早在1885— 1890年, Gilbert就对美国邦维尔湖(Lake Bonneville)更新世湖相三角洲沉积体进行了研究, 并首次识别出三角洲沉积体具有三褶结构(Three fold structure)。随后, Barrell(1912, 1914a, 1914b)根据Gilbert的描述, 研究了阿巴拉契亚盆地上泥盆统卡茨基尔三角洲(Catskill Delta)的沉积相特点, 并划分出顶积层、前积层和底积层, 分别描述了各层的岩性、层理与化石等特点, 由此掀起了关于古代三角洲沉积相研究的热潮。因当时并没有形成扇三角洲的概念, 直到Holmes(1965)提出“ 扇三角洲” 的概念之后, 人们才认识到Gilbert研究的邦维尔湖三角洲实际上属于扇三角洲沉积范畴, 从此粗粒沉积研究开始逐渐走进石油勘探家的视野, 揭开了粗粒沉积研究的序幕。

沉积物通常分为碎屑沉积、生物沉积与化学沉积。Walther(1894)以及Grabau(1913)在进行沉积岩分类时提出砂屑岩、砾屑岩等命名。随后由Wentworth(1922)出版的《碎屑岩的粒级范围和分类术语》一书明确提出以2的次幂, Φ 值(Φ =-log₂D)作为划分碎屑沉积颗粒的粒级界限, 并以2 mm(Φ =-1)作为砂岩与砾石的划分界限, 而小于0.0625 mm(1/16 mm, 即Φ > 4)为粉砂, 从而明确了粗、中、细粒沉积物的界线, 使砂岩和砾岩的分类走向了科学的量化领域, 并按粒径将砾石划分为细砾(2~4 mm)、中砾(4~64 mm)、粗砾(64~256 mm)及巨砾(> 256 mm)四级。选定Φ 值作为粒径衡量指标的原因: 解决了粗粒沉积粒径范围跨度过大不易描述与作图的问题; 充分融合了地质学各分支学科的划分方案; 更具可操作性。

早在20世纪30年代, 阿根廷的YPF石油公司在门多萨省进行石油勘探时, 于1934年发现了库约盆地(Cuyo Basin)首个砂砾岩油田(Tupungaton油田), 当年钻的T-3井、T-1井在钻遇三叠系Victor组时发现油层, 自喷油10 t/d; 该油田随后又钻了18口井, 至1937年获得年产油量1.36× 10⁴t, 单井最高产油量可达250~410 t/d。1939年的最后一天又发现了Barrancas砾岩油田, 面积5 km², 单井产量达43 t/d(表1)。在当时石油勘探技术水平相对较低的情况下, 连续5年陆续有发现, 说明这类油藏一旦发现, 其规模相对较为可观。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 国内外砾岩油气田(藏)地质与油藏特征对比一览表 Table 1 Comparison of geological and reservoir characteristics of conglomeratic oil fields from domestic and oversea

表1 国内外砾岩油气田(藏)地质与油藏特征对比一览表 Table 1 Comparison of geological and reservoir characteristics of conglomeratic oil fields from domestic and oversea

3.1.1 国外典型砂砾岩油田的发现与特点

1948年, Gabbert 和 Lindas在美国堪萨斯州波尼县发现了加菲尔德(Garfield)砂砾岩油田(Rogers, 2007)。该油田位于堪萨斯州中央隆起西南边缘, 其独特之处在于它是形成于隐伏构造凹陷中的一种非成层性冲积扇沉积, 冲积扇平面展布面积达近百平方千米, 最初并未得到石油公司的重视, 直到1953— 1955年, 希尔顿(Hilton)钻井公司、科罗拉多(Colorado)石油天然气公司以及其他独立公司在该地区进行密集开发井部署后, 这一发现才得到了工业界的认可; 钻井350口, 孔隙度为8%~25%, 从上石炭统的底砾岩油藏和下石炭统以及奥陶系油藏中生产了138.88× 10⁴t石油和约2× 10⁸im³天然气, 其地质现象与开发特征为致密砂砾岩油气田的开发提供了非常有价值的依据。

1953年, 加拿大飞马石油公司在西部盆地发现了当时加拿大最大的帕宾那(Pembina)油田, 该油田是一个比较典型的低渗透砂砾岩油田, 含油面积达1909.86 km²(表1), 为浅海三角洲沉积, 以砂砾岩为主, 粒径为0.5~1 cm, 粒(砾)间为砂泥充填, 孔隙度在8%~10%之间, 储集层渗透性差, 厚度变化大, 地质储量达11× 10⁸ t。该油区的发现表明, 砂砾岩互层可形成粗粒沉积为储集层的大型油气田, 为后期具有该特点的砂砾岩油田发现提供了范例, 由此粗粒沉积的研究也逐渐得到沉积学家与石油勘探家的关注。

在1951— 1958年间, 阿根廷先后又在库约盆地侏罗系至白垩系中发现了多个砂砾岩油田, 如Barrancas油田, Punta De Las Bardas油田以及Vacas Muertas油田, 由于3个油田在平面上相互连片, 构成了一个统一的大型工业油区, 即门多萨油区, 其含油面积达近百平方千米(表1), 探明石油地质储量达6360× 10⁴ t, 致使门多萨油区在阿根廷占据着重要地位; 其沉积相为冲积扇与辫状河, 储集层以疏松的红色砂砾岩为主, 中砾岩与含砾砂岩交互, 孔隙度、渗透性较好, 预测储量近1.6× 10⁸ t。截至1965年底, 门多萨油区各油田的总日产油量达到1.3× 10⁴ t, 年产油量达到400× 10⁴t以上, 形成了当时世界上的砂砾岩大油田区。截至1992年, 在该盆地总计陆续发现了8个具工业价值的砂砾岩油田。

1965年美国在阿拉斯加州库克湾盆地古近系发现了麦克阿瑟河(McArthur River)油田赫姆洛克(Hum Rock)砾岩油藏。其储集层是一套陆相粗碎屑、低弯度、高能量的辫状河流与曲流河沉积物, 由中— 小砾岩、含砾砂岩、中砂岩及少量粉砂岩和煤层组成, 具有下粗上细的正旋回沉积特征, 自上而下分为6个段, 各段之间均有不渗透的粉砂岩隔层, 其地质储量为2.07× 10⁸ m³, 可采储量为0.85× 10⁸ m³(表1)。随后于1968年, 美国地质调查局又在库克湾盆地的二叠系— 三叠系发现了20世纪美国石油工业史上最大的油田— — 普鲁德霍湾(Prudhoe Bay)油田, 其储集层由砾岩向上渐变为粗砂岩直至细砂岩的多个旋回组成。孔隙度为16%~25%, 渗透性较好。该油藏含油面积为566 km², 石油探明地质储量约30× 10⁸t, 可采储量达13.6× 10⁸t; 天然气储量7300× 10⁸ m³。

上述美洲砂砾岩油气田的发现拓宽了粗粒沉积的研究范围, 使美国和加拿大2个发达国家加大了其勘探的投入与基础理论研究。由此可见, 尽管粗粒沉积储集层的非均质性严重, 然而一旦油田发现, 其储量与含油面积均十分巨大。然而人们一直在疑惑: 为何粗粒沉积这种具重力成因的碎屑流产物会延伸如此大的范围?这也就成了沉积学界一直关注至今的焦点。

