辫状河三角洲是辫状河体系进积至停滞水体中形成的富含砂和砾石的三角洲^[1], 众多学者通过露头、现代沉积及油田地下储层开展了辫状河三角洲研究工作^[2-3], 这些工作多围绕较典型的高坡降粗粒辫状河三角洲展开, 在辫状河三角洲沉积特征、相类型及展布和砂体成因方面取得了一定的进展^[4-6], 明确了辫状河三角洲的总体沉积特征并很好地指导了油气田的勘探开发。然而, 对于发育于构造平缓背景下的远源细粒辫状河三角洲研究较少, 对其沉积背景、沉积特征等有待进一步明确。老君庙油田L油藏是中国开发最早的油藏^[7-8], 发育较典型的远源辫状河三角洲沉积^[9-10], 其沉积特征独特, 内部砂体构型仍不甚清楚^[11-12], 无法满足开发后期对储层精细描述的要求。笔者利用研究区丰富的取心、密井网资料, 运用储层构型层次分析的方法, 对老君庙油田L油藏远源细粒辫状河三角洲进行解剖, 以揭示其内部砂体的结构样式, 进而明确不同砂体之间的叠置关系及隔夹层分布特征, 为研究区剩余油挖潜提供可靠的地质依据, 同时丰富辫状河三角洲储层构型理论研究。

老君庙油田位于甘肃省玉门市境内, 构造上位于酒西盆地南部凸起带中部, 属完整的不对称穹窿背斜构造油气藏, 轴向为北西-南东方向, 具北陡南缓的构造特征^[13]。东西长约7 km, 南北宽约4 km, 面积约21 km², 目前钻井800余口, 井距100~150 m(图 1(a)、(b))。

图 1

图 1 老君庙油田构造沉积特征及综合地层系统 Fig.1 Geological survey and strata system of Laojunmiao Oilfield

研究目的层L层属渐新统白杨河组间泉子段, 厚度为40~80 m, 埋深100~800 m。L层为砂泥间互的河流-三角洲沉积环境, 岩性以细砂岩为主, 可见粗砂岩、中砂岩和粉砂岩, 根据岩性特征差异划分为5个砂组20个小层, 自下而上发育辫状河-辫状河三角洲连续沉积, 其中L2和L1砂组为本次研究的目的层段, 分别发育辫状河三角洲平原和辫状河三角洲前缘沉积(图 1(c))。

酒西盆地由中生代断陷盆地与新生代坳陷盆地叠合而成, 目的层沉积时处于坳陷发育初期^[14], 构造活动整体较弱, 盆地坡度平缓。南部祁连山为物源区, 山前发育多个冲积扇, 在向湖盆方向推进的过程中逐渐演化为辫状河, 至研究区L3沉积时以辫状河为主, 随后发生湖侵过程, L2及L1砂组沉积时演化为辫状河三角洲(图 1(b))。结合研究区沉积古地理及构造平衡恢复可知研究区距离物源较远^[15](大于30 km), 研究区沉积时总体为缓坡远源的沉积背景。

研究目的层砂岩类型主要为岩屑长石砂岩(图 2(a)), 砂岩具有较低的成分成熟度, 粒度分选总体较好, 磨圆以次棱角—次圆为主(图 2(b))。粒度曲线以两段式为主(图 2(c)), 两段式粒度概率曲线由占含量较多(大于70%)的跳跃总体和含量较少的悬浮总体构成, 跳跃次总体与悬浮次总体交截点值约在(2~3)Φ, 反映沉积物粒度总体偏细, 跳跃总体分选较好的特征。上述特征均反映了研究区目的层沉积时为较稳定的弱牵引流沉积环境。

图 2

图 2 老君庙油田研究目的层岩石学特征及沉积特征 Fig.2 Petrology and sedimentary characteristics of study formation in Laojunmiao Oilfield

研究区沉积构造较丰富, 主要发育小型水平层理、中—小型交错层理, 层理规模普遍较小, 可见微弱的冲刷充填构造特征(图 2(d)、(e))。以上沉积构造及韵律性变化说明研究区目的层段沉积时具有较浅的水体深度, 水动力条件总体较弱。研究区亦可见三角洲前缘滑塌构造(图 2(f))。

