遼河斷陷盆地地層劃分對比標志研究

吳炳偉，陳 昌，崔曉磊，周鐵鎖，張子璟，王建飛，張東偉，李敬含，孫 轉，翁文勝，張 靜

中國石油遼河油田分公司勘探開發研究院，遼寧 盤錦124010

0 引言

遼河斷陷位于渤海灣盆地東北部，古近紀呈北東向延展的狹長箕狀斷陷，由西部凹陷、東部凹陷、大民屯凹陷和中央凸起、西部凸起、東部凸起“三凹三凸”6個次級構造單元組成（圖1）.其中西部凹陷面積最大，約2 560 km2，呈“東斷西超、南低北高”、北東向延展的箕狀凹陷［1-4］.西部凹陷油氣資源豐富，勘探程度高，鉆井密度大，地震、鉆井、錄井、測井資料詳實，為本次研究奠定了基礎.

圖1 遼河斷陷構造區劃圖Fig.1 Tectonic division of Liaohe fault basin1—凹陷區（sag area）；2—凸起區（uplift area）；3—構造邊界（tectonic boundary）；4—城市（city）

遼河斷陷從1964 年開始油氣調查至今，地層研究始終是油氣勘探工作的基礎.在勘探早期，巖石地層和生物地層是主要的地層劃分對比手段.1980—1990年，隨著地震、鉆井等資料的豐富和地質認識的深入，逐步統一了巖石地層和生物化石帶的命名，確定了二者的對比關系及主要地質界線，將3 個凹陷分別進行了地層劃分對比，并與渤海灣盆地其他地區進行了統層.1990—1992 年，石油系統開展了全國主要含油氣盆地新生界的統層工作，建立了中國各含油氣盆地間新生界劃分對比方案，也奠定了遼河斷陷新生界地層研究的基礎［5-6］.由于遼河斷陷地質構造十分復雜，新生代的構造沉積活動呈現多旋回性，致使新生界具有沉積時間短、沉積厚度大、分割性強、厚度和巖性縱橫向變化快等特點［7-11］.建立地層劃分對比標志，進行全區地層精細劃分對比一直是本區地層研究的難題.近年來，遼河油田逐漸步入高成熟勘探階段，尋找巖性油氣藏等隱蔽油氣藏成為油氣勘探的重點，地層的劃分越來越精細，對地層的研究精度要求不斷提高，陸相地層研究中的一些難點更加突出，影響了油氣勘探的部署.本次研究從區域構造沉積演化分析入手，充分運用巖石地層學、生物地層學、測井地層學、地震地層學等多重地層學研究手段和成果［12-16］，對地層發育最為齊全的西部凹陷近千口探井進行系統的劃分對比，開展古近系沙河街組地層劃分對比標志研究.首先確定區域標志層；其次是建立標準井，明確各地層單元不同類型底界特征，做到各地層單元底界的巖電特征清楚，與下伏地層的巖電特征有別；最后是確定各地層單元不同類型底界的分布邊界.在建立了標準井之后，開展縱橫向對比，劃定各地層單元底界及不同類型底界的分布區.目的是盡量做到地層劃分對比的具體化、標準化、簡單化，解決陸相斷陷盆地構造復雜、沉積相帶窄、地層厚度變化大、巖性變化快給地層劃分對比帶來的困難，以滿足油氣精細勘探的需求.

1 古近系地質特征

遼河斷陷新生代共發生了6 次較大規模的構造運動，構造沉積演化表現為多期旋回［4，7-8］，自下而上沉積了古近系房身泡組、沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組和第四系平原組（表1，圖2）.古近系沙河街組是油氣勘探開發主要層系.

