馬 帥，王永詩，蒲秀剛，馬立馳，，陳世悅，田 雯，孫沛沛

（1.中國石化勝利石油管理局有限公司博士后科研工作站，山東東營 257001；2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257015；3.中國石化勝利油田分公司，山東東營 257001；4.中國石油大港油田分公司，天津 300270；5.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580）

渤海灣盆地是中國重要的含油氣盆地之一，近年來深部層系的油氣勘探陸續(xù)取得了重大突破，特別是冀中坳陷蘇橋-文安潛山以及黃驊坳陷烏馬營潛山、王官屯潛山等上古生界油氣藏的發(fā)現(xiàn)，已逐步成為東部老區(qū)“增儲(chǔ)上產(chǎn)”重要的儲(chǔ)量接替領(lǐng)域［1-4］。中-晚二疊世河流相致密砂巖是渤海灣盆地上古生界最重要的儲(chǔ)集層系，在同屬華北克拉通的鄂爾多斯盆地早已發(fā)現(xiàn)了以該套砂巖為儲(chǔ)層的含油氣系統(tǒng)。目前研究成果表明，華北地區(qū)中-晚二疊世河流相沉積主要發(fā)育在下石盒子組—上石盒子組，自下而上包括黑山段、萬山段及奎山段3個(gè)富砂層段［5］，單一河流相沉積序列垂向上發(fā)育塊狀礫巖、槽狀交錯(cuò)層理砂巖、板狀交錯(cuò)層理砂巖及平行層理砂巖等巖相類型［6-7］，根據(jù)其巖相組合特征可劃分為近源砂礫質(zhì)辮狀河、遠(yuǎn)源砂礫質(zhì)辮狀河、遠(yuǎn)源砂礫質(zhì)曲流河等不同類型［8］，空間上表現(xiàn)為河道、泛濫平原及河漫湖泊交互分布的古地理格局，發(fā)育典型曲流河—辮狀河沉積模式［9］，干旱與潮濕氣候的頻繁交替變化是導(dǎo)致河流相砂體垂向厚度大、非均質(zhì)性強(qiáng)和橫向變化快的主控因素［10］。

在廣泛的沉積盆地范圍內(nèi)受物源、古地貌及搬運(yùn)距離等影響，不同地區(qū)河流沉積過程、水道發(fā)育特征不盡相同，同時(shí)受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞改造作用及多種類型盆地疊加影響，砂體連續(xù)性較弱，且分布具有較強(qiáng)的分割性，這些均在一定程度上制約了油氣勘探的進(jìn)程［11］。筆者在渤海灣盆地周緣野外地質(zhì)剖面精細(xì)描述、坳陷區(qū)近百口鉆井的測井和錄井及巖心資料分析基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)中-晚二疊世河流相沉積特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，明確了各富砂層段的沉積相、亞相及微相類型，探討了河流沉積演化特征，建立了河流相沉積模式，揭示了河流相砂體展布規(guī)律，以期為渤海灣盆地上古生界油氣勘探及目標(biāo)優(yōu)選提供技術(shù)支持。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

渤海灣盆地是發(fā)育在華北板塊前中生界基底蓋層之上的大型裂陷盆地，面積約為2.0×105km2，構(gòu)造位置西起太行山斷裂帶，東至郯廬斷裂帶，北鄰燕山褶皺隆起，南抵魯西南隆起，由多個(gè)坳陷、隆起及凸起組成（圖1a）。從區(qū)域構(gòu)造背景來看，渤海灣盆地在漫長的地質(zhì)演化歷史中經(jīng)歷了多幕次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及盆地疊加作用［12］，特別是中生代以來，受太平洋動(dòng)力體系影響發(fā)生強(qiáng)烈改造，形成了極其復(fù)雜的構(gòu)造樣式，部分地區(qū)前中生界剝蝕殆盡（圖1b）。

