沉积学报  2018, Vol. 36 Issue (5): 877−889

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商晓飞, 郭颖, 侯加根, 段太忠, 赵磊
SHANG XiaoFei, GUO Ying, HOU JiaGen, DUAN TaiZhong, ZHAO Lei
湖泊滨岸砂坝内部结构特征剖析及其地质意义——以峡山湖现代砂坝沉积为例
Anatomy of Architecture Characteristics in Lacustrine Sand Banks and Its Geological Implications: A case study of modern sand banks in Xiashan Lake
沉积学报, 2018, 36(5): 877-889
ACTA SEDIMENTOLOGICA SINCA, 2018, 36(5): 877-889
10.14027/j.issn.1000-0550.2018.067

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收稿日期:2017-08-07
收修改稿日期: 2017-10-23
湖泊滨岸砂坝内部结构特征剖析及其地质意义——以峡山湖现代砂坝沉积为例
商晓飞1,2 , 郭颖2,3 , 侯加根4 , 段太忠1 , 赵磊1     
1. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083;
2. 山东科技大学 山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室, 山东青岛 266590;
3. 临沂大学地质与古生物研究所, 山东临沂 276000;
4. 中国石油大学(北京)地球科学学院, 北京 102249
摘要: 湖泊滨岸砂坝通常会形成优质储集体,是近年油气勘探开发的重点目标之一。然而,对砂坝内部结构特征认识不清,制约了油田的进一步开发和剩余油挖潜。位于山东省中部的峡山湖,其东南岸发育多列沿岸分布的现代砂坝沉积,以此为例,利用浅钻孔、探坑等手段对砂坝内部结构进行细致剖析。研究表明,砂坝总体呈现下细上粗的反粒序结构,其内部由一个或多个增生体叠加而成,增生体之间界面处通常发育泥质沉积(落淤层)。增生体在砂坝内部主要有覆盖式和顶积式2种堆积样式,前者加积作用强,保存较好,增生体规模向上逐渐变大;后者加积作用弱,增生体易受波浪冲刷破坏,规模向上减小。砂坝内落淤层的分布与增生堆积样式有关,覆盖式增生体间的落淤层呈连片披覆状,向湖盆中心倾斜型分布;顶积式增生体间的落淤层呈孤立残留状,近水平零星散布在增生体界面处。现代砂坝内部结构的解剖结果不仅可为认识砂坝储层中砂体的堆积样式和砂、泥岩的空间配置关系提供真实的原型地质模式指导,在建立砂坝储层地质模型时还可提供定量化的条件约束。
关键词: 砂坝    内部结构    峡山湖    现代沉积    构型解剖    
Anatomy of Architecture Characteristics in Lacustrine Sand Banks and Its Geological Implications: A case study of modern sand banks in Xiashan Lake
SHANG XiaoFei1,2 , GUO Ying2,3 , HOU JiaGen4 , DUAN TaiZhong1 , ZHAO Lei1     
1. Petroleum Exploration & Production Research Institute, SINOPEC, Beijing 100083, China;
2. Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China;
3. Institute of Geology and Paleontology, Linyi University, Linyi, Shandong 276000, China;
4. College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China
Foundation: Shandong Provincial Key Laboratory of Depositional Mineralization & Sedimentary Mineral, Shandong University of Science and Technology, No. DMSM2017018; National Science and Technology Major Project, No. 2016ZX05033003; National Natural Science Foundation of China, No. 41702359
Abstract: The lacustrine near-shore sand bank is one type of good reservoirs, being the key target for oil and gas exploration and development recently. However, lacking clearly understanding of the inner architecture in this type of reservoir significantly restricts the further reservoir development. In southeastern Xiashan Lake, located in the center of Shandong Province, there are a series of modern sand banks observed parallelly to the lake shoreline. By using shallow wells, pits and other methods, a comprehensive research has been conducted to analyze the inner architecture of sand banks. The result shows that a sand bank has a general coarsening upward structure and is made up of one or more accretions. Between two accretions a thin layer of mud deposition can be found. There are two kinds of accretion stack patterns in a single sand bank which are one overlay pattern and one top-set pattern. The former pattern can usually be well persevered and presents a gradually expanding accretion from bottom to top due to strong aggradation. The latter pattern is easily destructed by flush erosion of wave actions and presents a gradually reducing accretion from bottom to top due to weak aggradation. The distribution of mud layer between two accretions is also determined by accretion stack patterns. The mud layer within an overlay pattern displays a continuous draping shape inclining to the lake center, while the mud layers, within a top-set pattern are isolated and discrete which are parallel to the interface of two accretions. A clear understanding of inner architecture in modern sand banks not only provides a real prototype model for better understanding in accretion stack patterns and spatial distribution of sand bodies in sand banks, but also offers quantitative constraints for 3D sand bank geological modeling.
Key words: sand bank     inner architecture     Xiashan Lake     modern sediment     architecture analysis    
0 引言

