深水重力流沉積機理新認識及其在北海G油田發(fā)現中的應用*

李建平 劉子玉 謝曉軍 方 勇

(1. 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028； 2. 中國海洋石油國際有限公司 北京 100027)

1936年，Daly應用懸浮沉積物產生的水下密度流解釋海底峽谷的成因;1939年，Johnson引入了術語“濁流”來稱呼這種流體，并且把濁流沉積物稱作濁積巖[1]；1950年，Kuenen等發(fā)表了具劃時代意義的論文《濁流為形成遞變層理的成因》[2]，從此掀開了濁流研究新篇章；1962年，Kuenen的學生Bouma應用濁流理論提出了被稱為“鮑馬層序”的著名濁流模式[3]。早期學者注意到很多濁流沉積現象，并進行了詳細的觀察描述，但未能給出合理的沉積機理解釋，如Bouma(1962)認識到濁積序列中既有高能流體沉積又有低能流體沉積，經常見到序列不全現象[3]；Lowe(1979、1982)注意到了懸移質沉積[4]；Stow(1986)注意到有粒序變化泥巖和無粒序變化泥巖，有別于低能的正常海相泥巖，但局限于細粒沉積中[5]。Shanmugam認識到高能事件沉積包括塊體流沉積和濁流沉積，濁流沉積包括狹義濁流沉積和碎屑流沉積[6]，但認為塊體流和濁流是先后關系，實際上它們是并列關系，沉積機理完全不同。

由于缺乏統(tǒng)一認識[7-8]，目前關于濁流的術語繁多，如彈性流體、塑性流體、賓漢塑性流體、牛頓流、巖屑流、顆粒流、水下泥石流、液化流、異重流等。這些名詞大多是流體方面的，不少地質工作者并不了解，對它們形成的沉積物難有準確認識[9]。濁流沉積類型非常多，有的是重要勘探對象，如富砂濁積體；有的不具勘探價值，如塊體流混雜堆積[10]、碳酸鹽巖濁積體[11]、泥質濁積體[12]等。即使是富砂濁積體，由于其內部復雜，從匯水區(qū)到深海平原，不同階段形成的沉積內部組成、厚度、分布范圍和疊置方式變化很大。筆者統(tǒng)計了國內外160余個以重力流沉積為勘探目標的儲層預測效果，超過3/4的探井儲層不發(fā)育或非均質性強，儲層預測成功率僅為25%，說明對重力流沉積富砂機理、主控因素、內部組成等認識不清。

1 深水重力流沉積機理新認識

深水重力流是由重力驅動的含有大量碎屑物質的高密度流體，其形成條件包括充足的水深、足夠的坡度角和密度差、充沛的物源和一定的觸發(fā)機制[22]。觸發(fā)機制包括地震、海嘯甚至洪水等[23-24]。

1.1 深水重力流分異作用

深水重力流屬于事件性的流體，包括前期的高能流體和后期的低能流體。在特定條件下，重力流的產物可表現為不同的形式。受控于坡度角(圖1)，高能流體發(fā)生分異作用，可劃分為分異作用好和分異作用差2種。

圖1 重力流隨坡度角變化示意圖Fig .1 Schematic diagram of gravity flow changing with slope angle

1) 濁流。分異好的重力流稱為濁流，包括狹義濁流和碎屑流，狹義濁流的顆粒靠水基支撐，為水和砂礫的混合物，其沉積物具有粒級遞變、流動構造、撕裂構造等，為干凈的砂礫巖，是非常重要的勘探目標；碎屑流顆粒靠泥質支撐，含有泥礫、植物根碎屑等漂浮物，見反遞變層理、振動篩作用，呈懸浮狀而整體具流動性，其沉積物具有碟狀構造、泄水構造、漂浮礫等(圖2)。

注：巖心來自英國北海盆地1井上侏羅統(tǒng)圖2 濁流沉積層序及典型巖心照片Fig .2 Turbidite and its typical cores

2) 塊體流。分異差的重力流稱為塊體流，顆粒靠雜基支撐，內部剪切面提供了運動的條件，內部變形，失去了原來的物質聯(lián)結關系。形成塊體流的坡度角一般很大。塊體流沉積物碎屑的粒級變化大，具流動構造、撕裂構造，遞變差或無遞變，可有反向遞變。高能事件之后會有牽引流出現，形成大量具有層理構造的細粒沉積(圖3)。

