深水重力流沉积机理新认识及其在北海G油田发现中的应用*

李建平 刘子玉 谢晓军 方 勇

(1. 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028； 2. 中国海洋石油国际有限公司 北京 100027)

1936年，Daly应用悬浮沉积物产生的水下密度流解释海底峡谷的成因;1939年，Johnson引入了术语“浊流”来称呼这种流体，并且把浊流沉积物称作浊积岩[1]；1950年，Kuenen等发表了具划时代意义的论文《浊流为形成递变层理的成因》[2]，从此掀开了浊流研究新篇章；1962年，Kuenen的学生Bouma应用浊流理论提出了被称为“鲍马层序”的著名浊流模式[3]。早期学者注意到很多浊流沉积现象，并进行了详细的观察描述，但未能给出合理的沉积机理解释，如Bouma(1962)认识到浊积序列中既有高能流体沉积又有低能流体沉积，经常见到序列不全现象[3]；Lowe(1979、1982)注意到了悬移质沉积[4]；Stow(1986)注意到有粒序变化泥岩和无粒序变化泥岩，有别于低能的正常海相泥岩，但局限于细粒沉积中[5]。Shanmugam认识到高能事件沉积包括块体流沉积和浊流沉积，浊流沉积包括狭义浊流沉积和碎屑流沉积[6]，但认为块体流和浊流是先后关系，实际上它们是并列关系，沉积机理完全不同。

由于缺乏统一认识[7-8]，目前关于浊流的术语繁多，如弹性流体、塑性流体、宾汉塑性流体、牛顿流、岩屑流、颗粒流、水下泥石流、液化流、异重流等。这些名词大多是流体方面的，不少地质工作者并不了解，对它们形成的沉积物难有准确认识[9]。浊流沉积类型非常多，有的是重要勘探对象，如富砂浊积体；有的不具勘探价值，如块体流混杂堆积[10]、碳酸盐岩浊积体[11]、泥质浊积体[12]等。即使是富砂浊积体，由于其内部复杂，从汇水区到深海平原，不同阶段形成的沉积内部组成、厚度、分布范围和叠置方式变化很大。笔者统计了国内外160余个以重力流沉积为勘探目标的储层预测效果，超过3/4的探井储层不发育或非均质性强，储层预测成功率仅为25%，说明对重力流沉积富砂机理、主控因素、内部组成等认识不清。

1 深水重力流沉积机理新认识

深水重力流是由重力驱动的含有大量碎屑物质的高密度流体，其形成条件包括充足的水深、足够的坡度角和密度差、充沛的物源和一定的触发机制[22]。触发机制包括地震、海啸甚至洪水等[23-24]。

1.1 深水重力流分异作用

深水重力流属于事件性的流体，包括前期的高能流体和后期的低能流体。在特定条件下，重力流的产物可表现为不同的形式。受控于坡度角(图1)，高能流体发生分异作用，可划分为分异作用好和分异作用差2种。

图1 重力流随坡度角变化示意图Fig .1 Schematic diagram of gravity flow changing with slope angle

1) 浊流。分异好的重力流称为浊流，包括狭义浊流和碎屑流，狭义浊流的颗粒靠水基支撑，为水和砂砾的混合物，其沉积物具有粒级递变、流动构造、撕裂构造等，为干净的砂砾岩，是非常重要的勘探目标；碎屑流颗粒靠泥质支撑，含有泥砾、植物根碎屑等漂浮物，见反递变层理、振动筛作用，呈悬浮状而整体具流动性，其沉积物具有碟状构造、泄水构造、漂浮砾等(图2)。

注：岩心来自英国北海盆地1井上侏罗统图2 浊流沉积层序及典型岩心照片Fig .2 Turbidite and its typical cores

2) 块体流。分异差的重力流称为块体流，颗粒靠杂基支撑，内部剪切面提供了运动的条件，内部变形，失去了原来的物质联结关系。形成块体流的坡度角一般很大。块体流沉积物碎屑的粒级变化大，具流动构造、撕裂构造，递变差或无递变，可有反向递变。高能事件之后会有牵引流出现，形成大量具有层理构造的细粒沉积(图3)。

