近源河流相辫状河—曲流河微相转换沉积特征及控制因素——以刘官庄油田馆陶组三段为例

赵一波，李胜利，周练武，马水平，黄晓娣，韩 波，杨龙庆，李 宁，常 可

(1.中国地质大学(北京)能源学院，北京 100083； 2.中国石油大港油田公司 第二采油厂，河北 沧州 061103)

0 引言

辫状河与曲流河是沉积学研究的热点，早期FRIEND P F等阐述现代沉积中辫状河、曲流河共存的实例[1]；通过对现代河流的研究，LUNT L A等认为河型之间存在转化[2]。早期研究多集中于单一河型的研究，而不同河型之间的转化常常被忽视[3-4]，从倪晋仁等[5]和王随继等[6]对河型转换和过渡早期的研究，到谭程鹏等[7]和张弛等[8]通过野外露头实例解剖探讨河型的转换模式，以及李胜利等[9]对辫状河—曲流河(辫—曲)转换沉积特征的总结，除在野外露头、现代沉积中能够发现辫—曲转换共存的现象外，在油气勘探开发过程中也存在。陈彬滔等揭示Melut盆地Ruaman地区Jimidi组“辫—曲—辫”河型的转换规律[10]；根据河流弯曲度，谈明轩等分析渤海沙垒田地区明化镇组辫—曲共存的沉积特征[11]。辫—曲河型转化的问题在油田越来越受到重视，且逐渐成为河流沉积研究的前沿问题。河流相沉积中曲流河和辫状河为我国陆相盆地重要的储层[12]，目前对远源河流相研究较多，对近源河流相研究较少[13-23]，尤其是近源辫—曲转换的河流沉积特点有待讨论，加强对河型转化和过渡的研究具有重要的理论与实践意义[24]。

黄骅坳陷新近系馆陶组发育较完全，是主要含油层系之一。刘海等[25]认为黄骅坳陷西部孔店油田馆陶组存在垂向上辫—曲转换的现象。陈蓉等[26]和蒲秀刚等[27]早期认为黄骅坳陷南部的馆陶组主要发育辫状河沉积，目前的研究成果不足以支撑刘官庄油田馆陶组的开发需求，河流储层空间变化快、转换复杂影响储层开发，需要明确地下储层的相带分布规律与特征。笔者利用岩心观察、测井、录井和地震等数据，分析研究区测井特征和典型垂向沉积序列，基于井间砂体对比及贝叶斯地震随机反演，明确新近系馆陶组三段(馆三段)的岩相类型，总结沉积微相识别模板，揭示辫—曲转换规律和砂体沉积分布特征，探讨辫—曲转换控制因素，为研究区储层研究和同类型油田勘探开发提供参考。

1 区域地质概况

刘官庄油田构造上位于渤海湾盆地黄骅坳陷南部的埕海高斜坡带，北部为歧南次凹，南邻埕宁隆起，南北跨度约为12.0 km。全区发育4条NE走向的正断层，受羊二庄及埕西断层等控制被分割为4个断块(见图1(a))，具有北断南超的特点[28]。全区自下而上发育古近系东营组、沙河街组，新近系馆陶组、明化镇组及第四系平原组。作为黄骅坳陷两大物源之一的埕宁隆起，位于东南部，距研究区最近为2.0 km，最远为10.0 km，馆陶组表现为近源沉积。

图1 刘官庄油田区域构造位置及综合地层柱状图

刘官庄油田钻遇馆陶组埋深为1.0～1.6 km，自下而上可分为3段，即馆陶组三段(馆三段)、馆陶组二段(馆二段)、馆陶组一段(馆一段)，从底部馆三段到顶部馆一段，砂泥分布及垂向砂体演化特征明显。馆一段的含砂率高，发育以箱形为主的辫状河沉积，表现为大型厚层心滩坝多期次叠置“砂包泥”的特点(见图1(b))，顶部到明化镇组有曲流化趋势(见图1(b))。馆二段、馆三段为辫—曲交替沉积，辫状河特征与馆一段保持一致，曲流河电测井曲线为高伽马、低电阻，发育厚层泥岩与薄层砂岩，含砂率大幅降低，表现为“泥包砂”的特点(见图1(c))。

其中馆三段在全区分布不稳定，古近系沙河街组沉积后，在区域构造演化背景上，馆陶组处于热沉降阶段的拗陷期，埕海高斜坡发生短暂的差异构造运动[29-31]，东营组及沙河街组部分地层遭受剥蚀，与新近系馆陶组呈角度不整合接触关系[28]，馆三中、下段受构造活动影响，不整合于下部地层之上[32]。刘官庄油田剥蚀区主要为中南部的三、四断块(见图1(a))。

