蘇東南地區(qū)盒8段砂體疊置關系及其對氣水分布的影響

郭艷琴，蔡志成，余 芳，張秀能，李百強

(1.西安石油大學 地球科學與工程學院，陜西 西安 710065； 2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；3.長慶油田分公司 第五采油廠，陜西 西安 710021； 4.西北大學 地質學系，陜西 西安 710069)

引 言

鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)蘊含著豐富的天然氣資源，蘇里格氣田已躍居為盆地內重要的超大型天然氣田。勘探實踐表明，近年來，蘇東南地區(qū)憑借其大規(guī)模的天然氣建產(chǎn)量成為中石油長慶油田公司在蘇里格地區(qū)天然氣上產(chǎn)的主力區(qū)塊[1-2]。研究區(qū)位于蘇里格地區(qū)東南部，西起W27-02井，東至S170井，北起S174井，南至G4-3井，面積約700 km2(圖1)。上古生界儲層砂體發(fā)育，天然氣富集，尤其以石盒子組8段(下文簡稱“盒8段”，依據(jù)巖性組合進一步劃分為盒8上和盒8下亞段)最為典型，成為近幾年來天然氣勘探的重點層位。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study area

但蘇東南地區(qū)盒8段的沉積體系及沉積相一直備受爭議，出現(xiàn)了辮狀河—三角洲沉積體系[3-4]、三角洲沉積體系[5-6]、辮狀河三角洲沉積體系[7]以及辮狀河沉積體系[8-10]等認識。前人研究表明，沉積相及砂體的疊置關系明顯控制著儲層內的氣水分布關系。因此，明確沉積微相特征、查明砂體的垂向及橫向疊置關系，對于研究區(qū)盒8段儲層內的氣水分布預測具有重要意義。

1 區(qū)域地質概況

現(xiàn)今鄂爾多斯盆地囊括呂梁山以西、桌子山—賀蘭山—六盤山以東、陰山以南以及秦嶺以北等廣闊區(qū)域。盆地西緣被賀蘭褶皺帶、六盤山弧形逆沖構造帶所限并與阿拉善地塊相鄰，北至伊盟隆起與古陰山褶皺帶相接，東至離石斷裂帶與山西地塊相鄰，南緣被秦祁復合大陸造山帶所限[6]。依據(jù)現(xiàn)今的構造形態(tài)及演化史將盆地劃分為伊盟隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、渭北隆起、天環(huán)坳陷及西緣逆沖帶6大構造單元，其中研究區(qū)位于伊陜斜坡北部，區(qū)內構造相對平緩，呈微弱的西傾單斜。

中二疊世下石盒子期，盆地內經(jīng)歷了大規(guī)模的海水退卻，沉積環(huán)境變?yōu)閮汝懞璀h(huán)境，氣候以干早炎熱為特征，植被大量減少，煤層及暗色泥巖發(fā)育明顯減少，盆地內沉積了一套灰白—黃綠色的純陸源碎屑建造[11]。盆地北部古陸進一步抬升，豐富的物源及季節(jié)性水系異?；钴S，保障了沉積物供給，相對湖平面開始下降，河流—三角洲沉積體系逐漸向盆地南部推進。伴隨區(qū)域構造活動加強，北部物源區(qū)繼續(xù)抬升，豐富的陸源碎屑供給導致河流作用加強，淺水三角洲沉積體系快速向盆地南部推進[6]。蘇東南地區(qū)盒8期處于辮狀河向三角洲沉積體系過渡地帶，屬于辮狀河三角洲沉積相[3]。

2 沉積微相特征

結合沉積學、巖石學、古生物化石以及測井相等沉積微相識別標志，并借鑒前人研究成果，認為研究區(qū)盒8段屬于辮狀河三角洲平原亞相，且識別出2種主要沉積微相：分流河道和泛濫平原。

2.1 分流河道微相及其識別標志

分流河道微相內所沉積的巖石顏色主要以灰白色、淺灰色及灰綠色為主，反映以氧化—還原環(huán)境為主。粒度中等—粗，主要為粗砂巖、含礫粗砂巖以及含礫中—細砂巖，砂巖內層理發(fā)育且規(guī)模相對較大，主要包括槽狀、板狀及平行層理等，反映水動力相對較強。該沉積微相內巖石的沉積粒序一般與正常河道環(huán)境下的類似，均以粒度向上變細的正粒序為主。該環(huán)境下古生物化石雖然不發(fā)育，但砂巖層理面上可見部分炭屑。測井上自然伽馬曲線響應特征比較明顯，常呈現(xiàn)出中—高幅度、具微齒化的箱型或鐘型形態(tài)，在巖性發(fā)生變化的部位，自然伽馬曲線的幅度顯示出明顯的回返(圖2)。