滨岸砂坝(near shoal sand bank)是波浪、湖流或风暴作用将周边汇集到湖盆内部的砂体重新搅起、搬运,在滨岸浅水区或水下低隆起等有利部位再次沉积而成[1-3]。在湖泊水动力作用下,砂坝多呈现出与湖岸线平行或斜交的窄条带状形态[4-5]。作为湖泊中一种常见的沉积类型,砂坝因其储集性能好、生储盖配置完善等有利的成藏地质条件,显现出良好的油气资源潜力[6-7]。近年来,在我国多个盆地,尤其是渤海湾盆地多个凹陷,均发现了以砂坝为储集层的油气藏[8-10]。前人对湖泊砂坝的研究主要集中在砂坝类型划分、控制因素、分布规律等方面[11-18]。实际上,随着湖岸线或波浪能量的变化,滨岸砂坝在空间上会来回迁移摆动[19-21],不同时期形成的砂坝因沉积环境的差异而具有不同的沉积特征[22-25]。相比湖泊其他沉积体系,对滨岸砂坝在其形态、规模以及砂体间的叠置接触关系等方面的认识仍不清晰,也就制约着砂坝油藏的进一步开发。

目前,随着构型(reservoir architecture)理论的发展[25-28],已有学者尝试对湖泊砂坝砂体的空间分布规律进行分析[29-30]、对砂坝内部隔(夹)层的展布进行刻画[31],但构型解剖的成果始终缺乏原型地质模型的指导,造成其理论根据上的不足,可信度有待考证,也就满足不了砂坝油藏开发所需的定量信息依据。针对这种情况,本文对滨岸砂坝发育的峡山湖现代沉积进行考察,利用浅钻孔、探坑等手段,细致剖析砂坝砂体的内部结构特征,揭示了砂坝内部砂体之间的叠置接触关系和展布形态,并结合砂坝沉积过程,探讨其内部砂、泥空间配置关系,对构建湖泊滨岸砂坝储层地质知识库,解析储层“灰箱”,填补其构型理论的缺陷具有重要意义,使其能够真正指导油田开发和剩余油挖潜。

1 研究区地质概况

峡山湖位于中国山东省中部,地理位置介于119°21′~119°31′ E,36°16′~36°31′ N。湖面轮廓似喇叭状,南北长约30 km,东西宽约15 km,湖泊总面积144 km2,总容量约5.5×108m3,洪水期水深最高达20多米。峡山湖在构造上处于昌邑—莒县断裂东部,高密断裂南部,构造整体受郯庐断裂活动的影响较大;在地貌上与断陷湖盆相似,西边地势陡,东边较平缓,平均坡降<2‰。峡山湖南部为低山丘陵区,北部为冲积平原,物源供给水系主要来自西南的洪沟河和北边的潍河(图 1)。因常年受季风的影响,湖面具有较强的波浪作用,波浪将物源砂体重新搬运,在缓坡带一侧形成了范围较大的砂坝聚集发育区。

图 1 峡山湖地理位置图及考察区航拍照片 Figure 1 Location map of Xiashan Lake and the photo of sand banks survey area

收集峡山湖1:1万地形图(1990年)和2000—2014年航片,结合实地调查数据,依据湖岸线变化和监测剖面坡度变化,发现滨岸砂坝总体上呈退积状态。据山东省地矿部在上世纪80年代对湖泊沉积物类型分析来看,经过近30年的变化,离岸较近区域由于长期波浪水动力的侵蚀作用,砂坝沉积物颗粒经过反复淘洗,有逐渐细化现象。峡山湖每年春、夏两季为枯水期,加上近几年气候干旱,农业用水较多,湖水水位大幅度下降[32],多个成行排列的沿岸砂坝暴露于水面之上。本次现代砂坝研究的主要场所位于湖泊东南岸的后店村和郑公村附近(图 1),该处沉积的砂坝发育时间长、规模大,岩性以细砂—中砂为主,贝壳层、砂层、泥质层交互显示,可为砂坝内部结构的解剖起到良好的标识作用。

