辽河西部凹陷曙北地区沙四段薄砂层成因类型及分布规律

宋 兵，王 波，刘兴周，刘少治，陈希光，卢文忠

1.中国石油杭州地质研究院，浙江 杭州310023；2.中国石油辽河油田公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦124010

0 引言

近年来，随着油气勘探程度的不断提高，国内大多数盆地工作重心逐步向岩性地层油气藏转移，已陆续开展薄砂层的预测及油气勘探［1-9］，特别是东部断陷盆地，勘探程度较高，薄层砂体日益受到人们的重视.这类砂体一般厚度只有半米至几米，横向变化快，非均质性强，常与泥岩形成薄互层，预测难度大；但在地层中大多被优质烃源岩所包裹，有得天独厚的油气源优势，油气一次运移就可成藏，还伴有超压.勘探生产表明这类砂体油气显示以及生产效果都较好，因此潜力较大.同时，受“滩坝”研究热潮的影响［10-14］，很多学者将薄砂层等同于滩坝砂体，进而影响对薄砂层的深入认识和下一步勘探部署.

辽河西部凹陷曙北地区沙河街组四段大面积发育薄砂层（以沙四上亚段为例，地层厚度一般105～190 m，平均165 m；单砂层厚度一般1～6 m，平均1.8 m；累计砂岩厚度一般5～30 m，平均约23 m），钻井都见很好的油气显示，特别是SHG155井和SH134井已见到了工业油流，而且生产效果好，展现出很好的勘探前景.前人研究［15-16］认为，该区沙四段为辫状河三角洲－湖泊沉积体系，薄砂层为滩坝沉积，与西部凹陷中南部（沙四段主储量区）扇三角洲水下分流河道砂体的传统认识相矛盾.该区的薄砂层类型仍然不明确，这将直接影响薄砂层的分布预测及下一步的勘探部署工作.本文通过岩心、钻测井及分析测试资料，对研究区沙四段薄砂层成因类型及典型特征开展研究，同时预测沙四段各砂层组的沉积展布特征，分析薄砂层分布的主控因素，归纳总结薄砂层沉积模式，以期为该区下一步勘探部署提供依据.

1 地质概况

辽河西部凹陷位于渤海湾盆地辽河断陷的西南部，为中国东部典型的东断西超式断陷型富油气凹陷，在平面上可划分为9个构造单元［17］（图1a）.曙北地区包含其中的西部缓坡区中段以及盘山－陈家洼陷部分区域（图1b），是在斜坡背景上发育的一个北东走向、南东倾向的单斜构造，面积约200 km2.区内断裂体系发育，主要表现为多条北东走向、南东倾向的正断裂，使得研究区构造复杂化.曙北地区基底由太古宇（Ar）和部分中新元古界（Pt2－3）构成，新生界自下而上依次发育古近系房身泡组（Ef）、沙河街组（Es）、东营组（Ed），新近系馆陶组（Ng）和明化镇组（Nm），并被第四系（Q）沉积覆盖.目前发现太古宇、元古宇、沙河街组等多套含油层系.区内已建成曙光油田，东北部为雷家碳酸盐岩油田，西南部为杜家台油田，表明研究区油气资源丰富.沙河街组四段（Es4）为一个完整三级层序，与下伏房身泡组为假整合至不整合接触，其沉积物是湖盆扩展发育时期形成的，泥页岩分布很广泛［18］，整体岩性为巨厚的暗色泥页岩（厚度200～300 m）夹少量薄层砂岩（单层厚度一般1～6 m）、泥灰岩、白云质灰岩、鲕灰岩等，自下而上分为两个油层，下部高升油层发育薄层油页岩、泥灰岩夹薄层砂岩，上部杜家台油层段主要为砂岩、粉砂岩与泥岩间互.在油层组基础上依据沉积旋回，本研究共精细划分了5个砂层组，分别是杜家台油层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ砂组和高升油层Ⅰ、Ⅱ砂组（图1c）.

