砂質辮狀河心灘構型4種工程模式的綜述與探討

陳薪凱，劉景彥，陳 程，辛 博，仲 昭

(中國地質大學(北京)，北京 100083)

0 引 言

心灘作為砂質辮狀河儲層最主要的構型單元，逐漸引起國內外學者的極大關注，并建立了一系列的露頭與工程模式。在露頭模式方面，以Cant和Walker的Saskatchewan河模式[1]、廖保方的永定河模式[2]、Bristow的Brahmaputra河模式[3]、Best的Jamuna河模式[4]、Bridge的Calamus河模式影響最廣[5]；在工程實踐方面，以垂向加積為主導的泛連通體模式[6-10]與以多種沉積要素為主導的偏心半橢球模式[11-17]最為普遍。然而，基于露頭調研與探地雷達的沉積學模式過于復雜[1-5]，而基于工程領域的模式推導又往往過于簡化[6-17]，如何將廣泛的基礎調研運用于工程實踐始終是學者們所追求的目標[6-21]。

以Miall的構型理論為指導[22-24]，結合國內外的露頭調研與工程實踐，建立砂質辮狀河心灘構型的工程模式。其主要內容包括：①將Miall的構型理論在縮小到心灘范圍，刪減其分類方案，增添與強調其涉及重點；②從最經典的4種砂質辮狀河心灘模式入手，將諸多沉積構造與構型要素的成因與演化穿插在特定的成因環境中分別討論；③將露頭模式與近年來的工程實踐相結合，歸納出適用于工程領域的4種簡易心灘模式。

1 構型要素與界面類型概述

Miall的構型理論[22-24]幾乎應用于所有的水道化沉積體系中[25]，以辮狀河[6-14]與曲流河沉積[26-28]最為廣泛。由于構型理論中礫質的部分多位于礫質辮狀河或沖積扇中，泥質的部分多位于泛濫平原與網狀河中，因此，不再贅述構型理論的相關成果，而是將該理論縮小到心灘范圍，刪減其分類方案，增添與強調其涉及的重點，建立與心灘匹配的巖相類型、構型要素和界面類型簡表。

1.1 砂質辮狀河心灘主要巖相類型

Miall構型理論以代碼的形式將河流相中的巖相劃分為18種類型，與砂質辮狀河密切相關的巖相類型主要有8種(表1)。其中，Gm大多形成于心灘的底部，為河道滯留沉積；St大多形成于心灘的中下部，為心灘形成初期河道內大型沙丘三維遷移、相互疊置的結果[1，4，29-31]；Sp與Sh多形成于心灘的中上部，主要是高流態下流體越過心灘頂部，使沙丘平面遷移的結果[3-4，29， 32]；Sr、Fl、Fm、Fr多形成于低水位期或弱水動力環境[1-5，29-32]。由于辮狀河水體較淺，流速較快，且頻繁改道[33-34]，巖相分布的高頻部位僅為相對而言，并不是絕對部位。

表1 砂質辮狀河心灘巖相類型及解釋(根據文獻[1，3-4，22-23，29，31，34，41]，有修改)

1.2 砂質辮狀河心灘主要構型要素

在構型要素方面，Miall最初提出了9種構型要素[22-23]，但與辮狀河心灘構型密切相關的只有CH、DA、LA、LS，且CH與LS的涉及面過于寬泛，無法精確到心灘范圍。近年來，Bristow[3，32]通過對Brahmaputra河露頭進行研究，強調了上游加積的重要性；BEST[4]利用探地雷達對大型心灘進行研究，增加了壩緣滑脫面、河道加積、壩頂的垂向加積、上游加積及泥質披覆；Scherer[29]將辮狀河心灘的主要構型要素概括為垂向加積、壩緣滑脫面、側向加積及順流加積。此次研究將心灘的主要構型要素概括為7種(表2)，并對其進行詳細解釋。

表2 砂質辮狀河心灘構型要素及解釋(根據文獻[1，3-4，22-24，29]，有修改)

1.3 界面類型

目前常用的構型界面類型為Miall的8級界面劃分[24]，吳勝和等[35]結合層序構型分級方案將構型界面劃分為12級。此次研究以Miall的8級界面劃分[24]方案為依托，主要介紹與油藏精細描述密切相關的構型界面，舍棄Miall的7～8級界面，采用與心灘構型相關的0～6級界面分類方案(表3)，其中3級界面主要影響心灘內部夾層，4級界面主要影響心灘輪廓。