注：巖心來自英國北海盆地1井上侏羅統(tǒng)圖3 塊體流沉積層序及典型巖心照片Fig .3 Mass transport deposit and its typical cores

濁流沉積序列中濁流—碎屑流—牽引流沉積往往同時出現(圖2)，下部為狹義濁流沉積，為砂巖、砂礫巖，正粒序，發(fā)育遞變層理、塊狀層理或平行層理；中部為碎屑流沉積，發(fā)育漂浮礫、泥巖撕裂屑、泄水構造等；上部為牽引流沉積，粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖，發(fā)育波紋交錯、波紋、水平層理。具體到每期重力流事件，這3種巖相的發(fā)育程度、厚度和分布范圍有很大的變化，也就是鮑馬序列不全現象。

1.2 深水重力流成因機制

1) 濁流沉積。其成因機制可以解釋為在陸架上的某一匯水區(qū)，遭受一定的觸發(fā)機制，位于下部的密度大的砂礫由水攜帶快速沿陡坡下滑到盆地中堆積下來；密度較小的泥質碎屑和泥礫及其中的漂浮物以泥基碎屑流的形式隨后沿陡坡下滑疊置在前面沉積的砂礫之上；它們之上是事件末期相對平靜時期的牽引流沉積，具層理構造。這些流體形成的濁積體分布于局限性的或開闊的海域中。有的離陸架近，有淡水注入標志，如菱鐵礦團塊等；分布于開闊海環(huán)境中的，由于富氧，生物化石豐富；在局限海沉積中的化石稀少。

2) 塊體流沉積。主要發(fā)育于盆地裂陷初期，陸架不發(fā)育的陡岸。物源區(qū)位于陡坡高地，匯水面積小，提供物源的巖石堅硬，干旱氣候制約了碎屑物質供應。在洪水季節(jié)，分選磨圓極差的碎屑物質從陡岸直接落于半深海—深海之中而形成。往往沿陡岸坡底成裙狀分布，這樣的塊體流沉積分異很差。

夏天掛了電話，葉曉曉從沙發(fā)上站起來。也許不是什么事情都可以溝通的，但我們可以去試一下，不試試怎么知道行不行呢？這是夏天說過的。也許老天爺沒有給他雙眼，所以特地給了他一顆善感而明澈的心。

值得注意的是，同樣位于陡岸，在潮濕多雨的時期，物源區(qū)巖石比較松軟的地區(qū)，匯水面積較大，碎屑物質受限制程度小且可以相對長期、多期次供應，在陡岸坡底形成的高能流體有一定分異的塊體流沉積。相比于高能流體來不及分異的塊體流沉積，有一定分異的塊體流沉積可以成為儲層，但在空間上仍受限制，碎屑物質以粗顆粒為主，分選磨圓差。在縱向上，二者經常交互出現，在平面上高能流體有一定分異的塊體流沉積可分為內扇、中扇和外扇等部分，其中內扇部分的巖性與高能流體來不及分異的塊體流沉積的主體相似，中扇和外扇分選相對好，可以作為儲層，但規(guī)模小。北海有多個這樣的油田，勘探開發(fā)潛力有限。上部為低能牽引流形成的砂泥巖薄互層，砂巖具有波紋交錯層理。

2 富砂濁積體內部組成及最佳儲層發(fā)育部位

濁積體內部組成非常復雜，由于砂體相互疊置，砂泥交互沉積，導致儲層非均質性強，即使同一事件內不同流體沉積的厚度和分布范圍也有很大變化，局部發(fā)育的滑塌沉積使砂體分布更為復雜。

從匯水區(qū)到盆地中心，一次濁流沉積的過程可以分為4個階段：路過沉積、限制性溝道、溝道和朵葉結合部、朵葉邊緣和遠緣(圖4)。

圖4 富砂濁積體沉積過程Fig .4 Deposition process of sand-rich turbidites

1) 路過沉積。濁流分為頭部、主體和尾流。當其在高部位陡坡處下沖時，頭部和主體經過斜坡，進入盆地中心，尾流以薄層砂巖的形式沉積下來。路過沉積是高能流體沉積，與正常海相低能泥巖夾薄層砂巖有本質的區(qū)別。正常海相泥巖為低能沉積，即使夾有一些碎屑，也以薄片狀化石殼等為主。路過沉積薄層砂巖放大后顯示為透鏡狀，頂面突變、底面侵蝕。路過沉積雖然本身不能成為儲層，卻預示著前方有砂體。

