基于砂砾质辫状河沉积露头隔夹层研究*

2014-06-07 05:59印森林吴胜和陈恭洋曾建宏

西南石油大学学报(自然科学版) 2014年4期

印森林，吴胜和，陈恭洋，白凯，曾建宏

1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京昌平 102249 2.长江大学计算机科学学院，湖北荆州 434023 3.中国石油大港油田公司勘探开发研究院，天津大港 300280

基于砂砾质辫状河沉积露头隔夹层研究*

印森林1，2，吴胜和1，陈恭洋2，白凯2，曾建宏3

以准噶尔盆地西北缘扎伊尔山出露的三叠系克拉玛依组黑油山沟35剖面为例，利用岩相组合和层次界面分析方法，结合沉积学理论，探讨了砂砾质辫状河岩石相组合、构型界面及构型单元级次，进而研究砂砾质辫状河河道砂体内部隔夹层的成因、级次、形态、规模及其控制下的渗流地质差异特征。结果表明，在研究区可以识别8种典型岩相，8个5级储集体构型单元以及2个3级储集体构型单元。泥质隔夹层主要分为细粒沉积和泥砾型两种类型，泥砾型隔夹层主要发育在河道底部泥砾岩沉积，由河道侵蚀河岸或河底的泥岩快速堆积而成，主要分布在5级或3级界面之上，向河道两侧边缘减薄尖灭。同时，内部不同级次的泥质隔夹层控制了储层非均质。

砂砾质辫状河；露头；隔夹层；克拉玛依组；准噶尔盆地西北缘

印森林，吴胜和，陈恭洋，等．基于砂砾质辫状河沉积露头隔夹层研究[J]．西南石油大学学报：自然科学版，2014，36（4）：29–36．

Yin Senlin,Wu Shenghe,Chen Gongyang,et al．A Study on Intercalation of Sand-gravel Braided River Deposit Based on Outcrop Section[J]．Journal of Southwest Petroleum University：Science&Technology Edition，2014，36（4）：29–36．

引言

随着油田勘探开发的不断深入，老油田水淹严重，剩余油呈现“三高”特点，相当数量的油气滞留地下，其中河道砂体内部因沉积作用形成的泥质夹层对剩余油分布的控制作用日益突出。开展精细的储层地质研究是实现进一步挖掘剩余油及提高采收率的良好途径。野外露头剖面具有资料丰富、取样点多、精度高、直观可靠等特点，可为地下储层的定量研究和沉积模式建立提供地质依据，野外露头剖面的精细解剖和地质建模逐步成为关注热点[1-4]。

克拉玛依油田的砾岩型河道砂体储层是重要储集体，也是国内特殊的储层类型之一。砾岩型河道砂体储层在准噶尔盆地西北缘具有较好的出露条件，为开展砾岩型储层河道砂体露头建模研究提供了良好条件。探索和建立砾岩型储层地质原型模型，不仅能丰富储层地质知识库的内容，而且对与克拉玛依油田类似的油藏剩余油的二次开发、地下三维储层随机建模具有直接的指导意义[5]。

Schumm S A、束青林、马世忠、陈玉琨等通过对野外露头、现代沉积及地下密井网资料的综合研究，探索并初步建立了曲流河和砂质辫状河河道砂体储层内部泥质夹层分布模式[6-9]。但已有研究主要有以下几方面的不足：（1）针对河道砂体的隔夹层研究以地下为主，井间隔夹层预测存在较大的不确定性，对不同级次的隔夹层形态、规模、分布样式的精度不够；（2）已有研究主要针对砂质河道砂体，对于砂砾质型河道砂体，其内部构型级次划分及其泥质隔夹层级次及成因研究亟待加强。虽然焦养泉等[10-11]在准噶尔盆地西北缘扎伊尔山脉三叠系露头剖面地层对比、沉积体系分析与体系演化序列、储层砂体内部构成分析、储层非均质及露头三维建模方面开展了大量的研究工作，取得了丰富的成果，但已有的研究成果在砂砾质辫状河砂体中构型级次划分、隔夹层级次及成因等方面依然存在不足。同时，已有的研究成果及数据为本次研究奠定了良好的资料基础。