2 岩相与沉积微相

2.1 岩相类型

刘官庄油田馆三段主要发育7种岩相类型(见图2(a))。

(1)块状层理砾岩相(Gm)。由砾石组成，砾石颗粒分选一般，磨圆较好，发育块状层理，为辫状河道底部滞留沉积。砾岩相常见于河流相河道底部，为强水动力条件下冲刷后河床滞留沉积，刘官庄油田馆三段底部发育滞留砾岩，是馆陶组区分其他层位的标志层，也是近源河流快速堆积的产物。

(2)槽状交错层理砾岩相(Gt)。由砾石组成，砂质充填，分选磨圆较差，发育槽状交错层理，为辫状河道冲刷充填沉积。

(3)板状交错层理砂岩相(Sp)。以灰色中粗砂岩为主，发育板状交错层理，为顺流加积或侧向加积，存在于河道与砂坝。

(4)槽状交错层理砂岩相(St)。灰色中粗砂岩，为河道下切迁移产物。

(5)平行层理砂岩相(Sh)。以分选较好的中细砂岩为主，为高流态面状层流沉积物质。

(6)块状层理砂岩相(Sm)。以中细砂岩或含砾不等粒砂岩为主，是在物源充足的情况下河流快速卸载堆积的产物。

(7)块状层理泥岩相(M)。发育红褐色和灰绿色块状泥岩泛滥平原沉积，颜色不同反映沉积环境水体能量的差异，红褐色泥岩反映水体能量较低，暴露于干旱的地表；灰绿色泥岩反映水体动荡，时而短暂暴露于地表，时而处于水下。

岩相类型揭示刘官庄地区岩相垂向演化序列(见图2(b-d))。馆三中、下段为辫状河沉积，宏观上表现为灰色含砾不等粒砂岩的厚层沉积特征(见图1(b)、图2(b))，底部常见早期水道的块状层理砾岩相(Gm)，向上为强水动力条件下河道下切并迁移形成的槽状交错层理砾岩相(Gt)，其余主体发育板状交错层理砂岩相(Sp)的心滩垂向加积砂体，其上部为河道下切迁移形成的槽状交错层理砂岩相(St)和快速堆积卸载的块状层理砂岩相(Sm)(见图2(b))。由于辫状河道频繁切割、摆动，易与心滩坝形成多期叠置的复合砂体，馆三段辫状河典型的岩相序列为Gm-Gt-Sp-St-Sm-M。馆三中段辫状河水动力减弱，河道更加发育，河道间多出现河间泥或泛滥平原泥岩，多见块状层理砂岩相(Sm)、槽状交错层理砂岩相(St)、平行层理砂岩相(Sh)，岩相序列为M-Sh-Sm-M与M-St-Sm-M，具有辫状河“砂包泥”特点(见图2(b))。这种先厚砂、再砂夹泥的垂向序列，是刘官庄地区馆三中、下段辫状河典型的特点。

馆三上段为曲流河沉积，岩性以灰色含砾砂岩及中细砂岩为主，垂向上具有典型的曲流河厚层泥岩夹砂岩的“泥包砂”结构(见图2(c-d))，单套砂体表现为单期次河道与点坝沉积的特征。曲流河沉积以下切充填形成的槽状交错层理砂岩相(St)、侧积成因的板状交错层理砂岩相(Sp)为主，垂向序列为M-Sp-M与M-St-Sp-M，前者为点坝，后者为曲流河道。与馆三中、下段的辫状河相比，砂体厚度与沉积构造规模减小，泥质沉积厚度增大，粒度过渡为中细砂与含砾砂。

图2 刘官庄油田馆三段典型岩相类型与沉积序列

岩相特征揭示刘官庄油田馆三段早中期辫状河、晚期曲流河的沉积背景，体现沉积环境水动力条件变差、物源供给减弱的变化趋势。

2.2 沉积微相识别

根据岩心观察，结合岩相特征、岩屑录井与测井资料，对刘官庄油田馆三段进行沉积微相划分，可识别6种(辫状河道、心滩坝、泛滥平原、曲流河道、点坝、漫溢砂)河流体系沉积微相，利用测井和地震反射特征建立沉积微相识别模板(见图3)。

