辽中凹陷旅大16油田东三段层序地层及沉积充填

黄 凯，秦 祎，刘宗宾，朱建敏，刘喜林，申婷婷

1. 中海石油（中国）有限公司 蓬勃作业公司，天津 300459；

2. 中国石油大学（北京） 地球科学学院，北京 102249

3. 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；

陆相断陷湖盆作为中国油气储量的主要来源，具有构造复杂、距离物源区近、沉积相时空变化快和砂体充填模式多样化等特点（冯有良等，2000；顾家裕等，2005；王华等，2010），沉积体系展布及沉积演化显著受古地貌的控制。沉积体系类型和时空分布控制了油气资源富集分布，特别是对于勘探程度较低的地区，阐明古地貌特征、厘清层序地层格架、沉积特征和沉积演化规律，是预测有利砂体、发现油气资源、高效开展油气勘探开发的关键（徐长贵等，2005；林畅松等，2015）。

辽中凹陷旅大16油田位于渤海湾盆地辽中凹陷向辽西低凸起过渡的斜坡带上，研究区仅6口井钻穿东三段，钻井结果显示储层十分发育。前人针对辽中凹陷古近系层序地层划分和沉积展布已有研究（董伟，2011；朱筱敏等，2008），但对旅大16油田沉积展布研究非常有限，作为目前渤海海域辽东湾地区勘探开发的主要目的层系，其沉积展布特征及沉积演化规律尚不明确。研究区三维地震资料全覆盖，地震资料品质较好，信噪比高，地震同相轴连续性好，各层系波组特征清晰，层间反射信息丰富。因此，本文基于研究区三维地震资料和有限的钻测井信息，以层序地层学和沉积学理论为指导，结合地震沉积学方法，综合区域沉积背景及构造演化特征，开展旅大16油田东三段层序地层学研究和沉积学研究，建立等时地层格架，明确沉积相类型，精细刻画沉积展布特征，明确沉积演化规律，为进一步油气勘探开发提供地质依据。

1 区域地质概况

辽东湾地区位于渤海海域东北部，为渤海湾盆地的一个次级构造单元，是在中生界基底之上发育的新生代坳陷。其东西分别与胶辽隆起和燕山隆起相临，呈北东向线性展布，内部可以划分为“三凹夹两凸”的5个次级构造单元，自西向东分别为：辽西凹陷、辽西低凸起、辽中凹陷、辽东凸起和辽东凸起（加东辉等，2007；朱筱敏等，2008；李强等，2018）。其中辽中凹陷位于辽东湾坳陷的中部，面积最广，古近系沉积厚度最大，埋藏也最深（董伟，2011）。辽中凹陷由于受到复杂构造的影响，又可分为3个次级单元，即北洼、中洼和南洼，其中辽中凹陷南洼整体上位于辽中凹陷南部，西邻辽西低凸起，东侧受胶辽隆起控制，南临渤东凹陷和渤东低凸起，研究区旅大16油田构造位置上处于辽中凹陷南洼。辽中南洼共发育6条主干断裂，整体上分为控洼走滑断裂和洼中走滑断裂，其中洼中走滑断层旅大21断裂和旅大16断裂贯穿研究区（李伟等，2016；何京等，2017；图1）。

图1 辽中凹陷旅大16油田区域构造位置（据Dong et al., 2011修改）Fig. 1 Regional tectonic location of the LD16 oilfield in the Liaozhong Sag (modified after Dong et al., 2011)