表3 曲流河與砂質辮狀河心灘構型界面(根據文獻[1，3-4，22-24，35]，有修改)

2 心灘構型的主要沉積模式概述

受地震分辨率與井資料的限制，基于工程應用所建立起的辮狀河心灘模式往往較為粗糙。而露頭調研可以通過取心[1，4，5，31]獲得一維井數據，通過剖面分析[1-4，29-32]或航拍照片[1，30-31]獲得二維面數據，也可以利用探地雷達[4-5，30-31]獲得精確到分米級別的三維立體數據。因此，對經典沉積學模式的探討有利于深入探討心灘的巖相類型、構型要素及界面類型，提高心灘模式精度。

2.1 Saskatchewan河模式

Cant和Walker所建立的辮狀河模式[1]是早期辮狀河研究中最經典且影響最廣的模式[30，33-34]。Cant和Walker的模式在其他的論著中均有描述[33-34]，在此不再贅述，而是對該模式中主要構型要素的形成進行探討。值得注意的是，Cant和Walker的沙坪是指復合心灘，沙壩是指單一心灘[30]。

Cant和Walker所建立的辮狀河模式[1]中，廣泛分布的槽狀交錯層理記錄了河道中沙丘在三維空間上的不斷遷移[1，30-31]，而中下部的大型板狀交錯層理多由橫交河道壩向下游方向上的平面遷移而成[1，29]。Cant和Walker[1]認為，小型的板狀交錯層理的成因主要有2種：一種為沙壩(單一心灘)受流水驅動疊置于原先的沙坪(復合心灘)之上，這種猜測主要源自于Cant和Walker建立的機理模型；另一種為洪水期流體攜帶沉積物堆積在沙坪上部或尾部，這一猜測是目前普遍接受的觀點之一[3-4，29，32]。值得注意的是，Cant和Walker[1]認為沙坪的形成過程為橫交河道壩的生長—單一沙壩(沙坪的核部)—沙坪，其中，核部堆積的觀點在后續探地雷達相中的解釋被用于解釋丘型反射[4-5，30]。而沙坪序列中局部出現的河道下切現象被認為是間歇的低水位期心灘不斷暴露、局部串溝下切的結果[3-4]。

2.2 Calamus河模式

Bridge[5]首次使用探地雷達(GPR)與取心資料對低彎度的Calamus辮狀河心灘三維構型模式進行探討(圖1)。Calamus河模式更類似于辮狀-曲流的轉化類型[36-44]，而Bridge在其他的研究中，也多次強調了過渡型河流的問題[41， 43-44]。

垂向觀察GPR資料可知[5]，GPR資料在心灘底部顯示為較高振幅，不連續，有著削截特征的侵蝕面。侵蝕面上部為中等規模，具有槽狀交錯層理(層系厚度為3～25 cm)和較高振幅且不連續的探地雷達反射。再往上為小規模交錯層理(層系厚度小于3 cm)，GPR顯示為低振幅不連續反射。接近地表為泥巖與草地，在GPR中沒有顯示。

圖1 Bridge的Calamus辮狀河模式(據文獻[5]，有修改)

Bridge的Calamus河模式[5]作為探地雷達在心灘構型的初步嘗試，與后續的重復性研究[29-31]相比較為簡單。Bridge認為[5，41，43]，心灘兩側大規模的傾斜反射代表側向加積體，而尾部的傾斜反射代表了順流加積體。大型的傾斜層內部主要為中等規模的交錯層理，中等規模的交錯層理代表沙丘的遷移與較高的流速。波狀交錯層理主要發育在壩尾兩側的淺灘，代表波紋的遷移[41，43-44]。心灘在垂向上整體向上變細，但在壩頭位置顯示為箱型韻律[44]。

2.3 Brahmaputra河模式

Bristow通過對現代Brahmaputra河大型心灘露頭的野外調研[3，32]，建立了Brahmaputra河枯水期所暴露的大型心灘上部構型模型(圖2)[3]，而心灘的下部并沒有包含在內。

