鄂爾多斯盆地榆林氣田山二段沉積微相及砂體展布規(guī)律

崔 璀，鄭榮才，張建武，屈亞龍，王昌勇

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中國石油 長慶油田分公司 超低滲透油藏研究中心，西安710018）

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個復合克拉通性質(zhì)的盆地，具有多構(gòu)造體制、多演化階段、多沉積體系、多原型疊加的特征。根據(jù)現(xiàn)代構(gòu)造形態(tài)，盆地可劃分為6個一級構(gòu)造單元，從南到北、由西至東依次為渭北隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)拗陷、陜北斜坡、晉西撓褶帶和伊盟隆起（圖1）。盆地總體表現(xiàn)為一寬緩西傾的大單斜構(gòu)造，其邊部構(gòu)造發(fā)育，地層傾角不足1°，千米坡降7～10m。榆林氣田位于該盆地東北部，構(gòu)造上屬于大型平緩西傾的伊陜斜坡東偏北部，坡降僅為6m／km，以結(jié)構(gòu)簡單、平穩(wěn)沉降和構(gòu)造穩(wěn)定為特征［1］。這種穩(wěn)定的構(gòu)造背景為鄂爾多斯盆地上古生界氣田的形成和保存創(chuàng)造了良好條件［2］。

晚石炭世早期，鄂爾多斯盆地受祁連—中亞海槽拉張和盆地區(qū)域性拗陷沉降影響，在奧陶系加里東侵蝕面上開始接受石炭紀本溪期和二疊紀太原期海相沉積。在經(jīng)歷2期沉積之后，于華力西末期海水在南北海槽再度夾擊對擠作用下退出該區(qū)，早二疊世太原期海相沉積從而結(jié)束，旋即進入早二疊世山西期海－陸交互相和中二疊世下石盒子期陸相沉積演化歷史，形成下二疊統(tǒng)山西組－石盒子組含氣層系［3，4］。位于山西組下部的第二段（簡稱“山二段”）屬于海相三角洲含煤碎屑巖建造，其底與下伏濱、淺海相的太原組呈平行不整合接觸，其頂與上覆河流相的山一段呈大型底沖刷接觸關(guān)系，本身屬于海相三角洲沉積體系，厚度為90～120m（圖2）；地層分布具有東—西向厚度變化較大，而南—北向較穩(wěn)定的特點。山二段為榆林氣田主力產(chǎn)層［5］，儲層主要為海相三角洲平原－前緣亞相的分流河道砂體，巖性以巖屑石英砂巖、石英砂巖、含礫中－粗?；虿坏攘r屑砂巖為主，孔隙類型包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、剩余原生粒間孔、鑄?？准拔⒘芽p?？紫抖冉橛?.0%～12.0%之間，滲透率介于0.01×10－3～10×10－3μm2之間，總體表現(xiàn)為低孔低滲型儲層；并且總體儲層具有厚度大、分布穩(wěn)定、單井產(chǎn)能較高及開發(fā)效果較好等特點［6］，是榆林地區(qū)天然氣勘探開發(fā)的主要目標層［5］。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造分區(qū)及研究區(qū)位置圖Fig.1 Tectonic division of Ordos Basin and the location of the research area

2 沉積微相特征

2.1 沉積相標志

2.1.1 顏色

顏色是最能直觀、醒目地反映沉積環(huán)境特征的相標志，尤其是泥巖的原生色，是沉積環(huán)境最直接的指示標志。研究區(qū)山二段主要為一套淺灰色－灰白色砂質(zhì)礫巖、含礫粗砂巖、棕紅色細－粗砂巖、粉砂巖與灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖互層組合，局部夾煤層或煤線。由山二段自下而上由棕、紅、紫等氧化色的砂礫巖為主，向淺灰、深灰和灰黑等還原色的泥、粉砂巖為主的規(guī)律性變化，反映山二段經(jīng)歷了從三角洲平原至前緣亞相、淺水氧化環(huán)境向較深水還原環(huán)境轉(zhuǎn)化的沉積演化過程。

