東營凹陷沙三中亞段沉積特征及復(fù)合砂體沉積過程
——以牛莊洼陷南坡為例

秦國省，吳文麗，秦國利，劉 臻，楊 超

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，東營 257000)

東營凹陷是渤海灣盆地油氣最為富集的地區(qū)之一，經(jīng)過多年的勘探開發(fā)已取得豐碩的研究成果，復(fù)式油氣聚集理論創(chuàng)新成功指導(dǎo)了油田的勘探開發(fā)[1-4]。近年來隨著勘探開發(fā)的不斷深入，非常規(guī)和深層成為勘探主體的同時[5-8]，常規(guī)三角洲油藏精細(xì)表征、剩余油挖潛亦成為主體開發(fā)方向。沙三中亞段整體處于湖泊擴(kuò)張至收縮的過渡期，湖平面變化震蕩頻繁，砂體發(fā)育類型多樣[9-10]，前人對于東營凹陷三角洲研究已積累了較多的成果，明確了三角洲沉積類型及其對油氣成藏的主要控制作用[11-13]，同時近年來對于半深湖相濁積扇等沉積類型亦有了深入的認(rèn)識[14-19]，成功指導(dǎo)了近年來的勘探開發(fā)。然而，前人研究多集中于單一沉積相帶，對砂礫巖沉積、三角洲沉積和濁積巖沉積研究各成體系，不同沉積類型之間的交互沉積過程及演化規(guī)律缺乏系統(tǒng)研究。同時，隨著油田開發(fā)的不斷精細(xì)化，對于單一砂體的精細(xì)表征以更好的指導(dǎo)注采井網(wǎng)部署變得愈加迫切，單砂體刻畫、連片砂體的地質(zhì)成因及其沉積過程亦引起更多重視[20-26]，其對于油氣開發(fā)及進(jìn)一步剩余油的預(yù)測挖潛起到?jīng)Q定性作用。

現(xiàn)以牛莊洼陷南坡為例，充分發(fā)揮密井網(wǎng)的優(yōu)勢，綜合應(yīng)用區(qū)域地質(zhì)、測井、巖心分析等資料，厘定沉積相類型，明確三角洲沉積與湖相濁積巖的交互沉積演化規(guī)律，識別單一砂體邊界，刻畫單一砂體范圍，并進(jìn)一步對復(fù)合砂體的沉積過程進(jìn)行重建，以更好的闡明三角洲及半深湖過渡階段演化及復(fù)合砂體沉積過程，指導(dǎo)該類油藏的高效勘探和精細(xì)開發(fā)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)N區(qū)塊地理上位于山東省東營市東南約25 km，構(gòu)造上處于渤海灣盆地東營凹陷牛莊洼陷南坡，陳家莊斷層上盤，整體為南東-北西向單斜構(gòu)造(圖1)。研究目的層沙三中亞段埋藏中深約3 000 m，為中深層油藏。研究區(qū)面積4.1 km2，長約3.0 km，寬約2.5 km。研究區(qū)共有39口井，其中A1、A5、A7-A9,、A11-41、A43和C19井為開發(fā)井，A6和C20為取心井，平均井距約500 m，為精細(xì)地下地質(zhì)表征奠定了基礎(chǔ)。

東營凹陷新生界地層發(fā)育連續(xù)，自下而上發(fā)育孔店組、沙河街組、東營組[27-28]，其中沙河街組為主要油氣儲層，厚度1 000～4 000 m，自下而上劃分為沙四段、沙三段、沙二段和沙一段，目的層為沙三段中亞段d砂組，根據(jù)其內(nèi)部沉積特征及巖性組合的差異可進(jìn)一步劃分為d1、d2、d3和d4共4個單層，各單層平均地層厚度12 m。東營凹陷沙三中段沉積初期構(gòu)造活動強(qiáng)烈，沉降速率較快，以欠補(bǔ)償狀態(tài)為主，發(fā)育濱淺湖、深湖和半深湖主要沉積類型；中晚期物源供給充足，呈現(xiàn)過補(bǔ)償狀態(tài)，沉積以不斷進(jìn)積的三角洲為特征。由取心井C20可知，底部d4和d3單層對應(yīng)基準(zhǔn)面上升的超短期旋回，頂部d2和d1單層為基準(zhǔn)面下降的超短期旋回，整體為基準(zhǔn)面不斷上升的中期旋回(圖2)。

