紀(jì)友亮，周 勇，吳勝和，史長林，岳大力

(中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

河流相地層高精度地層構(gòu)型界面形成機制及識別方法

紀(jì)友亮，周 勇，吳勝和，史長林，岳大力

(中國石油大學(xué)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

分析了河流相單砂層級別的高精度地層構(gòu)型界面的形成機制及河流相自旋回對異旋回的改造和影響，總結(jié)了單砂層級別高精度地層構(gòu)型界的識別標(biāo)志，及在異旋回控制下進(jìn)行自旋回對比高精度地層構(gòu)型界面的對比方法。結(jié)果表明：一個單層主要由河道侵蝕前期沉積物掠奪可容空間并逐漸充填、洪水期形成洪泛泥巖后形成;共有5種河道砂體的疊置模式和對比模式，而且河道砂體的疊置模式受可容空間增加速率與沉積物供應(yīng)速率比值控制。

河流相地層;單層;界面形成機制;界面識別;方法

在油藏級別的地層單元劃分與對比中，最關(guān)心的是單層及其更高頻的地層單元，單層相當(dāng)于P.R.VAIL的經(jīng)典層序地層學(xué)單元中的“層組”和T.M.CROSS的高分辨率層序地層學(xué)單元中的“超短旋回”［1］。把單層及其更高頻的地層單元的界面稱為高精度地層構(gòu)型界面。在河流環(huán)境中，一個單層是一期河道及其對應(yīng)的同期沉積，包括溢岸沉積(天然堤、決口扇)和泛濫平原的泥巖。這個單元的界面為河流相地層高精度地層構(gòu)型界面中的最小異旋回界面。河流相地層高精度地層構(gòu)型界面識別及對比方法一直是油藏地質(zhì)研究中的難題。學(xué)者們對單層級別地層單元(超短旋回或?qū)咏M)界面的形成機制、分布模式的研究幾乎沒有涉及。因此，筆者分析河流相單砂層級別的高精度地層構(gòu)型界面的形成機制及河流相自旋回對異旋回的改造和影響。

1 河流相地層高精度地層構(gòu)型界面識別的意義及研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的油藏級別的地層對比方法中，往往采用標(biāo)準(zhǔn)層和標(biāo)志層來進(jìn)行對比，如果標(biāo)準(zhǔn)層和標(biāo)志層很穩(wěn)定且很發(fā)育，則地層對比很容易進(jìn)行，在這種情況下，沒有必要進(jìn)行旋回的劃分和對比。不同的沉積環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)層和標(biāo)志層往往差異很大，在有些沉積環(huán)境中標(biāo)準(zhǔn)層和標(biāo)志層發(fā)育很差或不存在，在這種情況下，則必須識別各級旋回。

在河流相地層中，單層(層組、超短旋回)是最小的能夠識別的異旋回，這些旋回也由于受到自旋回的干擾而很難識別［1］。所以，分析單層界面的形成機制，總結(jié)其識別標(biāo)志，對于準(zhǔn)確進(jìn)行等時性對比，建立構(gòu)型單元，具有很重要的理論意義和實際意義。更高頻的地層單元則主要受自旋回作用的控制，不能在大區(qū)域內(nèi)對比。

在河流相層序地層學(xué)的地層單元劃分和對比的方法中，目前存在幾大學(xué)派，一是T.M.Cross的高分辨率層序地層學(xué)學(xué)派，介紹了河流環(huán)境旋回發(fā)育的控制因素和級別劃分，但從其列舉的例子中，僅介紹到短旋回。高精度地層構(gòu)型單元與層序地層學(xué)各學(xué)派劃分的層序地層學(xué)單元及傳統(tǒng)的巖性地層單元的對應(yīng)關(guān)系見表1。另一個是Wright的陸相層序地層學(xué)學(xué)派，介紹了河流環(huán)境層序發(fā)育的控制因素和層序結(jié)構(gòu)，但僅劃分到三級層序的體系域［2-4］。中國學(xué)者在陸相湖盆層序地層學(xué)的研究中也形成了兩大學(xué)派，5種觀點。不管哪個學(xué)派，哪種觀點，采用怎樣的術(shù)語(表1)，目的都是進(jìn)行地層的劃分和等時性對比。低頻的層序地層單元(準(zhǔn)層序及更低頻的單元)在地震、測井剖面上很容易識別，目前已形成了一套成熟的識別層序地層單元或異旋回的方法。

