河流相高精度小層劃分時，要從宏觀上綜合分析河流相模式的特點做到成因合理解釋，微觀上充分利用河流相巖相、相序的組合特征，結合各種關鍵面的約束控制、油水界面在小層內部空間的分布位置以及河道的切割充填作用，進行精細河流相小層劃分。針對界面附近河道砂體，由于河道的強烈侵蝕下切，其疊置樣式下切程度復雜，要依據巖相、相序的組合特征和河道的切割充填作用進行小層和砂體的細分對比。針對湖泛面附近要考慮沉積間歇面的作用，并結合巖相、相序的組合特征進行分析對比。

(3)河流相的砂體結構是沉積物的供給與可容納空間之間比值變化的函數。要依據不同可容空間下河道砂體的疊置規律和保存程度進行砂體的細分對比。不同的可容納空間變化下河道發生規律性的侵蝕、充填、遷移和漫溢，從而控制了層序地層格架內河道砂體構疊置樣式、砂體形態、規模和連通性。

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