基于浅水三角洲沉积的供源差异与砂体分布空间配置关系——以松辽盆地长垣西部葡萄花油层为例

宿 赛， 胡明毅， 邓庆杰， 蔡全升

( 1. 中国石化勘探分公司 勘探研究院，四川 成都 610041； 2. 长江大学 地球科学学院,湖北 武汉 430100 )

0 引言

近年来，随松辽盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地等区域以浅水三角洲砂体为主要储集体大型油气藏的发现，浅水三角洲逐渐成为人们研究的焦点[1-3]。浅水三角洲前缘亚相油气成藏条件优越，其内部砂体是常规油气勘探的重点目标。前缘河道砂体作为储集砂体发育的最有利相带，分析其沉积规律与沉积模式，是勘探取得成功的关键[4-7]。人们对浅水三角洲前缘沉积背景及前缘砂体沉积模式进行研究，前缘砂体沉积特征受区域构造、湖底地形、水体深度、物源供给及气候变化等因素影响，具有河流控砂、湖岸线控砂等控砂模式。参考Postma标准，按照湖盆三角洲发育的供源体系，结合三角洲前缘坡度陡缓程度及发育面积等因素，邹才能等将浅水三角洲分为前积结构明显的吉尔伯特式和前积结构不明显的毯式两大类型[8]；根据三角洲前缘河道发育形态，楼章华将浅水三角洲分为席状、坨状和枝状浅水三角洲[9]；根据盆地沉积动力学研究结果，王建功等将浅水三角洲划分为低位期、水进期和高位期三种沉积模式[10]；根据沉积物源差异，朱筱敏等将浅水三角洲划分为浅水曲流河三角洲与浅水辫状河三角洲，且两者前缘水下分流河道形态差异较大[11]；宋新民等认为浅水三角洲水下分流河道叠置连片，受波浪作用影响减弱，不发育河口坝沉积微相[12]。根据沉积模拟实验，尹太举等模拟河控三角洲沉积过程，提出叠覆式三角洲模式，认为单个朵体是构成浅水三角洲的基本单元，多个朵体叠置成大型浅水三角洲，不存在明显的粒序特征，无法识别和划分沉积微相类型[13]。多种影响因素在各盆地、各时期配置关系及所占比例不同导致砂体沉积模式各异，因此需要对具体研究对象提出相应的控砂沉积模式。

对于多物源方向供给的浅水三角洲，多源交汇作用对前缘砂体的发育及展布影响尤为显著[14-16]。根据长垣西部葡萄花油层的宏观沉积背景条件，笔者将长垣西部作为一个整体，分析葡萄花油层沉积时期物源供给的方向及影响，厘定葡萄花油层沉积格局；根据多种矿物元素分析交汇，定量识别受水动力条件、供源成分及方向影响的不同物源交汇范围；以水下分流河道砂体为骨架，根据相对湖平面变化和物源供给等方面的耦合关系，分析不同供源方向沉积成因的砂体岩相组合及发育特征差异，研究多源交汇作用对前缘砂体的发育影响及沉积模式，为缓坡浅水三角洲前缘砂体体系的研究提供参考。

1 区域地质概况

葡萄花油层构造上处于松辽盆地中央坳陷区西北部, 东邻大庆长垣, 西接泰康隆起带, 包括齐家—古龙凹陷及龙虎泡—大安阶地北部，受基底断裂控制整体为一东倾单向斜坡紧邻大型凹陷的构造格局(见图1(a))。葡萄花油层属于上白垩统姚家组一段时期沉积的地层，是松辽盆地北部主要产层之一[17]。该段地层形成于松辽盆地整体拗陷过程中的一个显著回返和填充时期，即青山口组水退旋回晚期至姚家组水进旋回早期， 姚家组早期受全球性海退事件与太平洋板块运动影响，松辽盆地在挤压抬升和海平面下降的双重作用下形成环带状坡折带，姚一段层序地层呈从盆地中心向外围相向超覆、削截现象[18-20]。按照盆地边缘不整合面和旋回界面进一步划分为三个中期基准面旋回，自下而上分别为PⅠ下、PⅠ中、PⅠ上，为上升半旋回。根据短期基准面旋回对比划分为P1-P8共8个短期旋回，垂向上表现三个中期基准面旋回组成的沉积序列，出现上超式沉积的形态(见图1(b))。