3.1.2 国内典型砂砾岩油田的发现与特点

中国早在1955年就在准噶尔盆地西北缘发现了克拉玛依砾岩油田, 含油层位为三叠系克拉玛依组, 以砾岩、含砾粗砂岩为主, 孔喉半径从小于0.1 μ m到大于16 μ m, 孔喉比大于10, 是一套冲积扇相和冲积平原相沉积, 含油面积290 km², 其中预测资源量达25.8× 10⁸ t, 天然气2.1× 10¹² m³, 可采石油地质储量达18.29× 10⁸ t, 天然气766.6× 10⁸ m³(表1)。该油田的发现让人们认识到砾岩在前陆盆地边缘广泛分布, 造山带的抬升和剥蚀使大量陆源粗碎屑物在山前凹陷大量沉积, 形成冲积扇和扇三角洲等近源沉积体系, 分布范围广, 油气潜力巨大, 并与边界断层或不整合一起构成构造— 地层圈闭, 具有特殊的勘探价值, 也扩大了粗粒沉积相关储集层的勘探领域, 为粗粒沉积油气藏的发现提供了一个新的方向。

随着当时中国油气勘探从西部向东部的转移, 1961年在渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组三、四段发现了工业油流, 储集层岩性为砾岩、含砾砂岩, 储集性较差、渗透率低、非均质性严重。其沉积相为近岸水下扇沉积(当时并未有这种概念), 预测储量为2.59× 10⁸ t, 可采储量为0.42× 10⁴ t, 从而使老一辈勘探家认识到, 陆相断陷盆地陡坡带的砂砾岩是有利的勘探区带。

1976年, 在南襄盆地泌阳凹陷发现了双河砂砾岩油田, 含油层位于古近系核三段, 且厚度大, 近源粗粒沉积。该油田含油面积31.8 km², 上报地质储量0.9009× 10⁸ t, 孔隙度及渗透率较好。按其储量及储量丰度在中国东部陆相盆地中可称得上是“ 小而肥” 的中型油田, 从扇根砾岩到扇端粉砂岩均有油层分布, 非均质性十分严重, 由此中国的石油地质与沉积学界开始高度关注砂砾岩沉积的成因与特征描述。随后在二连盆地的蒙古林(1985)与哈南(1996)、吐哈盆地丘陵— 鄯善(1989)以及渤海湾盆地的盐家(1995)陆续发现多个中小型砂砾岩油气田(表1)。这些砂砾岩油田的发现, 说明粗粒在陆相断陷盆地可形成多个小而富的砂砾岩油藏。如何对其储集层分布与物性进行准确预测, 则是学术界所面临的难点与方向。

Denny(1965)在对加州和内华达州死亡谷地区的冲积扇进行研究时, 给出了明确的冲积扇定义: 冲积扇是携带碎屑物质的水流通过狭窄的河道在地势平坦且开阔的地方堆积而成的沉积体。Gole和Chitale(1966)在研究喜马拉雅南麓柯西河冲积扇时, 指出湿扇沉积具有水道发育、扇形与相带不清、以正砾岩为主的基本地质特点。Bluck(1967)在研究苏格兰红色砂砾岩冲积扇时, 提出了4种砾岩类型(碎屑流沉积的副砾岩、片汜沉积的砾岩、水道沉积的槽状交错层理砂砾岩以及水道沉积砾岩)。Bull(1972)和Heward(1978)对不同盆地边缘冲积扇的剖面结构与几何形态进行了详细的研究, Bull主要是讨论单一扇体在纵向剖面上的形态特征, 而Heward则是重点研究盆地边缘断裂性质对冲积扇的控制及其所形成的纵向形态, 并识别出盆地边缘3种不同的断裂结构(持续的盆缘断裂带、有限后退断裂、多次后退断裂), 它们控制着充填盆地的冲积扇体系的几何形态和范围。Spearing(1974)建立了理想的冲积扇沉积相模式及其相剖面, 并将其划分为3个亚相: 扇根、扇中和扇端, 由此明确了冲积扇的4种基本沉积物特征(碎屑流沉积、片汜沉积、河道沉积及筛积物)与相带划分。张纪易(1985)在研究现代洪(冲)积扇和准噶尔盆地古代洪(冲)积扇储集层沉积特征时, 注意到了一些以往未被重视和描述的沉积特征, 并根据扇体不同部位的沉积现象提出了洪(冲)积扇微相划分的意见, 最终得出可作为洪积扇相标志的4种重要沉积特征: 洪积层理、支撑砾石、漏斗状电性曲线及“ 粗、宽、低” 正态概率粒度曲线。

早在1953年, Folk在研究陆相沉积岩时发现由于砾岩组分与粒径的极端差异很难对其命名, 于是依据砾石或角砾含量多少, 即大于30%定义为砾岩或角砾岩(Folk, 1980)。Bluck(1965)在研究冲积扇的沉积特征时, 提出了基于基质含量大小的划分, 即以15%为界限将砾岩划分为正、副砾岩。Clarke(1979)就指出双峰态储集岩的初始孔隙度变化较大, 取决于岩石中砂与砾石的堆积状态和它们的相对比例2个要素, 这其实就是对砾岩支撑结构的粗略表述。Cant和Ethier(1984)在研究了阿尔伯塔省Elmworth气田下白垩统Spirit River组砂砾岩储集层的物性及其影响因素时, 又依据支撑结构将砂砾岩分为3种: 即单峰态颗粒结构砾岩(缺乏杂基)、双峰态颗粒支撑砾岩(杂基为中细砂岩)以及双峰态砂质支撑砾岩。余素玉(1984)以砾石和基质成分为依据, 提出了组分— 成因分类方案: 先按基质充填类型划分出孔隙型砾(角砾)岩、基质型砾岩以及含斑型砾(角砾)岩, 再进一步按基质充填成分和砾石成分进行细分, 如在孔隙型中又划分出无基、砂基、混基以及泥基等; 即以基质含量的多少与孔隙度的大小为第一要素, 随后再依据砾石颗粒的成分(单成分与多成分)进行划分, 纵向上基质成分和充填类型反映水体能量, 横向上按砾石成分和成熟度代表与母岩区关系以及搬运特点和距离。裘亦楠(1985)在研究碎屑岩沉积方式与储集层非均质性时将碎屑岩的沉积方式划分出8种, 首次提出了“ 筛状沉积作用” 的概念, 并指出筛状沉积的砾岩具有多峰态的粒径分布特征, 主要发育在冲积扇平原, 它所产生的特高渗夹层是造成冲积扇砂砾岩储集层层内非均质性复杂化的原因; 胡见义等(1986)在研究渤海湾盆地复式油气聚集区形成与分布时, 论述了断陷盆地砂砾岩体等岩性— 地层油气藏的形成和分布特征, 明确指出砂砾岩储集层的分布具有成群成带的特点, 在平面上构成了不同层系、不同类型的多种类型油气藏的含油气带。

Middleton和Hampton(1973)根据碎屑支撑机理, 即碎屑呈悬浮状态的机理, 将重力流分为碎屑流或泥石流、颗粒流、液化流及浊流4种类型, 其中碎屑流和浊流中粗粒沉积较为发育。随后Walker(1975)指出粗粒沉积具有碎屑流、洪流、浊流、颗粒流、牵引流以及混合流等多种成因, 但这些流体的成因动力与垂向序列特征以及判别标准至今存在争议。

Holmes(1965)在《普通地质学原理》一书中, 正式将扇三角洲沉积解释为陆地冲积扇直接入海或入湖形成的三角洲, 并将其划分为4个相带(三角洲平原内带、三角洲平原外带、三角洲前缘及前三角洲)。孙永传(1980)在研究中国东部新生代断陷盆地沉积类型时, 率先提出了一种新的砂砾岩扇体— — 近岸水下扇, 它是指陆相断陷盆地陡坡带发育的一种特殊沉积体系, 即水下以重力流(或碎屑流)为主形成的扇体, 指出水下扇具备良好的生储盖组合。Ethridge和Wescott(1984)认为扇三角洲多发育在活动的构造区, 常与同沉积大断裂伴生, 大陆碰撞海岸、岛弧碰撞海岸、拖拽边缘海岸等构造背景最有利于扇三角洲发育。