2 沉積特征

2.1 沉積相識別

2.1.1 巖石類型

取心井巖石顏色以灰色、深灰色及淺褐色為主，巖性以細(xì)砂巖和粉砂巖為主，礦物成分主要由石英、長石(鉀長石和斜長石)和巖屑(大部分為巖漿巖和變質(zhì)巖巖屑，少部分沉積巖巖屑)組成，其中石英含量36.6%～54.8%，平均含量44.6%，長石含量30.2%～35.8%，平均含量33.4%，巖屑含量14.3%～54.4%，平均含量23.2%，膠結(jié)物以鐵方解石及白云石為主，研究區(qū)巖石定名為巖屑質(zhì)長石砂巖[圖3(a)]。研究區(qū)長石含量較高，成分成熟度低，反映了距物源區(qū)較近且水動力不穩(wěn)定的沉積特征。

圖1 研究區(qū)位置及井位分布Fig.1 Location of the study area and wells’ distribution

圖2 研究區(qū)C20取心井綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of cored well C20 in the study area

2.1.2 粒度分析

由研究區(qū)兩口取心井的粒度分析化驗數(shù)據(jù)得到C-M圖[圖3(b)],可見典型的多段式特征，尤以PQ段和QR段特征較明顯，指示了典型的牽引流特征。粒度累積概率曲線可分為兩段式及三段式兩類[圖3(c)]，兩段式曲線表現(xiàn)為滾動段組分不甚明顯，以跳躍段組分較發(fā)育為特征，其斜率較大，指示了水動力較穩(wěn)定的牽引流特征，懸浮組分亦較發(fā)育，與跳躍組分交切點(φ=3.2)偏細(xì)，指示了整體粒度偏細(xì)的特征；三段式曲線較二段式曲線發(fā)育滾動組分，但其含量較少，滾動組分與跳躍組分曲線交切點偏細(xì)(φ=2.5)，指示了滾動組分的粒度整體偏細(xì)的特征。

2.1.3 砂體展布特征

研究區(qū)平均單層砂體厚度約5.5 m，最厚處可達(dá)14 m。砂體發(fā)育可分為三類：一類為交織條帶狀分布的砂體，該類砂體多呈條帶狀展布，厚度由中心向兩側(cè)減薄，一般對應(yīng)河道沉積；另一類砂體為近連片分布，砂體分布區(qū)域占研究區(qū)80%以上，砂體厚度大小基本一致，僅在部分井點可見厚度較大的砂體發(fā)育，多為復(fù)合砂體；此外，研究區(qū)還存在另一類砂體呈孤立狀分布，多由1-2口井控制，如A33和C19井共同控制西南部孤立砂體，A39井單獨控制東北部砂體(圖4)。

圖3 巖心典型相標(biāo)志Fig.3 Typical facies marks in core analysis

圖4 典型單層砂體分布特征Fig.4 Sandbody distribution characteristics of typical layers

研究區(qū)砂體剖面形態(tài)通過連井對比表現(xiàn)為不同的特征，既有頂平底凸的形態(tài)，又有底平頂凸的形態(tài)。頂平底凸形態(tài)砂體多由河道侵蝕下伏地層而成，指示了河道的發(fā)育。底平頂凸的砂體形態(tài)多形成于堆積環(huán)境，在三角洲環(huán)境中多指示了分流河道末端沉積物卸載形成的河口壩沉積類型。研究區(qū)砂體剖面形態(tài)既有河道典型的頂平底凸形態(tài)，又有河口壩典型的底平頂凸形態(tài)，反映研究區(qū)三角洲前緣河道沉積和河口壩沉積共同發(fā)育的特征。