研究區(qū)上古生界自下而上包括本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組及石千峰組（圖1c），整體發(fā)育碳酸鹽巖—碎屑巖沉積建造［13］，碎屑物質(zhì)來自北部興蒙構(gòu)造帶［14］，其沉積充填作用受控于海平面變化及古構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等，古地理環(huán)境經(jīng)歷了由海相向陸相的轉(zhuǎn)變，并于中-晚二疊世進(jìn)入河流-湖泊沉積旋回階段［15-17］。

圖1 渤海灣盆地區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Regional geological survey map of Bohai Bay Basin

2 沉積學(xué)特征

沉積巖的沉積學(xué)特征包括巖石的顏色、成分、結(jié)構(gòu)、粒度及沉積構(gòu)造等多個(gè)方面，這些均是反映沉積相類型及沉積環(huán)境的重要指示標(biāo)志。渤海灣盆地中-晚二疊世河流相沉積砂體是良好的儲(chǔ)集體，通過對(duì)渤海灣盆地多口鉆井巖心詳細(xì)的觀察、描述以及周緣野外剖面的勘察、實(shí)測工作，結(jié)合鏡下巖石薄片觀察、測井和錄井資料分析等，對(duì)研究區(qū)中-上二疊統(tǒng)下石盒子組及上石盒子組廣泛發(fā)育的河流相沉積進(jìn)行了詳細(xì)研究。

2.1 巖礦特征

根據(jù)野外剖面及巖心資料，研究區(qū)河流相沉積巖石類型主要包括灰色、灰黃色、黃綠色礫巖、含礫粗砂巖、砂巖以及紫紅色、雜色、黃綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等。

2.1.1 礫巖及含礫粗砂巖

研究區(qū)中-晚二疊世河流相礫巖及含礫粗砂巖整體呈灰色、灰黃色，礫石成分復(fù)雜，包括石英砂巖、石英巖、燧石巖、英安巖等，礫石分選較差，粒徑為0.2～3 cm，磨圓中等—較好，鈣質(zhì)或硅質(zhì)膠結(jié)，顆粒支撐，呈層狀定向排列（圖2A-1）。該類巖石多發(fā)育于上石盒子組萬山段（圖2B-1）及奎山段（圖2A-2），單一旋回厚度為2～6 m，垂向具正粒序特征，與下伏巖性多以沖刷面接觸。

2.1.2 砂巖

渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂巖多呈灰色、灰黃色及棕黃色，其巖石類型、產(chǎn)出狀態(tài)等特征在各個(gè)層段存在明顯差異。其中下石盒子組黑山段砂巖巖石類型多樣，包括巖屑質(zhì)石英砂巖（圖2C-1）、長石質(zhì)巖屑砂巖（圖2C-2）、巖屑質(zhì)長石砂巖及長石質(zhì)石英砂巖；上石盒子組萬山段砂巖巖石類型以中細(xì)粒石英砂巖（圖2A-3）、長石質(zhì)石英砂巖、巖屑質(zhì)石英砂巖及巖屑質(zhì)長石砂巖（圖2C-3）為主；上石盒子組奎山段砂巖巖石類型以中粗粒石英砂巖、巖屑質(zhì)石英砂巖為主（圖2B-2，圖2C-4）。不同地區(qū)砂巖巖石類型及顆粒含量也有所差異，研究區(qū)中北部冀中坳陷東部—黃驊坳陷下石盒子組及上石盒子組萬山段砂巖長石及巖屑含量較高，而東部濟(jì)陽坳陷及西南部臨清坳陷-東濮凹陷長石及巖屑含量明顯降低，至上石盒子組奎山段全區(qū)砂巖中石英含量均較高（圖3）。上石盒子組孝婦河段整體砂巖發(fā)育較少，粒度較細(xì)，砂巖顆粒組分常見燧石巖、硅質(zhì)巖及變質(zhì)巖巖屑，雜基含量為5%～20%，主要為黏土礦物及粉砂級(jí)碎屑顆粒，膠結(jié)物包括高嶺石、伊利石、綠泥石、方解石、鐵方解石等，分選較差，結(jié)構(gòu)成熟度及成分成熟度中等。

