断陷湖盆同生断层发育区三角洲砂体分布模式

窦鲁星，侯加根，张莉，刘钰铭，王喜鑫，王建，武刚

（1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；3.长江大学地球科学学院，武汉 430100；4.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257015）

0 引言

同生断层（又称同沉积断层、生长断层）是指与沉积作用同时发育的一类断层，伸展环境下断陷盆地中同生断层的性质一般为正断层，其具有落差随深度而增大、下降盘地层增厚的特点[1-2]。陆相断陷盆地中同生断层大量发育，较大规模的盆地级别同生断层及其组合形成了不同类型的坡折带，对断陷盆地层序结构、沉积体系展布、储集层质量差异具有重要的控制作用[3-9]，是探索沉积对构造活动响应的重要研究对象[10-11]。

前人针对伸展断陷盆地和挤压型盆地中较大规模同生断层对沉积体系展布和储集层构型的控制作用开展多方面研究并取得了许多成果认识[12-14]。近年随着断陷盆地油气勘探开发研究不断深入，国内外学者发现在断陷盆地复杂断块中存在低级序同生断层[15-16]。这类同生断层具有发育规模小、控制范围局限、展布形态复杂和发育数量众多的特点[17]。目前针对这种局部发育的小尺度同生断层的研究多集中在断层的识别和解释方面[16-17]，而针对这些同生断层对三角洲砂体的空间展布和发育规模的控制作用的相关研究仍比较薄弱。目前复杂断块油田面临严峻的开发形势[18]，亟需重新认识同生断层控制的三角洲砂体分布模式。

本文以渤海湾盆地东营凹陷王家岗油田王43断块区为研究对象，综合应用岩心、测井曲线、三维地震资料，探索复杂断块内部同生断层对三角洲砂体的控制规律。

1 区域地质概况

王家岗油田王43断块区位于渤海湾盆地济阳坳陷东营凹陷东南部的陈官庄—王家岗断裂构造带（见图1），发育北东—南西向延伸的地垒、地堑相间的狭长断块群（见图2），内部被断层进一步复杂化。研究区面积约12 km2，钻遇目的层的钻井共计282口（见图2）。研究区内部低级序断层发育，除一条近东西向展布的三级断层之外，其余断层为近北东—南西向展布的四级断层和派生的五级断层（见图2a），分布规律复杂[16]。这些断层基本都是从古近系沙河街组三段沉积末期开始发育，主要受到区域北西—南东向伸展作用控制和右旋走滑作用的影响[19-20]。2015年以来最新研究发现，王43断块区低级序断层具有同生断层的发育特征[16]，为探索复杂断块内部同生断层对三角洲砂体发育控制作用提供了良好的研究对象。

图1 研究区位置图

王43断块区含油层系为沙河街组一段、二段和三段（后文简称“沙一段”、“沙二段”、“沙三段”），油藏埋深约为1 550～2 550 m。本文研究的目的层位为沙二段上亚段，内部包含4个砂层组，分别与4个中期基准面旋回相对应。本文研究主要针对沙二段上亚段（Es2s）三砂层组，其内部可细分为7个小层（见图2b）。东营凹陷在沙二段沉积时期发育大规模河控三角洲沉积，物源主要来自东南部的广饶凸起地区；该时期地形平缓，三角洲继承了沙三段沉积时期的发育特点向盆地内进积[21-22]。

王43断块区发育典型的复杂断块油藏，目前处于高含水阶段，存在开发矛盾突出、地质研究基础薄弱等问题亟待解决[16]。研究区沙二段上亚段三角洲分流河道砂体十分发育，具有侧向变化快、隐蔽性强的特点[22-23]。分流河道砂体的表征和预测是目前复杂断块油田提高采收率研究的重要内容[24]。复杂地区沉积微相和分流河道砂体的细微变化受到了同生断层的控制，深入分析同生断层对沉积微相及砂体的控制作用对预测分流河道砂体分布有重要的实践意义。