研究区单井垂向既可见下粗上细的正韵律特征, 又可见下细上粗的反韵律特征(图 2(g)、(i))。在密井网剖面解剖中可见河道典型的顶平底凸形态, 又有河口坝典型的底平顶凸形态, 反映研究区三角洲前缘分流河道和河口坝沉积共同发育的特征。

根据多口取心井的详细观察描述, 结合取心分析资料和测井资料对研究区进行沉积微相的划分, 研究区辫状河三角洲主要发育三角洲平原和三角洲前缘亚相, 其中辫状河三角洲平原主要发育分流河道、溢岸、泛滥平原微相, 辫状河三角洲前缘主要发育水下分流河道、河口坝和支流间湾微相。

分流河道岩性以中砂岩、细砂岩为主, 底部可见滞留粗砂岩, 沉积构造以小型交错层理为主, 底部可见较明显的冲刷构造。厚度一般为1.5~2.5 m, 随着分流河道向湖中心推进其厚度有减小的趋势, 垂向韵律以正韵律为主。测井响应为中—高幅钟形或箱形。

溢岸沉积为洪水期河道漫过河岸形成的漫滩沉积及洪水退却后滞留在河岸边部的天然堤沉积的综合产物, 岩性以粉细砂岩为主, 分选磨圆一般, 垂向多呈砂泥互层, 厚度一般为0.5 m, 测井响应特征为中—低幅齿形。

泛滥平原岩性以泥岩和泥质粉砂岩为主, 沉积厚度一般较大且连续性较好, 是辫状河三角洲平原中主要的隔夹层, 测井响应特征为平直近基线形。

水下分流河道岩性以细砂岩为主, 向上多过渡为粉砂岩, 底部少见较粗粒的中砂岩, 河道冲刷构造不明显。厚度一般为1.0~2.0 m。垂向以正韵律为主, 测井响应为中—高幅钟形, 底部接触以渐变式为主。

根据河口坝内部沉积特征差异可将河口坝进一步细分为坝主体和坝缘。坝主体为河口坝的中部凸起沉积部位, 该处水动力最强, 岩性以细砂岩、粉砂岩为主, 分选磨圆较好, 以典型的反韵律为特征, 厚度1~3 m, 测井响应为中—高幅漏斗形; 坝缘为河口坝沉积的边部区, 其物性较差, 岩性以粉砂岩为主, 厚度较小(一般为0.5~1.0 m), 垂向多呈砂泥互层分布, 无明显韵律性, 测井响应特征为中—低幅齿形。

支流间湾为分流河道间及河口坝间的相对坳陷的湖湾地区, 受分流河道或河口坝的阻隔其与外界水体的沟通较差, 沉积岩性以泥质粉砂岩和泥岩为主, 测井响应为平直近基线形。

研究区沉积微相主要存在3种组合样式:交织近连片分流河道组合、交织条带分流河道组合和近连片河口坝组合(图 3(a)、(c))。

图 3

图 3 远源细粒辫状河三角洲平面和剖面特征 Fig.3 Plane and profile characteristics of distal fine-braided delta in Laojunmiao Oilfield

交织近连片分流河道主要分布在初步平原化地区(即上三角洲平原), 由多条主干分流河道向湖盆方向推进分叉合并而成, 近物源处一般各小层可识别出2~3条主干分流河道, 其宽度一般约为600 m, 随着河道向湖盆方向推进, 主干分流河道进一步分叉, 分流河道数目增多而河道规模逐渐减小, 河道宽度一般约为200 m。

交织条带状分流河道主要发育在三角洲平原末端区域(即下三角洲平原), 近物源处以规模较大主干分流河道为主, 近湖岸处以河道分叉为主, 该组合样式分流河道规模较近连片分流河道小, 一般分流河道宽度约为300 m, 末端分流河道仅约100 m, 砂体连续性较差。

研究区总体处于缓坡、远源沉积环境, 分流河道能量较弱对已形成河口坝改造能力较弱, 因此研究区河口坝大面积发育, 呈近连片分布, L1(1)小层河口坝分布范围占全区近60%, 分流河道不发育, 宽度约为100 m, 呈镶嵌条带状分布于连片河口坝中。

