博興洼陷大蘆湖油田沙三段中亞段二砂組異重流沉積特征

陳雁雁 ，林承焰 ，2，馬存飛 ，2，任麗華 ，2，梁書(shū)義 ，王會(huì)麗 ，卞 波

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島266580；2.山東省油藏地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266580；3.勝利油田東勝精攻石油開(kāi)發(fā)集團(tuán)股份有限公司，山東東營(yíng)257200；4.中國(guó)石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東濱州256606）

異重流是洪水期河口直接注入、因密度大于匯水盆地水體密度而沿水體底部分層流動(dòng)的持續(xù)型濁流［1］。異重流作為深水搬運(yùn)新的重要類型近年來(lái)被廣泛關(guān)注［2-5］，并且越來(lái)越多的證據(jù)也證明了異重流的存在。BATES在研究三角洲時(shí)最早給出了異重流的定義［6］；MULDER等對(duì)異重流的定義做了補(bǔ)充，并將其與激發(fā)性濁流區(qū)分開(kāi)來(lái)［2，7-8］；ZAVALA等通過(guò)對(duì)多個(gè)盆地中新生代異重流沉積的調(diào)研，對(duì)異重流的成因演化、沉積特征、巖相類型、沉積相序等做出了詳細(xì)討論［9-12］。中國(guó)學(xué)者趙澂林等提出洪水型湖底扇與異重流沉積特征相似［13-14］；楊仁超等在鄂爾多斯盆地南部延長(zhǎng)組發(fā)現(xiàn)了條帶狀的異重流沉積，認(rèn)為大型坳陷型湖盆也能夠形成異重流［15-17］；楊田等在濟(jì)陽(yáng)坳陷東營(yíng)凹陷牛莊東坡沙三段中亞段下部、梁家樓湖底扇和渤南洼陷沙三段中亞段發(fā)現(xiàn)了異重流發(fā)育的證據(jù)［18］；孫福寧等結(jié)合中生代湖相異重流研究的實(shí)例，建立了理想條件下“溝道-舌狀體-朵狀體（近端-中部-遠(yuǎn)端）”的異重流沉積模式［1］。但目前異重流主要停留在理論研究階段，沒(méi)有建立經(jīng)典沉積模式，缺乏實(shí)際應(yīng)用。

在沙三段中亞段沉積時(shí)期，博興洼陷南部、魯西隆起北部發(fā)育大量三角洲沉積，但對(duì)于三角洲前端深洼區(qū)的沉積微相類型一直存在較大爭(zhēng)議。郭旭升認(rèn)為主要發(fā)育滑塌濁積巖［19］；韓祥磊等認(rèn)為是湖浪重新改造后形成的灘壩砂體［20］；李維嶺等認(rèn)為主要發(fā)育湖底扇中扇辮狀水道和水道間沉積［21］；李春芹認(rèn)為是濱淺湖沉積［22］。筆者認(rèn)為大蘆湖油田樊162和樊3區(qū)塊是洪水沿三角洲前緣繼續(xù)向前搬運(yùn)形成的異重流沉積，總結(jié)出不同沉積微相的沉積特征和測(cè)井相特征，分析沉積相演化發(fā)育規(guī)律和沉積地層充填特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)氣候、水深、密度、地形、物源等有利條件的綜合分析，建立異重流沉積模式。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

樊162和樊3區(qū)塊位于博興洼陷大蘆湖油田西北部的深洼區(qū)，面積約為9.5 km2。博興洼陷是東營(yíng)凹陷西部的次級(jí)洼陷，西靠高青凸起，北鄰平南構(gòu)造，南接魯西隆起，東部以石村斷裂帶分界，整體上呈北低南高、西低東高的特征，內(nèi)部繼承性發(fā)育的金家-樊家鼻狀構(gòu)造又將洼陷劃分為東、西2個(gè)次級(jí)洼陷，研究區(qū)位于金家-樊家鼻狀構(gòu)造帶北部?jī)A沒(méi)端東側(cè)的凹坑內(nèi)（圖1）。通過(guò)測(cè)井曲線的對(duì)比，將目的層沙三段中亞段二砂組細(xì)分為上、下2個(gè)亞砂組，共7小層。沙三段沉積時(shí)期，博興洼陷沉積主要受三大物源體系控制，即來(lái)自魯西隆起南部和東南部的三角洲體系、來(lái)自青城凸起的近岸水下扇體系。沙三段中亞段沉積早期，隨著物源的推進(jìn)，南部三角洲范圍逐漸擴(kuò)大，基本覆蓋西南部。受鼻狀構(gòu)造帶的遮擋，魯西隆起東南部三角洲體系前緣在洪水的作用下繼續(xù)向前推進(jìn)，在研究區(qū)形成異重流沉積。