2 砂坝内部构型划分和研究方法

滨岸砂坝沉积具有级次性,不同级次砂体在沉积展布上有一定的约束关系[31, 33]。根据吴胜和等提出的构型级次划分体系[26]和高分辨率层序地层学原理,作为储层意义上的构型单元,砂坝砂体沉积可分为砂坝复合体、单一砂坝和坝内增生体三级构型要素(7~9级构型要素,对应Miall构型体系的5~3级),对应三个级次构型界面(图 2)。在精细地层对比和沉积微相研究的基础上,可以较好地明确小层内部砂坝复合体的总体展布。每一个砂坝复合体都是由一个或多个单一砂坝组成,单一坝之间通常发育泥质、粉砂质或钙质等较为稳定的隔层(8级构型界面),使每一个单一砂坝可构成一个独立的连通体(图 2)。受超短期旋回的控制,单一砂坝内部又可进一步细分出一个或多个增生体韵律段,增生体之间发育不稳定的夹层(9级构型界面)。目前在砂坝油藏开发过程中,通过识别隔层,结合砂坝的分布规律,已经能够较为准确地进行单一砂坝划分。而单一砂坝内部的构型解剖,因对其结构特征不明确,导致解剖结果还缺乏一定的模式指导。

图 2 湖泊滨岸砂坝沉积构型级次划分(据商晓飞等,2014修改) Figure 2 Division of different architecture orders in lacustrine sand bank deposition(modified from Shang et al., 2014)

现代砂坝因沉积时间较短且均靠近现今的湖岸水位线,受沉积时间和地形的限制,主要为单一砂坝的沉积(图 3A),因此,可以充分利用浅钻孔、探坑、探槽解剖等方法,对现代湖泊单一坝和坝内增生体进行定性、定量的研究。浅钻孔主要是为了观察沉积物的垂向序列,以及确定砂体或细粒(泥质)沉积的平面分布范围。本次研究在峡山湖东南岸两列较大的砂坝布置了浅钻孔(图 3B),总体垂直砂坝长轴方向共钻孔45个,跨度约150 m,平均钻孔深度1.3 m,最大钻深达2.8 m,取芯直径8 cm,每次取芯长度25 cm。探坑主要是为了观察沉积物的垂向序列以及确定沉积体的边界。探槽主要是用来观察沉积物的垂向序列、沉积构造以及砂体和细粒(泥质)沉积的侧向变化规律。因水位较高的区域容易发生渗水和探槽壁垮塌,本次探槽主要布置在出露水面较高的靠近砂坝中心部位,总长约6 m,深度近0.5~1 m。

图 3 峡山湖滨岸砂坝现代沉积特征 A.峡山湖两列平行单一砂坝;B.滨岸砂坝浅钻孔照片;C.单一砂坝后端泥质沉积;D.单一砂坝表面波痕特征及其形态变化 Figure 3 Modern sedimentary characteristics of lacustrine sand banks in Xiashan Lake
3 结果 3.1 砂坝表面形态与沉积特征

峡山湖沿岸分布的近代砂坝中,较大者主要分布于东南岸后店村一带。早期有学者将该处发育的砂坝划分为4期单一坝体,其沉积演化主要与波浪作用和湖平面变化有关[34]。从本次的考察来看,单一砂坝在平面上呈两头尖的椭圆形或新月形,长轴方向近NE15°(图 3A)。紧靠滨岸的近代砂坝坝高(距湖面)一般在1~4 m,宽约22~45 m,坝的长度达数百米,在横切剖面上呈底平顶凸的透镜状。在郑公村以北湖滨处还发育两个近期形成的小型单一砂坝,坝间距3 m,坝高0.5~1 m,宽约2~14 m,大致沿湖呈NE5°~NE10°分布,并与盛行风高角度相交,倾角向湖坡约7°,背湖坡近水平。

