乌北次洼铜钵庙组箕状断陷湖底扇沉积特征及沉积模式

南金浩

(中国石油大庆油田有限责任公司，黑龙江 大庆 163712)

0 引 言

湖底扇这一概念是由海底扇引申而来，主要是陆相湖盆三角洲或滨岸浅水区尚未完全固结的碎屑沉积物，受地震、洪水和构造运动等因素触发，在重力作用驱动下沿斜坡进入湖泊深水区而形成的扇状沉积物[1-2]。湖底扇在中国陆相湖盆沉积体系中广泛发育，在渤海湾、松辽、鄂尔多斯、二连、海拉尔、北部湾等盆地均有发现[3-6]。湖底扇砂体具有毗邻烃源岩、盖层发育的优势，形成了优越的生储盖条件，易形成岩性圈闭或岩性控制下的复合圈闭，作为中国陆相油田下一步隐蔽油气藏勘探的重点对象，逐渐成为各大油气田未来主要储量和产量的增长点[7-8]。

由于以往研究将乌北次洼铜钵庙储层大段的砂砾岩都视为扇三角洲沉积，导致其一直未得到有效开发动用。通过开展砂体预测、井震结合与地层对比，将铜钵庙地层分为底部厚层砂砾岩段、中部砂泥互层段、顶部中—厚层砂砾岩段。优选铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体开展老井复查及方案部署，落实了多口高产井，明确了顶部与下部砂砾岩之间沉积、储层及成藏之间的差异。通过开展沉积储层特征研究，明确铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体为湖盆中心发育的湖底扇沉积，改变了以往铜钵庙大段砂砾岩均为扇三角洲沉积的认识。通过开展岩心、测井等特征研究，认为在箕状断陷湖盆的陡坡和缓坡扇体沉积特征存在明显的差异，进一步对2种湖底扇沉积特征、展布规律及沉积模式开展研究，以期能对乌北次洼铜钵庙组油层油气勘探和开发提供一定指导。

1 地质概况

乌北次洼所在的乌尔逊凹陷是海拉尔盆地中部贝尔湖坳陷内的一个生油洼槽，西侧与乌西断裂、嵯岗隆起相接，东部以近单斜形式向巴彦山隆起过渡，南与贝尔凹陷、北与红旗凹陷和新宝力格凹陷局部连通，整体表现为南北向展布、西断东超的箕状断陷(图1)。行政上位于内蒙古自治区海拉尔市新巴尔虎左旗境内，面积约为2 240 km2。乌北次洼构造演化经历了初始断陷期、强断陷期、断坳转换期以及坳陷期，主要沉积了白垩纪地层，即铜钵庙组(初始断陷期)、南屯组(强断陷期)、大磨拐河组和伊敏组。油气主要来源于南一段发育的暗色泥岩，油藏在铜钵庙组、南屯组地层规模聚集，平面上在苏仁诺尔断裂带两侧富集，油气藏分布受整体构造格局和岩性发育影响。

以往的研究中，认为铜钵庙组地层发育大段巨厚砂砾岩，沉积类型统一划定为扇三角洲沉积。随着研究的深入，按照岩性、旋回性等特征确定段级界面，将铜钵庙组大段砂砾岩分为2个油组(图1)。底部为巨厚的砂砾岩沉积，部分层段夹绿色、杂色泥岩，沉积类型为扇三角洲沉积，偶见油气显示，地层命名为铜钵庙Ⅱ油组。上部为铜钵庙组油藏主要富集层段，为铜钵庙组Ⅰ油组，根据岩性、旋回特征进一步分为铜钵庙组Ⅰ油组上段和铜钵庙组Ⅰ油组下段。其中，铜钵庙组Ⅰ油组下段发育砂岩、砂砾岩与泥岩互层沉积，根据沉积特征认为下段发育辫状河三角洲沉积；铜钵庙组Ⅰ油组上段受沉积、后期剥蚀等因素影响，仅在箕状断陷中部发育，东西向呈透镜状发育，主要发育的是巨厚砂砾岩夹薄层深色泥岩，构造发育期处于初始断裂期与强断陷期之间，强构造运动启幕，物源供给充足。

图1 乌尔逊凹陷区域构造图及地层综合柱状图Fig.1 The regional structural diagram and comprehensive stratigraphic histogram of Urxun Sag

