基于可容纳空间变化的河流相演化新模式及其控藏作用——以莱州湾凹陷垦利A 构造为例

王 航，杨海风，黄 振，白 冰，高雁飞

（中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

0 引言

河流相层序的发育模式长期以来一直是层序地层学领域研究的重要问题，许多学者已对此问题进行了深入的探讨，并提出了各自的层序划分原则与演化模式。早期的河流相层序研究主要是针对近海岸或明显受控于海平面变化的地区。由于受海平面升降影响较大，这些地区发育的河流相地层单元常以不整合面为界限，并与海平面变化存在联系，因此，能够与海相层序进行对比。如Wright 等［1］认为河流层序内部可以划分为类似海相层序的低位体系域、海侵体系域和高位体系域，低位体系域主要发育由河道下切形成的粗粒聚合河道砂体，海侵体系域发育大套细粒泛滥平原包裹的孤立曲流河道砂体，高位体系域发育由泛滥平原向河流相过渡的具有较好连通性的河道砂体。Shanley 等［2］提出将河流相地层追溯到同期形成的海相地层中，海平面的升降变化控制了近岸河道砂体的叠置样式，进而依据河道砂体的互相切割与相对孤立的变化来进行层序地层划分，但是，对于形成于大陆内部的河流相沉积，其层序地层的形成基本不受海平面变化影响，缺乏能够与海相层序对比的标志性地层，不适宜用全球海平面变化来解释层序地层的旋回性演化［3］。因此，非常规体系域的概念被引入内陆河流相层序，Fanti 等［4］和Catuneanu 等［5］都曾提出内陆河流的形态与类型的改变主要受可容纳空间变化的影响，强调了分析高、低可容纳空间变化的重要性。邓宏文等［6］认为，构造和气候因素对内陆河流相层序形成与发育的影响更为明显，因此，基准面而非海平面是内陆河流层序研究的主要参照面。吴因业等［7］提出，对于不受海相或者湖相影响的内陆河流沉积，由于缺乏海侵或海退的滨线沉积证据，应采用非常规体系域对其进行层序地层划分。

渤海海域馆陶组主要为内陆河流相沉积，发育向上变细的含砾砂岩，在层序地层划分上多以“基准面下降—上升”的二分式旋回为主，具有辫状河—曲流河的演化特征。研究区位于渤海海域莱州湾凹陷南斜坡，其馆陶组岩性存在“细—粗—细”的变化，导致储层垂向差异明显、平面砂体相变较快，难以沿用前述“基准面下降—上升”的二分式旋回进行层序划分。以往对于莱南斜坡带馆陶组的研究，主要集中于构造演化特征［8］、断裂发育特征［9-10］、油气运移与富集规律等方面［11-12］，尚未对层序地层演化进行较为细致的研究。笔者以非常规体系域层序地层理论为指导，对馆陶组地层进行基于可容纳空间变化的层序划分，分析河流相发育特征与演化模式，明确馆陶组河流相储层的平面展布特征，并结合该特征厘清馆陶组油气差异成藏机理，以期为该构造下一步勘探评价提供新的依据。

1 地质概况

莱州湾凹陷位于渤海南部海域郯庐断裂带内，是渤海海域重要的油气富集区［13］，其东、西边界受郯庐走滑断裂控制，北侧边界受莱北一号断裂控制，南侧以潍北凸起为界，为具有北陡南缓特征的单断箕状凹陷。由于其主控边断裂发育在凹陷北侧，使其盆地结构具有明显的不对称性，南北方向呈现北低南高的缓坡结构，平面上整体具有北东向的展布形态［14］。其南斜坡位于整个凹陷的构造高部位，依据滑脱断层可划分为内、外两带。内带紧邻莱州湾凹陷中心，与烃源岩匹配关系较好，同时受一组由郯庐走滑断裂派生的近东西向的滑脱断层控制，且大多断至古近系烃源岩，油气运移较为顺畅；外带为垦利A 构造主体所处位置，位于莱州湾凹陷南部盆缘位置，为具有基底背景的大型鼻状构造带，构造圈闭较为发育，并且受多条东西向展布的反向断层控制，具有良好的油气保存条件［15-16］（图1）。外带古近系在馆陶组沉积前被大量剥蚀，新近系主要为潜山披覆型沉积，馆陶组以河流相为主，明化镇组以曲流河、浅水三角洲相为主，具备良好的储盖组合条件［17］。

图1 渤海海域莱州湾凹陷区域位置（a）及南北向结构剖面（b）Fig.1 Regional location of Laizhouwan Depression in the Bohai Sea（a）and NS-trending structural cross-section of the depression（b）