表1 西部凹陷新生界地質特征及劃分標志Table 1 Geological characteristics and stratigraphic markers of the Cenozoic in Western Sag

圖2 西部凹陷古近系地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Paleogene in Western Sag1—砂礫巖（glutenite）；2—含礫粗砂巖（pebbly coarse sandstone）；3—含礫細砂巖（pebbly fine sandstone）；4—中砂巖（medium sandstone）；5—長石砂巖（feldspar sandstone）；6—細砂巖（fine sandstone）；7—粉砂巖（siltstone）；8—泥巖（mudstone）；9—頁巖（shale）；10—油頁巖（oil shale）；11—玄武巖（basalt）

1.1 房身泡組

房身泡組是遼河斷陷新生代初次裂陷的產物，可劃分為上下兩段.下段為深灰色、紫紅色厚層玄武巖；上段主要為深紫紅色泥巖、砂礫巖夾紅色薄層泥巖，在泥巖夾層中見到褶皺樺粉-小刺鷹粉孢粉組合（Betulaepollenites plicoides-Aquilapollenites spinnlosus）.最大揭示厚度為1 204 m（未穿），本組頂底的火山巖年齡分別為46.4 Ma 和65 Ma，與下伏地層呈角度不整合接觸.

1.2 沙河街組四段

沙河街組四段是第一次成盆期的產物，湖盆分割性較強.高升鎮以北是湖泊沉降和沉積中心，以半深湖相沉積為主；中部地區為淺湖相；南部地區為河流-沼澤相［8-11］.巖性可劃分為3 段：下段為深灰、褐灰色泥巖夾玄武巖；中段下部為褐灰色泥巖、鈣質頁巖、油頁巖、白云質灰巖等，上部為灰色泥巖；上段下部主要為灰褐色含礫砂巖、砂巖等，上部為深灰色泥巖與油頁巖、鈣質頁巖、灰巖薄互層.含介形類光滑南星介組合（Austrolypris levis），孢粉杉粉屬-薄極忍冬粉組合（Taxodiaceaepollenites-Lonicerapollis tenuipolaris），溝鞭藻類原始渤海藻-光面球藻屬組合（Bohaidina primitivus-Leiosphaeridia）［6］.最大揭示厚度為1 179 m，與下伏房身泡組為假整合-微角度不整合接觸.

1.3 沙河街組三段

沙河街組三段沉積時期，湖盆快速裂陷，水體最深，除了北部及邊緣地區為濱淺湖相，其他地區主要為深湖-半深湖相沉積［1，7，11］.地層沉積厚度大，生油巖和儲集層發育.巖性可劃分為3 段：下段下部以褐色砂礫巖為主，上部為深灰、褐灰色泥巖夾鈣質頁巖、油頁巖；中段下部為灰、灰白色含礫砂巖，上部為灰、深灰色泥巖；上段以深灰色泥巖為主，夾灰白色砂巖、砂礫巖.含介形類中國華北介組合（Huabeinia chinensis），孢粉小亨氏櫟粉-椴粉屬組合（Quercoidites microhenrici-Tiliaepollenites），溝鞭藻類渤海藻屬組合（Bohaidina）［6］.最大揭示厚度為1 821 m，與下伏沙河街組四段為整合-假整合接觸.

1.4 沙河街組二段

處于裂谷活動的穩定期，湖盆水域收縮，水體明顯變淺，北部及邊緣地區缺失該段地層，洼陷區為濱淺湖相沉積［17］.巖性主要為灰白、棕黃色砂礫巖、長石砂巖，夾深灰、綠灰色泥巖.含介形類橢圓拱星介組合（Camarocypris elliptica），孢粉麻黃粉屬-蕓香粉屬組合（Ephedripites-Rutaceoipollis）［6］.最大揭示厚度為331 m，與下伏沙河街組三段為整合-假整合接觸.

1.5 沙河街組一段

沙河街組一段沉積時期，研究區進入穩定沉降期，湖水再次擴大，南部構造活動增強，水體加深，其他地區以淺湖相為主［8，17］.巖性可劃分為3 段：下段底部為砂泥巖互層，中部為分布穩定的灰色泥巖段，上部為砂巖和泥巖互層，局部地區出現鈣質頁巖和油頁巖；中段為砂泥巖互層和夾油頁巖的泥巖段，油頁巖厚30～50 m，為研究區最穩定的標志層；上段以雜色砂泥巖互層、化石稀少為特征，在盆地邊緣和高壘帶上缺失.含介形類惠民小豆介組合（Phacocypris huiminensis），孢粉櫟粉屬-菱孔楝粉組合（Quercoidites-Meliaceoidites rhomboiporus），溝鞭藻類多刺甲藻屬-菱球藻屬組合（Sentusidinium-Rhombodella）［6］.最大揭示厚度為670 m，與下伏沙河街組二段為整合-假整合接觸.