馆三段早期为辫状河沉积，底部发育底砾岩[33]，录井和岩心资料显示，顶部灰绿色或红褐色泥岩发育，厚度超过5 m(见图4(a)、图5(a))。馆三中、下段测井曲线整体响应为箱形或钟形，且带有齿化现象，可识别辫状河道、心滩坝、泛滥平原3种沉积微相(见图3)，主要特征为：(1)辫状河道。测井曲线为钟形，带有齿化现象，接触关系为顶部渐变、底部突变，岩性以灰色含砾砂岩为主。(2)心滩坝。测井曲线为箱形、齿化箱形，伴有少量的漏斗形，接触关系为顶部、底部突变，岩性以含砾不等粒砂岩为主。(3)泛滥平原。测井曲线为齿化线形，接触关系为顶部、底部渐变，岩性以灰绿色泥岩为主。

图3 刘官庄油田馆陶组沉积微相识别模板

图4 刘官庄油田馆三段顺物源沉积微相连井、地震反演剖面(剖面位置见图1)

图5 刘官庄油田馆三段垂物源沉积微相连井、地震反演剖面(剖面位置见图1)

馆三上段发育厚层泥岩夹砂岩曲流河沉积，可识别曲流河道、点坝、漫溢砂、泛滥平原4种沉积微相(见图3)，主要特征为：(1)曲流河道。测井曲线为钟形、齿化钟形，伴有少量漏斗形，接触关系为顶部渐变、底部突变，岩性以灰色含砾砂和细砂岩为主。(2)点坝。测井曲线为箱形、齿化箱形，接触关系为顶部、底部突变，岩性以灰色含砾不等粒砂岩和中细砂岩为主。(3)漫溢砂。测井曲线为低幅指形，接触关系为顶底突变，岩性主要为灰色细砂岩。(4)泛滥平原。与辫状河沉积类似，发育灰绿色、红褐色泥岩。

3 沉积特征

黄骅坳陷南部发育羊三木凸起盆内物源和埕宁隆起盆外物源，羊三木凸起距刘官庄地区较远，埕宁隆起位于研究区南侧2.0～10.0 km处，研究区只受埕宁隆起物源供给及其产生的控沉作用影响[26,34-36]。在岩相、测井相分析的基础上，结合地质统计学贝叶斯随机反演及平面含砂率，确定沉积微相的垂向分布和平面展布，揭示近物源区河流相辫—曲转换的特征。

3.1 砂体垂向分布特征

由顺物源地震反演剖面AA′(见图4(b))看出，馆三中、下段砂体规模较大，发育程度高，延伸连片性强，砂体具有“南连北孤”的特征，二、三、四断块砂体多期叠置、连续，一断块分期孤立，砂泥间隔成层。在连井微相剖面(见图4(a))上，全区砂体底厚顶薄、底砂顶泥的特点明显，馆三下段辫状河道与心滩坝易形成复合砂体，中段砂体规模、延伸距离减小，泥质沉积增多，侧面反映水动力条件减弱与不稳定，导致河道频繁迁移；同时也引起河型的转换，出现曲流河道微相和点坝沉积(见图4(a)庄浅8、庄浅12井)。馆三上段发育厚层泛滥平原和曲流河道、点坝砂体，偶见漫溢砂。受构造抬升影响，馆三中、下段遭受剥蚀，部分地区只保留馆三上段的曲流河沉积地层(见图4(a)刘7-9井)，垂向向上、平面向北曲流化趋势明显。

由垂物源地震反演剖面BB′(见图5(b))看出，馆三段砂体规模、地层厚度自东向西减小，中、下段横向连续且总体较好，向西变差，局部在庄浅33-41、刘1-18井之间砂体存在间断，砂体垂向分层、分期特点显著。连井微相剖面(见图5(a))显示，馆三下段心滩河道横向连通，纵向多期叠置，组合成大型复合砂体，厚度为10～20 m。馆三中段东西两侧分别发育辫状河和曲流河沉积，西侧曲流河以河道、点坝沉积为主，伴有少量漫溢砂(见图5(a))；东侧辫状河砂体厚度减薄，砂泥交替频率升高，西侧发育厚层泛滥平原沉积，泥岩颜色为红褐色和灰绿色(见图5(a))，反映刘官庄地区东西两侧水体能量西弱东强。馆三上段只发育曲流河沉积，曲流河道和点坝砂体孤立分布，具有厚泥夹薄砂的特征。

