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水进砂研究进展
张冠杰, 方石, 张新荣, 高先超, 沈伟     
吉林大学地球科学学院, 长春 130061
摘要: 水进砂在水进过程中被侵蚀、淘洗、搬运,其沉积特征明显有别于背景砂体,表现出明显的穿时性。水进砂的发现完善了层序地层学理论,同时它在油气储存运移、原油物性预测以及油气勘探开发方面也有重要价值。本文从砂体的性质、来源、所处背景砂体的环境以及发育的构造条件4个方面对水进砂进行了分类,并总结了具代表性的形成机制:地层响应模型、水进型三角洲模型、海侵—海退模型、水动力模型、下切谷模型和潮汐改造的沙脊模型。近年来,相关学者在传统沉积学的基础上,又运用水动力学、遗迹学和不整合面识别等比较独特的方法对水进砂进行了研究。未来水进砂的研究工作将不再局限于海相砂体中,同时将运用更精细的方法对水进砂进行更深入的研究。
关键词: 水进砂     海侵     特征分类     形成机制    
Research Status of Water-Transgressive Sand
Zhang Guanjie, Fang Shi, Zhang Xinrong, Gao Xianchao, Shen Wei     
College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
Supported by Ministry of Land and Resources Outstanding Youth Science and Technology Talent Training Program of China (201311111)and National Natural Science Foundation of China(3A414BA74422, 3A509J084422)
Abstract: Water-transgressive sand is defined as the rock or unconsolidated sediments, which are eroded, eluted, transported and so on during the process of transgressive, forming the sedimentary characteristics that are obviously different from the background sand bodies in the original sedimentary environment, and shows obvious diachronism. Water-transgressive sand plays an important role in hydrocarbon migration and storage, prediction of crude oil properties, and oil and gas exploration and development. The discovery of water-transgressive sand improves the theory of sequence stratigraphy. The authors classified the water-transgressive sand based on four aspects:the nature of sand body, the source of sand body, the environment of background sand body and the tectonic development conditions, and summarized the representative forming mechanism as follows:the formation response model, the transgressive delta model, the transgression-regression model, the hydrodynamic model, the incised valley model, and the tidal ridge model. Based on the traditional sedimentology, some scholars have also applied the comparatively unique methods, such as hydrodynamics, ichnology and unconformity recognition, to study the water-transgressive sand in recent years. The future research on water-transgressive sand will no longer be confined to marine sand bodies, more sophisticated methods will be used to conduct a more in-depth study on water-transgressive sand.
Key words: water-transgressive sand     transgression     classification     formation mechanism    

0 引言

现今我国老油田大部分进入开采中后期,其储采比下降非常严重,使得勘探压力极大[1]。如何在老区寻找到新的勘探层系,对于我国油气的进一步勘探开发有着重要意义。国外相继发现与水进砂有关的油气藏[2-5],而目前我国已有的油气区块开展水进砂方面的研究非常少[6-8],可不可以从这个方面打开一个油气勘探的突破口,是我们现在需要考虑的问题。

很多油田的产油层具有穿时性[9-11],其油水关系极其复杂,这对进一步的开发工作影响非常大。随着油气勘探开发的不断深入,油气工作者面临更加精细的油层等时对比的挑战[12-13]。层序地层学是我们开展勘探开发中进行等时对比的重要理论,随着层序地层学在油气勘探开发中的成功应用[14-15],与水进砂有关的研究越来越引起人们的关注[16-19]。层序地层学为了解决地层以及砂体的等时对比,会用到大量的穿时证据[20],特别是Vail等人的层序对比,更是以穿时的侵蚀面或沉积间断作为3级层序界面,来建立等时地层格架[21]。因此,深入理解穿时现象可以进一步促进我们开展等时对比的工作。水进砂是一个典型的穿时面[22-23],对水进砂的研究有利于进一步开展层序地层格架的对比和层序地层学理论的完善。

