基于水动力能量的润湿冲积扇基准面旋回分析 ——以辽河油田D 区块为例

李 晨，樊太亮，王宏远，高志前，樊 华，谢伟伟

（1.中海油研究总院有限责任公司，北京 100028；2.中国地质大学（北京）能源学院，北京 100083； 3.中国石油辽河油田分公司开发事业部，辽宁盘锦 124013；4.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083）

自T.A.Cross 的高分辨率层序地层学理论引入我国后，基准面旋回分析作为其核心思想获得了学者们的极大关注[1–3]，该理论已广泛应用于各种沉积体系内[4–6]。基准面旋回的识别是依靠地层记录中的可容纳空间/沉积物供给量（A/S 值）的变化趋势得到，基准面的升降控制了沉积物的保存程度、砂体叠加样式、相序及相类型[5]。以中期基准面旋回为周期、以短期基准面旋回为成因的地层单元，可较为详细地分析层序叠加样式与A/S 值变化的相互关系[6]。由于中期基准面旋回具有明确的沉积意义，一般纵向上指示一期沉积体形成的全过程，自旋回的干扰作用较小，是最具等时对比意义的层序单元[7]，学者们在应用基准面旋回理论分析具体开发区块内储层非均质性时常将中期旋回作为基本对比单元[8–11]。

基准面的升降状态与沉积动力学存在密切的关系，水动力能量的变化体现了沉积环境的变化，具有较强的指示意义。冲积扇为具有事件性沉积作用的沉积环境，紧邻物源，远离湖盆，单一冲积扇体内的沉积物的体积分配受基底沉降和湖平面变化等控制较弱，更多地受到了水动力能量变化的控制。水动力能量的变化与多种因素相关，既可能受气候周期性变化而引起的降水差异的影响，也可能受携带沉积物的水体自身能量变化的影响。对于后者而言，多形成自旋回，往往对异旋回的识别产生干扰，冲积扇的短期旋回常会受到自旋回的影响。而中期旋回往往较为稳定，单一冲积扇体对应于一期中期旋回，其基准面旋回变化受控于气候周期性变化引起的水动力能量的改变。本次研究旨在分析中期旋回内水动力能量的周期性变化与基准面旋回的响应关系。冲积扇属于典型的陆上沉积，按照气候条件的差异可分为干旱冲积扇和润湿冲积扇。气候差异的影响导致润湿冲积扇具有常年的流水，而干旱冲积扇常年处于干旱，润湿冲积扇单个扇体大，河流作用明显，干旱冲积扇单个扇体小，泥石流作用明显。

前人对冲积扇的基准面旋回变化与砂体分布的关系进行了相关探讨，但从冲积扇水动力能量变化的角度探讨其基准面旋回变化规律的研究较为少见。本次研究以辽河油田D 区块馆陶组润湿冲积扇为例，在润湿冲积扇沉积特征研究的基础上，明确润湿冲积扇沉积微相类型与水动力能量的响应关系，建立水动力能量变化与润湿冲积扇基准面旋回变化之间的联系，进而在基准面旋回分析的基础上分析冲积扇体的纵向叠置结构，为下一步油田挖潜提供地质依据。

1 润湿冲积扇沉积特征

辽河油田D 区块位于辽河坳陷西部凹陷西斜坡带中段上倾部位（图1），研究区新生界自下而上发育沙河街组（Es）、东营组（Ed）、馆陶组（Ng）、明化镇组（Nm）及第四系（Q）。D 区块面积约5.24 km2，边界由多组断层共同限定，区块内部断层较少。D 区块馆陶组取心资料与对应测井响应值统计表明，声波时差曲线对岩性识别程度较高。

图1 辽河油田D 区块区域位置

据前人的认识，辽河油田D 区块馆陶组冲积扇为润湿冲积扇，沉积亚相以扇根亚相和扇中亚相为主。扇根亚相主要由泥石流和片流带两类微相组成，夹少量漫洪泥质沉积。泥石流多表现为砂岩、泥岩和砾岩混杂堆积，砾石含量超过90%，声波时差曲线表现为明显低幅锯齿形，物性较差。片流带是介于泥石流与辫流带的一种沉积微相类型，反映了水动力条件由极度不稳定向较稳定状态的转化（图2）。岩性多以砂砾岩为主，声波时差曲线表现为中高幅宽指形至中高幅窄指形。扇中亚相主要由辫流带组成，距离山根较远，声波时差曲线表现为高幅箱形或齿化高幅箱形，储层物性最好，同时在局部地区可形成少量漫流泥质沉积，声波时差曲线明显高幅，且电阻率曲线明显低幅。