研究區(qū)巖石顏色以灰色、深灰色及淺褐色為主，反映了弱-強(qiáng)還原水下環(huán)境，粒度分析指示牽引流的沉積水動力特征，加之砂體平面呈條帶狀及近連片狀展布特征及頂平底凸和底平頂凸的砂體剖面形態(tài)特征，綜合反映了研究區(qū)發(fā)育水下分流河道及河口壩沉積類型，可判斷其沉積亞相為三角洲前緣。同時，孤立狀砂體發(fā)育于厚層泥巖中的特征，指示了淺湖相灘壩沉積的特征。綜上研究區(qū)主要發(fā)育三角洲和湖相沉積，以三角洲前緣分流河道、河口壩微相及湖相灘壩沉積為主。

2.2 沉積相劃分

研究區(qū)主要發(fā)育三角洲前緣亞相和湖泊相，其中三角洲前緣主要發(fā)育分流河道、河口壩、支流間灣微相，湖泊相主要發(fā)育灘壩和湖相泥微相(圖5)。

(1)水下分流河道。水下分流河道為研究區(qū)三角洲前緣的主要沉積微相，其巖性一般以中粗砂巖為主，向上多過渡為細(xì)砂巖，底部可見較粗粒的中砂巖，河道沖刷構(gòu)造發(fā)育。水下分流河道厚度多為3.5～7.5 m，一般小于平原分流河道厚度。垂向以正韻律為主，測井響應(yīng)為中-高幅鐘形，底部接觸以突變式為主。

(2)河口壩。河口壩是由分流河道攜帶沉積物入湖后卸載堆積而成的沉積體，為三角洲前緣重要的沉積單元。根據(jù)其物性的差異可進(jìn)一步分為河口壩主體和壩緣。壩主體為河口壩的中部凸起沉積部位，該處水動力最強(qiáng)，為主要的沉積場所，巖性以中砂巖和粗砂巖為主，分選磨圓較好，以典型的反韻律為特征，厚度5～8 m，一般多為6 m，測井響應(yīng)為中-高幅漏斗形；壩緣為河口壩沉積的邊部區(qū)，其物性較差，特征與壩主體有明顯的差別，因此將其與壩主體區(qū)分開來，壩緣沉積巖性以粉砂巖為主，厚度較小(一般1.5～3.5 m)，垂向多呈砂泥互層分布，無明顯韻律性，測井響應(yīng)特征為中-低幅齒形。

圖5 研究區(qū)沉積相綜合特征Fig.5 Faices characteristics and identification criterions

(3)支流間灣。支流間灣為分流河道間及河口壩間的相對局限的湖灣地區(qū)，因受分流河道或河口壩的阻隔其與外界水體的溝通較差，沉積水動力較弱，形成于較安靜的沉積環(huán)境，沉積巖性以泥質(zhì)粉砂巖和泥巖為主，測井響應(yīng)特征為平直近基線。

(4)灘壩。灘壩是由于淺湖沉積物受波浪的沖洗和改造作用所形成的沿湖岸線展布的沉積體，巖性以中細(xì)砂為主，平面上呈土豆?fàn)睿瑴y井曲線響應(yīng)上呈正韻律，具有低幅齒狀異常。

(5)湖相泥。前三角洲末端湖泊水動力較弱所形成的細(xì)粒沉積物，以泥巖發(fā)育為主。厚度一般較厚，測井曲線為平直近基線特征。

2.3 沉積相演化

在單井沉積微相解釋的基礎(chǔ)上結(jié)合砂體厚度分析圖，在沉積模式的指導(dǎo)下開展沉積微相表征。研究區(qū)沉積微相的平面展布可分為三類：一類以分流河道的交織條帶狀分布為主，該類以發(fā)育于d1單層的三角洲前緣分流河道為特征；另一類為近連片分布的河口壩發(fā)育為主，該類以發(fā)育于d2和d4單層的三角洲前緣河口壩為主；此外，研究區(qū)d3單層灘壩砂體多呈孤立狀分布，其長軸方向多平行于岸線，呈橢圓狀分布(圖6)。

交織條帶分流河道主要發(fā)育于d1單層，其總體呈條帶狀分布。地層自下而上而上分流河道規(guī)模不斷減小，d4單層分流河道寬度平均為150～250 m，d2單層分流河道寬度平均為100～250 m，d1單層分流河道寬度較小，平均為100～200 m。各單層分流河道規(guī)模在不同部位寬度亦存在不同的差異，在近物緣方向(東南部)分流河道寬度一般大于湖盆方向(西北部)，近物緣方向分流河道寬度多為200 m，隨著分流河道向湖中心延伸，其寬度減小為100 m。

