砂质辫状河沉积模式的建立①——以委内瑞拉奥里诺科重油带H区块为例

陈仕臻 林承焰 任丽华 刘文婧 陈和平 黄文松

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266580;2.中国石油东方地球物理勘探有限公司 河北涿州 072751;3.中国石油勘探开发研究院 北京 100083)

0 引言

砂质辫状河以其相对高的水流能量、较快的冲刷和沉积速率以及频繁的河道迁移等特征为人们所熟知，一般形成大面积分布、看似均质的砂岩沉积储层，而实际上储层内部却有着复杂的非均质性［1-2］。近些年来，国内学者针对砂质辫状河沉积开展了许多工作［3-6］，重点大多集中在利用密井网资料对心滩砂坝进行构型方面的解剖，并且将识别精度提高到了心滩内部垂积体和落淤层的级别，一定程度上丰富了砂质辫状河的现有研究成果。但是，人们在将研究重点集中在心滩砂坝上的同时，也不能忽略另外一种重要的辫状河沉积单元——河道沉积，应当把具有成因联系的心滩和河道沉积作为一个整体加以研究。因此，本文从二者的形成与演化过程入手，采用多种分析手段重点探讨了心滩砂坝及河道沉积的发育规模，最后提出适用于研究区的砂质辫状河沉积模式。与传统的砂质辫状河沉积模式［7-9］相比，本文强调了辫状河道可能存在活动河道、砂质河道充填、废弃河道充填三种状态，前者与地表的流水环境相对应，后两者则与心滩砂坝一起构成了砂质辫状河储层的几个主要沉积单元。

1 心滩砂坝与辫状河道的形成、演化过程

砂质辫状河中的心滩砂坝与辫状河道不断交错，形成互嵌式的配置格局。这种配置方式对于水流能量强弱和沉积物供给的变化非常敏感，容易导致新河道的不断产生和旧河道的废弃，因而辫状河又被称作游荡性河流［10-11］。

对于心滩的成因，国内学者大多强调沉积物的垂向加积和顺流加积作用［12］，而根据国外学者对于辫状河现代沉积的解剖发现，水流从心滩两侧的辫状河道环绕经过时，也存在着部分侧积作用，在心滩边部形成所谓的侧积砂坝［13］。事实上，辫状河道不仅能对心滩砂坝的边缘加以改造，有时还会导致心滩坝体的分割与合并，单一心滩砂坝在沉积过程中可能逐渐被辫状河道劈分成多个独立的砂坝，多个砂坝也可能组合成一个大的复合坝体(图1)。总之，心滩砂坝的形成、生长、变化过程都与辫状河道的演化有着密不可分的关系，二者间相互影响。因此，在对心滩展开剖析的同时，加强辫状河道成因及沉积物特征方面的研究，对于总结砂质辫状河的沉积模式显得非常有必要。

图1 心滩砂坝分裂与合并过程图解a.心滩砂坝分裂;b.心滩砂坝合并Fig.1 Illustration of the splitting and merging processes of channel bar

按照水流的流动情况和沉积物负载差异，砂质辫状河中的河道可能呈现出三种不同的状态。第一种称为活动河道状态(Active channel)，表现为河道畅通、水流速度较快且沉积物在水中以搬运和冲刷作用为主。此时的河道内较难形成新的沉积，这也是人们在地表现代沉积中经常容易观察到的河道状态;第二种是砂质河道充填状态(Sandy channel fill)，由于河道分流或者别的原因造成水流的流速突然降低，导致其携带的沉积物超过了负载能力，沉积和充填作用逐渐变为主导，河道内充填下来的物质迅速增多，但主要还是以砂质沉积为主;第三种则是废弃河道充填状态(Abandoned channel fill)，河道入口或出口由于多种原因发生阻塞，形成在一段时间内保持隔离的静水环境。这种相对封闭的条件在后期并未受到明显改造，最终，河道被泥质沉积物逐渐充填，从而形成废弃河道沉积(图2)。

可以看出，活动河道经常被流动的水体占据，大致相当于沉积物在水中处于一种路过而不沉积的状态;废弃河道充填形成的泥岩沉积有时能较好地保留原始河道条带状的顶平底凸形态，与周围的砂岩沉积有着明显区别，可以作为对原始河道规模进行恢复的参考依据;而砂质河道充填形成的沉积，在成因上则与心滩砂坝有着本质不同，沉积物主要以正粒序和冲刷面等特征区别于后者。

