基于可容納空間變化的河流相演化新模式及其控藏作用
——以萊州灣凹陷墾利A 構造為例

王 航，楊海風，黃 振，白 冰，高雁飛

（中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

0 引言

河流相層序的發育模式長期以來一直是層序地層學領域研究的重要問題，許多學者已對此問題進行了深入的探討，并提出了各自的層序劃分原則與演化模式。早期的河流相層序研究主要是針對近海岸或明顯受控于海平面變化的地區。由于受海平面升降影響較大，這些地區發育的河流相地層單元常以不整合面為界限，并與海平面變化存在聯系，因此，能夠與海相層序進行對比。如Wright 等［1］認為河流層序內部可以劃分為類似海相層序的低位體系域、海侵體系域和高位體系域，低位體系域主要發育由河道下切形成的粗粒聚合河道砂體，海侵體系域發育大套細粒泛濫平原包裹的孤立曲流河道砂體，高位體系域發育由泛濫平原向河流相過渡的具有較好連通性的河道砂體。Shanley 等［2］提出將河流相地層追溯到同期形成的海相地層中，海平面的升降變化控制了近岸河道砂體的疊置樣式，進而依據河道砂體的互相切割與相對孤立的變化來進行層序地層劃分，但是，對于形成于大陸內部的河流相沉積，其層序地層的形成基本不受海平面變化影響，缺乏能夠與海相層序對比的標志性地層，不適宜用全球海平面變化來解釋層序地層的旋回性演化［3］。因此，非常規體系域的概念被引入內陸河流相層序，Fanti 等［4］和Catuneanu 等［5］都曾提出內陸河流的形態與類型的改變主要受可容納空間變化的影響，強調了分析高、低可容納空間變化的重要性。鄧宏文等［6］認為，構造和氣候因素對內陸河流相層序形成與發育的影響更為明顯，因此，基準面而非海平面是內陸河流層序研究的主要參照面。吳因業等［7］提出，對于不受海相或者湖相影響的內陸河流沉積，由于缺乏海侵或海退的濱線沉積證據，應采用非常規體系域對其進行層序地層劃分。

渤海海域館陶組主要為內陸河流相沉積，發育向上變細的含礫砂巖，在層序地層劃分上多以“基準面下降—上升”的二分式旋回為主，具有辮狀河—曲流河的演化特征。研究區位于渤海海域萊州灣凹陷南斜坡，其館陶組巖性存在“細—粗—細”的變化，導致儲層垂向差異明顯、平面砂體相變較快，難以沿用前述“基準面下降—上升”的二分式旋回進行層序劃分。以往對于萊南斜坡帶館陶組的研究，主要集中于構造演化特征［8］、斷裂發育特征［9-10］、油氣運移與富集規律等方面［11-12］，尚未對層序地層演化進行較為細致的研究。筆者以非常規體系域層序地層理論為指導，對館陶組地層進行基于可容納空間變化的層序劃分，分析河流相發育特征與演化模式，明確館陶組河流相儲層的平面展布特征，并結合該特征厘清館陶組油氣差異成藏機理，以期為該構造下一步勘探評價提供新的依據。

1 地質概況

萊州灣凹陷位于渤海南部海域郯廬斷裂帶內，是渤海海域重要的油氣富集區［13］，其東、西邊界受郯廬走滑斷裂控制，北側邊界受萊北一號斷裂控制，南側以濰北凸起為界，為具有北陡南緩特征的單斷箕狀凹陷。由于其主控邊斷裂發育在凹陷北側，使其盆地結構具有明顯的不對稱性，南北方向呈現北低南高的緩坡結構，平面上整體具有北東向的展布形態［14］。其南斜坡位于整個凹陷的構造高部位，依據滑脫斷層可劃分為內、外兩帶。內帶緊鄰萊州灣凹陷中心，與烴源巖匹配關系較好，同時受一組由郯廬走滑斷裂派生的近東西向的滑脫斷層控制，且大多斷至古近系烴源巖，油氣運移較為順暢；外帶為墾利A 構造主體所處位置，位于萊州灣凹陷南部盆緣位置，為具有基底背景的大型鼻狀構造帶，構造圈閉較為發育，并且受多條東西向展布的反向斷層控制，具有良好的油氣保存條件［15-16］（圖1）。外帶古近系在館陶組沉積前被大量剝蝕，新近系主要為潛山披覆型沉積，館陶組以河流相為主，明化鎮組以曲流河、淺水三角洲相為主，具備良好的儲蓋組合條件［17］。