图2 王43断块区Es2s三砂层组断层及地层发育概况

2 同生断层对沉积微相展布的控制

2.1 同生断层活动性分布

在研究区钻井较少地区，在时深转换后将测井曲线标定在地震剖面上，追踪Es2s三砂层组顶底界面（见图3a）。根据过断层上下两盘的Es2s三砂层组厚度对比来识别标定同生断层。在钻井较多地区，利用钻井资料绘制的过同生断层两侧连井地层对比剖面也为同生断层识别提供了可靠的依据（见图3b）。在此认识基础上，通过绘制沿同生断层倾向多组剖面，计算同生断层不同部位生长指数和古落差。根据多组过同生断层上下两盘的连井剖面和地震剖面研究，发现研究区同生断层具有发育数量多、规模小的特点。根据盆地构造单元分级规则[25]，研究区主要发育三级和四级同生断层（见图4a）。其中四级同生断层走向主要为北东向，倾向为西北（北掉）或东南方向（南掉）（见表1）。这些低序次张性断裂在伸展环境下同步发育，形成了与王家岗断裂带主干断裂同向或反向的断裂簇[26]。

根据研究区同生断层的活动性分析，沿着同生断层走向，其活动性存在强弱分段变化（见图4b），这与大规模同生断层活动性分布规律[27]具有相似性，但是其尺度更小，控制的范围限于复杂断块内部。同生断层对地层发育具有明显控制作用，在其下降盘地区，同生断层活动性与地层厚度存在正相关关系（见图4c）。

研究区同生断层的发育规律可以与美国犹他州Canyonlands地堑区对比并得到间接佐证。该地区低级序同生断层主要形成于伸展构造背景下[28-29]，由于小规模同生正断层的活动，该地区形成了多个小型地堑。通过开展卫星图解析（见图5a、图5b）和地形测量（见图5c），发现该地区同生断层的发育数量十分密集（见图5b），主要呈近北东—南西方向展布。不同断层的倾向存在差异，主要为北西和南东方向（见图5c）。同生断层的延伸长度较小，一般约为0.1～6.5 km[28]，两条同生断层形成的地堑宽度一般为100～300 m[28]。在同一条同生断层不同部位，生长指数存在差异。在生长指数较高、断层活动性较强部位，对应的下降盘地区地势较低，形成了较多的可容纳空间（见图 5c，EE′剖面）；在同生断层生长指数较低、断层活动性弱的部位，对应的下降盘地区地势相对较高，可容纳空间较少（见图 5c，FF′剖面）。另外，不同断层之间活动性差异明显，在活动性较强断层下降盘形成了更多的空间（见图5c，GG′剖面）。

图3 王43断块区过同生断层地震剖面（AA′）和井剖面（BB′）

图4 王43断块区Es2s三砂层组同生断层活动性定量分布及与地层发育关系

表1 王43断块区Es2s三砂层组沉积时期同生断层要素统计

图5 美国犹他州Canyonlands地堑区出露的低级序同生正断层卫星图解析

2.2 沉积微相类型

通过研究区沙二段岩心观察描述（见图6）和测井资料确定了研究区沙二段三角洲沉积微相发育类型，并明确了典型沉积序列（见图7）的发育特征。

三角洲平原主要发育分流河道、天然堤及泛滥平原沉积（见图7a）。分流河道岩性以粉砂岩、细砂岩为主，局部发育砾岩（见图6a），其砂体粒度累计概率曲线以两段式为主（见图7c），内部发育交错层理、块状层理等沉积构造（见图6b、图6d），底部可见冲刷面，在冲刷面附近发育底砾岩沉积（见图6a），垂向上与泛滥平原棕红色泥岩间隔发育（见图7a）；天然堤主要发育泥质粉砂岩、粉砂岩，内部可见小型交错层理（见图6c）；泛滥平原以棕红色泥岩沉积为主（见图6e），内部发育块状层理。