圖3 渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂巖巖石分類Fig.3 Classification of middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

2.1.3 泥巖及粉砂質(zhì)泥巖

研究區(qū)中-晚二疊世河流相泥巖及粉砂質(zhì)泥巖顏色為紫紅色、黃綠色、灰黃色、灰色（圖2A-4，圖2B-3），成分以高嶺石為主，含量在50%以上，其次為伊利石，含量為8%～15%，鈣質(zhì)膠結(jié)，發(fā)育波狀層理及水平層理等，常見大量植物碎片（圖2B-4），多發(fā)育于下石盒子組及上石盒子組孝婦河段，整體累積厚度較大。

圖2 渤海灣盆地及其周緣中-晚二疊世河流相碎屑巖野外、巖心及鏡下典型照片F(xiàn)ig.2 Field，coring，and SEM images of middle-late Permian fluvial clastic rocks in Bohai Bay Basin and its periphery

2.2 粒度特征

碎屑巖粒度特征是衡量沉積介質(zhì)能量的良好尺度，同時(shí)也是判別沉積環(huán)境及水動(dòng)力條件的重要標(biāo)志［18］，渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂巖粒度概率累積曲線主要有4種類型。Ⅰ型曲線為兩段式，跳躍組分粒度分布在0.5～2.5?，含量為60%～70%，斜率為55°～80°，懸浮組分斜率為20°～35°（圖4a），整體反映分選較好的河道砂巖沉積。Ⅱ型曲線呈中斜兩段式，粒度整體分布在1～5?，懸浮組分含量稍高，且跳躍組分及懸浮組分斜率相似（圖4b），說明沉積具重力流特征，整體反映水淺流急、快速沉積的特點(diǎn)。Ⅲ型曲線為一跳一懸式，跳躍組分粒度分布在0.25～2.5?，含量為75%～90%，斜率為60°～70°，懸浮組分斜率為10°～15°（圖4c），曲線具單向水流作用特點(diǎn)。Ⅳ型曲線為三段式，粒度整體分布在-0.5～3.5?，跳躍組分含量為50%～70%，斜率為65°～70°左右（圖4c），反映分選中等-較差，以牽引流為主要搬運(yùn)方式，對(duì)應(yīng)具交錯(cuò)層理的中粗粒河道砂巖。

圖4 渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂巖粒度概率累積曲線Fig.4 Grain-size probability curves of middle–late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

2.3 沉積構(gòu)造

沉積構(gòu)造的形成與發(fā)育狀況是沉積介質(zhì)、水動(dòng)力條件及沉積環(huán)境的直接體現(xiàn)，研究區(qū)中-晚二疊世河流相沉積主要發(fā)育沖刷面及各類層理構(gòu)造。沖刷面構(gòu)造屬于層面構(gòu)造，是介質(zhì)流速的突然增加，導(dǎo)致流體對(duì)下伏沉積物沖刷、侵蝕而形成的起伏不平的巖性突變面。其體現(xiàn)的沉積特征在于沖刷面之上沉積環(huán)境的水動(dòng)力條件較下伏沉積物有顯著提高，且上覆沉積物粒度明顯較粗，沖刷面附近見大量泥礫（圖5A-1，圖5A-2），是河道沉積產(chǎn)物的標(biāo)志。層理構(gòu)造屬于流動(dòng)成因沉積構(gòu)造，研究區(qū)河流相主要發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、斜層理、板狀交錯(cuò)層理、平行層理、流水沙紋層理等沉積構(gòu)造（圖5A-3，圖5A-4，圖5B-1—圖5B-4），為河流相典型層理構(gòu)造。

圖5 渤海灣盆地及其周緣中-晚二疊世河流相典型沉積構(gòu)造Fig.5 Typical sedimentary structure of middle-late Permian fluvial facies in Bohai Bay Basin and its periphery