1 露头区地质背景

图1 黑油山沟35剖面位置Fig.1 Location of Heiyoushan No.35 profile

准噶尔盆地西北缘沿扎伊尔山脉不同程度地出露了三叠系—侏罗系，其发育在准噶尔盆地西北缘大型逆冲推覆体构造背景之下[12]。研究区黑油山沟35剖面有3条呈环状分布于现代河谷的剖面（图1），即一号剖面、二号剖面和三号剖面（简称黑35–1、黑35–2及黑35–3剖面），为三叠系上克拉玛依组第二砂层组，主要发育扇前湿地低弯度砂砾质辫状河道沉积（图2）。黑油山沟35–1剖面位于现代沟谷的左岸，呈北西—南东向展布，河道主体被包围于河道间—分流河道间湾中，向上，尤其是右上部逐渐过渡为滨湖沉积，剖面走向150°，古河道走向101°。黑油山沟35剖面实际出露与控制面积约为80.0 m×10.0 m，出露的河道视宽度大于80.0 m，视厚度2.5～7.0 m。

2 岩石相及构型分析

2.1 岩石相分析

图2 克拉玛依组露头剖面特征Fig.2 Outcrop sedimentary sequence of Karamay Formation

通过对黑油山沟35剖面的小间距观测，剖面总体岩性以中细砂岩—粗砂岩、细砾岩为主，可见中砾岩，局部含少量薄层泥岩，中—粗砂岩和细砾岩在局部位置占出露剖面的60%以上。河道宽厚比约18：1，沉积物类型以细砾岩、含砾砂岩和极细砂岩为主，属于砂砾岩型河道，岩石成分成熟度和结构成熟度较高。剖面西北部以水平和低—高角度小型板状交错层理最常见，剖面中部和南东部则以冲刷充填交错层理和大型槽状交错层理为主（图3），局部可见平行层理以及水平层理等，可见不同级次冲刷面及泥砾。

图3 黑油山沟35剖面两种典型的沉积构造Fig.3 Two typical types of sedimentary structure of Heiyoushan No.35 profile

根据Miall A D的岩相划分标准和划分方案，依据颜色、岩性、粒度和沉积构造等识别标志[13-14]，在黑油山沟35剖面共识别出8种岩相，并按照0.5 m×0.5 m进行了精细岩石相剖面写实（图4）。

图4 黑油山沟35露头剖面构型及典型段岩相剖面图Fig.4 Architecture and lithofacies profile of Heiyoushan No.35 outcrop

图中显示其右端主要为细砾岩和小砾岩，剖面中部逐渐向粗砂岩过渡，其中间下部位于河道底部岩性粒度为小砾岩，左边粒度由中细砂岩向粉砂岩、泥质粉砂岩过渡，同时，剖面显示岩性从河道单元的底部向上是完整的正旋回特征，即由粗到细，岩性的变化表明古河道的迁移方向是由剖面右部逐步向左边迁移，河流的能量从右至左逐步减弱，其具体描述和成因解释见表1。

表1 黑油山沟35号剖面岩相类型及特征Tab.1 Lithofacies types and characteristics of Heiyoushan No.35 profile

2.2 构型单元研究

研究区砂砾岩型河道与冲积扇的关系十分密切，它位于辫状河的上游地段，靠近物源区。发育于冲积扇背景下的近源砂砾质辫状河，由于坡降大，导致分叉河道下切的深度大，河道相对较窄且深。参考Maill A D的分级方案，对工区内砂砾质辫状河分级，如表2。

表2 沉积地质体构型分级简表Tab.2 Summary of hierarchy of geological sedimentary architecture

在剖面上，较大规模的5级界面相对发育，可见8条，依次是5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G和5H。5级界面识别的依据：（1）界面附近为两条河道切叠处；（2）界面底部存在废弃河道细粒沉积物；（3）界面所限定的沉积体几何形态呈顶平底凸的形态。上述8条5级界面将河道划分为8个河道单元和一个废弃河道单元。8个河道单元中沉积物的分布具有较好的规律，这也反映了河道发展演化的规律。

3 泥质隔夹层分析

3.1 泥质隔夹层级次划分及成因解释

细粒泥质屏障层是河道单元或顺流加积增生体单元在沉积末期由于能量衰减形成的悬浮沉积物，主要分布于这些沉积单元的顶部，并向河道外围方向加厚，甚至与河道间细粒沉积物连通。特殊情况下连续性好的废弃河道泥岩也可以构成渗流屏障。它的几何形态不仅受沉积作用控制，而且与后期的侵蚀作用关系密切。

黑油山沟35剖面夹层类型主要发育细粒沉积及泥质砂砾岩类。其中细粒沉积物按照泥质屏障的级别主要识别了5个级次（表3）：5级界面是一个时间单元内两期河道之间稳定的泥岩隔层，4级界面废弃河道泥质沉积及两条辫流水道侧向拼接处泥质层，3级界面是河道内部泥质沉积，2级界面是两个层系组之间的细粒沉积，1级界面是层理系内部不连续泥质条带[15]（图5）。

