河口湾沉积微相分布和演化特征——针对加拿大LM油田McMurray组的分析

王兴龙 王龙 陈培元 李晨 卢川

(1. 中海油研究总院有限责任公司， 北京 100028； 2. 中国海洋石油国际有限公司, 北京 100028)

1 区域地质背景

加拿大阿尔伯达盆地东北部的Athabasca矿区已发现沥青约1.4×1012bbl(约0.21×1012t)[1]，是当今世界上油砂资源最为富集的地区之一。LM油田是Athabasca矿区中重要油田之一(见图 1)，其油砂储量集中分布于下白垩统McMurray组。该组地层厚度约60 m，埋深为170～240 m，储层厚度约25～50 m，储层孔隙度为25% ～ 30%，渗透率为0.5×10-3～10 ×10-3μm2。LM油田包含若干井区，其中位于研究区的2个井区已于2008年采用蒸汽辅助重力泄油(SAGD)技术投入商业开发。

图1 研究区位置图

在实际生产中，油井产量受到储层厚度、泥岩隔夹层分布等地下因素的显著影响。总结沉积微相演化规律和相模式，有助于明确优质储层砂体和泥岩隔夹层空间发育规律。本次研究以9口评价井的测井曲线和约680 m厚不同井目的层岩心资料为基础，依据高分辨率层序地层学原理，开展成因地层单元划分，并在层序地层格架内开展沉积微相研究[2-7]，建立了受潮汐影响的河口湾相模式。

Athabasca矿区油砂的形成，与其特有的构造运动、古沉积环境和油气充注样式密切相关。下白垩统McMurray组地层，与下伏泥盆系灰岩地层呈不整合接触关系，与上覆地层呈整合接触关系(见图 2)。该地层发育于泥盆系灰岩不整合面之上的下切谷内，为一套叠置厚砂体沉积[8-9]。在白垩纪，太平洋板块向东俯冲于北美板块之下，盆地西侧的落基山脉受到近东西向的挤压作用，致使McMurray组从未埋深而具有高孔高渗特征。同时，盆地深部生成的烃不断运移到东北部构造高部位的McMurray组储层，后经生物降解形成油砂。叠置厚砂体、埋深浅、高孔高渗和油气充注样式等一系列地质因素相耦合，形成了Athabasca矿区油砂矿藏[10]。下面将运用层序地层分析和相分析理论，解释这些砂体的地质成因、主要类型和控制因素，并划分出优势砂体类型。

图2 阿尔伯达盆地地层剖面(A-A′)示意图和三级层序划分方案

2 沉积微相类型

通过对研究区岩心和测井曲线的综合分析，识别岩性和沉积构造组合，共划分出8种岩相，分别为块状层理泥砾岩、块状砂岩、高角度交错层理砂岩、羽状交错层理砂岩、倾斜互层砂泥岩、潮汐层理砂泥岩、块状泥岩和古土壤，其详细特征和成因解释见图3和表 1。根据岩相之间的成因联系和组合样式，并结合测井曲线响应、粒度概率曲线和遗迹化石特征，划分出6种微相，分别为河道、受潮汐影响的河道、潮道、潮汐砂坝、河漫滩和混合坪。其中，河道、受潮汐影响的河道、潮道的典型测井响应和岩心照片如图4所示。

2.1 河道

河道底部泥砾岩与河道以下的古土壤或风化灰岩以冲刷面为界，呈突变接触。单河道自下而上是由泥砾岩和交错层理砂岩组成，砂岩颜色向上变浅，层理类型从块状变为高角度交错层理，再变为低角度交错层理，这些均为正韵律特征。河道顶部以冲刷面与上部地层突变接触，或向上渐变为河漫沉积。河道厚度一般为12～16 m，平均约13 m，最小值约6 m。GR曲线主要呈箱形。在局部地区，厚层泥砾岩的泥砾含量由下向上逐渐减少，造成河道的测井相近似漏斗形。

图3 各种岩相的岩心

图4 河道、受潮汐影响的河道和潮道的典型测井响应和岩心

2.2 受潮汐影响的河道

受潮汐影响的河道是河口湾最靠陆地一侧发育的微相[11]。水道底部为冲刷面，往下局部出现古土壤。自下而上主要由泥砾岩、高角度交错层理砂岩和羽状层理砂岩组成，向上粒度变细。GR曲线呈箱形。叠置水道厚度5～20 m，单水道厚度3～16 m。单水道的底部往往具有以下不明显的标志：泥砾层、泥岩层厚度和频率的变化，或生物扰动分异度和丰度的变化。