2 河流相沉积类型及特征

渤海湾盆地在古近纪与新近纪之间发生了明显的构造应力改变，进入新近纪后形成盆地相对整体沉降、广覆式大范围接受沉积的特点［18］。莱州湾凹陷处于整个盆地的边缘位置，受宏观构造背景的影响，在馆陶组沉积期主要发育内陆河流相沉积环境，其物源主要来自于西南方向，河道大多呈近南西—北东方向延展，在平面上大体呈西部富砂、东部贫砂的分布特征。根据研究区探井的岩心、录井、测井以及地震资料，结合构造背景分析，在馆陶组河流相沉积中识别出网状河、辫状河和曲流河3种沉积类型（图2）。

图2 莱州湾凹陷垦利A 构造网状河（a）、辫状河（b）、曲流河（c）岩心分析Fig.2 Core analysis of anastomosing river（a），braided river（b）and meandering river（c）of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

2.1 网状河

研究区网状河沉积主要发育于馆陶组沉积早期，包含河道充填与泛滥平原。河道充填主要由底部滞留沉积与侧向坝构成，岩性以中—细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩为主，粗粒物质（砾石、泥砾等）通常很少，偶见于底部滞留沉积，可见槽状交错层理、波纹层理和平行层理等沉积构造，底部可见滞留冲刷面；在GR，SP曲线上呈中—高幅齿化箱形、中—高幅指形。泛滥平原主要由灰绿色泥岩、泥质粉砂岩等细粒组分组成，具有水平层理和块状层理，在GR，SP曲线上呈高幅齿形。网状河的河道充填通常具有向上变细的岩性序列，粗粒沉积大多集中于充填序列的中下部，砂地比较为适中，不同期次河道间存在较为稳定的泥岩隔夹层，河道砂体与周围的泛滥平原沉积发育程度大体相当。

2.2 辫状河

研究区辫状河沉积主要发育于馆陶组沉积中期，包含河道充填与河漫滩。河道充填由辫状河道与心滩构成，岩性以细砂岩、含砾砂岩、含砾泥质细砂岩为主，砾石成分主要为石英，呈次棱角—次圆状，可见平行层理、板状交错层理以及槽状交错层理等，辫状河道底部可见明显的冲刷面；在GR，SP曲线上呈低幅箱形、齿化箱形。河漫滩主要由浅灰色、红褐色泥岩以及粉砂质泥岩组成，以块状构造为主，在GR，SP曲线上呈高幅齿形。辫状河沉积整体呈向上变细的正旋回特征，但粗粒沉积自下而上都有发育，具有较高的砂地比，垂向上多期河道充填相互叠置，其发育程度一般要超过河漫滩沉积。

2.3 曲流河

研究区曲流河沉积主要发育于馆陶组沉积晚期，包含河床沉积与泛滥平原。河床由河床滞留沉积与边滩构成，岩性以细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩为主，其充填沉积物主要受河岸加积控制，发育槽状交错层理、板状交错层理、波纹层理、爬升层理等，河床底部可见较粗的滞留沉积物；在GR，SP曲线上主要呈中—高幅齿形、齿化钟形。泛滥平原主要由灰绿色泥岩、粉砂质泥岩组成，以块状构造为主，在GR，SP曲线上主要呈高幅直线形。由于发育细粒沉积物为主、砂地比较低，曲流河岩性垂向上的韵律变化可能并不明显。该时期的河道在垂向上被较厚层的泥岩隔层所分隔，河道砂体相对孤立，被广泛存在的河漫滩泥岩所包围。

3 层序地层格架及河流相演化模式

对于内陆河流相沉积，其层序的形成更多是受控于物源区和沉积区的构造升降、气候以及地形地貌等条件。这些变化共同决定了区域性的基准面和可容纳空间的改变，因此，识别区域性基准面是层序划分的关键。研究区处于陆相盆地边缘，馆陶组沉积期受周期性构造运动影响，基准面变化的趋势、速率均存在波动，须引入非常规体系域中的低、高可容纳空间体系域等术语来加以描述［19-20］。

3.1 层序地层格架的建立

渤海湾盆地在东营组沉积末期发生整体抬升，使古近系遭受严重剥蚀，导致研究区古近系与新近系间存在广泛的不整合界面，该不整合面在地震上表现为连续的强反射轴伴随角度不整合，成为馆陶组层序的底界面SB1［21］；之后进入馆陶组沉积期，盆地发生整体坳陷，区域性基准面上升，可容纳空间形成，使馆陶组形成了以河流相为主的沉积体系，发育稳定的基准面上升半旋回地层；至馆陶组沉积末期，研究区所处的凹陷盆缘位置发生局部构造抬升［22］，导致基准面显著下降，可容纳空间迅速减小，馆陶组局部处于冲刷与侵蚀状态，使基准面下降半旋回显著缺失，表现为沉积间断。因此，研究区明化镇组下段与馆陶组的分界面为一沉积间断面，形成馆陶组层序的顶界面SB2。依据顶、底2 个界面，将馆陶组划分为一个完整的三级层序（图3）。

