近源河流相辮狀河—曲流河微相轉換沉積特征及控制因素
——以劉官莊油田館陶組三段為例

趙一波，李勝利，周練武，馬水平，黃曉娣，韓 波，楊龍慶，李 寧，常 可

(1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083； 2.中國石油大港油田公司 第二采油廠，河北 滄州 061103)

0 引言

辮狀河與曲流河是沉積學研究的熱點，早期FRIEND P F等闡述現代沉積中辮狀河、曲流河共存的實例[1]；通過對現代河流的研究，LUNT L A等認為河型之間存在轉化[2]。早期研究多集中于單一河型的研究，而不同河型之間的轉化常常被忽視[3-4]，從倪晉仁等[5]和王隨繼等[6]對河型轉換和過渡早期的研究，到譚程鵬等[7]和張弛等[8]通過野外露頭實例解剖探討河型的轉換模式，以及李勝利等[9]對辮狀河—曲流河(辮—曲)轉換沉積特征的總結，除在野外露頭、現代沉積中能夠發現辮—曲轉換共存的現象外，在油氣勘探開發過程中也存在。陳彬滔等揭示Melut盆地Ruaman地區Jimidi組“辮—曲—辮”河型的轉換規律[10]；根據河流彎曲度，談明軒等分析渤海沙壘田地區明化鎮組辮—曲共存的沉積特征[11]。辮—曲河型轉化的問題在油田越來越受到重視，且逐漸成為河流沉積研究的前沿問題。河流相沉積中曲流河和辮狀河為我國陸相盆地重要的儲層[12]，目前對遠源河流相研究較多，對近源河流相研究較少[13-23]，尤其是近源辮—曲轉換的河流沉積特點有待討論，加強對河型轉化和過渡的研究具有重要的理論與實踐意義[24]。

黃驊坳陷新近系館陶組發育較完全，是主要含油層系之一。劉海等[25]認為黃驊坳陷西部孔店油田館陶組存在垂向上辮—曲轉換的現象。陳蓉等[26]和蒲秀剛等[27]早期認為黃驊坳陷南部的館陶組主要發育辮狀河沉積，目前的研究成果不足以支撐劉官莊油田館陶組的開發需求，河流儲層空間變化快、轉換復雜影響儲層開發，需要明確地下儲層的相帶分布規律與特征。筆者利用巖心觀察、測井、錄井和地震等數據，分析研究區測井特征和典型垂向沉積序列，基于井間砂體對比及貝葉斯地震隨機反演，明確新近系館陶組三段(館三段)的巖相類型，總結沉積微相識別模板，揭示辮—曲轉換規律和砂體沉積分布特征，探討辮—曲轉換控制因素，為研究區儲層研究和同類型油田勘探開發提供參考。

1 區域地質概況

劉官莊油田構造上位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部的埕海高斜坡帶，北部為歧南次凹，南鄰埕寧隆起，南北跨度約為12.0 km。全區發育4條NE走向的正斷層，受羊二莊及埕西斷層等控制被分割為4個斷塊(見圖1(a))，具有北斷南超的特點[28]。全區自下而上發育古近系東營組、沙河街組，新近系館陶組、明化鎮組及第四系平原組。作為黃驊坳陷兩大物源之一的埕寧隆起，位于東南部，距研究區最近為2.0 km，最遠為10.0 km，館陶組表現為近源沉積。

圖1 劉官莊油田區域構造位置及綜合地層柱狀圖

劉官莊油田鉆遇館陶組埋深為1.0～1.6 km，自下而上可分為3段，即館陶組三段(館三段)、館陶組二段(館二段)、館陶組一段(館一段)，從底部館三段到頂部館一段，砂泥分布及垂向砂體演化特征明顯。館一段的含砂率高，發育以箱形為主的辮狀河沉積，表現為大型厚層心灘壩多期次疊置“砂包泥”的特點(見圖1(b))，頂部到明化鎮組有曲流化趨勢(見圖1(b))。館二段、館三段為辮—曲交替沉積，辮狀河特征與館一段保持一致，曲流河電測井曲線為高伽馬、低電阻，發育厚層泥巖與薄層砂巖，含砂率大幅降低，表現為“泥包砂”的特點(見圖1(c))。

其中館三段在全區分布不穩定，古近系沙河街組沉積后，在區域構造演化背景上，館陶組處于熱沉降階段的拗陷期，埕海高斜坡發生短暫的差異構造運動[29-31]，東營組及沙河街組部分地層遭受剝蝕，與新近系館陶組呈角度不整合接觸關系[28]，館三中、下段受構造活動影響，不整合于下部地層之上[32]。劉官莊油田剝蝕區主要為中南部的三、四斷塊(見圖1(a))。