綜上所述，渤海灣盆地中-晚二疊世河流相沉積碎屑巖顏色多變、巖石類型多樣，多種類型砂巖粒度概率累積曲線及大型交錯(cuò)層理的發(fā)育表明碎屑巖沉積水動(dòng)力條件較強(qiáng)，且穩(wěn)定性較差，砂礫巖頂部常見氧化色泥巖，整體以陸相沉積環(huán)境為主。

3 沉積相特征及演化規(guī)律

通過對(duì)渤海灣盆地測井、錄井及巖心資料、周緣野外剖面的深入研究，結(jié)合巖石類型、粒度、沉積構(gòu)造、沉積相標(biāo)志及沉積序列等特征的綜合分析，認(rèn)為研究區(qū)下石盒子組以曲流河沉積為主，上石盒子組萬山段及奎山段以辮狀河沉積為主。

3.1 曲流河沉積

下石盒子組沉積序列宏觀上表現(xiàn)為下粗上細(xì)的典型二元結(jié)構(gòu)特征，野外露頭中發(fā)育由多個(gè)邊灘—堤岸—泛濫盆地疊置組成的曲流河沉積序列（圖6a）。單一沉積序列具正粒序特征，序列底部局部可見沖刷侵蝕下伏地層所形成的滯留層，主體部分由河道遷移而引起的沉積物側(cè)向加積形成的邊灘砂體相互疊置組成，發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理及平行層理（圖6b），自下而上層理規(guī)模逐漸變小，并過渡為具小型交錯(cuò)層理、砂泥韻律層理及水平層理的堤岸沉積，序列頂部則為洪泛時(shí)期大量細(xì)粒懸浮物質(zhì)垂向加積而形成的泛濫盆地沉積。

3.1.1 河床亞相

研究區(qū)曲流河河床亞相以邊灘沉積為主，部分地區(qū)可見洪泛期搬運(yùn)至河床底部沉積的滯留砂礫巖層。巖石類型主要為粗—細(xì)砂巖，碎屑顆粒包括石英、長石、燧石巖屑、板巖巖屑及千枚巖巖屑等，呈次圓狀—次棱角狀，分選較差。單一沉積序列厚度約為3～5 m，垂向上發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理及平行層理等沉積構(gòu)造，局部可見砂泥韻律層理，序列底部常見明顯沖刷充填現(xiàn)象及大量泥礫，整體具向上變細(xì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。沉積作用以側(cè)向加積為主，整體反映復(fù)雜多樣的水動(dòng)力條件。測井響應(yīng)具低自然伽馬、高電阻率、低聲波時(shí)差的特征，曲線形態(tài)多表現(xiàn)為齒化箱形和齒化鐘形（圖6c）。

3.1.2 堤岸亞相

研究區(qū)曲流河堤岸亞相主要由細(xì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成，泥質(zhì)含量較高，局部可見大量炭屑及沿層面富集的云母（圖6c）。沉積構(gòu)造以洪泛期河水漫溢砂巖與間歇期泥巖頻繁薄互層形成的韻律層理為主，局部可見小型的流水沙紋層理和爬升層理，整體反映水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，懸浮組分含量較高。

3.1.3 泛濫盆地亞相

研究區(qū)曲流河泛濫盆地亞相以細(xì)粒底負(fù)載及懸浮質(zhì)沉積物為主，其中干旱條件下發(fā)育以紫紅色、雜色泥巖和粉砂質(zhì)泥巖為特征的河漫灘沉積，受長期暴露及風(fēng)化淋濾影響鋁土質(zhì)含量較高（圖6c）。濕潤氣候下發(fā)育以灰色、灰黑色泥巖為特征的河漫湖泊及河漫沼澤沉積，巖心中保存大量菱鐵礦結(jié)核及植物碎屑，常見水平層理及生物擾動(dòng)構(gòu)造，反映水動(dòng)力條件較弱的緩慢沉積過程。測井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬、低電阻率、中聲波時(shí)差的特征。