Bristow認為[3，32]，心灘頭部以上游加積為主，側積作用不明顯。在心灘頭部往往形成流水改造下的上游加積體，其沉積構造以槽狀交錯層理與平行層理為主，Bristow[3]將這種平行層理稱作上部平坦床沙。心灘的上游部分往往有著侵蝕的凹岸，堤岸垮塌的部分以泥礫巖的形式在層內堆積。

Bristow[3]模式中的心灘中部以垂向加積與側向加積為主。垂向加積的沉積構造包含上部平坦床沙(即平行層理)、槽狀交錯層理以及波紋層理。垂向序列上依次為平行層理、槽狀交錯層理、波紋層理，有時其頂部還有串溝充填。Bristow[3，32]認為側向加積是心灘中游在橫向上不斷擴大的主要沉積作用，心灘兩側的側積體向壩體的側面遷移，而Bridge[41]卻認為心灘兩側的側積體并不是單純橫向遷移的結果，而是同時在橫向上與順流方向上遷移。側向加積導致心灘壩上部出現壩脊與灘槽，灘槽類似于相鄰側積體之間的凹地，但是在落洪期流體會對灘槽進行改造。

Bristow[3，32]認為，心灘尾部的變化取決于心灘的幾何形態與流體的流動階段。在高流態階段，沙壟是主要的底形，前積體沿著水流方向順流加積，側積體環繞心灘尾部向兩側遷移。在水位下降期，底形的遷移逐漸減弱，心灘壩以垂向加積為主。心灘的下游邊緣由于水位的下降變得陡峭，并產生塌落面。在水位的下降期，隨著流速的降低，大的底形受到改造，并產生厚層的泥質披覆。此外，隨著水動力的減弱，波紋層理成為主要的床沙底形。在低水位階段，壩頂有時發生下切作用，形成串溝水道。

圖2 Bristow的Brahmaputra辮狀河心灘模式(據文獻[3]，有修改)

2.4 Jamuna河模式

Best[4]利用探地雷達對Jamuna河三維構型的精細研究在本質上是對Bristow模式[3]的延伸與細化，但Best所測得的心灘規模要遠大于前人[1-2，5]的研究。Best模式(圖3)[4]的主要研究內容可以概括為探地雷達相的建立與主要構型要素的劃分。

圖3 Best的Jamuna河辮狀河心灘模式(據文獻[4]，有修改)

2.4.1 探地雷達相

Best[4]將辮狀河心灘的探地雷達反射結構分為4種主要類型，以探地雷達相的形式對不同的沉積單元進行描述。這4種類型主要為大型(4.0～8.0 m)交錯層系、中型(1.0～4.0 m)交錯層系、小型(0.5～2.0 m)交錯層系以及波狀形態的強振幅連續反射結構。其中，大型交錯層系被解釋為心灘向相鄰水道的側向遷移或流體越過心灘并在心灘的尾部產生順流加積體；中型交錯層理被解釋為大型沙丘的平面遷移與三維遷移；小型交錯層理被解釋為壩緣與壩體兩側的小型沙丘；波狀形態的強振幅連續反射結構被解釋為泥質披覆，可能形成于水位下降時期低流速的心灘淤積區。

2.4.2 主要構型要素

Best[4]將Jamuna河的主要構型要素劃分為壩緣滑脫面、河道的垂向加積、壩頂的垂向加積、上游加積、側向加積、順流加積、泥質披覆7種(圖3)。壩緣滑脫面主要產生于順流加積作用或壩緣的側積作用，壩頂的垂向加積與順流加積代表洪水期流體攜帶沉積物越過心灘向并在心灘中部與下部堆積，側向加積主要產生于心灘中部的側向遷移，上游加積代表了流體對壩頭的改造，泥質披覆為低水位期在心灘尾部背流區中形成的細粒沉積。

3 心灘構型的簡易工程模式

將4種辮狀河模式分為垂向加積模式(圖4a)、辮狀-曲流轉換模式(圖4b)、偏心半橢球模式(圖4c)以及復雜構型模式(圖4d)。4種模式中，目前在工程領域應用最為普遍的是垂向加積模式與偏心半橢球模式，復雜構型模式近年來開始應用于工程實踐，但更傾向于密集井網區(表4)。辮狀-曲流轉換模式主要集中在理論探討[37-41]，尚未應用于工程實踐(表4)。