2 巖相與沉積微相

2.1 巖相類型

劉官莊油田館三段主要發育7種巖相類型(見圖2(a))。

(1)塊狀層理礫巖相(Gm)。由礫石組成，礫石顆粒分選一般，磨圓較好，發育塊狀層理，為辮狀河道底部滯留沉積。礫巖相常見于河流相河道底部，為強水動力條件下沖刷后河床滯留沉積，劉官莊油田館三段底部發育滯留礫巖，是館陶組區分其他層位的標志層，也是近源河流快速堆積的產物。

(2)槽狀交錯層理礫巖相(Gt)。由礫石組成，砂質充填，分選磨圓較差，發育槽狀交錯層理，為辮狀河道沖刷充填沉積。

(3)板狀交錯層理砂巖相(Sp)。以灰色中粗砂巖為主，發育板狀交錯層理，為順流加積或側向加積，存在于河道與砂壩。

(4)槽狀交錯層理砂巖相(St)。灰色中粗砂巖，為河道下切遷移產物。

(5)平行層理砂巖相(Sh)。以分選較好的中細砂巖為主，為高流態面狀層流沉積物質。

(6)塊狀層理砂巖相(Sm)。以中細砂巖或含礫不等粒砂巖為主，是在物源充足的情況下河流快速卸載堆積的產物。

(7)塊狀層理泥巖相(M)。發育紅褐色和灰綠色塊狀泥巖泛濫平原沉積，顏色不同反映沉積環境水體能量的差異，紅褐色泥巖反映水體能量較低，暴露于干旱的地表；灰綠色泥巖反映水體動蕩，時而短暫暴露于地表，時而處于水下。

巖相類型揭示劉官莊地區巖相垂向演化序列(見圖2(b-d))。館三中、下段為辮狀河沉積，宏觀上表現為灰色含礫不等粒砂巖的厚層沉積特征(見圖1(b)、圖2(b))，底部常見早期水道的塊狀層理礫巖相(Gm)，向上為強水動力條件下河道下切并遷移形成的槽狀交錯層理礫巖相(Gt)，其余主體發育板狀交錯層理砂巖相(Sp)的心灘垂向加積砂體，其上部為河道下切遷移形成的槽狀交錯層理砂巖相(St)和快速堆積卸載的塊狀層理砂巖相(Sm)(見圖2(b))。由于辮狀河道頻繁切割、擺動，易與心灘壩形成多期疊置的復合砂體，館三段辮狀河典型的巖相序列為Gm-Gt-Sp-St-Sm-M。館三中段辮狀河水動力減弱，河道更加發育，河道間多出現河間泥或泛濫平原泥巖，多見塊狀層理砂巖相(Sm)、槽狀交錯層理砂巖相(St)、平行層理砂巖相(Sh)，巖相序列為M-Sh-Sm-M與M-St-Sm-M，具有辮狀河“砂包泥”特點(見圖2(b))。這種先厚砂、再砂夾泥的垂向序列，是劉官莊地區館三中、下段辮狀河典型的特點。

館三上段為曲流河沉積，巖性以灰色含礫砂巖及中細砂巖為主，垂向上具有典型的曲流河厚層泥巖夾砂巖的“泥包砂”結構(見圖2(c-d))，單套砂體表現為單期次河道與點壩沉積的特征。曲流河沉積以下切充填形成的槽狀交錯層理砂巖相(St)、側積成因的板狀交錯層理砂巖相(Sp)為主，垂向序列為M-Sp-M與M-St-Sp-M，前者為點壩，后者為曲流河道。與館三中、下段的辮狀河相比，砂體厚度與沉積構造規模減小，泥質沉積厚度增大，粒度過渡為中細砂與含礫砂。

圖2 劉官莊油田館三段典型巖相類型與沉積序列

巖相特征揭示劉官莊油田館三段早中期辮狀河、晚期曲流河的沉積背景，體現沉積環境水動力條件變差、物源供給減弱的變化趨勢。

2.2 沉積微相識別

根據巖心觀察，結合巖相特征、巖屑錄井與測井資料，對劉官莊油田館三段進行沉積微相劃分，可識別6種(辮狀河道、心灘壩、泛濫平原、曲流河道、點壩、漫溢砂)河流體系沉積微相，利用測井和地震反射特征建立沉積微相識別模板(見圖3)。

