加拿大Alberta盆地下白垩统油砂沉积特征分析及隔夹层识别*

李建平 熊连桥 黄 涛 刘子玉

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

加拿大Alberta盆地下白垩统油砂厚约100 m，分布广泛，可采储量达1 680百万桶[1-5]，其中Mannville组McMurray段为油砂发育层段。蒸汽辅助重力泄油技术(SAGD)广泛应用于油砂开采[2-3]，但延伸较广的隔夹层会导致更长的蒸汽传导周期，蒸汽有时难以穿越厚度较大的隔夹层，从而增加投资成本[6-7]。

Alberta盆地下白垩统McMurray段属于下切海相沉积的河道砂体[8]，并且受到潮汐影响。研究发现，高孔渗性河道砂体普遍发育隔夹层，有学者利用声波时差和密度测井曲线计算出波阻抗，结合GR曲线识别泥岩段特征，在地震中预测泥岩段的横向分布特征[9]；还有学者利用测井曲线反映的隔夹层厚度特征，结合数学方法定量预测隔夹层的横向展布[10]，但是这些方法均缺乏沉积相模式指导，预测准确性不高。前人将Alberta盆地下白垩统McMurray段自下而上划分为河流-河口湾、浅海相等沉积单元[11-12]，研究重点为中部含油的沉积单元，且以泥质含量的高低进行沉积相划分，但这种简单观察和以泥质含量的高低进行沉积相划分，不能准确地预测砂体储层及泥岩隔夹层的分布，从而难以很好地指导油田开发。

本文主要基于对研究区内5口取心井的岩心观察与描述，划分了沉积微相，建立了沉积模式，明确了每种沉积微相的测井曲线、孔隙度及含油性特征；然后以沉积微相为基础，描述了储层中隔夹层的类别及测井曲线响应特征，建立起多种岩相类型的测井响应模式。通过测井曲线上不同沉积相带及隔夹层类型的识别，可为研究区无取心井的测井曲线沉积微相分析奠定基础，节省大量取心费用，并且以此建立的沉积模式对于指导油田开发、提高储层与隔夹层预测精度具有重要意义。

1 地质背景

加拿大Alberta盆地为典型的前陆盆地，盆地充填可通过一个主要不整合面划分为2个阶段：第1阶段为盆地沉降期，开始于晚侏罗世早期；第2阶段为盆地隆升阶段，开始于早白垩世中期[13]。早白垩世，沉积了下白垩统McMurray段；同时，太平洋板块自西向东挤压，使Alberta盆地部分地层埋深较浅[14]。新生代，盆地东北部受基底隆升而抬升，白垩纪地层部分遭受剥蚀，古油藏遭受生物降解、水洗和氧化作用，从而形成了油砂(图1a、b)。研究区位于Alberta盆地最大的Athabasca油砂分布区(图1c)，主要油砂产层为下白垩统Mannville组McMurray段，与下伏泥盆系碳酸盐岩呈不整合接触(图1a)，为超大型下切谷沉积[12]；随着海平面的变化，发育多期下切河谷[1]，其中McMurray段下段以河流相为主，上段以点坝和海相沉积为主[15]；多期河谷叠置形成了McMurray段砂岩储层[11]。McMurray段地层埋深260～460 m，厚度100 m左右，为典型的潮汐影响的曲流河沉积[12]。

a.研究区地层柱状图(据文献[4])；b.Athabasca油砂区地层剖面特征(据文献[16])；c.加拿大油砂分布区及剖面位置(W1—W5井为区域取心井)图1 研究区地理位置及地层发育特征Fig.1 Location and the stratum characteristic of the study area

