子洲氣田中二疊世山23期沉積相再認(rèn)識(shí)

安文宏，楊文敬，石小虎，楊 勇，馮永玖

(1．中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710021;2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710021;3．長(zhǎng)慶油田公司勘探部，陜西西安710021)

子洲氣田位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中部，北起佳縣，南至清澗，東到吳堡，西抵子長(zhǎng)，以二疊系山西組山2

3段為主力開發(fā)層段。截止2012年底已成功建成17億m3/a生產(chǎn)規(guī)模。目前正在積極進(jìn)行滾動(dòng)擴(kuò)邊，然而有關(guān)子洲氣田沉積環(huán)境的判別卻成為困擾目前地質(zhì)分析的核心問題。

筆者根據(jù)辮狀河三角洲沉積的觀點(diǎn)進(jìn)行砂體預(yù)測(cè)，在生產(chǎn)實(shí)踐中加強(qiáng)了對(duì)山2段地質(zhì)分析，重新認(rèn)識(shí)子洲氣田沉積相，劃分出湖岸線位置，并在沉積相重新認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上分析了沉積相對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能和氣水分布的控制作用，對(duì)子洲氣田的滾動(dòng)擴(kuò)邊開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

1 山23段三角洲類型探究

鄂爾多斯盆地在晚加里東運(yùn)動(dòng)后期，秦祁海槽關(guān)閉，區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)1．3～1．5億a之久的風(fēng)化剝蝕。海西旋回中期，秦嶺祁連海槽和中亞－蒙古海槽再度拉開，鄂爾多斯地塊發(fā)生區(qū)域沉降，進(jìn)入了海相沉積階段［1］。東緣直至晚石炭世早期才開始接受沉積，并在早二疊世東部海水從東、東南方侵入并越過中央古隆起與西部海域聯(lián)合，形成統(tǒng)一陸表海。在歷經(jīng)本溪期、太原期沉積之后，到海西旋回末期，秦嶺祁連海槽再次對(duì)擠，海水逐漸退出鄂爾多斯盆地。

盆地東部山西組的沉積環(huán)境眾多學(xué)者進(jìn)行過研究，基本上可歸納為3種觀點(diǎn):陸相湖盆、近海湖盆［2-3］和淺海陸棚。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，沉積相在太原期的基礎(chǔ)上重新分化組合，山西組以三角洲相沉積為主［4］，但此三角洲的沉積背景是淺海陸棚還是近海湖盆，抑或是內(nèi)陸湖盆?盆地東部海退是在太原期末迅速退出使研究區(qū)成為近海湖盆，還是緩慢海退在山西期仍為淺海陸棚，又抑或是與海水完全隔絕的內(nèi)陸湖盆。

以往的研究將山西組山23段地層判定為曲流河三角洲沉積體系［5］，但是近些年來的開發(fā)實(shí)踐證明，砂體展布并不是曲流河三角洲沉積體系，而是辮狀河三角洲沉積體系［6-7］。其次，對(duì)于期沉積有無受到海洋因素的影響一直未能達(dá)成一致結(jié)論。

1．1 地球化學(xué)證據(jù)

地球化學(xué)特征是反映沉積環(huán)境最重要的指標(biāo)。葉黎明等［8］對(duì)盆地東部的研究結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)除西北部淡水作用強(qiáng)烈外，其他區(qū)域泥巖的沉積水體以中鹽水為主。僅榆30井山23亞段的沉積環(huán)境為海水，其余均為淡水。葉黎明指出對(duì)于山西組來說，將Sr/Ba等于0．3作為淡水和混合水的界線是比較合理的。整個(gè)山西期在超長(zhǎng)期旋回中屬于海退過程，榆30井的Sr/Ba最大值出現(xiàn)在太原組，達(dá)13．7，此后逐漸降低至山西組頂部?jī)H為0．2?？偟膩砜?，Sr/Ba和鹽度都表明盆地東部山西組主要沉積在混合水體中。

本次所做樣品的數(shù)據(jù)，從山1至的退積過程中，Sr/Ba比值呈明顯增大趨勢(shì)，其中榆20井的值達(dá)到了 0．627，見表 1。按照鄧宏文等［9］1993 年提出的鹽度半定量判別標(biāo)準(zhǔn)，88Sr/137Ba的值小于0．5時(shí)為微咸水 － 淡水，0．5 ～1．0 之間為半咸水，大于1．0則判定為咸水環(huán)境。說明山西期早期山23段受到海相咸水環(huán)境影響，后期至山1期逐漸演變?yōu)榈h(huán)境沉積。