辽东湾坳陷钻遇古近系自下而上包括孔店组、沙河街组和东营组，但在辽中凹陷及周围地区钻遇的地层主要为沙河街组和东营组，东营组在辽中南洼沉积厚度较大，整体具有早期充填，晚期披覆式沉积特征，受断层控制作用不明显（吕丁友等，2018）。东营组可进一步划分为东三段（Ed3）、东二段（Ed2）和东一段（Ed1）。东三段主要以厚层灰色泥岩夹浅灰色细砂岩、中砂岩为主，底部可见含砾砂岩及粗砂岩，辽中南洼东三段沉积厚度约285～445 m。东二段（64～786 m）下部为厚层灰色泥岩夹粉砂岩和细砂岩，上部为浅灰色细砂岩和灰色泥岩不等厚互层。东一段（0～261 m）以浅灰色细砂岩、中砂岩和灰绿色泥岩不等厚互层沉积为主（董伟，2011；王惠君等，2017）。辽中凹陷构造演化可以分为4个阶段：孔店组和沙四段沉积时期，盆地处于裂陷Ⅰ幕，盆内初始形成较浅的湖盆，主要发育洪积扇、干盐湖滩及湖泊相沉积；沙三段时期是辽东湾地区第一次快速强烈裂陷期（裂陷Ⅱ幕），湖盆在强烈的断陷作用下进一步变深，形成“两凹一凸”的构造格局，沉积环境以扇三角洲、近岸水下扇及浅湖—半深湖为主；沙二和沙一段沉积时期，辽东湾地区处于裂后热沉降阶段，主要发育扇三角洲、滨浅湖及碳酸盐岩台地；东三段时期是辽东湾地区又一次快速裂陷期（裂陷Ⅲ幕），沉积以三角洲、滑塌湖底扇及浅湖—半深湖为主的厚层的东三段。东二段沉积时期，盆地内构造活动明显减弱，东一段沉积时期，构造特征继承东二段时期的特点，构造活动基本停止，该时期主要发育河流三角洲沉积体系及沼泽、湖泊（朱筱敏等，2008；董伟，2011）。

2 层序地层格架

不同级次层序地层格架的建立是研究沉积体系展布及沉积演化的基础，层序界面的识别是建立层序格架的关键（葛家旺等，2018）。依据地震反射终止关系、测井曲线及录井岩性组合特征，综合辽东湾地区构造演化特征，在辽中凹陷南部旅大16地区东营组识别出4个层序界面（T2、T3u、T3m和T3），分别对应层序界面SB2、SB3u、SB3m和SB3，可划分为3个三级层序（SQd3、SQd2和SQd1），SQd3识别出低位体系域（LST）、湖侵体系域（TST）和高位体系域（HST）（图2）。

图2 辽中凹陷古近系地层与构造演化（据朱筱敏等，2008；董伟，2011；修改）Fig. 2 Stratigraphy and tectonic evolution of Paleogene strata in the Liaozhong Sag

2.1 地震层序界面的识别

一级层序是由古构造运动、构造应力场转换面造成的大规模盆地范围的区域不整合界面，常代表盆地基底面或盆地收缩时的古风化剥蚀面；二级层序界面常表现为角度不整合面，其成因机制也是区域性的构造运动，常反映盆地构造幕的变化，与一级层序界面相比较，其规模较小；三级层序界面是不整合面及其与之对应的整合界面，常与构造幕内的次级构造活动相对应，是层序地层研究的主要地层单元（Catuneanu，2006；严德天等，2008；朱筱敏等，2008）。依据地震剖面中典型地震反射终止关系（上超、削截和顶超等）的识别，可以准确识别三级层序界面。

过辽西低凸起和旅大16油田的NW-SE向区域地震剖面A-A’显示，旅大16油田区东三段发育完全，向辽西低凸起方向逐渐上超于辽西低凸起之上，与下伏地层呈不整合接触，凸起上明显缺失孔店组和沙河街组沉积，且东营组发育较薄。反射轴T3m和T3u界面之上广泛分布上超反射，界面之下多见削截反射终止关系。东营组与馆陶组之间为区域不整合界面，其分界面T2为连续性较好的强振幅反射轴，全区可对比性强，易于识别和追踪（图3）。根据区域地震剖面中反射终止关系的识别，结合构造演化特征，识别出T2、T3u、T3m和T3为三级层序界面，将东营组划分为3个三级层序，自下而上分别是：SQd3、SQd2和SQd1，本次研究的目的层位东三段对应于SQd3。

图3 辽中凹陷南部东营组地震层序界面Fig. 3 Seismic sequence boundaries of the Dongying Formation in the southern Liaozhong Sag