3.2 砂体平面展布特征

研究区馆三下段发育一条贯穿北西—南东向的主河道和一条北东—南西向的分支河道(见图6(d))。馆三下段沉积时期为馆陶组辫状河初期，受近物源埕宁隆起控制，水动力条件稳定且强，物源的充足供给使得河道宽阔且延伸距离远。全区富砂中心集中在主河道的二、三、四断块，呈面状连片分布。平面上，高含砂率区大型心滩坝发育，坝体随物源距离加大而数量增多、规模减小(见图6(b、d))。

馆三中段整体含砂率大幅降低，富砂中心分东部、南部局限面状型和北部条带点状型两种(见图6(a))，含砂率明显分异和北部泛滥平原广泛发育，表明河型出现分化。在辫状河发育区，心滩坝为主要沉积体，但坝体大小和数量相较馆三下段的有明显减小与减少(见图6(c-d))。水体能量减弱致使分支河道变窄，当水动力降低到一定程度时，分支河道发生曲流化而向研究区北部延伸形成曲流河(见图6(c))。馆三中段在同一时期出现辫—曲共存的现象，平面上，表现“东辫西曲、南辫北曲”的特点(见图6(c))。

馆三上段初期发生洪泛，垂向上，全区大范围发育灰绿色厚层泥岩，辫状河消失，泛滥平原广布，河流类型转变成曲流河(见图4(a)、图5(a))。

3.3 辫—曲转换特征

综合岩相与沉积特征，馆三段河型垂向演化可划分为3个阶段：辫状河阶段、辫—曲过渡阶段、曲流河阶段，其中辫—曲过渡阶段为辫状河沉积，但曲流化特征明显。

馆三下段是水体流量最大、最稳定的辫状河阶段，河流搬运能量、物源供给强，沉积物粒度较粗，底部可见河道砾岩相沉积，岩相类型以槽状和板状交错层理的含砾不等粒砂为主，是含砾的砂质辫状河。垂向上，砂体多见垂向加积型心滩坝或河道与心滩坝多期叠置形成大型复合砂体，砂体厚度为10～20 m，钻遇井含砂率超过80%(见图4(a)、图5(a)、图6(b))。平面河道区宽阔，内部河道水体摆动强，不断改道，使心滩坝发育在遍布像“辫子”一样的河道之中，多个心滩坝易组合形成复合心滩，呈纺锤状展布(见图6(d))。

馆三中段为辫—曲过渡阶段，河流流量变化大、不稳定，搬运能力和物源供给弱于馆三下段的辫状河阶段，块状层理、平行层理和槽状交错层理发育(见图2(b))。垂向加积的心滩坝数量和厚度明显减少，中粗砂的钟形正韵律河道砂体沉积增多(见图5(a)刘2-3井、刘3-12、刘1-18井等)，不稳定的水体使河道摆动频繁，导致河道之间薄层河间泥出现频率升高，含砂率下降到50%～90%，“砂包泥”的特征明显，砂体的横向连续性和纵向连通性一般，弱于辫状河阶段(见图4(a)庄浅37-43井、图5(a)刘3-12井)。在辫—曲过渡阶段，辫状河河道废弃一般是缓慢废弃，与活动河道错综相连，废弃过程通常表现为辫状河分支河道的发育和窄化或分支河道的曲流化，并不是真正意义上的废弃，而是代表河型的转化与河道废弃过程中某一时期的特征。这种特点在刘官庄油田馆三中段的河流平面形态表现为西部能量弱化的分支河道和中北部发育的曲流河(见图6(c))。

馆三上段沉积时期是河流演化的成熟期，水动力条件最弱，全区只发育曲流河微相，泛滥平原广布，沉积灰绿色厚层泥岩，砂体沉积主要为钟形曲流河道和箱形点坝，厚层泥岩夹砂岩是曲流河阶段最典型的特征(见图4(a)、图5(a))，含砂率降低到40%以下，河型完成由辫状河到曲流河的转换。

刘官庄油田馆三段河流具有垂向“先辫后曲”、平面“东辫西曲、南辫北曲”的辫—曲沉积格局，砂体分布呈“早期叠置、中期过渡、晚期孤立”的特点(见图4(a)、图5(a)、图6(c-d))。

图6 刘官庄油田馆三中、下段含砂率和沉积微相平面展布

4 控制因素

从馆三下段沉积初期的辫状河，到馆三中段出现的辫—曲共存沉积现象，再到馆三上段完全发育曲流河，河型转换在较短的地质时期演变完成。在河流发育过程中，多重因素控制河型的演化，根据研究区沉积特征、构造特征和河型演化规律，明确沉积物源供给减弱、气候向炎热转变、地形坡度减缓、基准面旋回上升4种因素在河流辫—曲转换过程中起主要作用，其中构造作用引起的物坡效应是核心因素。

