莱州湾凹陷垦利油区沙三上亚段辫状河三角洲沉积特征表征

张建民，秦 祎，郭 诚，崔龙涛，李 卓，金 磊，王晓雪

1. 中海石油（中国）有限公司 天津分公司渤海石油研究院，天津 300452；2. 中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249

油气勘探开发过程中，井—震结合的沉积学和地震沉积学方法已广泛应用于研究沉积充填过程、沉积体系演化及沉积砂体预测（朱筱敏等，2020）。随着地震数据体采集与处理技术的不断发展与完善，地震资料品质和地震分辨率的提高使得地震资料的利用率越来越高，人们对地质体的解释精度和高分辨率地下地质体的研究需求也越来越高，因此，在地震资料品质较好的少井区，地震沉积学方法显得尤为重要（Zeng et al.，1998a，b；Zeng，2017），但地震资料的使用仍旧离不开钻井信息的标定，所以需要综合岩心、测井和录井资料，以达到地质研究的目的（何伟等，2019）。

渤海油田40多年的勘探开发历程显示，古近系作为主要目的层系获得了丰富的油气发现，且其勘探开发潜力仍在不断取得新的突破（岳红林等，2019）。渤海湾地区古近系的中深层层系正在逐步成为中国海洋石油勘探的重点目标层系，其陆上相邻的济阳坳陷勘探区已发现大量油气资源，莱州湾凹陷是渤海油田增储上产的主要组成部分之一。莱州湾凹陷油气勘探工作开展的比较早，其中垦利油区自20世纪70年代起先后进行了多次二维地震资料和三维地震资料的采集和处理工作，陆续在垦利油区及周围钻探了多口探井，但没有获得重大商业性发现，直到2008年钻探的1井获得了高产工业油流，从而正式发现了该油田。1井的成功钻探是莱州湾海域油气勘探的重大突破，后续又在该区进行了三维地震资料采集、处理和解释，并钻探了另外7口探井，且均钻遇较厚的油层。但由于中深层（古近系）沉积类型多样、储层埋深大、横向变化快等特点，勘探开发难度较大。因此研究其沉积类型、沉积体系展布及沉积演化规律对明确莱州湾地区中深层油气分布具有重要的意义。目前沙三上亚段是渤海海域中深层油气勘探开发的重点主力含油层系。因此，本文利用沉积学及地震沉积学方法，综合岩心、钻测井及地震资料，完成对垦利10-1油田区沙三上亚段的辫状河三角洲沉积体系精细刻画，总结其沉积演化规律，为进一步油气勘探开发及有利储层预测提供地质依据。

1 区域地质概况

莱州湾凹陷位于渤海湾盆地南部，是一个于中生界基底之上发育的、受郯庐断裂带夹持形成的箕状凹陷，总体上具北断南超的构造格局（图1a）。凹陷西邻垦东凸起，东部为鲁东隆起，南邻潍北低凸起，北部紧靠莱北低凸起，构造上西侧受郯庐断裂带西支控制，东侧受郯庐断裂带东支控制，凹陷内部可划分为7个次级构造单元：北部陡坡带、北洼、中央构造带、南洼、南部缓坡带、西部走滑带和东部走滑带（杨波等，2016；王孝辕等，2018；周连德等，2019；秦祎等，2020）。莱州湾凹陷的断裂体系从规模上可以划分为3级：沿郯庐断裂发育的一级断裂体系，郯庐断裂带伴生的呈东西向展布的二级断裂以及三级盆内广泛分布的次级断裂（邓煜，2012）。研究区垦利10-1油田紧靠莱北低凸起，区域构造处于莱北一号断层下降盘，南侧紧邻莱州湾凹陷北部洼陷带，整体构造形态为被断层复杂化的半背斜构造（图1b）。