Miall(1977)在研究辫状河沉积特征时, 建立了辫状河的6种垂向序列模式(特罗海姆-Trollheim、斯科特-Scott、唐杰克-Donjek、南萨斯喀彻温-South Saskatchewan、普拉特-Platte及比约型-Bijou Creek), 其中前3种为砂砾岩, 并明确指出辫状河中的砾石沉积大多以垂向加积为主。由此沉积学界开始重视粗粒沉积的垂向沉积序列研究。1985年Miall又对河流进一步的分类, 依据岩相与垂向序列将其划分为12种类型, 率先提出了侧向加积作用可形成砾石质曲流河与顺流加积是形成纵向砾石坝的主要成因之观点。与之同时, Walker(1978)在研究现代与古代深海扇沉积的基础上, 将海底扇划分出补给水道、内扇、中扇、外扇4部分, 详细总结了各微相的垂向序列, 建立了海底扇沉积模式。该模式指导了全球近40年对深海沉积的认识, 直到近年来, Shanmugam(2006)总结了深水环境的多种作用机制和它们彼此间可能存在的转化关系以及相应的沉积模式, 人们才开始对其提出不同的看法, 主要是认为海底扇并非一种模式可以概括。由Koster和Steel(1984)主编的《砾石和砾岩沉积学》论文集中, 收录了当时涉及前陆盆地至大陆隆起环境中粗碎屑沉积作用相关的13个国家29篇学术论文, 内容包含利用露头剖面、井下资料、实验模拟以及流体动力原理等方面, 对之后的研究起到了很大的启迪和借鉴作用。其中Nemec和Steel(1984)在文集中首次明确指出, 砂石的搬运与沉积在冲积扇和浅海2种环境均可发育, 环境变迁的反映表现在其沉积序列上, 并介绍了2种环境下各自的垂向序列以及沉积过程。同时还认为浅海背景下砾石(岩)可以发育在前滨(海滩或河口湾)、临滨、扇三角洲或三角洲河口坝以及吉尔伯特型三角洲等沉积环境之中, 其结构、沉积构造以及其他沉积特征主要受波浪改造和河流注入量等因素的影响。

Nemec和Steel(1988)主编了《扇三角洲》一书, 给出了扇三角洲更为准确的定义, 即冲积扇作为供源形成的粗粒三角洲, 发育在活动的扇体与稳定水体交界地带沉积的沿岸沉积体系, 可以部分或全部淹没于水下, 代表含有大量沉积荷载的冲积扇与海或湖相互作用的产物; 而辫状河三角洲则是由辫状河作为供源形成的, 以底负载为主的粗粒三角洲。书中将粗粒三角洲划分为12种类型, 并建立了相应的沉积模式。紧随其后, Albina 与 Prior(1990)主编的《粗粒三角洲》论文集出版, 这标志着粗粒沉积的理论系统形成, 进一步丰富并刻画了粗粒三角洲的类型及其沉积特征, Nemec(1990)在此书中将粗粒三角洲明确划分为2类: 即扇三角洲和辫状河三角洲, 可以说该文集是介绍粗粒沉积体系与其沉积动力学迄今为止最全面的1本书。同年Wescott与Ethridge(1990)根据扇三角洲前缘的地质地理背景特点总结出3种扇三角洲沉积模式, 即陆架型、陆坡型及吉尔伯特型, 并系统给出了这3类扇三角洲的垂向沉积序列与模式的特征和成因分析。赵澄林(1992)在研究东濮凹陷古近系碎屑岩沉积体系类型与分布时, 总结了陆相湖盆粗粒沉积具有冲积扇、湖成三角洲、湖底扇、扇三角洲、沟道浊积“ 四扇一沟” 的地质特征。Reading和Richards(1994)在研究扇体(海底)物源与沉积展布时, 根据物源情况和内部粒度结构将海底扇体划分为3大类, 即点物源海底扇、多物源水下斜坡扇和线物源水下扇裙, 又依据沉积物类型即富砂、富泥、砂泥以及砂泥混合型将3大类划分12种。可以说这是迄今为止, 依据物源特点与沉积展布对扇体分类最为系统而全面的方案。作者通过多年对内蒙古岱海湖盆现代沉积的考察与辫状河三角洲沉积特征的精细研究, 建立了砾石质辫状河三角洲的微相、垂向序列及沉积模式; 随后将辫状河三角洲进一步分成辫状三角洲(即由辫状河道形成的三角洲)和辫状平原三角洲(即由辫状平原形成的三角洲)(于兴河等, 1995; 于兴河, 2008), 并指出陆相断陷湖盆粗粒三角洲的发育具有: 陡坡小而多, 粒度粗、厚度大、分流河道不发育的特点; 而缓坡则具有大而少、粒度中等偏粗、厚度小、分流河道发育的特征(于兴河等, 2013)。

随着20世纪80— 90年代一些中小型砂砾岩油气田的发现, 粗粒沉积逐渐引起了中国学者的重视。21世纪以来, 粗粒沉积的概念以及特征已经被国外大多学者所认可, 并在实际油藏的发现与研究中得到了广泛的应用。全球油气勘探方向从常规向非常规的转变, 加上粗粒沉积理论与技术的进步, 为砾岩油气藏的勘探与开发提供了理论支撑。在对早期东营凹陷北部陡坡带砂砾岩沉积与储集层地质规律总结的基础上, 应用地球物理技术, 尤其是叠前深度偏移新技术(孔凡仙, 2000), 相继在济阳坳陷发现了91个不同类型的砂砾岩扇体油气藏, 其地质储量达2.35× 10⁸ t, 已产油288× 10⁴ t(潘元林等, 2003), 形成了一定的勘探开发规模(隋风贵, 2003; 闫长辉等, 2010)。此外, 准噶尔盆地腹部发现的白垩系石南31砂砾岩油田, 使隐蔽(岩性)油气藏成为当时新疆油田的一个勘探热点(方世虎等, 2006), 2010年9月在玛北油田北部的玛2井以北三叠系百口泉组三段断层— 岩性圈闭内部署开钻玛13井, 该井在三叠系克拉玛依组下亚段和百口泉组三段油气显示活跃, 试油获日产油2.34 t, 日产气0.521× 10⁴ m³, 从而推动了玛北斜坡区的整体勘探进程。2012年3月, 采用二级加砂压裂新工艺, 在百口泉二段见到良好油气显示, 首获工业油流, 并稳产在8~11 m³/d。同年5月风险探井玛湖1井开钻, 2013年4月未经压裂日产油达48.33 m³(邵雨等, 2015)。这标志着玛湖凹陷斜坡区百口泉组油气勘探获得重大突破, 拉开了玛湖凹陷斜坡区油气勘探的序幕。2014年9月, 玛湖地区多口水平井获得高产油流, 进一步证实了环玛湖凹陷斜坡区百口泉组大面积成藏的潜力, 退覆式扇三角洲沉积是其储集层形成的主体(匡立春等, 2014; 唐勇等, 2014; 支东明等, 2018)。初步展现多个亿吨级高效优质储量区块, 从玛北斜坡至玛南斜坡全长90余千米, 展现出了准噶尔盆地西北缘新的大油区。2017年11月30日, 中国石油新疆油田公司对外发布消息称, 在新疆准噶尔盆地玛湖地区发现了数亿吨级的砾岩油田, 已发现三级石油地质储量超过12.4× 10⁸t, 其中探明储量达5.2× 10⁸t。这比美国赫麦克阿瑟河油田与巴西卡莫普利斯油田探明储量的总和还大(何云超和张崇瑞, 2017), 玛湖砾岩大油区的发现, 使粗粒沉积与储集层的研究再次成为石油勘探与沉积学焦点。