图1 研究区地质构造及综合柱状图Fig.1 Tectonic map and comprehensive column of the study area

2 薄砂层成因类型及特征

研究区沙四段垂向上具有厚泥薄砂的特征，如曙134井杜家台油层，地层厚度196.5 m，累计砂厚31.5 m，砂地比16%；单砂层厚度1～5 m，共14层，平均2.25 m/层，而且这些薄砂体横向变化快，非均质性强.根据岩心观察、岩石成分、结构、沉积构造特征，结合岩电组合特征以及沉积背景分析，在研究区共识别了扇三角洲和湖泊2个主要的沉积体系.砂体成因类型主要有扇三角洲前缘的水下分支流河道、河口坝，以及滨浅湖中的低隆滩坝和沿岸浅滩，共4类.各类砂体由于沉积环境、水动力条件不同，其岩性、层理构造、垂向序列、测井曲线及地震响应特征也各不相同（图2）.

2.1 水下分流河道

研究区水下分流河道砂体较发育，由于搬运距离较远，主要为前缘远端型.岩性以中—细砂岩为主，少量粗砂岩和粉砂岩，中—薄层状，单层厚度一般为4～8 m，叠加厚度最大可达20～40 m，砂泥岩分异较好.由于主要位于前缘远端，水动力大幅减弱，在岩心上，水道底部的冲刷面发育不明显，整体上砾石很少见，但反映牵引流的交错和平行层理较发育.单期水道一般下部发育交错层理中—细砂岩，向上渐变为平行层理粉细砂岩、波纹层理泥质粉砂岩，顶部残留部分灰色、深灰色水平—韵律层理泥岩和粉砂质泥岩.纵向上常见多个正粒序水道叠置.测井曲线为中高幅钟形、齿化箱形曲线组合.齿中线水平，近底部下倾，上部细齿增多，内收敛.底部大多见突变特征，如图2中SH602井测井曲线－1的2212～2219 m井段.钟形反映了一期完整的水流势能由强变弱的过程，箱形反映厚度较大的多期叠加层序［19］.地震上主要呈中强振幅、较连续型反射，具前积或退积反射特征，如图2中过SHG154井地震剖面虚线内（杜Ⅱ砂组）的地震反射.

2.2 河口坝

研究区岩心上观察到较少，主要由于水下分流河道频繁改道，河口坝砂体很难保留下来.岩性比水下分流河道略细，以粉—细砂岩为主，垂向组合多为反韵律，也可见复合韵律，单韵律层厚度一般仅为0.2～0.5 m.河口砂坝的层理构造与水下分流河道不同，几乎不见冲刷面，主要发育水平层理及小型交错层理.自然电位和电阻率曲线呈中高幅漏斗状，如图2中SH602井测井曲线－2的2229.5～2231 m井段.地震相则表现为中弱振幅，断续、叠瓦状反射特征，如图2中过SH131井地震剖面虚线内（杜Ⅱ砂组）的地震反射.

图2 曙北地区沙四段薄砂层成因类型及特征Fig.2 Genetic types and characteristics of E s4 thin sand layers in Shubei area

2.3 低隆滩坝

根据滩坝砂体的发育位置和水动力条件，将研究区滩坝划分为两类.一类是位于斜坡背景之上局部隆起顶部及周边，由浪控湖流作用形成的低隆滩坝；另一类是位于湖盆边缘扇三角洲两侧，由沿岸流和浪控湖流共同作用形成的沿岸浅滩.在曙北地区，主要发育低隆滩坝，分布在低隆的顶部及周围，沉积物以细砂岩、粉砂岩为主，薄层状，单层厚度一般2～5 m，分选、磨圆相对较好，杂基含量相对较低.岩心上具波纹层理、双向交错层理，反映了波浪作用和双向湖浪改造作用，正反粒序都可见，纵向上与泥岩突变接触.测井曲线以指状、尖峰状为主，局部相对厚层时可呈扁箱状或为齿化钟形或漏斗形，如图2中SH118井测井曲线的3280～3300 m井段.地震反射特征主要为中弱振幅、中等连续状，如图2中过SH107井地震剖面虚线内（杜Ⅱ砂组）的地震反射.