2.3 潮道

潮道主要由倾斜互层砂泥岩和羽状交错层理细砂岩组成，以前者最为典型。与河道和受潮汐影响的河道相比，潮道粒度偏细，遗迹化石分异度和丰度显著增大，具有更为常见的潮汐沉积构造。在纵向上，泥岩层的厚度和数量向上变大，泥质含量增加，生物扰动变得强烈。GR曲线呈低至中等幅度变化。叠置潮道厚度3～29 m，单潮道厚度3～16 m。

2.4 河漫滩

河漫滩突变或渐变地上覆于河道、受潮汐影响的河道和潮道，同时也被它们所冲刷，或被混合坪突变或渐变地覆盖。河漫滩一般是由非生物扰动泥岩组成，或以灰黄色薄层粉砂质泥岩和浅灰色泥岩细粒沉积为主(见图 5)，夹杂厚约5～20 cm的粉砂岩，有些地方与粉 — 细砂岩互层。GR曲线整体呈现低幅度变化。

图5 河漫滩的岩心

2.5 混合坪和潮汐砂坝

混合坪主要由水平状至波状粉砂岩和泥岩互层组成，常见生物扰动突变。潮坪之上是海相灰绿色含海绿石粉砂岩和深灰色页岩，潮坪之下是潮道或河漫滩。混合坪的GR曲线呈低幅度变化。

潮汐砂坝主要是由粉砂岩组成，因其孔隙度和含油饱和度偏低，其颜色浅而易于在岩心上识别。潮汐砂坝集中发育于McMurray组最上部，横向分布极为广泛，反粒序特征非常显著。GR曲线呈漏斗形，厚度多为2～5 m。

3 地层划分与对比

3.1 层序地层划分与界面识别

区域上，McMurray组及其上部的Cleawater组共同构成一个三级层序(相当于长期基准面旋回)。该三级层序的底界面为McMurray组底部，对应下白垩统和泥盆系之间的区域不整合面；顶界面为Clearwater组顶部，对应下白垩统内的一个整合面；最大洪泛面为Clearwater组底部，对应一套海相页岩。该三级层序分为低位域、海侵域和高位域等3个体系域，其中，低位域和海侵域由McMurray组构成[12-14]。

在三级层序内部，采用Cross高分辨层序地层学的基准面旋回分析方法[2]，进一步划分中期基准面旋回和短期基准面旋回。基准面旋回的界面识别是高分辨层序地层学研究的基础和关键，不同级次基准面旋回的界面具有相应的识别标志和成因特征。在研究区，共识别出2个中期基准面旋回的边界面(B1和B3)、2个中期基准面旋回的洪泛面(F1和F3)，以及3个短期基准面旋回的边界面(B1、B2和B3)、3个短期基准面旋回的洪泛面(F1、F2和F3)，其详细特征见表2和图 6。其中，B1为长期、中期和短期基准面旋回的边界面，也是下白垩统和泥盆系之间的不整合面，可在区域内追踪和对比；F1为中期和短期基准面旋回的洪泛面，代表一次短期基准面快速上升期间的潮汐冲蚀面，可在研究区内追踪和对比。

表2 短期基准面旋回界面的岩性和测井响应特征

3.2 层序地层格架

通过对岩心和测井资料的分析，在研究区下白垩统McMurray组和Clearwater组识别出1个长期基准面旋回、2个中期基准面旋回和3个短期基准面旋回，确定了层序地层划分方案，建立了高分辨层序地层格架。对短期基准面旋回自下而上依次命名为S1、S2和S3，对各半旋回自下而上依次命名为S1L、S1U、S2L、S2U和S3L。

4 沉积相演化

在区域上，McMurray组地层发育于泥盆系下切谷中。在早白垩世，受全球海平面上升影响，研究区处于坡度低缓的海岸平原并淹没于边缘海环境，受潮汐和河流作用的强烈影响。因此，McMurray组在三级层序低位和海侵期广泛发育河流 — 河口湾沉积体系。其中，低位域发育陆相河流沉积，对应S1L；海侵域发育河口湾沉积[12-14]，对应S1U、S2L、S2U和S3L。

S1L为发育于不整合面之上的河流相沉积。在短期基准面上升期间，不整合面之上的古低地有足够空间来容纳河道和河漫滩沉积。煤层很少见，表明沼泽不甚发育。

S1U广泛发育一套受潮汐影响的河道和河漫滩沉积。其中，中 — 细砂岩水道沉积代表受潮汐影响的高能河道沉积。在局部地区，S1L和S1U被河漫滩分开。在大多数地区，S1L被S1U受潮汐影响的河道突变地覆盖。该突变界面代表潮汐冲蚀面，可在整个研究区识别。在S1L向S1U转换时期，快速的短期基准面上升造成河流 — 河口湾体系坡度变缓和水道类型变化，从较粗粒浅河道演变为较细粒窄而深水道，即受潮汐影响的河道。