表1 地層－沉積構(gòu)型分級方案Table 1 Stata-sedimentary configuration grading scheme

2 不同級別層序地層單元的形成機制

沖積—河流相地層主要由河道、決口扇、決口河道復(fù)合體、河道間、泛濫平原等微相及其相組合構(gòu)成。沖積—河流相沉積的相模式在基準(zhǔn)面旋回控制的可容納空間變化的動力學(xué)系統(tǒng)中是不斷改變的，由此導(dǎo)致河流相地層層序構(gòu)成的復(fù)雜性和多變性。

2.1 A/S值變化與河道充填特征

河道類型的改變常常是基準(zhǔn)面升降導(dǎo)致的可容納空間變化的反映，因而可以作為層序地層劃分的重要標(biāo)志。層序地層學(xué)各學(xué)派都認(rèn)為：河道帶的結(jié)構(gòu)是構(gòu)造沉降、可容納空間或A/S(可容空間增加速率/沉積物供應(yīng)速率)值變化的函數(shù)。在一個旋回的發(fā)育過程中，A/S是在不斷變化的。低A/S值條件下，形成相互疊置、彼此切割的河道砂巖(圖1)，高A/S值條件下，產(chǎn)生孤立的、被沖積平原泥巖包圍的、各相漸變的河道帶砂巖。隨著基準(zhǔn)面上升，可容納空間增大，河道類型通常發(fā)生由辮狀河向曲流河的過渡［1，5-7］。

在基準(zhǔn)面變化過程中，河道帶砂巖結(jié)構(gòu)類型的變化如圖1所示。在A/S值為負(fù)值的情況下(沖刷帶)，河流切割形成河谷。當(dāng)A/S值變?yōu)檎禃r，河道砂巖和其他沉積物開始在河谷內(nèi)加積。充填前期侵蝕河谷內(nèi)的河道砂巖，在繼沖刷之后最小的A/S值條件下，呈簡單的沖刷—充填形態(tài);當(dāng)A/S值稍微增大時，呈復(fù)合沖刷—充填形態(tài)。這些砂巖孤立地存在于河谷外的其他相之中。

低A/S值條件下(層序界面附近)，穿越?jīng)_積平原的河流并不受前期存在的下切河谷的限制，通常形成嵌入沖積平原的較直的流域。這種河流形成具均質(zhì)、緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)呈帶狀的河道帶砂巖。河道砂體的垂向加積作用較強，砂體具有明顯的相互疊置、彼此切割特征。

中等的A/S值條件下，河道砂巖相的多樣性增加，具緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和似毯狀的幾何形態(tài)。單個河道在側(cè)向上和垂向上彼此疊置、呈多層狀結(jié)構(gòu)。砂巖側(cè)向連續(xù)性好，隨著可容納空間增大，河道砂巖又變成帶狀幾何形態(tài)特征，并下切到?jīng)_積平原泥巖內(nèi)。砂巖的非均質(zhì)性增強，內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散。

“Well, I should say no. If it weren’t for those eleven saving clauses under the head of Deductions I should be beggared every year to support this hateful and wicked, this extortionate and tyrannical government. ”

圖1 可容空間變化規(guī)律與不同級別河流層序結(jié)構(gòu)的關(guān)系Fig.1 Relationship between accommodation variation rate and fluvial sequence structure of different scale