高水位发育的烃源岩直接覆盖在水进砂上,而水进砂良好的物性和分布方式,使得它不仅可以成为良好的储层[24-25],形成岩性或构造-岩性油气藏,还可以成为良好的油气疏导通道[26-28]。在油气疏导的过程中,由于生物降解,会在水进砂中形成大量重油[29]。通过生物降解模型,可以利用水进砂中重油组分的变化,模拟出原油的原始组成以及在地质历史过程中的运移变化[30],这可为找寻新的勘探区提供非常重要的信息。

因此,开展水进砂的研究,对于我国的油气勘探和层序地层学的理论完善都有重要的作用。到目前为止,国内外已经对水进砂开展了近70年的系统研究,因此搞清楚水进砂的研究历程、特征、分类、形成机制和应用等,对于我国进一步的油气勘探至关重要。

1 水进砂研究历史

20世纪50年代,国内外的专家学者们开始了对水进砂的研究,至今已有近70年历史,并且取得了许多重要的成果(表 1)。

表 1 水进砂研究历程简表 Table 1 Development of water-transgressive sand research summary table
重要进展 作者 发表时间 研究地区
海侵砂体早期讨论 Fisk 1955 美国格兰德艾尔三角洲
提出水进砂 Lochman 1957 美国蒙大拿州和怀俄明州
地层响应模型 Swift 1971 美国北弗吉尼亚卡罗莱纳州海岸
水进型三角洲模型 罗启后 1983 长江三角洲
水进砂的定义 Lee等 1988 黄海东南部
海退—海侵三阶段模型 Penland等 1988 密西西比河三角洲平原
水动力模型 Diaz等 1990 地中海西北部Maresme
下切谷模型 Sloss 2010 澳大利亚Lake Conjola
潮汐改造的沙脊模型 Desjardins 2012 加拿大西部

水进砂的研究始于20世纪中期,1955年Fisk[31]首次讨论了三角洲前缘砂体的海侵成因,认为格兰德艾尔三角洲前缘席状砂被海侵改造过。1957年Lochman[32]首次明确提出了水进砂的概念,认为水进砂是海侵作用对早期未固结成岩的砂体进行改造所形成的。1971年Swift等[33]首次提出了水进砂的地层响应模型,并将其应用于沉积体系的分析及构造-沉积关系的研究中。这一模型的建立,为后来学者对水进砂的进一步研究奠定了基础。

20世纪末,水进砂的研究达到一个高峰,进入了理论研究的全面发展时期,对水进砂有了全新的定义,并且建立了多个水进砂形成机制。1983年,罗启后[18]提出了水进砂的“水进型三角洲”模式,认为长江三角洲存在“水进河床充填砂体”,将主要发育水进河床充填砂体微相的三角洲称为“水进型”三角洲;此后30多年间,他[34]对水进型三角洲进行了更深入地研究,认为水进型三角洲前缘沉积中常常会出现正旋回,这是由于在水面上升期,经由河口的海水向陆地方向进侵,形成了下粗上细的正粒序水进河床砂体。1988年,Lee等[35]运用地层响应模型对黄海东南部进行研究,并根据Bruun法则确定了水进砂的定义;Ingersou等[36-38]认为水进砂为水进侵蚀已固结的岩石在滨岸沉积下来形成的砂体。同年,Penland等[16]对密西西比河三角洲平原进行研究,建立了海退—海侵周期的三阶段模型。这个概念模型清楚地说明了在波浪作用下,废弃三角洲叶瓣海侵砂体的演化和发展。在海岸线向陆地移动时期,未固结成岩的沉积物被改造形成了水进砂。1990年,Diaz等[39]提出了水进砂的水动力模型,这种砂体通常形成于风暴期间沿海边界的局部流域[40-41]。这些模型广泛应用于沉积体系和层序地层学的研究中,同时,在水动力模型建立的基础上,还形成了比较独特的水进砂研究方法——水动力学方法,目前这一方法普遍应用于水进过程中的无障壁滨岸环境中。

