辽河西部凹陷雷家地区古近系沙三段沉积体系及层序地层

2021-12-07宋立新韩亚杰赵会民

岩性油气藏 2021年6期

王乔，宋立新，韩亚杰，赵会民，刘颖

（1.吉林大学地质博物馆，长春 130026；2.中国石油长城钻探工程公司地质研究院，辽宁盘锦 124010；3.辽宁经济职业技术学院信息工程系，沈阳 110122）

0 引言

沉积体系是指“成因上被沉积环境和沉积过程联系起来的三维组合”［1］。层序地层学与沉积体系的分析研究具有较强的关联性，前者重点在于重建盆地充填的等时地层格架和各级建造单元，后者重点在于研究沉积体自身特征及其三维空间的关系。在含油气盆地中，沉积体系研究对于进行岩性油气藏较大尺度的储层预测具有重要的意义。雷家地区位于辽河盆地西部凹陷中部，油气资源丰富，石油地质条件优越，已发现潜山油气藏，古近系沙四段白云岩及火山角砾岩油气藏和沙三段、沙一二段的砂砾岩油气藏等多种类型油气藏［2］。尤其是雷64 井、雷60 井在沙三下亚段砂砾岩中获得了高产工业油气流，累计上报探明石油地质储量2 705 万t，探明天然气地质储量5 670 亿m3，展现了该区巨大的勘探潜力。前人对雷家地区古近系油气藏做了大量研究工作，但研究目标多集中于沙四段白云岩油气藏［3-6］，对沙三段的研究还比较少。对辽河西部凹陷的层序地层研究成果也颇多，如：任作伟等［7］考虑沉积环境变化、盆地构造演化特征将西部凹陷沙河街组划分为3个沉积层序，分别对应沙四段、沙三段及沙一二段；杨俊生等［8］应用钻、测井与地震资料将凹陷南部欢喜岭地区沙河街组划分为6 个沉积层序，分别对应沙四段、沙三段（上、中、下亚段）、沙二段、沙一段；王青春等［9］根据区域构造演化特征及地震、测井资料，将凹陷北部地区沙三段—沙四段划分为2 个沉积层序，分别对应沙四段、沙三段；邓宏文等［10］依据Cross 基准面旋回分析技术，对凹陷南部齐家—曙光地区沙三段—沙四段进行高分辨率层序地层研究，划分为1 个长期基准面旋回、5个中期旋回。以往的层序地层研究多以西部凹陷整体或南部、北部为研究对象，层序单元划分也略显粗糙，且对于西部凹陷中部雷家地区的沙三段层序地层研究还未见报道，层序地层格架尚不明确，沉积体系展布特征不甚清楚，制约了该区岩性油气藏的勘探。

以沉积学和层序地层学理论为指导，充分利用钻井、测井、地震及古生物等资料，对辽河西部凹陷雷家地区沙三段层序地层进行划分，在等时地层格架内开展沉积体系与砂体展布规律研究，以期为寻找岩性油气藏提供可靠的地质依据，指导该区的勘探开发。

1 区域地质概况

辽河盆地是我国东部大型中新生代陆相沉积盆地，是渤海湾盆地的一个二级构造单元。西部凹陷为辽河盆地中面积最大的凹陷，总面积约2 530 km2，具有典型的断坳双重结构。西部凹陷由北向南依次发育牛心坨、台安、盘山、陈家、清水沟和鸳鸯沟等洼陷，其中雷家地区位于西部凹陷中部的陈家洼陷，南靠曙光、兴隆台油田，北邻高升油田，东接冷家堡油田，构造形态以陈家洼陷为主体，东部以台安—大洼断层与中央凸起相邻（东部陡坡带），西部为一宽缓的斜坡（西部斜坡带），面积约120 km2（图1）。主干断层呈北东及北东东向展布，基底形态为东陡西缓、北高南低的箕状地堑。根据钻井、地震资料并结合邻区地层资料［11］，雷家地区地层自下而上发育太古界、中元古界、中生界和新生界。太古界、中元古界、中生界组成基底构造层，新生界为盖层构造层。古近系沉积盖层自下而上发育房身泡组，沙河街组沙四段、沙三段、沙一二段和东营组，主要目的层是沙三段。构造分析表明，雷家地区新生代构造演化史可划分为：断陷张裂期（沙四段沉积期）、深陷期（沙三段沉积期）、持续期（沙一二段沉积期）及衰减期（东营组沉积期）。当盆地演化处于扩张深陷期时，由于台安—大洼断层的强烈作用，产生大规模水平伸展运动，导致构造差异升降，造成湖盆迅速扩张，水域进一步扩大，沉积了分布范围广、厚度大的沙三段。受断裂活动不均衡性的影响，在盆地的不同构造部位或不同演化阶段，充填了不同的沉积体系。

