王興龍 王龍 陳培元 李晨 盧川

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028； 2. 中國海洋石油國際有限公司, 北京 100028)

1 區(qū)域地質(zhì)背景

加拿大阿爾伯達(dá)盆地東北部的Athabasca礦區(qū)已發(fā)現(xiàn)瀝青約1.4×1012bbl(約0.21×1012t)[1]，是當(dāng)今世界上油砂資源最為富集的地區(qū)之一。LM油田是Athabasca礦區(qū)中重要油田之一(見圖 1)，其油砂儲量集中分布于下白堊統(tǒng)McMurray組。該組地層厚度約60 m，埋深為170～240 m，儲層厚度約25～50 m，儲層孔隙度為25% ～ 30%，滲透率為0.5×10-3～10 ×10-3μm2。LM油田包含若干井區(qū)，其中位于研究區(qū)的2個井區(qū)已于2008年采用蒸汽輔助重力泄油(SAGD)技術(shù)投入商業(yè)開發(fā)。

圖1 研究區(qū)位置圖

在實際生產(chǎn)中，油井產(chǎn)量受到儲層厚度、泥巖隔夾層分布等地下因素的顯著影響?？偨Y(jié)沉積微相演化規(guī)律和相模式，有助于明確優(yōu)質(zhì)儲層砂體和泥巖隔夾層空間發(fā)育規(guī)律。本次研究以9口評價井的測井曲線和約680 m厚不同井目的層巖心資料為基礎(chǔ)，依據(jù)高分辨率層序地層學(xué)原理，開展成因地層單元劃分，并在層序地層格架內(nèi)開展沉積微相研究[2-7]，建立了受潮汐影響的河口灣相模式。

Athabasca礦區(qū)油砂的形成，與其特有的構(gòu)造運(yùn)動、古沉積環(huán)境和油氣充注樣式密切相關(guān)。下白堊統(tǒng)McMurray組地層，與下伏泥盆系灰?guī)r地層呈不整合接觸關(guān)系，與上覆地層呈整合接觸關(guān)系(見圖 2)。該地層發(fā)育于泥盆系灰?guī)r不整合面之上的下切谷內(nèi)，為一套疊置厚砂體沉積[8-9]。在白堊紀(jì)，太平洋板塊向東俯沖于北美板塊之下，盆地西側(cè)的落基山脈受到近東西向的擠壓作用，致使McMurray組從未埋深而具有高孔高滲特征。同時，盆地深部生成的烴不斷運(yùn)移到東北部構(gòu)造高部位的McMurray組儲層，后經(jīng)生物降解形成油砂。疊置厚砂體、埋深淺、高孔高滲和油氣充注樣式等一系列地質(zhì)因素相耦合，形成了Athabasca礦區(qū)油砂礦藏[10]。下面將運(yùn)用層序地層分析和相分析理論，解釋這些砂體的地質(zhì)成因、主要類型和控制因素，并劃分出優(yōu)勢砂體類型。

圖2 阿爾伯達(dá)盆地地層剖面(A-A′)示意圖和三級層序劃分方案

2 沉積微相類型

通過對研究區(qū)巖心和測井曲線的綜合分析，識別巖性和沉積構(gòu)造組合，共劃分出8種巖相，分別為塊狀層理泥礫巖、塊狀砂巖、高角度交錯層理砂巖、羽狀交錯層理砂巖、傾斜互層砂泥巖、潮汐層理砂泥巖、塊狀泥巖和古土壤，其詳細(xì)特征和成因解釋見圖3和表 1。根據(jù)巖相之間的成因聯(lián)系和組合樣式，并結(jié)合測井曲線響應(yīng)、粒度概率曲線和遺跡化石特征，劃分出6種微相，分別為河道、受潮汐影響的河道、潮道、潮汐砂壩、河漫灘和混合坪。其中，河道、受潮汐影響的河道、潮道的典型測井響應(yīng)和巖心照片如圖4所示。

2.1 河道

河道底部泥礫巖與河道以下的古土壤或風(fēng)化灰?guī)r以沖刷面為界，呈突變接觸。單河道自下而上是由泥礫巖和交錯層理砂巖組成，砂巖顏色向上變淺，層理類型從塊狀變?yōu)楦呓嵌冉诲e層理，再變?yōu)榈徒嵌冉诲e層理，這些均為正韻律特征。河道頂部以沖刷面與上部地層突變接觸，或向上漸變?yōu)楹勇练e。河道厚度一般為12～16 m，平均約13 m，最小值約6 m。GR曲線主要呈箱形。在局部地區(qū)，厚層泥礫巖的泥礫含量由下向上逐漸減少，造成河道的測井相近似漏斗形。