图1 研究区构造位置及葡萄花油层地层特征

2 沉积供源差异分析

2.1 重矿物类型

研究区姚一段砂岩鉴定20多种重矿物：皓石、金红石、电气石、石榴石、锡石、绿帘石、赤铁矿等，根据重矿物的稳定性，将重矿物分为4类：(1)稳定重矿物，包括TiO2矿物、锆石等；(2)较稳定重矿物，主要为石榴石；(3)不稳定重矿物，包括绿帘石、辉石、角闪石、榍石；(4)自生重矿物，主要为赤铁矿、磁铁矿、黑云母。纵向上，姚一段不同层段重矿物类型基本相同，且以稳定重矿物占明显优势为特征，但不同层段各重矿物占比存在一定差异。

2.2 重矿物组合

松辽盆地北部在姚一段主要有三大物源方向，以东北部物源为主，主要发育齐齐哈尔水系、讷河水系、克山水系；西部物源为辅，发育白城水系；东部物源作用较小，西部及东北部物源持续供给，向盆地中部推进，形成不同方向多物源体系汇聚的沉积格局。

分析长垣西部姚一段157口井247个重矿物样品，对同一深度的重矿物质量分数平均值与等效深度进行统计筛选，选取锆石、电气石、白钛石、石榴石等9种代表性较强的非自生重矿物；利用SPSS软件进行Q型聚类分析，将某一时期单井重矿物特征在平面分布上加以区分，划分不同类型的重矿物组合类型，结合井位标记规律圈定不同类型物源组合的分布范围。根据重矿物Q型聚类分析结果(见图2)，将姚一段沉积时期长垣西部地区依次划分为多个具有明显特征差异的重矿物组合分区。葡萄花油层沉积时期，研究区重矿物组合具有明显的两个分区，其中y1—A“锆石、白钛石、石榴石”重矿物组合，多出现在敖古拉、他拉哈地区等西北部，锆石占绝对优势，质量分数为42.4%～76.0%，平均为68.0%，其次为白钛石、石榴石，平均质量分数分别为19.0%和8.0%，同时含有少量板钛矿、锡石，以英78、英32、古32井为代表；y1—B“锆石、白钛石、电气石”重矿物组合，整体多出现在杏西、哈尔温等研究区北部，以金22、古21等井为代表，其中锆石占优势，质量分数为26.5%～59.7%，平均为47.0%，其次为白钛石、电气石，平均质量分数分别为36.0%和7.0%，同时含有少量石榴石、锡石(见图3)。两个重矿物组合分区的分界线在布木格—葡西至新肇一带。

图2 研究区葡萄花油层西北部(A区)、北部(B区)重矿物占比Q型聚类系谱

图3 葡萄花油层重矿物类型平面分布

2.3 ZTR指数

分析研究区姚一段ZTR指数，不同时期重矿物ZTR指数存在明显的分区现象。姚一段沉积时期工区西部重矿物分区ZTR指数整体较低，介于40.0%～60.0%，平均为55.4%；东北部重矿物分区ZTR指数整体较高，介于45.0%～70.0%，平均为58.9%。平面上，ZTR指数总体呈自北、西部向中部升高的特征(见图4)。

研究区葡萄花油层发育受北部齐齐哈尔水系与西部英台水系影响，不同沉积时期，受西部、东北部双物源控制，在研究区中部形成两个物源交汇。

3 沉积微相类型及特征

3.1 沉积相类型

姚一段沉积时期，松辽盆地为大型坳陷浅水湖盆，沉积背景处于青山口水退晚期与姚家组至嫩江组水进早期，湖盆地势较为平坦，具有气候干旱、水体浅、湖体面积较小的特点。结合沉积相标志，利用岩心、录井、测井等资料，确定葡萄花油层沉积相类型。受东北部物源影响，形成的长源缓坡大型河流—三角洲在浅水湖泊水下沉积，主要发育浅水三角洲前缘亚相沉积。研究区西部受二级构造坡折带影响，形成短轴斜坡浅水三角洲沉积体系，葡萄花油层受到湖泊—浅水三角洲及湖泊—正常三角洲两个沉积体系控制，共识别2个沉积体系、3个沉积相、3个亚相、8个微相(见表1)。