地球化學(xué)特征表明，由于受海水的影響，盆地東部在整個(gè)山西期的沉積水體以混合水為主，山23三角洲沉積體系的沉積背景不可能是陸相湖盆［10］，而且如此強(qiáng)烈的混合水作用不太可能出現(xiàn)在近海湖盆中［11］，但要區(qū)分近海湖盆還是淺海陸棚，則需進(jìn)一步分析地層分布、原生沉積構(gòu)造和古生物化石等方面的證據(jù)。

表1 研究區(qū)及鄰區(qū)山西組地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)Tab．1 Geochemical analysis data of Shanxi Formation in the studied area and its adjacent regions

1．2 生物化石證據(jù)

子洲氣田北部的榆19井存在明顯的底沖刷構(gòu)造(見圖1(a))，代表了河流相沉積環(huán)境。

圖1 子洲氣田段生物構(gòu)造、巖石構(gòu)造、礦物照片F(xiàn)ig．1 Pictures of biological structure，rock structure and mineral of the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

3段無疑不會(huì)是陸相湖盆沉積環(huán)境，而應(yīng)該是海水影響下的沉積環(huán)境，這也否定了陸相湖盆的結(jié)論，但是至于是近海湖泊環(huán)境還是海相環(huán)境有待進(jìn)一步證實(shí)。

另外，在子洲氣田南部榆48井山23段的泥巖中有棘皮類化石碎片存在［12］，這也揭示了子洲氣田南部的榆48井附近山2期受到了海相沉積環(huán)境的影響。

1．3 沉積構(gòu)造證據(jù)

羽狀交錯(cuò)層理在成家溝剖面山西組底部細(xì)砂巖、鄉(xiāng)寧甘草山剖面底部砂巖中普遍可以見到，筆者認(rèn)為是典型的潮道沉積。

上述這些具有海相成因的沉積構(gòu)造均見于成家溝及太原以南地區(qū)。在剖面上，它們大都集中于山西組下部。其分布特點(diǎn)是:底部的粗砂巖中單向水流形成的板狀層理、塊狀層理為主，局部出現(xiàn)羽狀交錯(cuò)層理，中上部則為具有潮汐層理的泥質(zhì)砂巖和泥巖所覆蓋。這些層理構(gòu)造的分布特點(diǎn)反映了在山西早期潮汐作用直接影響了研究區(qū)的東南部，對(duì)三角洲沉積進(jìn)行改造，到了中后期北部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，三角洲快速進(jìn)積水體進(jìn)一步淡化，海水退卻至盆地東南緣，但仍存在小型海侵作用。因此，對(duì)期的沉積環(huán)境應(yīng)該明確定性為近海湖泊沉積環(huán)境，否定內(nèi)陸湖泊和淺海陸棚的結(jié)論。

2 山23段湖岸線確定

三角洲相中三角洲平原屬三角洲的陸上沉積，而三角洲前緣為三角洲的水下沉積，湖岸線則代表了三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相的分界線。

三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相的劃分至關(guān)重要，在單井相劃分中以三角洲平原亞相和前緣亞相的界線為湖岸的界線，然后由點(diǎn)到線再到面的原則來確定各期的湖岸線。

三角洲平原與前緣在沉積、巖性構(gòu)造、測(cè)井曲線、生物化石及沉積組合等方面均有一定的差別，據(jù)此可以對(duì)其進(jìn)行識(shí)別。對(duì)于湖岸線的確定，筆者從自生礦物、層理構(gòu)造、巖石顏色3個(gè)方面進(jìn)行了分析論證。

2．1 自生礦物標(biāo)志

湖岸線劃分依據(jù)之一就是自生礦物，在湖岸線以北為三角洲平原亞相，自生礦物不發(fā)育，而湖岸線以南為三角洲前緣亞相，在巖心溶蝕孔隙中發(fā)育立方體晶形很完整的黃鐵礦顆粒。南部清澗地區(qū)榆44井、榆67井山23段見到了沉積較好的黃鐵礦結(jié)核體，見圖1(c)，說明榆44和榆67所處位置已經(jīng)為山2