圖6 渤海灣盆地下石盒子組曲流河相野外及鉆井典型特征Fig.6 Field and drilling characteristics of meandering river of Lower Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.2 辮狀河沉積

上石盒子組萬山段—奎山段宏觀上表現(xiàn)為二元結(jié)構(gòu)特征不明顯的正粒序沉積序列，垂向上具砂包泥的結(jié)構(gòu)特征（圖7a）。序列底部常見由礫巖或含礫粗砂巖構(gòu)成的滯留層，沖刷侵蝕下伏地層。序列下部為發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理的厚層心灘砂體，由于其沉積水動(dòng)力條件強(qiáng)，河道寬泛且側(cè)向遷移迅速，導(dǎo)致多期透鏡狀砂體頻繁切割且相互疊置（圖7b），心灘砂體之上及兩側(cè)發(fā)育以槽狀交錯(cuò)層理及平行層理為特征的河道充填。頂部為洪泛時(shí)期大量細(xì)粒懸浮物質(zhì)垂向加積而形成的泛濫盆地沉積，垂向上表現(xiàn)為砂體厚度及粒度逐漸變薄變細(xì)的沉積規(guī)律。

圖7 渤海灣盆地上石盒子組辮狀河相野外典型特征Fig.7 Field characteristics of braided river of Upper Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.2.1 河床亞相

研究區(qū)辮狀河河床亞相發(fā)育心灘及河道2種沉積微相，巖石類型包括礫巖、含礫粗砂巖及粗—細(xì)砂巖。心灘微相砂體厚度大、粒度粗，具底平頂凸形態(tài)，單一沉積序列厚度約為5～12 m，垂向上發(fā)育具槽狀交錯(cuò)層理的滯留砂礫巖層以及具塊狀層理、板狀交錯(cuò)層理、平行層理的砂巖層，沉積作用以側(cè)向遷移和垂向加積為主，形成時(shí)水動(dòng)力條件較強(qiáng)（圖8a）。河道微相單砂體厚度及粒度均偏小，具頂平底凸形態(tài)，底部具沖刷充填構(gòu)造，可見河道側(cè)向侵蝕及對(duì)下伏地層沖刷而形成的泥礫，以發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理和平行層理為特征，泥質(zhì)夾層較為發(fā)育，水動(dòng)力條件復(fù)雜多樣（圖8b）。測井曲線上整體具低自然伽馬、高電阻率、低聲波時(shí)差的特征，由于河道微相發(fā)育的水動(dòng)力條件總體較心灘弱，砂巖中泥質(zhì)含量較心灘高，砂體層薄且泥質(zhì)夾層發(fā)育，因此河道砂巖表現(xiàn)出相對(duì)高自然伽馬且局部形態(tài)齒化強(qiáng)烈的特征，自然電位曲線以鐘形為主，而心灘砂體自然電位曲線以箱形、齒化箱形、箱形-鐘形疊加為主（圖8）。

3.2.2 泛濫盆地亞相

泛濫盆地亞相主要發(fā)育灰綠色、紫紅色、雜色泥巖以及灰白色、雜色鋁土巖，鋁土巖中可見受鐵質(zhì)侵染形成的黑色和紅色斑塊，測井上具有高自然伽馬、低電阻率、中高聲波時(shí)差的特征（圖8）。

圖8 渤海灣盆地上石盒子組辮狀河相鉆井典型特征Fig.8 Drilling characteristics of braided river of Upper Shihezi Formation in Bohai Bay Basin