表1 长垣西部葡萄花油层主要沉积相类型

3.2 泥岩发育特征

根据取心段泥岩及录井资料观察统计，研究区葡萄花油层泥岩颜色主要分为紫红色、杂色、灰绿色、灰黑色四大类。选取部分井姚一段的岩性资料，分析姚一段沉积时期泥岩颜色指数数据，将泥岩颜色根据氧化还原程度进行相应比例的等加计算，越偏向-100%说明还原性越强；反之，氧化性越强。研究区泥岩以紫红色块状泥岩和灰绿色、灰色、黑灰色块状泥岩为主，夹杂零星紫红色泥岩，含钙质和铁质结核，可见大量变形层理，生物化石不发育，偶见少量炭屑沿层零星分布(见图5-9)。

图5 长垣西部葡萄花油层泥岩岩心照片

紫红色泥岩分布于研究区南部葡萄花油层早期敖古拉地区，由于水体浅且南部受构造剥蚀隆起，局部出现杂色泥岩。灰绿色泥岩分布于整个研究区三角洲前缘，呈水下还原沉积环境；南部新肇地区葡萄花油层中晚期多处可见灰黑色泥岩，发育滨浅湖沉积呈稳定、具有一定深度的水下还原环境，初步判别研究区域湖岸线分布位置；可明显区分三角洲平原氧化环境和三角洲前缘及滨浅湖还原环境(见图5)。

3.3 沉积构造特征

根据研究区取心井岩心观察，总结两大类沉积构造：层理构造、变形构造和生物扰动(见图6)。层理构造主要包括块状层理、交错层理、平行层理和复合层理。变形构造主要包括包卷构造和砂枕构造。

3.3.1 层理构造

块状层理主要由细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩组成，凭肉眼难以观察到层理现象，多发育在三角洲平原、前缘分流河道底部，形成于水动力较为稳定的沉积环境。交错层理主要由细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩组成，常发育于水动力较强的沉积环境，包括中小型槽状交错层理、楔状交错层理、斜层理、板状交错层理4类(见图6(a-c、f)，多发育于浅水三角洲平原分流河道、前缘河口坝、水下分流河道。平行层理主要由粉砂岩、泥质粉砂岩组成，常发育于水动力强且稳定的沉积环境，葡萄花油层平行层理纹层较薄，多发育于浅水三角洲平原分流河道、前缘水下分流河道(见图6(d、l))。复合层理主要由粉砂岩、泥质粉砂岩组成，泥质含量较高，多处可见泥质条带，包括波状、脉状和透镜状层理(见图6(g-h))，常发育于水体较浅、离湖泊较近及受湖浪作用比较明显的沉积环境(见图6(e))，常见于滨浅湖砂坝、三角洲前缘水下口河道。

图6 研究区葡萄花油层沉积典型构造岩心照片

3.3.2 变形构造和生物扰动

包卷构造是指先前的层理发生扭曲变形、层内揉皱现象，主要由泥质粉砂岩组成，可见多处滑塌变形构造，多发育于浅水三角洲前缘支流间湾沉积和滨浅湖砂坝沉积(见图6(i))。砂枕构造受差异压实影响而呈球状或枕状砂块，主要发育于泥质粉砂岩，常见于滨浅湖砂坝、三角洲前缘水下分流河道。研究区浅水三角洲前缘生物活动遗留下来的痕迹丰富，沉积层理遭到破坏，形成不具有确定形态的生物扰动现象，主要以虫孔和生物扰动痕迹为主(见图6(j-k))。