根据层序边界特征和沉积旋回的组合关系，在对岩心、测井及地震等资料进行综合研究的基础上，发现馆陶组自下而上具有“细—粗—细”的旋回特征。依据非常规体系域研究理论［23-24］，这种岩性粒度与组合样式的变化反映了基准面与可容纳空间的改变，表明馆陶组沉积期存在不同体系域间的演化，因而将其进一步细分为3 个体系域，自下而上为早期高可容纳空间体系域（HAST-1）、低可容纳空间体系域（LAST）和晚期高可容纳空间体系域（HAST-2）［25］。HAST-1 与LAST 之间形成体系域界面STB1，该界面在岩性上表现为由薄层砂岩与泥岩互层突变为大套砂岩夹少量泥岩隔夹层，在测井上表现为GR，SP曲线存在明显的跳变现象，其中GR曲线由高幅齿形跳变为低幅箱形。LAST 与HAST-2 之间形成体系域界面STB2，该界面在岩性上表现为由大套砂岩夹少量泥岩过渡为大套泥岩夹少量薄层砂岩，测井上表现为GR，SP曲线由低幅箱形过渡为中高幅齿形-箱形。通过层序界面的识别，将研究区馆陶组划分为一个完整的三级层序，并进一步划分为3 个体系域，从而建立了研究区馆陶组的层序地层格架（图4）。需要注意的是，对于非常规体系域的河流相层序模式来说，沉积物主要发育在基准面上升半旋回地层中；基准面的下降阶段为河流所处的地表环境改变较为剧烈的阶段，河流的侧向冲刷与下切侵蚀作用都非常强烈，而在这种地表环境发生强烈改变的情况下，河流的斜度与坡降均不断加大，导致其搬运能力进一步增强，沉积物难以得到有效保存，进而形成不整合面或沉积间断面［26-27］。因此，研究区馆陶组各体系域均形成于基准面上升阶段，在基准面下降阶段主要发生侵蚀作用，难以形成沉积，导致下降半旋回地层缺失［28-29］。

图3 莱州湾凹陷垦利A 构造新近系馆陶组沉积相与层序综合分析Fig.3 Sedimentary facies and sequence stratigraphic analysis of Neogene Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

3.2 层序地层格架下的河流相演化模式

不同体系域内河流相的沉积演化主要受物源供给速率与可容纳空间变化所影响。物源供给速率主要受剥蚀区气候变化、植被覆盖等条件控制，研究区馆陶组沉积期物源主要来自南部的潍北凸起水系，气候、植被等均未发生明显的变化，因而认为物源供给速率大致保持相对稳定［30］。可容纳空间主要受控于构造运动与基准面升降，研究区馆陶组沉积期存在周期性构造活动，导致可容纳空间不断变化，因此，在物源供给稳定、可容纳空间改变的情况下，产生不同体系域的变化，进而导致碎屑物在沉积区的体积分配与相分异作用存在差异，使得沉积物的保存程度、地层堆积样式、沉积相序与相类型、岩石结构和组合类型等均不相同［31］。由此可见，通过研究体系域变化及建立研究区层序地层格架，有助于从成因上厘清不同时期河流相的演化规律（图5）。

图5 不同河流相储层纵向沉积演化模式Fig.5 Sedimentary evolution model of different fluvial facies reservoirs

新近纪渤海湾盆地构造抬升减弱，开始接受沉积。此时研究区基准面快速上升、可容纳空间逐渐增大，处于早期高可容纳空间体系域阶段。该阶段物源供给速率与可容纳空间增长速率较为接近，河流的搬运能力受到限制，其携带的相对细粒沉积物在垂向上加积，使地形坡度变缓，而地形坡度的变缓会进一步限制河道的搬运能力，这种趋势有利于网状河的形成［32］。研究区发育的网状河特点主要为：河道弯曲度小，具有多河道特征，内部充填以河岸加积为主，岩性以砂、粉砂和泥岩混合物为主，整体呈下粗上细的正旋回特征。由于河道间存在半永久性的江心岛或泛滥平原，导致其连通性受到限制，且垂向上各期河道发育较为孤立，缺乏切割叠置的现象。该时期发育的河道砂体一般少于周围的细粒泛滥沉积［图6（a）］。