圖3 各種巖相的巖心

圖4 河道、受潮汐影響的河道和潮道的典型測井響應(yīng)和巖心

2.2 受潮汐影響的河道

受潮汐影響的河道是河口灣最靠陸地一側(cè)發(fā)育的微相[11]。水道底部為沖刷面，往下局部出現(xiàn)古土壤。自下而上主要由泥礫巖、高角度交錯層理砂巖和羽狀層理砂巖組成，向上粒度變細(xì)。GR曲線呈箱形。疊置水道厚度5～20 m，單水道厚度3～16 m。單水道的底部往往具有以下不明顯的標(biāo)志：泥礫層、泥巖層厚度和頻率的變化，或生物擾動分異度和豐度的變化。

2.3 潮道

潮道主要由傾斜互層砂泥巖和羽狀交錯層理細(xì)砂巖組成，以前者最為典型。與河道和受潮汐影響的河道相比，潮道粒度偏細(xì)，遺跡化石分異度和豐度顯著增大，具有更為常見的潮汐沉積構(gòu)造。在縱向上，泥巖層的厚度和數(shù)量向上變大，泥質(zhì)含量增加，生物擾動變得強(qiáng)烈。GR曲線呈低至中等幅度變化。疊置潮道厚度3～29 m，單潮道厚度3～16 m。

2.4 河漫灘

河漫灘突變或漸變地上覆于河道、受潮汐影響的河道和潮道，同時也被它們所沖刷，或被混合坪突變或漸變地覆蓋。河漫灘一般是由非生物擾動泥巖組成，或以灰黃色薄層粉砂質(zhì)泥巖和淺灰色泥巖細(xì)粒沉積為主(見圖 5)，夾雜厚約5～20 cm的粉砂巖，有些地方與粉 — 細(xì)砂巖互層。GR曲線整體呈現(xiàn)低幅度變化。

圖5 河漫灘的巖心

2.5 混合坪和潮汐砂壩

混合坪主要由水平狀至波狀粉砂巖和泥巖互層組成，常見生物擾動突變。潮坪之上是海相灰綠色含海綠石粉砂巖和深灰色頁巖，潮坪之下是潮道或河漫灘。混合坪的GR曲線呈低幅度變化。

潮汐砂壩主要是由粉砂巖組成，因其孔隙度和含油飽和度偏低，其顏色淺而易于在巖心上識別。潮汐砂壩集中發(fā)育于McMurray組最上部，橫向分布極為廣泛，反粒序特征非常顯著。GR曲線呈漏斗形，厚度多為2～5 m。

3 地層劃分與對比

3.1 層序地層劃分與界面識別

區(qū)域上，McMurray組及其上部的Cleawater組共同構(gòu)成一個三級層序(相當(dāng)于長期基準(zhǔn)面旋回)。該三級層序的底界面為McMurray組底部，對應(yīng)下白堊統(tǒng)和泥盆系之間的區(qū)域不整合面；頂界面為Clearwater組頂部，對應(yīng)下白堊統(tǒng)內(nèi)的一個整合面；最大洪泛面為Clearwater組底部，對應(yīng)一套海相頁巖。該三級層序分為低位域、海侵域和高位域等3個體系域，其中，低位域和海侵域由McMurray組構(gòu)成[12-14]。

在三級層序內(nèi)部，采用Cross高分辨層序地層學(xué)的基準(zhǔn)面旋回分析方法[2]，進(jìn)一步劃分中期基準(zhǔn)面旋回和短期基準(zhǔn)面旋回?；鶞?zhǔn)面旋回的界面識別是高分辨層序地層學(xué)研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，不同級次基準(zhǔn)面旋回的界面具有相應(yīng)的識別標(biāo)志和成因特征。在研究區(qū)，共識別出2個中期基準(zhǔn)面旋回的邊界面(B1和B3)、2個中期基準(zhǔn)面旋回的洪泛面(F1和F3)，以及3個短期基準(zhǔn)面旋回的邊界面(B1、B2和B3)、3個短期基準(zhǔn)面旋回的洪泛面(F1、F2和F3)，其詳細(xì)特征見表2和圖 6。其中，B1為長期、中期和短期基準(zhǔn)面旋回的邊界面，也是下白堊統(tǒng)和泥盆系之間的不整合面，可在區(qū)域內(nèi)追蹤和對比；F1為中期和短期基準(zhǔn)面旋回的洪泛面，代表一次短期基準(zhǔn)面快速上升期間的潮汐沖蝕面，可在研究區(qū)內(nèi)追蹤和對比。