图2 润湿冲积扇主要沉积微相类型

2 润湿冲积扇微相类型与水动力能量 的响应关系

对于陆相碎屑岩沉积体系而言，湖平面的升降变化、构造升降、沉积物供给速率及古气候等因素控制了沉积微相类型。对于润湿冲积扇而言，其基本不受湖平面的影响；同时，对于持续时间较短的沉积阶段而言，其沉积期构造背景稳定，沉积物的体积分配也基本不受构造沉降的影响。其沉积微相类型的变化主要受控于沉积物供给速率和气候。冲积扇的沉积物供给速率强烈受控于水动力能量的变化，而冲积扇水动力能量的变化则主要由古气候变化引起。因此，由古气候变化引起的沉积物供给速率的变化控制了润湿冲积扇的沉积微相类型，同时，根据润湿冲积扇的沉积微相类型也可推断水动力能量的变化。对于具有常年流水的润湿冲积扇而言，水动力能量的变化强烈地改变着润湿冲积扇的组成结构，据此可以根据润湿冲积扇的沉积微相类型判断水动力能量的变化。当水动力能量逐渐下降时，砾岩中出现大量的砂岩，沉积微相以片流带为主；而当水动力能量最低时，形成大面积分布的砂岩，砾岩含量明显降低，沉积微相以辫流带为主。反之，当水动力能量逐渐上升时，则开始出现砾岩，沉积微相以片流带为主，直至最后完全以砾岩为主，沉积微相以泥石流为主。

需要强调的是，气候的间歇性变化导致降水存在差异，从而引起水动力能量的变化。在水动力能量持续增强的过程中，冲积扇局部可能由于水道的迅速改道，形成漫流或漫洪沉积，产生水动力能量减弱的假象。而在水动力能量持续减弱的过程中，可能由于短期快速的水动力增强，冲积扇局部形成小规模的泥石流，产生水动力能量增强的假象。这些假象都是受局部水动力能量自身的变化形成的，属于自旋回现象，自旋回现象并不会改变纵向上单一冲积扇体内水动力能量整体增强或减弱的趋势。

3 水动力能量与润湿冲积扇基准面旋回的响应关系

3.1 水动力能量变化与A/S 值的关系

判断A/S 值的变化是分析基准面旋回的重要基础，所以确定A/S 值的变化过程对于识别基准面旋回具有重要意义。通过润湿冲积扇沉积微相类型的分析可获得水动力能量的变化，建立水动力能量变化与A/S 值的关系，进而确定润湿冲积扇A/S 值的变化规律。润湿冲积扇水动力能量的变化可分为四个时期，分别为水动力能量快速下降期、平缓下降期、快速上升期和平缓上升期。润湿冲积扇在低可容纳空间背景下和高可容纳空间背景下A/S 值的差异主要体现在水动力能量快速上升期。以下∣∆A∣代表可容纳空间增量绝对值，∣∆S∣代表沉积物供给增量绝对值。∣∆A∣/∣∆S∣值用来辅助判断A 值或S 值的主导地位，而A/S 值则用来判断基准面升降变化，A/S 值的增减与基准面升降变化呈正相关关系，基准面至沉积表面所限定的空间代表受控于多种因素的沉积物潜在堆积空间。

在水动力能量快速下降期，受古气候变化影响，冲积扇外部水体供给开始快速下降。即洪泛期过后，沉积物供给量呈现迅速下降的趋势，而可容纳空间则逐渐被充填，伴随水动力能量的快速下降，先形成泥石流沉积，再形成片流带，随后形成辫流带。此时A 值变化甚微，导致∣∆A∣值变化小；而S 值明显降低，导致∣∆S∣值变化大。因此，∣∆A∣/∣∆S∣值明显降低，表明此时S 值成为A/S 值的主控因素；又因S 值的明显降低，故而在该时期A/S 值有所增高，中期基准面上升。

在水动力能量平缓下降期，冲积扇外部水体供给下降速度趋缓，导致S 值的供给趋于稳定，随着沉积物逐渐地充填可容纳空间，A 值逐渐降低，此时大面积发育辫流带。如果此时处于低可容纳空间背景下，则极可能较小的A 值导致这部分沉积物在后续到来的水动力能量快速上升期被部分剥蚀，甚至由于A 值太小，无法接受沉积。此时A 值明显降低，导致∣∆A∣值变化大；而S 值变化微弱，导致∣∆S∣值变化小。因此，∣∆A∣/∣∆S∣值明显增高，表明此时A 值成为A/S 值的主控因素，又因A 值明显降低，故在该时期A/S 值逐渐降低，中期基准面下降。