短期基准面旋回S1的水道普遍局限于不整合面之上的古河谷内，水道侧向迁移的空间相对有限。因此，同时期的河漫滩沉积往往被侧向迁移的水道所侵蚀，并以垮塌泥砾岩的形式保存于水道底部。最终，连片富砂水道得以沉积和保存，少量河漫滩沉积也得以保存于水道之间(见图 7、图 8a、图8b)。这是垂向加积与侧向加积之比值较小时的典型沉积组合样式[15-16]，表明水道频繁地进行侧向迁移。

S2L为短期基准面上升期间的潮道和混合坪沉积(见图 7、图 8c)。羽状交错层理细砂岩潮道沉积代表高能潮汐环境。从S1U到S2L，水道呈变厚趋势，以砂质倾斜互层砂泥岩为主的侧积点坝得以完整保存，同时期的水道间沉积向上也普遍保存较好。这表明，垂向加积与侧向加积之比值较大，水道侧向迁移的频率较低。

图6 McMurray组层序地层划分与单井相

S2U仍以潮道和混合坪沉积为主，点坝以泥质倾斜互层砂泥岩为主。短期基准面下降，潮汐能量减小，沉积物以细砂岩、粉砂岩和泥岩为主。垂向加积与侧向加积之比值大，水道侧向迁移频率依然较低。

S3L为短期基准面持续上升期间的开阔河口湾沉积，微相以混合坪和小规模潮道或潮沟为主(图 7、图 8d)，得以保存的点坝数量明显减少，这很可能与短期基准面上升速率的增加有关。上升速率的增加导致垂向加积与侧向加积之比值增大，阻碍了水道侧向迁移。尽管河漫滩和混合坪沉积在垂向上出现于整个McMurray组，但在S2U和S3L中发育最广泛。

继S3L之后，基准面继续上升，Clearwater组下部的页岩和灰绿色含海绿石粉砂岩代表高位域初期的滨面和滨外沉积。垂向加积与侧向加积之比值进一步增大，研究区不再发育水道。

5 受潮汐影响的河口湾相模式

McMurray组是发育于海岸平原上的一套河流 — 河口湾沉积。在早白垩世McMurray组沉积初期，基准面开始持续上升，河流从上游携带的大量陆源碎屑物质得以在古下切谷内沉积，逐渐充填了谷内低地，地势开始趋于平缓。在McMurray组沉积期间，河流携带来的大量陆源碎屑受到潮汐的强烈影响[17]。受长期基准面持续上升控制，潮汐作用逐渐加强，垂向加积与侧向加积之比值逐渐变大，最终体现在水道演变上。整体上，砂体类型在垂向和平面上均表现出这一趋势：从陆相河道演变为受潮汐影响的河道，再演变为潮道，最终为潮汐砂坝(见图9)。

图7 北西 — 南东(NW-SE)向地层对比与沉积相剖面图(B-B′)

图8 McMurray组沉积相平面图

图9 McMurray组受潮汐影响河口湾的相模式[14]

从指导生产的角度，按照形成的储层优劣程度，各类砂体由好至差依次是受潮汐影响的河道、陆相河道、潮道、潮汐砂坝。具体地说，受潮汐影响的河道和陆相河道沉积于高能环境中，导致沉积颗粒略粗、泥质含量相对较少、叠置砂体厚度大，从而形成物性良好的厚储层；潮道主要因砂岩粒度稍细和泥岩层数量多，导致隔夹层发育和物性变差；潮汐砂坝以粉砂岩为主，物性最差。

6 结 语

McMurray组发育一套河流 — 河口湾连续沉积，可识别出6种沉积微相类型，分别为河道、受潮汐影响的河道、潮道、潮汐砂坝、河漫滩和混合坪。运用基准面旋回分析方法，建立了McMurray组高分辨层序地层格架，划分出1个长期基准面旋回、2个中期基准面旋回和3个短期基准面旋回。受基准面升降控制，沉积相从河流相向河口湾相演变：S1L发育陆相河道和河漫滩，S1U发育规模较大的受潮汐影响的河道和河漫滩，S2L发育规模较大的潮道和混合坪，S2U发育规模较小的潮道或潮沟和混合坪，S3L广泛发育潮汐砂坝。在McMurray组地层发育期间，潮汐作用整体上逐渐加强，垂向加积与侧向加积之比值逐渐变大，决定了水道或砂体类型在垂向和平面上的演变规律：从河道演变为受潮汐影响的河道，再演变为潮道，最终为潮汐砂坝。在4类砂体中，能够形成最佳储层的砂体类型首先是受潮汐影响的河道砂体，其次为陆相河道砂体。它们沉积于高能环境中，沉积颗粒略粗，泥质含量相对较少，叠置砂体厚度较大，可以形成物性良好的厚储层。