圖1 渤海海域萊州灣凹陷區域位置（a）及南北向結構剖面（b）Fig.1 Regional location of Laizhouwan Depression in the Bohai Sea（a）and NS-trending structural cross-section of the depression（b）

2 河流相沉積類型及特征

渤海灣盆地在古近紀與新近紀之間發生了明顯的構造應力改變，進入新近紀后形成盆地相對整體沉降、廣覆式大范圍接受沉積的特點［18］。萊州灣凹陷處于整個盆地的邊緣位置，受宏觀構造背景的影響，在館陶組沉積期主要發育內陸河流相沉積環境，其物源主要來自于西南方向，河道大多呈近南西—北東方向延展，在平面上大體呈西部富砂、東部貧砂的分布特征。根據研究區探井的巖心、錄井、測井以及地震資料，結合構造背景分析，在館陶組河流相沉積中識別出網狀河、辮狀河和曲流河3種沉積類型（圖2）。

圖2 萊州灣凹陷墾利A 構造網狀河（a）、辮狀河（b）、曲流河（c）巖心分析Fig.2 Core analysis of anastomosing river（a），braided river（b）and meandering river（c）of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

2.1 網狀河

研究區網狀河沉積主要發育于館陶組沉積早期，包含河道充填與泛濫平原。河道充填主要由底部滯留沉積與側向壩構成，巖性以中—細砂巖、粉砂巖和泥質粉砂巖為主，粗粒物質（礫石、泥礫等）通常很少，偶見于底部滯留沉積，可見槽狀交錯層理、波紋層理和平行層理等沉積構造，底部可見滯留沖刷面；在GR，SP曲線上呈中—高幅齒化箱形、中—高幅指形。泛濫平原主要由灰綠色泥巖、泥質粉砂巖等細粒組分組成，具有水平層理和塊狀層理，在GR，SP曲線上呈高幅齒形。網狀河的河道充填通常具有向上變細的巖性序列，粗粒沉積大多集中于充填序列的中下部，砂地比較為適中，不同期次河道間存在較為穩定的泥巖隔夾層，河道砂體與周圍的泛濫平原沉積發育程度大體相當。

2.2 辮狀河

研究區辮狀河沉積主要發育于館陶組沉積中期，包含河道充填與河漫灘。河道充填由辮狀河道與心灘構成，巖性以細砂巖、含礫砂巖、含礫泥質細砂巖為主，礫石成分主要為石英，呈次棱角—次圓狀，可見平行層理、板狀交錯層理以及槽狀交錯層理等，辮狀河道底部可見明顯的沖刷面；在GR，SP曲線上呈低幅箱形、齒化箱形。河漫灘主要由淺灰色、紅褐色泥巖以及粉砂質泥巖組成，以塊狀構造為主，在GR，SP曲線上呈高幅齒形。辮狀河沉積整體呈向上變細的正旋回特征，但粗粒沉積自下而上都有發育，具有較高的砂地比，垂向上多期河道充填相互疊置，其發育程度一般要超過河漫灘沉積。