图1 辽河西部凹陷构造单元（a）与雷家地区地理位置（b）Fig.1 Structural units of Western Liaohe Depression（a）and geographical location of Leijia area（b）

2 层序地层格架

层序地层学是根据地震、钻井及露头资料，结合有关的沉积环境，对地层层序格架进行解释的科学［12-14］。其中心思想在于建立等时地层格架，进行等时地层对比和描述地层叠置样式，并在等时地层格架中进行沉积相和沉积体系的研究。建立层序地层格架，可更有效地提高区域地层对比、沉积相分析和盆地分析的精确度，对油气藏的预测具有非常重要的指导意义［15-18］。

2.1 层序地层划分

根据经典层序地层学理论，通过开展地震反射特征识别和层序地层综合分析，确定了辽河西部凹陷雷家地区古近系层序地层划分方案（表1），将古近系自下而上分为4 个二级层序，分别对应于沙河街组沙四段、沙三段、沙一二段及东营组。其中沙三段自下而上分为3 个三级层序：SQ1，SQ2 和SQ3，分别相当于沙三下亚段、沙三中亚段和沙三上亚段，各三级层序又可划分为低位体系域（LST）、湖侵体系域（TST）及高位体系域（HST），由于TST 和HST在特征上不易区分，合并为一个层序单元TST+HST。此层序地层划分方案与李德江等［19］、朱筱敏等［20］在辽东湾地区的层序地层研究成果具有较好的一致性。

表1 辽河西部凹陷雷家地区古近系层序地层划分Table 1 Sequence classification of Paleogene in Leijia area，Western Liaohe Depression

2.2 层序界面特征

准确识别和划分层序边界是确保正确划分层序、进行层序对比的关键和基础。在层序边界识别过程中，通常应遵循以下4个基本原则：①等时性原则，各级层序均为同期沉积物组合体；②统一性原则，层序应在盆地范围内统一；③界面间断原则，各级层序内部不应存在比层序边界更重要的沉积间断面；④一致性原则，不同资料划分的层序边界应是一致的，能相互验证［21］。在断陷湖盆中，不同级别的层序界面对应了不同级别的不整合面，一级层序界面常代表盆地基底面或盆地的古风化剥蚀面；二级层序界面是盆地构造演化特征的整体体现，对应的不整合面可分布在盆地边缘；三级层序界面常与盆地内部的构造演化、湖平面变化、沉积物供给、气候特征等因素相联系，分布于盆地的局部地区。综合岩心、岩相、测井曲线、地震反射和古生物组合特征等层序界面的识别标志，在雷家地区沙三段共识别出4 个层序界面，由下自上为：SB1，SB2，SB3和SB4（图2）,其中SB4 和SB1 分别为沙三段的顶、底界面。

图2 辽河西部凹陷雷家地区沙三段层序界面地震反射特征Fig.2 Seismic reflection characteristics of Es3 sequence boundary in Leijia area，Western Liaohe Depression

2.2.1 SB1 层序界面特征

SB1 属于二级层序界面，对应雷家地区沙四段和沙三段的分界面，是范围最广、规模最大、识别特征最明显的一个区域性不整合面，代表了雷家地区断陷张裂期与深陷期的沉积间断面。在地震剖面上为一组强振幅反射，连续性好，可全区追踪对比。界面之上地层沿斜坡向上逐层超覆，界面之下向盆地边缘可见削截现象。该层序界面为地层叠置样式的转换面，界面之下为进积准层序组，呈明显的反旋回，界面之上为退进准层序组，具有正旋回特征。测井曲线发生突变，界面之下自然电位和电阻率曲线均呈漏斗形或箱形，界面之上为明显的钟形。古生物组合也有显著差异，界面之下介形虫以光滑南星介组合为主，而界面之上该介形虫组合基本绝灭，取而代之的是隐瘤华北介亚组合。