研究区垂向沉积特征变化较明显, 由辫状河三角洲平原过渡为辫状河三角洲前缘。L2砂组以分流河道发育为主, 可见溢岸沉积, 分流河道规模自下而上逐渐减小, 分流河道侧向接触连通范围逐渐减小, 由侧向拼接过渡为孤立分布。L1砂组以河口坝发育为主, 自下而上河口坝发育增多, 同时规模逐渐变大, 分流河道镶嵌其中, 河口坝间多侧向接触呈连续分布(图 3(d))。

选取砂体分布较连续的L2(2)小层和L1(1)小层为单砂体构型分析对象, 通过不同成因单砂体的边界识别标志明确单砂体的空间分布特征, 进一步分析单砂体之间的拼接、叠置关系以明确小层内部连片砂体的成因^[16], 为不同单砂体间的渗流差异分析奠定基础。

不同分流河道因沉积时期、沉积环境及沉积过程的不同将造成不同的沉积结果, 在沉积记录中具有不同的响应特征, 这些沉积记录的响应特征构成了单一分流河道识别的主要标志。通过研究区L2(2)小层密井网剖面分析总结出4种单一分流河道识别标志(图 4)。

图 4

图 4 L2 (2)小层单一分流河道识别标志 Fig.4 Identification marks of single distributary channel in L2 (2) layer

(1) 顶面高程差异。在同一小层时间单元内, 分流河道总体发育于泛滥平原背景之上, 同期分流河道侵蚀原始较平整的泛滥平原, 造成其顶面具有相似的高程, 而不同期分流河道往往因为侵蚀时间的不同形成高程差异明显的阶地, 因此可据高程差异来识别单一分流河道并对其期次进行划分。

(2) 测井响应曲线形态差异。不同单一分流河道水动力条件及发育的阶段有明显不同, 如分流河道发育初期一般水动力较强, 中期较稳定, 末期较弱, 不同水动力条件下的沉积产物将会对应不同的测井响应特征, 因此在密井网条件下可以认为曲线形态差异较大的分流河道分属于不同的单一分流河道。

(3) 分流河道侧向叠置。不同期单一分流河道之间因河道主流线的迁移往往存在相互切割充填的特征, 进而造成不同期单一分流河道的侧向叠置, 在单井分析中河道的叠置代表了不同期河道的发育, 因此可作为单一分流河道的识别标志。

(4) 河道间以泛滥平原和溢岸相隔。分流河道间泛滥平原及溢岸的发育说明单一分流河道的侧向侵蚀的终止, 也代表了单一分流河道的边界, 因此可据此划分单一分流河道。

不同单一分流河道的组合样式是分流河道演化过程的产物, 分析分流河道的演化模式将有助于明确不同单一分流河道的组合^[17]。通过多剖面解剖, 认为研究区分流河道演化具有以下3种模式(图 5):

图 5

图 5 L2(2)小层分流河道演化模式及沉积过程 Fig.5 Evolution model and process of distributary channel of L2 (2) layer

(1) 河道间岔口冲刷。河道间岔口冲刷是由原河道分叉处不断受河道冲刷侵蚀而成, 上游主河道不断对分叉口处进行冲刷改造, 在适当的条件下可以将河间泛滥平原沉积侵蚀殆尽, 发育新的河道, 进而使河道范围得以增大, 泄洪能力增强, 河道达到新的平衡。

(2) 河道边部侧向侵蚀。河道边部侧向侵蚀为一种常见的河道演化模式, 是由原河道横向环流作用不断侵蚀河道凹岸, 使得河道凹岸一侧不断遭到侵蚀, 进而河道规模不断扩大。侧向侵蚀仅发生在原河道的某一段, 继续发展可能演化为新的决口河道。

(3) 河道边部侧向决口。河道边部决口是在原河道水位增高时冲决凹岸而成, 形成于间歇性的洪水期, 决口河道规模一般小于原河道, 且主流向与原河道夹角较小。河道边部决口可以形成新的河道, 对河道整体展宽具有重要的作用。

结合以上单一分流河道识别标志及沉积演化模式, 在研究区密井网条件下根据沉积学原理, 在同一期复合河道形成过程中, 后期河道发育于先期河道基础之上, 因此其顶面高程一般高于后期河道, 据此通过多剖面分析建立了L2(2)小层分流河道演化过程(图 5), 通过分析可知研究区L2(2)小层经历了3个主要的演化阶段。