2 沉积特征

前人研究认为，除基底泥盆系灰岩外，加拿大Alberta盆地下白垩统McMurray段可划分出6种岩相：砂岩(泥质含量0～10%，为河口湾相)、砂质砾岩(泥质含量10%～30%，为点坝亚相)、角砾岩(为河床亚相)、泥质砾岩(泥质含量30%～80%，为点坝亚相)、泥塞(为废弃河道亚相)、泥岩(为泛滥平原)[1]。显然，这样的岩相分类对沉积相、沉积环境的认识仍然比较模糊。本文通过岩心精细描述，从岩石学特征及岩相组合特征方面对研究区沉积微相进行划分。

2.1 沉积环境分析

研究区McMurray段发育以泥砾为主的块状砾岩，可见砾石定向排列，为典型的河流滞留沉积[17]。泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩频繁互层，发育生物扰动、脉状、波状及透镜状层理构造，属于典型的潮坪沉积[17]；并且发育厚层块状泥岩、煤等岩性，表明存在沼泽环境。结合前人研究，认为McMurray段发育受潮汐影响的曲流河[12]，发育潮坪、沼泽、潟湖等沉积环境。

2.2 沉积相类型划分

通过岩心描述及系列测井曲线分析，研究区McMurray段可识别出潟湖、潮汐影响的曲流河、潮坪和正常海相等4种沉积相类型，进一步划分为8种沉积亚相、20余种沉积微相(表1)。

2.2.1潟湖相

潟湖相包括滩坝、沼泽、潟湖中心等亚相，每一种亚相都包括数种微相。研究区潟湖相各沉积微相的厚度范围、主要岩性、可能的沉积环境等如表1所示。

表1 加拿大Alberta盆地油砂岩心沉积微相沉积特征Table 1 Micro-facies characteristics of oil sand cores in Alberta basin,Canada

1)潟湖中心亚相。

以泥岩为主，包括纹层状、层理状、块状泥岩等沉积微相(图2a、b、c)。不同微相泥岩反映了水动力条件、堆积速度等因素的变化。纹层状泥岩一般分布于潟湖中心水体部位，泥质碎屑缓慢堆积而成(图2a)；块状泥岩代表泥质快速堆积(图2c)；层理状泥岩厚度(图2b)及堆积速度介于上述2种微相之间，水体不深，有时成为泥滩，或与生物滩(贝壳灰岩)伴生出现。

2)潟湖沼泽亚相。

包括煤、炭质泥岩、炭质页岩等微相(图2d、e、f)，为湖岸浅水处沉积。不同微相的形成环境略有差别，其中煤层形成于近岸沼泽高等植物生长地带(图2d)；炭质泥岩是典型的湖岸沼泽沉积，富含炭屑、沥青质碎屑(图2e)；炭质页岩的形成环境与炭质泥岩类似，只不过是形成水体更加平静，纹层状页岩由极细的炭屑构成(图2f)。

3)潟湖滩坝亚相。

潟湖中水下隆起带可能发育生物滩，由浅灰—灰白色贝壳灰岩组成，双壳类居多，多为原地保存，主要分布于潟湖内浅水台地(图2g)；泥滩主要分布于潟湖沿岸，由层理状泥岩夹大量层状分布的泥砾组成，泥砾呈长卵状，中等磨圆，分选差(图2h)。

障壁岛向陆一侧围成潟湖，曲流河携带粗粒物质进入潟湖，在潟湖沿岸由潮汐和湖浪形成砂质滩坝，薄而不显韵律的为滩(图2i)，厚而具反韵律的为坝(图2j)，分别称之为近岸砂滩和近岸砂坝，其中近岸砂滩由杂色砂砾岩组成，砾石成分复杂，分选磨圆差；近岸砂坝呈反粒序，主要分布于潟湖近岸浅水地带。远离岸线即与障壁岛相连的一侧形成离岸砂滩(图2k)或离岸砂坝(图2l)，其中离岸砂滩由细—粗砂岩、砂砾岩组成，分选磨圆好，不显粒序，分布于潟湖离岸浅滩接近障壁岛附近；离岸砂坝岩石类型与离岸砂滩类似，但呈反粒序。