2.3 曲流河

研究區曲流河沉積主要發育于館陶組沉積晚期，包含河床沉積與泛濫平原。河床由河床滯留沉積與邊灘構成，巖性以細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖為主，其充填沉積物主要受河岸加積控制，發育槽狀交錯層理、板狀交錯層理、波紋層理、爬升層理等，河床底部可見較粗的滯留沉積物；在GR，SP曲線上主要呈中—高幅齒形、齒化鐘形。泛濫平原主要由灰綠色泥巖、粉砂質泥巖組成，以塊狀構造為主，在GR，SP曲線上主要呈高幅直線形。由于發育細粒沉積物為主、砂地比較低，曲流河巖性垂向上的韻律變化可能并不明顯。該時期的河道在垂向上被較厚層的泥巖隔層所分隔，河道砂體相對孤立，被廣泛存在的河漫灘泥巖所包圍。

3 層序地層格架及河流相演化模式

對于內陸河流相沉積，其層序的形成更多是受控于物源區和沉積區的構造升降、氣候以及地形地貌等條件。這些變化共同決定了區域性的基準面和可容納空間的改變，因此，識別區域性基準面是層序劃分的關鍵。研究區處于陸相盆地邊緣，館陶組沉積期受周期性構造運動影響，基準面變化的趨勢、速率均存在波動，須引入非常規體系域中的低、高可容納空間體系域等術語來加以描述［19-20］。

3.1 層序地層格架的建立

渤海灣盆地在東營組沉積末期發生整體抬升，使古近系遭受嚴重剝蝕，導致研究區古近系與新近系間存在廣泛的不整合界面，該不整合面在地震上表現為連續的強反射軸伴隨角度不整合，成為館陶組層序的底界面SB1［21］；之后進入館陶組沉積期，盆地發生整體坳陷，區域性基準面上升，可容納空間形成，使館陶組形成了以河流相為主的沉積體系，發育穩定的基準面上升半旋回地層；至館陶組沉積末期，研究區所處的凹陷盆緣位置發生局部構造抬升［22］，導致基準面顯著下降，可容納空間迅速減小，館陶組局部處于沖刷與侵蝕狀態，使基準面下降半旋回顯著缺失，表現為沉積間斷。因此，研究區明化鎮組下段與館陶組的分界面為一沉積間斷面，形成館陶組層序的頂界面SB2。依據頂、底2 個界面，將館陶組劃分為一個完整的三級層序（圖3）。

根據層序邊界特征和沉積旋回的組合關系，在對巖心、測井及地震等資料進行綜合研究的基礎上，發現館陶組自下而上具有“細—粗—細”的旋回特征。依據非常規體系域研究理論［23-24］，這種巖性粒度與組合樣式的變化反映了基準面與可容納空間的改變，表明館陶組沉積期存在不同體系域間的演化，因而將其進一步細分為3 個體系域，自下而上為早期高可容納空間體系域（HAST-1）、低可容納空間體系域（LAST）和晚期高可容納空間體系域（HAST-2）［25］。HAST-1 與LAST 之間形成體系域界面STB1，該界面在巖性上表現為由薄層砂巖與泥巖互層突變為大套砂巖夾少量泥巖隔夾層，在測井上表現為GR，SP曲線存在明顯的跳變現象，其中GR曲線由高幅齒形跳變為低幅箱形。LAST 與HAST-2 之間形成體系域界面STB2，該界面在巖性上表現為由大套砂巖夾少量泥巖過渡為大套泥巖夾少量薄層砂巖，測井上表現為GR，SP曲線由低幅箱形過渡為中高幅齒形-箱形。通過層序界面的識別，將研究區館陶組劃分為一個完整的三級層序，并進一步劃分為3 個體系域，從而建立了研究區館陶組的層序地層格架（圖4）。需要注意的是，對于非常規體系域的河流相層序模式來說，沉積物主要發育在基準面上升半旋回地層中；基準面的下降階段為河流所處的地表環境改變較為劇烈的階段，河流的側向沖刷與下切侵蝕作用都非常強烈，而在這種地表環境發生強烈改變的情況下，河流的斜度與坡降均不斷加大，導致其搬運能力進一步增強，沉積物難以得到有效保存，進而形成不整合面或沉積間斷面［26-27］。因此，研究區館陶組各體系域均形成于基準面上升階段，在基準面下降階段主要發生侵蝕作用，難以形成沉積，導致下降半旋回地層缺失［28-29］。