2.2.2 SB2 层序界面特征

SB2 属于三级层序界面，为层序SQ2 与SQ1的分界面，在地震上表现为上超。在岩性剖面上，界面之下以灰色砂砾岩为主，界面之上多为灰黑色泥岩。测井曲线发生明显变化，界面之下电阻率曲线呈锯齿状，界面之上趋于平滑［图3（a）］。

2.2.3 SB3 层序界面特征

SB3 属于三级层序界面，为层序SQ3 与SQ2的分界面，在地震上表现为明显的削截-上超面。在岩性上发生突变，界面之上为一大套砂砾岩，界面之下为厚层的灰黑色泥岩。测井曲线发生突变，界面之上的自然电位曲线呈箱形，界面之下缺呈平直状［图3（b）］。

图3 雷家地区关键井SB2（a）与SB3（b）层序界面特征Fig.3 Sequence boundary characteristics of SB2（a）and SB3（b）from key wells in Leijia area

2.2.4 SB4 层序界面特征

SB4 属于二级层序界面。对应沙三段与沙一二段的分界面，也是一个分布广泛的区域性不整合面，代表了雷家地区断陷深陷期与持续裂陷期的沉积间断面，非常容易识别。在地震上表现为削截-上超面。从陈家洼陷至西部斜坡带，沙一二段逐渐向SB4 界面上超，沙三段则逐渐被削截。在岩性和测井曲线上表现为组合形式的转换，层序界面之下为低阻低平的泥岩，界面之上则刚好相反。古生物特征也有明显变化，该层序界面之上生物数量明显减少，而且生物化石组合也发生了变化，界面之下介形虫为脊刺华北介亚组合，腹足类化石为扁平高盘螺亚组合，界面之上介形虫为椭圆拱星介组合，腹足类化石为阶状似瘤田螺组合。

3 沉积相研究

3.1 沉积相类型

根据岩石类型、沉积构造、沉积旋回及岩电组合等特征，结合测井、地震、古生物等多种资料分析，认为辽河西部凹陷雷家地区沙三段主要发育扇三角洲相、湖泊相沉积。

3.1.1 扇三角洲相

扇三角洲相包括扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前扇三角洲等3 个亚相，并进一步划分出辫状河道、水下分流河道、水下分流河道间、河口坝等沉积微相（表2）。

表2 辽河西部凹陷雷家地区沙三段扇三角洲沉积微相类型Table 2 Sedimentary microfacies types of Es3 fan delta front in Leijia area，Western Liaohe Depression

（1）扇三角洲平原亚相。扇三角洲平原亚相是扇三角洲的水上部分，由辫状河道和河道间微相组成，如图4 所示，其岩性为褐红色砾岩、含砾不等粒砂岩、细砂岩与褐红色泥岩。砂砾岩单层厚度大，砾石体积分数高达55%，砾径一般为1～2 cm，大者可达4～5 cm，次棱角-次圆状，呈正韵律。测井曲线在辫状河道表现为箱形，河道间表现为漏斗形。冲刷-充填构造、暴露标志（干裂、钙质结核等）、泥砾较发育，常见砾、砂、泥的混杂堆积，分选较差，成熟度较低。

图4 雷家地区雷20 井沙三段扇三角洲平原亚相沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of Es3 fan delta plain in well Lei 20 in Leijia area

（2）扇三角洲前缘亚相。扇三角洲前缘亚相是扇三角洲的水下部分，如图5 所示，其分布范围较广，以灰色砂、泥岩为沉积特征，发育前积结构，主要分为水下分流河道、水下分流河道间、河口坝及前缘滑塌堆积等微相，是扇三角洲体系最重要的储层。