圖1 樊162和樊3區(qū)塊區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional geological location of Fan162 and Fan3 Blocks

2 沉積特征

2.1 巖石組分

研究區(qū)巖石類型主要為巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖（圖2），石英、長(zhǎng)石和巖屑平均含量分別為39%，35%和27%。其中，鉀長(zhǎng)石平均含量為17.5%，斜長(zhǎng)石平均含量為16.5%。巖屑組分以巖漿巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑為主，平均含量分別為13.3%和13.2%，沉積巖巖屑較少，少數(shù)含螺化石碎屑。填隙物中雜基主要為泥質(zhì)雜基，其次為云質(zhì)雜基；膠結(jié)物以鐵方解石、白云石為主，高嶺石膠結(jié)也普遍發(fā)育。

2.2 沉積構(gòu)造及沉積序列

研究區(qū)沙三段中亞段二砂組廣泛發(fā)育多種類型的層理和層面構(gòu)造（圖3），除常見(jiàn)的交錯(cuò)層理和平行層理外，在頂部水動(dòng)力較弱的細(xì)粒沉積區(qū)發(fā)育爬升波紋層理和波狀層理。另外，底部還發(fā)育底流沖刷形成的底模構(gòu)造。由于異重流沉積是陸上河流攜帶的沉積物在盆地內(nèi)卸載而成，因此富含豐富的陸源植物碎屑和紅褐色泥質(zhì)。在頂部細(xì)粒沉積區(qū)，剖面上碳質(zhì)植物碎屑常成層分布，沿層剝開(kāi)可見(jiàn)大量的碳質(zhì)植物碎屑順層排列。也有部分碳質(zhì)植物碎屑與砂巖沉積均勻混合，為同沉積形成。激發(fā)性濁流（盆內(nèi)濁流）搬運(yùn)速度快，水流對(duì)輕質(zhì)組分如碳質(zhì)植物碎屑的篩洗能力較強(qiáng)，因此常不含碳質(zhì)植物碎屑，黑色碳質(zhì)植物碎屑的發(fā)育是異重流區(qū)別于激發(fā)性濁流（盆內(nèi)濁流）的典型特征之一［11］。另外，洪水帶來(lái)的紅褐色泥質(zhì)主要以2種形態(tài)分布：一種是以泥礫和泥巖撕裂屑的形式分布在層內(nèi)沖刷面附近；另一種是以?shī)A層分布的紅褐色泥巖條帶，是洪水?dāng)y帶的陸源懸浮組分集中沉降形成的。此外，由于洪水的長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)搬運(yùn)，異重流沉積物分選相對(duì)較好。

圖2 樊162和樊3區(qū)塊沙三段中亞段二砂組巖石類型Fig.2 Composition of the sandstone in the 2ndsand group of middle Es3Member in Fan162 and Fan3 Blocks

圖3 樊162和樊3區(qū)塊沙三段中亞段二砂組典型沉積特征Fig.3 Typical sedimentary characteristic of the 2ndsand group of middle Es3Member in Fan162 and Fan3 Blocks

除了沉積構(gòu)造，異重流在沉積序列上也有典型特征：由于洪水能量增強(qiáng)-減弱導(dǎo)致逆-正粒序成對(duì)出現(xiàn)（圖4a，4b），但由于實(shí)際洪水能量變化頻繁以及水道側(cè)向擺動(dòng)造成的疊加，不能一味地強(qiáng)調(diào)逆-正粒序的成對(duì)出現(xiàn)［5］，垂向上的復(fù)合疊加是更為常見(jiàn)的組合形式（圖 4b，4c）［23］。隨著能量的逐漸增強(qiáng)，洪水可對(duì)前期形成的逆粒序造成不同程度的侵蝕，形成不對(duì)稱的逆-正粒序組合或者僅保留上部的正粒序，同時(shí)形成層內(nèi)侵蝕面［14，24］。除了大尺度的逆-正粒序單元，也存在大量小尺度的逆-正粒序單元，厚度為3～10 cm不等，反映洪水能量在小范圍內(nèi)的波動(dòng)。

圖4 樊154-1、樊3-斜2、樊162-31井單井沉積相分析Fig.4 Sedimentological analysis of Wells Fan154-1，F(xiàn)an3-Xie2，F(xiàn)an162-31

