遼河西部凹陷曙北地區沙四段薄砂層成因類型及分布規律

宋 兵，王 波，劉興周，劉少治，陳希光，盧文忠

1.中國石油杭州地質研究院，浙江 杭州310023；2.中國石油遼河油田公司 勘探開發研究院，遼寧 盤錦124010

0 引言

近年來，隨著油氣勘探程度的不斷提高，國內大多數盆地工作重心逐步向巖性地層油氣藏轉移，已陸續開展薄砂層的預測及油氣勘探［1-9］，特別是東部斷陷盆地，勘探程度較高，薄層砂體日益受到人們的重視.這類砂體一般厚度只有半米至幾米，橫向變化快，非均質性強，常與泥巖形成薄互層，預測難度大；但在地層中大多被優質烴源巖所包裹，有得天獨厚的油氣源優勢，油氣一次運移就可成藏，還伴有超壓.勘探生產表明這類砂體油氣顯示以及生產效果都較好，因此潛力較大.同時，受“灘壩”研究熱潮的影響［10-14］，很多學者將薄砂層等同于灘壩砂體，進而影響對薄砂層的深入認識和下一步勘探部署.

遼河西部凹陷曙北地區沙河街組四段大面積發育薄砂層（以沙四上亞段為例，地層厚度一般105～190 m，平均165 m；單砂層厚度一般1～6 m，平均1.8 m；累計砂巖厚度一般5～30 m，平均約23 m），鉆井都見很好的油氣顯示，特別是SHG155井和SH134井已見到了工業油流，而且生產效果好，展現出很好的勘探前景.前人研究［15-16］認為，該區沙四段為辮狀河三角洲－湖泊沉積體系，薄砂層為灘壩沉積，與西部凹陷中南部（沙四段主儲量區）扇三角洲水下分流河道砂體的傳統認識相矛盾.該區的薄砂層類型仍然不明確，這將直接影響薄砂層的分布預測及下一步的勘探部署工作.本文通過巖心、鉆測井及分析測試資料，對研究區沙四段薄砂層成因類型及典型特征開展研究，同時預測沙四段各砂層組的沉積展布特征，分析薄砂層分布的主控因素，歸納總結薄砂層沉積模式，以期為該區下一步勘探部署提供依據.

1 地質概況

遼河西部凹陷位于渤海灣盆地遼河斷陷的西南部，為中國東部典型的東斷西超式斷陷型富油氣凹陷，在平面上可劃分為9個構造單元［17］（圖1a）.曙北地區包含其中的西部緩坡區中段以及盤山－陳家洼陷部分區域（圖1b），是在斜坡背景上發育的一個北東走向、南東傾向的單斜構造，面積約200 km2.區內斷裂體系發育，主要表現為多條北東走向、南東傾向的正斷裂，使得研究區構造復雜化.曙北地區基底由太古宇（Ar）和部分中新元古界（Pt2－3）構成，新生界自下而上依次發育古近系房身泡組（Ef）、沙河街組（Es）、東營組（Ed），新近系館陶組（Ng）和明化鎮組（Nm），并被第四系（Q）沉積覆蓋.目前發現太古宇、元古宇、沙河街組等多套含油層系.區內已建成曙光油田，東北部為雷家碳酸鹽巖油田，西南部為杜家臺油田，表明研究區油氣資源豐富.沙河街組四段（Es4）為一個完整三級層序，與下伏房身泡組為假整合至不整合接觸，其沉積物是湖盆擴展發育時期形成的，泥頁巖分布很廣泛［18］，整體巖性為巨厚的暗色泥頁巖（厚度200～300 m）夾少量薄層砂巖（單層厚度一般1～6 m）、泥灰巖、白云質灰巖、鮞灰巖等，自下而上分為兩個油層，下部高升油層發育薄層油頁巖、泥灰巖夾薄層砂巖，上部杜家臺油層段主要為砂巖、粉砂巖與泥巖間互.在油層組基礎上依據沉積旋回，本研究共精細劃分了5個砂層組，分別是杜家臺油層Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂組和高升油層Ⅰ、Ⅱ砂組（圖1c）.