2.2.2潮汐影响的曲流河相

在滨岸地带，潟湖沉积之上发育受潮汐影响的曲流河沉积，称为潮汐影响的曲流河相，可识别出河床亚相及河漫亚相(表1)。

1)河床亚相。

潮汐影响的曲流河以河床亚相为主，包括曲流砂坝、滞留沉积体、河道侧翼等微相(图2m、n、o)。河床底部有滞留沉积体，发育块状定向排列砾岩，主要为泥砾(图2m)；曲流砂坝由层理状(楔状、板状、交错层理)中细砂岩组成，分选磨圆好，曲流砂坝中多含泥砾(图2n)；局部见河道侧翼沉积，为河道砂岩中块状的泥砾杂乱排列，分选磨圆极差(图2o)。

滞留沉积体、河道侧翼及曲流砂坝中的泥砾来自于潟湖泥岩。滞留沉积体中的泥砾较小，磨圆好，呈定向或叠瓦状排列；河道侧翼中的泥砾大小混杂，分选磨圆均较差；曲流砂坝中的泥砾比较孤立，呈长条状，顺层分布。

潮汐影响的曲流河与河口湾最主要的区别在于前者河流作用强，以河床沉积为主，而后者以潮汐作用为主。这类潮汐影响的曲流河沉积二元结构不明显，以河床亚相为主。

2)河漫亚相。

潮汐影响的曲流河的河漫亚相很不发育，几乎被潮坪沉积取代；而潮坪沉积又被下一期曲流河改造，成为残余潮坪。根据潮坪受河流改造程度进一步划分为：强改造河漫微相(TS)，由层理状砂岩和泥砾残骸构成；中改造河漫微相(TM)，由层理状砂岩和残余泥岩构成；弱改造河漫微相(TW)，由层理状砂岩与薄层泥岩互层构成，为正常潮坪沉积，受曲流河影响较弱。

2.2.3潮坪相

潮汐影响的曲流河垂向上沉积逐渐过渡到潮坪沉积(表1)，潮坪沉积自上而下可划分为潮上坪、潮间坪和潮下带等亚相。研究区潮上坪不发育，潮下带与浅海相呈过渡关系，潮间坪最为发育。

1)潮间带亚相。

潮间带包括高潮坪、中潮坪、低潮坪等微相。高潮坪是高潮期间以悬浮载荷为主的沉积，一般为块状泥岩(图3a)；中潮坪为中潮期间潮坪沉积，以床砂及悬浮载荷共存的过渡搬运沉积为主，发育丰富的层理，以黏土层、束状层理为特征，此外还有交错层理、鱼骨刺层理、脉状层理、透镜状层理、波状层理等，生物扰动非常强烈(图3b—h)；低潮坪为低潮期间潮坪沉积，由块状或层理状砂岩组成，有时发育羽状交错层理，生物扰动不发育(图3i)。

2)潮下带亚相。

潮下带主要为粉砂、泥互层，可见砂纹交错层理和羽状层理，局部发育潮道微相沉积。潮道是潮流自开阔海进入潟湖、潮坪的主要通道，发育块状或交错层理砂岩(图3j)，砂岩多为黄灰色含气细砂岩，分选磨圆较好；潮道间微相则发育含泥砾的粉砂质泥岩(图3k)，部分潮道层理状砂岩(图3l)及潮道间砂泥岩互层(图3m)。