1.6 東營組

研究區沉積了巨厚的以灰綠色為主、粒度較粗、化石很少的河流相-泛濫平原相砂泥巖.東營組可劃分為3 段.東三段下部為砂泥巖互層，巖性較粗，發育底礫巖；中上部以厚層狀暗色泥巖、砂泥巖互層及砂礫巖為主.東二段下部為砂泥巖互層，上部為暗色泥巖.東一段為黃綠、灰綠、綠灰色泥巖和灰白色砂礫巖互層，以含化石稀少的粗碎屑沉積為特征.含介形類彎脊東營介-單峰華花介組合（Dongyingia inflexicostata-Chinocythere unicuspinata），孢粉波形榆粉-瘤型山龍眼粉組合（Ulmipollenites undulosus -Proteacidites verruciformis），溝鞭藻類疏刺刺球藻-角凸藻屬組合（Baltisphaeridium laxispinosum-Prominargularia）［6］.最大揭示厚度1 829 m，與下伏沙河街組一段為整合-假整合接觸.

2 標志層特征

標志層是指一層或一組具有明顯特征可作為地層對比標志的巖層.它是在沉積盆地內共同的區域地質背景和相對特殊而穩定的沉積環境下形成的產物，具有所含化石和巖性特征明顯、層位穩定、分布范圍廣、易于鑒別的特點，既特殊又普遍［18-21］.在相變迅速的陸相斷陷盆地內，巖性和厚度穩定且分布廣泛的標志層為數不多，標志層的識別和建立顯得尤為重要.因此，在含油氣盆地內尋找和確定標志層不僅限于化石組合和巖性特征，還要結合鉆井的電性標志和沉積旋回分析.本次研究總結并建立了西部凹陷新生界7 個區域標志層，其中沙河街組5 個區域標志層（圖2），這是劃分對比地層、判斷地質年代和層位關系的主要依據.

2.1 房身泡組下部火山巖段（K1）

該標志層位于房身泡組下部，巖性以黑色或紫紅色厚層玄武巖為主，電阻率曲線呈鋸齒狀高阻，是盆地裂陷初期火山噴發的產物.在西部凹陷大凌河以南和興隆臺以北廣大地區分布廣泛的大套玄武巖與前寒武系混合花崗巖、花崗片麻巖、石英巖等老地層或中生界的火山碎屑巖接觸，并呈明顯的角度不整合.主要分布在西部凹陷西斜坡中、北段及東側陡坡帶.

2.2 沙四段上部特殊巖性段（K2）

該標志層位于沙四段上部，巖性為褐色油頁巖、褐灰色白云巖、白云質灰巖與深灰色泥巖薄互層，電阻率曲線為鋸齒狀中低阻，厚度一般40～100 m，形成于寧靜的淺水湖灣環境.其特點是巖性組合特殊、電性特征清晰，主要分布于西部凹陷西部斜坡帶.

2.3 沙三段下部油頁巖段（K3）

該標志層位于沙三段下亞段的頂部，由褐色油頁巖、鈣質頁巖和深灰色泥巖組成，以厚度較大、不含灰巖、電阻率曲線為弱齒狀低阻等特征，區別于沙四段上部特殊巖性段（K2）.主要分布于西部凹陷西部斜坡帶及興隆臺等地區.

2.4 沙二段下部砂礫巖段（K4）

該標志層位于沙二段下部，巖性為棕黃色中-粗粒長石砂巖、砂礫巖，電阻率曲線呈尖刀狀高阻，厚度一般20～100 m.因砂礫巖中含鉀長石及酸性火成巖礫石，常稱作“高粱米（肉紅色）砂礫巖”.該標志層分布局限，以興隆臺地區特征最為明顯，至馬圈子以南相變為砂泥巖互層，不具備“高粱米砂巖”的特征.