21世纪以来,关于水进砂的研究不断推进,并取得了新的进展,这有助于沉积盆地的研究和大范围的穿时地层对比。2003年,我国学者吴孔友等[42]通过研究准噶尔盆地,对水进砂重新进行了定义,认为水进砂是砂级碎屑物质经过一定距离搬运后,被水进改造而形成的砂体。2006年,Bassetti等[3]明确了水进砂的形成条件,外大陆架的砂体受到高能浅水环境的改造可形成水进砂。2008年,赵卫卫等[6]发现柴达木盆地东部地区不整合面之上有水进砂体发育,通过不整合面的识别方法可以找到水进砂,现今这一方法已成功应用于存在超覆地层的不整合之上。Sloss等[43]在2010年对澳大利亚Lake Conjola进行研究时,发现下切谷中存在水进砂,这一发现完善了水进砂的分类。2012年,Desjardins等[44]研究了加拿大西部水进砂的沉积特点,研究区内的水进砂为海相潮汐作用成因,并发育有潮流脊[4]。这一时期的研究成果,丰富了水进砂的研究方法和角度,使得水进砂的研究向着成熟化方向发展。目前,多数水进砂的研究主要在海相砂体中,水进砂的研究还存在很大的发展潜力。

2 水进砂的概念体系 2.1 水进砂的定义

1957年,Lochman首次对水进砂进行了定义,认为海侵作用对早期沉积但未固结成岩的砂体进行改造形成水进砂,随后,Lee等[35]、吴孔友等[42]也对水进砂进行了定义。根据前人对水进砂的论述,我们对水进砂的概念进行了厘定:水进砂的形成首先要有水进的改造过程;其次,既可以是原地被改造,也可以是搬运迁移后被改造;再次,既可以是未固结成岩的沉积物被改造,也可以是已固结的岩石被剥蚀后改造[17, 45]。目前,水进砂和不整合面的穿时性已经成为层序地层学概念体系中的重要研究内容[22-23]。因此,水进砂的定义为:岩石或未固结沉积物在水进过程中被侵蚀、淘洗、搬运等方式改造形成的砂体。其沉积特征明显有别于所在环境中的背景砂体,表现出明显的穿时性。

2.2 水进砂形成的前提条件

通过总结前人在水进砂方面的研究,认为水进砂的形成大致有3个前提条件:1)沉积过程中存在层序的演化,目前认为,在地球的演化过程中,自新太古代末期开始出现层序的演化[46];2)水进过程中,水体要有足够的时间来改造已有沉积物[16];3)沉积地形的坡度要与冲刷改造时间相匹配,其中古地形准平原化的不整合面更容易发育水进砂[6]

2.3 水进砂的分类及特征

总结前人对水进砂方面的研究成果,现将水进砂从砂体的性质、来源、所处环境以及发育的构造条件4个方面进行分类。

根据砂体的性质,可以将水进砂分为2种:1)未固结的沉积物,这类改造后的水进砂孔渗相对较高,普遍高于30%,储层物性较好[32];2)已成岩的岩石,这种水进砂与前一种水进砂相比,储层物性相对较差[35]

根据砂体的来源,可以将水进砂分为2种:1)原地沉积后被改造的砂体,这类砂体厚度几米到十几米,砂体的孔隙度和渗透率较高[3, 35];2)经过搬运迁移后被改造的砂体,这种砂体的厚度相对前一种较薄[16, 33, 39]

根据砂体所处背景砂体的环境,可将水进砂体分为5种:1)潮坪相水进砂。砂体中可见人字形交错层理,透镜状、波状以及压扁状层理,双黏土层和潮汐束[44],砂体长度约10 km,通常体积较大。2)障壁岛相水进砂。砂体多为中—细砂岩和粉砂岩,颗粒的分选和磨圆度较好[16]。3)下切谷水进砂。下切谷中通常充填有中—细砂岩和泥岩,充填下切谷的不同短期旋回的砂体在空间上具有叠瓦状结构[43]。4)三角洲前缘水进砂。通常发育席状水进砂,厚度一般小于2 m,具有较好的物性[33];上覆为海相沉积,下伏一般为陆相层,受到河流单向水流与海流及波浪共同作用,与其他三角洲前缘砂体的区别是具有正旋回的沉积特征[34]。5)滨岸水进砂。主要沉积构造是多方向的槽状交错层理,也出现低角度交错层理,砂体底部具有冲刷构造[3];砂体常被风暴作用改造,一般厚6~13 m;滨岸水进砂的分叉变薄尖灭区常常有油气藏分布。