表2 短期基準(zhǔn)面旋回界面的巖性和測井響應(yīng)特征

3.2 層序地層格架

通過對巖心和測井資料的分析，在研究區(qū)下白堊統(tǒng)McMurray組和Clearwater組識別出1個長期基準(zhǔn)面旋回、2個中期基準(zhǔn)面旋回和3個短期基準(zhǔn)面旋回，確定了層序地層劃分方案，建立了高分辨層序地層格架。對短期基準(zhǔn)面旋回自下而上依次命名為S1、S2和S3，對各半旋回自下而上依次命名為S1L、S1U、S2L、S2U和S3L。

4 沉積相演化

在區(qū)域上，McMurray組地層發(fā)育于泥盆系下切谷中。在早白堊世，受全球海平面上升影響，研究區(qū)處于坡度低緩的海岸平原并淹沒于邊緣海環(huán)境，受潮汐和河流作用的強(qiáng)烈影響。因此，McMurray組在三級層序低位和海侵期廣泛發(fā)育河流 — 河口灣沉積體系。其中，低位域發(fā)育陸相河流沉積，對應(yīng)S1L；海侵域發(fā)育河口灣沉積[12-14]，對應(yīng)S1U、S2L、S2U和S3L。

S1L為發(fā)育于不整合面之上的河流相沉積。在短期基準(zhǔn)面上升期間，不整合面之上的古低地有足夠空間來容納河道和河漫灘沉積。煤層很少見，表明沼澤不甚發(fā)育。

S1U廣泛發(fā)育一套受潮汐影響的河道和河漫灘沉積。其中，中 — 細(xì)砂巖水道沉積代表受潮汐影響的高能河道沉積。在局部地區(qū)，S1L和S1U被河漫灘分開。在大多數(shù)地區(qū)，S1L被S1U受潮汐影響的河道突變地覆蓋。該突變界面代表潮汐沖蝕面，可在整個研究區(qū)識別。在S1L向S1U轉(zhuǎn)換時期，快速的短期基準(zhǔn)面上升造成河流 — 河口灣體系坡度變緩和水道類型變化，從較粗粒淺河道演變?yōu)檩^細(xì)粒窄而深水道，即受潮汐影響的河道。

短期基準(zhǔn)面旋回S1的水道普遍局限于不整合面之上的古河谷內(nèi)，水道側(cè)向遷移的空間相對有限。因此，同時期的河漫灘沉積往往被側(cè)向遷移的水道所侵蝕，并以垮塌泥礫巖的形式保存于水道底部。最終，連片富砂水道得以沉積和保存，少量河漫灘沉積也得以保存于水道之間(見圖 7、圖 8a、圖8b)。這是垂向加積與側(cè)向加積之比值較小時的典型沉積組合樣式[15-16]，表明水道頻繁地進(jìn)行側(cè)向遷移。

S2L為短期基準(zhǔn)面上升期間的潮道和混合坪沉積(見圖 7、圖 8c)。羽狀交錯層理細(xì)砂巖潮道沉積代表高能潮汐環(huán)境。從S1U到S2L，水道呈變厚趨勢，以砂質(zhì)傾斜互層砂泥巖為主的側(cè)積點(diǎn)壩得以完整保存，同時期的水道間沉積向上也普遍保存較好。這表明，垂向加積與側(cè)向加積之比值較大，水道側(cè)向遷移的頻率較低。

圖6 McMurray組層序地層劃分與單井相

S2U仍以潮道和混合坪沉積為主，點(diǎn)壩以泥質(zhì)傾斜互層砂泥巖為主。短期基準(zhǔn)面下降，潮汐能量減小，沉積物以細(xì)砂巖、粉砂巖和泥巖為主。垂向加積與側(cè)向加積之比值大，水道側(cè)向遷移頻率依然較低。