3期三角洲前緣沉積環(huán)境，位于湖岸線以下。莓球狀和結(jié)核狀黃鐵礦形成的原因是黏土礦物的晶格上鐵與H2S反應(yīng)發(fā)育而成，而充填胞腔或者沉積裂隙的黃鐵礦，大多是因局部強(qiáng)還原微環(huán)境所致［2］，黃鐵礦標(biāo)志著強(qiáng)還原環(huán)境。砂體中較常見的早期方解石膠結(jié)物，說明水下分流河道砂體早期膠結(jié)作用受湖水侵漫的影響。

2．2 層理構(gòu)造標(biāo)志

(1)逆粒序

湖岸線代表了河流入湖的位置，在入湖口最發(fā)育的沉積微相是河口壩，因此，地質(zhì)人員一直將河口壩砂體作為湖岸線劃分的標(biāo)志。

河口壩是自下而上的反粒序:向上粒度加粗。測(cè)井曲線上自然電位是從下而上從泥巖基線向負(fù)高異常變化。河口壩是三角洲前緣亞相的主要標(biāo)志［3］，子洲氣田南區(qū)的榆43井、榆58井山23段均可見到明顯的逆粒序?qū)永?見圖1(d))，可以確定期湖岸線位置大致在榆43—榆58井一線。

(2)滑塌構(gòu)造

滑塌構(gòu)造代表了三角洲前緣平靜的水下沉積環(huán)境下急劇沉積的產(chǎn)物，是水下沉積物在重力作用下順斜坡滑動(dòng)而成，常伴隨有沉積層的變形、揉皺、斷裂、角礫化及巖性的混雜?；鷺?gòu)造層與上下巖層呈突變接觸，常見于快速沉積的三角洲前緣斜坡沉積環(huán)境。子洲氣田南部的榆62井山23段可以見到明顯的滑塌構(gòu)造(見圖2)，充分說明該處山23期為三角洲前緣沉積環(huán)境，位于湖岸線以下。

(3)變形層理

變形層理是典型的安靜水體環(huán)境的沉積構(gòu)造，代表了三角洲前緣沉積環(huán)境，是在沉積過程中，由于滑陷滾動(dòng)，沉積物原有層理發(fā)生撓曲、倒轉(zhuǎn)破碎、變形，如包卷層理、枕狀構(gòu)造等。子洲氣田南部的榆58 井、榆76、榆40、榆79 井山23段巖心可以見到明顯的變形層理(見圖3)，說明清澗地區(qū)山23期發(fā)育 三角洲前緣沉積亞相，位于湖岸線以下。

圖2 子洲氣田山23段滑塌構(gòu)造Fig．2 Slump structure in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

圖3 子洲氣田山23段變形層理Fig．3 Deformed bedding in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

2．3 顏色標(biāo)志

圖4 子洲氣田山23段巖心顏色、粒度對(duì)比照片F(xiàn)ig．4 Comparison of core color and particle size in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

沉積巖的顏色代表了沉積環(huán)境的氧化/還原性質(zhì)，氧化環(huán)境中發(fā)育紅色－雜色沉積巖，還原環(huán)境中發(fā)育灰色－灰黑色沉積巖。子洲氣田北部的榆142井巖心顯示山23段含棕紅色泥巖(見圖4)，反映出三角洲平原水上氧化環(huán)境，說明該井山23期位于湖岸線之上;相反，子洲氣田南部的榆49、榆42、榆96、榆101、榆 99井山23段巖心均顯示為黑色中砂巖，且南部井的砂巖粒度明顯變細(xì)，巖屑含量增高(見圖4)。說明子洲氣田北部和南部的確存在水上水下沉積環(huán)境的差別，北部位于湖岸線以上，為水上三角洲平原氧化環(huán)境，而南部位于湖岸線以下，為水下還原環(huán)境。

2．4 沉積微相標(biāo)志

三角洲平原相以植物葉片化石和多段煤層發(fā)育為特征，分流河道沉積微相發(fā)育灰白色含礫粗－中砂巖，交錯(cuò)層理多見，底部具沖刷面和泥礫;分流間灣以灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，水平、沙紋層多見。

與三角洲平原不同的是，三角洲前緣亞相煤層不發(fā)育，且發(fā)育獨(dú)特的席狀砂沉積微相。較之三角洲平原亞相，砂體粒度變細(xì)，顏色加深。席狀砂是由河口壩或遠(yuǎn)砂壩砂巖經(jīng)波浪改造，沿岸側(cè)向堆積而成，以清澗地區(qū)榆82井為例，細(xì)砂巖及粉砂巖發(fā)育，沙紋層理、波狀層理及小型交錯(cuò)層多見，測(cè)井響應(yīng)特征為中幅的尖峰狀珈瑪曲線，見圖5。