圖3 萊州灣凹陷墾利A 構造新近系館陶組沉積相與層序綜合分析Fig.3 Sedimentary facies and sequence stratigraphic analysis of Neogene Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

3.2 層序地層格架下的河流相演化模式

不同體系域內河流相的沉積演化主要受物源供給速率與可容納空間變化所影響。物源供給速率主要受剝蝕區氣候變化、植被覆蓋等條件控制，研究區館陶組沉積期物源主要來自南部的濰北凸起水系，氣候、植被等均未發生明顯的變化，因而認為物源供給速率大致保持相對穩定［30］。可容納空間主要受控于構造運動與基準面升降，研究區館陶組沉積期存在周期性構造活動，導致可容納空間不斷變化，因此，在物源供給穩定、可容納空間改變的情況下，產生不同體系域的變化，進而導致碎屑物在沉積區的體積分配與相分異作用存在差異，使得沉積物的保存程度、地層堆積樣式、沉積相序與相類型、巖石結構和組合類型等均不相同［31］。由此可見，通過研究體系域變化及建立研究區層序地層格架，有助于從成因上厘清不同時期河流相的演化規律（圖5）。

圖5 不同河流相儲層縱向沉積演化模式Fig.5 Sedimentary evolution model of different fluvial facies reservoirs

新近紀渤海灣盆地構造抬升減弱，開始接受沉積。此時研究區基準面快速上升、可容納空間逐漸增大，處于早期高可容納空間體系域階段。該階段物源供給速率與可容納空間增長速率較為接近，河流的搬運能力受到限制，其攜帶的相對細粒沉積物在垂向上加積，使地形坡度變緩，而地形坡度的變緩會進一步限制河道的搬運能力，這種趨勢有利于網狀河的形成［32］。研究區發育的網狀河特點主要為：河道彎曲度小，具有多河道特征，內部充填以河岸加積為主，巖性以砂、粉砂和泥巖混合物為主，整體呈下粗上細的正旋回特征。由于河道間存在半永久性的江心島或泛濫平原，導致其連通性受到限制，且垂向上各期河道發育較為孤立，缺乏切割疊置的現象。該時期發育的河道砂體一般少于周圍的細粒泛濫沉積［圖6（a）］。

經過早期的快速上升后，研究區基準面上升速率減慢，變化趨于平緩，新增可容納空間減小，早期發育的河流相沉積占據了沉積區的大部分空間，處于低可容納空間體系域階段。由于此時物源供給速率高于可容納空間增長速率，河流的搬運能力得到提升，同時地形坡度增大，河道所搬運的相對粗粒物質形成辮狀河，發育多期辮狀河道并列疊加的沉積樣式。伴隨著進積或低速加積作用，沉積物一般包含了河流層序中的最粗粒部分［33］。若基準面保持長期的平緩變化狀態，則會進一步壓縮沉積區的可容納空間，導致辮狀河道在側向上加寬，進而使河道發生橫向擺動，形成多期河道砂體同時在側向及垂向上相互疊置切割、相互連通的現象。研究區低可容納空間體系域主要發育多套厚層辮狀河道沉積，同時具有向上變粗的巖性序列，反映了在水動力較強、能量較高的沉積環境下，剝蝕區提供的物源逐漸向沉積區低洼處匯聚的趨勢。由于低可容納空間限制了河漫灘等細粒沉積的發育，該時期發育的河道沉積組分遠多于周圍泛濫平原組分，形成了廣泛分布的砂體［圖6（b）］。

圖6 萊州灣凹陷墾利A 構造館陶組網狀河（a）、辮狀河（b）、曲流河（c）沉積平面展布模式Fig.6 Lateral distribution model of anastomosing river（a），braided river（b）and meandering river（c）of Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