2) 限制性溝道。具有底部沖刷面，下部砂巖、砂礫巖段含有遞變層理、塊狀層理。上部為層理狀細砂巖、粉砂巖和泥巖段，為重力流高能事件之后相對低能的牽引流沉積。限制性濁積溝道沉積層序中還發(fā)育溢岸沉積，包括天然堤、決口扇。決口扇為正粒序砂巖疊置在下伏泥巖、粉砂巖之上，底沖刷不明顯，天然堤為紋層狀粉砂巖、泥巖的頻繁互層。由于碎屑流沉積、甚至塊體流沉積、溢岸沉積的存在，嚴重加劇了限制性濁積溝道沉積的非均質性。

3) 溝道和朵葉結合部。濁積溝道沉積和朵葉是一個整體，自然過渡，渾然一體，沒有明顯的界限。一般來說，形成朵葉的流體能量遠小于形成濁積溝道的。朵體往往由多個朵葉組成，單個朵葉可分為核部、核緣、邊緣、遠緣等4部分。朵葉核部主要為塊狀砂巖，朵葉核緣牽引流沉積有所增多。朵葉核部和核緣與溝道沉積結合在一起組成溝道和朵葉結合部，在此階段，濁流基本不受約束，砂層厚、分布廣、顆粒粗而且干凈，碎屑流、塊體流沉積不發(fā)育，沒有溢岸沉積，砂體分布比較均勻，是最佳儲層發(fā)育位置。

4) 朵葉邊緣和遠緣。朵葉邊緣和遠緣處于相帶的末端，主要以泥巖為主，夾向上變細薄層砂巖。

3 富砂濁積體主控因素

深水重力流沉積的控制因素涉及物源、構造運動與斷裂、古氣候、古地貌、坡度角、水體密度差等。從勘探開發(fā)實際出發(fā)，富砂濁積體是我們的勘探目標，分析表明其主控因素包括物源區(qū)巖性、構造運動和斷裂等。

3.1 濁積體物源區(qū)巖性對富砂濁積體的決定性作用

物源區(qū)巖性是濁積體富砂與否的首要因素。來自大型三角洲前緣、濱面砂的濁積體，由于物源區(qū)碎屑顆粒大小適中，磨圓好、泥質少，這類濁積體儲層物性普遍較好。圖5是土耳其南部一個中新世重力流沉積露頭，在約500 km2范圍內，有物源來自扇三角洲、辮狀河三角洲前緣、濱面砂的富砂濁積體，亦有來自淺海陸架灰泥的碳酸鹽巖塊體流沉積和泥質塊體流沉積。西非某地區(qū)，由于忽視了物源區(qū)巖性對濁積體的重要性，造成儲集層失利，該濁積體物源來自陸架灰泥，而該區(qū)南部發(fā)育來自以三角洲前緣砂為物源的濁積體，儲層較為發(fā)育，已有油田發(fā)現證實。

圖5 物源區(qū)巖性對重力流沉積的影響Fig .5 Influence of lithology in provenance area on gravity flow deposition

3.2 構造運動對富砂濁積體的控制

構造活動直接控制了深水重力流沉積的性質與規(guī)模。實例來自北海A油田，該油田位于北海中央地塹，發(fā)育晚侏羅世濁積體。斷陷初期，構造活動較弱，水體規(guī)模小，沒有形成相對固定的濁積溝道，以小規(guī)模塊體流沉積或局部發(fā)育的塊體流沉積為主，分布范圍局限，側向連續(xù)性差，明顯受海底地貌控制；斷陷擴張期，隨著構造活動增強，砂體沿與斷裂活動有關的海底低地分布，局部明顯加厚且側向分布范圍擴大，仍以塊體流沉積為主；而到了斷陷晚期，構造活動相對穩(wěn)定，水體規(guī)模大，濁積溝道相對固定，碎屑物質集中以濁流形式向深水區(qū)進行搬運，沉積了總厚約90 m的多期席狀濁積砂巖，側向分布較廣，是該油田的主力油組。