3 沉積微相類型

在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際沉積特征，將異重流沉積劃分為內(nèi)扇、中扇和外扇亞相，并進(jìn)一步劃分出主水道、水下天然堤、辮狀水道、辮狀水道間、辮狀水道前緣砂壩和朵葉共6種沉積微相。

3.1 內(nèi)扇亞相

內(nèi)扇亞相主要發(fā)育主水道和水下天然堤沉積微相。內(nèi)扇沉積區(qū)地形坡度較大，洪水流速較高，沉積物主要為過(guò)路侵蝕狀態(tài)。主水道與三角洲的水下分流河道直接相連，分叉較少，分布局限［1，15］。初期，洪水能量逐漸增強(qiáng)，近端沉積物加速沉積，形成逆粒序；隨著洪水能量進(jìn)一步增強(qiáng)，中部和遠(yuǎn)端開(kāi)始沉積，近端開(kāi)始發(fā)生侵蝕過(guò)路；洪水能量持續(xù)增強(qiáng)，中部和近端發(fā)生侵蝕，遠(yuǎn)端持續(xù)沉降；之后洪水能量減弱，流速變緩，近端、中部、遠(yuǎn)端被正粒序沉積物持續(xù)充填［10］。多期洪水作用，常在近端主水道形成厚層的正粒序疊覆沉積。主水道沉積物粒度較粗，下部主要發(fā)育礫巖、砂質(zhì)礫巖，上部主要發(fā)育含礫粗砂巖，部分含螺化石。單砂體厚度為5～8 m，SP曲線主要呈箱形和箱形-鐘形（圖5a），主水道側(cè)緣SP曲線呈光滑漏斗狀（圖5b）。主水道兩側(cè)發(fā)育反序的水下天然堤，主要為粉-細(xì)砂巖，局部夾薄層含細(xì)礫砂巖，平行層理和小型楔狀交錯(cuò)層理常見(jiàn)（圖4a）。單砂體厚度為2～4 m，SP曲線呈明顯的漏斗形（圖5c）。

3.2 中扇亞相

中扇亞相主要發(fā)育辮狀水道、辮狀水道間、辮狀水道前緣砂壩3種沉積微相。中扇沉積區(qū)地形坡度減緩，洪水能量減弱，侵蝕溝道發(fā)生分叉、匯合［1，15］，橫向遷移較頻繁，沉積物發(fā)生卸載。辮狀水道下部發(fā)育砂質(zhì)礫巖和含礫粗砂巖，中上部發(fā)育中粗砂巖，部分含螺化石，可見(jiàn)明顯的疊置沖刷和底模構(gòu)造，頂部發(fā)育泥質(zhì)粉砂-細(xì)砂巖（夾碳質(zhì)植物碎屑），常見(jiàn)平行層理、楔狀交錯(cuò)層理、小型槽狀交錯(cuò)層理（圖4）。單砂體厚度為2～4 m，當(dāng)洪水沖刷強(qiáng)烈時(shí)，SP曲線呈齒化的箱形或箱形-鐘形（圖5d）；當(dāng)洪水能量較弱時(shí)，底部逆粒序未完全侵蝕，SP曲線呈不對(duì)稱的漏斗形-鐘形（圖5e），存在層內(nèi)微侵蝕面。垂直和順?biāo)乐髁骶€方向，沉積物粒度逐漸變細(xì)，厚度逐漸減薄，由單一的正粒序向逆粒序-正粒序組合單元轉(zhuǎn)化，由底沖刷逐漸向?qū)觾?nèi)沖刷和無(wú)沖刷過(guò)渡，SP曲線也逐漸呈對(duì)稱的漏斗形-鐘形（圖5f）。辮狀水道間位于辮狀水道兩側(cè)，主要為泥質(zhì)粉砂-中細(xì)砂巖（夾碳質(zhì)植物碎屑），常見(jiàn)逆-正粒序復(fù)合沉積（圖4a），也可見(jiàn)正粒序或逆粒序疊置出現(xiàn)（圖4b，4c），發(fā)育平行層理、楔狀交錯(cuò)層理、爬升波紋交錯(cuò)層理，頂部或底部的細(xì)粒沉積富含層狀黑色碳質(zhì)植物碎屑。SP曲線主要呈對(duì)稱的卵形（圖5g）和菱形（圖5h），也發(fā)育疊置的漏斗形或鐘形，層內(nèi)微侵蝕面減少。辮狀水道末端發(fā)育辮狀水道前緣砂壩，沉積物粒度較細(xì)，主要為泥質(zhì)粉砂-粉細(xì)砂巖，多期逆粒序疊置組合，SP曲線主要呈疊置的漏斗狀，洪水衰退時(shí)，頂部局部發(fā)育正粒序細(xì)粒沉積（圖5i）。