館三段早期為辮狀河沉積，底部發育底礫巖[33]，錄井和巖心資料顯示，頂部灰綠色或紅褐色泥巖發育，厚度超過5 m(見圖4(a)、圖5(a))。館三中、下段測井曲線整體響應為箱形或鐘形，且帶有齒化現象，可識別辮狀河道、心灘壩、泛濫平原3種沉積微相(見圖3)，主要特征為：(1)辮狀河道。測井曲線為鐘形，帶有齒化現象，接觸關系為頂部漸變、底部突變，巖性以灰色含礫砂巖為主。(2)心灘壩。測井曲線為箱形、齒化箱形，伴有少量的漏斗形，接觸關系為頂部、底部突變，巖性以含礫不等粒砂巖為主。(3)泛濫平原。測井曲線為齒化線形，接觸關系為頂部、底部漸變，巖性以灰綠色泥巖為主。

圖3 劉官莊油田館陶組沉積微相識別模板

圖4 劉官莊油田館三段順物源沉積微相連井、地震反演剖面(剖面位置見圖1)

圖5 劉官莊油田館三段垂物源沉積微相連井、地震反演剖面(剖面位置見圖1)

館三上段發育厚層泥巖夾砂巖曲流河沉積，可識別曲流河道、點壩、漫溢砂、泛濫平原4種沉積微相(見圖3)，主要特征為：(1)曲流河道。測井曲線為鐘形、齒化鐘形，伴有少量漏斗形，接觸關系為頂部漸變、底部突變，巖性以灰色含礫砂和細砂巖為主。(2)點壩。測井曲線為箱形、齒化箱形，接觸關系為頂部、底部突變，巖性以灰色含礫不等粒砂巖和中細砂巖為主。(3)漫溢砂。測井曲線為低幅指形，接觸關系為頂底突變，巖性主要為灰色細砂巖。(4)泛濫平原。與辮狀河沉積類似，發育灰綠色、紅褐色泥巖。

3 沉積特征

黃驊坳陷南部發育羊三木凸起盆內物源和埕寧隆起盆外物源，羊三木凸起距劉官莊地區較遠，埕寧隆起位于研究區南側2.0～10.0 km處，研究區只受埕寧隆起物源供給及其產生的控沉作用影響[26,34-36]。在巖相、測井相分析的基礎上，結合地質統計學貝葉斯隨機反演及平面含砂率，確定沉積微相的垂向分布和平面展布，揭示近物源區河流相辮—曲轉換的特征。

3.1 砂體垂向分布特征

由順物源地震反演剖面AA′(見圖4(b))看出，館三中、下段砂體規模較大，發育程度高，延伸連片性強，砂體具有“南連北孤”的特征，二、三、四斷塊砂體多期疊置、連續，一斷塊分期孤立，砂泥間隔成層。在連井微相剖面(見圖4(a))上，全區砂體底厚頂薄、底砂頂泥的特點明顯，館三下段辮狀河道與心灘壩易形成復合砂體，中段砂體規模、延伸距離減小，泥質沉積增多，側面反映水動力條件減弱與不穩定，導致河道頻繁遷移；同時也引起河型的轉換，出現曲流河道微相和點壩沉積(見圖4(a)莊淺8、莊淺12井)。館三上段發育厚層泛濫平原和曲流河道、點壩砂體，偶見漫溢砂。受構造抬升影響，館三中、下段遭受剝蝕，部分地區只保留館三上段的曲流河沉積地層(見圖4(a)劉7-9井)，垂向向上、平面向北曲流化趨勢明顯。

由垂物源地震反演剖面BB′(見圖5(b))看出，館三段砂體規模、地層厚度自東向西減小，中、下段橫向連續且總體較好，向西變差，局部在莊淺33-41、劉1-18井之間砂體存在間斷，砂體垂向分層、分期特點顯著。連井微相剖面(見圖5(a))顯示，館三下段心灘河道橫向連通，縱向多期疊置，組合成大型復合砂體，厚度為10～20 m。館三中段東西兩側分別發育辮狀河和曲流河沉積，西側曲流河以河道、點壩沉積為主，伴有少量漫溢砂(見圖5(a))；東側辮狀河砂體厚度減薄，砂泥交替頻率升高，西側發育厚層泛濫平原沉積，泥巖顏色為紅褐色和灰綠色(見圖5(a))，反映劉官莊地區東西兩側水體能量西弱東強。館三上段只發育曲流河沉積，曲流河道和點壩砂體孤立分布，具有厚泥夾薄砂的特征。

3.2 砂體平面展布特征

研究區館三下段發育一條貫穿北西—南東向的主河道和一條北東—南西向的分支河道(見圖6(d))。館三下段沉積時期為館陶組辮狀河初期，受近物源埕寧隆起控制，水動力條件穩定且強，物源的充足供給使得河道寬闊且延伸距離遠。全區富砂中心集中在主河道的二、三、四斷塊，呈面狀連片分布。平面上，高含砂率區大型心灘壩發育，壩體隨物源距離加大而數量增多、規模減小(見圖6(b、d))。