a.潮间带高潮坪泥岩,W2井,176.9～178.5 m；b.潮间带中潮坪砂泥岩互层,W2井,207.90～208.15 m；c.潮间带中潮坪交错层理砂岩,W2井,213.75～213.90 m；d.潮间带中潮坪鱼骨刺交错层理,W2井,180.35～180.45 m；e.潮间带中潮坪脉状交错层理,W2井,180.05～180.15 m；f.潮间带中潮坪透镜状交错层理,W2井,180.65～180.75 m；g.潮间带中潮坪波状交错层理,W2井,179.57～179.67 m；h.潮间带中潮坪生物扰动构造,W2井,190.74～190.84 m；i.潮间带低潮坪块状砂岩,W2井,216.95～217.10 m；j.潮下带块状砂岩,W2井,175.95～176.10 m；k.潮道间粉砂质泥岩,W2井,173.95～174.10 m；l.潮道层理状砂岩,W1井,184.0～184.5 m；m.潮道间砂泥岩互层,W1井,183.00～183.15 m；n.海相纹层状泥岩,W1井,179.50～180.00 m；o.海相层理状泥岩，接近潮道,W2井,174.0～174.1 m。图3 加拿大Alberta盆地油砂岩心潮坪相-正常海相各类微相照片Fig.3 Micro-facies characteristics of the tidal flat and shallow marine in the oil sand cores of Alberta basin,Canada

2.2.4海相

潮坪沉积之上发育海相泥岩，可见层理状和纹层状泥岩，含有少量粉砂质泥岩(图3n、o)，为开阔海域潮下低能水体沉积。

2.3 沉积充填序列与沉积模式

早白垩世至中白垩世，全球海平面振荡上升[18]。结合岩心沉积相分析，认为Athabasca地区经历了晚泥盆世至早白垩世漫长的沉积间断之后，在上泥盆统灰岩之上接受海侵，从海陆交互的潟湖、潮汐影响的曲流河、潮坪沉积一直到正常海相，遭受了一个持续海侵的过程(图4)。海侵初期，研究区发育障壁岛海岸环境，以潟湖沉积为主，平面上从湖中心到湖岸沉积发育泥岩、沼泽、沿岸滩坝等，纵向上随着湖平面的升降发育了纹层状、层理状、块状泥岩、生物滩、泥滩等微相(图5)。由于海平面振荡上升，障壁岛被淹没，潟湖被充填，在开阔、平坦的海岸上，潟湖泥岩之上曲流河纵横穿插，形成了蛛网密布的曲流砂坝。曲流砂坝之上发育潮坪沉积，但是潮坪沉积往往被曲流河改造。随着海侵规模的进一步增强，曲流河物源区被淹没，以潮坪沉积为主。潮坪沉积之后，海平面持续上升，研究区发育正常浅海沉积。

图4 加拿大Alberta盆地油砂沉积序列与发育模式Fig.4 Oil sand sedimentary sequence and its vertical deposition model of Alberta basin,Canada

图5 加拿大Alberta盆地油砂沉积相沉积环境模式图(据文献[17]修改)Fig.5 Sedimentary model of the study area in Alberta basin,Canada(modified after reference [17])

通过分析不同微相岩性组合特征可以发现，潟湖离岸滩、坝的细-粗砂岩分选磨圆好，为优质储层，含油饱和度高；而滩、坝砂体往往横向变化大、单层厚度薄[19]，砂体展布预测难度大，因此潟湖滩、坝油藏勘探风险高。潮汐影响的曲流河河床砂体、河漫潮坪强改造砂体虽然夹有泥砾，但以细砂岩为主，分选磨圆好，为优质储层，含油饱和度高；曲流河发育规模较大，仅位于潮坪之上的河道长度就可达数千米，且地震属性可清晰显示河道展布特征[20]，钻探目标选取及开发井网布置可直接参考曲流河形态。研究区潮汐影响的曲流河沉积特征分析表明，新钻探井及开发井网均应主要以潮汐影响的曲流河为优选目标。

3 隔夹层类型及测井响应特征

研究区储集层主要有潟湖相滩坝(图2i—l)、潮汐影响的曲流河曲流砂坝(图2m—o)、潮坪相中的低潮砂岩(图3i)。不同沉积相带中，泥岩影响储层非均质性[21-22]，往往能分隔油藏或改变储层物性[23]。岩性、物性变化显著的隔夹层在测井曲线上响应明显[24-25]。本文提出以沉积相分析为基础，探讨不同沉积微相中隔夹层的类别；结合测井曲线分析，识别不同类型隔夹层在测井曲线上的响应特征。