图5 雷家地区雷62 井沙三段扇三角洲前缘亚相沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of Es3fan delta front in well Lei 62 in Leijia area

水下分流河道在扇三角洲前缘亚相中占有一定优势，由厚层状砂砾岩、含砾砂岩、粗砂岩和细砂岩组成。岩石碎屑成分复杂，分选性较差，磨圆度较低。岩层底部可见冲刷面，向上依次为：大型板状交错层理、平行层理［图6（a）］，反映水流速度由高到低，沉积物粒度由粗变细，总体上呈正旋回。一般单层砂厚0.5～6.0 m，常由多层砂体叠复成数十米，显示了多次水道的叠加，砂岩中常发育包卷层理［图6（b）］、负载构造。测井曲线呈箱形和钟形。

水下分流河道间主要由发育水平层理［图6（c）］的泥岩组成，偶夹粉、细砂岩，由洪水期水道漫溢或决口而成。由于水下分流河道冲刷力强，改道频繁，水下分流河道间沉积缺乏稳定性，常以夹层形式出现。

图6 辽河西部凹陷雷家地区沙三段典型岩心照片（a）平行层理，雷62 井，2 822.40 m；（b）包卷层理，雷62 井，2 821.75 m；（c）水平层理，雷15 井，3 094.00 m；（d）交错层理，雷15 井，2 744.50 m；（e）逆粒序及重荷膜，雷62 井，2 822.95 m；（f）滑塌变形构造，雷62 井，2 827.38 m；（g）前扇三角洲泥岩，雷62 井，2 825.88 m；（h）炭屑层，雷76 井，3 329.29 m；（i）生物扰动构造，雷76 井，2 690.58 mFig.6 Typical photos of cores from Es3in Leijia area，Western Liaohe Depression

河口坝粒度较水下分流河道细，由粉砂岩、细砂岩组成，平行层理、交错层理［图6（d）］发育，形成由多个反韵律叠置而成的逆粒序［图6（e）］。砂质较纯，分选较好。粒度概率累计曲线由跳跃总体和悬浮总体组成的两段式，跳跃总体段斜率大，表明以牵引流为主（图7）。自然电位曲线为齿化的漏斗-钟形或钟形。

图7 雷15 井沙三段扇三角洲前缘河口坝粒度概率累计Fig.7 Cumulative grain size probability of Es3fan delta front mouth bar in well Lei 15

前缘滑塌堆积由砂砾岩、含砾砂岩和粉、细砂岩组成，块状层理、递变层理、泥砾和滑塌变形构造［图6（f）］等指示重力作用的沉积构造较发育。纵向上为单一的反粒序或正粒序，分布局限。

（3）前扇三角洲亚相。前扇三角洲亚相为灰色、灰黑色泥岩夹薄层状粉砂岩及细砂岩［图6（g）］，发育波状层理、水平层理，测井曲线呈低幅平滑。

3.1.2 湖泊相

雷家地区湖泊体系分布广泛，包括滨浅湖亚相和半深湖-深湖亚相。

（1）滨浅湖亚相。滨浅湖亚相多分布在西部斜坡带，岩性主要为灰绿色、绿灰色、灰色泥岩，泥岩质不纯，局部为粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。常见水平层理、低角度交错层理，见植物化石［图6（h）］，局部见双壳类化石及生物扰动构造［图6（i）］。测井曲线呈平直状。

（2）半深湖-深湖亚相。半深湖-深湖亚相多分布在陈家洼陷，岩性主要为深灰色、黑灰色、灰黑色泥岩。泥岩质纯、性脆，发育水平层理。含丰富的介形虫、双壳类和腹足类化石，植物化石少量，局部可见褐灰色水平纹理油页岩。