新生代莱州湾凹陷构造演化具有多幕裂陷、多旋回叠加、多成因机制复合的特征，经历了古近纪裂陷沉降阶段和新近纪—第四纪的裂后热沉降阶段，基本完成了一个完整的裂陷作用旋回，古近纪裂陷作用具有幕式特征。古近系沙三段构造演化处于裂陷Ⅱ幕，该时期湖盆范围总体上较大，表现为稳定伸展型盆地，凹陷表现呈半地堑的结构特征，沉降中心相对比较稳定（彭文绪等，2009）。莱州湾凹陷古近系地层发育较全，自下而上主要发育孔店组、沙河街组和东营组，其中沙河街组自下而上可以划分为沙四段、沙三段、沙二段和沙一段（图2）。沙三段可进一步划分为沙三下亚段、沙三中亚段和沙三上亚段。由于北部边界断层莱北一号大断裂持续活动，研究区持续沉降，因此沉积较厚的沙三段（400～800 m）。沙三上亚段岩性为泥岩与粉砂岩、细砂岩及中砂岩不等厚互层，中亚段上部岩性组合特征与上亚段相似，中亚段下部和下亚段沉积巨厚的泥岩层，厚层泥岩中夹杂泥质粉砂岩和粉砂岩，含油层系主要发育在沙三上亚段和沙三中亚段上部（岳红林等，2019），本次研究的目的层段为沙三上亚段。

图2 渤海海域古近系地层充填及构造演化（据Liu et al.，2019修改）Fig. 2 Paleogene stratigraphy and tectonic evolution of, offshore Bohai Bay Basin

2 古地理格局

盆地内局部凸起及斜坡带的位置决定物源体系与沉积区的配置关系，古沟谷作为碎屑沉积物的主要搬运通道，其在古地貌上的精细解释和刻画，可以为分析物源区与沉积区空间分布关系提供宏观方向（邓宏文等，2001）。莱州湾凹陷构造面貌整体上呈南缓北陡的地貌特征。沙三段沉积期，莱州湾凹陷北洼发育两个沉降中心（辛云路等，2013），且西部沉降中心的沉积厚度明显大于东北部斜坡带。本次研究恢复了沙三上亚段沉积期古地貌，发现东北部斜坡带可进一步识别出两个次级的沉降中心。按照沉降中心发育特征，将研究区划分为3个沉积区：紧靠莱北一号大断裂西部发育的西块沉积区；莱北一号大断裂东北部斜坡带自西向东划分为中块沉积区和东块沉积区（图3）。

图3 莱州湾凹陷垦利油区沙三上亚段沉积古地貌Fig. 3 Paleo-geomorphology of the E2s3U in KL Oilfield, Laizhouwan Sag

沙三段沉积期，研究区西部继承性发育宽缓的斜坡和大型沟谷，垦东凸起持续性供源（彭文绪等，2009；辛云路等，2013；秦祎等，2020）。沙三上亚段沉积时期，莱北低凸起缓慢抬升，于湖平面之上遭受剥蚀，作为区域点物源向周围沉积区供源（岳红林等，2019）。研究区西部明显发育古沟谷形成的沉积物通道A，莱北低凸起出露于水面之上，其古沟谷发育，可识别出向西块沉积区供源的沉积物通道B和C，向中块沉积区供源的沉积物通道D，和向东块沉积区供源的沉积物通道E和F，构造古地貌格局对沉积体系的展布具有明显控制作用。

3 辫状河三角洲沉积特征

岩心资料是沉积解释的第一手直接资料，其包含丰富的地质信息，如岩性、粒度、沉积构造、沉积韵律及沉积环境等。通过岩心观察，综合古地貌及构造演化分析，可以初步确定沉积相类型及沉积环境。另外，依据地震反射的振幅、频率和连续性可以识别出不同的地震相类型，地震相的精细刻画有利于明确沉积体系的展布特征。莱州湾凹陷垦利油区的辫状河三角洲表现为近源堆积、沉积物粒度在不同沉积相带区别显著、牵引流性质的沉积构造十分发育、且在不同沉积区三角洲供源性质有所差异等特征。