3.4 岩性粒度特征

根据25口井的粒度数据，分析储层砂体粒度分布特征。根据粒度概率累积曲线形态，跳跃次总体占比在35%～75%之间，粒度从下往上深度跳跃次总体占比呈反比关系，直线段倾角逐渐变平缓，表明沉积物粒度往上水动力逐渐下降。姚一段三角洲前缘河口坝沉积物粒度概率累积曲线一般为两段式，以跳跃搬运和悬浮搬运为主。跳跃次总体占比在45%～60%之间，粒度中值在(2.0～3.5)Φ之间，沉积物粒度均匀。主要呈典型的两段式及近似的三段式特征(见图7)，粒度分布概率变化反映河流沉积特征，且沉积物质属于细粒沉积；跳跃总体曲线斜率处于中等到较高的范围，悬浮总体占比整体偏高，细截点位置出现偏细的现象，整体上曲线呈牵引流的沉积特点。

图7 长垣西部葡萄花油层水下分流河道、河口坝粒度概率累积曲线

研究区葡萄花油层整体表现为浅水三角洲分流河道沉积特征，岩心粒度分析表明，粒级主要为细粉级和粉砂级，沉积构造类型为稳定水体环境多见的水平层理和沙纹层理；同时可见少量小型交错层理和平行层理。这些沉积特征表现与浅水三角洲分流河道沉积特征具有较高的一致性。

4 沉积体系划分与发育特征

4.1 沉积体系差异性

不同沉积体系的三角洲前缘受构造、水深、物源供给，以及三角洲朵叶体的迁移等因素影响而易于水下交汇。第一，由于研究区构造平缓，盆地沉降与沉积格局平稳发育有利于浅水三角洲前缘交汇；第二，水体较浅的沉积背景有利于三角洲前缘快速向前推进；第三，双物源控制碎屑物源供给充足，三角洲进积作用增强，多期次三角洲前缘迁移汇聚，同时，凹陷中部地势低洼，有利于三角洲前缘交汇。根据古地貌特征及物源供给分析，结合分析化验数据，从物源方向、重矿物组合分区、黏土矿物、成分成熟度，以及砂地比等方面对沉积体系边界进行定量分析。

根据油层样品分析化验数据，对每口井成分成熟度和黏土矿物(质量分数)占比进行分析，成分成熟度(Ln)等于石英质量分数与长石、岩屑质量分数和之比，将成分成熟度划分为0.3、0.6和0.9，井位投点平面图表明成分成熟度由东北部及西部两端向中间逐渐增加，在哈17—古101—英54及龙201—古534—古159井一带Ln达到0.9，交汇处成分成熟度降低为0.6左右(见图8(a))。靠近物源处，西部、东北部物源黏土矿物表现为伊利石、绿泥石指数“双高”特征，其中伊利石质量分数为70%左右，绿泥石次之。绿泥石沉积的源头是由河流带来丰富溶解铁而形成的富铁沉积物，故三角洲前缘沉积环境绿泥石质量分数较高，说明西部、东北部物源形成的三角洲前缘朵体逐渐向中部推进，在古463—古114—古64井龙南—葡西地区交汇，黏土矿物表现为伊利石含伊/蒙混层“单高”特征(见图8(b))。

图8 研究区葡萄花油层不同沉积体系边界划分

姚一段沉积时期，砂岩质量分数高值区主要位于研究区西部及东北部，平均质量分数约为60%，沿研究区边缘向齐家—古龙凹陷中部汇聚，砂地厚度比呈降低趋势，逐渐过渡为滨浅湖相泥质沉积(见图8(c))。研究区存在两支整体沿NW—N向中部推进的物源体系，由西部、东北部至中部距近源沉积区越来越远，砂地厚度比逐渐变小，交汇区等值线沿中线呈近似对称特征，形成两个方向多物源体系汇聚的沉积格局。

结合成分成熟度、黏土矿物、砂地厚度比，以及重矿物ZTR指数等分析测试边界进行叠合，叠合包络线范围是两个三角洲沉积体系多期交汇最频繁区域(见图8(d))，将其定义为葡萄花油层不同沉积体系的边界；总结不同沉积体系岩石特征的多因素指标差异，从多个角度定义边界识别模板(见表2)。