圖4 適用于工程領域的簡易心灘模式

砂質辮狀河心灘模式類型露頭調研模式油田實踐模式適用區域垂向加積模式Cant[1]、廖保方[2]、Fielding[42]、李海燕[19]曾祥平[9]、盧海嬌[8]、趙倫[6]、徐中波[13]、趙倫[7]、岳大力[10]、黨勝國[49]、龍明[50]洪泛周期較長,不規律,持續時間較短,心灘長期暴露辮狀-曲流轉換模式Bridge[5,36,41]、譚程鵬[39]、李勝利[40]—河型轉換帶偏心半橢球模式Allen[48]、Bristow[3]劉鈺銘[11]、白振強[17]、劉鈺銘[12]、余成林[16]、鐘思瑛[14]、孫天建[15]、徐中波[13]、喬雨朋[20]洪泛周期穩定的間歇性深流水復雜構型模式Best[4]、Smith[31]、Scherer[29]牛博[18]、張昌民[47]任何密集井網區

3.1 垂向加積模式

垂向加積模式(圖4a)多以Cant[1]與廖保方[2]的模式為參考，其基本特點為：心灘中下部為相互疊置的大型槽狀交錯層理，中上部為以水平落淤層為間隔的多種沉積構造砂巖。廖保方[2]將辮狀河的沉積模式概括為以垂向加積為主導的“疊覆泛砂體”，并將洪水的暴漲陡落作為該模式的主要成因，而這種模式也被廣泛應用于水驅規律研究與剩余油分布模式的探討中[6-10，13]。近年來Fielding[42]通過對Burdekin河的研究也提出了相似的模式，且該模式中幾乎不發育側向加積體，Fielding[42]將該模式的成因歸因于其較長的洪泛周期。在枯水期心灘與部分河床長期暴露地表，幾乎不發育低水位時期的細粒沉積，而當洪泛事件來臨時，活動的河道呈現出順直或近乎順直的特征，并發育厚達3 m的大型沙丘[42]。但值得注意的是，無論是Cant[1]、廖保方[2]，還是其他學者的垂向加積模式[6-10，42]，都不否認側積作用與前積作用對心灘的影響，只是強化了垂向加積對心灘模式的控制。

3.2 辮狀-曲流轉換模式

辮狀-曲流轉換模式(圖4b)參考Bridge對Calamus辮狀河心灘的三維構型模式[5]。Bridge所調研的Calamus河[5]在河道帶范圍內呈現出蜿蜒曲流帶的特征[36]，而單個心灘砂體有更類似于分汊河或單向側向遷移的心灘砂體[5，36]。由于Bridge[5]所研究的辮狀河心灘是穩定的，并且在河道內并不遷移，也不侵蝕堤岸，以至于Bridge的辮狀河模式與傳統的辮狀河模式相比有著很大的不同。傳統的辮狀河模式認為辮狀河往往水淺流急，頻繁改道，并以垂向加積與順流加積為主導[33-34]，而Bridge的研究中[5]并沒有發現辮狀河普遍存在的大型板狀前積層。Bridge在文獻[43-44]中表示了對傳統的河流相分類的質疑，認為曲流河與辮狀河有著相同的彎曲特征以及側向加積現象，傳統的4分法是否具有唯一性值得商榷。

在Bridge的砂質辮狀河的心灘模式里，其內部構型更類似于曲流河[5]，或者是2個曲流河點壩的左右拼接[43-44]，而這種穩定心灘與水道的辮狀河模式[5]更類似于分汊河或辮狀-曲流河的轉換類型。黃錫荃認為[45]，河道邊界的不均勻性和水動力條件的復雜性，使得分汊河道動力軸線發生偏移，并以曲流行波的方式下移；王敏、穆龍新等[21]將分汊型辮狀河定義為河道彎度較大、主流較穩定、河道與心灘壩位置相對固定的辮狀河體系，這一點與Bridge的Calamus辮狀河模式有著諸多相似之處，但在內部的構型刻畫方面，王敏、穆龍新等[21]仍選擇了較為成熟的垂向加積模式。近年來，一些學者對河型轉換進行了深入探討[37-40， 46-47]，但是由于河型轉換主要集中在水工學方面，相關的沉積學調研較少，辮狀-曲流轉換模式仍需要在今后的研究中不斷完善。