砂坝主要沉积物为黄色中砂、细砂、粉砂,成分主要为石英、长石和岩屑,局部可见粗砂和砾石沉积(平均砾径0.3 cm)。在砂坝的前端发育明显水位痕和滩脊,沉积物湿润并有生物介壳堆积;砂坝主体部位,沉积物逐渐变得干燥疏松,以较纯的黄色砂质沉积为主,沉积物分选性好;砂坝后端因波浪能量传播受阻,水动力较弱,沉积物以灰黑色泥为主,可见泥裂缝(图 3C)。砂坝发育的主要沉积构造类型有板状交错层理、冲洗交错层理、浪成波纹层理、平行层理和波状层理。板状交错层理一般由2~3个层系组成,单个层系的厚度约3~8 cm,纹层的倾斜排列指示了波浪的主体传播方向。平行层理层系组的厚度一般为2~15 cm,由颗粒大小不同的纹层叠置而成,是受波浪高能水动力作用形成的。由于砂坝的迁移,砂坝表面发育了一系列的大型平缓波状波痕,其上又可进一步迭加次一级的大型或小型波纹。波痕类型有对称波痕和非对称波痕,以对称波痕为主,波长一般为5~10 cm,波高一般为1~3 cm(图 3D)。

3.2 砂坝沉积序列

单一砂坝是滨岸发育的特殊沉积单元,砂坝沉积直接覆盖在原有的砂坝、浅滩或湖相泥沉积之上[35]。通过浅钻孔抽提单一坝体在纵向上的沉积序列的结果发现,砂坝中心沉积物厚度相对边缘地区较大,沉积物向坝体边缘逐渐减薄。受碎浪带和冲浪回流带对沉积物冲刷淘洗的影响,每一期砂坝沉积序列的底部沉积物粒度最细,为细砂、粉砂沉积,含有丰富的植物根、植物碎屑;中部为中砂、细砂,发育小型板状交错层理、平行层理;顶部以粗砂为主,可见细砾,发育大型板状交错层理、平行层理。砂坝内部总体呈现出下细上粗的反粒序结构,反韵律层在剖面上重复出现,反映湖平面的多次波动和岸线迁移(图 4)。随着砂坝的不断堆积演化,坝体堆积增高,砂坝的规模也逐渐增大。砂坝顶端因水位下降而时常暴露于水面之上,易遭受风的侵蚀和改造,发育风成交错层理。

图 4 单一砂坝内部增生体沉积的垂向序列 Figure 4 Vertical sequence of the accretion in a single sand bank
3.3 砂坝内部构型单元特征 3.3.1 增生体

通过在砂坝中的浅钻孔发现,单一砂坝由一个或多个明显的韵律层段(即增生体)叠加形成。增生体的沉积与湖平面的短暂变化相关,不管基准面是上升还是下降,湖平面若出现短暂的上升,则就有可能沉积一期韵律性砂体[25]。增生体之间界面对应于9级构型界面(Miall构型理论的3级界面),界面处通常存在泥、粉砂质泥、泥质粉砂等细粒泥质沉积,成为单一坝内部夹层(图 4),夹层的产状很大程度上与增生体的堆积样式有关。

增生体规模受控于单一砂坝规模,若滨岸砂坝受沉积时间的限制,砂坝规模较小,则每个增生体厚度较小。同时,由于湖平面往复升降的时间长短不一,同一砂坝内部各增生体在厚度上也有所差别。在本次解剖的东南岸几个砂坝中,每一个砂坝大致包含2~4个厚约10~40 cm的增生体(图 4)。单一砂坝内增生体在垂向上一般呈现出自下向上由粉砂到细砂再到中—细砂的反旋回特点(图 5A),其中上部细砂处可见明显的低角度冲洗交错层理、浪成波纹交错层理(图 5B)和板状交错层理等沉积构造。粉砂多呈深黄—黄褐色薄层状,厚约1~5 cm,含有一定的泥质组分,分布较为稳定,可认为是两期增生体之间的界面,该界面上下可见落淤泥质沉积,形成单一坝内夹层。

图 5 滨岸砂坝内部增生体剖面照片 A.砂坝内部一期增生体剖面,可见明显的韵律变化;B.浪成波纹交错层理,可见向陆、向湖两个方向倾斜的纹层,角度3°~10° Figure 5 Profile photos of inner accretion of sand bank
3.3.2 落淤泥质沉积