高A/S值條件下，河道帶砂巖在沖積平原內(nèi)孤立分布，側(cè)向連通性較差。由于河道側(cè)向加積作用增強，發(fā)育向上變細(xì)的粒序，相多樣性明顯。砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，具直的、似帶狀的幾何形態(tài)。隨著可容納空間的增加，河流沖積平原相的泥質(zhì)夾層逐漸增多，直至變?yōu)榫哂星骱佣Y(jié)構(gòu)特征的不等厚砂泥互層。

河流環(huán)境不同級別的旋回中下切谷的深度和寬度、河道砂體的疊置關(guān)系是不同的，其特征見圖1。

2.2 河流相地層高精度地層構(gòu)型界面的形成機制

河流相一個單層的形成與三角洲及濱岸環(huán)境單層的形成機制有很大的不同，首先由河道侵蝕前期沉積，逐漸掠奪可容空間，然后發(fā)育河道砂體，當(dāng)洪水泛濫時，形成同期溢岸沉積(天然堤、決口扇)、泛濫平原的泥巖和古土壤層。

如果盆地的A/S值小，則河道深，沉積的河道砂體的厚度和寬度大。如果盆地的A/S值大，則河道淺，沉積的河道砂體的厚度和寬度小。當(dāng)可容空間持續(xù)增長時，大型洪水帶來的泥巖形成厚層的泛濫平原沉積，將原來的河道填平。此時，一個層組(超短旋回、小層、單層)發(fā)育結(jié)束。底界面為河道及同期沉積的底界，頂界面為河道頂部洪泛平原沉積的頂界面(圖2、3)。

2.3 河道砂體的疊置類型及等時對比模式

要準(zhǔn)確地進(jìn)行河流砂體的對比，搞清河道疊置和對比模式，首先要認(rèn)識河道沉積厚砂的類型。

2.3.1 厚層河道砂的基本類型

目前在河流相地層中，厚層河道砂有4種基本類型：

(1)獨立型河道厚砂。一次河流沉積旋回形成的厚砂體是獨立的，頂、底都有泥巖分隔，泥巖厚度大于0.4 m(圖4(a))。

(2)下切谷型厚砂。頂、底都有較厚的泥巖分隔，砂體厚度明顯超過單元砂體平均厚度，為基準(zhǔn)面快速下降時河道下切的產(chǎn)物。

(3)疊加型厚砂。后期河道的沖刷作用僅把前期河道頂部大段泥巖侵蝕掉(圖4(b))，仍保留一部分較薄的泥巖或粉砂巖，這樣幾個相對完整的旋回互相疊置，形成厚砂巖，砂體之間保留明顯的夾層，測井曲線有明顯的回返，可在回返處劈分單層［8-9］。

(4)切疊型厚砂。后期河道的沖刷作用把前期河道頂部泥巖和過渡性沉積物全部沖刷掉，甚至把河道上部的細(xì)粒沉積也沖刷掉，使兩期河道砂體直接接觸，形成厚砂層(圖4(c))，其厚度明顯大于獨立河道厚砂層，相當(dāng)于2～3期的厚度，其間無隔夾層。這類砂體在測井曲線(SP、GR)上往往表現(xiàn)為厚箱型，無明顯回返，有時有鋸齒狀顯示。

圖4 LX19-4辮狀水道砂體厚度，LB1-20和LB2-21-2厚砂體類型Fig.4 Sand body thickness of braid river channel in well LX19-4，thick layer types of sand body in well LB1-20 and LB2-21-2