2.5 沙一段下部鈣質頁巖標志層（K5）

該標志層位于沙一段底部，由灰褐色鈣質頁巖和灰色泥巖組成，呈薄互層狀，厚度約30 m，分布廣泛，俗稱“鈣片頁巖”，電阻率曲線為多個連續的鋸齒狀單峰.高升、曙光兩地的高部位缺失本標志層.

2.6 沙一段中部油頁巖標志層（K6）

該標志層位于沙一段中部，巖性為褐灰色油頁巖或生物灰巖，厚度10 m 左右，層位穩定，電性特征呈明顯鋸齒狀，是最易識別的區域性對比標志層.在大凌河以西和曙光地區相變為生物灰巖或鮞?；規r.

2.7 館陶組塊狀砂礫巖標志層（K7）

該標志層位于館陶組底部，巖性為灰白色厚層砂礫巖，電阻率呈齒化箱狀高阻，巖性電性特征明顯，厚度穩定，分布廣泛，地震反射連續性好，全區可識別追蹤，為研究區新近系和古近系劃分對比的區域標志層.

3 沙河街組劃分對比標志

陸相斷陷盆地沉積地層橫向變化快，同一地層單元在不同沉積環境和沉積相帶巖石組合和接觸關系存在差異.在區域對比標志層宏觀約束下，確定各地層單元間不同類型底界的巖電特征，建立識別標準和劃分對比標志，劃定同一地層單元不同類型底界的分布區.

3.1 沙四段底界類型及分布

沙四段與下伏地層接觸關系比較復雜，按巖電特征可劃分出4 種類型.

第Ⅰ類：沙四段/房身泡組（細）接觸型.沙四段底部以褐灰、灰、灰綠色砂礫巖和泥巖為主，夾薄層油頁巖，與房身泡組的紅色、灰褐色泥巖接觸，其底界一般劃在房身泡組紅色泥巖段頂.電阻率曲線在界線之下為平滑低阻，之上為弱齒狀低阻.該類型代表井為杜138井，分布在西部凹陷大部分地區（圖3、4）.

圖3 西部凹陷沙四段不同類型底界劃分標志圖Fig.3 Marker beds for different bottom boundaries in the Sha-4 Member of Western Sag1—長石含礫粗砂巖（feldspar pebbly coarse sandstone）；2—含礫中砂巖（pebbly medium sandstone）；3—中砂巖（medium sandstone）；4—長石中砂巖（feldspar medium sandstone）；5—灰質中砂巖（calcareous medium sandstone）；6—細砂巖（fine sandstone）；7—泥質粉砂巖（argillaceous siltstone）；8—粉砂質泥巖（silty mudstone）；9—泥巖（mudstone）；10—灰質頁巖（calcareous shale）；11—油頁巖（oil shale）；12—灰巖（limestone）；13—泥灰巖（marlstone）；14—白云巖（dolomite）；15—凝灰巖（tuff）；16—玄武巖（basalt）；17—安山巖（andesite）；18—花崗巖（granite）

圖4 西部凹陷沙四段不同類型底界分區圖Fig.4 Division of bottom boundary types for the Sha-4 Member in Western Sag1—第I 類分布區（Type I distribution area）；2—第II 類分布區（Type II distribution area）；3—第III 類分布區（Type III distribution area）；4—第IV 類分布區（Type IV distribution area）；5—城鎮（town）；6—代表井（representative well）

第Ⅱ類：沙四段/房身泡組（玄）接觸型.沙四段以白云巖、油頁巖、灰質砂巖、泥巖等與房身泡組灰黑色玄武巖接觸，其底界一般劃在玄武巖頂.電阻率曲線在界線之下為鋸齒狀高阻，之上為齒狀中低阻.該類型代表井為曙古36 井，分布在高升-盤山地區（圖3、4）.

