准噶尔盆地彩南地区头屯河期河流变迁与砂体展布

李胜利，于兴河，杨志浩，董雪梅，章　彤，周　越，李　莹

（1.中国地质大学能源学院，北京100083；2.中国石油新疆油田分公司彩南油田作业区，新疆阜康831500）

准噶尔盆地彩南地区头屯河期河流变迁与砂体展布

李胜利1，于兴河1，杨志浩1，董雪梅2，章彤2，周越1，李莹1

（1.中国地质大学能源学院，北京100083；2.中国石油新疆油田分公司彩南油田作业区，新疆阜康831500）

准噶尔盆地白家海凸起头屯河组为典型的河流—泛滥平原沉积，由于其河流变迁与砂体展布规律一直缺乏深入研究，直接制约着彩南地区头屯河组的油气勘探与开发。通过野外露头观察与实测，明确了头屯河期的古河流类型与沉积序列，并建立了相应的沉积模式；结合测井、地震属性的综合分析，研究了彩南地区彩9—彩10井区古河流的识别特征、沉积演化及砂体展布规律。研究区头屯河期的古河流分布与演化主要受控于地形坡度和物源供给2大因素，在横切物源方向，河流沉积主要受控于地形坡度，在顺物源方向，物源供给则为主要的控制因素，砂体在研究区东西两侧集中发育，优势砂体展布方向以南北向为主。

准噶尔盆地；白家海凸起；头屯河组；河流变迁；砂体展布

在中国已探明或已开发的油气资源多赋存于陆源碎屑岩储集层中，其中河流相储集层更是中国油气资源的重要载体之一［1］。在对河流类型进行四分（直流河、辫状河、曲流河及网状河）的方案［2-3］被沉积学界广泛接受后，沉积学家们通过对现代沉积的研究［4-6］，佐证了这一河流分类方案的科学性，将之应用于实际生产中，取得了明显效果。现代河流沉积模式与古河流沉积模式相辅相成，互相印证了真实地质特征与模型特征之间的差异，进一步促进了河流沉积研究的发展。其中，河流的变迁及其对砂体展布的影响，一直是沉积学界关注的热点问题［7-9］。

从20世纪90年代初至今，准噶尔盆地白家海凸起在侏罗系油气勘探中获得重大突破，尤其是彩南油田（彩9—彩10井区三工河组和西山窑组油藏）的发现表明，白家海凸起侏罗系具有巨大的油气资源潜力。但有关侏罗系的研究主要集中于下侏罗统八道湾组、三工河组和中侏罗统西山窑组的构造特征、成藏规律及沉积储集层分析方面［10-11］；而中侏罗统头屯河组与上侏罗统齐古组河流相储集层在彩南地区虽有一些油气发现（彩017井区头屯河组油藏已开发），但对河流的总体沉积特征、演化规律、河流砂体分布等方面的研究还不够深入。本文通过露头观察、测井识别与地震研究相结合，分析白家海凸起彩南地区头屯河期河流的演化与变迁，研究其砂体的展布规律及其内在控制因素，以期对彩南地区进一步的油气勘探与开发有所裨益。

1　区域地质概况

白家海凸起位于准噶尔盆地中央坳陷带的东部，西临东道海子凹陷，北靠五彩湾凹陷，南接阜康凹陷，东与沙奇凸起、沙帐断褶带相接。彩南地区彩9—彩10井区位于白家海凸起东北部，研究区面积约为39.6 km2（图1）。白家海凸起是一个受基底构造活动影响和控制的北东—南西向展布的低幅背斜，而北东向构造是准噶尔盆地重要的油气富集单元［12］，其构造演化主要受燕山运动影响［13］。

图1　研究区构造位置（a）及断层、井点分布（b）

白家海凸起在侏罗纪为一个向南倾斜的沉积区［14］。从侏罗纪初期开始，就逐渐成为继承性的古隆起，并发育了一系列雁列式正断层，这些正断层在侏罗纪末—白垩纪初活动强烈［15］。在晚侏罗世末，受燕山运动的强烈挤压作用，产生了一系列北北东向的褶皱和断裂［16］，形成了盆地隆坳相间的棋盘式格局。同时，受到燕山运动晚期对准噶尔盆地东部的控制，基底大幅隆升，在侏罗系与白垩系之间形成了区域性角度不整合，并导致喀拉扎组整体和齐古组顶部缺失［17］。