过去认为滨岸砂坝是一种相对较均质的储层,内部细粒沉积不发育[1, 36]。现代砂坝沉积观察发现,滨岸砂坝在沉积过程中受波浪水动力条件变化导致沉积物岩性差异,使砂坝之间和砂坝内部同样发育了泥质或灰质的多种细粒沉积体[31]。细粒泥质沉积总与不同级次的构型界面相对应[37],在单一砂坝内部最为常见的就是落淤层。落淤层岩性细,通常发育在增生体之间,影响着砂体之间的接触关系。落淤泥质沉积具有一定的渗流遮挡能力,是造成砂坝沉积体非均质性的重要因素。

峡山湖现代砂坝内部的落淤层一般是由黏土沉积组成,可见粉砂质黏土。落淤层主要沿砂坝内部增生体界面分布,厚度一般为0.5 cm到十几厘米。砂坝主体区(坝主体)的落淤层密度最大,可达2层/m~4层/m,砂坝两端(坝侧翼)的落淤层密度为1层/m~2层/m,相邻两列砂坝之间(坝间)的区域,落淤层基本不发育。砂坝迎浪一侧水动力作用最强,泥质落淤层厚度较薄,约1~3 cm,受后期强浪冲刷作用的影响,泥质沉积容易受破坏,落淤层连续性变差,平行砂坝长轴延展长度不超过3 m。砂坝顶部至背浪一侧落淤沉积最发育,主要是由于在单一砂坝形成过程中,细粒悬浮物质在波浪回流时受增生体的遮挡容易沉积下来,该区的落淤层平均厚约6 cm,保存较好且分布较为稳定,可追踪距离达15 m。总之,从砂坝外缘到中心部位具有泥质落淤层增多的特点。

3.4 砂坝内部增生体堆积样式

由于砂坝内部同一增生体在沉积环境和沉积时间上具有一致性,造成同一增生体的颜色、粒度、韵律性、沉积构造等方面也具有一致性,通过在单一砂坝不同部位进行浅钻孔取样分析,可以将同一增生体进行有效对比。剖析结果发现,增生体在砂坝内部主要发育有2种堆积样式,分别为湖侵—覆盖式和湖退—顶积式(图 6)。

图 6 单一砂坝内部增生体堆积样式及特征 Figure 6 Accumulation patterns and characteristics of inner accretion in single sand bank
3.4.1 覆盖式增生体堆积

该类堆积样式表现为砂坝内部早期形成的增生体被后一期次形成的增生体完全覆盖。增生体规模向上逐渐增大,砂坝的规模取决于最后一期增生体的规模。覆盖式增生体堆积的砂坝主要发育在湖侵时期,在湖平面相对静止或缓慢上升的过程中,便会沉积一期增生体,随水体逐渐加深,可容纳空间增大,多期增生体纵向加积形成一个完整的单一砂坝砂体。增生体受冲浪和沿岸流作用小,保存程度也较好,后期增生体可完全覆盖在前一期增生体上面继续沉积,因此,在剖面上会呈现出多期增生体斜列状排列(图 6)。

覆盖式增生体堆积在近代砂坝中较为常见,在研究区主要发育在离岸较远的一列砂坝中(位置见图 1)。该砂坝走向为北偏东30°,宽度约14 m,洪水季节砂坝被淹没,枯水季节暴露出水面,砂坝后方局部地区可见泥裂。优选出露较好的区域(图 1中的解剖区一)布置4个浅钻孔(图 7),通过分析钻孔提取出来的沉积剖面,揭示砂坝的内部结构特征。如图 8所示,钻孔1和钻孔3均钻遇到了2个增生体,并在55 cm和50 cm深钻至湖平面;钻孔2位于砂坝顶端,厚度最大,达65 cm,共钻遇了2套落淤层及其分隔的3个增生体;钻孔4位于砂坝前端,钻至20 cm即见水位。值得注意的是,在距砂坝表面15~20 cm处均钻遇到了生物贝壳,为增生体的对比提供了很好的等时沉积标志。综合分析并对比各钻孔反映出来的沉积体,认为在该单一砂坝内部共发育3期增生体,增生体为覆盖式堆积。在坝中心处,最早一期形成的增生体厚度约0.2 m,展布范围最小,向上增生体平面规模增大,厚度约0.2~0.4 m。增生体整体上背湖一侧坡度缓,向湖一侧坡度陡;增生体之间界面处因水体能量低而发育泥质落淤层,落淤层分布稳定,连续性好,其产状与增生体表面形态一致。