3.2 沉积相展布特征

3.2.1 垂向特征

图8 为辽河西部凹陷雷家地区典型井雷11 井沙三段层序地层综合柱状图，该井位于研究区东部，沙三段沉积厚度为1 070 m，层序地层自下向上划分为SQ1，SQ2，SQ3。SQ1 下部（LST）为灰色砂砾岩、细砂岩、粉砂岩及泥质粉砂岩，以扇三角洲前缘河道沉积为主，向上粒度变细；SQ1 中上部（TST+HST）为深灰色粉砂岩、泥质粉砂岩与泥岩互层，以扇三角洲前缘水下分流河道间沉积为主。由于水下分流河道改道频繁，形成了砂、泥岩交互出现的多个小旋回。SQ2 为黑色、深灰色泥岩夹粉砂岩、泥质粉砂岩，属半深湖-深湖亚相，由于断陷活动进一步加强，沉积厚度较SQ1 厚。SQ3 底部为浅灰色砂砾岩，上部出现灰色泥岩，表明湖平面上升，由扇三角洲相转化为湖泊相，沉积厚度相对SQ1 要薄。沉积相的连井剖面（图9）也同样显示：自下而上SQ1，SQ2 及SQ3 沉积厚度分别为较厚、最厚及较薄。单井垂向沉积序列变化特征显示，雷家地区沙三段每个三级层序单元均为正旋回，下部沉积大套砂岩，向上砂岩厚度与粒度逐渐减小，泥岩厚度增大，到顶部一般发育浅灰色、灰绿色泥岩。每个三级层序顶部这种分布稳定且范围较大的湖相浅灰色、灰绿色泥岩，反映在层序演化后期各三级层序盆地地形较为平缓、自下而上水流的携砂能力不断变弱。

图8 雷家地区雷11 井沙三段层序地层综合柱状图Fig.8 Integrated columnar section of Es3 sequence stratigraphy in well Lei 11 in Leijia area

图9 辽河西部凹陷雷家地区沙三段沉积相连井剖面Fig.9 Section of Es3sedimentary facies in Leijia area，Western Liaohe Depression

3.2.2 平面展布特征

SQ1 是雷家地区产油气的主要层段。在SQ1的LST 发育时期［图10（a）］，湖平面相对较低，东部陡坡带LST 砂体呈裙边状沿台安—大洼断层分布，沉积相总体平面分布特征是自东向西发育扇三角洲平原、扇三角洲前缘、前扇三角洲、半深湖-深湖、滨浅湖沉积。在SQ1 的TST+HST 发育时期［图10（b）］，虽然扇三角洲沉积分布与LST 发育时期具有一定的继承性，但随着湖平面不断升高，沉积物供给速率降低，滨岸线向物源方向迁移，扇三角洲沉积体系较LST 呈明显向东收缩的趋势，湖泊沉积体系面积进一步扩大。不同地区层序发育特征不同，洼陷区地层发育全、厚度大，斜坡带地层发育不全，剥蚀明显，地层厚度小。

图10 辽河西部凹陷雷家地区SQ1 沉积相图Fig.10 Maps of SQ1 sedimentary facies in Leijia area，Western Liaohe Depression

4 沉积体系控制因素及有利相带分析

4.1 沉积体系控制因素

扇三角洲砂体多发育于断陷盆地的深陷期和构造上的陡坡带，其形成与断裂活动、古地貌形态、物源供给等因素密切相关。

4.1.1 断裂活动

台安—大洼断层不仅控制着盆地的形成，同时也控制着沉积砂体的发育。SQ1 的LST 沉积于辽河西部凹陷雷家地区盆地的断陷扩张深陷早期，台安—大洼断层活动较为强烈（断层活动速率由沙四段沉积期的19.1 m/Ma 增至55.8 m/Ma），构造单元间地形差异大，水流携砂能力大，东部陡坡带形成了SQ1 的LST 较粗粒沉积物。此后，随着断裂活动强度增大（断层活动速率可达111.4 m/Ma），沉积了“东断西超”式的箕状洼陷型沉积体，构成了SQ1的TST+HST 沉积，其沉积物除东部陡坡带以扇三角洲相为主外，其余地区均以湖相泥岩沉积为主。在层序形成末期，台安—大洼断层活动微弱（断层活动速率降为6.3 m/Ma），盆地的地形高差很小，造成层序顶部普遍有浅灰色、灰绿色泥岩。因此，台安—大洼断层的活动强度控制着雷家地区沙三段层序地层及沉积砂体的发育特征（图11）。