2.3.2 河道砂體的疊置類型和對比模式

河道砂體疊置方式的差異常常是基準(zhǔn)面升降導(dǎo)致的可容空間變化的反映，在中期旋回地質(zhì)過程中河道砂體的結(jié)構(gòu)類型、疊加樣式和相對保存程度都具有一定的規(guī)律性，因而可以作為河道砂體等時對比的重要依據(jù)。在中期基準(zhǔn)面旋回上升早期，由于A/S值較低，發(fā)育向上“變細(xì)”非對稱型短期旋回和超短期旋回結(jié)構(gòu)的砂體，河道砂體經(jīng)受沉積改造作用強烈，砂體保存不完整，砂體厚度和巖相變化劇烈，砂體相互切割、彼此疊置，是等時對比難度最大的位置。在中期基準(zhǔn)面上升晚期和下降早期發(fā)育對稱型短期旋回，河道砂體保存相對較完整，區(qū)域分布較穩(wěn)定，可對比性較強，尤其是中期洪泛面兩側(cè)的短期旋回和超短期旋回中的砂體，在區(qū)域上大多數(shù)具有較穩(wěn)定的層位和等時性。針對這一特點，并根據(jù)孤東、孤島等油田館陶組河流相地層及野外露頭剖面反映的河道沉積厚砂的類型，總結(jié)出了5種河道的疊置類型(圖 5)［10-11］。

(1)大幅下切大面積疊置型河道及對比模式。發(fā)育于中期基準(zhǔn)面上升早期或基準(zhǔn)面下降末期的短旋回和超短旋回中，A/S值較低，沉積作用以強烈充填河道的進(jìn)積方式進(jìn)行?；鶞?zhǔn)面上升緩慢，每個短旋回或超短旋回末期形成的洪泛泥巖很薄，后期超短旋回中的河道對前期短旋回或超短旋回中的河道沖刷作用強烈，多期河道砂體相互切割、彼此疊置，形成厚度較大的砂體，砂巖的相類型比較單一，砂體垂向和側(cè)向連通性好，砂體連片分布。這種情況下，劃分單層(超短旋回，層組)的難度大，必須借助主河道附近的溢岸沉積或小型河道來劃分(圖5、6)。

圖5 河道砂體的疊置類型Fig.5 Superimposed styles of channel sand bodies

(2)小幅下切小面積疊置型河道及對比模式。發(fā)育于中期基準(zhǔn)面上升早中期或基準(zhǔn)面下降中晚期的短旋回和超短旋回中，A/S值較低，沉積作用仍以強烈充填河道的進(jìn)積方式進(jìn)行。基準(zhǔn)面上升加快，每個短旋回或超短旋回末期形成的洪泛泥巖較厚，導(dǎo)致河道有橫向遷移或改道，后期超短旋回中的河道對前期短旋回或超短旋回中的部分河道及洪泛泥巖沖刷作用強烈，多期河道砂體雖相互切割但又彼此疊置，也形成厚度較大的砂體，砂巖的相類型比較單一，砂體垂向和側(cè)向有一定的連通性，砂體錯層切割疊置。這種情況下，劃分單層(超短旋回，層組)的難度也較大，必須借助主河道附近的溢岸沉積或小型河道來劃分(圖5、7)。

(3)非下切交錯疊置型河道及對比模式。發(fā)育于中期基準(zhǔn)面上升中期或基準(zhǔn)面下降中期的短旋回和超短旋回中，A/S值增大，沉積作用仍以強烈充填河道的進(jìn)積方式進(jìn)行?；鶞?zhǔn)面上升較快，每個短旋回或超短旋回末期形成的洪泛泥巖較厚，導(dǎo)致河道有大幅度橫向遷移或改道，后期超短旋回中的河道對前期短旋回或超短旋回中的部分洪泛泥巖沖刷作用強烈，多期河道砂體雖未相互切割，但仍彼此交錯疊置，也形成厚度較大的砂體，砂巖的相類型比較單一，砂體垂向和側(cè)向無連通性，砂體錯層非切割交錯疊置。這種情況下，劃分單層(超短旋回，層組)的難度相對較大，必須借助主河道附近的溢岸沉積或小型河道來劃分(圖5、8(a))。

(4)非下切層狀疊置型河道及對比模式。發(fā)育于中期基準(zhǔn)面上升晚期或基準(zhǔn)面下降早期的短旋回和超短旋回中，基準(zhǔn)面進(jìn)一步上升，可容空間增加，物源供給較充足，A/S值中等，沉積作用的進(jìn)積和加積作用相當(dāng)?；鶞?zhǔn)面高于沉積界面，沉積物保存程度增加，每個短旋回或超短旋回末期形成的洪泛泥巖較厚，河道沖刷作用不明顯，多期河道垂向疊置，砂體間垂向、側(cè)向連通性較差。這種情況下，劃分單層(超短旋回，層組)相對容易(圖5、8(b))。