2.4 沿岸浅滩

由于研究区西侧遭受过较大的抬升被剥蚀，此类砂体保存较少.岩性主要为灰绿和灰黄色砂泥岩的薄互层，见低角度交错层理，反映水上水下交替、垂向水流和斜向沿岸流共同作用的结果.除了灰绿、灰黄互层之外，局部油层呈褐灰色.测井曲线以指状、尖峰状为主，局部弱齿化钟形，如图2中SH23井测井曲线的1266.5～1270.5 m井段.地震相没有明显的反射，表现为弱—空白反射特征，如图2中过SH23井地震剖面虚线内（杜Ⅲ砂组）的地震反射.

3 薄砂层分布规律

3.1 薄砂层分布特征

薄砂层分布在纵横向上都有一定的规律性.随着基准面上升，扇三角洲前缘砂体退积，滩坝砂体规模缩小（图3）.

图3 曙北地区沙四段各砂层组沉积相图Fig.3 Sedimentary facies maps of E s4 sand layers in Shubei area

高升时期，西部凹陷开始裂陷，在一系列北东走向断层作用下，断块旋转倾斜形成多个露出水面的“孤岛”，主要有东侧的曙光古潜山和西侧的兴隆台古潜山（见图3d、e）.此时气候干燥，物源供给较少，西侧发育多个小型扇三角洲前缘朵体，“孤岛”在面向有物源供给的扇三角洲一侧发育多个低隆滩坝砂体，扇间沿岸发育浅滩砂体.高Ⅱ时期，南部发育延伸较远的扇三角洲前缘分支水道朵体，北侧扇三角洲朵体延伸较短，在出露区向物源供给方向分别发育2个长轴为北东向的低隆滩坝砂体，向雷家地区逐渐过渡为灰/云坪沉积，在湖岸扇间发育沿岸浅滩砂体（图3e）.高Ⅰ时期，水体略有加深，扇三角洲继承性发育，出露区规模变小，滩坝砂体、灰/云坪规模同样变小（图3d）.随着凹陷持续下沉，水体加深，“孤岛”也逐渐没入水下，高升末期，已基本填平补齐，形成较平整的沉积底面.

杜家台时期，受前期填平补齐影响，整体地势更加平缓，原潜山区由于断层继续活动变为水下低隆区.此时气候变得干燥，物源供给较大，南部曙光扇三角洲向南东方向延伸更远，低隆区发育滩坝砂体和少量灰/云坪沉积，北部以灰/云坪沉积为主.杜Ⅲ时期，初始裂陷趋于稳定，西部斜坡物源供给加强，曙光扇三角洲前缘水道砂体连片分布，向东推进到兴隆台潜山附近，前端发育河口坝砂体；高升期“孤岛”此时变为水下低隆接受沉积，发育大面积滩坝砂体，低隆顶部物源供给不足处形成泥滩，在水下低隆向雷家延伸方向发育连片灰/云坪；西侧高部位紧邻扇三角洲沿岸线状发育浅滩砂体沉积（图3c）.杜Ⅱ时期，随着水体变深，南部扇三角洲前缘砂体虽然还是大面积分布，但滩坝砂体和灰/云坪规模都有所变小（图3b）.杜Ⅰ期，随着断陷活动继续加强，可容纳空间远大于物源供给，南部扇三角洲前缘砂体急剧萎缩，灰/云坪较发育，滩坝砂体范围南迁，规模变小（图3a）.总体来看，由下至上扇三角洲及滩坝砂体的范围逐渐缩小.