图 7 峡山湖东南岸单一砂坝内部覆盖式增生体堆积 Figure 7 Overlay pattern accretions of single sand bank on southeast bank of Xiashan Lake
图 8 峡山湖东南岸单一砂坝内部覆盖式增生体解剖 Figure 8 Dissection of overlay pattern accretions of single sand bank on southeast bank of Xiashan Lake
3.4.2 顶积式增生体堆积

该类增生体堆积样式表现为砂坝内部后期形成的增生体叠加在前一期形成的增生体的顶端。增生体规模向上逐渐减小,砂坝的规模取决于最早一期增生体的规模。顶积式增生体堆积形成的砂坝主要发育在湖退时期,在湖平面相对静止或短暂上升时,增生体仅在顶部形成垂向加积。湖平面短暂下降过程中,早期形成的增生体顶部受到波浪的冲刷破坏,因此,该类增生体保存较差,在剖面上呈类似塔状排列(图 6)。

在研究区近岸处的多个单一砂坝,砂坝内部增生体以顶积式堆积为主(位置见图 1)。在砂坝的两翼(砂坝横切剖面),尤其是向湖盆方向一侧,各期增生体会有不同程度的出露,因此顶积式增生体堆积形成的砂坝在砂坝表面上可以看出增生体的展布变化,甚至增生体之间的界线(图 9),这是与覆盖式增生体堆积形成的砂坝的一个重要区别。

图 9 峡山湖东岸单一砂坝内部顶积式增生体堆积 Figure 9 Top-set pattern accretions of single sand bank on southeast bank of Xiashan Lake

通过在解剖区二(图 1)布置5个浅钻孔所反映的垂向剖面看,该单一砂坝共可划分为4期坝内增生体(图 10):底段在砂坝前端、砂坝中心、砂坝后端的同一高程下均可见到黑褐色粉—细砂,低角度板状交错层理、平行层理发育,能够很好地揭示是同一期增生体的沉积;中部两段为黄色粉—细砂沉积,发育波状层理、浪成沙纹层理;上段为黄色细砂沉积,反韵律明显,下部发育一套连续的薄层棕色粉砂,发育明显的低角度冲洗交错层理,纹层倾角在10°左右,说明受到冲浪回流带波浪的反复冲刷作用。增生体之间呈水平状加积接触,最早一期形成的增生体厚度约0.5 m,平面展布范围等于该单一坝的宽度(约45 m),向上增生体厚度略有减小,约0.2~0.3 m,平面展布范围也逐一变小,至最顶部增生体宽仅10 m左右,同一期增生体的厚度在砂坝各处变化不明显。在砂坝侧翼的局部探槽剖面可以更清晰地看到砂坝内部韵律的变化,明确增生体之间的界面以及增生体的展布样式(图 10)。

图 10 峡山湖东岸单一砂坝内部顶积式增生体堆积剖析 Figure 10 Dissection of top-setpattern accretions of single sand bank on East bank of Xiashan Lake
4 讨论 4.1 增生体堆积样式与落淤泥质沉积的关系

对于落淤层的成因主要有两个方面。前已述及,在单一砂坝沉积过程中,受超短期基准面旋回控制,每一期砂坝内部由一个或多个增生体垂向或侧向加积而成。增生体沉积时,湖平面快速上升,可容纳空间相对增大,由于水体加深,同一位置水体能量会迅速减弱,细粒的泥质悬浮物便在增生体之上沉积,形成砂坝内部落淤层。另一方面,基准面相对稳定的情况下,波浪受风的影响通常是不稳定的[38],波浪间歇期,水动力很弱,在之前波浪作用期沉积的增生体之上形成近平行或倾斜的细粒泥质沉积物,成为单一坝内落淤层。因此,落淤层的沉积代表了单一砂坝内部相邻两期增生体之间的分界,即9级构型界面(图 11)。

图 11 峡山湖东南岸单一砂坝内部顶积式增生体堆积样式探槽剖析 Figure 11 Dissection of accumulation of top-set inner accretion of single sand bank on southeast bank of Xiashan Lake

落淤层作为砂坝内部最主要的夹层类型,其发育情况影响着湖泊滨岸砂坝沉积砂、泥的配置关系。落淤层不发育的地区,不同期次沉积的增生体(砂层)常呈大面积相互接触,砂体连通性好;落淤层发育的地区主要呈现总体连片、局部断续的特征,落淤层连续性好的区域,不同期次沉积的增生体(砂层)之间往往大范围被落淤层所分隔,砂体连通性差,非均质性强。