白家海凸起最重要的含油地层为侏罗系［18］，彩9—彩10井区主要含油层位为三工河组二段、西山窑组一段和头屯河组，为彩南地区探明最早、探明储量最大的主力含油气区。

2　古地貌与沉积环境

中侏罗世西山窑期，彩南地区沉积环境以大型浅水三角洲环境为主，卡拉麦里山一直是准噶尔盆地东部主要的物源区［19］。随后，准噶尔盆地东北部的构造运动开始减弱，南部博格达山与北三台凸起发生强烈隆升，逐渐成为准噶尔盆地东部新的物源区［20］。头屯河期，彩南地区沉积体系的物源总体依然来自卡拉麦里山［21-22］，但物源供给比八道湾期—西山窑期已明显减弱，在五彩湾凹陷—白家海凸起—阜东斜坡这个南倾的斜坡上发育了河流—三角洲沉积体系，并在阜东斜坡入湖，发育滨浅湖相。因此，在头屯河期，白家海凸起以河流沉积为主［23］，总体自北向南延伸。

彩南地区头屯河期总体表现为北高南低的平缓斜坡，倾角约为0.95°，最大高差不超过100 m.古地貌显示有北东向和北西向2个物源区，进入研究区后，随地形起伏，河道也出现频繁分叉与汇聚现象（图2）。

图2　彩南地区头屯河组古地貌

3　河流识别特征

3.1野外露头的垂向序列

彩南地区头屯河组无良好出露，为此，借鉴了与研究区头屯河期沉积环境相似的准噶尔盆地南缘水磨沟剖面来研究头屯河组的河流沉积特征。通过实际观测，对头屯河组河流相砂体的规模、叠置关系及其旋回特征做了详细的研究。

水磨沟剖面头屯河组主要发育辫状河、曲流河和泛滥平原沉积，且存在辫状河向曲流河转变的特征，泛滥平原则主要发育于河道之间（图3a）。

（1）辫状河辫状河沉积主要出现在水磨沟剖面中部，厚约20 m，剖面上呈“蜂窝状”。其岩性主要为灰绿色含砾粗砂岩，发育大型槽状交错层理，纹层面下部冲刷的泥砾顺层分布，且冲刷面较为平整。出露剖面上的此段整体表现为“砂包泥”的特征，为典型的辫状河特征（图3b）。

（2）曲流河曲流河在水磨沟剖面上表现为透镜状砂体发育，底部冲刷面不平整，有明显的滞留砾石沉积，呈现出典型的正粒序特征。单期河道砂体发育的沉积构造自下而上为槽状交错层理 板状交错层理 平行层理，具有砂泥间互的垂向序列，整体表现为“泥包砂”的特征。两期河道之间的泥岩中发育薄层粉砂岩，可见流水砂纹（图3c）。

（3）泛滥平原洪泛期河水漫越过堤岸，细粒沉积物广泛分布，形成泛滥平原沉积。头屯河组泛滥平原岩性主要以泥岩为主，夹薄层粉细砂岩，且颜色频繁变化，反映出洪水与气候变化的频繁发生。水磨沟剖面头屯河组中常见的大套泥岩，均为广泛发育的泛滥平原沉积。

图3　水磨沟剖面头屯河组河流沉积模式与垂向序列

（4）辫状河向曲流河转换水磨沟剖面泥岩总体上以暗红色沉积为主，反映了相对干旱炎热的沉积环境。露头剖面的下部出露砂体为薄层状，表现为曲流河的沉积特征，砂体厚度为0.5～2.0 m.向上河流砂体逐渐减薄，泥岩厚度逐渐增大。露头剖面的中部发育一套20 m左右块状砂岩，辫状河沉积特征明显；由于沉积填平补齐作用，使坡度变缓、物源供给与水动力条件开始减弱，导致河流的弯曲度开始增大，辫状河逐步向曲流河转换，所以在露头剖面的上部，砂体厚度再次减薄，厚层砂体偶有出现。因此，从宏观上来看，水磨沟剖面中优势砂体集中发育于露头中部的辫状河沉积中，其余部分为曲流河砂泥岩间互沉积，砂体相对不够发育。