Nemec和Steel(1984)通过统计分析砾岩层中最大粒径(MPS)与单层厚度(BTh)的比值来定量识别陡坡扇三角洲沉积物重力流搬运机制(Koster 和 Steel, 1984), 并指出在陡坡扇三角洲之中, 顶积层即扇三角洲平原一般不发育, 前积层以加积作用为主, 沉积物厚度较吉尔伯特型扇三角洲薄并沿坡上超; 底积层进积作用为主, 在盆底呈高角度下超, 当坡度较陡时粗碎屑沿坡滑落无法在斜坡上保留, 因此大砾石在前缘地带也大面积分布(Nemec, 1990)。于兴河等(2014)和Tan 等(2017)在研究准噶尔盆地玛湖凹陷扇三角洲砾岩油藏时, 提出粗碎屑的阵发性洪水搬运机制, 并划分了碎屑流、洪流和牵引流3种成因的岩相序列。另外, 顾家裕和何斌(1994)对扇三角洲中水下分流河道底部最粗级— 砾岩和含砾不等粒砂岩厚度进行统计, 并计算砾岩和含砾不等粒砂岩占整个储集层厚度的百分比, 依此确定沉积物粒级变化趋势, 推断物源方向。戴启德和纪友亮(1996)根据砾岩的支撑形式与砾级的差别, 将其支撑形式划分为5种类型: 同级颗粒支撑、多级颗粒支撑、局部杂基支撑、杂基支撑以及混合颗粒支撑, 不同的支撑形式通常反映了其物源性质、搬运距离以及沉积方式; 顾家裕等(2005)指出中国陆内前陆盆地粗粒沉积发育, 特别是在前展型陆内前陆盆地中, 推覆体断块的位置不断前移, 推覆强度具有递增的趋势, 山前粗碎屑相带不断向盆地方向推进, 在冲断晚期, 各时期粗粒沉积物纵向叠加和横向连接并和相对细粒的湖相沉积相接可以形成巨厚、大面积优质粗粒沉积储集层。

纵观国内外研究成果可以发现, 进入21世纪后, 粗粒沉积的基本地质特征已得到普遍认同: (1)位于坡度相对较陡的地带; (2)常发育于靠近山麓的前缘物源区(于兴河, 2002); (3)多形成于层序界面的底部, 即不整合面之上(张年富等, 2002; 田景春等, 2003); (4)大多形成于盆地的初始裂陷期、深陷扩张期及断拗转换期; (5)陡坡型粗粒扇体油气藏具备良好的油气生储盖配置组合(匡立春等, 2005); (6)具重力流和牵引流2种以上的流体性质(于兴河, 2008)。但该理论在实际的应用过程中暴露出, 砂砾混杂扇体并非仅受1种或2种成因控制, 且不同扇体在不同构造性质的盆地以及相同性质盆地的不同部位, 其沉积类型、形态、展布规模和岩性等均有所不同。Einsele(2000)又对不同性质的粗粒水下扇扇体的展布形态和水道迁移速率进行的总结, 并提出了深水扇分类标准及特点。

早在1985年Miall在研究辫状河时就提出了进行岩相划分的具体原则与方案, 即以反映水动力条件的粒度为基础(大写字母代表粒度), 以反映沉积作用或方式的沉积构造为重点(小写字母代表沉积构造与支撑形式), 以此将河流沉积的岩相划分为22种岩相类型, 随后又修改成17种(Miall, 1988)。于兴河等(1992)在研究华北地区二叠系岩相组合类型时共划分出13种岩相, 其中就包括2种砾岩相, 即碎屑流沉积砾岩相和纵向坝或滞留沉积砾岩相。然而, 因粗粒沉积成因繁多(重力流与牵引流)、粒径变化大、沉积构造特征不明显, 使得常规岩相划分方案无法准确地反映成因, 难以判别沉积环境, 为此一些学者开始探讨新的适用于砾岩的岩相划分方案, 于兴河等(2014)在研究玛湖百口泉砾岩时, 从其支撑方式出发, 首先依据砂质和泥质的相对含量划分为2类支撑, 再依据砾岩颗粒的粒度以及基质的性质细分为5种支撑方式, 结合其沉积构造划分出9种砾岩的基本岩相类型(图2)。2015年邵雨等出版了《玛湖凹陷百口泉组粗粒三角洲成因机制与展布规律》一书, 系统总结了玛湖凹陷百口泉组粗粒沉积的多种成因机制以及不同成因下粗粒三角洲的展布规律。

图2

Fig.2

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	图2 9种典型砾岩岩相的划分方案(据于兴河等, 2014, 有修改)Fig.2 Subdivision for nine kinds of typical conglomeratic lithofacies(modified from Yu et al., 2014)

粗粒沉积的地震成像差、速度模型建立难, 甚至与火山岩相混, 这就制约了其有效储集层的识别与预测。林松辉等(2005)在预测东营凹陷陡坡带多成因砂砾岩体储集层时, 总结了陡坡带冲积扇、扇三角洲、近岸水下扇和近源浊积扇4种典型砂砾岩体地震相特征, 指出地震波在砂砾岩体传播速度为3000~4000 m/s, 比围岩高5%以上, 砂砾岩扇体的顶面振幅较强、扇根最弱、扇端最强, 据此预测结果建立了针对性的地震识别模式, 并在该地区陡坡带砂砾岩扇体的预测取得了良好的效果。孙海宁等(2007)同样在研究东营凹陷砂砾岩储集层时, 为了克服储集层横向变化快、成层性不好的难点, 提出采用极值滤波处理的随机地震反演技术, 反演后的砂体与实际油层组吻合程度较好。梁星如等(2009)在探讨预测廊固凹陷兴9砂砾岩体方法时, 针对该砂砾岩体具有由多期水下扇叠合的成因特点, 提出了EPS基于模型的反演技术、基于小波边缘分析建模的AIW波阻抗反演、结合地质统计学的地震属性预测方法, 并综合各种方法优选出预测砂砾岩体的有效途径。王维红等(2015)在构造解释和认识的约束下, 基于Kirchhoff积分深度域偏移和网格层析的速度模型建立了合理的深度域速度模型, 实现逆时偏移高精度成像, 识别断陷控制下的砂砾岩目标。张生等(2018)研究车西洼陷西北陡坡带砂砾岩储集层时, 利用地震相与沉积相的映射关系, 综合地震资料及测井资料进行相转化, 建立具有宏观地质意义的相控模型, 有效地约束反演过程, 提高了反演结果的分辨率。如今, 地震资料的处理与解释不再是单从地球物理的角度出发, 而是逐渐结合了地质背景, 针对地质特点而采取更有效的手段。

现代沉积、野外露头及地下密井网研究均不能很好地揭示粗粒扇体的沉积过程, 其形成机制、尤其是碎屑流砾岩体广泛展布的成因机制, 是学术界关注的难点与焦点。因此, 利用水槽实验模拟不同粒度的扇体及其碎屑流的形成过程, 可以帮助人们认识其成因机制。

Major(1997)制作了一个长95 m、宽2 m、坡度31° 的水槽, 采用最大粒径为32 mm的砾石与砂、泥混合物进行了大规模水槽实验(表2), 形成了约15 m³的大规模碎屑流。通过对该实验沉积物的平面及剖面仔细分析表明, 分选差的块状碎屑流沉积物可构成进积式沉积(增长型进积), 而不是简单的块体堆积, 从而阐明了块体搬运和碎屑流置换的沉积过程。这给解释一些盆地砾岩大规模广泛分布提供了可借鉴的理论依据与成因机制。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 国内外主要粗粒沉积水槽物理模拟实验参数与结果 Table 2 Parameters and results of the major coarse-grained flume physical simulation experiments from domestic and oversea