2.1.2 粒度分布特征

圖2 榆林氣田陜140井山二段沉積相剖面與層序劃分Fig.2 Sedimentary facies profile and sequence dividing of Member 2of Shanxi Formation in the Yunlin gas field

根據(jù)薄片鑒定和粒度分析結(jié)果可知，研究區(qū)山二段砂巖粒度主要以中粒砂和細粒砂為主，占全部樣品的70%；其次為粗砂，占20%；礫石和粉砂約為10%。粒度標準偏差為0.34～0.81，尖度為0.89～1.25，以正偏態(tài)為主，表明研究區(qū)砂巖分選改造較差。在粒度概率曲線中（圖3－A），樣品以躍移質(zhì)與懸移質(zhì)的兩段式組合為主，少量為推移質(zhì)、躍移質(zhì)和懸移質(zhì)組合的三段式組合。在CM圖中（圖3－B），多位于代表遞變躍移段（QR段），其次位于推移段（PQ段），說明沉積環(huán)境水動力較強，沉積載荷包括了推移質(zhì)、躍移質(zhì)和懸移質(zhì)3種組分，但以躍移質(zhì)為主，特征明顯，總體反映距離物源區(qū)較近和以河道牽引流機制為主的沉積特點［7］。

2.1.3 物質(zhì)組分標志

研究區(qū)山二段巖性主要為巖屑砂巖，巖屑石英砂巖和石英砂巖含量相對較少。碎屑組分中石英含量（面積分數(shù)）介于49.0%～99.0%之間，平均為82.1%；巖屑含量（面積分數(shù)）介于1.0%～51.0%之間，平均為18.1%；長石含量（面積分數(shù)）＜1%，絕大多數(shù)樣品未見長石或僅零星分布。由此可見，山二段砂巖成分成熟度偏低，反映近物源欠改造和快速堆積的沉積環(huán)境特征。

2.1.4 巖石結(jié)構(gòu)標志

山二段砂巖分選性較好，顆粒形狀以次圓－次棱角狀為主，顯示磨圓度中等偏好。從砂巖的分選性和磨圓度特征來看，其具有中等的結(jié)構(gòu)成熟度。砂巖中以顆粒支撐為主，雜基含量低，主要為接觸式－孔隙式膠結(jié)。雜基含量低顯示砂巖的成分成熟度較高，這種內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征的矛盾，說明沉積物具有距離物源區(qū)較近、搬運距離較短、沉積環(huán)境能量高、沉積速度快等特點。

2.1.5 沉積構(gòu)造標志

根據(jù)巖心觀察發(fā)現(xiàn)，底沖刷構(gòu)造在山二段層面構(gòu)造中很發(fā)育，常發(fā)育在上覆粗粒沉積物與下伏細粒沉積物之間，呈平直或波狀起伏的巖性突變面（圖4－A）；而反映低流態(tài)水流條件的小型波狀層理較少見，反映能量較高的河道沉積的各種層理構(gòu)造很發(fā)育，常見的有塊狀層理（圖4－A）、槽狀交錯層理 （圖4－B）、平行層理（圖4－C）、板狀和楔狀交錯層理（圖4－D，E）及底沖刷構(gòu)造（圖4－A，E）等。

2.1.6 古生物標志

研究區(qū)山二段的咸水和淡水雙殼類、魚類、植物碎片化石和海相雙殼類、海百合等化石均可作為該區(qū)沉積環(huán)境的識別標志（圖4－F）。這些化石在暗色泥巖中廣泛分布，并且在榆林氣田山二段鉆井剖面和地表露頭中均有發(fā)現(xiàn)，其顯著特點為淡水陸相生物和咸水海相生物混生組合，與研究區(qū)主體位于海相三角洲平原與前緣過渡地帶的沉積環(huán)境相吻合。除此之外，暗色泥巖中的鉆孔和生物擾動構(gòu)造，對沉積環(huán)境識別和地層劃分與對比具有重要的意義。