2.2 泛濫平原微相及其識別標志

泛濫平原微相沉積巖石顏色以深灰色、灰黑色以及其他雜色為主，反映以還原環(huán)境為主。巖石類型主要為粉砂巖、泥質粉砂巖以及粉砂質泥巖，常見塊狀層理、水平層理以及砂紋交錯層理等，反映沉積水動力環(huán)境相對較弱。該環(huán)境下沉積的泥巖及炭質泥巖中可見大量的植物莖干或植物碎片的印?；龋砻鳟敃r沉積環(huán)境氣候較潮濕、植物生長比較繁盛。測井曲線上主要表現(xiàn)為自然伽馬曲線呈明顯的微齒狀化或平直狀，且曲線比較光滑，幅度相對較低(圖3)。

圖2 蘇東南地區(qū)Z41井盒8段分流河道微相Fig.2 Identification features of distributary channel sedimentary microfacies of the 8th member of Shihezi Formation of the well Z41 in southeastern Sulige

圖3 蘇東南地區(qū)S157井盒8段泛濫平原微相Fig.3 Identification features of flood plain sedimentary microfacies of the 8th member of Shihezi Formation of the well S157 in southeastern Sulige

3 分流河道砂體疊置類型

河道的頻繁擺動會導致砂體的寬度、厚度等發(fā)生明顯變化。因此，砂體的垂向疊置關系及橫向疊置類型能夠有效地反映砂體形成時期的水動力特征、物源、沉積物的供給速率及沉積相垂向演化[12]。

依據(jù)鉆井巖心觀察、測井資料解釋結果、砂體形態(tài)及砂體厚度等要素將蘇東南地區(qū)盒8段砂體垂向疊置關系劃分為塊狀厚層、多層疊置、分段互層與薄互層4個主要類型；橫向疊置樣式主要分為孤立砂體、垂向疊置、水平搭接以及切割疊置4類。

3.1 砂體垂向疊置關系

蘇東南地區(qū)盒8段不同垂向疊置關系的砂體形態(tài)、砂體厚度及砂地比具有較大差異(圖4)，反映了河道的遷移、可容納空間變化、沉積物沉積速率等各不相同。

3.1.1 塊狀厚層 塊狀厚層砂體主要表現(xiàn)為砂體垂向連續(xù)性較好，單層砂體厚度相對較大(>8 m)，砂地比大于50%，自然伽馬曲線表現(xiàn)為厚箱型(鐘型)，曲線相對較平滑，基本無夾層，表明單期河道擺動幅度不大，沉積持續(xù)時間較長，河道較穩(wěn)定，反映沉積物的可容納空間較大，但其增大速率小于沉積物的沉積速率。

3.1.2 多層疊置 多層疊置砂體是由多層厚度2～4 m的單砂體組合而成，各單砂體之間被厚度小于2 m的泥巖夾層所分隔，此類砂體總厚度一般大于8 m，砂地比一般大于50%。自然伽馬曲線通常整體表現(xiàn)為多段中—厚箱型(鐘型)被多個具有明顯回返的尖刀狀所分隔，表明河道發(fā)生頻繁的擺動，砂體發(fā)生多期次疊加，反映主河道較穩(wěn)定的心灘沉積特征[13]。

3.1.3 薄互層 薄互層砂體是由多層厚度小于2 m的單砂體與多個單層厚度2～4 m的泥巖夾層互層形成的一套砂泥巖體系，總砂體厚度一般小于8 m，砂地比小于40%，測井曲線上自然伽馬曲線一般表現(xiàn)為薄鐘型夾明顯回返的齒狀，表明河道發(fā)生了多期次擺動，單期河道沉積穩(wěn)定時間相對較短。

圖4 蘇東南地區(qū)盒8段砂體垂向疊置關系Fig.4 Vertical superimposition relation of the sandbodies of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

3.1.4 分段互層 分段互層砂體主要由多段厚度大于4 m的單砂體與多個單層厚度大于4 m的泥巖隔層形成的呈分段式分布的砂泥巖體系，其砂地比同樣小于40%，測井曲線上自然伽馬曲線一般表現(xiàn)為中等厚度的箱型(鐘型)與具有明顯回返的中等厚度鐘型(箱型)分段分布，反映了分流河道同樣發(fā)生了多期改道，但單期河道沉積穩(wěn)定時間相對較長。