研究區(qū)剖面沉積自下而上由三角洲前緣演化為前三角洲，中上部d2單層分流河道總體較d4單層和d1單層發(fā)育,d4單層分流河道多呈孤立分布。d2單層以河口壩發(fā)育為主，可見不同河口壩間的側(cè)向拼接。不同分流河道及河口壩的寬度大小不一，一般分流河道寬度平均為200 m，多由1口井控制，圖6(b)中AA’剖面C20井即控制了東北部分流河道。河口壩寬度較大，平均寬度300 m。

圖6 研究區(qū)沉積微相平面及剖面分布圖Fig.6 Plane and profile characteristics of sedimentary facies

通過以上分析明確了研究區(qū)三角洲前緣沉積演化特征，建立了研究區(qū)的沉積模式。研究區(qū)三角洲前緣以近連片河口岸邊發(fā)育為主，各河口壩一般由不同的分流河道控制而成，其大小差異明顯，分流河道規(guī)模自物源區(qū)向湖盆區(qū)逐漸減小，不同河口壩通過側(cè)向拼接和垂向疊置最終成連片狀分布，湖相灘壩多呈孤立狀分布于前三角洲前端(圖7)。

3 復(fù)合河口壩沉積過程

3.1 單一砂體邊界識別標(biāo)志

三角洲內(nèi)部不同單一砂體間的邊界常表現(xiàn)為泥巖相隔、壩緣相隔、測井響應(yīng)差異和壩體底面不等高程等特征差異，根據(jù)這些特征的差異，可以區(qū)分不同的單一砂體，進(jìn)而劃分不同期次的沉積，為沉積過程的重建奠定基礎(chǔ)。

(1)壩間以泥巖相隔。壩間泥巖往往為分流間灣沉積，代表河口壩未沉積區(qū)，說明河口壩發(fā)育的終止。A26井發(fā)育壩間泥巖分隔了不同期次河口壩[圖8(a)]，因此壩間泥巖可作為單一河口壩邊界識別的標(biāo)志。

(2)壩間以壩緣相隔。壩緣是單一河口壩的沉積邊界區(qū)，兩河口壩以壩緣接觸說明兩河口壩的邊界在此重合。A24井發(fā)育壩緣沉積[圖8(b)]，指示了兩河口壩的邊界，壩緣的出現(xiàn)可作為單一河口壩邊界識別的依據(jù)。

(3)測井響應(yīng)差異。不同單一河口壩形成時的水動力條件各有差異，因此其反映在測井曲線上亦表現(xiàn)為不同的特征。A18井和A13井雖同為河口壩沉積，但其曲線形態(tài)差異明顯[圖8(c)]，代表了不同沉積環(huán)境的產(chǎn)物，測井響應(yīng)的差異可作為識別不同單一砂體的標(biāo)志。

(4)壩體底面不等高程。河口壩的沉積是由分流河道攜帶沉積物入湖卸載堆積在原前三角洲湖相泥之上形成的，湖相泥巖沉積一般代表一個等時界面，河口壩底面高程(河口壩底面距該單層底面距離)的差異代表了不同時期的沉積事件。A21井和A18井控制的河口壩底面高程明顯大于A13井河口壩底面高程，屬不同時期沉積[圖8(d)]。河口壩底面高程的差異可用來識別不同期次單一河口壩。

3.2 演化期次劃分

(1)橫向期次劃分。由于三角洲前緣河口壩形成時期不同，其底面湖相泥巖的沉積厚度也不同，造成河口壩底面高程不同。先期沉積河口壩底部泥巖厚度較薄，河口壩底面高程較小，后期沉積河口壩底部沉積泥巖厚度較大，河口壩底面高程較大，據(jù)此可在橫切物源剖面上對臨近單一成因河口壩進(jìn)行分期。在全區(qū)主要橫剖面中可識別三期不同高程河口壩[圖6(a)]，據(jù)此可將研究區(qū)d2單層沉積演化劃分為至少三個沉積階段。