经过早期的快速上升后，研究区基准面上升速率减慢，变化趋于平缓，新增可容纳空间减小，早期发育的河流相沉积占据了沉积区的大部分空间，处于低可容纳空间体系域阶段。由于此时物源供给速率高于可容纳空间增长速率，河流的搬运能力得到提升，同时地形坡度增大，河道所搬运的相对粗粒物质形成辫状河，发育多期辫状河道并列叠加的沉积样式。伴随着进积或低速加积作用，沉积物一般包含了河流层序中的最粗粒部分［33］。若基准面保持长期的平缓变化状态，则会进一步压缩沉积区的可容纳空间，导致辫状河道在侧向上加宽，进而使河道发生横向摆动，形成多期河道砂体同时在侧向及垂向上相互叠置切割、相互连通的现象。研究区低可容纳空间体系域主要发育多套厚层辫状河道沉积，同时具有向上变粗的岩性序列，反映了在水动力较强、能量较高的沉积环境下，剥蚀区提供的物源逐渐向沉积区低洼处汇聚的趋势。由于低可容纳空间限制了河漫滩等细粒沉积的发育，该时期发育的河道沉积组分远多于周围泛滥平原组分，形成了广泛分布的砂体［图6（b）］。

图6 莱州湾凹陷垦利A 构造馆陶组网状河（a）、辫状河（b）、曲流河（c）沉积平面展布模式Fig.6 Lateral distribution model of anastomosing river（a），braided river（b）and meandering river（c）of Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

至馆陶组沉积晚期，研究区发生局部小规模构造沉降，基准面再次快速上升，可容纳空间迅速增大，处于晚期高可容纳空间体系域阶段。该阶段物源供给速率远小于可容纳空间增长速率，使河流的搬运能力受到较大限制，发育较为简单的河流沉积样式，主要发育被细粒泛滥平原及河漫滩所包裹的孤立曲流河沉积，并伴随着缓慢的侧向加积及侧向侵蚀的趋势，导致河流具有较大的弯曲度，沉积物一般为河流相层序中的较细粒部分［34］。研究区晚期高可容纳空间体系域主要发育孤立的曲流河沉积，以“泥包砂”为主要特点，反映了在弱水动力、低能量的沉积环境下，沉积区坡降逐渐减小、物源汇聚能力减弱的特点。与早期高可容纳空间体系域相比，该时期由于受到小规模构造沉降的影响，基准面上升速率和可容纳空间增加速率均更快，导致沉积物组分包含较高比例的河漫滩沉积，以大套河漫滩、泛滥平原沉积包围薄层河道砂体为特点［35］，且河道弯曲度较高，以发育薄层孤立砂体为主，大多被泥岩包裹而不连通，含砂率相对较低，与早期高可容纳空间体系域发育的网状河具有一定差别［图6（c）］。

研究区馆陶组河流相沉积在垂向上有着网状河—辫状河—曲流河的演化过程。这3 种河流相沉积受控于层序地层的演化，分别形成于不同的体系域时期，而体系域是在不同基准面位置与可容纳空间条件下变化的。网状河发育于早期高可容纳空间体系域。该时期区域构造抬升减弱，研究区剥蚀结束、沉积开始，处于基准面快速上升、可容纳空间快速增大的条件下，物源供给速率低于可容纳空间增大速率。辫状河发育于低可容纳空间体系域。经过早期的基准面快速上升后，该时期基准面变化逐渐趋于平缓，且沉积区大部分可容纳空间被早期的河流沉积充填，导致新增可容纳空间减小，此时物源供给速率大于可容纳空间增长速率。曲流河发育于晚期高可容纳空间体系域。该时期由于研究区局部存在小规模构造沉降，导致基准面迅速上升，可容纳空间迅速增大，此时物源供给速率远小于可容纳空间增大速率。因此，在一个三级层序内部，基准面的周期性波动控制可容纳空间的旋回性变化，而沉积区可容纳空间的变化与剥蚀区物源供给能力共同决定了体系域的改变，从而导致了不同体系域下河流相的沉积演化［36-37］。河流相类型的演变，也反映了馆陶组各沉积期不同的沉积环境与水动力条件（图7）。

图7 莱州湾凹陷垦利A 构造馆陶组不同体系域地震属性与沉积相平面分布Fig.7 Seismic attributes and sedimentary facies of different system tracts of Guantao Formation of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

4 河流相储层演化的控藏作用

在不同体系域条件下形成的河流相沉积，其储层发育程度、单砂体厚度以及砂体横向连通性等均有着较大的差别，这些因素极大地影响了莱州湾凹陷馆陶组的油气成藏与分布特征，导致垦利A构造各井区的油气富集位置有所不同。