3.1 砂岩粒度及沉积构造

研究区5井岩心粒度分析表明，沙三上亚段辫状河三角洲平原亚相中，分流河道砂体以中砂岩为主，粒度中值约0.34 mm，可见细砂岩和粗砂岩。分选系数约1.5，反映分选性中等较好。粒度概率累积曲线呈显著两段式，其中跳跃次总体含量近80%，为主要的搬运方式，且跳跃次总体斜率较高（58°），反映分选性较好。悬浮次总体与跳跃次总体的细切点φ值较高（约2.1φ），反映较强水动力环境下，较粗粒的河道沉积（图4a）。8井岩心粒度分析显示，研究区辫状河三角洲前缘亚相中，水下分支河道砂体粒度中值为0.11 mm，以细砂岩和粉砂岩为主，中砂岩含量极少。分选系数约1.6，分选性中等较好。粒度概率累计曲线呈跳跃次和悬浮次两个粒度次构成的两段式，其中以跳跃次组分为主，且斜率较高（56°），悬浮次总体发育局限，仅约20%，反映以跳跃次总体为主的搬运方式（图4b）。

图4 莱州湾凹陷垦利油田沙三上亚段砂岩粒度分析Fig. 4 Grain size analysis of the E2s3U in KL Oilfield, Laizhouwan Sag

研究区辫状河三角洲平原亚相主要发育分支河道微相和分支河道间微相，岩心观察可见分支河道砂体粒度较粗，以细—中砂岩为主。沉积构造以典型楔状交错层理和平行层理为主，可见5井2491.2 m处细—中砂岩中发育中型楔状交错层理（图5a），3井2653.3 m处细砂岩中发育平行层理（图5d），反映较强牵引流性质的水动力环境。三角洲前缘亚相中主要发育水下分支河道、水下分支河道间、河口坝和席状砂微相。5井和3井岩心观察表明，研究区水下分支河道微相以细—粉砂岩为主，可见压扁层理、波状层理、生物扰动构造及生物钻孔（图5b，c，e，f），反映三角洲前缘较动荡的水体环境。

3.2 测井响应及沉积韵律

辫状河三角洲平原亚相中，分支河道砂体与分支河道间的粉砂质泥岩或泥岩一般呈突变接触或冲刷接触，其测井响应特征区别显著。分支河道砂体的GR和SP测井曲线多表现为中—高振幅的箱形或齿化箱形（3井2580 m处，6井2445 m处），砂体厚度较大（5～8 m），垂向上呈正韵律。分支河道之间发育泛滥平原泥岩和粉砂质泥岩，测井曲线响应为靠近基线的低幅值，其沉积厚度在不同位置差异较大（4～13 m），与河道砂体叠置，在垂向上组成多期正韵律（图6）。

辫状河三角洲前缘水下分支河道为三角洲平原分支河道向湖盆的进一步延伸，一般具有粒度变细，分选和磨圆变好的特征。研究区水下分流河道砂体以细砂岩及粉砂岩为主，单期河道砂体厚度较小（2～4 m），测井曲线呈中幅值、正韵律的齿化箱形或钟形（8井2546 m、2554 m、2562 m处，1井2472 m处）。水下分支河道之间发育河道间泥质沉积，沉积厚度约3～9 m，测井曲线呈低幅值，且靠近基线（8井2558 m处，2井2428 m处，及1井2480 m处）。研究区可见反韵律的河口坝沉积微相，岩性主要以粉砂岩和泥质砂岩为主，单期沉积厚度约3～5 m，测井曲线呈中幅值的漏斗状（2井2422 m、2432 m处）。辫状河三角洲水下分支河道迁移性较强，因此河口坝不易完整保存，在研究区分布较为局限。席状砂是呈片状或席状分布于河口坝前方及侧翼的、岩性较细的薄层砂体，研究区可见席状砂主要为泥质粉砂岩或粉砂岩，单期砂体厚度薄（0.5～1.2 m），其GR和SP曲线呈低幅值锯齿状或指状，韵律组合特征较复杂，可见正韵律、反韵律或复合韵律（a4井3252 m、3262 m、3274 m处；图6）。