4.2 供源差异砂体发育特征

在识别供源差异和交汇边界的基础上，结合基准面变化及物源供给距离变化，不同沉积成因的砂体岩相组合存在差异[19-22]。研究区主要以水下分流河道砂体为骨架，重点总结河道砂体发育特征，根据两个沉积体系对分流河道储层影响的差异性，将水下分流河道分为东北部与西部两种类型。

表2 长垣西部葡萄花油层不同沉积体系边界识别

4.2.1 曲流型水下分流河道砂体

由于西部供源距离短且水体能量较高，砂体岩性相对浅水三角洲河道类型较粗，底部常发现细砂岩，岩性主要为粉砂岩和泥质粉砂岩，沉积构造多以板状交错层理(Fp)、中小型槽状交错层理(Ft)、平行层理(Fh)为主，多发育在块状层理上。该组合类型一般发育2～5次河道旋回，旋回一般在2～3 m之间，呈切叠状，底部可见清晰冲刷面，可见泥砾，整体呈正旋回，组合之间未见夹层。随供源距离加大，旋回次数减少，多呈单次正旋回，平面上的河流多呈网状交汇且向湖盆方向延伸较远。

该类河道多发育于短轴斜坡三角洲平原远端及近源前缘(水下)分流河道。以古821井PⅠ3时期为例，取心深度为2 004.1～2 008.9 m，沉积厚度为4.8 m的曲流型河道砂体，岩性以细砂岩、粉砂岩为主，测井曲线明显为单砂体；岩心分析表明有3次河道充填，沉积厚度分别为0.8、1.8、2.2 m，河道充填并没有泥岩或粉砂质泥岩夹层，且每次单砂体底部有明显的冲刷面及底部滞留沉积(见图9)。

4.2.2 浅水型水下分流河道砂体

由于东北部供源距离较长且地形平缓，砂体岩性相对较细。河道受湖盆作用影响较大，河道能量明显减弱，岩性主要由粉砂岩及泥质粉砂岩组成，底部多处可见块状层理粉砂岩构成的冲刷面。一般由多个Sm—Fp、Sm—Fp—Ft、Fm—Fp—Ft—Fn岩相组合交替出现，岩相组合主要发育于近物源供给的浅水三角洲前缘背景，常伴有灰绿色泥岩。沉积构造多以板状交错层理(Fp)、中小型槽状交错层理(Ft)、平行层理(Fh)为主，多发育于块状层理上。该组合类型发育2～4次河道旋回，旋回一般在2～3 m之间互相叠置，底部可见清晰冲刷面，可见泥砾，整体呈正旋回，泥质夹层多发育在组合中。随供源距离加大，旋回次数减少，多呈单次正旋回，河道砂体逐渐向湖盆方向萎缩，河道相对弯曲。

垂向上，席状型分流河道由多次旋回垂向砂体叠加组成，形成自下而上粒度变细的间断正旋回，旋回厚度较小，泥质夹层增多，期次数有所增加，常伴前缘席状砂微相出现。以古686井PⅠ4时期为例，取心段为1 654.1～1 567.3 m，沉积一套3.2 m的席状型河道，以粉砂质泥岩和泥质粉砂岩为主，测井曲线可见两期单砂体，岩心分析表明有3次河道充填，沉积厚度分别为0.5、1.1、1.6 m，河道充填中间发育泥岩或粉砂质泥岩夹层，底部未见明显的冲刷面(见图9)。

图9 长垣西部葡萄花油层典型岩相组合与特征

4.3 平面展布规律

4.3.1 沉积演化阶段

姚一段沉积初期，主要受2个沉积体系影响，齐家—古龙地区受东北部长源缓坡物源影响,发育浅水三角洲前缘亚相，局部地区为湖泊相；龙虎泡阶地及古龙地区受西部短轴陡坡物源影响,发育正常三角洲相。西部龙虎泡阶地及他拉哈构造底部发育带状紫红色泥岩，发育三角洲平原沉积。研究区多数井可见灰绿色泥岩，发育三角洲前缘沉积，根据古地貌恢复结果，西北部及东北部古地势较高，齐家—古龙凹陷为沉积洼陷，沉积物从高地势区向中部至南部汇聚。两个不同物源方向河道向中部汇聚交织成网状，共同向南部延伸分汊成小型水下分流河道并汇入小型湖泊。