注：岩心来自英国北海盆地1井上侏罗统图3 块体流沉积层序及典型岩心照片Fig .3 Mass transport deposit and its typical cores

浊流沉积序列中浊流—碎屑流—牵引流沉积往往同时出现(图2)，下部为狭义浊流沉积，为砂岩、砂砾岩，正粒序，发育递变层理、块状层理或平行层理；中部为碎屑流沉积，发育漂浮砾、泥岩撕裂屑、泄水构造等；上部为牵引流沉积，粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩，发育波纹交错、波纹、水平层理。具体到每期重力流事件，这3种岩相的发育程度、厚度和分布范围有很大的变化，也就是鲍马序列不全现象。

1.2 深水重力流成因机制

1) 浊流沉积。其成因机制可以解释为在陆架上的某一汇水区，遭受一定的触发机制，位于下部的密度大的砂砾由水携带快速沿陡坡下滑到盆地中堆积下来；密度较小的泥质碎屑和泥砾及其中的漂浮物以泥基碎屑流的形式随后沿陡坡下滑叠置在前面沉积的砂砾之上；它们之上是事件末期相对平静时期的牵引流沉积，具层理构造。这些流体形成的浊积体分布于局限性的或开阔的海域中。有的离陆架近，有淡水注入标志，如菱铁矿团块等；分布于开阔海环境中的，由于富氧，生物化石丰富；在局限海沉积中的化石稀少。

2) 块体流沉积。主要发育于盆地裂陷初期，陆架不发育的陡岸。物源区位于陡坡高地，汇水面积小，提供物源的岩石坚硬，干旱气候制约了碎屑物质供应。在洪水季节，分选磨圆极差的碎屑物质从陡岸直接落于半深海—深海之中而形成。往往沿陡岸坡底成裙状分布，这样的块体流沉积分异很差。

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值得注意的是，同样位于陡岸，在潮湿多雨的时期，物源区岩石比较松软的地区，汇水面积较大，碎屑物质受限制程度小且可以相对长期、多期次供应，在陡岸坡底形成的高能流体有一定分异的块体流沉积。相比于高能流体来不及分异的块体流沉积，有一定分异的块体流沉积可以成为储层，但在空间上仍受限制，碎屑物质以粗颗粒为主，分选磨圆差。在纵向上，二者经常交互出现，在平面上高能流体有一定分异的块体流沉积可分为内扇、中扇和外扇等部分，其中内扇部分的岩性与高能流体来不及分异的块体流沉积的主体相似，中扇和外扇分选相对好，可以作为储层，但规模小。北海有多个这样的油田，勘探开发潜力有限。上部为低能牵引流形成的砂泥岩薄互层，砂岩具有波纹交错层理。

2 富砂浊积体内部组成及最佳储层发育部位

浊积体内部组成非常复杂，由于砂体相互叠置，砂泥交互沉积，导致储层非均质性强，即使同一事件内不同流体沉积的厚度和分布范围也有很大变化，局部发育的滑塌沉积使砂体分布更为复杂。

从汇水区到盆地中心，一次浊流沉积的过程可以分为4个阶段：路过沉积、限制性沟道、沟道和朵叶结合部、朵叶边缘和远缘(图4)。

图4 富砂浊积体沉积过程Fig .4 Deposition process of sand-rich turbidites

1) 路过沉积。浊流分为头部、主体和尾流。当其在高部位陡坡处下冲时，头部和主体经过斜坡，进入盆地中心，尾流以薄层砂岩的形式沉积下来。路过沉积是高能流体沉积，与正常海相低能泥岩夹薄层砂岩有本质的区别。正常海相泥岩为低能沉积，即使夹有一些碎屑，也以薄片状化石壳等为主。路过沉积薄层砂岩放大后显示为透镜状，顶面突变、底面侵蚀。路过沉积虽然本身不能成为储层，却预示着前方有砂体。