3.2测井相类型与特征

彩南地区头屯河组与下伏西山窑组为平行不整合接触［24］，与上覆齐古组为整合接触［25］。

在确定了头屯河组上、下界面之后，结合野外露头的垂向沉积模式，并结合研究区河流相沉积微相特征及其在测井曲线上的响应，识别出彩南地区头屯河组6种基础测井相（图4），并建立了相应的测井相模式。

（1）辫状复合砂坝辫状复合砂坝为辫状河河道底负载沉积与辫状河中心加积形成的心滩复合砂体。二者在岩心上可通过不同的沉积构造进行区别，但在测井上通常难以区分，自然伽马曲线主要为高幅微齿状箱形，顶、底部突变接触，代表了充足的物源和稳定的强水动力条件的沉积，物源供给与可容纳空间的比值中等或较低，与周围砂体连续性较好。

图4　彩南地区头屯河组测井相模板

（2）边滩边滩沉积于曲流河的凸岸，为河流中携带的粉砂-砂级沉积物侧向加积的结果，表现出混合负载的特点。自然伽马曲线为中高幅微齿状或齿状箱形，底部突变接触，顶部一般渐变接触，具有较为明显的正粒序结构，代表了水动力逐渐减弱和物源供给逐渐减少的沉积环境，其齿化程度通常可以反映沉积环境的动荡程度。物源供给与可容纳空间的比值相对较高，单砂体被周围的粉砂岩与泥岩包裹，连续性较差。

（3）曲流河道曲流河道主要为悬浮负载物质沉积的结果。自然伽马曲线为中高幅锯齿状钟形，底部突变接触，顶部渐变接触，具有明显的正粒序结构，代表水动力减弱和物源供给减少的沉积环境。在完整的曲流河垂向序列上通常直接沉积于边滩的顶部。

（4）决口扇决口扇为洪水期河水对凹岸冲蚀强度突然加剧，形成扇状或枝状的中细粒沉积。自然伽马曲线呈中幅齿状漏斗形，底部渐变接触，顶部突变接触，具有明显的反粒序结构，反映了水动力突然增强、物源供给突然增大的沉积环境。一般沉积于基准面下降时期，物源供给与可容纳空间的比值较高。

（5）天然堤天然堤沉积于曲流河的两岸，是曲流河在洪水期漫过河道范围的细粒沉积。自然伽马曲线为低幅指形，顶、底均为突变接触，反映出动荡的水动力环境。垂向序列上通常沉积于曲流河与决口扇之间或边滩顶部，其粒度比决口扇细。

（6）河漫滩河漫滩通常也叫泛滥平原，是河流在洪水期携带的细粒悬浮物质在水退之后沉积于河道范围外的结果。自然伽马曲线呈为齿状线形，齿化程度可反映水动力与物源供给的变化频率。在垂向沉积序列上一般位于河流沉积序列的顶部。

3.3河流沉积的地震响应特征

通过对研究区头屯河组地震属性和测井资料的系统分析，确定了头屯河组上、下标志层界面。研究区头屯河组与西山窑组之间的平行不整合在测井曲线上有明显表示，地震同相轴也具有区域性的稳定分布，是一个特征明显的层序界面。研究区头屯河组与上覆齐古组为整合接触，其地震同相轴分布连续且稳定［25］。彩南地区头屯河组内部的地震同相轴不平整，剖面中部存在较多的同相轴下凹现象，推测为河流下切作用所致。

4　河流沉积演化与砂体展布规律

在综合岩性、测井、地震多方面资料分析的基础上，以最能反映层段内优势沉积微相的单层最大砂岩厚度为沉积参数（图5），结合地震属性［26］编制平面沉积相图［27-28］，确定河流及其砂体的展布。

图5　彩南地区不同类型沉积参数

4.1河流变迁特征

彩南地区头屯河组自下而上分为3段：头屯河组一段、头屯河组二段和头屯河组三段，每段具有不同的发育特征（图6）。

头屯河组一段沉积期，河流沉积主要来自东、西2个方向，河流发育的位置、类型及演化过程有明显的区别。西部由于地形坡度较大，以辫状河为主体，始终保持了由北向南的流向，辫状河向曲流河转换主要是由于地形坡度减缓致使辫状河边部的水动力开始减弱，分支出多条水动力较弱的曲流河，流向为由北向南。东部地形坡度相对较缓，辫状河向曲流河转换的发生主要是由于物源持续供给不充足，形成数条向南流动的曲流河，其砂体规模要略大于西部的砂体。