曙北地区油气勘探已证实，沙四段扇三角洲前缘水下分流河道及低隆滩坝砂体为重要储集体.中南侧储层最为发育，连通性好，特别是杜Ⅲ和杜Ⅱ砂组储量区块多，向北储层相对减少，同时受泥质和碳酸盐含量的影响，含油性整体变差.高Ⅱ、高Ⅰ和杜Ⅰ期储层不太发育，单层厚度很薄，连通性差，油气显示也较少.整体的油气显示特征与砂体的平面和纵向演化相符.从目前勘探成果来看，已上报的储量区主要分布在扇三角洲前缘砂体内，少量为滩坝砂体.在储量区之外，分布最广泛的储集砂体是低隆滩坝，杜Ⅲ时期的SH107－SH112井区，杜Ⅱ时期SH134东南井区、SHG155－SHG84井区，以及高Ⅱ时期的SHG111－SHG84井区等滩坝有利发育区是下一步重点勘探对象.另外，储量区外还有小型扇三角洲发育，如SH74东井区继承性发育的扇三角洲前缘砂体也可以作为备选勘探对象.

3.2 薄砂层分布控制因素

3.2.1 古地貌

古地貌控制盆地水动力条件以及储集砂体的发育和展布.西部凹陷长约110 km、宽为12～30 km，呈窄湖面、长岸线、北东走向的狭长型.沙四段初始裂陷期，沉积前古地貌整体表现为东断西超、东陡西缓单断式箕状特征.沙四早期，曙北地区整体地势平缓，发育的多条北东走向西倾断裂切割基底，使基底面貌进一步复杂化，形成洼隆相间的古地貌特征.沉积、沉降中心的不均衡，局部水下低隆起可以充分响应波浪作用，同时岸线的曲折也有益于波浪作用的响应，利于滩坝砂体沉积［20］.地层沉积具有填平补齐的性质.沙四早期，曙光古隆－兴隆台潜山北翼一线形成了南北沉积环境的分水岭（见图3d、e中所示的两个古隆区），控制了研究区大沉积环境的形成.界线以南地域开阔，为大型扇三角洲体系沉积区；界线以北（含低隆区）为半封闭的环境，为无明显水流注入的湖湾区.由于地势相对平缓、水体相对较浅，在曙光古隆－兴隆台潜山顶部及周缘，以及曙光低隆向雷家地区倾伏的低隆带上沉积了一套低隆砂质滩坝－灰/云坪沉积体.由于曙光潜山和兴隆台潜山等低隆的存在，阻挡物源向湖盆延伸，控制北侧延伸较短的扇三角洲朵体发育.在西侧高部位湖岸线附近，还发育沿岸浅滩沉积.

3.2.2 古物源

物源是是沉积体形成的物质基础，控制着沉积物类型及分布特征［21］.前人通过母岩类型、重矿物ZTR指数和砾岩分布规律研究认为，研究区沙四段的主要物源为西部凸起［22］.初陷期湖盆水体很浅，水系流域小，曙光地区主要接受西部元古宇基底和中生界公兴河洼陷和胡家镇洼陷物源供给（图3）.钻井显示物源主要来自公兴河洼陷，河水进入湖盆后，在杜家台和曙光南部地区形成了大型的扇三角洲砂体，由于受古地貌的控制，分成两支，一支继续向南延伸形成大型扇三角洲主体，另外一支沿山谷向北东方向流动，一直延伸到远离物源的曙北地区，发育薄层砂体.研究区中北部由于湖盆边界中生界老山无明显的沟谷，加之基底为中生界泥岩地层（图4），无明显物源注入，不能形成规模扇三角洲砂体，只能发育湖相沉积物.曙北地区沙四段之下基本全为房身泡组玄武岩，其石英和长石含量偏低，风化产物以泥质为主［23］.因此，高升时期，出露水面的“孤岛”也很难提供沉积大规模砂体的足够物源.杜家台时期，扇三角洲砂体向曙北低隆方向延伸较远，在波浪搬运和改造下，形成滩坝砂体.整体研究区物源供应还是较少，半封闭的环境使水体矿化度较高，灰/云坪比较发育，因此在发育滩坝砂体的同时，还发育了灰/云坪等.在扇体边缘地带，沿岸流携带扇三角洲砂体沿着湖岸线搬运沉积，在局部地区形成沿岸浅滩砂体.