图11 辽河西部凹陷雷家地区沙三段层序地层样式Fig.11 Pattern of Es3sequence stratigraphy in Leijia area，Western Liaohe Depression

4.1.2 古地貌形态

沙三段沉积早期，由于断陷活动剧烈，东部陡坡带地形坡度较大，碎屑物质供给充足，造成搬运距离较短，使得沉积砂体直接推入水下，扇三角洲沉积体系不断向湖盆推进，水下分流河道砂体、河口坝砂体相互叠置。沙三段岩石学特征显示，砂（砾）岩岩石类型为复杂成分砾岩、长石质岩屑砂岩及岩屑长石砂岩，石英含量低，长石和岩屑含量较高，其中花岗岩类岩屑、火山岩岩屑和沉积岩岩屑的体积分数分别为17%，6%和4%。颗粒支撑结构为主，碎屑颗粒粒度较粗，平均粒度中值约为0.43 mm，分选系数大于2.0，颗粒形态以次梭角状-次圆状为主。以上分析表明，因地形坡度大，东部陡坡带沉积物具有近物源、多物源、快速沉降、快速沉积的特征，而地形坡度较小的西部斜坡带及中部陈家洼陷，由于碎屑物质供给不足，形成了非补偿性滨浅湖或半深湖-深湖沉积环境。

4.1.3 物源供给

物源区不仅决定沉积体系的发育位置，沉积砂体的规模也与物源供给量及供给速率密切相关。由于中央凸起剥蚀范围大、沉积物供给量大，东部陡坡带以沉积粗粒的砂岩、砾岩为主，而西部斜坡带物源区沉积物供给量小，细粒的泥岩、粉砂岩较为发育。

沉积物的供给速率决定了砂体的发育规模。统计研究区内25 口井SQ1 不同体系域下钻遇砂岩数据（表3），LST 砂地比较大，平均为59.8%，TST+HST 砂地比较小，平均为21.2%，这表明沉积物供给速率呈自下而上减小。对单层砂岩累计厚度统计结果显示，LST 厚层砂岩累计厚度大，薄层砂岩占比少，而TST+HST 以薄层砂岩为主，单层厚度大于3 m 的砂岩累计厚度迅速降低，这表明沉积物供给速率增高时，河道相互叠置，砂岩厚度大且分布广泛，而沉积物供给速率降低时，河道相互孤立分散，砂岩厚度小且分布局限。

表3 辽河西部凹陷雷家地区层序SQ1 砂地比与砂岩厚度统计Table 3 Sand ratio and thickness of sequence SQ1 in Leijia area，Western Liaohe Depression

4.2 有利相带分析

砂体的分布规律及发育层位是寻找岩性油气藏的关键。雷家地区沙三段沉积期为湖盆裂陷的主要时期，沉积地层厚度大。SQ1 的LST 扇三角洲前缘砂体以含砾中粗砂岩为主，粒度较粗，表明水动力较强，储层抗压实能力较强，推测孔隙与喉道均较大，因而储集物性较好［22］，是储层发育的有利相带。SQ1 的TST+HST 和SQ2 均发育富含有机质的暗色泥岩，厚度可达1 200 m，热演化程度高，生烃强度可达1 500 万t/km2，是研究区内最重要的优质烃源岩，同时这些泥岩分布广、厚度大、岩性纯且横向上均一稳定，也成为下伏油气藏良好的区域性盖层。SQ3 由于构造活动减弱，沉积地层厚度较小，LST 砂体分布范围相对局限，上覆的TST+HST和沙一二段泥岩封闭油气、聚油效果也较差，认为其勘探价值较小。

综上所述，SQ1 的LST 砂体可与上覆的TST+HST 和SQ2 的暗色泥岩形成上生下储式生储组合［23-24］，成藏条件优越，易形成油气产量大、富集程度高的油气藏。雷64 井，雷60 等井的勘探成功也证实了这一点。结合储层预测研究成果认为，在东部陡坡带SQ1 的LST 勘探有利相带中，确定雷68井为有利圈闭。该圈闭预测砂岩厚度大于100 m，砂体面积2.26 km2，预测油气资源量为245万t。