头屯河组二段沉积时间较长，河流的演化也较为复杂，可分为头屯河组二段沉积早期和头屯河组二段沉积晚期来研究。头屯河组二段沉积早期与头屯河组一段沉积末期的沉积特征具有相对的继承性，相对于头屯河组一段沉积中晚期水动力有了较大规模的减小。研究区东部辫状河发生了大规模向南迁移的现象，后发育出2条曲流河，由北向南伸展，弯度较小。研究区西部辫状河依旧保持由北向南流动的特征，在研究区中西部由于地形坡度的减缓发生了辫状河向曲流河的转变，发育出4条曲流河。受控于地形趋势，4条曲流河在中部又发生了1次分叉和3次汇聚现象，曲流河宽度向南逐渐变小。头屯河组二段沉积晚期，全区广泛发育辫状河沉积，由西北角向东南隅发育1条稳定的辫状河，但在研究区的中部和西部分支出数条曲流河，存在辫状河向曲流河转换，而分支出的曲流河在南部又随坡度的变化出现了曲流河向辫状河转换，使得南部只发育辫状河沉积。

图6　彩南地区头屯河期河流分布与演化

头屯河组三段沉积期，北部物源区发育2条主要的辫状河沉积，一条来自正北方向，一条来自北东方向。在研究区中西部附近2条辫状河汇聚，在河流向南流动的过程中又分支为3条辫状河，分别流向南西向、正南向和南东向。其中向南东方向流动的辫状河由于水动力的减弱和坡度的减缓，分流出7条具有一定规模的曲流河，曲流河不断发生汇聚分流、截弯取直作用。

4.2砂体平面展布规律

头屯河组以河流沉积为主，其砂体的展布规律与河流变迁息息相关。在辫状河沉积体系中，砂体连通性较好，平面上主要表现为辫状河砂体与心滩砂体的频繁交替。辫状河中的心滩砂体的宽度随着流向逐渐减小，其大小反映了研究区水动力的强弱。在曲流河沉积体系中，河流相对孤立而弯曲，砂体连通性较差，砂体呈局部富集的特点，砂体的宽度随弯度的减小而逐渐减小。

头屯河组一段，在研究区西部和东北部，辫状河砂体连片沉积，而在研究区中部—南部，曲流河砂体呈条带状分布。头屯河组二段下亚段，在研究区西部，砂体局部富集且表现出厚而宽的分布特征，在研究区中部，砂体孤立不连片，在研究区东部，砂体区域发育但被泥质分割；头屯河组二段上亚段，砂体自北西向南东连片状发育，在研究区东北部和西部，砂体发育相对孤立，并被泥质分割。头屯河组二段上亚段，砂体主要富集于研究区中部和南部的曲流河与辫状河交汇处，或者是多条辫状河汇聚的区域。头屯河组三段，砂体主要在横贯东西的两条辫状河中呈连片式分布，同时在南部曲流河沉积中呈相对孤立式分布。

4.3砂体垂向演化特征

沉积微相连井对比剖面综合考虑了砂体几何形态及平面微相变化规律，在纵向上反映了河流砂体分布和变迁的规律。通过建立研究区典型井的连井对比剖面，从空间演化的角度，刻画河流砂体的垂向演化特征。

（1）东西向C151井—C104井—C1413井—C122井—C1397井—C2866井剖面东西向剖面最大的特征就是辫状河砂体的迁移和曲流河的不断摆动（图7）。头屯河组一段沉积时期出现在C151井与C104井附近的辫状河沉积不断向西部迁移，同时河流规模也逐渐变小；头屯河组二段沉积时期，辫状河沉积主要位于研究区西部（C151井附近）和东部（C2866井附近），并且东部辫状河的砂体规模要明显大于西部。东部辫状河不断向西迁移，河道规模减小，但单砂体规模变大；头屯河组三段沉积时期，辫状河规模明显减小，只在研究区中部C1413井和C122井附近有分布，且河道规模和砂体规模都较小。而曲流河沉积在彩南地区都有分布，整体表现出向东西两侧摆动的特征，曲流河砂体以叠置方式出现，之间以河漫滩沉积的薄砂体沟通，说明曲流河沉积以多期单河道与河漫滩间隔出现为特征［29］。河漫滩砂体在研究区连片性较好，薄层砂体具有较好连续性，但普遍厚度小于2 m.