图4 曙光－高升地区沙四段沉积前地质图Fig.4 Paleo－geological map before E s4 deposition in Shuguang-Gaosheng area

3.2.3 古水深

研究区沙四段处于裂陷初期，水体相对较浅，前人通过岩心资料中获得的波痕波长、沉积物颗粒直径、沉积物密度等参数，计算曙北地区古水深为6～7 m，这个水深条件有利于滩坝砂体的沉积［15］.沙四段整体是填平补齐式充填，表现为一个以湖侵为主的过程（图3）.特别是杜家台时期更加明显，由下至上，湖平面持续上升，可容空间增长速率大于沉积物供给速率，水体深度不断加大，扇三角洲沉积体系向湖盆边缘退积，低隆滩坝发育规模变小.浅滩砂体也随着湖盆的扩张逐渐向西侧推移.

3.3 薄砂层沉积模式

研究区主要发育扇三角洲－湖泊沉积体系.古地貌表现为整体平缓、洼隆相间.古物源受来自东部燕山隆起带的缓坡曙光物源、高升物源及来自西部中央凸起带的陡坡物源的控制（图4），主要源于太古宇和中生界.古基底盆内主要是房身泡组玄武岩，盆缘则以中生界砂砾岩为主，局部为灰岩和泥岩.古水深在裂陷初期水体相对较浅，为填平补齐式充填，水深及湖盆范围随着层序演化而有规律地变化.古地貌、古物源、古水深控制了沙四段沉积体系的纵横向展布.

曙北地区扇三角洲前缘特征明显，平面上物源有根，可以延伸较远，主要受主物源供给的控制，纵向上随物源供给和水深变化而有规律进/退积.河口坝主要分布在扇三角洲前缘靠湖方向，受水下定向流影响形成，研究区分布有限（图5）.低隆滩坝首先要具备古低隆的地貌背景，其次要有就近的物源供给.高升时期，古地貌上表现为多个洼中水上低隆，在迎向扇三角洲物源供给的一侧发育低隆滩坝；到杜家台时期，在构造沉降和水体上升作用下，早期水上低隆没入水下变为水下低隆，在扇三角洲不断提供物源的情况下，低隆的顶部及周缘可以形成连片的大型低隆滩坝砂体（图5）.沿岸浅滩主要分布在主物源区扇与扇之间的沿岸地区，主要是沿岸流作用形成的，规模有限.在物源供给不充足的地方，如北侧雷家地区则发育灰/云坪沉积，也是有利的储集层.

图5 曙北地区沙四段沉积模式图Fig.5 Sedimentary model of E s4 in Shubei area

4种砂体类型中，扇三角洲前缘水下分流河道和河口坝砂体含油气性良好，目前大部分已钻探并归入储量区，仅缓坡北侧发育的小型扇三角洲砂体在储量区外，同沿岸浅滩一样，规模有限.随着勘探的发展，未来储量区外大面积发育的低隆滩坝砂体将会是碎屑岩增储上产的潜在接替区域.

4 结论

（1）曙北地区沙四段发育扇三角洲－湖泊沉积体系，薄砂层主要有扇三角洲前缘中的水下分流河道、河口坝和滨浅湖中的低隆滩坝、沿岸浅滩4种成因类型.水下分流河道交错层理较发育，测井曲线为钟形、齿化箱形；河口坝具反韵律，漏斗状测井曲线；低隆滩坝分布于低隆顶部及周围，具波状交错层理，测井曲线呈指状；而沿岸浅滩为近岸分布.其中水下分流河道和低隆滩坝是研究区最主要的砂体.

（2）受古物源和古地貌控制，南部受古物源和古地貌控制发育大型扇三角洲，前端发育河口坝，中北部主要发育规模型低隆滩坝，西侧近岸发育沿岸浅滩.而古水深变化控制砂体的进退和规模演化.

（3）在储量区之外，低隆滩坝是分布最广泛的储集砂体.杜Ⅲ时期的SH107－SH112井区，杜Ⅱ时期的SH134东南井区、SHG155－SHG84井区，高Ⅱ时期的SHG111－SHG84井区等低隆滩坝有利发育区是下一步重点勘探对象.