2.2 单井及多井层序对比

三级层序界面处岩性组合和测井曲线形态具有明显变化的特征，在钻测井资料上非常容易识别。研究区S-4井在层序界面SB3之上发育厚层的高岭土质细砂岩，界面SB3之下为粉砂岩和泥岩薄互层，且发育页岩，与界面SB3之上的岩性组合形成显著区别。测井曲线显示，SB3之上显示为GR低值，SP高值，SB3之下自然电位骤降，GR值增高。S-2井和S-4井在层序界面SB3m上下测井曲线发生明显变化，界面之上SP曲线呈低幅值直线形，GR曲线呈高值的微锯齿状直线形，界面之下SP曲线和GR曲线呈箱形和齿化箱形，岩性组合也明显存在差异，界面之上主要为厚层泥岩夹薄层粉砂质泥岩，界面之下为细砂岩与薄层泥质粉砂岩及泥岩互层（图4）。

图4 辽中凹陷南部东营组关键井层序界面识别Fig. 4 Identification of sequence boundaries based on wells of the Dongying Formation in the southern Liaozhong Sag

体系域通常根据钻井剖面上准层序的叠置样式来划分。低位体系域主要表现为进积型的准层序组，湖侵体系域表现为加积型准层序组或退积型准层序组，高位体系域多表现为进积型准层序组（朱筱敏等，2008）。在同一层序内，不同准层序叠置样式的转换界面即为体系域界面，研究区3井、S-4井和S-2井的钻井信息均揭示了东三段在垂向上具有旋回性变化的特征。3井低位体系域表现为一个准层序，中下部以泥岩夹粉砂岩为主，上部主要为细砂岩沉积，构成向上砂岩百分含量增加的进积型叠置样式。S-4井和S-2井低位体系域十分发育，以细砂岩为主、局部可见含砾砂岩，解释为低位体系域进积体。湖侵体系域阶段，3井、S-4井和S-2井主要为厚层泥岩夹薄层细—粉砂岩，岩性组合以加积型准层序组为主要特征，沉积厚度较薄，约40～90 m。上覆高位体系域沉积层表现为向上砂岩富集、泥岩含量减少的进积型准层序组，3井和S-4井以中—细砂岩夹泥岩层为主，S-2井中局部发育薄层的粉砂岩及泥质粉砂岩（图5）。

图5 辽中凹陷南部东营组层序叠置样式及沉积演化Fig. 5 Sequence stacking patterns and sedimentary evolution of the Dongying Formation in the southern Liaozhong Sag

3 古地貌形态

陆相断陷湖盆中，古地貌是构造变形、沉积充填、差异压实及风化剥蚀作用的综合产物，研究盆地的构造格局及古地貌特征，既可以揭示物源区与沉积区的配置关系，也有利于精细刻画沉积物在沉积区的展布特征（赖维成等，2010；秦祎等，2017）。东三段沉积期，辽东湾坳陷构造演化整体上处于构造沉降较强的阶段，构造格局继承沙河街时期地堑—地垒的特征。选择东三段顶界面T3m层拉平，对东三段沉积期的古地貌进行恢复。结果表明，东三段沉积期辽西低凸起大面积出露，研究区旅大16油田为辽西低凸起向辽中凹陷过渡的斜坡带，成为辽西低凸起遭受风化剥蚀产生碎屑沉积物的主要卸载场所。旅大16油田依附旅大21断裂和旅大16断裂发育两个沉降中心，其派生断裂在油田区构成段背斜的构造形态，断裂带以东为明显受南北向的次级断裂控制形成的断坡（图6）。东三段末期（HST晚期阶段）到东二段早期湖盆扩张，辽西低凸起淹没于水下，于东三段晚期开始部分接受沉积（刘海涛，2011；夏世强等，2018）。

图6 辽中凹陷旅大16油田及围区东三段古地貌Fig. 6 Paleo-geomorphology of the Ed3 in the LD16 oilfield and surrounding region in the Liaozhong Sag

4 沉积相类型

断陷湖盆在沉积充填与盆地演化过程中，具有近物源和沉积相变快的特征，往往垂向上伴随着多种沉积体系的发育，且平面上不同构造位置沉积特征也不尽相同。研究区东三段沉积期古地貌及构造演化特征说明其经历了由近源堆积到较远源堆积的过程，通过岩心相、测井相及地震相资料的综合分析，结合构造演化阶段及古地貌特征，确定东三段主要发育扇三角洲、辫状河三角洲和重力流沉积。