至館陶組沉積晚期，研究區發生局部小規模構造沉降，基準面再次快速上升，可容納空間迅速增大，處于晚期高可容納空間體系域階段。該階段物源供給速率遠小于可容納空間增長速率，使河流的搬運能力受到較大限制，發育較為簡單的河流沉積樣式，主要發育被細粒泛濫平原及河漫灘所包裹的孤立曲流河沉積，并伴隨著緩慢的側向加積及側向侵蝕的趨勢，導致河流具有較大的彎曲度，沉積物一般為河流相層序中的較細粒部分［34］。研究區晚期高可容納空間體系域主要發育孤立的曲流河沉積，以“泥包砂”為主要特點，反映了在弱水動力、低能量的沉積環境下，沉積區坡降逐漸減小、物源匯聚能力減弱的特點。與早期高可容納空間體系域相比，該時期由于受到小規模構造沉降的影響，基準面上升速率和可容納空間增加速率均更快，導致沉積物組分包含較高比例的河漫灘沉積，以大套河漫灘、泛濫平原沉積包圍薄層河道砂體為特點［35］，且河道彎曲度較高，以發育薄層孤立砂體為主，大多被泥巖包裹而不連通，含砂率相對較低，與早期高可容納空間體系域發育的網狀河具有一定差別［圖6（c）］。

研究區館陶組河流相沉積在垂向上有著網狀河—辮狀河—曲流河的演化過程。這3 種河流相沉積受控于層序地層的演化，分別形成于不同的體系域時期，而體系域是在不同基準面位置與可容納空間條件下變化的。網狀河發育于早期高可容納空間體系域。該時期區域構造抬升減弱，研究區剝蝕結束、沉積開始，處于基準面快速上升、可容納空間快速增大的條件下，物源供給速率低于可容納空間增大速率。辮狀河發育于低可容納空間體系域。經過早期的基準面快速上升后，該時期基準面變化逐漸趨于平緩，且沉積區大部分可容納空間被早期的河流沉積充填，導致新增可容納空間減小，此時物源供給速率大于可容納空間增長速率。曲流河發育于晚期高可容納空間體系域。該時期由于研究區局部存在小規模構造沉降，導致基準面迅速上升，可容納空間迅速增大，此時物源供給速率遠小于可容納空間增大速率。因此，在一個三級層序內部，基準面的周期性波動控制可容納空間的旋回性變化，而沉積區可容納空間的變化與剝蝕區物源供給能力共同決定了體系域的改變，從而導致了不同體系域下河流相的沉積演化［36-37］。河流相類型的演變，也反映了館陶組各沉積期不同的沉積環境與水動力條件（圖7）。

圖7 萊州灣凹陷墾利A 構造館陶組不同體系域地震屬性與沉積相平面分布Fig.7 Seismic attributes and sedimentary facies of different system tracts of Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

4 河流相儲層演化的控藏作用

在不同體系域條件下形成的河流相沉積，其儲層發育程度、單砂體厚度以及砂體橫向連通性等均有著較大的差別，這些因素極大地影響了萊州灣凹陷館陶組的油氣成藏與分布特征，導致墾利A構造各井區的油氣富集位置有所不同。

早期高可容納空間體系域主要發育網狀河沉積，其儲層發育程度介于辮狀河與曲流河之間，河道砂體在側向上存在相互切割、拼接，具有一定的橫向連通性，但由于河道間發育由半永久性的江心島或泛濫平原等細粒沉積組成的泥巖隔夾層，導致不同期次河道砂體在垂向上的連通性較差。這種河道砂體發育特征導致單期砂體內充注的油氣會沿著砂體的連通部位向高部位運移，但由于垂向連通性較差，油氣被限制在單期河道砂體內，從而形成數量相對較多但厚度較薄的油層［38］。因此，早期高可容納空間體系域發育的網狀河儲層以巖性-構造油氣藏為主，受到構造與巖性共同控制，但油層相對較薄，油氣豐度相對較低，且不同油層間無統一的壓力系統與油水界面。