3.3 斷裂對富砂濁積體的控制

多級斷階帶是由2個及以上斷階構成的地形坡度逐級突變帶，一方面其構成了陸源碎屑物由匯水區(qū)向深海平原長距離搬運的有效輸送通道，另一方面各級斷階也是富砂濁積體堆積的有利場所。靠近富砂物源區(qū)的斷階對濁積體有攔截效應，粗粒沉積物更容易在此堆積。實例來自北海某油田(圖6)，靠近富砂物源區(qū)斷階上的濁積體(B油田)明顯好于位于末級斷階或深海平原的濁積體(E油田)。B油田砂層伽馬曲線以箱型為主，單層厚度普遍大于20 m，多套厚層砂巖縱向疊置現象明顯，反映了溝道和朵葉結合部特征。E油田發(fā)育砂泥巖薄互層，厚砂層層數少，分布比較分散，最大單層厚度不足10 m，厚砂層內夾有薄層泥巖，表現出朵葉邊緣和遠緣沉積特點。

圖6 斷裂對富砂濁積體的控制作用Fig .6 Control of fault on sand-rich turbidites

4 在北海G油田大發(fā)現中的應用

北海G油田位于北海中央地塹的西部，界于Forties Montrose凸起和Western 地臺之間。研究區(qū)目標儲層為上侏羅統(tǒng)Heather組濁積砂巖和Fulmar 濱面砂巖(圖7)。隨著裂陷擴張，持續(xù)海侵，Fulmar砂巖從西中央地塹中心向Forties Montrose 凸起和 Western 地臺退積。受鹽巖作用影響，海盆加深，這些濱面砂又被活化成為Heather組濁積體的物源。

圖7 G構造地質剖面圖Fig .7 Geology profile of G structure

G構造所在斷階帶已有數口井鉆遇濁積砂體，分析表明以溝道和朵葉結合部為主(圖8a、c)，而溝道和朵葉結合部是儲層發(fā)育比較有利的位置。統(tǒng)計數據表明，Fulmar濱面砂巖平均孔隙度18%～24%，平均滲透率 150～250 mD，平均凈毛比 70%；Heather濁積砂體溝道和朵葉結合部儲層物性好，平均孔隙度 20%～25%，平均滲透率 200～300 mD，平均凈毛比 20%～50%。G構造西側的A井鉆遇Fulmar 濱面砂巖和 Heather 濁積砂巖儲層，孔隙度為5%～27%，平均20% ，滲透率為0.4～155 mD，顯示良好的物性特征(圖8b)。

這些砂巖都在最大海泛面之下，物源主要來自東面的Forties Montrose凸起(圖8c)。

圖8 G構造鉆前儲層預測Fig .8 Reservoir prediction of G structure

通過模擬G構造及其周圍幾個構造的儲層分布及厚度，砂體分布范圍寬廣，厚度為15.2～304.8 m。這一結果也與地質解釋和構造約束下的沉積模式吻合。

濱面砂作為良好的物源為富砂濁積體沉積提供了物質，且G構造處于溝道和朵葉結合部有利位置，具備了發(fā)育富砂濁積體的有利條件。G井設計井深5 030 m，于2018年完成鉆探，在Heather組Freshney濁積砂體(為主)和 Fulmar濱面砂巖中均有發(fā)現，儲量達億噸級，是北海十年來最大的勘探發(fā)現。

5 結論

1) 基于野外露頭、巖心和已發(fā)現油田實例分析，對傳統(tǒng)深水重力流沉積機理進行了厘定，根據勘探開發(fā)實際需求，將深水重力流沉積分為分異好的濁流沉積和分異差的塊體流沉積，前者中富砂濁積體是勘探目標。

2) 從匯水區(qū)到深海平原，富砂濁積體的沉積過程可分為4個階段：路過沉積、限制性溝道、溝道和朵葉結合部、朵葉邊緣與遠緣沉積，其中溝道和朵葉結合部由于塊體流、碎屑流沉積不發(fā)育，是富砂濁積體儲層最佳發(fā)育部位。

3) 物源區(qū)巖性是控制富砂濁積體的決定性因素，構造活動及其演化直接控制了深水重力流沉積的性質與規(guī)模，多級斷階坡折帶是富砂濁積體有利發(fā)育位置，且不同斷階的砂體規(guī)模差異顯著。三角洲前緣砂、濱面砂等是最好的物源，當濁流經過多級斷階時，靠近物源斷階上的砂體最富砂，位于末級斷階或深海平原的砂體可能單層薄、顆粒細、泥質多，勘探價值小。

4) 北海G構造位于靠近物源區(qū)的斷階帶上，Forties Montrose凸起上的水系和濱面砂為Heather組Freshney濁積體提供物源。新認識成功預測了G構造儲層，鉆探證實了該構造Freshney濁積砂體(為主)和Fulmar 濱面砂巖中均含油氣，是北海十年來最大的發(fā)現。