圖5 樊162和樊3區(qū)塊沙三段中亞段二砂組異重流沉積微相測(cè)井相標(biāo)志Fig.5 Well logging shapes of the microfacies of hyperpycnal flows in the 2ndgroup of middle Es3Member in Fan162 and Fan3 Blocks

3.3 外扇亞相

外扇亞相主要發(fā)育朵葉微相，沉積物粒度普遍偏細(xì)，主要為異重流減速形成的末端沉積。該沉積微相逆粒序-正粒序已經(jīng)不明顯，層內(nèi)沖刷也不發(fā)育，無(wú)溝道，陸源植物碎屑也相對(duì)減少，主要為粉砂-泥巖（圖4a），常見(jiàn)水平層理。砂泥互層，砂體厚度為0.2～1 m不等，SP曲線呈小幅度指狀（圖5j）。

4 沉積相演化規(guī)律

通過(guò)對(duì)沉積相展布與長(zhǎng)石含量等方面的分析，認(rèn)為博興洼陷南坡物源來(lái)自魯西隆起［20，25-29］；也有人通過(guò)對(duì)重礦物組合分析認(rèn)為博興洼陷的沉積物源不僅受魯西隆起的影響，郯廬斷裂帶東側(cè)的膠東地塊也是物源之一［30-31］。通過(guò)對(duì)砂礫巖分布特征和沉積相展布的研究認(rèn)為，研究區(qū)發(fā)育的異重流扇體主要受來(lái)自魯西隆起東南部三角洲物源的控制，是三角洲前緣洪水繼續(xù)向盆地搬運(yùn)形成。

沙三段中亞段二砂組沉積時(shí)期，構(gòu)造活動(dòng)提供充足的碎屑物質(zhì)，沉積物沉積速率大于新增可容空間速率，發(fā)育湖退體系域［32-33］，南部緩坡帶形成一系列強(qiáng)進(jìn)積式的三角洲。濕潤(rùn)的氣候條件下，持續(xù)的周期性洪水沿三角洲前緣的水道將碎屑物質(zhì)向盆地低洼處持續(xù)搬運(yùn)，形成異重流沉積。目的層沙三段中亞段二砂組自上而下分為2-1和2-2亞砂組，又分別分為4個(gè)和3個(gè)小層，其對(duì)應(yīng)的沉積相發(fā)育反映了洪水能量弱-強(qiáng)-弱的變化過(guò)程。2-2亞砂組沉積初期物源偏南東東向，洪水能量較弱，粗碎屑分布范圍較?。▓D6a）。隨著洪水能量增加，沉積范圍逐漸增大，2-2-2小層是第1期洪水砂體的主要發(fā)育期（圖6b）。2-2亞砂組沉積末期，洪水能量衰減，發(fā)育一套薄層細(xì)粒沉積物（圖6c），厚度為0.5～1.5 m，從扇端向物源方向厚度逐漸減薄。第2期洪水來(lái)臨前，2-1和2-2亞砂組間快速沉積一套厚度為10 m左右的深湖-半深湖相灰色泥頁(yè)巖和油頁(yè)巖。第2期洪水來(lái)臨時(shí)形成2-1亞砂組，沉積過(guò)程與2-2亞砂組基本相似，都經(jīng)歷了洪水能量弱-強(qiáng)-弱的變化過(guò)程（圖6d—6g），物源偏南東南向。2期砂體頂部都分布一套無(wú)根細(xì)粒沉積物（圖6c，6g），從扇端向物源方向厚度逐漸減薄，無(wú)同期水道微相匹配，不適用沃爾索相律，這是異重流沉積的典型特征之一。該套沉積物主要是在異重流頭部減速階段，由于水動(dòng)力減弱，沉降組分逐漸分離，當(dāng)上浮組分和淡水的混合流體密度低于周圍蓄水體時(shí)，發(fā)生浮力反轉(zhuǎn)［10］，形成的上浮相在上覆水體補(bǔ)償回流的帶動(dòng)下，向異重流流向的相反方向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中逐漸沉降形成。

圖6 樊162和樊3區(qū)塊沙三段中亞段二砂組沉積演化Fig.6 Sedimentary evolution of the 2ndsand group of middle Es3Member in Fan162 and Fan3 Blocks