3.2 不同垂向疊置類型的砂體分布

統(tǒng)計分析研究區(qū)內近125口采氣井的砂體垂向疊置類型，發(fā)現(xiàn)蘇東南地區(qū)盒8上和盒8下亞段砂體疊置類型頻率分布相似，即均以多層疊置砂體(分別為39.7%和42.4%)和分段互層砂體(30.1%和26.6%)為主，其次為薄互層砂體(19.9%和16.7%)和塊狀厚層砂體(10.3%和14.2%)(圖5(a))，表明研究區(qū)盒8期的分流河道大多發(fā)生了多期次擺動。

不同垂向疊置類型的砂體個數(shù)在盒8上亞段與盒8下亞段表現(xiàn)出明顯的差異，尤其以多層疊置砂體和分段互層砂體表現(xiàn)最為顯著。其中盒8上亞段的分段互層砂體、薄互層砂體、多層疊置砂體及塊狀厚層砂體個數(shù)分別為41個、28個、54個、14個，而盒8下亞段不同垂向疊置類型的砂體個數(shù)均高于盒8上亞段，分別為86個、54個、137個、46個，表明盒8下亞段砂體整體比盒8上亞段發(fā)育(圖5(b))。

3.3 砂體橫向疊置關系

分流河道的遷移、水動力條件的強弱以及沉積物供給量大小是控制分流河道砂體橫向疊置關系的關鍵因素。利用野外露頭觀察方法共識別出研究區(qū)盒8段分流河道砂體橫向疊置關系主要包括孤立砂體、垂向疊置、水平搭接以及切割疊置4類(圖6)。

圖5 蘇東南地區(qū)盒8段不同垂向疊置關系的砂體分布Fig.5 Distribution of the sandbodies with different vertical superimposition relation in the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

3.3.1 孤立砂體 當河道遷移次數(shù)較少、遷移量小、沉積物供給不足時，河道邊部的砂體往往會呈孤立狀分布。孤立狀河道砂體主要發(fā)育于河道(分流河道)邊側部位或決口扇地帶，因而造成單期河道(分流河道)砂體縱向上沉積厚度相對較小，橫向上延續(xù)距離短，沉積后常被泛濫平原或分流間灣的泥質沉積所覆蓋。所以，孤立砂體在橫向上連通程度相對較低[12]，在縱向上連通性同樣較差。研究區(qū)內此類砂體主要分布于盒8上亞段，砂體發(fā)育規(guī)模一般較小。

3.3.2 垂向疊置 當河道遷移次數(shù)較少，水動力強、沉積物供給相對充足時，河流環(huán)境的多期河道或三角洲環(huán)境的多期分流河道垂向沖刷疊加作用會形成垂向疊加厚砂體，但橫向上砂體連續(xù)距離相對較短。此外，此類疊置關系的砂體在巖性上常常表現(xiàn)為后一期河道發(fā)育期沉積的含礫砂巖直接疊加在前一期河道沉積的中-細砂巖之上。相鄰兩期的不同河道砂體垂向上緊密相鄰、相互疊置，大大增加了砂體的垂向連通性[12]，但砂體的橫向連通性相對較差。此疊置類型的砂體主要發(fā)育在研究區(qū)盒8下亞段。

3.3.3 水平搭接 當河道遷移次數(shù)相對較少，水動力條件相對較弱時，后期河道邊部沖刷前期河道的邊部，使得兩期河道砂體的邊部形成搭接關系，砂體剖面上彼此對接，平面上并行流過[14]，形成水平搭接式砂體，垂向上沒有切疊關系。水平搭接砂體的橫向連通性較好，橫向展布距離大大增加，但縱向上砂體厚度并無太大變化，且連通性相對較差。此類砂體主要分布于研究區(qū)盒8上亞段。

3.3.4 切割疊置 當河流頻繁改道，水動力強、沉積物供給量較大時，河流環(huán)境的多期河道或三角洲環(huán)境的多期分流河道側向沖刷切割作用加強，會形成切割疊置砂體。呈此類疊置關系的砂體在巖性上同樣表現(xiàn)為后一期河道發(fā)育期沉積的含礫砂巖直接疊加在前一期河道沉積的中-細砂巖之上。相比垂向疊置型砂體，切割疊置型砂體之間的夾層并不明顯[15]，縱向上砂體厚度較大，橫向上砂體延續(xù)距離較遠，因此，其垂向和橫向連通性均較好，是研究區(qū)盒8段對儲層最有利的一種砂體橫向疊置類型。