4.1 扇三角洲

扇三角洲一般发育于盆地陡坡带或坡度较陡的缓坡带，紧邻物源区，具有近物源和短距离搬运的特点。由于其近物源发育，因此一般沉积物粒度较粗，分选磨圆较差。其在旅大16油田东三段广泛发育，以扇三角洲前缘亚相为主，平原亚相分布较局限，仅在靠近辽西低凸起斜坡部位发育。NW-SE向地震剖面B-B’显示，研究区低位体系域和湖侵体系域阶段，靠近辽西低凸起部位发育中频、中—强振幅、弱连续性的低角度楔形反射，解释为扇三角洲平原亚相，在其前方发育中频、中振幅、连续性较好的亚平行地震相，解释为扇三角洲前缘沉积。湖侵体系域扇三角洲沉积体显著后退，向陆方向迁移，构成退积的叠置样式（图7）。岩心观察发现S-2井2900.96 m处灰色中砂岩中发育冲刷面，底部砾石具有定向性，反映牵引流水动力环境下的河道滞留沉积（图8a）。S-2井2901.05 m处细砂岩与泥岩的薄互层中发育波状层理，生物扰动构造十分发育，反映扇三角洲前缘席状砂沉积环境水体动荡（图8b）。钻测井资料可识别出扇三角洲水下分流河道微相、河口坝微相和前缘席状砂微相，3井和S-2井水下分流河道微相岩性以细-中砂岩为主，单砂体较厚，约3～12 m，测井曲线（SP和GR）表现为齿化箱形。S-4井河口坝沉积以细砂岩为主，测井响应为漏斗状，岩性粒度表现为反旋回，席状砂微相岩性以粉—细砂岩为主，单砂体沉积厚度薄（仅2～3 m），测井响应为中幅指状或锯齿状（图5）。

4.2 辫状河三角洲

辫状河三角洲是由辫状河推进到稳定水体的一种典型的粗碎屑三角洲复合体（Mcpherson et al.，1987）。与扇三角洲相比，辫状河三角洲距离物源区较远，沉积物粒度仍多以粗碎屑为主，分选及磨圆差—中等，反映一种较近源堆积的沉积特征。旅大16油田东三段层序内高位体系域晚期主要发育辫状河三角洲前缘沉积，地震剖面B-B’可见高位体系域晚期阶段，地震相以中频、中—强振幅、连续性较好的斜交前积地震相为主，向凹陷中央持续推进，反映辫状河三角洲前缘沉积（图7）。其沉积微相以辫状河三角洲前缘水下分流河道和前缘席状砂为主。水下分流河道以细—中砂岩为主，单砂体厚度约3～10 m，测井曲线（SP和GR）呈中—高幅的箱形和齿化箱形，席状砂微相以薄层的（1～3 m）细砂岩和粉砂岩为主，测井曲线表现为低幅值的指状或锯齿状，岩性组合呈正韵律或复合韵律（图5）。1井岩心观察见块状构造的灰色中砂岩（图8g）和具有楔状交错层理的中砂岩（图8h），反映较强牵引流性质的水动力环境。

图7 辽中凹陷旅大16油田东三段典型地震相及其沉积解释Fig. 7 Typical seismic facies and their sedimentary interpretation of the Ed3 in the LD16 oilfield, Liaozhong Sag

图8 辽中凹陷旅大16油田东三段丘状地震相Fig. 8 Mounded-shape seismic facies of the Ed3 in the LD16 oilfield, Liaozhong Sag