5 沉積模式

異重流的形成要受構(gòu)造、地形、氣候、水體密度、水深等因素的綜合影響。濟(jì)陽(yáng)坳陷基底在古近紀(jì)發(fā)生大幅度伸展裂陷［34-36］，魯西地區(qū)快速抬升，加劇了盆、山之間的構(gòu)造分異。強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)提供了豐富的碎屑物質(zhì)，致使沉積物高速充填［32］，南部魯西隆起的三角洲快速進(jìn)積，湖泊面積縮小，相對(duì)湖平面不斷下降。同時(shí)盆地大幅度沉降，使得湖盆邊緣坡度變陡（異重流沉積對(duì)坡度的要求一般大于0.7°［37-38］）。前人對(duì)東營(yíng)凹陷古近紀(jì)氣候的研究表明，沙三段中亞段沉積時(shí)期，氣候濕潤(rùn)，雨量充足［39-40］，發(fā)育持續(xù)的周期性洪水，蓄水體密度低。在有利的氣候、地形、構(gòu)造、水體密度、水深等條件下，洪水不斷沿三角洲前緣水道向盆地深洼處推進(jìn)，形成異重流沉積。

水下重力流的類型并不單一，往往是多種類型的組合，且不同類型間可發(fā)生轉(zhuǎn)換［41-48］。初期，洪水?dāng)y帶的高密度沉積物卸載形成碎屑流；隨著洪水能量增強(qiáng)，洪水侵蝕前期沉積物和床底軟泥［16］，繼續(xù)以碎屑流的形式向下游搬運(yùn)。隨著含有大量懸浮組分的流體向前搬運(yùn)，異重流成為主體。研究區(qū)碎屑流沉積局限在主水道中下部，整體以異重流為主（圖7）。異重流主體內(nèi)部處于牛頓流變性質(zhì)、紊亂流動(dòng)狀態(tài)，沉積物顆粒靠湍流支撐［5，49］。雖然其底床載荷表現(xiàn)出牽引流性質(zhì)，但并不表明其為牽引流［1，23，49］。

異重流砂體的展布受地形的影響較大，其頭部雖沒(méi)有侵蝕作用，但會(huì)引導(dǎo)異重流體部的砂體不斷向盆地低洼處充填（圖8）［10］。因此，沿主流線方向和垂直主流線兩側(cè)，沉積物粒度逐漸變細(xì)，由底床載荷向懸浮載荷，再向上浮相逐漸過(guò)渡，并且沉積厚度也逐漸向兩端減薄，呈頂平底凸的透鏡狀（圖8）。另外，沉積體系頂部發(fā)育一套以泥質(zhì)粉細(xì)砂巖為主的無(wú)根細(xì)粒沉積物，且含有大量黑色碳質(zhì)紋層。該套沉積物從扇端向物源方向逐漸減薄，無(wú)同期水道微相匹配，不適用沃爾索相律。

圖8 樊162-斜4井—樊120-21井連井對(duì)比剖面Fig.8 Correlation profile of Well Fan162-Xie4 to Well Fan120-21

6 結(jié)論

博興洼陷大蘆湖油田樊162和樊3區(qū)塊沙三段中亞段二砂組沉積時(shí)期氣候濕潤(rùn)，提供持續(xù)的周期性洪水，蓄水體密度較?。霍斘髀∑鸪掷m(xù)構(gòu)造抬升，坡度加大，碎屑物質(zhì)豐富；高速的沉積物充填，導(dǎo)致三角洲不斷向前推進(jìn)，湖盆萎縮，相對(duì)湖平面下降，有利于異重流發(fā)育。異重流典型特征包括發(fā)育大量的黑色碳質(zhì)植物碎屑和紅褐色泥質(zhì)條帶及泥礫，逆-正粒序單元成對(duì)存在及發(fā)育層內(nèi)沖刷面等。

異重流沉積可進(jìn)一步分為內(nèi)扇、中扇和外扇亞相，其中內(nèi)扇亞相包括主水道和水下天然堤微相，中扇亞相包括辮狀水道、辮狀水道間和水道前緣砂壩微相，外扇亞相發(fā)育朵葉微相。在沉積物沉積過(guò)程中，異重流頭部會(huì)引導(dǎo)體部的砂體不斷向盆地低洼處充填；沿主流線方向和垂直主流線兩側(cè)，由底床載荷向懸浮載荷，再向上浮相逐漸過(guò)渡，沉積物粒度逐漸變細(xì)，沉積厚度向兩側(cè)也逐漸減薄，形成頂平底凸透鏡狀的地層充填樣式；沉積末期，上浮相再沉降，形成一套無(wú)根細(xì)粒沉積物，厚度從扇端向物源方向逐漸減薄，無(wú)同期水道微相發(fā)育，不適用沃爾索相律。