3.1 潟湖滩坝中的隔夹层

潟湖滩坝可作为优质储层，其顶底发育厚层潟湖纯泥岩。如W1井233.6～239.2 m岩心段(图6)，潟湖纯泥岩测井曲线表现为极高的GR值和很低的电阻率值；近岸坝顶底均为厚层潟湖纯泥岩，中部被厚约25 cm的潟湖泥岩分隔成上下2套坝体，2套坝体均为反韵律。其中，下部坝体厚约3.2 m，主体为杂砾岩，分选磨圆差，塑性颗粒含量高，储层物性差，部分孔隙度小于10%，含油性差，为波浪改造弱的近岸坝；上部坝体厚约2.4 m，为波浪淘洗改造后的离岸坝，除底部为极薄的杂砾岩层外，岩性为偶含砾的中粗砂岩，分选磨圆度高，储层质量好，孔隙度普遍在35%以上，且分布均匀，饱含油(图2k、l)。潟湖泥岩发育稳定，可作为高品质盖层，即使厚度只有25 cm，也能很好地分隔油藏，成为优质隔层。

3.2 潮汐影响的曲流河中的隔夹层

潮汐影响的曲流河-潮坪沉积与海相泥岩构成的油水系统不同于下伏潟湖相油水系统，潮汐影响的曲流河储层主要为曲流砂坝，测井响应为极低的GR值和极高的电阻率值，孔隙度大于35%，且分布均匀，饱含油(图6)。

曲流河是在潟湖沉积上发展起来的，早期曲流砂坝底部为滞留沉积体，河道侧翼以泥砾为主，因此河床亚相中包括滞留沉积体和河道侧翼两类隔夹层。如W1井209.85～210.20 m层段，为滞留沉积体，测井曲线表现为GR值略高，电阻率值降低，物性及含油性较差(图6)；而W2井219.0～220.5 m岩心段，为河道侧翼沉积，测井曲线表现为GR值较高、呈箱型，电阻率值低，物性及含油性差(图6)。

后期曲流砂坝受潮汐影响，河流作用先强后弱。随着曲流河力量的弱化，潮汐对河漫亚相的改造越来越强。因此，河漫亚相中可识别出3种隔夹层：强改造河漫(图6，TS段)、中改造河漫(图6，TM段)、弱改造河漫(图6，TW段)。这3种隔夹层在测井曲线上的响应特征为：①TW段，为砂泥岩互层，箱型高GR值，较低电阻率，低孔隙度，极低含油饱和度；②TM段，以砂岩为主，弓形高GR值，凹形低电阻率，低孔隙度，极低含油饱和度；③TS段，为砂岩，厚度一般小于0.1 m，受分辨率的限制，测井曲线上难以识别。

3.3 潮坪中的隔夹层

潮间坪沉积多以砂泥岩互层为主[17]，研究区发育典型的潮坪相砂泥岩互层沉积，并且可划分出高潮坪、中潮坪和低潮坪等微相，其中高潮坪泥岩不含油，中潮坪层理状砂岩微含油，低潮坪块状砂岩及潮下带砂岩饱含油(图7)。

潮间坪以中潮坪沉积为主(图6)，根据泥岩含量可分为高泥岩含量的A段(196.3～198.6 m)和低泥岩含量的B段(204.6～208.6 m)。泥岩夹层的测井响应表现为GR值升高呈弓形，电阻率值略有降低，孔隙度值较高(与低潮砂岩段相当)，但含油性较差。

注：TW段212.00～213.50 m；TM段218.75～219.45 m；TS段224.90～225.60 m；箭头指向岩心上部；W1井。图6 加拿大Alberta盆地油砂不同类型隔夹层在测井曲线上的响应特征Fig.6 Well log response of different types of barrier and intercalate beds in the oil sand of Alberta basin,Canada