3.3 偏心半橢球模式

偏心半橢球模式(圖4c)是近年來頻繁引用的模式之一[11-17]，又被概括為半個洋蔥式[14]或穹窿式[13]。該模式主要源自于劉鈺銘等[11-12]對Bristow建立的Brahmaputra河心灘模式[3]的簡化型，盡管在模式建立的過程中也參考了Best的Jamuna河模式[4]，但卻較Jamuna河模式簡單。偏心半橢球模式的核心觀點為心灘中心部位夾層呈近水平狀、壩頭夾層陡峭、壩尾夾層平緩。值得注意的是，Jamuna河有著穩定的洪泛周期，且水深較深[4]，這正是該模式出現洋蔥狀的主要原因。

盡管該模式中夾層普遍分布，但夾層在心灘不同部位分布的密度與分布的厚度有所不同。余成林等[16]強調了在河道的沖刷作用下，心灘兩側的夾層與頭部夾層會受到嚴重的破壞。鐘思瑛等[14]則強化了側向加積過程中落淤層的分布。由于Bristow模式中側積層的傾角通常較緩并且在露頭中很難識別[3]，因此，弱化心灘兩側的夾層，進而強化心灘尾部的夾層則與Bristow模式更加吻合。

3.4 復雜構型模式

復雜構型模式(圖4d)基于牛博[18]等使用修正的Best模式[4]對大慶油田薩中密井網區的工程實踐，此后張昌民[49]等對該模式做了進一步修正。該模式也是國外地質學者目前普遍接受的構型模式之一[4，29，31]，。Best將Jamuna辮狀河心灘的探地雷達相分為4種，將其構型要素分為7種，并對這7種構型要素的方位進行了標注，且對其成因進行了解釋，是目前劃分與解釋最詳細的模式之一。此后，Smith[31]對阿根廷現代Ri′o Parana河的解釋，以及Scherer[29]對巴西Aptian Barbalha組古代露頭的解釋，都在某種程度上繼承了該方案。盡管該方案在4種模式中最為詳細，也更為可靠，但受到目前很多地區井網密度的限制，大多無法進一步推廣，然而，但對于密集井網的辮狀河儲層區塊，具有良好的應用效果。

4 結 論

(1) 將Miall的構型理論縮減到心灘范疇，探討了與砂質辮狀河心灘密切相關的巖相類型、構型要素、以及構型界面。研究認為，在巖相類型方面，St大多形成于心灘的中下部，為心灘形成初期河道內大型沙丘三維遷移、相互疊置的結果；Sp與Sh多形成于心灘的中上部，主要是高流態下流體越過心灘頂部，使沙丘平面遷移的結果；Sr、Fl、Fm、Fr多形成于低水位期或弱水動力環境。在構型要素方面，將心灘的主要構型要素概括為河道加積、垂向加積、上游加積、側向加積、順流加積、泥質披覆、串溝充填7種，其分布位置大多分別位于心灘的下部、上部、頭部、兩翼、尾部、尾部、頂部。在構型界面方面，3級界面為心灘內部單一前積體、側積體、垂向加積體、上游加積體之間的界線，控制著心灘內部夾層的主要分布。對心灘內部的巖相類型、構型要素、以及界面類型的歸納與細分有助于細化對心灘的認識。

(2) 提出了適用于油藏精細描述的4種辮狀河心灘的簡易模式，分別為垂向加積、辮狀-曲流轉換、偏心半橢球復雜構型模式。研究認為，垂向加積模式以近水平的落淤層為主要夾層，適用于平日流量較低、洪泛周期較長、不規律、持續時間較短、心灘長期暴露的辮狀河體系；辮狀-曲流轉換模式類似于點壩邊灘或邊灘的背向拼合，適用于辮狀河向曲流河過渡的河型轉化帶；偏心半橢球模式呈半洋蔥狀，在垂向加積模式的基礎上強化了壩頭壩緣壩尾的沉積特征，適用于洪泛周期穩定且河道較深的辮狀河體系；復雜構型模式由多種構型要素組合，是偏心半橢球模式的延伸，但劃分更細，適用于密集井網的辮狀河儲層區塊。對心灘模式的劃分與討論有利于精細化的勘探開發，而這些模式也可在一定程度上應用于砂質沖積扇、扇三角洲、辮狀河三角洲心灘的構型描述。