根据砂体发育的构造条件,将水进砂分为2种:1)平行不整合发育的水进砂,主要分布在坡折带处,砂体厚度较薄,总体上为反旋回沉积[47];2)超覆不整合发育的水进砂,常分布于盆地边缘处,砂体粒度较细、分选好、孔渗性好、岩石较疏松[6]

2.4 水进砂的形成机制

目前,水进砂形成机制的主流模型有:Swift等建立的地层响应模型、罗启后提出的水进型三角洲模型、Penland等建立的海退—海侵三阶段模型、Maldonado等建立的水动力模型、Sloss提出的下切谷模型,以及Desjardins提出的潮汐改造的沙脊模型。

2.4.1 地层响应模型

1962年,Bruun[48]最早提出海平面上升引起海岸侵蚀后退的系统概念,即“Bruun法则”。这个概念模型是预测海平面上升引起海岸侵蚀的一种方法[49],他认为由于海岸和邻近海底等体积侵蚀从而导致基底水进砂的沉积。这一模型的前提是假设海滩剖面平衡、闭合深度以外不存在泥沙的净输移、海岸地质构造运动相对稳定。目前Bruun法则的应用还存在着争议[50-53],有待进一步深入研究。经审查和验证发现,海岸侵蚀后退率的观测值均小于计算值,而且二者还有相当大的差距[54]。21世纪初,Davidsonarnott[55]对Bruun法则进行了改进,认为海平面上升时期的沉积物向陆增多。

Swift等[33]根据美国大西洋海岸线中部的水力状况,首次提出地层响应模型(图 1)。模型显示,陆源沉积物供给较少,海岸处于侵蚀后退阶段,由于波浪的侵蚀导致相邻海底的砂体等体积加积,形成了全新世海侵席状砂。在河口区,海洋作用强烈,河口沙坝受到波浪和岸流的改造,使河口沙坝的末端发生侧向迁移,形成了分布广泛的海侵席状砂。

图 1 海平面上升时期海岸侵蚀后退的地层响应模型[33] Figure 1 Stratigraphic response model for a coast undergoing erosional retreat during a period of rising sea-level[33]
2.4.2 水进型三角洲模型

20世纪80年代初期,罗启后[18]通过对长江三角洲的研究,建立了“水进型三角洲”模型。全新世以来,全球海面上升速度趋于稳定,三角洲整体上普遍发育下细上粗的反粒度韵律,但经常会有下粗上细的正粒度韵律出现,其形成原因是:海侵过程中,河流所携沉积物在河海交汇处沉积下来,由于河流有效沉积率小于水面上升速度,使细粒沉积物依次超覆在粗粒之上,形成了下粗上细的正粒度韵律砂体,即为水进砂。其上覆层为海相沉积,下伏一般为陆相层,粒度概率曲线通常为双跳跃组分之三段型。这就是罗启后总结的“水进型三角洲”模型(图 2)[56]

M1、M2、M3、M4、M5为各时期水面位置;E1、E2、E3、E4、E5为相应时期的河口位置。据文献[56]修编。 图 2 水进型三角洲模型 Figure 2 Transgressive delta model
2.4.3 海侵—海退三阶段模型

Penland等[16]在20世纪末建立了海退—海侵周期的三阶段模型(图 3)。这一沉积系统的演化始于海侵对废弃三角洲的改造。在废弃初期的阶段1—阶段2中,在海洋动力的冲刷下,三角洲叶瓣受到强烈侵蚀,凸出的沙嘴最先被削平,侵蚀下来的沉积物一部分被带入深海,使水下岸坡趋于平缓,一部分受到沿岸流作用,堆积在凹湾内,随后废弃三角洲叶瓣在波浪的作用下位置发生了变化[57]。随着沉积物的不断供给,沿岸沙坝障壁与大陆分离。在海侵后期的阶段2—阶段3中,障壁岛的后侧变成泻湖或潮坪,障壁岛则随海平面的上升继续向上生长。此后沉积物供给减少,障壁岛相对下沉,形成了内陆架浅滩。障壁岛在下沉的过程中被改造,形成了临滨和大陆架砂体,即为水进砂体。三阶段模型主要说明了海侵过程中的三角洲演化。