2) 限制性沟道。具有底部冲刷面，下部砂岩、砂砾岩段含有递变层理、块状层理。上部为层理状细砂岩、粉砂岩和泥岩段，为重力流高能事件之后相对低能的牵引流沉积。限制性浊积沟道沉积层序中还发育溢岸沉积，包括天然堤、决口扇。决口扇为正粒序砂岩叠置在下伏泥岩、粉砂岩之上，底冲刷不明显，天然堤为纹层状粉砂岩、泥岩的频繁互层。由于碎屑流沉积、甚至块体流沉积、溢岸沉积的存在，严重加剧了限制性浊积沟道沉积的非均质性。

3) 沟道和朵叶结合部。浊积沟道沉积和朵叶是一个整体，自然过渡，浑然一体，没有明显的界限。一般来说，形成朵叶的流体能量远小于形成浊积沟道的。朵体往往由多个朵叶组成，单个朵叶可分为核部、核缘、边缘、远缘等4部分。朵叶核部主要为块状砂岩，朵叶核缘牵引流沉积有所增多。朵叶核部和核缘与沟道沉积结合在一起组成沟道和朵叶结合部，在此阶段，浊流基本不受约束，砂层厚、分布广、颗粒粗而且干净，碎屑流、块体流沉积不发育，没有溢岸沉积，砂体分布比较均匀，是最佳储层发育位置。

4) 朵叶边缘和远缘。朵叶边缘和远缘处于相带的末端，主要以泥岩为主，夹向上变细薄层砂岩。

3 富砂浊积体主控因素

深水重力流沉积的控制因素涉及物源、构造运动与断裂、古气候、古地貌、坡度角、水体密度差等。从勘探开发实际出发，富砂浊积体是我们的勘探目标，分析表明其主控因素包括物源区岩性、构造运动和断裂等。

3.1 浊积体物源区岩性对富砂浊积体的决定性作用

物源区岩性是浊积体富砂与否的首要因素。来自大型三角洲前缘、滨面砂的浊积体，由于物源区碎屑颗粒大小适中，磨圆好、泥质少，这类浊积体储层物性普遍较好。图5是土耳其南部一个中新世重力流沉积露头，在约500 km2范围内，有物源来自扇三角洲、辫状河三角洲前缘、滨面砂的富砂浊积体，亦有来自浅海陆架灰泥的碳酸盐岩块体流沉积和泥质块体流沉积。西非某地区，由于忽视了物源区岩性对浊积体的重要性，造成储集层失利，该浊积体物源来自陆架灰泥，而该区南部发育来自以三角洲前缘砂为物源的浊积体，储层较为发育，已有油田发现证实。

图5 物源区岩性对重力流沉积的影响Fig .5 Influence of lithology in provenance area on gravity flow deposition

3.2 构造运动对富砂浊积体的控制

构造活动直接控制了深水重力流沉积的性质与规模。实例来自北海A油田，该油田位于北海中央地堑，发育晚侏罗世浊积体。断陷初期，构造活动较弱，水体规模小，没有形成相对固定的浊积沟道，以小规模块体流沉积或局部发育的块体流沉积为主，分布范围局限，侧向连续性差，明显受海底地貌控制；断陷扩张期，随着构造活动增强，砂体沿与断裂活动有关的海底低地分布，局部明显加厚且侧向分布范围扩大，仍以块体流沉积为主；而到了断陷晚期，构造活动相对稳定，水体规模大，浊积沟道相对固定，碎屑物质集中以浊流形式向深水区进行搬运，沉积了总厚约90 m的多期席状浊积砂岩，侧向分布较广，是该油田的主力油组。

3.3 断裂对富砂浊积体的控制

多级断阶带是由2个及以上断阶构成的地形坡度逐级突变带，一方面其构成了陆源碎屑物由汇水区向深海平原长距离搬运的有效输送通道，另一方面各级断阶也是富砂浊积体堆积的有利场所。靠近富砂物源区的断阶对浊积体有拦截效应，粗粒沉积物更容易在此堆积。实例来自北海某油田(图6)，靠近富砂物源区断阶上的浊积体(B油田)明显好于位于末级断阶或深海平原的浊积体(E油田)。B油田砂层伽马曲线以箱型为主，单层厚度普遍大于20 m，多套厚层砂岩纵向叠置现象明显，反映了沟道和朵叶结合部特征。E油田发育砂泥岩薄互层，厚砂层层数少，分布比较分散，最大单层厚度不足10 m，厚砂层内夹有薄层泥岩，表现出朵叶边缘和远缘沉积特点。