3.3 垂向剖面演化

從渤海灣盆地下石盒子組—上石盒子組連井沉積相對(duì)比剖面來看，研究區(qū)經(jīng)歷了曲流河—辮狀河—湖泊沉積的古地理演化過程。從東—西2條橫切物源方向剖面看，下石盒子組以曲流河沉積為特征，發(fā)育邊灘、堤岸以及泛濫盆地沉積，砂體規(guī)模及砂巖粒度均較??；上石盒子組萬山段沉積類型由曲流河向辮狀河演化，發(fā)育辮狀河道、心灘及泛濫盆地沉積，砂巖層數(shù)較下石盒子組增多，但單砂體厚度較小，一般為8～20 m，砂體規(guī)模較小且孤立；奎山段整體為辮狀河沉積，垂向上發(fā)育3～4套厚層砂體，單砂體厚度較大，普遍為15～35 m，砂體規(guī)模較大且連片發(fā)育，整體反映物源區(qū)快速隆升—穩(wěn)定隆升剝蝕的過程，碎屑物質(zhì)供給能力不斷增強(qiáng)（圖9a，圖9b）。從順物源方向剖面看，砂體自北向南層數(shù)及規(guī)模逐漸減小，富集層位逐漸增高，直至上石盒子組孝婦河段沉積時(shí)期，發(fā)育紫紅色泥巖夾孤立薄層細(xì)砂巖建造，為河流泛濫盆地-湖泊沉積環(huán)境（圖9c）。

圖9 渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂體連井沉積剖面Fig.9 Well-tie sedimentary profiles of the middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

4 砂體展布

砂體展布特征受物源供給強(qiáng)度、原始沉積相帶分布及后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞改造作用等多因素影響。研究區(qū)中-晚二疊世物源供給能力逐漸增強(qiáng)，河流相砂體廣泛分布，并發(fā)育3條主要河道沉積；中生代之后受太平洋動(dòng)力體系影響強(qiáng)烈改造，前期克拉通盆地支離破碎，形成多個(gè)分割性明顯、演化迅速、巖相多變的陸相盆地［19-20］，因此研究區(qū)中-晚二疊世河流相砂體殘余展布具明顯區(qū)帶性。

通過對(duì)渤海灣盆地大量鉆井資料的分析及統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)下石盒子組—上石盒子組萬山段、奎山段河流相逐漸發(fā)育，砂巖成熟度、粒度及厚度均逐漸增大。研究區(qū)河流相骨架砂巖在殘留盆地廣泛分布，其中下石盒子組累積厚度普遍小于80 m，上石盒子組萬山段—奎山段累積厚度較大，普遍為40～120 m；從骨架砂巖殘余厚度分布來看，渤海灣盆地存在3個(gè)厚度中心，分別位于濟(jì)陽坳陷、冀中坳陷東部—黃驊坳陷以及臨清坳陷中西部（圖10）。

圖10 渤海灣盆地中-晚二疊世河流相砂體殘余厚度等值線Fig.10 Contour map of residual thickness of the middle-late Permian fluvial sandstone in Bohai Bay Basin

5 結(jié)論

渤海灣盆地中-晚二疊世發(fā)育一套紫紅色硅質(zhì)碎屑巖建造，巖石類型多樣且顏色多變，沉積水動(dòng)力條件強(qiáng)，穩(wěn)定性差，各類層理發(fā)育，為河流相典型沉積特征。研究區(qū)下石盒子組為曲流河沉積，發(fā)育邊灘、堤岸及泛濫盆地沉積，河道砂巖分布局限；上石盒子組萬山段逐漸向辮狀河演化，心灘、河道及泛濫盆地交互沉積，砂巖層數(shù)及砂體規(guī)模較下石盒子組有所增大；奎山段沉積時(shí)期物源碎屑物質(zhì)供給增強(qiáng)，研究區(qū)以辮狀河心灘及河道沉積為特征，形成滿盆富砂的古地理格局。

研究區(qū)下石盒子組河流相殘余骨架砂巖累積厚度小于80 m，上石盒子組萬山段—奎山段累積厚度為40～120 m，并在濟(jì)陽坳陷、冀中坳陷東部—黃驊坳陷以及臨清坳陷中西部發(fā)育3個(gè)厚度中心。