(5)孤立型河道及對比模式。發(fā)育于中期基準(zhǔn)面上升到最大期的短旋回和超短旋回中，基準(zhǔn)面持續(xù)上升達(dá)到最高點位置時的廣泛洪泛期，沉積物補給量遠(yuǎn)小于可容空間的增量。沉積物粒度明顯變細(xì)，河道期次減少，砂體疊置作用弱，河道砂體形態(tài)發(fā)生很大改變，橫剖面上主要由孤立不對稱的透鏡狀砂體組成(圖5、8(c))。

圖8 非下切，交錯疊置、層狀疊置、孤立型模式與實例Fig.8 Non-incision，cross superimposed patterns，layer superimposed patterns and isolated superimposed patterns of river channel and their cases

3 河流相地層高精度地層單元的對比方法

河流相儲層側(cè)向遷移快，厚度變化大，標(biāo)志層連續(xù)性差，地層對比難度較大。為了解決河流相精細(xì)地層對比的問題，出現(xiàn)了很多地層對比的方法，常見的有切片法、等高程法、標(biāo)志層法(如凝灰?guī)r、古土壤法)和高分辨率層序地層學(xué)對比法。對比流程一般為井震結(jié)合，模式指導(dǎo)，分級控制，旋回對比，三維閉合和動態(tài)驗證等。運用這些方法和技術(shù)能夠準(zhǔn)確、有效地劃分和對比油組(4級層序)、砂組(5級層序)、小層(5.5級層序)級別的地層單元，但對于單層(6級層序)級別的對比還存在許多困難，必須建立新的方法。

3.1 相控異旋回－自旋回分析與對比方法原理

與海相、湖相、海(湖)陸過渡相一樣，河流相沉積同樣具有旋回性，且與其他沉積環(huán)境相比，河流相的自旋回作用更加明顯。河流相河道砂體、河道的決口、決口扇朵葉體的遷移等都是自旋回沉積作用的結(jié)果(Selley，2000)。自旋回作用通常只控制沉積相序的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各巖相的比例，與基準(zhǔn)面旋回變化關(guān)系不明顯(Richard J.Moiola，2007)。河流異旋回的形成則是沉積物供給、構(gòu)造沉降以及海(湖)平面變化導(dǎo)致的可容納空間(A/S值)變化的產(chǎn)物，其控制地層的疊加樣式，因而形成基準(zhǔn)面變化旋回，即具有時間地層對比意義的成因地層單元。因此，要對河流相進(jìn)行等時地層單元劃分首先是識別基準(zhǔn)面變化?；鶞?zhǔn)面旋回界面，包括基準(zhǔn)面下降到上升的轉(zhuǎn)換面和基準(zhǔn)面上升到下降的轉(zhuǎn)換面，在識別基準(zhǔn)面旋回界面的基礎(chǔ)上，開展四級、五級基準(zhǔn)面旋回對比，在四級、五級旋回控制下，進(jìn)行六級旋回對比，六級基準(zhǔn)面旋回受自旋回的影響大(圖9，據(jù)鄭榮才，2001，修改補充)，所以六級層序用異旋回－自旋回分析對比［11-14］。

圖9 曲流河成因相與自旋回關(guān)系Fig.9 Relationship between genetic facies and auto cycle of meandering river

曲流河六級層序巖性旋回是一個六級的基準(zhǔn)面上升之后(大型洪水帶來厚層泥巖)(圖9)，停止上升，河流相沉積不再受基準(zhǔn)面變化的影響，無論盆地基準(zhǔn)面上升還是下降，總是按照自旋回特征沉積，例如曲流河邊灘總是正旋回、決口扇一般為反旋回，但它們是同期沉積的。因此，自旋回對比是分析河道、決口河道的形態(tài)，掌握同一條河道平面上的厚度變化與時空分布特征以及與相鄰相域(決口河道、決口扇、沖積平原)的配置關(guān)系，進(jìn)行單層的追蹤。