4.1 物坡效应共控沉积

地形坡度陡缓直接影响水动力大小，是影响河型转化的外在因素，物源供给是河型转化的内在因素，体现在物源供给充足与否及物源的远近。陡坡供水能力强，携带碎屑物粒度较粗，易发育辫状河；缓坡水流量小，搬运能力弱，携带碎屑物质较细，易发育曲流河。

刘官庄油田位于歧南地区埕北断阶带，具有典型的坡折带控沉作用，坡折带砂体具有厚度大及纵向叠置、横向连片发育的特点，沉积砂体极易形成富集区[37]。研究区古近系沉积时期为构造活动强烈的断陷时期，沉降特征差异性分布明显，东营组暴露于地表而发生剥蚀，有大量的碎屑物作为物源供给。新近系馆陶组进入热沉降阶段，大范围的缓慢沉降取代断陷时期的差异沉降，造成古地形坡度较陡[26,38]。地震剖面显示，自物源方向的四断块至一断块，构造逐渐降低，地形的高低差异造成典型的坡折带，形成以埕西断层、庄6断层、羊二庄断层为界的阶梯台阶(一级、二级、三级、四级台阶)(见图7)。这种构造作用形成的高坡度和靠近古隆起充足的物源供给组成的物坡效应，使馆陶组沉积初期沉积物快速堆积并发育辫状河。随碎屑物搬运距离的增大，水动力条件和物源供给减弱，河流易发生曲流化。羊二庄断层作为岐口凹陷中一级、二级构造单元的东界，具有控沉作用[24]，控制沉积的不同因素间发生关联而产生同向或反向影响[39]。羊二庄断裂控制的深断裂体系，使得地形、坡度高差与物源搬运距离对沉积产生的影响发生对冲，对水动力强弱有正面效应。受此影响，即使在距物源最远的一断块，馆三上段辫状河也稳定发育。馆三段构造运动处于热沉降拗陷期，为大范围的缓慢沉降[33]，热沉降断陷期结束时，馆三下段的快速堆积对地层填平补齐，导致馆三中、上段物坡控砂效应减弱，坡度降低，水体流量减小，携带物源碎屑物能力减弱，是馆三中段沉积后期河流辫—曲转换的核心因素。

图7 刘官庄油田馆陶组顺物源地震剖面(剖面位置见图1)

4.2 气候、基准面旋回耦合作用

古气候和基准面旋回宏观影响河型转换，气候环境的湿润与干燥影响降雨量的多少，进而影响水流量的强弱，基准面的高低决定可容纳空间的大小。馆三段沉积初期经历东营运动使盆地基底抬升，导致区域地层基准面下降[33]，可容纳空间减小，在湿润气候下的河水流量充沛，配合物坡效应的正向作用，馆三下段辫状河发育。古气候由馆三段沉积初期的湿润向馆二段沉积时期的干燥转变，馆三下段辫状河沉积后，基准面开始上升，且位于上升初期，可容纳空间开始增大[25,33,40]，再加上物坡控砂作用影响，河型开始过渡转换，向成熟的曲流河演化。气候的干燥和基准面的上升对馆三段沉积中后期河流辫—曲转换起辅助作用。

5 结论

(1)刘官庄油田馆陶组三段辫状河和曲流河主要识别7种岩相：块状层理砾岩相、槽状交错层理砾岩相、板状交错层理砂岩相、平行层理砂岩相、块状层理砂岩相、槽状交错层理砂岩相、块状层理泥岩相。测井自然伽马曲线主要为箱形、钟形、箱形—钟形组合、指形、线形5类；主要确定6种沉积微相，辫状河发育辫状河道、心滩坝、泛滥平原3种沉积微相，曲流河发育曲流河道、点坝、泛滥平原、漫溢砂4种沉积微相。

(2)研究区近物源河流河型变化周期短，平面相带转换快。馆三段河流河型演化经历辫—曲转换，垂向呈“先辫后曲”，平面呈“东辫西曲、南辫北曲”的辫—曲转换特点。馆三下段到馆三上段砂体呈纵向叠置、横向连续为逐渐减弱趋势，表现“早期叠置、中期过渡、晚期孤立”的特征。

(3)在河型转化过程中，馆三段主要受三种因素共同控制。随基准面升高，可容纳空间增大，物源供给相对减弱，地形坡度变缓，古气候影响下的古环境变得干燥，馆三段完成由辫状河向曲流河的转换。