三角洲前缘主要发育水下分流河道、河口坝、分流间湾等沉积微相（见图7b）。其中水下分流河道岩性以细砂岩为主（见图6f），内部可见泥砾、波状层理、小型交错层理等沉积构造，垂向上与分流间湾暗色泥岩、河口坝沉积相邻发育（见图7b）；河口坝岩性以细砂岩为主，内部可见块状层理、平行层理、波状层理等沉积构造（见图6g），沉积纹层界面间植物炭屑丰富（见图6h），河口坝砂体粒度概率累积曲线以三段式为主（见图7d）；分流间湾主要发育灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及灰绿色、灰黑色泥岩，螺化石发育（见图6i），沉积构造主要为水平层理。

2.3 同生断层控制的沉积微相展布规律

在岩心分析的基础上，利用三维地震资料，采用地震沉积学方法[30-31]在 90°相位化地震数据体上精细标定目的层位。沿等时地层界面制作振幅地层切片，分析振幅属性平面分布特征（见图8a）。以3.7小层为例展示振幅属性切片分布特征，暖色强振幅区域指示了砂岩发育地区，通过对砂岩分布形态的描绘，分析同生断层两侧砂体的平面展布形态，为沉积微相平面展布提供可靠的依据（见图9a）。

图6 王43断块区T61-1井沙二段典型岩心照片

由于同生断层上下两盘地层厚度存在差异，在地层顶底面约束的情况下采用上升盘与下降盘地区等比例地层切片的方式避免切片穿层，保证切片的等时性。沙二段三角洲分流河道砂体相变快、分布规律复杂，沉积微相的平面展布形态明显受同生断层控制（见图9、图 10）。

具体的控制作用主要受到同生断层的倾向以及不同部位活动性差异两个因素共同影响，因此控制作用主要体现在以下4个方面（以3.7小层为例）。

①在北掉同生断层活动性相对较弱部位，由于上下两盘之间古地形的差异较小，形成局部的优势水流通道，分流河道更易于从该部位通过。在该部位，同生断层主要影响了砂体的走向，同生断层两侧的砂体形态相近，下降盘地区砂体增厚。例如分流河道经过北掉同生断层 F1的上升盘地区、F4的上升盘地区以及位于F3的上升盘的W14-61井区这3个地区时（见图9b中的方框1的指示范围），在断层活动性测量标记的活动性较弱部位通过，进入下降盘地区。

②在南掉同生断层活动性相对较弱部位，分流河道由南向北经过时，与北掉同生断层情况类似，更易于从该部位通过进入上升盘地区。在这种情况下，同生断层主要是影响了砂体的走向，同生断层两侧的砂体形态和厚度差异不明显。例如分流河道经过南掉同生断层F6下降盘W14-51井附近地区和末端地区时，在断层边部或者中部的活动性较弱部位通过，进入上升盘地区（图9b中的方框2指示范围）。

图7 王43断块区取心井（T61-1井）单井相图及粒度概率曲线

图8 王43断块区过同生断层90°相位化地震剖面及砂体剖面（剖面位置见图2）

图9 王43断块区同生断层控制的小层沉积微相及砂体展布

图10 王43断块区同生断层控制的Es2s三砂层组典型层位沉积微相展布

③在北掉同生断层下降盘活动性较强部位，由于同生断层的活动，在局部产生了地势较低的区域捕获水系，导致来自上升盘的分流河道在断层下降盘附近分流河道被动偏转。同上升盘地区相比，同生断层下降盘地区的砂体分布具有明显差异，具体表现为分流河道的规模和厚度增加，或产生相带变化，形成三角洲前缘河口坝沉积。例如在研究区南部F4同生断层下降盘W104-X1井地区，北西走向的分流河道流经下降盘后，走向突变为近东西走向，分流河道的走向受到了同生断层的影响，产生了被动偏转（见图9b中方框3指示范围）。而研究区规模最大的F1同生断层，下降盘地区分流河道规模更大，或者产生相变，进入三角洲前缘河口坝沉积（见图9b、图9c）。