館三中段整體含砂率大幅降低，富砂中心分東部、南部局限面狀型和北部條帶點狀型兩種(見圖6(a))，含砂率明顯分異和北部泛濫平原廣泛發育，表明河型出現分化。在辮狀河發育區，心灘壩為主要沉積體，但壩體大小和數量相較館三下段的有明顯減小與減少(見圖6(c-d))。水體能量減弱致使分支河道變窄，當水動力降低到一定程度時，分支河道發生曲流化而向研究區北部延伸形成曲流河(見圖6(c))。館三中段在同一時期出現辮—曲共存的現象，平面上，表現“東辮西曲、南辮北曲”的特點(見圖6(c))。

館三上段初期發生洪泛，垂向上，全區大范圍發育灰綠色厚層泥巖，辮狀河消失，泛濫平原廣布，河流類型轉變成曲流河(見圖4(a)、圖5(a))。

3.3 辮—曲轉換特征

綜合巖相與沉積特征，館三段河型垂向演化可劃分為3個階段：辮狀河階段、辮—曲過渡階段、曲流河階段，其中辮—曲過渡階段為辮狀河沉積，但曲流化特征明顯。

館三下段是水體流量最大、最穩定的辮狀河階段，河流搬運能量、物源供給強，沉積物粒度較粗，底部可見河道礫巖相沉積，巖相類型以槽狀和板狀交錯層理的含礫不等粒砂為主，是含礫的砂質辮狀河。垂向上，砂體多見垂向加積型心灘壩或河道與心灘壩多期疊置形成大型復合砂體，砂體厚度為10～20 m，鉆遇井含砂率超過80%(見圖4(a)、圖5(a)、圖6(b))。平面河道區寬闊，內部河道水體擺動強，不斷改道，使心灘壩發育在遍布像“辮子”一樣的河道之中，多個心灘壩易組合形成復合心灘，呈紡錘狀展布(見圖6(d))。

館三中段為辮—曲過渡階段，河流流量變化大、不穩定，搬運能力和物源供給弱于館三下段的辮狀河階段，塊狀層理、平行層理和槽狀交錯層理發育(見圖2(b))。垂向加積的心灘壩數量和厚度明顯減少，中粗砂的鐘形正韻律河道砂體沉積增多(見圖5(a)劉2-3井、劉3-12、劉1-18井等)，不穩定的水體使河道擺動頻繁，導致河道之間薄層河間泥出現頻率升高，含砂率下降到50%～90%，“砂包泥”的特征明顯，砂體的橫向連續性和縱向連通性一般，弱于辮狀河階段(見圖4(a)莊淺37-43井、圖5(a)劉3-12井)。在辮—曲過渡階段，辮狀河河道廢棄一般是緩慢廢棄，與活動河道錯綜相連，廢棄過程通常表現為辮狀河分支河道的發育和窄化或分支河道的曲流化，并不是真正意義上的廢棄，而是代表河型的轉化與河道廢棄過程中某一時期的特征。這種特點在劉官莊油田館三中段的河流平面形態表現為西部能量弱化的分支河道和中北部發育的曲流河(見圖6(c))。

館三上段沉積時期是河流演化的成熟期，水動力條件最弱，全區只發育曲流河微相，泛濫平原廣布，沉積灰綠色厚層泥巖，砂體沉積主要為鐘形曲流河道和箱形點壩，厚層泥巖夾砂巖是曲流河階段最典型的特征(見圖4(a)、圖5(a))，含砂率降低到40%以下，河型完成由辮狀河到曲流河的轉換。

劉官莊油田館三段河流具有垂向“先辮后曲”、平面“東辮西曲、南辮北曲”的辮—曲沉積格局，砂體分布呈“早期疊置、中期過渡、晚期孤立”的特點(見圖4(a)、圖5(a)、圖6(c-d))。

圖6 劉官莊油田館三中、下段含砂率和沉積微相平面展布

4 控制因素

從館三下段沉積初期的辮狀河，到館三中段出現的辮—曲共存沉積現象，再到館三上段完全發育曲流河，河型轉換在較短的地質時期演變完成。在河流發育過程中，多重因素控制河型的演化，根據研究區沉積特征、構造特征和河型演化規律，明確沉積物源供給減弱、氣候向炎熱轉變、地形坡度減緩、基準面旋回上升4種因素在河流辮—曲轉換過程中起主要作用，其中構造作用引起的物坡效應是核心因素。