3.2 對比流程

(1)在單井沉積相和高分辨率層序地層精細(xì)分析、劃分的基礎(chǔ)上，建立中期旋回等時地層格架，以中期旋回的二分時間單元為年代地層框架，選取最具等時對比意義的中期泛濫平原和旋回轉(zhuǎn)化界面分別作為時間—地層反演過程中逐層對比的起始點和終止點，然后將各短期旋回按其發(fā)育順序和疊加樣式分別標(biāo)定在中期基準(zhǔn)面的上升半旋回和下降半旋回兩時間單元中。在短期旋回的逐層對比中同時存在巖層對巖層、界面對界面和界面對巖層的多種對比關(guān)系(圖5)，通常以選取普遍發(fā)育的洪泛面為相對更可靠的等時對比標(biāo)志。

(2)在選定短期旋回的等時對比標(biāo)志后，以中期泛濫平原為起點，以中期旋回的底、頂界面各為終點，分別對納入中期基準(zhǔn)面上升半旋回的短期旋回進(jìn)行自上而下，納入下降半旋回中的短期旋回層序進(jìn)行自下而上的逐層對比。

(3)在完成短期旋回等時對比的基礎(chǔ)上，依據(jù)河流沉積自旋回特點，在短期旋回內(nèi)依次標(biāo)出超短期旋回，在基準(zhǔn)面上升短期旋回，仍然自上而下逐次對比，基準(zhǔn)面下降短期旋回自上而下逐次對比，仍然存在巖層對巖層、界面對界面和界面對巖層的多種對比關(guān)系(圖10)。

圖10 河流相超短期旋回對比模式Fig.10 Ultra-short cycle correlation model of fluvial facies

4 結(jié)論

(1)一個單層主要由河道侵蝕前期沉積物掠奪可容空間并逐漸充填，洪水期形成洪泛泥巖后形成。

(2)一個中期基準(zhǔn)面旋回發(fā)育過程中發(fā)育5種河道砂體的疊置模式和對比模式，即大幅下切大面積疊置型河道及對比模式、小幅下切小面積疊置型河道及對比模式、非下切交錯疊置型河道及對比模式、非切割疊置型河道及對比模式、孤立型河道及對比模式。

(3)在對河流相自旋回對異旋回的改造和影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，得到在異旋回控制下進(jìn)行自旋回對比高精度地層構(gòu)型界面對比方法。

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Formation mechanism and recognizing method of high resolution strata architecture boundary in fluvial strata

JI You-liang，ZHOU Yong，WU Sheng-he，SHI Chang-lin，YUE Da-li
(State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum，Beijing 102249，China)

The formation mechanism and recognizing method of high resolution strata architecture boundary of single sand bed in fluvial strata were analyzed.The results show that the fluvial channel incises former sediments and gets accommodation first，and then the accommodation is filled，and after the flood mud is deposited，a single bed is formed.On the basis of the analysis，5 types of superimposed style and correlation modes of channel sand body are summarized，and it is considered that the superimposed style of channel sand body is controlled by A/S.On the basis of the analysis of reforming and effects of auto cycle on different cycles in fluvial strata.The recognizing mark of high resolution strata architecture boundary of single sand body scale and the correlation method in fluvial strata were summarized，in which auto cycle was correlated under the control of different cycles.

fluvial strata;single bed;formation mechanism of interface;interface recognition technology;method

TE 121.34

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.002

1673-5005(2012)02-0008-08

2011－09－28

國家“十二五”重大科技專項課題(2011ZX05009－003)

紀(jì)友亮(1962－)，男(漢族)，山東博興人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事沉積學(xué)、儲層地質(zhì)學(xué)和層序地層學(xué)方面的研究。

(編輯 沈玉英)