图7　彩南地区C151井—C104井—C1413井—C122井—C1397井—C2866井河流沉积微相对比

（2）南北向C102井——C 1415井—彩9井—C1413井—彩012井剖面南北向剖面位于彩南地区西侧（图8），辫状河砂体在顺物源方向连续性较好，而曲流河点坝砂体由于受河道的约束，常沿河道呈带状的孤立式分布。

头屯河组一段沉积时期主要表现为多条曲流河的摆动，但研究区北部砂体发育频率和单层厚度明显好于南部。头屯河组二段和头屯河组三段沉积时期则表现为辫状河向曲流河的转变，研究区北部以辫状河广泛发育为特征。头屯河组二段沉积时期，辫状河在C1413井以北约300 m左右区域开始向曲流河转变；头屯河组三段沉积时期，辫状河向曲流河转换发生在C1413井以南，这种转变受地形坡度和物源供给量综合制约。C102井—彩012井剖面中辫状河迁移特征不明显，砂体在研究区北部头屯河组二段中部具有较好的连片性。

图8　彩南地区C102井—C1415井—彩9井—C1414井—彩012井河流沉积微相对比

5　结论

（1）在侏罗纪，白家海凸起受到燕山运动时期准噶尔盆地东部基底整体升降运动的控制，为一个继承性的斜坡。研究区为河流泛滥平原沉积环境，以辫状河、曲流河为主，存在辫状河向曲流河转变的特征。

（2）为刻画头屯河组河流相砂体分布规律，以最大砂岩厚度分布作为主要约束沉积参数，结合地震属性来恢复河流相砂体展布格局，以此来分析河流的演化规律。

（3）同一沉积时期，在横切物源的方向上，河流砂体的沉积主要受控于地形坡度，坡度较陡发育辫状河，坡度较缓发育曲流河，在坡度减缓过程中则会发生辫状河向曲流河转换。在顺物源方向上，靠近物源的北部比远离物源的南部更易形成辫状河。同时地形的突然降低易导致河流的汇聚，地形突然升高易引起河流的分流。

（4）砂体的分布规律与河流的演化和分布密切相关。在横切物源方向上，砂体分布受控于坡度；在顺物源的方向上，砂体分布受控于物源。总体上，砂体富集于研究区的东部和西部，并沿河流走向呈南北向分布。

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Fluvial Changes and Sandbody Distribution of Toutunhe Formation in Cainan Area，Junggar Basin

LI Shengli1，YU Xinghe1，YANG Zhihao1，DONG Xuemei2，ZHANG Tong2，ZHOU Yue1，LI Ying1

（1.School of Energy Resources，ChinaUniversity of Geosciences，Beijing 100083，China；2.Cainan Oilfield Operation District，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Fukang，Xinjiang 831500，China）

The Toutunhe formation in Baijiahai swell in Junggar basin is a typical fluvial-flood plain deposit.Its fluvial changes and sand⁃body distribution have been lack of in⁃depth studies，which restricts the oil and gas exploration and development of it.This paper clarifies the paleo⁃fluvial types and sedimentary sequences of Toutunhe formation by observation of the outcrops，presents corresponding sedimenta⁃ry model；integrating with the well logging data and seismic attributes，it studies the identification characteristics，sedimentary evolution and sandbody distribution regularity of this fluvial deposit.The results show that such a distribution and evolution is mainly controlled by topographic slope and sediment supply.In the lateral expansion direction of the channels，the fluvial deposit is mainly controlled by topo⁃graphic slope；while along the provenance direction，the sediment supply becomes major controlling factor，The fluvial sand bodies are pre⁃dominately distributed in the east and west parts of the study areaand major distribution of sandbody direction is from north to south.

Junggar basin；Baijiahai swell；Toutunhe formation；fluvial change；sandbody distribution

TE112.24

A

1001-3873（2015）06-0660-08

10.7657/XJPG20150606

2015-06-23

2015-09-21

国家自然科学基金（41272132，41572080）；国家科技重大专项（2011ZX05010-001）

李胜利（1971-），男，四川达县人，副教授，博士，储层地质学，（Tel）13691555506（E-mail）slli@cugb.edu.cn.