在水动力能量快速上升期，即在洪泛早期，冲积扇体内S 值呈现迅速增加的趋势，而可容纳空间A 值则没有明显增加。A 值变化甚微，导致∣∆A∣值变化小；而S 值明显增高，导致∣∆S∣值变化大。因此，∣∆A∣/∣∆S∣值明显降低，表明此时S 值成为A/S 值的主控因素，又因S 值的明显增高，故而该时期A/S 值继续降低，中期基准面下降。当处于低可容纳空间背景下时，基准面已下降到潜在可容纳空间以下，基准面趋向于向下游创造新的潜在可容纳空间，进而形成大量的下切冲刷面，沉积物保存状态以过路不留为主（图3a）。而当处于高可容纳空间背景下时，在基准面下降早期仍保持一定的潜在可容纳空间，沉积微相以片流带与辫流带交互沉积为主，而基准面下降晚期则以冲刷面为主（图3b）。

在水动力能量平缓上升期，即在洪泛晚期，随着冲积扇外部水体供给上升速度放缓，导致S 值的供给趋于稳定，携带大量碎屑物的流体在沉积地表快速流动，导致河道下切作用持续进行，形成大量的潜在可容纳空间，A 值明显增加，同时在沉积地表形成泥石流沉积。A 值明显增高，导致∣∆A∣值变化大；而S 值变化甚微，导致∣∆S∣值变化小。因此，∣∆A∣/∣∆S∣值明显增高，表明此时A 值成为A/S 值的主控因素，又因A 值的明显增高，故而该时期A/S 值明显增高，中期基准面上升。

需要强调的是，当水动力能量供给发生中断时（一般发生在水动力能量下降期，即处于基准面上升晚期或基准面下降早期），水体供给断绝，此时S值等于0，导致了A/S 值无限大，形成完全的饥饿面。这种情况多是由于来自物源方向的水动力能量尚未波及到该处，故而不接受沉积。当水动力能量在上升期（即基准面下降晚期和基准面上升早期）能够波及该处时，则形成辫流带或片流带沉积（图3c）。即基准面上升早期，水动力能量由稳定变为快速下降，形成辫流带沉积，随后由于水动力能量中断，形成饥饿面，直至水动力能量上升再次波及此处，即基准面下降晚期，开始形成片流带或辫流带，并且离物源方向越远，越容易在基准面下降晚期形成辫流带。在该种情况下，仅能保留基准面上升早期和基准面下降晚期的沉积物。而当水动力能量在上升期（即基准面下降晚期和基准面上升早期）都极难以波及该处时，那么在基准面上升期和基准面下降早期则完全不接受沉积物，仅会在基准面下降晚期由于水动力能量的迅速上升，形成少量的辫流带，保存少量基准面下降晚期的沉积物。

图3 润湿冲积扇完整单一中期旋回变化与水动力能量的关系

3.2 中期基准面旋回界面的识别

由于冲积扇水动力能量变化复杂，故而短期基准面旋回受自旋回影响严重，而中期基准面旋回对应一期完整的冲积扇体内水动力能量变化。一般而言，将A/S 值由降转升的界面定为中期基准面旋回界面。由上文分析可知，当水动力能量未发生中断时，在水动力能量快速上升期晚期，A/S 值达到最小，可容纳空间达到最低值，形成分布广泛的下切冲刷面；而后水动力能量进入平缓上升期，A/S 值开始由降转升，在冲刷面之上覆盖泥石流沉积。故而将泥石流之下冲刷面之上的这套界面定为中期基准面旋回的界面，此界面之上发育新一期的单一冲积扇体，纵向上，该套界面之上保存泥石流沉积，之下保存片流带或辫流带。而当水动力能量发生中断的时候，A/S 值达到最小时，由于水动力能量较低，并未形成大面积分布的冲刷面，纵向上，界面上下常会形成两期辫流带相互叠置的现象，故而其中期基准面旋回的识别较为困难，需要结合水动力能量未中断的邻井进行综合分析。

3.3 实例分析

以辽河油田D 区块馆陶组润湿冲积扇为例，分析水动力能量变化与润湿冲积扇基准面旋回的响应关系。可在单井相中识别出馆陶组较为明显的4 组中期基准面旋回界面，分别为S1、S2、S3 和S4，界面之上形成泥石流沉积，界面之下为辫流带或片流带沉积，中期基准面旋回界面在研究区内基本可追踪。进而可识别出5 期中期基准面旋回，分别为M1、M2、M3、M4 和M5（图4）。

如果一期中期基准面旋回过程的各个阶段均能够完整地接受沉积，那么其中期基准面旋回内可保存的沉积物的厚度最大，而当其因各种原因导致基准面旋回内可保存的沉积物厚度减薄时，说明其在基准面旋回过程中缺失了部分沉积或曾遭受剥蚀，导致中期基准面旋回内保存的沉积物厚度减薄。