模型以三角洲叶瓣为例。阶段1为在废弃三角洲叶瓣中形成的旁侧障壁岛;阶段2为沉降三角洲叶瓣处形成的海侵障壁岛;阶段3为水下沙洲序列的结束。据文献[16]修编。 图 3 密西西比河三角洲平原海侵沉积系统演化 Figure 3 Evolution of transgressive depositional systems in the Mississippi River deltaic plain
2.4.4 水动力模型

Diaz等[39]在1990年提出了水进砂形成的水动力模型(图 4)。这一模型中的砂体是在风暴流作用下形成的[40-41]。在沿岸流和离岸流作用下,碎屑物质迅速地被分选、搬运,并受到风暴流后期改造,堆积在水下岸坡带,形成了一定规模的滩坝沉积,沉积下来的砂体即为水进砂体。在海盆边缘,海浪、沿岸流作用较强,碎屑物质供给较少,碳酸盐岩较发育,因此滩坝水进砂常富含碳酸盐。

a.流体动力学模型;b.底流和沿岸流横截面示意图。据文献[39]修编。 图 4 沿海运输系统示意图 Figure 4 Schematic diagrams showing the supposed coastal transport system
2.4.5 下切谷模型

Sloss等[43]在2010年提出了下切谷模型。当海平面上升时,海侵改造下切谷中的沉积物,即被海水淹没、尚未完全充填的下切谷形成新的可容空间接受沉积,随着沉积物的不断供给,细粒沉积物被潮汐、波浪携带到低能环境中沉积;沿下切谷底界面逐层叠置超覆的砂岩复合体,在坡折之下的深盆区直接叠覆在萎缩期的三角洲砂体之上,形成长距离连续发育、叠置连通的砂岩复合体,下切谷内部以砂质沉积物为主,即为水进砂。水进砂由于抗压实作用较强,孔隙较为发育,具有叠瓦状构造,在下切谷的横切剖面上可见呈透镜状的水进砂。

2.4.6 潮汐改造的沙脊模型

2012年,Desjardins等[44]认为加拿大西部砂体受到强烈潮流影响形成水进砂。潮流运动通常是定向的往复流形式,而且随深度增加,往复运动更明显。这种定向往复潮流,成为潮流脊的主要营力[25]。其形成的前提条件是:要有充足的砂体;存在砂体的运移;有充足的时间使砂体成脊。潮流沙脊的形成过程是:古水下三角洲砂质浅滩最先受到潮流等水动力作用,强大的往复流侵蚀沙脊之间的潮沟;随后,由于潮流的搬运作用使细粒组分沉积下来,成为其他细粒沉积物的物源,而粗粒组分形成潮流沙脊;在此后的海平面变化过程中,沙脊上覆水深大于沙脊发育的最佳深度,在现代水动力改造下,基本处于动力平衡状态。这些沙脊的脊线与潮汐椭球体的长轴方向一致,属于现代潮流沙脊[58]

3 水进砂的研究方法

人们通常运用地层对比、地震解释和沉积学的方法来研究水进砂。近年来,有学者开始运用比较独特的方法对水进砂进行研究,包括水动力学方法、遗迹学方法和不整合面识别等方法。

3.1 水动力学方法

Diaz等[39]最早运用水动力学方法研究地中海西北部Maresme地区的水进砂,由于海底浅层砂体的不稳定性以及底部地层的起伏使区域流体发生了改变。不同环境的水动力条件不同,有不同的粒度分布和沉积构造。