图6 莱州湾凹陷垦利油区沙三上亚段辫状河三角洲沉积微相识别及其测井响应Fig. 6 Sedimentary microfacies and well-logging data of the braided river delta in the E2s3U in KL Oilfield, Laizhouwan Sag

通过岩心粒度分析、沉积构造观察、测井曲线形态及沉积韵律解释，明确研究区辫状河三角洲平原沉积以分支河道和分支河道间的泛滥平原泥岩为主，辫状河三角洲前缘以水下分支河道、水下分支河道间、河口坝及席状砂微相为主。通过对5井单井沉积微相的精细刻画，发现在沙三上亚段沉积期，辫状河三角洲平原和前缘垂向叠置，表明湖平面升降导致沉积体系间歇性被淹没和暴露，总体而言，5井区以三角洲平原沉积为主（图7）。

图7 莱州湾凹陷垦利油区5井沙三上亚段沉积解释Fig. 7 Interpreted sedimentary facies of well 5 of the E2s3U in KL Oilfield, Laizhouwan Sag

3.3 地震相精细刻画及多物源示踪

地震相的概念来源于沉积相，为沉积相在地震剖面上表现的综合，是特定沉积相或地质体的地震物理响应。由于沉积环境不同，不同沉积体的地震反射特征也会显著差异，沉积体在垂向上的岩性组合和平面相带展布决定了其地震反射特征（郝志伟等，2011；孔令辉等，2019；赵约翰，2019）。对研究区大量二维地震剖面拾取观察发现，研究区主要发育斜交前积地震相、丘状地震相和席状地震相。

顺物源方向（NW-SW）的地震剖面A-A’中可见来自不同方向的两组中频、弱振幅、中等连续性的斜交前积地震相，其主要特点是前积层分别以顶超和下超的方式终止于地层单元的顶、底界面之上，由于垂向加积受限而缺失顶积层（图8）。自NW向SE方向推进的斜交前积与自SE向NW方向推进的斜交前积于研究区中部交汇。来自NW方向（莱北低凸起）的前积反射自莱北低凸起向湖盆中央推进，沙三上亚段早期推进距离远，三角洲整体呈后退趋势，到沙三上亚段末期时，向湖盆中央的推进距离缩减。反之，来自SE方向（潍北低凸起）的三角洲呈逐渐向湖盆中央推进的趋势，沉积早期，研究区内可见三角洲推进距离短，随后持续向湖盆中央推进。该现象表明来自两个物源方向的三角洲大面积向湖盆中央推进，且此消彼长。

图8 莱州湾凹陷垦利油区沙三上亚段斜交前积反射地震相（剖面位置见图1）Fig. 8 Oblique progradation shown in the seismic reflection of the E2s3U in KenLi Oilfield, Laizhouwan Sag

垂直物源方向的地震剖面B-B’可见中频、中等振幅、连续性较好的丘状地震反射，其外部形态呈丘状，表现为中间厚，两侧变薄的透镜状，且见双向上超结构。剖面B-B’中发育两期叠置的丘状地震相，下伏对称状丘状地震反射解释为辫状河三角洲朵叶体的横切面，而上覆不对称的丘状地震反射指示辫状河三角洲朵叶的斜切面，表明研究区辫状河三角洲存在多期垂向叠置关系，且三角洲朵叶体横向摆动明显（图9）。

图9 莱州湾凹陷垦利油区沙三上亚段丘状反射地震相（剖面位置见图1）Fig. 9 Mounded-shape seismic facies of the E2s3U in KenLi Oilfield, Laizhouwan Sag

4 辫状河三角洲沉积体系展布

沉积体系研究是指导有利目标区进行有效勘探开发的重要依据，其平面分布体现了沉积环境演化过程的变化特征，刻画沉积体系平面展布和揭示沉积演化规律，对指导油气勘探具有重要的意义（杨海欧，2018）。综合古地貌分析、钻井、岩心及地震相研究结果，明确了研究区沙三上亚段辫状河三角洲的沉积特征，但钻井标定对沉积相带展布的刻画具有局限性，在以上研究基础上再结合地震沉积学研究，整体完成研究区辫状河三角洲沉积体系展布的刻画。