2.2 沉積微相劃分

通過對研究區(qū)11口井巖心觀察研究，結(jié)合室內(nèi)薄片鑒定和測井資料解釋，對研究區(qū)山二段沉積相類型進行了識別，認為榆林氣田山二段發(fā)育海陸過渡環(huán)境的辮狀河三角洲平原亞相。在此基礎(chǔ)上又可劃分出水上和水下分流河道、天然堤、決口扇、分流間洼地和洪泛平原等微相類型（圖2）。

2.2.1 水上分流河道微相

圖3 山二段砂巖粒度概率曲線和CM圖Fig.3 Granularity probability curves and CMdiagram of the sandstone in Member 2of Shanxi Formation

圖4 榆林氣田山二段典型沉積構(gòu)造特征巖心照片F(xiàn)ig.4 Photos of typical sedimentary structures of Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

三角洲平原水上分流河道砂體是組成山二段天然氣藏的骨架砂體，主要由中－細粒巖屑石英砂巖、粗粒巖屑砂巖和含礫粗粒巖屑砂巖組成。砂巖中反映高流態(tài)牽引流沉積特征的槽狀和板狀等各類交錯層理構(gòu)造非常發(fā)育，砂體底部具底沖刷構(gòu)造，沖刷泥礫在沖刷面之上普遍發(fā)育。剖面具有下粗上細的正遞變層理，并且由多個分流河道砂體連續(xù)疊加成具復合正韻律結(jié)構(gòu)的厚砂體，總厚度可達40～70m。上述特征表明研究區(qū)山二段三角洲平原分流河道具有橫向遷移快、砂體間沖刷強烈、頻繁發(fā)生快速廢棄—復活的改道活動，河道砂體總體顯示了游蕩性很強的辮狀分流河道特點，其自然電位曲線和伽馬曲線特征主要表現(xiàn)為鐘形、齒化鐘形或箱形。

2.2.2 水下分流河道微相

水下分流河道微相的巖性組合主要為中－粗砂巖和中－細粒砂巖。反映較強水動力條件的大型水下沉積構(gòu)造組合很發(fā)育，如正遞變層理、平行層理、板狀交錯層理和砂體底部的底沖刷構(gòu)造等，局部發(fā)育有反映較低流態(tài)水流條件下的小型波狀層理。粒度概率累積曲線特征以躍移次載荷最發(fā)育為特征，推移次載荷較不發(fā)育（圖3），分選性好，磨圓度高，砂體的自然電位曲線和伽馬曲線特征也表現(xiàn)為鐘形、齒化鐘形或箱形。

2.2.3 天然堤和決口扇微相

天然堤和決口扇微相是洪水時期的河水越過堤岸之后沿分流河道外側(cè)發(fā)生懸移載荷垂向快速加積作用的產(chǎn)物。天然堤和決口扇都具有距離河道不遠、沿分流河道兩側(cè)分布的特點。天然堤和決口扇砂體在平面上沿分流河道兩側(cè)分別呈堤狀和扇狀分布，垂向上超覆在分流間洼地碳質(zhì)泥巖或煤層之上，或者分別覆蓋在分流河道砂體之上，斷面上呈背向河道方向減薄變細的豆莢狀或透鏡狀。兩者巖性都以粉－細粒砂巖與粉砂質(zhì)泥巖互層組合為主，其中天然堤單砂層厚度較薄并且粒度較細，厚度一般為0.5～1.0m，發(fā)育水平層理、波狀層理和沙紋層理等；決口扇砂體粒度相對較粗且厚度較大，局部可達3m以上，以發(fā)育有爬升沙紋層理和具備下細上粗的逆遞變層理為主要特征。

2.2.4 分流間洼地、沼澤和洪泛平原微相

分流間洼地、沼澤為分流河道之間局限低洼和常年蓄水淹沒或淤塞沼澤化的濕地沉積環(huán)境，而洪泛平原為分流河道之間相對高部位的旱地沉積環(huán)境。分流間洼地、沼澤和洪泛平原微相都以接受洪水期的懸移質(zhì)沉積為主，巖性主要為泥巖夾少量粉砂質(zhì)泥巖，粉砂質(zhì)泥巖呈薄層狀。其中分流間洼地受沼澤化的影響較大，致使局部泥巖中有機質(zhì)含量豐富，主要由較單一的黑色泥巖、灰質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖夾少量煤層和煤線組成，在泥巖中局部還夾有少量的薄層狀和紋層狀粉砂巖，水平層理和生物擾動構(gòu)造發(fā)育。而處于暴露環(huán)境的洪泛平原則以雜色和紅色泥巖為主，有機質(zhì)含量低。此2類微相由于受海平面升降變化影響頻繁，在垂向演化序列中常表現(xiàn)為韻律性薄互層產(chǎn)出，并且較難區(qū)分。在測井曲線中都呈低幅平直曲線或微齒化曲線特點。