S3L為短期基準(zhǔn)面持續(xù)上升期間的開闊河口灣沉積，微相以混合坪和小規(guī)模潮道或潮溝為主(圖 7、圖 8d)，得以保存的點(diǎn)壩數(shù)量明顯減少，這很可能與短期基準(zhǔn)面上升速率的增加有關(guān)。上升速率的增加導(dǎo)致垂向加積與側(cè)向加積之比值增大，阻礙了水道側(cè)向遷移。盡管河漫灘和混合坪沉積在垂向上出現(xiàn)于整個McMurray組，但在S2U和S3L中發(fā)育最廣泛。

繼S3L之后，基準(zhǔn)面繼續(xù)上升，Clearwater組下部的頁巖和灰綠色含海綠石粉砂巖代表高位域初期的濱面和濱外沉積。垂向加積與側(cè)向加積之比值進(jìn)一步增大，研究區(qū)不再發(fā)育水道。

5 受潮汐影響的河口灣相模式

McMurray組是發(fā)育于海岸平原上的一套河流 — 河口灣沉積。在早白堊世McMurray組沉積初期，基準(zhǔn)面開始持續(xù)上升，河流從上游攜帶的大量陸源碎屑物質(zhì)得以在古下切谷內(nèi)沉積，逐漸充填了谷內(nèi)低地，地勢開始趨于平緩。在McMurray組沉積期間，河流攜帶來的大量陸源碎屑受到潮汐的強(qiáng)烈影響[17]。受長期基準(zhǔn)面持續(xù)上升控制，潮汐作用逐漸加強(qiáng)，垂向加積與側(cè)向加積之比值逐漸變大，最終體現(xiàn)在水道演變上。整體上，砂體類型在垂向和平面上均表現(xiàn)出這一趨勢：從陸相河道演變?yōu)槭艹毕绊懙暮拥?，再演變?yōu)槌钡?，最終為潮汐砂壩(見圖9)。

圖7 北西 — 南東(NW-SE)向地層對比與沉積相剖面圖(B-B′)

圖8 McMurray組沉積相平面圖

圖9 McMurray組受潮汐影響河口灣的相模式[14]

從指導(dǎo)生產(chǎn)的角度，按照形成的儲層優(yōu)劣程度，各類砂體由好至差依次是受潮汐影響的河道、陸相河道、潮道、潮汐砂壩。具體地說，受潮汐影響的河道和陸相河道沉積于高能環(huán)境中，導(dǎo)致沉積顆粒略粗、泥質(zhì)含量相對較少、疊置砂體厚度大，從而形成物性良好的厚儲層；潮道主要因砂巖粒度稍細(xì)和泥巖層數(shù)量多，導(dǎo)致隔夾層發(fā)育和物性變差；潮汐砂壩以粉砂巖為主，物性最差。

6 結(jié) 語

McMurray組發(fā)育一套河流 — 河口灣連續(xù)沉積，可識別出6種沉積微相類型，分別為河道、受潮汐影響的河道、潮道、潮汐砂壩、河漫灘和混合坪。運(yùn)用基準(zhǔn)面旋回分析方法，建立了McMurray組高分辨層序地層格架，劃分出1個長期基準(zhǔn)面旋回、2個中期基準(zhǔn)面旋回和3個短期基準(zhǔn)面旋回。受基準(zhǔn)面升降控制，沉積相從河流相向河口灣相演變：S1L發(fā)育陸相河道和河漫灘，S1U發(fā)育規(guī)模較大的受潮汐影響的河道和河漫灘，S2L發(fā)育規(guī)模較大的潮道和混合坪，S2U發(fā)育規(guī)模較小的潮道或潮溝和混合坪，S3L廣泛發(fā)育潮汐砂壩。在McMurray組地層發(fā)育期間，潮汐作用整體上逐漸加強(qiáng)，垂向加積與側(cè)向加積之比值逐漸變大，決定了水道或砂體類型在垂向和平面上的演變規(guī)律：從河道演變?yōu)槭艹毕绊懙暮拥溃傺葑優(yōu)槌钡?，最終為潮汐砂壩。在4類砂體中，能夠形成最佳儲層的砂體類型首先是受潮汐影響的河道砂體，其次為陸相河道砂體。它們沉積于高能環(huán)境中，沉積顆粒略粗，泥質(zhì)含量相對較少，疊置砂體厚度較大，可以形成物性良好的厚儲層。