低可容納空間體系域主要發育辮狀河沉積，在研究區的3 種河流相中儲層發育程度最高，河道發育程度超過河漫灘，具有較高的地層砂地比。由于低可容納空間限制了河道的垂向加積，使其在橫向上頻繁擺動、垂向上往復切割，使同期河道砂體在側向上連續貫通、多期河道砂體在縱向上相互疊置，具有良好的側向與垂向連通性。在這種情況下，相互連通的儲層砂體會成為油氣向上運移的通道，使其不斷向構造的高部位運移，最終在高部位的圈閉成藏。因此，低可容納空間體系域發育的辮狀河儲層以構造-層狀油氣藏為主，主要受構造形態控制，油層較厚、油氣豐度較高，且具有統一的壓力系統與油水界面。

晚期高可容納空間體系域主要發育曲流河沉積，其儲層發育程度在3 種河流相中最低，河道砂體一般要少于河漫灘，有些孤立的河道砂體甚至被廣泛發育的河漫灘或泛濫平原所包圍，導致地層砂地比較低、砂體橫向及垂向連通性均較差。在這種情況下，由于不同期次河道間存在大套泥巖隔層，受到厚層泥巖的阻隔，因而油氣缺乏持續向上運移的通道，使其主要在孤立的河道砂體內成藏，難以繼續向構造高部位運移［39］。因此，晚期高可容納空間體系域發育的曲流河儲層以巖性油氣藏為主，斷-砂耦合條件是成藏的關鍵，與油源斷裂形成良好匹配關系的河道砂體為油氣運聚的有利場所（圖8）。

圖8 萊州灣凹陷墾利A 構造油氣運移與成藏模式Fig.8 Hydrocarbon migration and accumulation pattern of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

5 結論

（1）依據不整合面將萊州灣凹陷館陶組作為一個完整的三級層序，其內部可進一步劃分為3 個體系域，由早期高可容納空間體系域（HAST-1）、低可容納空間體系域（LAST）和晚期高可容納空間體系域（HAST-2）構成。由于各體系域在基準面旋回中的位置及其可容納空間均不相同，導致河流相的類型隨著體系域的改變而不斷發生演化。

（2）萊州灣凹陷墾利A 構造館陶組河流相沉積主要包含網狀河、辮狀河和曲流河3 種類型，三者間存在著逐步演化的關系。早期高可容納空間體系域時期，基準面快速上升，可容納空間逐漸增大，物源供給速率低于可容納空間增長速率，主要發育網狀河沉積；低可容納空間體系域時期，基準面上升速率減慢，變化趨于平緩，新增可容納空間減小，物源供給速率高于可容納空間增長速率，主要發育辮狀河沉積；晚期高可容納空間體系域階段，基準面再次快速上升，可容納空間迅速增大，物源供給速率遠小于可容納空間增長速率，主要發育曲流河沉積。

（3）在不同體系域條件下發育的河流相儲層，其發育程度、疊置樣式、連通性質等均存在明顯的差異，這些差異決定了館陶組油藏的成藏特征。發育于早期高可容納空間體系域的網狀河儲層，其河道砂體在側向上具有一定的連通性，但由于垂向上存在穩定的泥巖隔夾層，導致砂體垂向連通性較差，主要形成巖性-構造油氣藏；發育于低可容納空間體系域的辮狀河儲層，其河道砂體較為發育，在側向和垂向上均具有相互切割、疊置的特點，連通性較好，形成構造-層狀油氣藏；發育于晚期高可容納空間體系域的曲流河儲層，其河道砂體發育程度較低，并被大套厚層泥巖所阻隔，側向及垂向連通性均較差，形成相對孤立的巖性油氣藏。