2.3 沉積相模式

通過對研究區(qū)單井沉積相分析，結(jié)合該時期古構(gòu)造背景、古地形、古氣候和沉積作用類型［8，9］等，以現(xiàn)代沉積學原理為指導，確定榆林氣田山二段主要為辮狀河三角洲平原亞相沉積環(huán)境，氣田范圍內(nèi)以發(fā)育水上分流河道、水上天然堤、決口扇、分流間洼地和洪泛平原沉積微相為主，建立了榆林氣田山二段辮狀河三角洲平原沉積相和三角洲前緣沉積相模式（圖5）。

該沉積相模式體現(xiàn)出以下幾個特點：①展示了山二段辮狀河三角洲平原中的辮狀分流河道、天然堤、決口河道、洼地和沼澤及洪泛平原沉積微相及三角洲前緣水下分流河道、水下天然堤和分流間灣的沉積微相分布；②描述了各沉積微相的展布特征及空間配置關(guān)系；③通過沉積相模式揭示出不同沉積微相類型的砂體展布對儲層發(fā)育的控制作用。

3 層序－巖相古地理和砂體展布

3.1 層序發(fā)育背景和基本特征

圖5 榆林氣田山二段辮狀河三角洲相沉積模式圖Fig.5 Sedimentary model of the braided river delta in Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

榆林氣田山二段三角洲平原主要發(fā)育在北部，南部以發(fā)育三角洲前緣為主，再向南延伸出研究區(qū)外逐漸加深為前三角洲沉積環(huán)境。總體上具有水體淺，分布范圍廣，沉積－層序較穩(wěn)定且厚度變化不大等特點。根據(jù)鉆井巖心、測井和地震等資料的綜合研究結(jié)果，以高分辨率層序分析和等時對比為基礎(chǔ)，在垂向剖面上可將山二段劃分為1個長期、2個中期和4個短期旋回層序（圖2和圖6）。有關(guān)山西組高分辨率層序地層學特征已有很深入的研究［10－12］，本項目以前人的研究成果為基礎(chǔ)，在建立等時地層格架和對地層格架內(nèi)小層砂體精細對比的基礎(chǔ)上，選擇相當于山二段上部的MSC2層序編制砂體展布圖（圖7）和層序－巖相古地理圖（圖8），為砂體幾何形態(tài)描述和儲層預測提供了可靠依據(jù)。

3.2 巖相古地理特征和砂體展布規(guī)律

圖7 榆林氣田山二段上部砂巖等厚圖Fig.7 Isopach map of sandstone in Member 2 of Shanxi Formation in the Yulin gas field

圖8 榆林氣田山二段上部巖相古地理圖Fig.8 The lithofacies paleogeographic map of Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