图2 废弃河道形成过程Fig.2 The formation process of abandoned channel

2 研究区概况

研究区H区块位于奥里诺科重油带之上，是现今世界上重油资源最富集的地带之一［14-15］。该区目前尚处于大规模开发前期的油藏评价阶段，缺少三维地震资料覆盖。工区内现有井数较少且平均井距很大，一般介于3～4 km之间，仅局部存在着一定数量的新钻水平井。目的层Oficina下段E油组发育一套河流相环境下的砂质辫状河沉积(图3)，砂体在平面上呈大面积连片状分布，表面看似均质，而实际上的钻井结果却显示储层内部具有复杂的非均质性。譬如，某口井在目的层的录井结果几乎都是砂岩显示，距离很近的另一口相临水平井却钻遇到了厚层泥岩，并且该泥岩的发育规律尚不清晰，延伸方向和距离也都难以判断，这种情况极大降低了单井的砂岩钻遇率，导致后续钻井工作中的泥岩规避面对巨大压力。因此，现阶段本区面临的最重要问题是建立适合研究区的砂质辫状河沉积模式，并在该模式指导下开展后续的相关布井和钻井工作，同时也为本区的开发方案制定提供更多依据。

图3 研究区目的层段综合柱状图Fig.3 The column section of target interval in the study area

3 辫状河沉积单元关键参数研究

前人采用地震手段对地下的辫状河进行识别［16-18］，但是本区由于缺少三维地震资料覆盖，现阶段尚不具备此项研究的条件。根据已有的资料情况，在对砂质辫状河河道的三种存在状态有了一定了解之后，通过现代沉积类比和经验公式调研对心滩砂坝和地表有水流通过的活动河道规模进行估计，而对于地下的废弃河道充填沉积，则利用水平井资料予以解剖。

3.1 现代沉积类比

在满足与研究区具有相似沉积环境和沉积背景的前提下，利用地表丰富的现代沉积现象对砂质辫状河的心滩砂坝和活动河道规模进行类比。根据前人已有的认识，工区辫状河沉积在缓坡背景、河谷两侧无明显山地限制的条件下。为此，在保证各辫状河河道带规模大致处在同一数量级的前提下，通过Google Earth软件筛选与本区沉积条件相似的Yukon River、Jamuna River、Rakaia River等数十个现代砂质辫状河，并对其心滩规模及河道宽度数据进行测量(图4)，经统计后可知心滩长度介于360～1 000 m之间，平均为800 m;心滩宽度介于108～600 m，平均为280 m;活动河道的宽度一般介于120～380 m，平均为220 m。

图4 现代砂质辫状河心滩及活动河道规模测量Fig.4 The scale measurements of channel bar and active channel in modern sandy braided river

3.2 经验公式

受现有资料条件的限制，除了现代沉积类比，还可以通过经验公式求取心滩与河道沉积单元的相关参数。地质学家从砂质辫状河多年的研究中逐渐认识到，河流的满岸水流深度决定了沉积下来的交错层系厚度，而前者又与沙丘高度和平均满岸河道宽度间存在一定的统计关系。因此，通过对砂岩交错层系厚度的测量，便可由经验公式间接求出河道宽度的大小。根据以上思路，选取目的层岩芯进行观察，测量得出交错层系平均厚度，它与平均沙丘高度具有如下统计关系［19］:

注:hm为平均沙丘高度，m;sm为砂岩交错层系的厚度平均值，m;β为系数。

通常情况下，平均河道深度一般为沙丘高度的6～10倍。再根据Bridge等［20］总结的经验公式(3)，最终可以求得河流的宽度。

注:wc为平均河道宽度，m;dm为平均河道深度，m。

本区的交错层系平均厚度为92 cm，根据上述公式可得河道深度在5.49～9.15 m之间，河道宽度介于197～199 m。

Kelly［5，21］利用 22 个现代辫状河(或水槽实验数据)和34个古代露头数据建立了砂质辫状河心滩砂坝宽度wb与单河道深度dm、单一心滩长度lb与其宽度wb之间的关系式:

注:wb为心滩砂坝宽度，m;lb为心滩砂坝长度，m。

利用以上公式，可以根据已有的河道相关参数推算出心滩砂坝宽度介于128～264 m，心滩砂坝长度在540～1 089 m之间。

3.3 水平井资料应用

与直井相比，水平井横穿储层内部且在平面上延伸较长，在验证井间储层的横向分布范围方面有着先天的优势。研究区内局部分布有一些新钻水平井，正好为本次水平井资料验证提供了基础。目的层砂质辫状河储层主要为呈连片状分布的砂岩沉积，其内部也夹杂着一些泥岩，但是这些泥岩沉积的平面延展范围和纵向上的沉积厚度都比较有限，属于心滩内部落淤层、坝顶串沟、坝间凹槽等规模较小的夹层成因类型［6，22-23］。实际上，研究过程中也存在钻遇到厚层泥岩的情况，经过多条水平井轨迹验证后发现其具有一定的宽度、厚度和延伸长度，平均厚度为5.8 m，宽度在200 m左右，推测为废弃河道充填沉积(图5)。

图5 水平井钻遇废弃河道充填泥岩及其平面显示Fig.5 The drilling status of abandoned channel filling mudstone by horizontal wells and its aerial view

4 砂质辫状河沉积模式的建立

从前面的研究结果可以看出，砂质辫状河中的河道并不只是简单地发育一种沉积类型，而是根据河道所处状态的不同来决定其沉积结果。地表的活动河道状态沉积下来的物质较少，更多的是代表一种现代沉积现象，而砂质河道充填及废气河道充填才是在地下储层中经常见到的河道沉积物表现形式。因此，除了对心滩砂坝开展必要的研究以外，河道的状态及其沉积结果分析则是在建立辫状河沉积模式时必须要重点加以考虑的问题。

综上所述，通过现代沉积类比、经验公式调研、水平井资料应用等手段对心滩砂坝与河道沉积单元的关键参数进行恢复，并参考前人对于辫状河的已有认识［4-6］，建立本区的砂质辫状河沉积模式(图6):心滩砂坝、砂质河道充填、废弃河道充填构成了砂质辫状河沉积的三个主要组成单元，它们在成因、沉积作用方式、沉积物特点及几何形态等方面都各有不同(表1)。此外，在主要单元内部还分布有一些规模较小的落淤层、串沟、凹槽等次级组成部分，它们虽然所占比例不大，但是也在一定程度上使辫状河储层更加复杂化。以上所有沉积单元在三维空间中按照地质和沉积规律相互配置，形成了砂质辫状河储层“表面看似均质，实则内部复杂”的沉积特点。

在本区砂质辫状河沉积模式的指导下，结合水平井资料建立适用于研究区的三维地质模型(图7)。从图中的废弃河道充填沉积及泥质夹层(落淤层、串沟、凹槽)透视结果可以看出，废弃河道大致保留了条带状的河道发育特点，厚度和延伸范围超过了周围一般的泥质夹层，对砂质辫状河储层的非均质性影响明显。同时，废弃河道充填也是钻井过程中需要特别留意的一种沉积类型，应尽量使钻井轨迹沿着垂直其发育的方向伸展。将该模型与研究区的砂体及隔夹层分布预测工作相结合，取得了良好的应用效果，对于后续开发方案的实施以及提高新井的砂岩钻遇率具有重要意义。

5 结论

(1)砂质辫状河中的河道可能呈现出三种不同的状态，各个状态下的沉积特点亦不相同。活动河道相当于沉积物在水中处于路过而不沉积的状态，与地表现代沉积中的河道相对应;废弃河道充填形成的泥岩沉积能较好地保留原始河道顶平底凸的形态，与周围的砂质沉积有着明显区别;砂质河道充填形成的砂岩沉积在成因上与心滩砂坝存在本质不同，它以正韵律和冲刷面等特征与后者相区别。

图6 砂质辫状河沉积模式Fig.6 The depositional model of sandy braided river

表1 砂质辫状河各主要沉积单元特征总结Table 1 The characteristics of major sedimentary units in sandy braided river

图7 地质模型中的废弃河道充填沉积和泥质夹层透视图Fig.7 The perspective view of abandoned channel fill and clay interlayers in the geological model

(2)结合研究区实际资料情况，通过现代沉积类比、经验公式调研、水平井资料应用等手段对心滩砂坝和河道沉积单元的关键参数进行研究。分析后得出河道沉积的平均厚度在5.49～9.15 m之间，宽度介于197～199 m;心滩砂坝长度在540～1 089 m之间，宽度介于128～264 m。

(3)提出本区的砂质辫状河沉积模式:心滩砂坝、砂质河道充填、废弃河道充填构成了砂质辫状河沉积的三个重要组成单元，它们按照沉积规律相互配置，形成了砂质辫状河储层“表面看似均质”的沉积特点，但实际上储层内部却具有复杂的结构。在该模式指导下建立本区的三维地质模型，对于提高井间砂体的钻遇率和后续开发方案的落实具有重要意义。

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