2 湖底扇沉积特征

乌北次洼铜钵庙湖底扇扇体砾石发育，目前已发现的储量区多为富砾沉积储层，距离储量区较远的扇体多发育含砾砂岩。根据Reading对海底扇的分类方法[9]，将乌北次洼铜钵庙湖底扇分为富砾湖底扇和富砂湖底扇，其中，富砂湖底扇多含少量砾石，为含砾富砂湖底扇。

2.1 岩石学特征

根据对研究区目的层岩心观察及岩性统计，乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体岩性主要为砾岩、含砾砂岩，且整体上呈现出西部扇体富砾，东部扇体砾质减少、砂质增多，具有含砾富砂的特点。根据重力流沉积物基本特征分析[10]，结合岩石组分、沉积构造特征，研究区岩心发现典型浊积岩(图2a中的A段—D段)、叠覆发育卵石质砂岩、颗粒支撑砾岩、杂基支撑岩层等重力流沉积物类型(图2a—e)。

根据3口井18个样品镜下薄片分析可知，岩性多为砾岩(占28%)、砂质砾岩(占50%)、粉砂岩等(占22%)。砂岩多为岩屑长石砂岩，分选偏差，磨圆多为次圆状，胶结类型多为再生-孔隙式、孔隙-薄膜式，整体成分成熟度低(图3)，反映了铜钵庙组Ⅰ油组上部的前期三角洲砂体受重力垮塌近源快速堆积。

2.2 沉积构造特征

研究区湖底扇虽然均由重力流形成，但不同类型扇体的沉积构造存在差异。以岩心观察为基础，以成因类型分析为标准，富砾扇体可见同生断层、变形构造、块状层理、火焰构造、滑塌构造、重荷膜等重力流沉积构造(图2f—k)，牵引流沉积构造不明显，说明该类扇体受构造活动影响较大，扇体快速堆积，沉积速率快；含砾富砂扇体以砂岩为主，局部井段发育大套砾岩沉积，既可见块状层理、漂砾等重力流沉积构造，又可见波状层理、平行层理等牵引流沉积构造(图2l—q)，表明该类扇体受多重因素控制。

2.3 粒度特征

粒度分布和分选是判断沉积环境和水动力的良好标志，可以利用粒度概率累积曲线及C-M图判断沉积环境及水动力特征[11]。

乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体粒度概率累积曲线多为宽缓上拱式和一跳一悬式。其中，宽缓上拱式粒度为-1～6φ，跳跃和滚动次总体不发育，悬浮总体占绝对优势，具有典型的重力流特征，为快速堆积砾岩递变层理的反映；一跳一悬式滚动次总体不发育，跳跃次总体和悬浮次总体占优势，跳跃次总体含量为70%左右，悬浮次总体含量30%左右，两者交切点为2～3φ，粒度较细，表征了受牵引流影响的重力流沉积(图4a)。同时C-M图上表现为数据点沿C=M线平行，即以递变悬浮次总体为主，表征了快速沉积作用下形成的未分选的沉积物，说明流体性质以重力流为主(图4b)。

图2 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部岩心及沉积构造Fig.2 The upper core and sedimentary structure of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

2.4 测井相特征

不同的沉积类型在测井曲线上有不同的响应特征，因此，可以通过测井相特征差异实现岩电关系的对应。依据丰富的测井资料开展沉积相研究，解决了岩心资料少而无法进行全区单井相研究的不足。乌北次洼铜钵庙油层顶部的湖底扇沉积为快速堆积砂砾岩体，砾石颗粒混杂、分选磨圆较差，沉积中心典型的测井特征为低伽马、高电阻的箱形(图5a)。由于岩相变化，由沉积中心向外测井曲线逐渐表现为漏斗状、钟形，沉积边部呈现薄层砂体指状和齿状特征。

总体来说，西部富砾扇体分选差，沉积中心测井相表现为厚层锯齿状箱形；东部含砾富砂扇体分选相对较好，沉积中心测井相表现为厚层弱齿化箱形特征(图5d)。

2.5 地震相特征

铜钵庙组Ⅰ油组上部的湖底扇沉积为铜钵庙组沉积末期强构造运动引发的一套事件性沉积，沉积时间短，地层厚度较下部地层厚度小；同时受井区地震资料品质和断层强烈切割，地震轴不连续，典型湖底扇地震相特征显示弱，富砾湖底扇及含砾富砂湖底扇地震相特征对比不明显。通过地震相特征可判断湖底扇的展布，总体上呈透镜状反射特征。扇体内部可见弱—中幅、中频、中—强连续的前积反射构造，同时可见低幅、低频、连续性较差的杂乱反射构造(图6)，反映强构造运动背景下，扇体内主沟道、辫状沟道强烈摆动，造成地震相上显示的差异性。