表3 隔夹层分级Tab.3 Hierarchy of barrier beds and intercalations

图5 不同级别的泥质隔夹层Fig.5 Different hierarchy of muddy intercalation

泥质砂砾岩类以泥砾岩为主，主要发育在河道底部，形成的泥砾岩沉积由河道侵蚀河岸或河底的泥岩而快速堆积而成（图6），主要分布在5级或3级界面之上，向河道两侧边缘迅速减薄尖灭。

图6 河道底部泥砾发育Fig.6 Boulder clay at the bottom of channel sediment

3.2 隔夹层规模和几何形态特征

在对黑油山沟35剖面的仔细观察和描述过程中，对泥质隔夹层的规模和形态也进行了统计和描述，并总结了其样式，如图7。

3.2.1 5级泥质隔夹层

5级泥质隔夹层为相当于单层间的稳定细粒沉积（泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩等），为两个等时单元的分界。

3.2.2 4级泥质隔夹层

（1）为单一水道间泥质隔夹层厚0.2～0.3 m，宽约5.0 m；呈不连续薄层状分布于两期河道交切位置，为河道冲刷不完全的结果。（2）废弃河道细粒沉积物厚0.3～0.5 m，宽约20 m；呈相对厚层状与河道相交，为河道逐渐消亡的标志，其形态与河道形态相似，为顶平底凸型。

3.2.3 3级泥质夹层

主要为单一辫状水道内部的隔夹层，厚度0.1～0.2 m，宽度3.0～5.0 m；是水道内部多期增生体间的泥质夹层，为水道洪水期加积成因；其形态不规则，与河道剖面形态平行或者斜交。

3.2.4 2级泥质层理系

主要为两个层理系之间的细粒沉积。厚度0.01～0.05 m，宽度0.5～1.0 m，工区以大型槽状交错层系为主，形态与槽状交错层理密切相关，呈不规则槽状形态。反映了水道内部不同的高强度的水流条件下短暂的洪水期沉积的细粒沉积物。

3.2.5 1级泥质纹层

单一层理系内部纹层之间的泥质层；其厚度在0.001 m左右，宽度0.1～0.5 m，形态平行层理系面，呈不规则条带状或者槽状，体现了微时间单元内河流周期性的冲刷和加积的特点。

4 隔夹层控制下的渗流地质差异分析

图7 泥质隔夹层样式图Fig.7 Styles of mudstone barriers and intercalations

沉积环境的差异导致岩石成分、结构、沉积构造等存在较大的变化。其一，影响储集砂体的几何形态、叠置关系、侧向连续性和相互截切关系等；其二，影响砂岩的厚度、粒度、分选性和泥质含量，最终影响到成岩作用，从而控制了储层的储集物性。其中，又以不同成因类型的泥质隔夹层对储层内部非均质性影响最大。

4.1 不同岩石相的储层物性差异

研究区岩石相类型丰富，从中—细砾岩至粉砂岩均有。其孔隙度差别不大，平均22%～25%，但渗透率差异很大（表4）。从中可知粗砂岩渗透率最高，平均渗透率为1 869.5 mD；其粒度虽然不是最大，但分选最好。随着粒度变粗，渗透率有变差趋势。细砾岩平均渗透率1 455.1 mD，这是因为细砾岩中分选磨圆性变差，且泥砾含量增加的缘故。而比粗砂岩粒度细的岩性由于孔隙度减小，泥质含量增加，渗透率变的越来越差。其中，中砂岩平均渗透率727.8 mD、细砂岩平均渗透率926.0 mD，粉砂岩和泥质粉砂岩的平均渗透率更低，小于23.0 mD。

表4 不同岩相的孔隙度渗透率特征Tab.4 Characteristics of different lithofacies porosity and permeability

4.2 构型单元与泥质隔夹层控制下的渗流地质差异

储层构型对岩石相的类型、分布及其物性差异起控制作用。在岩石相储层质量研究的基础上，利用分析化验资料，结合对隔夹层的认识，分析砂砾质辫状河内部构型单元的储层物性特征，进而通过岩石相控制下的孔渗剖面模拟，研究储层物性的空间分布规律（图8）。

砂砾质辫状河储层内部构型单元形成的沉积环境和水流机制不同，其储层质量存在着较大的差异。总体上，各构型单元孔隙度差别不大，渗透率差异明显，由南东向北西方向等值线整体由多个高值区块组成。5级界面辫状水道底部滞留冲刷泥砾沉积粒度粗、分选较差、以中—细砾岩为主、含泥砾导致其渗透率差异较大。辫状河道充填的中部因沉积物分选较好、以粗砂岩相为主，渗透率大且差异较小，从而成为储层质量最好的构型单元。而废弃河道和泛滥平原沉积其粒度较细、泥质含量较高、渗透率小且差异较大。