④在南掉同生断层活动性较强部位，由于分流河道主要由南向北推进，该部位形成了拦截水系的低洼区，阻碍了分流河道的推进[32]，局部可出现分流河道“断流”现象。南掉同生断层上升盘地区砂体发育较少，与此相比，下降盘地区分流河道形态具有明显差异，砂体的平面规模增加，厚度增大。例如在F9断层下降盘W14-38井地区（见图9b方框4指示范围）以及F9断层下降盘W14-11井附近地区（见图9b方框4指示范围）分流河道的推进受到了同生断层活动的限制，主要分布在下降盘一侧，同时分流河道的宽度增加，厚度增大（见图9c）。

3 同生断层对砂体垂向发育的控制作用

通过对复杂断块同生断层发育区三角洲砂体的解剖，从断层两侧砂体厚度和叠加样式两个方面分析同生断层控制的三角洲砂体垂向发育规律。

3.1 同生断层两侧砂体厚度

利用同生断层上下两盘的钻井资料绘制过同生断层砂体剖面，发现研究区同生断层下降盘地区砂体增厚现象明显（见图 11a）。其主要原因是同生断层持续活动导致下降盘地区产生了更多可容纳空间[33-34]。随着同生断层的持续活动，断层下降盘附近砂体厚度不断累加。通过同生断层（F19）下降盘地区8口井钻遇的 Es2s三砂层组内部各小层砂体厚度与同生断层生长指数交会图分析，发现下降盘地区砂体的厚度与同生断层的生长指数呈正相关（见图11b）。下降盘地区Es2s三砂层组砂体厚度也大于上升盘地区。在F19断层下降盘地区活动性较弱部位（生长指数小于1.1，各小层砂体平均厚度为2.29 m；活动性中等部位（生长指数为1.1～1.2）各小层砂体平均厚度为4.31 m；活动性较强部位（生长指数大于1.2）各小层砂体平均厚度为5.15 m（见图11b）。

3.2 同生断层两侧砂体叠置样式

在同生断层的下降盘地区，分流河道砂体叠置样式与同生断层上升盘地区有较大差异。相比于同生断层上升盘地区，同生断层下降盘地区砂体具有层数增加的特点。选取同生断层（F19）上升盘和下降盘地区各8口钻井，统计Es2s三砂层组各小层砂体层数，可见多数井在下降盘地区 Es2s三砂层组内部钻遇砂体的层数多于上升盘地区钻遇砂体层数（见图 11c），上下两盘砂体的层数的比值大于1，最高可以达到1.75，并且与生长指数呈正相关（见图11d）。

图11 王43断块区过同生断层上下两盘砂体沉积剖面及单砂体厚度、发育层数定量分析

在王43断块沙二段沉积时期，多条同生断层组合形成了特殊的微地垒和微地堑（见图12），可以与野外出露的新生代伸展构造类比[35]。通过沉积剖面分析来看（剖面 HH′位置见图 9b，图 10），复杂断块区同生断层控制了高频旋回内三角洲砂体的发育部位和叠置样式（见图 12）。在单条同生断层下降盘（例如 F6、F9）和微地堑发育部位（例如F1和F19之间），具有更多可容纳空间，在该部位砂体垂向连续分布，形成了同生断层下降盘连续型砂体叠置样式（见图12）。而在微地垒区域（例如F1和F9之间），可容纳空间小于下降盘地区，受物源水系供给的影响，垂向发育间歇型叠置样式（见图 8b、图 12），砂体发育数量减少，垂向连续性较弱。

图12 王43断块区过多条同生断层的三角洲砂体沉积连井剖面（剖面位置见图10）

4 复杂断块区同生断层控制的三角洲砂体分布模式及其地质意义

图13 王43断块区不同类型同生断层控制的砂体分布样式

根据以上实际资料研究结果，复杂断块区同生断层对沉积的控制作用显著。在两种不同的断层倾向与两类同生断层活动性（生长指数）分布样式的综合控制下，在同生断层附近形成了 4种不同类型的砂体分布样式（见图13）。总体表现为三角洲分流河道优先通过南掉同生断层和北掉同生断层活动性较弱部位；在北掉同生下降盘活动较强地区，砂体汇聚、更易连片发育，分流河道在同生断层附近出现被动偏转；在南掉同生断层下降盘活动性较强地区，分流河道的推进受阻。这种受同生断层影响的砂体沉积过程决定了复杂断块区三角洲砂体分布的特殊性。