图3 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体碎屑岩分类三角图Fig.3 The triangular chart of classification of clastic rocks in the upper sand body of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

图4 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体粒度分析Fig.4 The grain size analysis of the upper sand body of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

2.6 砂体厚度及展布

乌北次洼全区钻遇铜钵庙组Ⅰ油组上部湖底扇的井共78口，平均钻遇地层厚度为44.7 m。通过绘制砂岩厚度等值图及岩性分析可知，研究区西部发育1个富砾湖底扇，扇体规模大；纵向砂体为厚层砂体叠置发育，沉积中心砂岩厚度为30.0～80.0 m，整体呈现“大而厚”的特征。地震属性预测显示东部发育多个含砾富砂湖底扇，扇体规模较小；纵向上砂体叠置发育，粒序变化较为明显，沉积中心砂岩厚度为20.0～40.0 m，呈现出“小而薄”的特征。

3 湖底扇沉积相类型

综合各沉积相标志特征，分析岩心、粒度、录井、测井等资料，认为乌北次洼铜钵庙沉积后期，在苏仁诺尔断裂带和铜钵庙断裂带之间洼槽区发育2个物源方向、2种类型的湖底扇沉积。结合经典湖底扇沉积模式开展湖底扇亚相特征分析，乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部湖底扇进一步可分为内扇、中扇、外扇3个亚相，并落实了各亚相主力微相沉积特征。

3.1 湖底扇内扇亚相及微相

湖底扇内扇亚相发育主沟道和天然堤微相，其中主沟道微相为内扇亚相的主体。主沟道一般由巨厚的混杂堆积砾岩和砂砾岩组成，研究区岩心按照成因和组构特征常见颗粒支撑砾岩和杂基支撑岩层(图2 b、d、e)。其中，颗粒支撑砾岩可见紊乱砾岩和正递变砾岩层，杂基支撑岩层在西部扇体多为杂基支撑砾岩，东部扇体多为杂基支撑砂砾岩。总体来看，主沟道微相砾岩成分受上部扇三角洲滑塌及前期未固结辫状河三角洲供给影响，呈成分复杂、分选差的特点。研究区岩心未见明显天然堤微相特征。主沟道微相电性特征多为低伽马、高电阻的箱形，其中，西部扇体发育的富砾砂体多为厚层锯齿状箱形(图5a)，东部扇体的含砾富砂湖底扇多为厚层弱齿化箱形(图5d)。

图5 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体各沉积亚相类型测井相Fig.5 The logging facies of sedimentary subfacies in the upper sand body of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

图6 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体地震反射结构特征Fig.6 The seismic reflection structure characteristics of upper sand body of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

3.2 湖底扇中扇亚相及微相

湖底扇中扇亚相平面上呈扇叶状体，主体微相为辫状沟道微相。辫状河道由厚层砾岩和砂砾岩夹薄层深色泥岩为主，砾石颗粒混杂、分选磨圆较差。研究区辫状沟道岩心按照成因和组构特征常见颗粒流沉积的卵石质砾岩(或含砾砂岩)、块状砂岩(图2c、h)。其中，卵石质砂砾岩砾石具有一定磨圆性，单一期砂体内向上砾质减少。在中扇前段，水道特征减弱，粒度变细，以发育具有鲍玛序列的经典浊流为主(图2a，S5井2 390.5～2 391.2 m)。受辫状水道迁移和加积作用影响，中扇砂体通常呈现孔隙度和渗透率较好的优质厚层油气储集层，乌北次洼铜钵庙油层已发现的储量区大多位于湖底扇中扇亚相。辫状沟道电性特征多为低伽马、高电阻的多个中—厚层箱形叠置，其中，西部扇体发育的富砾砂体为多个中—厚层齿状箱形(图5 b)，东部扇体的含砾富砂湖底扇为多个中—厚层弱齿化箱形(图5e)。