表2 国内外主要粗粒沉积水槽物理模拟实验参数与结果 Table 2 Parameters and results of the major coarse-grained flume physical simulation experiments from domestic and oversea

Clarke等(2010)进行了冲积扇的物理实验(表2), 设计了一个3 m× 3 m的能控制沉积物与水供给量的固定水槽, 用一种可变速的漏斗将沉积物以预定的速率供给到入口水道, 并在此处与水混合, 在到达入口之前, 通过一个调节的压力罐以设定排出压力。扇形区域两侧采用高0.7 m的有机玻璃墙壁封闭, 顶端开了一个口, 即入口水道的位置, 并将其限制在90° 。该实验详细记录了冲积扇不同阶段的平面发育特征, 并认为冲积扇早期以片流为主, 随后发育1~2个主水道, 水道在扇体表面不断迁移摆动并伴随决口和河道废弃、最后演化为单一水道。

印森林等(2017)利用水槽实验分期模拟冲积扇阵发性的形成机制和特点, 探索了不同水道演化过程及规律。实验研究发现, 对碎屑流与牵引流共同控制下冲积扇沉积过程具有如下特点: (1)辫状水道存在2种重要的迁移方式, 单一主水道迁移和分叉式次水道迁移, 单一主水道的迁移是导致扇体前积增大的主要原因, 而分叉式次水道迁移方式是扇体展宽的重要机制; (2)在构造条件相对稳定的情况下, 多期扇体具有明显向源退积的特征(表2)。

在对砂砾岩体进行测井物性的解释建立模型时, 由于砂砾岩体具有岩性复杂、非均质性强、母岩类型变化较大的特点, 岩石骨架参数很难确定, 利用测井资料计算砾岩储集层参数往往精度不高(申本科等, 2012)。史彥尧(2010)在研究克拉玛依油田克下组砾岩油藏时, 先界定砾岩储集层的岩性或骨架矿物, 而后分别建立不同岩性储集层的测井孔隙度与渗透率解释模型, 该方法有效地降低了解释的相对误差, 但其精度首先取决于岩性骨架参数的准确识别。实际上储集层的测井响应并不单一对应于其岩性、物性或者含油性的差异, 而是各种性质的综合响应。对于母岩成分复杂特别是含有火山质成分的砂砾岩来说, 不同矿物的伽马数值变化较大, 灰色砂砾岩与泥岩的GR值与SP值几乎处在同样的范围内, 这就导致GR与SP曲线不再具有指示岩性的作用。所以, 应用单条曲线判别或2条曲线交会分析已难以满足砂砾岩储集层物性研究的需求。因而较为有效的做法是先用密度与电阻率将交会来确定砂砾岩岩性或岩相(付建伟等, 2014), 而后再对不同的岩相利用中子— 核磁有效孔隙度差值计算岩石分选系数, 进而预测砂砾岩储集层发育带和评价其性能的优劣(王贵文和郭荣坤, 2015), 这就较好地规避了砂砾岩测井解释模型建立难的瓶颈。罗兴平等(2017)在对准噶尔盆地玛湖凹陷复杂砂砾岩储集层的岩性识别中, 引入电成像测井, 建立了砂砾岩典型岩性特征参数样本库, 使岩性识别精度得到提升。

近年来, 核磁共振、成像测井、BP神经网络等新技术也逐渐应用到砂砾岩储集层的研究工作中, 在砾岩储集层评价方面起到了一定的促进作用。但限于成本, 目前储集层参数解释仍是以常规测井资料为主。总体来说, 目前对于粒度、基质含量等砂砾岩组构特征的研究成果更多还是局限于岩心上, 在测井上还并没有建立起有效的储集层物性解释模型。

关于粗粒沉积的国际性学术会议并不多见, 最早应是1995年在美国死亡谷召开的首届《国际冲积扇会议》, 当时的目的主要是在粗粒沉积理论日益完善的基础上, 进一步探讨冲积扇的沉积特点与成因控制因素。第二届会议于2003年6月由伦敦地质学会承办在西班牙索巴斯组织召开。该地区被选为这次会议地点的原因是索巴斯具有广泛的第四纪冲积扇沉积, 有利于学者对不同构造背景、气候条件下所形成的不同类型冲积扇进行对比研究。本次会议主要涉及3个主题: 冲积扇的形成过程研究; 第四纪冲积扇的沉积动力和地貌形态研究; 通过古代露头的观察对冲积扇沉积序列进行解释。此次会议为后期冲积扇研究指出了2个明确的方向: 不同控制因素的组合在冲积扇沉积特征中如何准确识别?如何将第四纪冲积扇沉积特征与盆地范围内的地貌与沉积序列特征结合起来研究。2005年伦敦地质协会出版了《冲积扇: 地貌学、沉积学和沉积动力学》会议论文集, 内容涉及野外考察、实验数据分析以及现代与古代冲积扇的地貌形态、沉积方式、控制因素及沉积动力学等, 它是自20世纪以来国际上对冲积扇相关粗粒沉积较为系统总结的专辑, 尤其是对现代冲积扇的沉积特征、展布样式、成因机制以及发育控制因素的研究, 具有很高的参考价值与借鉴意义。

最近一次粗粒沉积的国际会议是2015年11月30日— 12月4日在新西兰克赖斯特彻奇的坎特伯雷大学召开的《第5届国际冲积扇会议》, 来自12个国家和地区的20多名学者参加了本次会议。研究热点为冲积扇的沉积机制与沉积过程、冲积扇的分类及其构型表征、构造对冲积扇内部构型的控制作用、水槽实验模拟冲积扇沉积过程、高泥质冲积扇内部构型、利用宇宙线源同位素测量冲积扇形成年代等。主要研究进展为: 冲积扇的多样性和复杂性决定其具有多种分类方案; 冲积扇表征技术主要通过野外露头、现代沉积、模拟实验及井网解剖等方法来表征; 同生逆断层上盘发育的正牵引构造通过差异隆起、沉积物可容空间等控制冲积扇储集层内部构型的差异分布; 富泥冲积扇所形成的主要原因为构造活动的减弱与沉积物供给的逐渐减少, 其内部构型与粗碎屑砂砾岩冲积扇具有较大差异: 明显的级次性; 扇体形态模糊不清; 冲积扇储集层内部不同构型单元规模差异较大等。下一届国际冲积扇会议将于2020年5月在美国召开, 旨在进一步明晰当前冲积扇热点问题。

综上所述, 粗粒沉积的研究与成果斐然, 但当前存在的问题仍有许多, 相应的系统性文章与专著国内外都并不多见。

5.1.1 问题的提出

沉积体形成时的地形坡度是控制其成因机制、相带展布以及储集层构型与物性特征的核心要素, 是对古地形倾斜程度的定量化指标, 它对地表物质能量迁移转换、沉积物的沉积形式以及砂体的平面分布形态具有重要影响。因此, 地形特征及其坡降特征可以表征可容纳空间的变化, 影响沉积物的供给量(Harvey et al., 2005), 进而控制各类扇体表面的坡降与平面形态(于兴河等, 2013)。古地形坡度的准确计算对分析沉积体系的砂体展布, 内部构型以及滑塌浊积体(操应长和刘晖, 2007)的发育均具有指导意义。但由于现今技术的限制与学术界对古地形坡度概念的混淆, 使得古地形坡度的计算存在一定的偏差。