在同生断层两侧砂体分布样式基础上，进一步总结建立了适用于断陷盆地复杂断块同生断层发育地区的三角洲砂体分布模式（见图14）。该模式综合考虑了同生断层对砂体平面分布及垂向叠置的控制作用。与断陷盆地内区域性大规模同生断层相比，复杂断块内部低级序同生断层具有发育规模小，分布密集、倾向不同、不同部位活动性存在差异的特点。由于同生断层的活动和沉积作用同时进行，导致复杂断块内部产生古地形差异，进而影响了短期旋回内部分流河道的流向和沉积过程。三角洲分流河道易于在同生断层活动性较弱部位通过，受同生断层活动的影响产生偏转或被限制在下降盘地区。由于同生断层活动导致下降盘形成更多可容空间，下降盘地区砂体增厚。在单条同生断层下降盘地区和两条同生断层控制的微地堑区发育多期连续型砂体叠置样式；而在两条同生断层控制的地垒地区，垂向发育间歇型叠置样式。

图14 正常三角洲与与同生断层控制的三角洲砂体分布模式对比

本文提出的考虑同生断层的三角洲砂体分布模式，与未考虑同生断层的三角洲砂体分布模式[36-38]相比，具有明显的差异。首先是分流河道流向及平面分布形态方面，传统沉积模式适用于沉积地形均匀变化地区，分流河道呈枝状延伸，沉积形态受控于自旋回沉积过程；而同生断层发育区三角洲分流河道在同生断层附近流向产生变化，导致同生断层两侧三角洲砂体的形态、规模甚至沉积相带类型具有明显差异。另外在同生断层发育区，受控于同生断层活动这一新的叠加因素，导致可容空间出现局部的变化，从而形成了与传统认识不同的砂体分布样式。

从以上分析来看，同生断层是复杂断块砂体精细刻画研究中不可忽略的重要地质因素。受控于同生断层的活动，复杂断块地区高频旋回内部湖盆三角洲砂体具有特殊的分布样式，其与传统沉积模式有较大区别。研究结果可以进一步深化断陷湖盆三角洲沉积理论，同时为复杂断块油田精细开发地质研究提供新思路。

5 结论

以东营凹陷王家岗油田王43地区为例，利用钻测井、三维地震数据，在断陷盆地复杂断块内部识别出了低级序同生断层。研究区低级序同生断层发育数量较多，规模较小；不同断层的倾向存在差异，主要发育北掉和南掉两种类型；沿同生断层走向，同生断层不同位置的活动性存在强弱差异。由于同生断层的活动，使得下降盘地区可容空间增大，地层增厚。以上这些特点导致了复杂断块内部的古地形受到同生断层的影响，进而形成了特殊的三角洲砂体分布模式。

同生断层控制了复杂断块内部高频旋回内部三角洲砂体的沉积过程，进而影响了同生断层附近砂体平面展布形态。受同生断层的倾向以及不同部位活动性差异这两个因素共同控制，三角洲分流河道易于在北掉和南掉同生断层活动性相对较弱部位通过；而在北掉同生断层活动性较强地区，分流河道在断层下降盘附近产生被动偏转，砂体分布范围增加，同生断层两侧微相类型和砂体分布差异明显；在南掉同生断层活动性较强地区，分流河道在推进过程中受到限制，砂体主要在下降盘地区沉积。

复杂断块内部同生断层还控制了三角洲砂体的规模和垂向叠置样式。同生断层下降盘地区砂体厚度、规模与同生断层活动性正相关。在单条同生断层下降盘地区或同生断层组合形成的地堑区，砂体厚度较大，在垂向上发育多期连续叠置型砂体；而在南掉和北掉同生断层组合形成地垒区，砂体厚度较小，在垂向上发育间歇叠置型砂体。