粒度参数可以反映沉积物粒度及沉积环境特征[59]。通常使用的粒度参数包括:平均粒度(Mz)、分选系数(So)、偏度(SK)、峰度(KG)等。平均粒度与源区物质粒度分布以及搬运介质平均动能有关,通常粗粒沉积多见于高能环境,细粒沉积多见于低能环境。分选系数可判断沉积物的物质来源以及沉积环境的动力条件,从风成沙丘—海滩砂—河道砂—冰川—冲积扇沉积,分选依次变差。偏度能够反映介质类型及搬运能力,通常来说,河流相大多以粗粒为主,基本上属正偏态;海滩相因受到波浪、潮汐等高能量的作用而近对称,偏度值接近于0;风成沙丘因细粒物被吹走而多呈正偏态。峰度体现数据在平均粒度两侧集中程度,峰态越窄,则样品粒度分布越集中(表 2)[60]。沉积构造是沉积物中最易直接观察到的特征,水流作用于沉积物可以产生一定的沉积构造,例如波痕、槽模、层理和生物遗迹构造等,不同的沉积构造有不同的主控水动力条件,包括水流作用的形态、水流速度的快慢、水流的强弱等(表 3)。

表 2 常见沉积物类型的粒度参数特征 Table 2 Characteristics of sediment grain size parameters of the common type
沉积类型 特点
频率曲线形态 分选 偏度 峰度 粒度
河砂 双峰、多峰不对称曲线 差—中 变化大,正偏态为主 平坦
海滩砂 单峰对称正态曲线 多对称,偶有负偏态 中等—微尖
沙丘砂 单峰曲线, 略不对称 极好 正偏态 中等
风成砂 双峰曲线, 不对称 正偏态 尖锐
表 3 沉积构造指示水动力条件 Table 3 Sedimentary structure indicates the hydrodynamic conditions
沉积构造 水动力条件 说明
流水波痕 流水成因,与水深和流速有关 随着流速增大和水深减小,波脊形态由简单、连续变得复杂、断续;波痕规模大小反映水流强弱
浪成波痕 波浪成因,波速一般小于90 cm/s,波浪规模 当波速超过90 cm/s,波痕消失,波痕规模通常随波长的增长而变长
槽模 强烈底流 强烈的底流及其冲刷作用
剥离线理构造 高流态 弗劳德数F>1的高流态下,颗粒在薄水层内连续顺流滚动而形成
交错层理 前积纹层形态反映水动力条件强弱 前积纹层从直线形到S形,反映了形成交错层理单元的水动力条件逐渐增强
平行层理 强水动力条件 弗劳德数F>1的高流态下,水流功率比生成大波痕更强,常见剥离线理构造伴生
水平层理 低能或静水环境 在比生成小波痕更低的弱水动力条件下生成
生物遗迹构造 水体能量等级 例如觅食遗迹反映了较深水平静的环境;穴居遗迹反映了一定水体能量状态等

水动力学方法已经成功地应用于水进过程中的无障壁滨岸环境中,由于持续水进,滨岸砂体被风暴流改造后形成的砂体得以保存。风暴作用改造滨岸砂体,并将其搬运到临滨形成穿时砂坝,即为水进砂。临滨环境中可见高角度交错层理(倾角10°~15°)或低角度冲洗层理(倾角3°~5°)、楔状层理和少量波痕,常有砂岩发育,砂岩厚度为3~5 m,自下而上为粉砂岩—细砂岩—中砂岩。粒度分布上多为双跳跃总体,频率曲线的形态为单峰对称正态曲线,分选较好,偏度多对称,峰度中等至微尖。水进砂与临滨环境中的背景砂体存在明显的差别,砂岩底部具冲刷构造,主要发育槽状交错层理。频率曲线的形态为单峰曲线,有时略不对称,分选极好,偏度多对称,峰度中等,存在着与临滨总体环境相反的相序组合,自下而上为中砂岩—细砂岩—粉砂岩。

3.2 遗迹学方法

Bann等[61]运用遗迹学的方法对Pebbley海滩的水进砂进行了研究,其识别特征包括含生物扰动的泥质砂岩相和横向变化的砂岩相。生物遗迹化石可以用来判断海洋的相对深度:滨海带的直立潜穴深度较大(约300 m);滨外的潜穴一般深度较浅,常呈斜歪或水平状;深水中潜穴方向杂乱,以食泥生物的水平遗迹为主(图 5)[62]。目前,遗迹化石以及生物成因构造的特征广泛应用于砂体的研究中。