4.1 物坡效應共控沉積

地形坡度陡緩直接影響水動力大小，是影響河型轉化的外在因素，物源供給是河型轉化的內在因素，體現在物源供給充足與否及物源的遠近。陡坡供水能力強，攜帶碎屑物粒度較粗，易發育辮狀河；緩坡水流量小，搬運能力弱，攜帶碎屑物質較細，易發育曲流河。

劉官莊油田位于歧南地區埕北斷階帶，具有典型的坡折帶控沉作用，坡折帶砂體具有厚度大及縱向疊置、橫向連片發育的特點，沉積砂體極易形成富集區[37]。研究區古近系沉積時期為構造活動強烈的斷陷時期，沉降特征差異性分布明顯，東營組暴露于地表而發生剝蝕，有大量的碎屑物作為物源供給。新近系館陶組進入熱沉降階段，大范圍的緩慢沉降取代斷陷時期的差異沉降，造成古地形坡度較陡[26,38]。地震剖面顯示，自物源方向的四斷塊至一斷塊，構造逐漸降低，地形的高低差異造成典型的坡折帶，形成以埕西斷層、莊6斷層、羊二莊斷層為界的階梯臺階(一級、二級、三級、四級臺階)(見圖7)。這種構造作用形成的高坡度和靠近古隆起充足的物源供給組成的物坡效應，使館陶組沉積初期沉積物快速堆積并發育辮狀河。隨碎屑物搬運距離的增大，水動力條件和物源供給減弱，河流易發生曲流化。羊二莊斷層作為岐口凹陷中一級、二級構造單元的東界，具有控沉作用[24]，控制沉積的不同因素間發生關聯而產生同向或反向影響[39]。羊二莊斷裂控制的深斷裂體系，使得地形、坡度高差與物源搬運距離對沉積產生的影響發生對沖，對水動力強弱有正面效應。受此影響，即使在距物源最遠的一斷塊，館三上段辮狀河也穩定發育。館三段構造運動處于熱沉降拗陷期，為大范圍的緩慢沉降[33]，熱沉降斷陷期結束時，館三下段的快速堆積對地層填平補齊，導致館三中、上段物坡控砂效應減弱，坡度降低，水體流量減小，攜帶物源碎屑物能力減弱，是館三中段沉積后期河流辮—曲轉換的核心因素。

圖7 劉官莊油田館陶組順物源地震剖面(剖面位置見圖1)

4.2 氣候、基準面旋回耦合作用

古氣候和基準面旋回宏觀影響河型轉換，氣候環境的濕潤與干燥影響降雨量的多少，進而影響水流量的強弱，基準面的高低決定可容納空間的大小。館三段沉積初期經歷東營運動使盆地基底抬升，導致區域地層基準面下降[33]，可容納空間減小，在濕潤氣候下的河水流量充沛，配合物坡效應的正向作用，館三下段辮狀河發育。古氣候由館三段沉積初期的濕潤向館二段沉積時期的干燥轉變，館三下段辮狀河沉積后，基準面開始上升，且位于上升初期，可容納空間開始增大[25,33,40]，再加上物坡控砂作用影響，河型開始過渡轉換，向成熟的曲流河演化。氣候的干燥和基準面的上升對館三段沉積中后期河流辮—曲轉換起輔助作用。

5 結論

(1)劉官莊油田館陶組三段辮狀河和曲流河主要識別7種巖相：塊狀層理礫巖相、槽狀交錯層理礫巖相、板狀交錯層理砂巖相、平行層理砂巖相、塊狀層理砂巖相、槽狀交錯層理砂巖相、塊狀層理泥巖相。測井自然伽馬曲線主要為箱形、鐘形、箱形—鐘形組合、指形、線形5類；主要確定6種沉積微相，辮狀河發育辮狀河道、心灘壩、泛濫平原3種沉積微相，曲流河發育曲流河道、點壩、泛濫平原、漫溢砂4種沉積微相。

(2)研究區近物源河流河型變化周期短，平面相帶轉換快。館三段河流河型演化經歷辮—曲轉換，垂向呈“先辮后曲”，平面呈“東辮西曲、南辮北曲”的辮—曲轉換特點。館三下段到館三上段砂體呈縱向疊置、橫向連續為逐漸減弱趨勢，表現“早期疊置、中期過渡、晚期孤立”的特征。

(3)在河型轉化過程中，館三段主要受三種因素共同控制。隨基準面升高，可容納空間增大，物源供給相對減弱，地形坡度變緩，古氣候影響下的古環境變得干燥，館三段完成由辮狀河向曲流河的轉換。