圖1 研究區地質構造及綜合柱狀圖Fig.1 Tectonic map and comprehensive column of the study area

2 薄砂層成因類型及特征

研究區沙四段垂向上具有厚泥薄砂的特征，如曙134井杜家臺油層，地層厚度196.5 m，累計砂厚31.5 m，砂地比16%；單砂層厚度1～5 m，共14層，平均2.25 m/層，而且這些薄砂體橫向變化快，非均質性強.根據巖心觀察、巖石成分、結構、沉積構造特征，結合巖電組合特征以及沉積背景分析，在研究區共識別了扇三角洲和湖泊2個主要的沉積體系.砂體成因類型主要有扇三角洲前緣的水下分支流河道、河口壩，以及濱淺湖中的低隆灘壩和沿岸淺灘，共4類.各類砂體由于沉積環境、水動力條件不同，其巖性、層理構造、垂向序列、測井曲線及地震響應特征也各不相同（圖2）.

2.1 水下分流河道

研究區水下分流河道砂體較發育，由于搬運距離較遠，主要為前緣遠端型.巖性以中—細砂巖為主，少量粗砂巖和粉砂巖，中—薄層狀，單層厚度一般為4～8 m，疊加厚度最大可達20～40 m，砂泥巖分異較好.由于主要位于前緣遠端，水動力大幅減弱，在巖心上，水道底部的沖刷面發育不明顯，整體上礫石很少見，但反映牽引流的交錯和平行層理較發育.單期水道一般下部發育交錯層理中—細砂巖，向上漸變為平行層理粉細砂巖、波紋層理泥質粉砂巖，頂部殘留部分灰色、深灰色水平—韻律層理泥巖和粉砂質泥巖.縱向上常見多個正粒序水道疊置.測井曲線為中高幅鐘形、齒化箱形曲線組合.齒中線水平，近底部下傾，上部細齒增多，內收斂.底部大多見突變特征，如圖2中SH602井測井曲線－1的2212～2219 m井段.鐘形反映了一期完整的水流勢能由強變弱的過程，箱形反映厚度較大的多期疊加層序［19］.地震上主要呈中強振幅、較連續型反射，具前積或退積反射特征，如圖2中過SHG154井地震剖面虛線內（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

2.2 河口壩

研究區巖心上觀察到較少，主要由于水下分流河道頻繁改道，河口壩砂體很難保留下來.巖性比水下分流河道略細，以粉—細砂巖為主，垂向組合多為反韻律，也可見復合韻律，單韻律層厚度一般僅為0.2～0.5 m.河口砂壩的層理構造與水下分流河道不同，幾乎不見沖刷面，主要發育水平層理及小型交錯層理.自然電位和電阻率曲線呈中高幅漏斗狀，如圖2中SH602井測井曲線－2的2229.5～2231 m井段.地震相則表現為中弱振幅，斷續、疊瓦狀反射特征，如圖2中過SH131井地震剖面虛線內（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

圖2 曙北地區沙四段薄砂層成因類型及特征Fig.2 Genetic types and characteristics of E s4 thin sand layers in Shubei area

2.3 低隆灘壩

根據灘壩砂體的發育位置和水動力條件，將研究區灘壩劃分為兩類.一類是位于斜坡背景之上局部隆起頂部及周邊，由浪控湖流作用形成的低隆灘壩；另一類是位于湖盆邊緣扇三角洲兩側，由沿岸流和浪控湖流共同作用形成的沿岸淺灘.在曙北地區，主要發育低隆灘壩，分布在低隆的頂部及周圍，沉積物以細砂巖、粉砂巖為主，薄層狀，單層厚度一般2～5 m，分選、磨圓相對較好，雜基含量相對較低.巖心上具波紋層理、雙向交錯層理，反映了波浪作用和雙向湖浪改造作用，正反粒序都可見，縱向上與泥巖突變接觸.測井曲線以指狀、尖峰狀為主，局部相對厚層時可呈扁箱狀或為齒化鐘形或漏斗形，如圖2中SH118井測井曲線的3280～3300 m井段.地震反射特征主要為中弱振幅、中等連續狀，如圖2中過SH107井地震剖面虛線內（杜Ⅱ砂組）的地震反射.