(2)縱向期次劃分。對于三角洲這種縱向沉積體系(沉積特征隨水動力縱向變化而變化)，縱向解剖可以將三角洲特有的“前積”現(xiàn)象得到刻畫，更能體現(xiàn)其成因本質(zhì)。在研究區(qū)實際縱剖面中亦可見到單一河口壩不斷前積[圖(6b)]，三角洲前緣河口壩的前積構(gòu)成了三角洲前積的主體。研究區(qū)單層內(nèi)部縱向河口壩具有“逐步前積”的演化模式，即各分期河口壩不斷前積，超覆于前期河口壩之上，據(jù)此可在縱向?qū)我缓涌趬芜M(jìn)行期次劃分，為沉積過程重建奠定基礎(chǔ)。

圖7 研究區(qū)沉積構(gòu)型模式Fig.7 Sedimentary model of the study area

(3)三維綜合分析。通過縱、橫剖面的分析可在單一方向確定各單一河口壩的演化先后順序，但對于其他方向期次的確定仍需要借助三維綜合分析來完成，以精確確定各單一河口壩形成的相對順序。本研究首先提取d2單層各井曲線及相解釋結(jié)果，將其投影至三維空間，在此基礎(chǔ)上建立井與井之間各方向的連井剖面(圖9)，通過上述單一砂體邊界識別標(biāo)志確定邊界，以縱、橫向期次劃分依據(jù)對不同期次單一砂體進(jìn)行劃分，最終結(jié)合沉積物源方向?qū)澐值母鲉我簧绑w期次進(jìn)行先后次序排列，重建其沉積過程。

3.3 沉積過程重建

在研究區(qū)各單一河口壩期次確定的基礎(chǔ)上恢復(fù)了研究區(qū)d2單層的沉積演化過程(圖10)，分析認(rèn)為：研究區(qū)沉積演化共經(jīng)歷四期：第1期兩主要分流河道攜沉積物進(jìn)入研究區(qū)東南部形成初期河口壩；第2期初期分流河道及河口壩進(jìn)一步前積向湖盆中心發(fā)展，同時側(cè)向擴(kuò)展，在兩主要分流河道間形成新的河口壩沉積；第3期為河口壩發(fā)育的主要建設(shè)階段，分流河道大幅度前積，使得河口壩發(fā)育范圍亦大幅度擴(kuò)展，幾乎覆蓋全區(qū)，同時分流河道進(jìn)一步分叉并控制形成4個河口壩；至第4期分流河道前積有所減弱，形成三個次級河口壩，最終使得河口壩連片分布，分流河道呈鑲嵌狀分布其上。

圖8 單一砂體邊界識別標(biāo)志Fig.8 Boundary identification criterions of single sandbody

圖9 三維分析確定各單一成因河口壩演化相對期次Fig.9 Sedimentary process identification in 3D analysis

圖10 d2單層沉積過程重建Fig.10 Sedimentary process reconstruction of d2 layer

4 結(jié)論

(1)牛莊洼陷南坡沙三中亞段發(fā)育三角洲和半深湖相灘壩兩種沉積環(huán)境，灘壩多為孤立分布，分流河道及河口壩多期復(fù)合使得砂體呈連片分布特征。

(2)目的層d小層自下而上對應(yīng)湖平面上升又下降的完整旋回，由三角洲前緣-前三角洲沉積過渡為半深湖，而后又演化為三角洲前緣，砂體展布由d4單層條帶狀過渡為d3單層孤立狀，而后過渡為d2和d1單層近連片狀。

(3)d2單層近連片砂體由4期河口壩疊置而成，第1期兩分流河道攜沉積物進(jìn)入研究區(qū)東南部形成初期河口壩，第2期分流河道及河口壩進(jìn)一步前積向湖盆中心發(fā)展，同時側(cè)向擴(kuò)展，第3期分流河道大幅度前積，使得河口壩發(fā)育范圍亦大幅度擴(kuò)展，同時分流河道進(jìn)一步分叉并控制形成4個河口壩；至第4期分流河道前積有所減弱，形成三個次級河口壩，最終使得河口壩連片分布，分流河道呈鑲嵌狀分布其上。