覆盖式增生体之间的落淤层与砂体之间接触面积较大,落淤层呈连片状披覆在下部增生体的表面。落淤层在该类增生体间分布稳定,连续性好。通过砂坝底部构造拉平的方法可以计算不同部位落淤层的倾角,即同一落淤层相对单一砂坝底面的高度差与相邻浅钻孔间距的比值就是该角度的正切值。计算结果发现,砂坝靠近岸线的一侧,落淤层基本水平,倾角不超过2°;大部分区域,尤其是砂坝中心部位的迎波浪作用方向,落淤层倾角稍大,为5°~15°。因此,呈覆盖式堆积的增生体之间落淤层以向湖盆方向倾斜分布为主。随增生体叠置,砂坝逐渐生长变大,内部落淤层的展布范围也越来越大,最外层的落淤层规模最大,与砂坝规模相当。

顶积式增生体之间发育孤立状落淤层,是早期沉积在增生体表面的落淤层受水流的冲刷破坏后残留下来的部分。残留的落淤层与增生体表面平行,总体近水平方向展布,横向分布不稳定。落淤层的平面形态顺砂坝(或增生体)长轴方向呈不规则片状或断续相接的菱形。探槽剖面上,落淤层在增生体界面附近零星散布,连续性差,厚度不一。孤立残留落淤层的一个重要识别标志是具有明显的冲刷改造特征,在向岸方向可见明显的冲刷尖灭点,落淤层之上发育贝壳碎片、粗砂等粗粒沉积,同样表明落淤层沉积后曾发生过强水动力作用(图 12)。

图 12 单一砂坝顶积式增生体堆积的落淤层分布 A.砂坝表面零星散布的落淤泥质沉积;B.砂坝表面落淤层遭受侵蚀破坏而成不规则碎片状;C.顶积式增生体之间落淤层展布剖面;D.落淤层剖面显示落淤层厚度变化大且连续性差 Figure 12 Distribution of falling mud layer between top-set accumulated accretions in a single sand bank

砂坝内落淤层的发育主要受水动力条件、微地貌及暴露时间等因素的控制:1)落淤层形成的物质基础是湖盆中搬运大量的泥、粉砂质泥等细粒悬浮物质。强浪期水体浑浊,泥、粉砂质泥含量高,在较低的水动力下,这些细粒物质便会缓慢沉积下来形成落淤层。2)增生体表面微地貌的陡缓影响着落淤层沉积的宽度。在相同构造位置和水动力的情况下,增生体表面微地貌坡度缓,则迎浪一侧低能带宽度大,形成宽度较大的落淤层沉积;增生体表面微地貌较陡时,低能带较窄,沉积的落淤层较窄。3)当暴露时间较长,较薄的落淤层容易收缩形成碎片,呈边部翘起的形态,这种落淤层容易受波浪的冲刷形成片状的泥砾从而难以保存。当短时间暴露或基本不暴露地表时,落淤层保持较完整的形态,不形成泥裂,而且含有较高的水分,抗侵蚀能力强。

4.2 砂坝内部结构对油田开发的指导

古代滨浅湖滩坝砂体是湖泊相重要的4类储集体之一[15, 39]。通过现代砂坝内部结构的精细定量化表征,还原了砂坝沉积发育过程,对其内部砂体的堆积方式和砂、泥的空间分布有了清晰的认识。将今论古,将现代砂坝的解剖结果应用进古代砂坝油藏研究中,可为砂坝储集层构型研究提供真实的原型地质模式,对湖泊砂坝油气藏的勘探开发有重要意义。

本文引入板桥凹陷的古代砂坝储层对其进行解剖。板桥油田位于黄骅坳陷中北部,古近系沙河街组滩坝砂体是该油田主要储集类型之一,砂坝油藏也是近几年油田油气储量和产量增加的重要领域。目前油田综合含水率高,剩余油分布复杂,急需对砂坝储层内部构型进行研究,明确砂体和隔(夹)层的空间配置关系,为开发方案调整和剩余油进一步挖潜提供方向与指导。