4.3 重力流沉积

重力流沉积是在三角洲前缘环境中，扇三角洲、辫状河三角洲、曲流河三角洲或滩坝砂体在重力作用、地震或波浪作用等外界触发机制下，被再次搬运到深湖、半深湖环境中，并发生堆积形成的沉积体（董伟，2011；陈飞等，2012）。通过大量地震剖面和岩心观察发现研究区东三段重力流沉积体发育，主要类型为滑塌湖底扇和砂质碎屑流沉积。滑塌湖底扇是在深湖、半深湖环境中由于三角洲前缘的沉积物发生滑动、滑塌作用而形成的滑塌变形体，一般发育滑塌变形构造。砂质碎屑流是块体流，其形成阶段介于滑塌沉积与浊流沉积体形成之间，通常呈块状搬运和固结沉积，砂质碎屑流常与滑塌岩在垂向上相伴生（李相博等，2011；肖子洋等，2016）。地震剖面C-C’显示在研究区南部发育中频、中振幅、中等连续性的丘状地震相，该地震相发育于断裂前方，地震剖面D-D’同样发育中频、中—弱振幅、中等连续性的丘状反射，丘状反射地震相一般解释为沉积扇体或滩坝的横切面，可以是三角洲垂直物源方向的朵叶体横切面，或者是湖底扇和滩坝沉积在任意方向的横切面（图8）。研究区NW-SE向和SW-NE向地震剖面均可见丘状反射地震相，其发育位置主要在断裂前方，解释为三角洲前缘发生滑动及滑塌，形成重力流沉积体。

进一步通过岩心观察可以区分滑塌沉积体和砂质碎屑流沉积。S-2井2898.1 m处发育块状砾岩，其中砾石呈漂浮状（平均砾石直径0.3 cm），局部见泥岩撕裂屑（图9c），2899.37 m处发育块状砂岩，其中见漂浮状砾石和大量不规则的毛刺状泥岩撕裂屑，顶部砾石富集，砾石直径最大可达2.5 cm，最小0.2 cm，顶部与上覆发育生物扰动和波状层理的粉—细砂岩突变接触（图9d），为明显砂质碎屑流沉积的识别特征，其测井曲线表现为沉积厚度薄，幅值较高的指状，自然伽马曲线呈明显低值（图5）。而1井2622.4 m处块状细砂岩和2623.24 m处灰色块状细砂岩中见明显的滑塌变形构造（图9e，9f），为滑塌湖底扇的表现。

图9 辽中凹陷旅大16油田东三段典型岩心照片及沉积现象Fig. 9 Typical core pictures and sedimentary structures of the Ed3 in the LD16 oilfield, Liaozhong Sag

5 沉积体系展布特征

沉积体系是成因相关的沉积相的三维组合，通常与特定的沉积过程有关。通过对层序格架内沉积体系的研究，可以追踪构造演化不同阶段体系域内沉积展布的横纵向变化，为油气勘探开发提供参考。根据研究区内岩心资料、钻测井和地震资料的研究结果，综合古地貌展布特征，明确了研究区沉积相类型，但研究区钻井少，难以根据钻井信息精细刻画沉积相带的展布及沉积体系在垂向上的演化规律，而层序地层格架约束下的地震沉积学研究方法可有效刻画沉积砂体的平面展布特征。

在等时地层格架内完成地层切片的制作和典型地层切片的选取是地震沉积学研究的基础（朱筱敏等，2011；图10）。首先利用研究区三维地震资料开展90°相位转换，建立地震极性与岩性的对应关系，再选择关键层位作为制作地层切片的参考界面，本次研究选取东三段低位体系域内部稳定分布的地震同相轴和东三段顶界面进行追踪闭合，作为参考面制作沿层的振幅属性切片各70张，采用动态放映的方式，结合振幅属性切片在地震剖面中的位置，在钻井岩性标定下明确振幅属性切片中橙色、黄色和绿色代表富砂岩相，深蓝色为富泥沉积环境，浅蓝色代表过渡沉积相带（图10a，c）。选取其中具有等时性、且代表低位体系域沉积特征的振幅属性切片（图10c）和代表高位体系域沉积特征的振幅属性切片（图10a）作为此次研究的典型振幅属性切片。