图6 断裂对富砂浊积体的控制作用Fig .6 Control of fault on sand-rich turbidites

4 在北海G油田大发现中的应用

北海G油田位于北海中央地堑的西部，界于Forties Montrose凸起和Western 地台之间。研究区目标储层为上侏罗统Heather组浊积砂岩和Fulmar 滨面砂岩(图7)。随着裂陷扩张，持续海侵，Fulmar砂岩从西中央地堑中心向Forties Montrose 凸起和 Western 地台退积。受盐岩作用影响，海盆加深，这些滨面砂又被活化成为Heather组浊积体的物源。

图7 G构造地质剖面图Fig .7 Geology profile of G structure

G构造所在断阶带已有数口井钻遇浊积砂体，分析表明以沟道和朵叶结合部为主(图8a、c)，而沟道和朵叶结合部是储层发育比较有利的位置。统计数据表明，Fulmar滨面砂岩平均孔隙度18%～24%，平均渗透率 150～250 mD，平均净毛比 70%；Heather浊积砂体沟道和朵叶结合部储层物性好，平均孔隙度 20%～25%，平均渗透率 200～300 mD，平均净毛比 20%～50%。G构造西侧的A井钻遇Fulmar 滨面砂岩和 Heather 浊积砂岩储层，孔隙度为5%～27%，平均20% ，渗透率为0.4～155 mD，显示良好的物性特征(图8b)。

这些砂岩都在最大海泛面之下，物源主要来自东面的Forties Montrose凸起(图8c)。

图8 G构造钻前储层预测Fig .8 Reservoir prediction of G structure

通过模拟G构造及其周围几个构造的储层分布及厚度，砂体分布范围宽广，厚度为15.2～304.8 m。这一结果也与地质解释和构造约束下的沉积模式吻合。

滨面砂作为良好的物源为富砂浊积体沉积提供了物质，且G构造处于沟道和朵叶结合部有利位置，具备了发育富砂浊积体的有利条件。G井设计井深5 030 m，于2018年完成钻探，在Heather组Freshney浊积砂体(为主)和 Fulmar滨面砂岩中均有发现，储量达亿吨级，是北海十年来最大的勘探发现。

5 结论

1) 基于野外露头、岩心和已发现油田实例分析，对传统深水重力流沉积机理进行了厘定，根据勘探开发实际需求，将深水重力流沉积分为分异好的浊流沉积和分异差的块体流沉积，前者中富砂浊积体是勘探目标。

2) 从汇水区到深海平原，富砂浊积体的沉积过程可分为4个阶段：路过沉积、限制性沟道、沟道和朵叶结合部、朵叶边缘与远缘沉积，其中沟道和朵叶结合部由于块体流、碎屑流沉积不发育，是富砂浊积体储层最佳发育部位。

3) 物源区岩性是控制富砂浊积体的决定性因素，构造活动及其演化直接控制了深水重力流沉积的性质与规模，多级断阶坡折带是富砂浊积体有利发育位置，且不同断阶的砂体规模差异显著。三角洲前缘砂、滨面砂等是最好的物源，当浊流经过多级断阶时，靠近物源断阶上的砂体最富砂，位于末级断阶或深海平原的砂体可能单层薄、颗粒细、泥质多，勘探价值小。

4) 北海G构造位于靠近物源区的断阶带上，Forties Montrose凸起上的水系和滨面砂为Heather组Freshney浊积体提供物源。新认识成功预测了G构造储层，钻探证实了该构造Freshney浊积砂体(为主)和Fulmar 滨面砂岩中均含油气，是北海十年来最大的发现。