第1阶段为分流河道初始发育期, 可明显看出自物源方向(南东方向)发育两条主干分流河道, 南部分流河道规模较大, 至研究区中部分叉合并较明显, 北部分流河道规模较小, 至研究区中部与南部分流河道合并, 此时分流河道多呈孤立分布。

第2阶段分流河道是在第1阶段河道的基础上发展而来, 由二者的过渡期分流河道分布可知原北部分流河道变宽较明显, 在近物源区以决口侵蚀为主, 造成河道在东北部大面积分布, 至研究区中部原分流河道均有不同程度决口和侧向侵蚀, 但规模均较小。第2阶段仍可见明显的分流河道特征, 此时原北部分流河道分布范围变大, 南部河道以侧向侵蚀为主, 分流河道规模进一步增大, 此时单一分流河道多以侧向拼接为主。

第3阶段河道主要在第2阶段河道基础上侧向侵蚀而成, 由二者过渡期河道分布可知, 在原分流河道间仅在近物源处有明显大规模的决口, 至研究区中部多以侧向决口为主, 同时该时期也可见河道间岔口冲刷现象。至第3阶段分流河道特征已不明显, 河道整体呈交织近连片分布, 此时可见单一分流河道的垂向叠置。

研究区距物源较远, 分流河道能量总体较弱, 对先期形成的河口坝改造较弱使得河口坝沉积较完整的保存。单一河口坝的识别是单一河口坝砂体分析的基础^[18], 研究区单一河口坝主要有3种识别标志(图 6):

图 6

图 6 L1 (1)小层单一河口坝识别标志 Fig.6 Identification marks of single mouth bar in L1 (1) layer

(1) 河口坝底面高程差异。河口坝由分流河道携带沉积物入湖卸载堆积而成, 其下伏地层多为前三角洲泥岩。稳定分布的前三角洲泥岩一般具有等时性, 沉积其上的河口坝若具有不同的底面高程(河口坝底面距稳定泥岩底界面的高程)则代表了不同时期的沉积, 即为不同的单一河口坝。

(2) 坝缘出现。坝缘为河口坝的边部沉积, 是分流河道卸载沉积物的前缘或侧缘, 一般粒度较细, 物性较差, 不同于坝主体。坝缘的出现代表了完整河口坝沉积的结束, 可作为单一河口坝边界识别的标志。

(3) 坝间泥岩。未发生明显叠置接触的河口坝间多发育坝间泥岩沉积, 坝间泥岩的出现代表了河口坝的未沉积区, 可以作为不同单一河口坝边界识别的依据。

以上述单一河口坝识别标志为基础, 通过多剖面综合分析明确研究区近连片分布河口坝内部结构样式, 近连片河口坝实质仍是由不同单一河口坝复合而成, 单一河口坝间具有多种叠置拼接样式(图 7):

图 7

图 7 L1(1)小层单一河口坝识别及其叠置关系 Fig.7 Identification and joint relationship of single bar of L1(1) layer

(1) 坝主体完全垂向叠置。坝主体完全垂向叠置样式为同一小层内上部河口坝完全叠覆于下部河口坝之上, 上部河口坝发育范围局限于下部先期河口坝内, 代表了前缘末端水动力条件较弱条件下河口坝短距离进积的沉积过程。

(2) 坝主体部分垂向叠置。坝主体部分垂向叠置为同一小层内上部河口坝部分叠置于前期河口坝之上, 两坝体间叠覆面积小于下部河口坝面积的一半, 一般代表了前缘中部(或末端)水动力条件适中条件下的进积过程。

(3) 坝边部完全侧向拼接。坝边部完全侧向拼接为同一小层内部由不同分流河道控制的河口坝间较大面积的拼接, 两坝体间拼接叠置面积近于原河口坝面积的20%~50%, 代表了相邻具较强水动力的分流河道控制下的不同河口坝的沉积过程。

(4) 坝边部部分侧向拼接。坝边部部分侧向拼接为同一小层内部由不同分流河道控制的河口坝间较小规模的叠置, 两坝体叠置面积一般小于20%, 代表了弱水动力分流河道控制下的不同河口坝的沉积过程。