2.4 沿岸淺灘

由于研究區西側遭受過較大的抬升被剝蝕，此類砂體保存較少.巖性主要為灰綠和灰黃色砂泥巖的薄互層，見低角度交錯層理，反映水上水下交替、垂向水流和斜向沿岸流共同作用的結果.除了灰綠、灰黃互層之外，局部油層呈褐灰色.測井曲線以指狀、尖峰狀為主，局部弱齒化鐘形，如圖2中SH23井測井曲線的1266.5～1270.5 m井段.地震相沒有明顯的反射，表現為弱—空白反射特征，如圖2中過SH23井地震剖面虛線內（杜Ⅲ砂組）的地震反射.

3 薄砂層分布規律

3.1 薄砂層分布特征

薄砂層分布在縱橫向上都有一定的規律性.隨著基準面上升，扇三角洲前緣砂體退積，灘壩砂體規模縮小（圖3）.

圖3 曙北地區沙四段各砂層組沉積相圖Fig.3 Sedimentary facies maps of E s4 sand layers in Shubei area

高升時期，西部凹陷開始裂陷，在一系列北東走向斷層作用下，斷塊旋轉傾斜形成多個露出水面的“孤島”，主要有東側的曙光古潛山和西側的興隆臺古潛山（見圖3d、e）.此時氣候干燥，物源供給較少，西側發育多個小型扇三角洲前緣朵體，“孤島”在面向有物源供給的扇三角洲一側發育多個低隆灘壩砂體，扇間沿岸發育淺灘砂體.高Ⅱ時期，南部發育延伸較遠的扇三角洲前緣分支水道朵體，北側扇三角洲朵體延伸較短，在出露區向物源供給方向分別發育2個長軸為北東向的低隆灘壩砂體，向雷家地區逐漸過渡為灰/云坪沉積，在湖岸扇間發育沿岸淺灘砂體（圖3e）.高Ⅰ時期，水體略有加深，扇三角洲繼承性發育，出露區規模變小，灘壩砂體、灰/云坪規模同樣變小（圖3d）.隨著凹陷持續下沉，水體加深，“孤島”也逐漸沒入水下，高升末期，已基本填平補齊，形成較平整的沉積底面.

杜家臺時期，受前期填平補齊影響，整體地勢更加平緩，原潛山區由于斷層繼續活動變為水下低隆區.此時氣候變得干燥，物源供給較大，南部曙光扇三角洲向南東方向延伸更遠，低隆區發育灘壩砂體和少量灰/云坪沉積，北部以灰/云坪沉積為主.杜Ⅲ時期，初始裂陷趨于穩定，西部斜坡物源供給加強，曙光扇三角洲前緣水道砂體連片分布，向東推進到興隆臺潛山附近，前端發育河口壩砂體；高升期“孤島”此時變為水下低隆接受沉積，發育大面積灘壩砂體，低隆頂部物源供給不足處形成泥灘，在水下低隆向雷家延伸方向發育連片灰/云坪；西側高部位緊鄰扇三角洲沿岸線狀發育淺灘砂體沉積（圖3c）.杜Ⅱ時期，隨著水體變深，南部扇三角洲前緣砂體雖然還是大面積分布，但灘壩砂體和灰/云坪規模都有所變小（圖3b）.杜Ⅰ期，隨著斷陷活動繼續加強，可容納空間遠大于物源供給，南部扇三角洲前緣砂體急劇萎縮，灰/云坪較發育，灘壩砂體范圍南遷，規模變小（圖3a）.總體來看，由下至上扇三角洲及灘壩砂體的范圍逐漸縮小.