低位体系域内的振幅属性切片Ss-L显示在近辽西低凸起以东部位发育强振幅属性体，与古地貌图显示的旅大16断裂西侧发育沉降中心位置相吻合（图6），在旅大16断裂以东明显可见坨状的强振幅属性体，以及在其东西向的伴生断层下降盘可见小面积分布的强振幅属性体。综合沉积相类型研究结果，解释为扇三角洲平原和前缘沉积，和在断裂作用控制下，于断层下降盘发育的扇三角洲前缘沉积体（图10d）。振幅属性切片显示依附旅大21断层和其派生断层发育的中—强振幅属性体，解释为扇三角洲前缘沉积，在靠近研究区东南部边界处，由于近南北向断裂的控制作用发育明显断裂坡折（图6），振幅属性切片显示该断裂前方发育坨状的中—强振幅属性体，解释为扇三角洲前缘发生滑动、滑塌形成的重力流沉积体（图10d）。

高位体系域晚期振幅属性切片Ss-H显示在研究区北部发育大面积坨状的中—强振幅属性体及其前方局部发育土豆状中—强振幅属性体（图10a），综合构造演化阶段及沉积类型识别结果，解释为辫状河三角洲前缘及其前方重力流沉积的组合（图10b）。在旅大21断裂及其派生断裂东南部，发育与断层相伴生的坨状强振幅属性体和小面积的土豆状强振幅属性体（图10a），解释为辫状河三角洲沉积与重力流沉积相伴生（图10b）。

图10 辽中凹陷旅大16油田东三段典型地层切片及沉积解释Fig. 10 Typical strata slices and their sedimentary interpretation of the Ed3 in the LD16 oilfield, Liaozhong Sag

在等时地层格架约束下，基于研究区东三段沉积相类型及沉积展布分析，综合构造演化及古地貌特征，明确了研究区东三段沉积早期（低位体系域）主要发育由辽西低凸起供源的扇三角洲及重力流沉积体系，伴随构造沉降及湖平面上升，到东三段沉积晚期（高位体系域）时，辽西低凸起淹没于水下，沉积体系以较远源的辫状河三角洲及重力流沉积为主。研究区内沉积砂体往往依附次级断裂的下盘发育，形成多级断裂控制下发育的沉积朵叶体，另外重力流沉积体主要受断裂坡折和地貌的控制。

6 结论

（1） 根据井—震结合的层序界面识别、钻井岩性组合和测井曲线形态变化等特征，将辽中凹陷南部旅大16油田东营组自下而上划分为3个三级层序：SQd3、SQd2和SQd1，分别对应东三段、东二下亚段，东二上亚段和东一段。东三段作为一个3级层序（SQd3），其内部完整地发育低位体系域、湖侵体系域和高位体系域。

（2）东三段早期（低位体系域阶段），辽西低凸起出露遭受剥蚀，位于辽西低凸起向辽中凹陷过渡斜坡带上的旅大16油田，成为其风化剥蚀产物的主要卸载场所，近源快速堆积形成以扇三角洲为主的沉积体系。伴随构造沉降和湖平面上升，东三段晚期（高位体系域后期），辽西低凸起逐渐被淹没于水下，于东三段晚期开始部分接受沉积，此时研究区为较远源供源，主要发育辫状河三角洲沉积体系。

（3）东三段低位体系域、湖侵体系域和高位体系域早期主要发育扇三角洲和重力流沉积体，近源快速堆积的扇三角洲砂体以灰色中砂岩和细砂岩为主，局部见含砾砂岩，河床滞留沉积、波状层理及生物扰动构造十分发育。其平原亚相仅在靠近辽西低凸起斜坡部位发育，前缘亚相大范围展布。高位体系域后期以辫状河三角洲和重力流沉积体系为主，发育水下分流河道，岩性为细—中砂岩，见块状构造和楔状交错层理，反映较强牵引流性质的水动力环境。重力流砂体十分发育，可见滑塌沉积细砂岩中发育滑塌变形构造，砂质碎屑流砂体中发育漂浮状砾石和泥岩撕裂屑。

（4）沉积演化过程与地貌演化过程密切相关，由东三段早期近源堆积的扇三角洲，到晚期较远源沉积的辫状河三角洲，反映了古地貌对沉积相类型及沉积展布的控制作用。研究区内断裂体系十分发育，多级断阶控制砂体发育，形成依附断裂体系发育的三角洲朵叶，同时，断裂坡折前方成为重力流砂体发育的有利场所。