圖6 蘇東南地區(qū)盒8段辮狀河三角洲砂體橫向疊置模式Fig.6 Horizontal superimposition patterns of the braided river delta sandbodies of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

4 砂體疊置樣式與氣水分布關系

4.1 盒8段氣水分布

多井砂體剖面圖顯示(圖7)，蘇東南地區(qū)盒8下亞段的砂體在發(fā)育程度、縱向和橫向連通性等方面均好于盒8上亞段。盒8下亞段儲層中主要為氣層與含氣層分布，含水層或水層分布較少，且氣層的橫向連通相對較好；而盒8上亞段則以含氣層、氣水同層或干層為主，且橫向上多呈孤立狀分布，連通性相對較差。因此，盒8下亞段的儲層含氣性整體比盒8上亞段好。

4.2 砂體疊置關系對氣水分布的影響

4.2.1 砂體垂向疊置關系對氣水分布的影響 研究區(qū)盒8段砂體的垂向疊置關系主要包括塊狀砂體、多層疊置砂體、薄互層砂體以及分段互層砂體。由于不同的疊置關系所代表的沉積環(huán)境不同，從而也會造成砂體內氣、水富集的差異。多層疊置砂體代表單期河道擺動幅度不大，河道沉積持續(xù)時間長，沉積物供給充足，河道發(fā)育及沉積物沉積均較穩(wěn)定；分段互層砂體代表分流河道發(fā)生過多期改道，但單期河道的持續(xù)時間以及沉積物沉積時間相對較長。因此，從砂體疊置類型與氣水分布關系(圖7)可以看出，這2種垂向疊置關系的砂體組合是研究區(qū)盒8段天然氣富集的優(yōu)質砂體疊置類型組合。從分布頻率上來講，盒8上亞段與盒8下亞段砂體垂向疊置類型均以多層疊置和分段互層砂體為主。但從數(shù)量上來看，盒8上亞段相同疊置類型的砂體個數(shù)遠少于盒8下亞段，即盒8上亞段優(yōu)質砂體的規(guī)模及數(shù)量均遠小于盒8下亞段，這也可能是造成盒8上亞段氣層不發(fā)育的一個重要因素。

4.2.2 砂體橫向疊置關系對氣水分布的影響 砂體疊置樣式與氣水分布關系(圖7)顯示，盒8上亞段砂體發(fā)育規(guī)模較小，橫向疊置關系主要以孤立砂體與水平搭接砂體為主；盒8下亞段則主要為垂向疊置及切割疊置砂體。不難看出，孤立砂體與水平搭接砂體內天然氣分布較少，僅見少量氣水同層分布，可能是由于孤立砂體垂向及橫向連通性均較差，而水平搭接砂體雖然在橫向上具有一定連通性，但垂向上連通較差，因此，在孤立砂體底部以及水平搭接砂體邊部往往具有一定的水層分布，但天然氣較少富集。而盒8下亞段天然氣主要富集在垂向疊置與切割疊置砂體內，這可能是由于垂向疊置砂體經(jīng)過多期分流河道沖刷疊置導致在垂向上形成良好的巖性—物性組合，有利于天然氣富集；切割疊置砂體則是由于多期分流河道側向沖刷疊置導致砂體不僅在橫向上具有較好的連通性，而且在垂向上也能夠形成相對較好的巖性—物性組合，有利于天然氣聚集。

圖7 蘇東南地區(qū)盒8段砂體疊置樣式與氣水分布關系Fig.7 Relationship between the sandbody superimposition pattern and gas-water distribution of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

5 結 論

(1)蘇東南地區(qū)盒8期主要發(fā)育辮狀河三角洲平原亞相的分流河道與泛濫平原微相。砂體的垂向疊置關系以多層疊置和分段互層砂體為主，其中盒8上亞段同類型砂體個數(shù)遠小于盒8下亞段；盒8上亞段砂體的橫向疊置類型主要為孤立砂體及水平搭接砂體，而盒8下亞段主要為垂向疊置及切割疊置砂體。

(2)蘇東南地區(qū)盒8段砂體垂向疊置關系中的多層疊置與分段互層砂體組合是天然氣分布的優(yōu)質砂體組合，橫向疊置關系中的垂向疊置及切割疊置砂體是天然氣富集的主要砂體類型，孤立砂體底部及水平搭接砂體的邊部多發(fā)育水層。