曙北地區油氣勘探已證實，沙四段扇三角洲前緣水下分流河道及低隆灘壩砂體為重要儲集體.中南側儲層最為發育，連通性好，特別是杜Ⅲ和杜Ⅱ砂組儲量區塊多，向北儲層相對減少，同時受泥質和碳酸鹽含量的影響，含油性整體變差.高Ⅱ、高Ⅰ和杜Ⅰ期儲層不太發育，單層厚度很薄，連通性差，油氣顯示也較少.整體的油氣顯示特征與砂體的平面和縱向演化相符.從目前勘探成果來看，已上報的儲量區主要分布在扇三角洲前緣砂體內，少量為灘壩砂體.在儲量區之外，分布最廣泛的儲集砂體是低隆灘壩，杜Ⅲ時期的SH107－SH112井區，杜Ⅱ時期SH134東南井區、SHG155－SHG84井區，以及高Ⅱ時期的SHG111－SHG84井區等灘壩有利發育區是下一步重點勘探對象.另外，儲量區外還有小型扇三角洲發育，如SH74東井區繼承性發育的扇三角洲前緣砂體也可以作為備選勘探對象.

3.2 薄砂層分布控制因素

3.2.1 古地貌

古地貌控制盆地水動力條件以及儲集砂體的發育和展布.西部凹陷長約110 km、寬為12～30 km，呈窄湖面、長岸線、北東走向的狹長型.沙四段初始裂陷期，沉積前古地貌整體表現為東斷西超、東陡西緩單斷式箕狀特征.沙四早期，曙北地區整體地勢平緩，發育的多條北東走向西傾斷裂切割基底，使基底面貌進一步復雜化，形成洼隆相間的古地貌特征.沉積、沉降中心的不均衡，局部水下低隆起可以充分響應波浪作用，同時岸線的曲折也有益于波浪作用的響應，利于灘壩砂體沉積［20］.地層沉積具有填平補齊的性質.沙四早期，曙光古隆－興隆臺潛山北翼一線形成了南北沉積環境的分水嶺（見圖3d、e中所示的兩個古隆區），控制了研究區大沉積環境的形成.界線以南地域開闊，為大型扇三角洲體系沉積區；界線以北（含低隆區）為半封閉的環境，為無明顯水流注入的湖灣區.由于地勢相對平緩、水體相對較淺，在曙光古隆－興隆臺潛山頂部及周緣，以及曙光低隆向雷家地區傾伏的低隆帶上沉積了一套低隆砂質灘壩－灰/云坪沉積體.由于曙光潛山和興隆臺潛山等低隆的存在，阻擋物源向湖盆延伸，控制北側延伸較短的扇三角洲朵體發育.在西側高部位湖岸線附近，還發育沿岸淺灘沉積.

3.2.2 古物源

物源是是沉積體形成的物質基礎，控制著沉積物類型及分布特征［21］.前人通過母巖類型、重礦物ZTR指數和礫巖分布規律研究認為，研究區沙四段的主要物源為西部凸起［22］.初陷期湖盆水體很淺，水系流域小，曙光地區主要接受西部元古宇基底和中生界公興河洼陷和胡家鎮洼陷物源供給（圖3）.鉆井顯示物源主要來自公興河洼陷，河水進入湖盆后，在杜家臺和曙光南部地區形成了大型的扇三角洲砂體，由于受古地貌的控制，分成兩支，一支繼續向南延伸形成大型扇三角洲主體，另外一支沿山谷向北東方向流動，一直延伸到遠離物源的曙北地區，發育薄層砂體.研究區中北部由于湖盆邊界中生界老山無明顯的溝谷，加之基底為中生界泥巖地層（圖4），無明顯物源注入，不能形成規模扇三角洲砂體，只能發育湖相沉積物.曙北地區沙四段之下基本全為房身泡組玄武巖，其石英和長石含量偏低，風化產物以泥質為主［23］.因此，高升時期，出露水面的“孤島”也很難提供沉積大規模砂體的足夠物源.杜家臺時期，扇三角洲砂體向曙北低隆方向延伸較遠，在波浪搬運和改造下，形成灘壩砂體.整體研究區物源供應還是較少，半封閉的環境使水體礦化度較高，灰/云坪比較發育，因此在發育灘壩砂體的同時，還發育了灰/云坪等.在扇體邊緣地帶，沿岸流攜帶扇三角洲砂體沿著湖岸線搬運沉積，在局部地區形成沿岸淺灘砂體.