姚一段沉积中期，长期基准面迅速上升，西北部隆起区逐渐趋于平缓，前一时期在敖谷拉地区形成的剥蚀消失殆尽，主体为陆上沉积环境发育的三角洲平原亚相，研究区大部分发育三角洲前缘亚相，湖平面不断上升，在北部地区局部发育小型湖盆沉积，可见灰黑色泥岩。东北部物源影响占主导因素，主体水系略有向北迁移的趋势，西部短轴供给大幅减少，与北部河道无法交汇，由于地势坡度减缓，只在河道分叉口零星堆积，发育河口坝沉积，前缘席状砂呈朵状分布于河道侧缘及末端。东北部长源供给缓慢减少，河道顺源呈干枝状、分汊延伸距离短，前缘席状砂呈片状发育。南部滨浅湖范围进一步增大，多见透镜状砂坝。

姚一段沉积晚期，由于基准面持续上升，研究区大部分发育三角洲前缘亚相，北部河道继承早期发育两条主干河道，有一条延伸较远，西部短源供给大幅减少，与北部河道无法交汇，由于沉积物流量不足，未见发育河口坝沉积，前缘席状砂呈朵状分布于河道侧缘及末端。北部长源供给缓慢减少，河道顺源呈干枝状、分汊延伸距离短，前缘席状砂呈片状发育。南部滨浅湖范围进一步增大，在敖北、站东斜坡及新站鼻状构造处多见透镜状砂坝。

4.3.2 发育模式

结合基准面旋回变化与湖平面频繁波动现象，根据沉积相发育规律，分析中期基准面旋回地层时期垂向沉积演化模式(见图10)。葡萄花油层气候干旱，物源供给充足，持续湖进时期可以形成浅水三角洲大前缘、小湖泊的沉积特征。早期，西北部、北部沉积体系相互交叉，水下分流河道和分流河道较为发育交汇成网状；中期，西部沉积体系规模减小，以东北部沉积体系为主，水下分流河道和分流河道数量及规模不断减小，交汊较少，河道呈条带状；晚期，西部沉积体系局部发育，以东北部沉积体系为主，两边沉积体系水下分流河道迅速萎缩，河道呈枝状。研究区葡萄花油层受东北部及西部双物源控制，沉积水体持续变深，反映葡萄花油层沉积时期是一个萎缩充填期的沉积过程。西部沉积体系受坡折构造影响，以朵状沉积形态为主，东北部沉积体系为浅水三角洲沉积，以枝状沉积形态为主。水下分流河道数量及规模不断减少，湖区不断变大，反映研究区不断水进的沉积过程。

图10 研究区葡萄花油层关键时期沉积模式演化

5 结论

(1)松辽盆地长垣西部葡萄花油层发育受北部齐齐哈尔水系与西部英台水系两大水系影响，不同沉积时期，受西部、东北部双物源控制，在研究区中部形成两个物源交汇。从物源方向、重矿物组合分区、黏土矿物、成分成熟度，以及砂地比等方面对沉积体系边界进行定量分析，将长垣西部葡萄花油层划分为西部短轴近源正常三角洲沉积体系及东北部缓坡长源浅水三角洲沉积体系。

(2)根据岩相组合、供源差异及展布形态，不同沉积体系交汇区三角洲前缘砂体分为曲流型水下分流河道砂体与浅水型水下分流河道砂体两种类型。

(3)三角洲水下交汇区作为沉积物卸载的有利场所,其沉积特征与三角洲前缘沉积特征一致,垂向上,自下而上沉积物单层厚度增大,平面上，形成浅水三角洲大前缘、小湖泊的沉积特征。不同期次、来自不同三角洲的水动力大小、展布形态不同，使砂体在空间上产生交切、叠置，具有厚度小、分布多、层数多的特点，可成为有利的油气储层。