据文献[62]修编。 图 5 沉积环境按深度分带的遗迹相 Figure 5 Bathymetric pattern of ichnofacies

遗迹化石可作为地层顶底面以及沉积环境的识别标志[63]SkolithosMonocraterion等岩层内部的遗迹化石通常粗端在上、细端指向下方底部;在岩层顶面,常可见脊椎动物的足迹印痕及节肢动物的足迹;PaleodictyonHelminthopsis等遗迹化石通常出现在岩层底面。Howard[64]指出,滨外常为生物高度扰动地区,近岸生物扰动微弱。在陆棚的远滨区和深海区经常伴生着完全的生物扰动作用,潜穴类型广泛。在海滩和砂洲沉积中,遗迹化石以逃逸迹、停息迹为主,兼有少数胶结壁的居住潜穴。

遗迹化石的研究方法已经成功地应用在浅海陆棚环境中。生物在未固结的沉积物中活动形成生物沉积构造,常受到潮汐和波浪的影响。浅海陆棚环境中的砂岩层较薄,遗迹相较单一,下部是Cruziana遗迹相,向上渐变为Skolithos遗迹组合,遗迹化石是以滤食性生物体潜穴为主。沉积物受到潮汐、波浪的侵蚀改造,形成了水进砂。水进砂通常位于侵蚀不连续面上,自下而上呈正粒序,其特征与浅海陆棚环境中的背景砂体有所不同,水进砂中的遗迹相不是单一的一种,而是Cruziana-Skolithos混合遗迹相。其中Cruziana遗迹相可见中等生物扰动,Skolithos遗迹相可见U形及垂直潜穴,U形潜穴的栖管横切面呈圆柱形,具有前进、后退的蹼状构造。

3.3 不整合面识别方法

赵卫卫等[6]对柴达木盆地东部地区进行研究,发现研究区不整合面之上有水进砂体发育(图 6)。以地质理论为指导,通过测井技术、地震资料以及镜质体反射率等方法,对不整合面进行识别。

据文献[6]修改。 图 6 不整合面之上岩石类型成因模式图 Figure 6 Petrogenetic models above the unconformity interface

测井技术是研究不整合接触的重要手段,许多地质突变现象都可以在测井资料中得到反映[65]。沉积旋回、声波时差、孔隙度以及剥蚀情况均可识别出不整合面。在海侵过程中,SP、GR测井曲线为较高齿状钟型,电阻率、声波曲线值较低。在地震剖面上,不整合主要有削截、顶超、上超和下超4种表现形式[66]。应用镜质体反射率(Ro)可计算不整合面地层剥蚀厚度,不整合面地层剥蚀通常会出现上、下构造层中Ro随深度而跳跃的现象,由剥蚀面上下相邻地层Ro值的差异可推算剥蚀量[67]

不整合面识别法已经成功地应用于存在超覆地层的不整合之上。超覆不整合通常出现在盆地边缘,在地震剖面上的特征是界面反射波与下伏地层反射同向轴近于平行,界面之上地层反射同向轴沿斜坡向上超覆尖灭。不整合面之上的背景砂体通常成熟度较低,多有含砾,纵向上呈现下粗上细的沉积序列,其声波时差高,典型地区约为200 μs/ft。水进砂不同于不整合面上的背景砂体,以细砂岩为主,成熟度较高,多呈透镜状。水进砂自然电位低幅度负异常,曲线略有弯曲,声波时差低,典型地区约为70 μs/ft,小于不整合面上的背景砂体,深、浅电阻率测井曲线呈“箱形”。在地震相上表现为前积反射或缓坡叠瓦状上超弱反射。

① ft(英尺)为非法定计量单位,1 ft=30.48 cm。

4 水进砂研究的意义和限制因素

水进砂的研究主要应用于层序、油气的储存运移、油气勘探开发以及原油物性预测的研究中,它有自己的特点,有其他研究无法替代的优势,主要表现在:

1) 水进砂的发现完善了层序地层学理论。水进砂和不整合面的穿时性已经成为层序地层学概念体系中的重要研究内容[22-23]

2) 水进砂体非常重要的价值之一是能作为油气的存储和运移通道。由于水进砂较一般砂体结构成熟度更好,可形成优良储层[2, 68-72]。水进砂往往出现在不整合面之上,是油气运移的通道之一[19, 26-27]

3) 水进砂体中保留着世界大部分的重油[73]。通过生物降解模型,可以利用水进砂中重油组分的变化,模拟出原油的原始组成以及在地质历史过程中的运移变化[30],这可以为找寻新的勘探区提供非常重要的信息。

4) 在国外,已经通过水进砂的研究找到了一大批海相油气藏[16-17],在我国,目前不仅未在海相油气藏方面开展过水进砂的研究,而且还有大量陆相成因的油气藏[74-75]。因此,通过水进砂的研究,我国将有一大批油气藏会被重新认识和发现,前景非常广阔。

水进砂的研究于20世纪末期达到高峰,21世纪以来进入低谷阶段,这是因为对水进砂的研究存在着许多限制因素:

1) 水进砂的厚度整体相对较薄,并且它的种类很多,有些往往呈透镜状分布,砂体展布复杂[76-77]。由于水进砂是一个穿时面,在对比的过程中会有不易识别的情况,因此井间对比存在较大的难度。

2) 我们认为水进砂的物性普遍较好,但目前为止,对于水进砂储层方面的研究还没有建立起一个完备的储集相模型[78]。由于水进砂发现本身比较困难,即使发现了,想要准确预测其物性展布也存在着困难[79],这样就制约了水进砂的应用。

3) 水进砂本身是穿时的现象[22-23],在对比分析的过程中,由于没有掌握水进砂的概念,很多时候对穿时的砂体进行了等时对比。这使得水进砂的归属划分存在问题,原本是水进砂的油气藏可能并未识别出来[80]

4) 水进砂的识别需要大量的岩心、露头、测井及较高精度的地震资料[44],由于有些地区资料不完备,这也影响了水进砂的研究。

5 水进砂研究的发展趋势

从20世纪50年代末起,一些国外的学者们已经开始了通过研究水进砂来讨论油气资源的开发。在地层对比、地震解释和沉积学等方法的基础上,又通过水动力、遗迹学、不整合面识别等方法将水进砂运用在沉积环境和储层的研究中[6, 39, 61],为油气勘探开发提供了方向[81]

目前来看,水进砂的研究多停留在海相砂体中,对于陆相水进砂的研究还需进一步开展[16-17, 74-75]。在比较沉积学理论的基础上,以海相水进砂研究成果来对比研究陆相水进砂,分析其类型、沉积特征、影响因素等,同时借助地质统计学方法,为储层建模和油藏模拟提供依据。

随着能源开采和资源利用的增多,砂岩的研究方法和技术也有了显著的提升。通过对当前油气储层的分析,并结合实际情况对三维空间展布进行了预测,使油气田的发展不断向前推进,这是相关技术研究的一大进步,同时也使研究层面的划分越来越详细。通过河道侧向来看,相关研究已经从三位一体技术方面入手开展起来,这是目前的一种较为常见的单位结构流动趋势。如今,进行储层露头精细研究的学者越来越多,若想更准确地对储层进行预测,就需要建立比开发井网数据点更加密集的地质原型模型和地质常识库,观察各类型相关岩石特点的系列模型。目前,我国需要从知识库和原型模型入手来增加实验数目,通过不断研究取得进一步进展。就水进砂自身来看,砂体的展布等方面具有一定的随机性,为了更好地反映相关特征,需要将实际与模型相结合,使精确度得到进一步提升。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20170323
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

张冠杰, 方石, 张新荣, 高先超, 沈伟
Zhang Guanjie, Fang Shi, Zhang Xinrong, Gao Xianchao, Shen Wei
水进砂研究进展
Research Status of Water-Transgressive Sand
吉林大学学报(地球科学版), 2018, 48(3): 626-639
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2018, 48(3): 626-639.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20170323

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收稿日期: 2017-10-25

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