地震沉积学在识别沉积体的展布形态上有独特优势，通过制作地震属性的切片，可以充分利用地震资料的横向分辨率，清楚地刻画沉积体的展布形态和演化过程（刘彩燕等，2017），而地震沉积学研究开展的关键在于三维地震数据的解释和地层切片的制作，目前常用的反映沉积体系地震属性的切片技术主要包括时间切片、沿层切片和地层切片（朱筱敏等，2019）。

本次研究在完成全区关键地震层位解释的基础上，制作沙三上亚段内部沿层切片，并挑选典型的振幅属性切片完成沉积解释。为精细刻画沙三上亚段辫状河三角洲沉积展布及沉积演化规律，本次选取位于沙三上亚段上部典型振幅属性切片Ss56和沙三上亚段下部典型振幅属性切片Ss54完成本文研究（图10a，b）。

地层切片Ss54显示，沙三上亚段沉积早期，东块沉积区显示强振幅属性，自莱北一号大断层向南，振幅强度呈减弱趋势。同时东块沉积区南部发育坨状强振幅属性体，其振幅属性向北呈减弱趋势，并与依附莱北一号大断层的强振幅属性体相交汇，表明东块沉积区在来自南部和北部双物源体系供给下，发育两套辫状河三角洲沉积体系，并在凹陷内交汇（图10b）。其中莱北低凸起遭受剥蚀产生的碎屑沉积物自物源通道D和E输送到沉积东块，发育两支辫状河三角洲朵叶体，推进距离约6.9 km。此时潍北低凸起供源形成的三角洲前缘沉积体在研究区内展布仅约3.8 km（图10b’）。沙三上亚段晚期的地层切片Ss56显示，东块沉积区继承性发育中等—强振幅的振幅属性体，明显变化的是南部的振幅属性体展布面积增大，北部的振幅属性体展布面积缩减（图10a），表明潍北低凸起供源的辫状河三角洲持续向湖盆中央推进（约5.2 km），莱北低凸起供源的辫状河三角洲有所后退（推进约4.8 km），其中物源通道E所供给的三角洲不再发育（图10a’）。

图10 莱州湾凹陷沙三上亚段典型振幅属性切片及沉积解释Fig. 10 Typical amplitude attribute stratal slices and the corresponding sedimentary facies interpretation of the E2s3U in KL Oilfield, Laizhouwan Sag

地层切片Ss56及Ss54均显示沉积中块发育坨状的中—强振幅属性体，解释为来自莱北低凸起的碎屑沉积物通过物源通道C向沉积区供源（图10a，b）。沙三上亚段沉积早期辫状河三角洲向湖盆中央推进较远（约8.1 km），在辫状河三角洲前方局部发育滩坝沉积（图10b’）。到沙三上亚段晚期，沉积中块的辫状河三角洲明显萎缩，向湖盆推进距离仅约6.3 km（图10a’）。研究区沉积西块发育分别来自垦东凸起供源的辫状河三角洲和来自莱北低凸起供源的辫状河三角洲，在沙三上亚段沉积早期，垦东凸起供源的辫状河三角洲前缘沉积展布面积较大，研究区内可见三角洲前缘自西向东推进约9.1 km，此时莱北低凸起供源的三角洲发育面积较小，向沉积中心推进仅约4.0 km（图10b’）。沙三上亚段晚期阶段，来自垦东凸起的辫状河三角洲发生萎缩，在研究区内可见辫状河三角洲前缘仅约3.7 km，此时莱北低凸起供源的辫状河三角洲较发育，向湖盆中央推进约4.9 km（图10a’），反映来自垦东凸起供源的辫状河三角洲和来自莱北低凸起供源的辫状河三角洲同时发育，且垦东凸起在沙三上亚段沉积期供源能力不断减弱。