早期高可容纳空间体系域主要发育网状河沉积，其储层发育程度介于辫状河与曲流河之间，河道砂体在侧向上存在相互切割、拼接，具有一定的横向连通性，但由于河道间发育由半永久性的江心岛或泛滥平原等细粒沉积组成的泥岩隔夹层，导致不同期次河道砂体在垂向上的连通性较差。这种河道砂体发育特征导致单期砂体内充注的油气会沿着砂体的连通部位向高部位运移，但由于垂向连通性较差，油气被限制在单期河道砂体内，从而形成数量相对较多但厚度较薄的油层［38］。因此，早期高可容纳空间体系域发育的网状河储层以岩性-构造油气藏为主，受到构造与岩性共同控制，但油层相对较薄，油气丰度相对较低，且不同油层间无统一的压力系统与油水界面。

低可容纳空间体系域主要发育辫状河沉积，在研究区的3 种河流相中储层发育程度最高，河道发育程度超过河漫滩，具有较高的地层砂地比。由于低可容纳空间限制了河道的垂向加积，使其在横向上频繁摆动、垂向上往复切割，使同期河道砂体在侧向上连续贯通、多期河道砂体在纵向上相互叠置，具有良好的侧向与垂向连通性。在这种情况下，相互连通的储层砂体会成为油气向上运移的通道，使其不断向构造的高部位运移，最终在高部位的圈闭成藏。因此，低可容纳空间体系域发育的辫状河储层以构造-层状油气藏为主，主要受构造形态控制，油层较厚、油气丰度较高，且具有统一的压力系统与油水界面。

晚期高可容纳空间体系域主要发育曲流河沉积，其储层发育程度在3 种河流相中最低，河道砂体一般要少于河漫滩，有些孤立的河道砂体甚至被广泛发育的河漫滩或泛滥平原所包围，导致地层砂地比较低、砂体横向及垂向连通性均较差。在这种情况下，由于不同期次河道间存在大套泥岩隔层，受到厚层泥岩的阻隔，因而油气缺乏持续向上运移的通道，使其主要在孤立的河道砂体内成藏，难以继续向构造高部位运移［39］。因此，晚期高可容纳空间体系域发育的曲流河储层以岩性油气藏为主，断-砂耦合条件是成藏的关键，与油源断裂形成良好匹配关系的河道砂体为油气运聚的有利场所（图8）。

图8 莱州湾凹陷垦利A 构造油气运移与成藏模式Fig.8 Hydrocarbon migration and accumulation pattern of Kenli-A structure in Laizhouwan Depression

5 结论

（1）依据不整合面将莱州湾凹陷馆陶组作为一个完整的三级层序，其内部可进一步划分为3 个体系域，由早期高可容纳空间体系域（HAST-1）、低可容纳空间体系域（LAST）和晚期高可容纳空间体系域（HAST-2）构成。由于各体系域在基准面旋回中的位置及其可容纳空间均不相同，导致河流相的类型随着体系域的改变而不断发生演化。

（2）莱州湾凹陷垦利A 构造馆陶组河流相沉积主要包含网状河、辫状河和曲流河3 种类型，三者间存在着逐步演化的关系。早期高可容纳空间体系域时期，基准面快速上升，可容纳空间逐渐增大，物源供给速率低于可容纳空间增长速率，主要发育网状河沉积；低可容纳空间体系域时期，基准面上升速率减慢，变化趋于平缓，新增可容纳空间减小，物源供给速率高于可容纳空间增长速率，主要发育辫状河沉积；晚期高可容纳空间体系域阶段，基准面再次快速上升，可容纳空间迅速增大，物源供给速率远小于可容纳空间增长速率，主要发育曲流河沉积。

（3）在不同体系域条件下发育的河流相储层，其发育程度、叠置样式、连通性质等均存在明显的差异，这些差异决定了馆陶组油藏的成藏特征。发育于早期高可容纳空间体系域的网状河储层，其河道砂体在侧向上具有一定的连通性，但由于垂向上存在稳定的泥岩隔夹层，导致砂体垂向连通性较差，主要形成岩性-构造油气藏；发育于低可容纳空间体系域的辫状河储层，其河道砂体较为发育，在侧向和垂向上均具有相互切割、叠置的特点，连通性较好，形成构造-层状油气藏；发育于晚期高可容纳空间体系域的曲流河储层，其河道砂体发育程度较低，并被大套厚层泥岩所阻隔，侧向及垂向连通性均较差，形成相对孤立的岩性油气藏。