通过以上分析明确细粒辫状河三角洲与典型辫状河三角洲在沉积背景、沉积特征及相带展布等方面均有着明显的不同(表 1)。细粒辫状河三角洲的发育要求有特殊的沉积背景, 缓坡距物源较远是其发育的必要条件, 同时较干旱的气候亦有利于细粒辫状河三角洲的发育。细粒辫状河三角洲沉积粒度细(平均粒径约0.08 mm), 沉积构造规模普遍较小, 同时河道砂体厚度较小, 平面分布较连续。细粒辫状河三角洲平原分流河道有两种组合样式:交织近连片型和交织条带型, 前者发育于近物源处(上三角洲平原), 河道较发育, 砂体连续性较好, 后者发育于近湖岸处(下三角洲平原), 河道分叉特征明显, 可见部分河道合并, 砂体连续性较差。细粒辫状河三角洲前缘由于分流河道能量较弱对河口坝改造较弱, 同时坡缓水浅的沉积环境对河口坝的改造亦较弱, 致使前缘河口坝大面积连片分布。

表 1

表 1 研究区辫状河三角洲与典型辫状河三角洲对比 Table 1 Comparison of characteristics between delta and typical braided deltas in study area 特征分类 远源细粒辫状河三角洲 典型辫状河三角洲 构造背景 坳陷盆地低坡降(坡降一般小于1‰) 断陷盆地(坳陷盆地)高坡降(坡降一般大于1‰) 距物源区远近 有一定距离(大于30 km) 近物源 气候条件 半干旱—干旱 潮湿—半干旱 沉积环境及作用 牵引流, 水动力较弱, 多限定性河道 牵引流, 强水动力, 多非限定性河道 岩性类别 细砂岩、粉砂岩为主, 少见中砂岩和粗砂岩 中砂岩、细砂岩为主, 多见粗砂岩、底砾 平均粒径 0.08 mm 一般大于0.1 mm 分选磨圆 较好 中等为主 侧向连续性 中等连续(砂体连续面积40%~80%) 中等—高连续(砂体连续面积50%~90%) 分流河道 交织近连片型、交织条带型 条带分布特征明显 河口坝 近连片分布 不发育(规模较小)

表 1 研究区辫状河三角洲与典型辫状河三角洲对比 Table 1 Comparison of characteristics between delta and typical braided deltas in study area

综合上述分析, 建立研究区远源细粒辫状河三角洲沉积构型模式(图 8)。研究区远源细粒辫状河三角洲平原发育两类主要的分流河道组合:交织近连片分流河道组合和交织条带分流河道组合, 前缘河口坝因受后期改造较小总体连片分布。交织分流河道组合实质仍是由单一分流河道不断分叉合并而成, 分流河道的组合样式为平原分流河道演化不同阶段的产物, 构成了河道间岔口冲刷、河道边部侧向侵蚀和河道边部侧向决口3种主要的演化模式。前缘河口坝主要有4种叠置拼接样式:坝主体完全垂向叠置、坝主体部分垂向叠置、坝边部完全侧向拼接和坝边部部分侧向拼接。

图 8

图 8 远源细粒辫状河三角洲沉积构型模式 Fig.8 Sedimentary architecture model of distal fine-grain braided delta

(1) 研究区远源细粒辫状河三角洲的发育具有较特殊的地质背景, 沉积坡度较缓、距物源较远是其形成的必要条件。远源细粒辫状河三角洲沉积粒度总体偏细(平均粒径为0.08 mm), 沉积构造规模普遍较小, 单一河道厚度较小。

(2) 远源细粒辫状河三角洲平原分流河道有交织近连片型和交织条带型两种组合样式, 前缘由于分流河道能量总体较弱对前期河口坝改造较弱, 河口坝得以较好的保存, 呈大面积近连片分布。

(3) 交织近连片分流河道由主要分流河道不断分叉合并而成, 分流河道演化有河道间岔口冲刷、河道边部侧向侵蚀和河道边部侧向决口3种模式。完整的分流河道演化可分为3个阶段:早期典型分流河道孤立分布, 中期河道以决口演化模式为主呈交织条带状分布, 末期以侧向侵蚀和河道间岔口冲刷演化为主呈近连片分布。

(4) 前缘近连片河口坝由不同期单一河口坝拼接叠置而成, 其拼接叠置样式与前缘河口坝的演化具有较好的一致性。前缘演化初期以坝边部部分侧向拼接样式为主, 演化中期坝边部完全侧向拼接样式较常见, 至演化末期河口坝间呈现坝主体部分垂向叠置和坝主体完全垂向叠置的样式。