图8 构型和岩相控制下的渗透率插值Fig.8 Permeability interpolation controlled by architecture units and lithofacies

多期辫流水道的侧向迁移叠加处的泥质隔夹层导致了5级界面附近存在渗流屏障，而渗透率降低，形成侧向上“好—差—好”的渗流差异样式。而辫状水道内部因受底部冲刷泥砾层及顶部4级细粒沉积物的影响而构成垂向上“差—好—差”的渗流差异模式。

5 结论

（1）研究区主要岩石相类型可划分为8种，分别是块状砂砾岩（Gm）、槽状交错层理细砾岩—中粗砂岩（Gt）、槽状交错层理的含砾中—粗砂（St）、板状交错层理的含砾中—粗砂（Sp）、交错层理细砂岩（SSt）、平行层理中—粗砂岩（Sh）、水平层理的泥质粉砂岩（Fp）、泥岩（Fm）。工区内砂砾岩型河道5级构型单元为多期水道叠置，4级界面是单一辫状水道和废弃河道，3级为单一水道内部增生体，2级为层理系组，1级为层系，0级纹层，不同的构型单元由不同岩石相组成。

（2）研究区主要有两种类型的泥质隔夹层：细粒沉积物和泥砾岩（泥质砂砾岩）。泥砾为河道底部的泥砾岩沉积由河道侵蚀河岸或河底的泥岩而快速堆积而成，主要分布在5级或3级界面之上，向河道两侧边缘减薄尖灭。而细粒沉积物可以分为不同的级次。细粒型具有4种不同的级次，其中，4级细粒型为单一水道间泥质隔夹层，厚0.2～0.3 m，宽5.0 m，呈连续薄层状分布于两期河道交切位置。废弃河道细粒沉积物厚0.3～0.5 m，宽约20.0 m；呈厚层状与河道相交，其形态与河道相似，呈顶平底凸半透镜状。3级细粒型隔夹层主要为单一辫状水道内部的隔夹层，厚0.1～0.2 m，宽3.0～5.0 m；其形态不规则，与河道剖面形态平行或者斜交。2级细粒型主要为两个层理系之间的细粒沉积，厚0.01～0.05 m，宽0.5～1.0 m，以大型槽状交错层系为主，呈不规则槽状。1级细粒型为单一层理系内部纹层之间的泥质层，厚0.001 m左右，宽0.1～0.5 m，形态平行层理系面，呈不规则条带状或者槽状。

（3）泥质隔夹层控制了渗流差异样式。多期辫流水道的侧向迁移叠加处的5级泥质隔夹层导致渗透率降低，总体形成侧向上“好—差—好”的渗流差异样式。辫状水道内部因受底部冲刷泥砾层及顶部4级细粒沉积物的影响而构成垂向上形成“差—好—差”的渗流差异模式。

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编辑：杜增利

编辑部网址：http：//zk.swpuxb.com

A Study on Intercalation of Sand-gravel Braided River Deposit Based on Outcrop Section

Yin Senlin1，2,Wu Shenghe1,Chen Gongyang2,Bai Kai2,Zeng Jianhong3
1.College of Geosciences，China University of Petroleum（Beijing），Changping，Beijing 102249，China 2.College of Computer Science，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China 3.Exploration&Development Research Institute，Dagang Oilfield Company，PetroChina，Dagang，Tianjin 300280，China

Based on Triassic Karamay Formation outcrop of 35 profiles in Heiyoushan，which is located in the Zaire Mountain，northwestern of Junggar Basin.The lithofacies associations，architecture boundaries and hierarchy of architecture units are discussed by using lithofacies associations and hierarchy interface analysis methods，combined with sedimentary theory.Then，the origin，hierarchy，morphology as well as scale of intercalation in the sand-gravel braided river are analyzed.The results show that eight typical lithofacies which can be divided into eight fifth hierarchy architecture units and two third hierarchy architecture units are recognized.While the muddy intercalation is mainly divided into fine type and mud boulder type.Different level architecture units were identified in the fine grained type deposits.The mud boulder type intercalation chiefly develops in the bottom of channel，formed by the rapid sediment of mud which was caused by the erosion of bank and river bottom.It principally distributes on fifth or third hierarchy surface，pinching out toward both sides of channel.At the same time，internal intercalation of the different hierarchy controlled reservoir heterogeneity.

sand-gravel braided river；outcrop；intercalation；Karamay Formation；northwestern margin of Junggar Basin

http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.11885/j.issn.1674-5086.2013.05.27.03.html