5.1.2 方法与成因探讨

1)由于粗粒沉积的扇体通常具有洪水事件性, 其沉积也表现出多期次的特征; 在地形坡度较大时, 单期次多为一个朵体或舌形体, 多期的粗粒沉积则表现出朵体或舌形体向两侧摆动与迁移, 构成了相互叠置的补偿性沉积特点。这种补偿性沉积通常表现出逢沟出扇、陡缓差异, 但当存在多个断阶时, 则出现阶地式进积充填的特征(图3), 由此说明不同部位的地形坡度存在较大的差异, 如何计算就成了沉积学中的一个难点。

图3

Fig.3

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	图3 多阶地(断阶)控制下逢沟出扇、陡缓差异扇体发育模式的现代沉积Fig.3 Modern sediments of trough-fans controlled by multiple terraces and fan development models on steep and gentle slopes

2)对地下沉积体的地形特征与坡度恢复时, 由于沉积岩经过差异压实的过程, 多数情况下难以考虑, 目前主要采用回剥的方法来计算去压实厚度; 另外当上覆地层存在剥蚀时, 其剥蚀量更是难以甚至无法准确计算。因此, 当前在油气储集层研究中应用最多的古地貌与古坡形恢复, 则是采用现有沉积岩的厚度进行反算或拉平的方法, 但这只是一个相对的概念, 当差异压实不大且上覆地层无侵蚀时, 总体的规律是可以反映其特征, 但对局部而言会造成沉积作用的误判。

3)任何沉积体的古地形均不是简单的平面, 而是高低起伏的曲面, 尤其粗粒沉积的古地形通常变化剧烈, 大大增加了古地形坡度分段计算的难度。

4)现代沉积更难以测量沉积体不同部位的沉积厚度, 因而也制约了古地形坡度计算的精度。

5)对现今地形坡度计算时, 有人测量扇根到扇端处的角度, 忽视了当今沉积表面不可代表沉积时古地形的问题, 使得古地形坡度的计算存在偏差。就沉积盆地边缘的各类扇体而言, 盆地坡度具有盆边坡角β 与盆内坡角λ 这2个角度, 二者影响扇体展布规模和垂向厚度; 而就扇体或三角洲本身来说, 前积截角α 与前积切角γ 二者共同决定了沉积物的搬运机制(图4), 比如扇根或平原较陡发育重力流(碎屑流)沉积, 扇中或前缘相对要缓, 重力流向牵引流转换, 但地形缓到一定程度或流速过低时则只发生牵引流, 但这一过程水道是其输砂的核心通道。盆边(扇体)坡角与扇缘切角差异明显, 即对古地形坡度概念的混淆将会导致严重的计算偏差, 使人们对其沉积的认识发生重大的变化, 甚至误导。

图4

Fig.4

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	图4 盆地坡度计算示意图Fig.4 Schematic diagram of slope gradient calculation for basins

5.1.3 未来方向与建议

1)在古地形坡度分析时, 应使用大量地震剖面或露头来计算, 建立分段地形坡度与搬运机制以及岩相或沉积序列(地震相与反射特征)类型之间的有机关系, 在此基础上, 结合大量的钻井数据进行古地貌特征的恢复;

2)在野外要充分利用下切沟谷来分析不同部位的垂向序列, 从岩相出发明确不同相带与坡度之间的关系; 若条件允许, 可在野外部署一系列定向井或探槽, 对沉积序列进行精细分析, 以明确其沉积作用, 进而结合相对的古地形恢复结果来分析其粗粒沉积的分布规律, 减少对储集层预测的误判;

3)地形坡度的计算, 应是古地形坡度, 而不是填满后的现今地形坡度, 即在恢复古地貌时, 盆边坡角准确计算才能明确初始坡度, 为早期进入汇水盆地沉积物的水动力背景及物性特征等提供地质依据; 而前积(扇缘)切角则反映的是沉积体前端的地形坡度, 它控制着沉积物由前积转换为加积(漫积)的速度, 切角越大流速与搬运越大, 反之亦然。

总之, 古地形坡度越大, 扇体的沉积厚度越大, 延伸范围则越小(即平面范围越小), 这就是于兴河等(2013)曾提出粗粒沉积在陆相断陷盆地具有陡坡小而多、厚度大, 缓坡大而少、厚度薄的由来。

5.2.1 问题的提出

目前对粗粒沉积物搬运方式的鉴别方法很多, 但可靠而最能被人认可的方法仍是传统粒度概率累计曲线的形态特征, 粗粒沉积中的碎屑流为低斜率的单段式, 洪流为两段式, 牵引流为三段式; 频率曲线上碎屑流呈无峰式、多峰式, 洪流呈多峰式, 牵引流呈单峰式。作者团队于2014— 2017年在研究玛湖凹陷三叠系百口泉组砾岩时, 以基质含量判别其流态成因, 大于35%为碎屑流型, 15%~35%为洪流型, 小于15%为牵引流型, 不同流体的物性也表出明显的不同, 其中碎屑流砾岩主要发育于扇三角洲平原(扇端), 粒度累积概率曲线中悬浮总体占90%以上, 为低斜率单段式无明显截点; 洪流砾岩主要发育于扇三角洲前缘内带(扇中), 粒度曲线开始出现跳跃总体, 呈两段式截点明显; 牵引流砾岩主要发育于扇三角洲前缘外带(扇端), 粒度累积概率曲线中悬浮、跳跃、滚动总体均发育, 为三段式, 由此说明扇体沉积并非只有碎屑流与牵引流2种, 还存在着洪流与混合流的搬运机制(图5)。早期碎屑流沉积砾岩相、牵引流沉积砾岩相的划分方案显然太笼统简单, 即使当前结合基质含量、支撑结构以及沉积构造等沉积特征的划分方案, 在反映成因机制上仍难以表现不同流态间过渡时的特征。许多粗粒扇体中最大颗粒多分布在斜坡的下半部分和趾部, Nemec(1990)讨论了这种碎屑沿斜坡向下变粗的动力学机制, 认为滑落、碎屑流以及高密度浊流均可能是其成因。

图5

Fig.5

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	图5 玛湖凹陷扇三角洲沉积成因、物性特征及粒度概率曲线 a— 沉积成因与典型岩相; b— 物性特征; c— 粒度概率曲线Fig.5 Sedimentary genesis, physical properties, and grain-size probability curves of fan deltas in the Mahu Sag

谭鹏程(2015)在其博士论文中提出以“ 洪流” 一词描述趾积层形成时的流态性质, 其建立的玛湖凹陷百口泉组扇三角洲沉积模式体表现了扇体大砾石的分布区域(图6)。从成因上看, 扇体大颗粒的分布是划分扇体沉积中碎屑流与牵引流界限的标志之一, 流态上的变化是造成此现象的根本原因, 坡度的差异是引起流态变化的基本条件。常规三角洲多发育在缓坡以牵引流搬运为主, 沉积物粒度自物源向盆地方向逐渐减小, 但扇三角洲具重力流成因, 沉积物在重力驱动下沿陡坡形成迅速的块体搬运, 具有蠕动、滑动、滑塌、碎屑流、浊流、碎屑滑落等多种成因机制, 不同成因的粒度分布与粒序变化存在明显差异, 就碎屑滑落而言, 当坡度较陡时, 最大颗粒往往并非存在扇根处, 而是沿坡滚落至底部坡度转折处并构成下细上粗反粒序, 在陡坡上沉积物反而较细(Nemec, 1990), 这便与传统的粗粒沉积扇根处粒度较粗的认识存在明显的不同。