3.3 湖底扇外扇亚相及微相

湖底扇外扇亚相无明显水道，沉积物分布宽而薄，薄层浊积砂体与深湖相泥岩互层。乌北次洼铜钵庙湖底扇受强构造活动影响，砂体厚度较大，泥岩层厚度相对小；碎屑颗粒以细砾—细砂岩为主，岩心见有波状层理、重荷膜、变形构造、火焰状构造等。外扇电性特征多为相对高伽马、高电阻的低幅钟形或指状(图5c、f)。

4 乌北次洼箕状断陷湖底扇沉积模式

一定的坡度角、构造活动的诱发、重力、波浪、湖平面升降等因素是形成重力流沉积物的重要因素[12-13]。乌北次洼在铜钵庙晚期沉积洼陷主要位于2个断裂带之间，受古地貌、物源供给、重力流事件等触发因素等影响，导致陡坡形成了富砾湖底扇，缓坡形成了含砾富砂湖底扇。

4.1 古地貌及物源供给

湖底扇作为重力流的一种，在形成过程中通常需要足够的水深条件、足够的坡度角和密度差、充沛的物源供给以及一定的触发机制。古地貌决定了重力流发育区的水深条件和坡度角等因素，同时影响了沉积物供给的类型，相对平缓的古地貌通常沉积了分选磨圆相对较好、粒度较细的沉积物，相对陡峭的古地貌则沉积的是分选磨圆较差、粒度较粗的沉积物。充沛的碎屑物质供给是形成湖底扇的必要条件，同时物源供给类型也决定了湖底扇沉积的类型。

铜钵庙组晚期，乌北次洼箕状断陷初具规模。洼槽区发育在近平行的苏仁诺尔断裂和铜钵庙断裂之间，主要受西北部苏仁诺尔断裂带影响，形成了东南缓、西北陡的箕状断陷。由于陡坡带和缓坡带在古地貌及构造活动的差异，造成了不同构造带沉积体系及沉积物的差异。由于断层活动强烈，箕状断陷陡坡带具有坡度陡、近物源、粒度粗的特点[14]，前期沉积的扇三角洲砂体发生滑塌快速沉积形成了富砾扇体。箕状断陷缓坡带构造活动相对较弱，砂体分选性较好，物源砂体较细，在辫状河三角洲前端滑塌沉积了含砾富砂扇体。

4.2 触发机制

外界的触发机制是形成浊积岩的主要条件之一，激发三角洲前缘滑塌形成浊积岩。受古地貌和构造活动强弱影响，箕状断陷不同构造位置的触发机制存在一定的差异[15]。陡坡带苏仁诺尔断裂带活动性强，地势较陡，水动力条件较强，触发机制主要为构造运动；在铜钵庙沉积末期，强断陷活动启幕，构造活动的突然增强导致了陡坡带边界断层的强烈活动，触发了三角洲前缘砂体发生滑塌形成富砾湖底扇。

4.3 沉积模式及沉积平面展布

乌北次洼铜钵庙组沉积晚期，活动较强的苏仁诺尔断裂带和活动相对较弱的铜钵庙组断层之间洼槽的小规模箕状断陷初具规模。强烈的构造活动导致了水体加深、剥蚀区隆升。陡坡带苏仁诺尔断裂带活动性强，地势较陡，水动力条件较强，触发机制主要为构造运动；在铜钵庙组沉积末期，强断陷活动启幕，构造活动的突然增强导致了陡坡带边界断层的强烈活动，触发了剥蚀淋滤物质和陡坡带粒度较粗的砾质三角洲扇体，受强活动的苏仁诺尔断裂带影响，滑塌沉积形成了富砾湖底扇；缓坡带铜钵庙断裂带活动较弱，地势平缓，铜钵庙组晚期苏仁诺尔断裂带的强构造运动导致了缓坡带坡度不断增大，东部物源不断供给的沉积物在三角洲前缘发生前积，当缓坡带坡度变化导致缓坡沉积了粒度相对较细的砂质三角洲，受重力作用活动影响滑塌形成了含砾富砂湖底扇；同时，铜钵庙组断裂带的构造活动也导致了滑塌沉积的发生，因此，受到重力滑塌和构造运动双重作用，形成了含砾富砂湖底扇(图7)。

图7 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体湖底扇沉积模式Fig.7 The sedimentary model of sublacustrine fan in the upper sand body of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