圖4 曙光－高升地區沙四段沉積前地質圖Fig.4 Paleo－geological map before E s4 deposition in Shuguang-Gaosheng area

3.2.3 古水深

研究區沙四段處于裂陷初期，水體相對較淺，前人通過巖心資料中獲得的波痕波長、沉積物顆粒直徑、沉積物密度等參數，計算曙北地區古水深為6～7 m，這個水深條件有利于灘壩砂體的沉積［15］.沙四段整體是填平補齊式充填，表現為一個以湖侵為主的過程（圖3）.特別是杜家臺時期更加明顯，由下至上，湖平面持續上升，可容空間增長速率大于沉積物供給速率，水體深度不斷加大，扇三角洲沉積體系向湖盆邊緣退積，低隆灘壩發育規模變小.淺灘砂體也隨著湖盆的擴張逐漸向西側推移.

3.3 薄砂層沉積模式

研究區主要發育扇三角洲－湖泊沉積體系.古地貌表現為整體平緩、洼隆相間.古物源受來自東部燕山隆起帶的緩坡曙光物源、高升物源及來自西部中央凸起帶的陡坡物源的控制（圖4），主要源于太古宇和中生界.古基底盆內主要是房身泡組玄武巖，盆緣則以中生界砂礫巖為主，局部為灰巖和泥巖.古水深在裂陷初期水體相對較淺，為填平補齊式充填，水深及湖盆范圍隨著層序演化而有規律地變化.古地貌、古物源、古水深控制了沙四段沉積體系的縱橫向展布.

曙北地區扇三角洲前緣特征明顯，平面上物源有根，可以延伸較遠，主要受主物源供給的控制，縱向上隨物源供給和水深變化而有規律進/退積.河口壩主要分布在扇三角洲前緣靠湖方向，受水下定向流影響形成，研究區分布有限（圖5）.低隆灘壩首先要具備古低隆的地貌背景，其次要有就近的物源供給.高升時期，古地貌上表現為多個洼中水上低隆，在迎向扇三角洲物源供給的一側發育低隆灘壩；到杜家臺時期，在構造沉降和水體上升作用下，早期水上低隆沒入水下變為水下低隆，在扇三角洲不斷提供物源的情況下，低隆的頂部及周緣可以形成連片的大型低隆灘壩砂體（圖5）.沿岸淺灘主要分布在主物源區扇與扇之間的沿岸地區，主要是沿岸流作用形成的，規模有限.在物源供給不充足的地方，如北側雷家地區則發育灰/云坪沉積，也是有利的儲集層.

圖5 曙北地區沙四段沉積模式圖Fig.5 Sedimentary model of E s4 in Shubei area

4種砂體類型中，扇三角洲前緣水下分流河道和河口壩砂體含油氣性良好，目前大部分已鉆探并歸入儲量區，僅緩坡北側發育的小型扇三角洲砂體在儲量區外，同沿岸淺灘一樣，規模有限.隨著勘探的發展，未來儲量區外大面積發育的低隆灘壩砂體將會是碎屑巖增儲上產的潛在接替區域.

4 結論

（1）曙北地區沙四段發育扇三角洲－湖泊沉積體系，薄砂層主要有扇三角洲前緣中的水下分流河道、河口壩和濱淺湖中的低隆灘壩、沿岸淺灘4種成因類型.水下分流河道交錯層理較發育，測井曲線為鐘形、齒化箱形；河口壩具反韻律，漏斗狀測井曲線；低隆灘壩分布于低隆頂部及周圍，具波狀交錯層理，測井曲線呈指狀；而沿岸淺灘為近岸分布.其中水下分流河道和低隆灘壩是研究區最主要的砂體.

（2）受古物源和古地貌控制，南部受古物源和古地貌控制發育大型扇三角洲，前端發育河口壩，中北部主要發育規模型低隆灘壩，西側近岸發育沿岸淺灘.而古水深變化控制砂體的進退和規模演化.

（3）在儲量區之外，低隆灘壩是分布最廣泛的儲集砂體.杜Ⅲ時期的SH107－SH112井區，杜Ⅱ時期的SH134東南井區、SHG155－SHG84井區，高Ⅱ時期的SHG111－SHG84井區等低隆灘壩有利發育區是下一步重點勘探對象.