圖5 榆82井山23席狀砂沉積巖電特征Fig．5 Lithological and electric characteristics of sheet sand deposition in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield from Yu 82 well

山23時(shí)期，地形平緩，水進(jìn)和水退頻繁交替，湖岸線擺動(dòng)范圍較大，子洲氣田目前開發(fā)區(qū)塊主要位于三角洲平原和前緣過渡帶，受水體反復(fù)淘洗，石英含量較高，儲(chǔ)層物性較好。而子洲氣田南部清澗地區(qū)處于三角洲前緣，因此，水動(dòng)力減弱，粒度較細(xì)，儲(chǔ)集層物性變差［4］。根據(jù)沉積相判別標(biāo)志，筆者劃分的湖岸線見圖6。

3 沉積相對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能和氣水分布的控制作用

3．1 沉積相對(duì)儲(chǔ)層物性的控制作用

從砂巖巖屑組成對(duì)比看，清澗和子洲地區(qū)均以變質(zhì)巖屑為主，均在60%以上，火成巖屑清澗地區(qū)稍高，見圖7。清澗、子洲地區(qū)山23砂巖孔隙主要是粒間孔、晶間孔，其中粒間孔占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。清澗地區(qū)晶間孔和巖屑溶孔較發(fā)育，而子洲地區(qū)粒間溶孔更發(fā)育，見圖8。

圖6 子洲氣田湖岸線劃分結(jié)果圖Fig．6 Lake shoreline in Zizhou Gasfield

圖7 子洲、清澗地區(qū)巖屑類型直方圖Fig．7 Cuttings type histogram of Zizhou and Qingjian areas

圖8 子洲、清澗地區(qū)孔隙類型直方圖Fig．8 Pore type histogram of Zizhou and Qingjian areas

清澗地區(qū)儲(chǔ)層物性較子洲氣田差，山23儲(chǔ)層仍為低孔、中低滲型?？紫抖纫?% ～6%為主，滲透率(0．01 ～0．10)×10－3μm2、(0．10 ～1．00)×10－3μm2各占 48．3%。

圖9 子洲、清澗地區(qū)孔隙度分布直方圖Fig．9 Porosity distribution histogram of Zizhou and Qingjian areas

圖10 子洲、清澗地區(qū)滲透率分布直方圖Fig．10 Permeability distribution histogram of Zizhou and Qingjian areas

3．2 沉積相對(duì)氣水分布的控制作用

子洲氣田出水井平面上在氣田全區(qū)均有分布，垂向上集中分布在山23層段底部北岔溝砂巖段。子洲氣田北部(三角洲平原亞相)目前完鉆井近430口，共有出水井43口(見圖11)，出水井比例10%。子洲氣田南部清澗地區(qū)(三角洲前緣亞相)完鉆井共計(jì)22口，15口井山2段解釋水層/氣水層，產(chǎn)水井比例高達(dá)70%。

圖11 子洲氣田產(chǎn)水井分布圖Fig．11 Distribution map of water producing wells in Zizhou Gasfield

依筆者的分析認(rèn)為，子洲氣田南部的清澗地區(qū)主要是山23段，為三角洲前緣亞相沉積，儲(chǔ)層本身的原始含水飽和度就高于子洲氣田本部，在后期的烴運(yùn)聚過程中，由于距離生烴中心較遠(yuǎn)，烴豐度低對(duì)原始儲(chǔ)層中的水驅(qū)替不充分［5］，致使儲(chǔ)層中存在較高的含水飽和度，因而子洲氣田南部清澗地區(qū)多數(shù)井產(chǎn)水。

4 結(jié)論

(1)經(jīng)過地球化學(xué)、生物化石和沉積構(gòu)造方面的研究論證，確定子洲氣田山23段三角洲類型為近海湖泊辮狀河三角洲類型，糾正了以往對(duì)沉積相的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

(2)根據(jù)自生礦物、層理構(gòu)造、巖石顏色等沉積環(huán)境標(biāo)志性產(chǎn)物劃分出了中二疊世山23期湖岸線位置。

(3)三角洲前緣亞相沉積對(duì)儲(chǔ)層物性和氣水分布具有控制作用。三角洲前緣亞相由于粒度變細(xì)，儲(chǔ)層物性變差，且烴排水不暢導(dǎo)致山23段儲(chǔ)層砂體厚度雖大，但含水飽和度高。

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