图6

Fig.6

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	图6 扇三角洲沉积模式及最大砾石分布(右上图据Nemec, 1990; 有修改; 据Tan et al., 2017, 有修改)Fig.6 Depositional model of fan delta and distribution of the gravels with maximum grain size (map at top-right modified from Nemec, 1990; Tan et al., 2017)

5.2.2 未来方向与建议

基于基质含量、支撑形式、粒度分布以及沉积构造特征的岩相划分反映了粗粒沉积的成因机制(Miall, 1988; 于兴河等, 1992, 2014)。因此对粗粒沉积储集层, 尤其是对低渗或特低渗储集层而言, 探讨新的体现其成因机制与储集层储能及产能特点的岩相划分方案, 是当前油气勘探与开发过程中亟待解决的难题; 另一方面也是识别砂砾岩垂向序列、结构组分、沉积模式等沉积特征的关键要素, 通过对现代典型粗粒沉积的研究, 建立不同沉积体系下的定量地质库以及精细的粗粒沉积模型。

5.3.1 问题的提出

众所周知, 沉积相是沉积环境的物质表现。因此, 相带的划分应重在其物质不同的表现上, 这就需要对反映其沉积物特点的物质指标(粒序特点、岩相、垂向沉积序列及其发育位置与展布)进行精确地描述与划分, 但粗粒沉积受组分多样、结构复杂、粒度范围广等因素的制约, 不同沉积环境下相带的划分标准存在一定的人为性与随意性, 这就导致同一地区出现不同的相带划分方案。尽管人们早就对于粗粒的沉积相与微相形成了一定的概念, 但仍然存在以下问题:

(1)由于粗粒沉积的类型繁多, 其核心识别标志不够明确, 这就容易造成在具体研究时出现2种或2种以上的观点, 如准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组砾岩扇体, 既有学者认为是冲积扇沉积(刘太勋等, 2006; 宫清顺等, 2010, 2012), 更多的学者认为是扇三角洲沉积(蔚远江等, 2007; 张顺存等, 2011; 于兴河等, 2014); (2)同一沉积体系微相划分不统一, 例如有学者将冲积扇的微相划分为主槽、侧缘槽、槽滩、漫洪带、辫流带、辫流沙岛、漫流带、扇间凹地、山间滩地(张纪易, 1985), 这些划分在野外, 尤其是现代沉积中或许较好识别, 但如何在岩心与野外古代露头上进行识别, 其岩相及其组合特征仍需要继续研究, 对于众多不同类型的粗粒沉积扇体微相划分仍需一定的界线指标。

5.3.2 未来方向与建议

目前国际上的做法则与中国存在不同, 即不是微相的划分而是岩相与其沉积序列的研究。因此, 粗粒沉积相带与微相的划分可靠而关键性的标准应是其垂向的沉积序列或粒序变化的表现, 同时应注重从沉积作用角度来探讨砾岩形成与展布的控制因素, 重在刻画同一微相内不同部位的岩相与其组合(垂向序列)(图7)。另外, 油田开发时更应侧重的是岩相与其组合在空间上的分布, 而不只是微相的划分, 这是因为微相的划分对产能分析而言, 通常过粗, 不能满足生产之需求, 这或许也是国外学者与跨国石油公司多不划相带与微相, 而只划分沉积体系与岩相的核心所在。

图7

Fig.7

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	图7 粗粒扇三角洲不同搬运机制与沉积模式Fig.7 Various transport mechanisms and depositional models of coarse-grained delta

当前有些砂砾岩储集层, 因渗透率极低(< 1× 10^-3μ m²)而被国内工业界划归致密油气的范围。然而就致密油气而言, 更应研究的内容是: ①造成其致密的沉积与成岩成因; ②重点是在微相的基础上划分岩相及其组合序列, 由此来分析其微观孔喉特征与基质含量及类型的关系, 以便明确不同岩相及其组合的储能与产能特征, 而不是只划分微相了, 因微相只能分析其在相带中的展布规律与储集层的宏观特点, 对勘探开发的钻井优化与部署作用有限, 而岩相组合与沉积序列的作用会更大。

5.4.1 问题的提出

通过对国内外的实验室及沉积物理模拟实验成果的分析发现, 现在的模拟实验只是通过诸如活动底板的升降来模拟构造沉降、沉积物供应参数的变化来反映物源差异、水流量的大小来反映气候变化, 而且多为单因素作用下的沉积过程模拟。因此, 只能对简单的沉积过程进行重现。而自然界的沉积环境是多因素动态变化的复杂过程, 实验室难以精确模拟。其核心问题是: 床底的性质不能是硬性或刚性物质, 正如前面提到的不能用粗砂或细砾来代替巨大砾石沉积物进行模拟。

5.4.2 未来方向与建议

物理模拟存在的核心问题是床底的性质不能是硬性或刚性物质, 也无法制造出不同高低起伏的地形; 另外, 从其目的上讲, 实验模拟的最终目的不只是形态与研究古代沉积的相似或一致性, 而应是不同相带或微相内垂向沉积序列的相似或一致性, 以及其动力学机制。由于粗粒沉积的粒度级粗, 需要很强的搬运能力, 且搬运距离近, 沉积速率快, 水槽实验难以模拟其沉积过程。国内外对富含砾石的冲积扇、重力流沉积等模拟实验多用粗砂或含砾粗砂来代替砾石, 降低了实验结果的可信度, 甚至会产生了一定的误导。因此亟待针对粗粒沉积的特点开拓新的沉积模拟实验方法, 旨在得出定量的粗粒沉积模型, 反映粗粒沉积成因机制和相对应的岩相组合特征, 由此来说明不同流体成因与流动机制下的沉积体特点, 即不同部位或相带的垂向沉积序列特征, 以便与古代或砾岩储集层进行对比, 为其储集层的成因分析与预测提供依据与模型。

5.5.1 问题的提出

目前主要仍是沿用常规砂岩储集层的研究思路与方法流程, 在油气藏的早期评价中起到了较好的作用(罗平等, 1986; 万欢等, 2012)。然而, 砂岩和砾岩的沉积特征存在着诸多方面的差异, 尽管成岩作用类型无甚差异, 但其表现方式却区别巨大, 并存在着独有的特点。砾岩结构中存在砾、砂、泥3种粒级颗粒, 各种成岩作用在3种粒级颗粒之间具有不同的表现; 在研究其压实作用时更应关注大颗砾石对压实过程的支撑作用, 这与常规砂岩的压实应有很大的不同。砾石本身通常并不存在明显的溶解与交代作用, 它们主要发生在颗粒之间的填隙物中, 很少发生于颗粒本身(张顺存等, 2010)。尽管碎屑岩的胶结物主要有4种(硅、铁、钙、泥), 但就砾岩而言大多以泥质为主, 其原因是碎屑颗粒与胶结物难以发生化学反应和交代作用(Griffith and Oliver, 1981; Cox et al., 2002)。在砂砾石沉积物固结成岩的过程中, 各种成岩作用究竟如何发挥作用以及砾岩致密的成因至今众说纷纭; 而且砾岩多形成于盆地的初始裂陷期或构造剧烈变动后的快速沉积期, 致密砾岩现今埋深通常较大, 其水— 岩作用应明显不同于砂岩, 但至今未见这方面的系统报导。以上是导致砾岩的成岩作用表现得更为复杂的主要原因, 这也就给人们一个启示: 砾岩储集层物性的研究与定量核心在于基质或填隙物的含量、成分与类型的差异。

5.5.2 未来方向与建议

砾岩成岩作用的研究应当以砂岩成岩作用体系为框架, 针对在不同结构或不同岩相结合的砾岩来开展研究, 从机理上把握砾岩形成的机制、结构特征对物性的响应, 进而发挥成岩作用在储层表征中的作用, 并使人们更加深刻地认识成岩作用对砾岩储集层物性产生的影响。