受湖泊面积、物源供给、气候等因素的影响,相较于古代砂坝储层,现今沉积的单一砂坝规模要小得多。前期的研究统计发现,板桥凹陷沙二段地层中共划分出了113个单一坝砂体,单一坝的长度平均2 200 m,宽度约553 m,最大厚度达20多米,长宽比平均为4.2,宽厚比平均为26。单一砂坝的平均长度和宽度(或宽度和厚度)具有较好的相关性,而这种相关关系与峡山湖观测到的现代砂坝沉积具有一致性,表明单一砂坝的识别划分结果较为可靠,同时也可利用现今砂坝的内部结构特征指导砂坝储层更细一级次的解剖。

通过精细地层对比、单一砂坝井上识别以及单一砂坝井间对比,已基本能够刻画出单一砂坝的展布,如何在此基础上进一步划分构型单元,分析砂体连通性,成为困扰研究人员的“瓶颈”问题。本文以滨Ⅳ-3小层bG5井组所在的单一砂坝为例进行内部构型分析。该单一坝体为椭圆状展布,长轴方向为NNE15°,如图 13所示垂直砂坝长轴的连井剖面,除bn5-5井外,其他如bG5井、bn5-1井、bn5-4井等均能够通过测井曲线识别出1~3套坝内夹层作为不同增生体之间的界面,也就初步判定该单一砂坝内部发育4期增生体(从下至上记为增生体A-D)。滨Ⅳ-3小层为一短期基准面下降半旋回,该单一砂坝是在湖退时期沉积形成的。借助现代砂坝剖析,砂坝内部增生体应该呈顶积式堆积。依据顶积式坝内增生体的堆积样式,结合井上增生体界面的识别,对4期增生体进行对比:最底部增生体A规模最大,钻遇井数最多,增生体长约400~600 m,宽150~200 m,厚约5 m,向上增生体规模依次减小,至砂坝最顶端增生体D的规模仅为增生体A的1/6,仅bn5-4井钻遇。增生体界面之间发育夹层(即泥质落淤层),夹层连续性差,几乎不超过两个井距。注水开发实践表明,该砂坝底部砂体连通性好,不同增生体之间连通性变差,证明对该单一砂坝内部结构的剖析结果较为准确。

图 13 板桥凹陷bG5井区滨Ⅳ-3小层单一砂坝沉积的内部构型解剖 Figure 13 Single sand bank architecture anatomy in bG5 Well area of BinⅣ-3 sub-layer in Banqiao sag

另外,本文研究成果不仅在砂坝油田勘探开发中指导储层精细解剖等工作,在建立三维地质模型时,现代砂坝沉积的定量规模参数(尤其是长宽比等相关性参数)还可以丰富地质知识库,指导训练图像的建立,用以砂坝储层的随机模拟。砂坝砂体的堆积样式和砂、泥岩的空间配置关系,可以作为原型地质模型给予砂坝储层内部结构一个有利的约束,使模拟的结果更加符合客观实际。

5 结论

(1) 峡山湖东南岸发育多个现代砂坝沉积,砂坝呈两头尖的椭圆形或新月形,长轴方向近NE 15°。沉积物以细砂为主,砂质较纯,发育波状层理、表面对称波痕等多种沉积构造。沉积物由砂坝中心向坝体边缘逐渐减薄,砂坝内部总体呈现出下细上粗的反粒序结构。

(2) 单一砂坝由一个或多个厚约10~40 cm的韵律层段(即增生体)叠加形成,不同砂坝其增生体个数与规模有所差异,增生体在垂向上一般呈现出自下向上由粉砂到细砂再到中—细砂的反旋回特点,增生体之间界面处通常发育由黏土组成的落淤泥质沉积,厚度0.5 cm至十几厘米,从砂坝外缘到中心部位具有泥质落淤层增多的特点。

(3) 增生体在砂坝内部主要发育有2种堆积样式,分别为湖侵—覆盖式和湖退—顶积式:前者加积作用强,早期形成的增生体被后一期次形成的增生体完全覆盖,增生体保存较好,剖面呈斜列状排列;后者加积作用弱,后期形成的增生体叠加在前一期形成的增生体的顶端,呈类似塔状排列,增生体易受波浪冲刷破坏而保存较差。

(4) 砂坝内部落淤层的发育程度与湖泊中泥质含量、增生体表面微地貌和暴露时间等因素有关,其分布特征受增生堆积样式影响。覆盖式增生体间的落淤层呈连片状披覆在增生体的顶面,向湖盆中心倾斜型分布,倾角约5°~15°;顶积式增生体间的落淤层呈孤立残留状,近水平零星散布在增生体界面处。

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