图7 加拿大Alberta盆地油砂潮间坪沉积的含油性(W4井，191.0～191.7 m)Fig.7 Oil saturation of the inter-tidal flat in the oil sand of Alberta basin,Canada(Well W4，191.0～191.7 m)

综合分析认为，研究区除潟湖泥岩可作为油藏有效隔层外，根据岩相组合特征可在潮汐影响的曲流河-潮坪-海相油气藏中识别出3类8种隔夹层：①强隔层，包括弱改造潮坪、河道侧翼、高潮泥岩；②弱隔层，包括中改造潮坪、中潮层理状砂岩；③夹层，包括强改造潮坪、曲流砂坝中的泥砾、滞留沉积体(图8)。强隔层(潟湖泥岩除外)厚度在1 m以上，测井响应非常明显；弱隔层厚度0.1～1.0 m，有明显的测井响应；夹层厚度一般小于0.1 m，受仪器分辨率影响，在测井曲线上难以识别。

图8 加拿大Alberta盆地油砂不同沉积微相中隔夹层测井响应识别图版Fig.8 Well log response identification chart of different types of barrier and intercalate beds in micro-facies of Alberta basin,Canada

4 油气地质意义

加拿大Alberta盆地下白垩统McMurray段油气主要聚集在潟湖沉积和上覆潮汐影响的曲流河-潮坪-海相沉积体系中。潟湖泥岩品质好、分布广，与滩坝相形成很好的储盖组合，自成油藏体系。潮汐影响的曲流河中的曲流砂坝、潮坪沉积体中的低潮砂岩、潮下带砂岩储层质量很好，但内部缺少高品质盖层，可与上覆海相泥岩构成储盖组合，形成另一个油气水系统。

隔夹层在储层中形成的渗流屏障可造成储层非均质性较强，从而控制剩余油分布[23,26]，储层中隔夹层发育区可使生产井含水上升速度降低，而隔夹层不发育的良好砂体储层则容易形成串水通道，导致邻近隔夹层发育区富含剩余油[27]。隔夹层识别刻画不到位，会严重影响SAGD的开发效果[6-8]。

受隔夹层发育密度、厚度影响，不同地区储层的测井曲线响应存在一定差异[24-25]；通过不同类型隔夹层识别标准的建立，可实现井间测井资料的可比性[26]。本文研究中，依靠现有取心资料深入地挖掘和使用测井资料，建立已有取心井隔夹层与测井曲线的关系，充分发挥其在隔夹层预测中的作用，从而有望大幅度减少取心井数，节约勘探开发成本。

5 结论

1)研究区油砂岩中识别出4种沉积相、8种沉积亚相、20余种沉积微相，油砂层段为持续海侵过程中形成的潟湖-潮汐影响的曲流河-潮坪-浅海沉积体系。

2)不同相带油砂岩中识别出3类8种隔夹层：①强隔层，主要为河道侧翼、弱改造河漫和高潮泥岩，厚度大于1 m，测井相应表现为GR值高而呈箱型，电阻率低，物性和含油性差；②弱隔层，主要分布于潮汐影响的曲流河发育的中改造河漫、潮间坪中潮层理状砂岩中，厚度0.1～1.0 m，以弓形高GR值为特征，物性和含油性较差；③夹层，为曲流砂坝、强改造河漫和滞留沉积体中的薄层泥砾，厚度一般小于0.1 m，GR值略微起伏，物性和含油性好。

3)通过测井曲线上不同沉积相带及隔夹层类型的识别，可为无取心井的测井曲线沉积微相分析奠定基础，并且据此建立的沉积模式对于指导油田开发、提高储层与隔夹层预测精度具有重要意义。

致谢：在论文撰写过程中，得到了中海油研究总院有限责任公司勘探研究院沉积室同事尤其是郭刚、白海强、邹梦君的大力支持，同时得到了勘探研究院测井总师秦瑞宝的鼓励和帮助，在此表示衷心感谢！