5 沉积演化

基于沉积学和地震沉积学研究，综合研究区沙三上亚段沉积期古地貌特征，明确了沙三上亚段沉积展布特征及沉积演化规律。沙三上亚段沉积期，辫状河三角洲体系十分发育，主要物源体系分为3部分，来自垦东凸起的西部物源，来自莱北低凸起的北部物源及来自南部潍北低凸起的潜在物源区。

垦东凸起的碎屑沉积物通过西部继承性发育的宽缓斜坡及古沟谷搬运至研究区沉积西块，形成西部小型辫状河三角洲前缘沉积体系。通过三角洲展布体系研究发现，沙三上亚段沉积期，垦东凸起的供源能力逐渐减弱，到沉积末期，仅发育约17 km2的辫状河三角洲前缘沉积体。莱北低凸起供源的辫状河三角洲沉积体由早期约25 km2增加到34 km2，其增长主要表现在西部辫状河三角洲萎缩的同时，北部三角洲的向前推进及横向展开。沉积中块及沉积东块三角洲大面积展布，为研究区辫状河三角洲发育的主体区域，沉积中块为单物源（莱北低凸起）供给，沉积东块为双向物源（莱北低凸起和潍北低凸起）供给。沉积主体区莱北低凸起供源的三角洲展布面积由130 km2缩减到95 km2，以及沉积物通道E的消失，说明莱北低凸起在沙三上亚段沉积期，其供源能力逐渐减弱。来自南部的辫状河三角洲前缘沉积体面积由32 km2增加到75 km2，与来自北部的三角洲朵叶体在凹陷中央交汇。整体而言，研究区沙三上亚段沉积期发育大面积展布的辫状河三角洲沉积体系，主要供源体系为莱北低凸起，次要供源体系为潍北低凸起及垦东凸起，且莱北低凸起的供源强度有逐渐减弱的趋势。

6 结论

（1）莱州湾凹陷沙三上亚段沉积期，依据其古地貌格局可以将研究区划分为沉积西块、沉积中块和沉积东块。研究区西部物源区为垦东凸起，主要为沉积西块提供碎屑沉积物。北部物源区莱北低凸起作为研究区的主要供源体系，在沙三上亚段沉积期持续为研究区提供大量碎屑沉积物，通过物源通道B～E输送到沉积区，形成北部大面积展布的辫状河三角洲沉积体系。南部潜在物源区（潍北低凸起）向沉积东块提供碎屑沉积物，发育辫状河三角洲前缘沉积体。

（2）莱州湾凹陷沙三上亚段辫状河三角洲平原亚相主要发育分支河道和分支河道间微相，分支河道砂体以细—中砂岩为主，发育典型楔状交错层理和平行层理，反映较强的水动力环境。三角洲前缘亚相中发育水下分支河道、水下分支河道间、河口坝及席状砂等微相，砂体以细—粉砂岩为主，见压扁层理、波状层理、生物扰动构造及生物钻孔等，反映三角洲前缘较动荡的水体环境。概率累积曲线以跳跃次总体和悬浮次总体构成的两段式为主，其中跳跃次总体含量近80%，且斜率较高，反映以跳跃次总体为主的搬运方式和中等—好的分选性。

（3）综合古地貌分析、沉积特征、地震相及振幅属性切片研究，明确了莱州湾凹陷沙三上亚段辫状河三角洲沉积演化规律。总体而言，辫状河三角洲大面积分布，其中西块沉积区中来自垦东凸起供源的三角洲逐渐萎缩，来自莱北低凸起供源的三角洲逐渐向前推进。中块沉积区三角洲为莱北低凸起供源，东块沉积区三角洲来自南部和北部双向物源供给。在沉积演化过程中，莱北低凸起对沉积中块和东块的供源能力逐渐减弱，三角洲朵叶体后退，同时来自南部的辫状河三角洲前缘沉积体向湖盆中央推进。