第Ⅲ類：沙四段/中生界接觸型.沙四段的泥巖、油頁巖、白云巖與中生界的火山角礫巖直接接觸，界線劃在中生界角礫巖頂.電阻率曲線在界線之下為箱狀高阻，之上為鋸齒狀中低阻.代表井為歡12 井，僅分布在西部凹陷西南部歡喜嶺、西八千等局部地區（圖3、4）.

第Ⅳ類：沙四段/太古宇接觸型.沙四段牛心坨油層段的灰巖、白云質泥巖、長石砂巖等與下伏太古宇花崗巖直接接觸.電阻率曲線在界線之下為箱狀高阻，之上為為鋸齒狀中高阻.代表井為坨1 井，僅分布在西部凹陷北部牛心坨的地區（圖3、4）.

3.2 沙三段底界類型及分布

沙三段底界可劃分為4 種類型.

第Ⅰ類：沙三段/沙四段（細）接觸型.沙三段油頁巖段與沙四段頂部細段（砂泥巖互層段）接觸，其底界劃在油頁巖底或沙四段砂泥巖互層段頂.電阻率曲線在界線之下為弱齒狀中低阻，之上為齒狀中阻.代表井為歡34 井，分布在西八千、歡喜嶺、盤山、臺安等廣大地區（圖5、6）.

圖5 西部凹陷沙三段不同類型底界劃分標志圖Fig.5 Marker beds for different bottom boundaries in the Sha-3 Member of Western Sag1—砂礫巖（glutenite）；2—含礫粗砂巖（pebbly coarse sandstone）；3—含礫中砂巖（pebbly medium sandstone）；4—細砂巖（fine sandstone）；5—泥質粉砂巖（argillaceous siltstone）；6—含礫泥巖（pebbly mudstone）；7—含砂泥巖（sandy mudstone）；8—粉砂質泥巖（silty mudstone）；9—泥巖（mudstone）；10—灰質頁巖（calcareous shale）；11—油頁巖（oil shale）；12—混合花崗巖（migmatitic granite）

圖6 西部凹陷沙三段不同類型底界分區圖Fig.6 Division of bottom boundary types for the Sha-3 Member in Western Sag1—第I 類分布區（Type I distribution area）；2—第II 類分布區（Type II distribution area）；3—第III 類分布區（Type III distribution area）；4—第IV 類分布區（Type IV distribution area）；5—城鎮（town）；6—代表井（representative well）

第Ⅱ類：沙三段/沙四段（特）接觸型.沙三段的深灰、灰黑色泥巖夾濁積巖與沙四段的油頁巖、鈣質頁巖、白云巖等（特殊巖性段）接觸，其底界劃在沙四段特殊巖性段頂.電阻率曲線在界線之下為鋸齒狀中低阻，之上為平滑低阻.代表井為高22 井，分布在西部斜坡帶杜7 井至坨1 井一帶（圖5、6）.

第Ⅲ類：沙三段/中生界（太古宇）接觸型.沙三段與中生界或太古宇接觸，其底界劃在中生界紅色礫巖及火山巖頂或太古宇混合花崗巖頂.電阻率曲線在界線之下為箱狀高阻，之上為齒狀中低阻.代表井為冷123 井，分布在冷家至大洼靠近中央凸起帶附近（圖5、6）.

第Ⅳ類：沙三段未穿型.在西部凹陷深洼區沙三段未鉆穿，分布在歡南至興隆臺一帶（圖5）.

3.3 沙二段底界類型及分布

西部凹陷沙二段主要分布于中南部深洼區，其他地區缺失，其底界可劃分為2 種類型.

第Ⅰ類：沙二段（細）/沙三段（細）接觸型.以沙二段的灰色粉砂巖、砂巖、泥巖交互沉積與沙三段細段接觸.電阻率曲線在界線之下為平直低阻，之上為鋸齒狀中低阻.代表井為歡33 井，分布在陳家洼陷以南、西斜坡以東地區（圖7、8）.