利用岩心特征、测井响应及地震属性预测的砂体展布对目标砂体进行沉积平面展布刻画。乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体受缓坡和陡坡2个方向物源供给。陡坡中部发育自西北向东南方向推进的1个富砾湖底扇，其间发育多期辫状沟道；扇体规模大，主力扇体展布面积约为26 km2，目前已探明储量区多位于该扇体内。缓坡发育多个含砾富砂湖底扇，扇体规模小，主力扇体展布面积约4～13 km2，扇体范围内尚无工业油流发现(图8)。

图8 乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部湖底扇沉积平面图Fig.8 The sedimentary plan of upper sublacustrine fan of Oil Group I,Tongbomiao Formation,Urxun Northern Sub-sag

5 湖底扇油气地质意义

湖底扇发育在深湖环境中，通常与烃源岩直接接触，又具有良好的盖层条件。铜钵庙组Ⅰ油组上部湖底扇砂体后期发生抬升剥蚀，发育溶蚀缝隙，具有良好的物性，形成了优越的生储盖组合[16-17]。乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部发育的湖底扇侧向呈透镜状尖灭，具有良好的侧向封堵条件，易形成岩性圈闭。油气在南一段生成后沿不整合面、断层运移至湖底扇砂体中，在构造有利部位成藏，形成了构造-岩性油藏。乌北次洼铜钵庙组的勘探实践也证实了这个观点，并落实了一批高产井，实现了铜钵庙组的有效动用。

乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部富砾湖底扇靠近生烃洼槽中心，与洼槽区主力烃源岩通过不整合面实现源储对接；同时苏仁诺尔断裂带为油源断层，为油气运移提供了良好的输导通道；富砾湖底扇的中扇物性相对较好，砂岩厚度大，乌北次洼铜钵庙组已发现储量区大多为中扇亚相。富砾湖底扇成藏受构造影响，油气在区域高部位富集，低部位发育水层或干层，因此，勘探、评价的有利方向是在中扇的辫状水道内落实有利构造高部位。含砾富砂型湖底扇埋深浅(1 700.0～2 100.0 m)，压实作用较弱，储层物性较好(孔隙度为10.2%，较全区平均值高3.4个百分点)；但由于距离生烃洼槽较远，砂岩厚度较小，导致该类砂体油层厚度薄，成藏难度大。含砾富砂湖底扇成藏受油气输导通道的影响，因此，在油源断层附近寻找扇体发育的构造高断块是下一步铜钵庙油层勘探、评价的有利方向，根据现有的具有油气显示井预测可落实探明储量约500×104t。

6 结 论

(1)通过开展岩心分析，结合测井相、水动力特征分析等研究，明确了乌北次洼铜钵庙组Ⅰ油组上部砂体为湖底扇沉积，改变了之前铜钵庙组砂体整体为扇三角洲的认识。岩性多为块状砂岩、卵石质砂岩、颗粒支撑砾岩和杂基支撑砂砾岩，见鲍玛序列及多种重力流沉积构造；水动力特征显示以重力流为主，沉积主体测井曲线呈低伽马、高电阻的箱形特征。

(2)乌北次洼铜钵庙顶部的湖底扇沉积整体西部扇体富砾，东部扇体砾质减少、砂质增多，可分为富砾湖底扇和含砾富砂湖底扇。富砾扇体可见多种重力流沉积构造；含砾富砂扇体以砂岩为主，常见重力流和牵引流沉积构造。测井曲线上富砾湖底扇主体表现为厚层锯齿状箱形，而含砾富砂湖底扇表现为中—厚层弱齿化箱形特征。沉积展布和沉积厚度上，富砾湖底扇也具有明显优势。

(3)古地貌、物源供给、触发机制的差异是导致乌北次洼箕状断陷在铜钵庙晚期发育2种类型湖底扇的根本原因。富砾湖底扇发育在断陷陡坡，物源供给为前期扇三角洲的粗粒沉积物，触发机制为构造运动；含砾富砂湖底扇发育在断陷缓坡，物源供给为缓坡发育辫状河三角洲的较细粒沉积物，触发机制为重力和构造运动双重影响。2种湖底扇砂体在岩性、厚度、物性及与油源距离有明显差异。勘探、评价的有利方向分别为寻找有利构造高部位和油源断层输导附近落实有利断块，预计可通过评价部署落实探明储量约500×104t。