5.6.1 问题的提出

由于砂砾岩的基本地质特点, 目前测井系列无良好的响应关系, 这就存在2个瓶颈: 岩性与岩相的解释及储集层孔、渗、饱的解释。先用测井资料来准确解释其岩性与岩相(密度与电阻率), 随后再评价其含油性并进行预测, 这方面前人已有较好的思路与方法(王贵文和郭荣坤, 2015)。然而, 科学而合理的岩相划分则是其基础与前提, 当前的问题核心是砾岩的组分过于繁杂, 寻找一个通用的物性解释模型并不现实, 也不应是今后的方向。尽管成岩作用等因素会影响砾岩的物性, 但是砾岩的结构特点是决定其孔渗性的核心因素。然而, 测井曲线只能反映出砾岩内部物质的含量比例关系, 不能反映颗粒大小的分布与结构特点, 砾岩的粗细与其物性关系, 并不像砂岩一样与物性有很好的线性相关性。这是由于砾岩中砾石的粒径跨度很大, 结构复杂, 也就无法通过GR曲线判断粗碎屑颗粒的粒度。另外, 对于密度测井、声波测井以及中子测井等都是在岩石体积物理模型的建立下推导出的结果。因而, 对于砾岩的孔隙结构没有一定程度的把握, 是无法建立岩石体积物理模型, 也就难以准确计算其物性。

5.6.2 未来方向与建议

建议在油田开发阶段, 尤其是低渗粗粒沉积储集层的研究中借用余素玉(1984)的组分— 成因岩性分类与于兴河等(2014)提出的岩相划分来开展其特征的研究, 以便对其分布规律及产能做出合理的评价。因此, 应依据不同支撑结构来建立不同的孔渗模型, 在同一支撑结构下分析砾岩的孔、渗性, 就相当于在同一沉积动力下分析其物性, 这时基质含量(测井响应)与砾石粒径的相关性更好, 虽不能保证满足预测要求, 但却不失为一个颇有价值的研究方向。

5.7.1 问题的提出

由于砂砾岩体的地质特点决定了其地震成像精度低、速度模型难以准确建立, 致使其存在内部地震响应混乱、横向变化大、分布不稳定、与围岩边界不清等问题; 且不同成因类型、不同相带的砂砾岩扇体具有不同的地震反射特征(外部形态、内部结构、反射频率、振幅等)。因而在地震上的解释难度较大(赵立旻等, 2007; 张生等, 2018), 制约了其有效储集层的识别与预测。当前常用而较为有效的方法是采用叠前深度偏移成像技术, 但如何建立可靠而准确的速度模型则是其核心瓶颈。

5.7.2 未来方向与建议

建立可靠而准确的速度模型, 关键在于2个方面: 恰当的地震资料处理手段与合理的地震解释。前者是地球物理的应用, 后者是地质理论的实现。学术界很早就抓住了问题的关键, 但是砂砾岩体的地震识别, 却是在近几年才收效显著。核心在于, 传统的地震处理与地震解释至今并未有实现有机的统一, 而如今越来越多的地震处理专家在开发新技术时开始结合了地质背景, 而使得地震处理与地震解释开始相互融合。国内外有不少学者利用地震相与沉积相的映射关系, 建立了具有宏观地质意义的相控模型, 有效约束反演过程, 提高了反演结果的分辨率。这是地球物理与地质学学科融合的宏观趋势。因此, 针对砂砾岩体的地震识别目前的共识是: 结合地质背景, 以具体沉积相约束反演; 精准建立速度模型; 采用目前比较有效的叠前深度偏移的准确成像。砂砾体预测虽然难度较大, 但深入地把握砂砾岩空间展布地质规律与岩相组合特征及地震资料处理新技术的研发, 同时组成2个学科联合攻关是提高砂砾岩体在地震上识别准确度以及学科发展的明确方向。

总之, 对砂砾岩储集层的识别与解释需要井震结合综合研究, 可发挥测井资料垂向分辨率高、地震资料横向范围大的优点, 充分利用二者数据中隐藏的地质信息, 能够提高砂砾岩储集层的预测精度, 有效地评价砂砾岩储集层类型。但在砂砾岩储集层物性的表征上, 需要将测井资料与岩心资料充分结合, 以组分— 结构分类的岩性或岩相为单元进行物性解释建模, 完善已有测井资料的处理手段并研发针对测井响应难以分开这一问题的处理手段, 例如砾岩母岩的伽马射线与泥质成分的伽马射线是否存在波长与频率上的差别。另外也应开发新的测井技术以使得储集层研究走向更精细的尺度。

5.8.1 问题的提出

油气藏进入开发阶段意味着需展开针对不同油藏精细储层表征, 来研究地下储集层展布规模、砂砾岩连通性、内部格架层分布、非均质性等。储集层精细表征过程中, 地下数据通常具有其自身的局限性: (1)地下数据采集成本过高, 数据量少, 尤其是受钻井数量的约束; (2)测井数据垂向分辨率高(通常可达到0.125 m), 但通常井距较大, 无法有效地控制井间单砂体对比; (3)地震数据具有较高的横向分辨率, 但垂向上仅能分辨厚层砂砾岩体, 无法准确区分单砂体。尤其是粗粒沉积具有相带展布相对局限、垂向厚度大、非均质性严重等特征。然而, 储集层地质知识库通常涉及岩性与岩相库、环境微相库、砂体类型与规模尺度库3方面内容(贾爱林等, 2000), 为了开展精细储集层表征, 有必要利用现代沉积区、密井网区和露头区的精细资料, 建立大量的地质知识库, 以利用定量或半定量的经验数据, 约束地下不同砾岩储集层的展布、隔夹层或非均质性研究, 进而建立地质和地质统计学模型, 指导地下储集层精细对比(裘怿楠, 1991, 1997; 贾爱林等, 2003)。就粗粒沉积的砂砾岩而言, 因其沉积类型多, 甚至同一成因扇体因不同相带或沉积作用的不同, 沉积体与微相的变化也很大, 这就要求对不同相带来建议更多的定量知识库, 如道坝的长宽比、道宽与坝宽之间的对应关系等, 目前这方面的系统研究报道极少。

5.8.2 未来方向与建议

露头与现代沉积是观察和测量并建立定量知识库的良好研究对象, 它们能够更直观地获取粗粒沉积体的规模、展布、叠置方式、连通形式以及岩相组合(垂向沉积序列)等基础地质数据, 通过其研究所得出的地质认识去指导井下地质的研究, 解决依据稀疏井网进行研究资料不足的问题, 这也是沉积分析的基本原则即“ 将今论古” 。目前主要进行现代沉积定量地质知识库的研究方法包括探地雷达(GPR)、地表测绘、地表地震、沉积物取样、探槽取样等。其中运用地表地震或探地雷达资料, 可以观察现代沉积内部的三维几何形态及地质界面的延伸情况, 为建立三维地质模型提供更为精确的资料和证据(Browne and Slatt, 2002; Doherty et al., 2002)。露头区定量地质知识库的研究方法包括: (1)沉积特征精细描述、确定砂体的成因类型(包括粒度、沉积构造、垂向序列分析); (2)测量砂体的厚度、侧向延伸距离(针对不同的砂体类型, 选择不同的剖面方向); (3)取样, 取样密度取决于研究的精度要求。此外, 还可应用手持闪烁计数器来测量岩石伽马值(Browne and Slatt, 2002), 得到类似于井下地层GR测井曲线的露头剖面GR曲线, 便于与地下相应层段进行对比。