山二段MSC2為相當于水進擴張期的中期旋回層序，伴隨基準面升、降變化，巖相古地理和砂體展布有如下特點：①基準面上升初期沉積相當于山二段第3小層砂體［13］，于研究區(qū)內(nèi)主要處于三角洲平原環(huán)境，由正北和北東方向進入研究區(qū)的數(shù)條分流河道于研究區(qū)中部匯合后向南進積延伸，分流河道兩側(cè)為天然堤與分流間洼地沉積區(qū)（圖8）。該時期由于受沉積物通量遠大于有效可容納空間的影響，三角洲平原上的分流河道進積和側(cè)向遷移的砂質(zhì)沉積充填作用活躍，側(cè)向遷移頻繁。垂向剖面上，往往由數(shù)個次級旋回的砂體連續(xù)疊置成大砂體（圖6）。平面上北部砂體分布呈與分流間洼地交替的帶狀分布，中部和南部砂體呈中間厚但東、西兩側(cè)相對較薄的連片席狀分布（圖7）。其中分流河道砂體厚10～20m；以分流河道內(nèi)的心灘最厚，一般都在20m以上，是儲集砂體最發(fā)育的位置。而分流間洼地漫流沉積的砂體厚度往往不足3m，粒度也很細，以泥、粉砂巖為主。②基準面上升中期，巖相古地理格局與早期基本一致，但因受基準面加速上升和海域擴大的影響，在S213井─Chang 1井一帶及其以南地區(qū)被海水淹沒而出現(xiàn)海岸線，由海岸線將研究區(qū)分割為北部的三角洲平原沉積區(qū)和中部、南部的三角洲前緣沉積區(qū)（圖8）。其中北部的三角洲平原沉積區(qū)砂體依然呈與分流間洼地交替的帶狀分布，砂體厚度沿分流河道內(nèi)的心灘→分流河道→天然堤的展布方向依次減薄，以心灘厚度較大，多在15m以上。中部和南部的水下分流河道砂體略有減薄，多在8～12m之間，但仍具有連片席狀分布的特點；而水上－水下分流河道兩側(cè)的天然堤砂體厚度更薄，一般不足1m。分流間洼地和分流間灣相對早期明顯更發(fā)育，主要分布在榆29－10井一帶、榆35－8井─陜116井一帶和陜217井一帶，以沉積富含碳質(zhì)組分的暗色泥巖為主。據(jù)區(qū)域巖相古地理研究資料，自北向南由水下分流河道延伸到研究區(qū)東部外側(cè)和南部外側(cè)的河口壩→遠砂壩地區(qū)，砂體厚度減薄和粒度變細的演化趨勢很明顯，再向外延伸則相變?yōu)榍叭侵?，以沉積薄層暗色泥巖為主。③基準面上升晚期，受較大幅度的快速海侵影響，整個研究區(qū)被淹沒進入前三角洲環(huán)境并接受最大海泛期的暗色泥巖連續(xù)沉積，形成山二段具有重要等時對比意義的標志層。④基準面下降期，早期加積→進積作用的沉積記錄，因受大幅度快速海退、暴露和侵蝕影響，于研究區(qū)內(nèi)沒有得到保存，由侵蝕殘余的海泛期暗色泥巖構(gòu)成了山二段砂體頂部重要的區(qū)域性致密蓋層。

4 結(jié)論

通過對榆林氣田山二段沉積相分析和巖相古地理編圖，得出如下認識：

a.巖石學特征研究表明，山西組砂巖儲層中巖屑和長石含量較高，巖石類型主要為巖屑砂巖和巖屑長石砂巖，少量巖屑石英砂巖。低的成分和結(jié)構(gòu)成熟度反映近物源欠改造的快速堆積特征。

b.沉積相研究表明，山西組主要發(fā)育海陸過渡環(huán)境的辮狀河三角洲，榆林氣田主要位于三角洲平原和前緣亞相帶，可識別出水上－水下分流河道、心灘、天然堤、決口扇、分流間洼地、分流間灣（或沼澤）等沉積微相。建立了適合于該地區(qū)的辮狀河三角洲沉積模式，為榆林氣田的高效勘探開發(fā)提供了依據(jù)。

c.沉積構(gòu)造特征表明，反映低流態(tài)水流條件的小型波狀層理較少見，反映能量較高的河道沉積的各種層理構(gòu)造很發(fā)育，有塊狀層理、平行層理、板狀交錯層理、楔狀交錯層理、槽狀交錯層理等。淡水陸相生物和咸水海相生物混生組合化石在暗色泥巖中廣泛分布，榆林氣田山二段鉆井剖面和地表露頭中均有發(fā)育。

d.研究區(qū)砂體分布范圍廣，其中砂體主要由水上－水下分流河道組成，它們構(gòu)成了該區(qū)的主力儲集體。砂體厚度有由厚減薄和粒度由粗變細的演化趨勢，且砂體厚度大物性好，在垂向和縱向連通性好的特點。

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