M1 中期基准面旋回内保存的沉积物厚度较薄，主要形成于水动力能量快速下降期和水动力能量快速上升期。当其处于水动力能量平缓下降期时，水动力能量难以波及于此，导致基准面上升晚期和基准面下降早期不保留沉积物，中期基准面旋回内保存的沉积物厚度变薄。可推测在更靠近物源的位置，在水动力能量平缓下降期，水动力能量仍能波及，故而在更靠近物源的位置能够较好地保存基准面上升晚期和基准面下降早期的沉积物，中期基准面旋回内可保存较厚的沉积物。M2 中期基准面旋回在基准面上升和下降半旋回内均保存了厚度较厚的沉积物，此时在水动力能量平缓下降期，水动力能量已可以充分波及，故而可以较好地保存基准面上升晚期和基准面下降早期的沉积物，同时由于其能够保存基准面下降晚期的沉积物，反映其整体处于较高的可容纳空间。M3 中期基准面旋回在中期基准面上升半旋回保存了厚度较厚的沉积物，而在中期基准面下降半旋回内则保存了厚度较薄的沉积物。中期基准面下降半旋回内保存沉积物的厚度出现减薄，说明其可容纳空间降低，在水动力能量快速上升期，难以保留沉积，甚至开始侵蚀水动力能量平缓下降期的沉积物。M4 中期基准面旋回仅在基准面上升半旋回内保存了厚度较厚的沉积物，在基准面下降半旋回内完全不保留沉积物，说明可容纳空间相较于M3 旋回继续降低，水动力能量快速上升期的下切侵蚀作用完全侵蚀了基准面下降半旋回的沉积物。M5中期基准面旋回在基准面上升半旋回内仅保存了厚度较薄的沉积物，说明可容纳空间相较于M4 中期基准面旋回继续降低，水动力能量快速上升期的下切侵蚀作用明显，不仅完全侵蚀基准面下降半旋回的沉积物，甚至连基准面上升半旋回的沉积物也被不断侵蚀（图4）。

纵向上自M1 至M2 中期基准面旋回可容纳空间不断增大，而M2 旋回之后，可容纳空间逐渐降低。同时在单期中期基准面旋回内，基准面上升晚期和基准面下降早期可形成厚度较厚互相叠置的辫流带，而在基准面下降晚期和基准面上升早期形成的辫流带厚度普遍较薄，并且常与片流带互相叠置。

B 井可容纳空间的变化表明，水动力能量最初尚未波及该井，可容纳空间极低。随着水动力能量逐渐波及该井，伴随着沉积物的逐渐充填，可容纳空间由大变小，而中期基准面旋回内保存沉积物的厚度也由厚变薄，并且最后由于基准面的下切侵蚀作用明显，仅能保存中期基准面上升早期的沉积物。该过程反映研究区馆陶组长期基准面旋回为一个下降半旋回，随着长期基准面的不断下降，纵向上可容纳空间由小变大再变小，而顺物源方向上高可容纳空间不断向前迁移，从而在剖面上呈现该复合冲积扇体不断向前进积的状态（图5），这符合高分辨率层序地层学理论中的体积划分原理，即伴随着基准面的升降变化，有效可容纳空间不断发生迁移[2]。故可根据由单井中期基准面旋回分析获得长期基准面旋回的变化，进而分析顺物源方向上高可容纳空间迁移情况，最后得到复合冲积扇体的进退积状态。

图4 D 区块B 井水动力能量变化与润湿冲积扇中期基准面旋回的关系

图5 顺物源方向润湿冲积扇高可容纳空间的迁移与扇体叠置结构的关系

4 结论

（1）水动力能量的变化强烈地改变着润湿冲积扇的组成结构，据此可以根据润湿冲积扇的沉积微相类型判断水动力能量的变化。

（2）水动力的变化在水动力能量未发生中断时，根据润湿冲积扇水动力能量的变化可将中期基准面旋回的变化划分为能量平缓上升期、快速下降期、平缓下降期和快速上升期，分别对应于基准面上升早期、上升晚期、下降早期和下降晚期，其中能量快速上升期进一步划分为低可容纳空间背景和高可容纳空间背景两类。当水动力能量供给发生中断时，常处于基准面上升晚期或基准面下降早期，不接受沉积。

（3）水动力能量变化与润湿冲积扇基准面旋回的关系可建立中期基准面旋回格架，通过对单井中不同中期基准面旋回内可保存沉积物厚度变化进行分析，可获得润湿冲积扇复合体的长期基准面旋回的变化，进而分析顺物源方向上的高可容纳空间迁移情况和复合冲积扇体的进退积状态。