圖7 西部凹陷沙二段不同類型底界劃分標志圖Fig.7 Marker beds for different bottom boundaries in the Sha-2 Member of Western Sag1—砂礫巖（glutenite）；2—含礫粗砂巖（pebbly coarse sandstone）；3—粉砂巖（siltstone）；4—粉砂質泥巖（silty mudstone）；5—泥巖（mudstone）；6—灰質頁巖（calcareous shale）

圖8 西部凹陷沙二段不同類型底界分區圖Fig.8 Division of bottom boundary types for the Sha-2 Member in Western Sag1—第I 類分布區（Type I distribution area）；2—第II 類分布區（Type II distribution area）；3—第III 類分布區（Type III distribution area）；4—第IV 類分布區（Type IV distribution area）；5—代表井（representative well）

第Ⅱ類：沙二段（粗）/沙三段接觸型.沙二段的砂巖、砂礫巖（高粱米砂巖）與沙三段細段接觸，其底界劃在“高粱米砂巖”底.電阻率曲線在界線之下為平直低阻，之上為尖刀狀高阻.代表井為馬83 井，主要分布在興隆臺和馬圈子地區（圖7、8）.

3.4 沙一段底界類型及分布

沙一段底界可劃分為4 種類型.

第Ⅰ類：沙一段（鈣）/沙二段接觸型.是沙一段與沙二段最主要接觸關系，沙一段下發育標志層“鈣片頁巖”，沙二段厚度較大，一般60～200 m，其底界劃在“鈣片頁巖”標志層底.電阻率曲線在界線之下為鋸齒狀中高阻，之上為齒狀低阻.代表井為歡26 井，分布在中南部的深洼區（圖9、10）.

圖9 西部凹陷沙一段不同類型底界劃分標志圖Fig.9 Marker beds for different bottom boundaries in the Sha-1 Member of Western Sag1—礫巖（conglomerate）；2—砂礫巖（glutenite）；3—含礫粗砂巖（pebbly coarse sandstone）；4—含礫中砂巖（pebbly medium sandstone）；5—中砂巖（medium sandstone）；6—粉砂巖（siltstone）；7—泥巖（mudstone）；8—灰質頁巖（calcareous shale）；9—油頁巖（oil shale）

第Ⅱ類：沙一段（泥）/沙二段（?。┙佑|型.該類型沙一段不見“鈣片頁巖”標志層，沙二段僅厚10～60 m，沙一段泥巖與沙二段含礫砂泥巖段接觸，其底界劃在沙一段泥巖底.電阻率曲線在界線之下為齒狀中低阻，之上為弱齒狀低阻.代表井為歡12 井，僅分布在歡喜嶺東部和盤山西部的局部地區（圖9、10）.

第Ⅲ類：沙一段/沙三段接觸型.沙一段超覆在沙三段之上，與沙三段直接接觸，沙一段底部通常存在底礫巖，其底界劃在砂礫巖底.電阻率曲線在界線之下為平直低阻，之上為鋸齒狀中高阻.代表井為齊41井，分布在深洼區之外的廣大地區（圖9、10）.

第Ⅳ類：沙一段/中生界（太古宇）接觸型.在海外河的局部地區沙一段直接與中生界或太古宇接觸，缺失沙二段和沙三段（圖10）.

圖10 西部凹陷沙一段不同類型底界分區圖Fig.10 Division of bottom boundary types for the Sha-1 Member in Western Sag1—第I 類分布區（Type I distribution area）；2—第II 類分布區（Type II distribution area）；3—第III 類分布區（Type III distribution area）；4—第IV 類分布區（Type IV distribution area）；5—城鎮（town）；6—代表井（representative well）

4 結論

基于遼河斷陷西部凹陷近千口探井鉆、錄、測資料分析，依據多重地層學研究方法，確定古近系7 個區域標志層.在區域標志層控制下，總結了沙河街組各段巖石組合和電性特征的時空變化規律，建立了代表標準井，明確了沙河街組各段不同類型底界的巖電特征和接觸關系，描述了沙河街組共14 種不同類型底界的接觸關系和巖電特征，并以各種類型底界的代表井為基準，劃分出沙河街組各段不同類型底界的分布區.解決了陸相斷陷盆地地層、巖性、巖相變化快給地層劃分對比帶來的困難，使陸相斷陷盆地地層劃分對比更加具體、簡單、易操作.