大牛地氣田石炭系太原組沉積相類型再分析

高青松

（中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006）

1 區(qū)域沉積演化特征

鄂爾多斯盆地原是華北地臺(tái)的一部分，早古生代地幔上拱，拉開了秦（嶺）祁（連）海槽，使中國(guó)古陸解體形成了華北地臺(tái)，至中生代侏羅紀(jì)一直是一個(gè)統(tǒng)一的整體，至晚侏羅世-白堊紀(jì)與華北地臺(tái)分離，形成了獨(dú)立的盆地。盆地可分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即伊盟隆起、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、晉西撓褶帶、西緣沖斷帶及渭北隆起帶。大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北東部，陜西省榆林市與內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市交界處。

中晚奧陶世的加里東運(yùn)動(dòng)，使鄂爾多斯地區(qū)整體抬升，在西南部形成了“L”型分布的斷褶帶和隆起，阻檔了祁連海入侵，本區(qū)志留紀(jì)、泥盆紀(jì)及早石炭世早期沒有接受沉積[1-8]。

早石炭世晚期，鄂爾多斯地區(qū)發(fā)生沉降，形成了自中元代以來(lái)的第四次海侵，再次接受海相沉積，海水從東西兩個(gè)方向入侵，中部古隆起構(gòu)成“I”字型陸梁，東西兩側(cè)巖性、巖相均不同。研究區(qū)位于東側(cè)，地勢(shì)平坦，海域開闊，即形成了本溪組沉積。晚石炭世海侵達(dá)到高潮，東西海侵匯合，淹沒了中部古陸梁，后期海侵逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橛赡舷虮钡姆较颍练e相的南北分帶開始顯現(xiàn)，自加里東運(yùn)動(dòng)抬升剝蝕，本區(qū)地勢(shì)趨于平緩，廣海分布，形成濱海碎屑巖相、灰?guī)r相及煤巖相組合[9-11]。

石炭紀(jì)太原期華北地臺(tái)地區(qū)為陸表海濱海沉積環(huán)境[12-13]，陸表海具有海床坡度緩、海侵速度快的特點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)可侵入數(shù)百到千余公里，突發(fā)性海侵多，沉積上相序具有明顯的不連續(xù)性。太原期本區(qū)經(jīng)歷了多次的海侵過(guò)程，海水均來(lái)自于東南方向，且亦向東南方向退縮，形成了多期的灰?guī)r與砂巖、泥巖、煤層交互的濱海沉積。太原組劃分為兩段，自下而上為太一段、太二段。氣田主要的目的層為上古生界石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組儲(chǔ)層。其中太原組為一套陸表海的沉積是眾多學(xué)者的共識(shí)，但對(duì)于太原組沉積相類型的認(rèn)識(shí)卻不盡相同。較多學(xué)者認(rèn)為太原組為障壁島-瀉湖相沉積；部分學(xué)者認(rèn)為太原組為陸表海碎屑巖-碳酸鹽巖混積層系沉積相；部分學(xué)者認(rèn)為太原組為濱岸碎屑巖、臺(tái)地碳酸鹽巖和三角洲沉積。

2 沉積相標(biāo)志與微相類型

本文對(duì) 11口井近 163 m太原組的巖心觀察及155塊巖石薄片樣品、61個(gè)粒度分析數(shù)據(jù)的整理分析，并讀取了氣田573口井的太原組地層的砂巖厚度、灰?guī)r厚度、煤層厚度和地層厚度值。在上述資料基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)沉積物特征、儲(chǔ)層巖石顆粒粒度分析，進(jìn)一步證實(shí)太原組為濱海潮坪環(huán)境；通過(guò)層理、構(gòu)造標(biāo)志判定和巖石相類型、測(cè)井相類型分析，確定了各類微相類型，分析了各類沉積物的平面分布規(guī)律，描述了沉積相展布特征。

2.1 沉積物粒度分析

太原組沉積物顏色以暗色為主，包括灰、深灰、灰黑色泥巖，炭質(zhì)泥巖，灰黑色灰?guī)r及黑色煤巖；僅砂巖為灰白色中、粗粒石英砂巖。其中泥巖含植物碎屑化石，巖性不純，常含粉砂或粉砂質(zhì)條帶；可見黃鐵礦結(jié)核。

砂巖巖性相對(duì)較純，碎屑顆粒含量為 77%～95%，其中石英含量較高，平均90.5%，顆粒次圓-圓狀；膠結(jié)物以石英次生加大為主，含有少量菱鐵礦、褐鐵礦和白云石等自生礦物。表明太原組砂巖為海相砂巖，成熟度高、巖性純、分選磨圓度較好。綜合分析認(rèn)為，太原組泥質(zhì)等細(xì)粒沉積物為深水、沼澤等還原環(huán)境，砂巖為分選磨圓好、成熟度高的海相灘、壩沉積特點(diǎn)。

太原組儲(chǔ)層主要為淺灰色中粒石英砂巖，巖性純，石英含量較高，碎屑顆粒分選好、次圓為主，成份和結(jié)構(gòu)成熟度均較高。粒度分布頻率曲線多呈單峰對(duì)稱形（圖1a），粒度中值與眾值基本一致，分選好。粒度概率曲線上表現(xiàn)為跳躍總體發(fā)育、無(wú)滾動(dòng)總體和懸浮總體特征。跳躍總體又可分為兩個(gè)直線段（圖1b），斜率稍有差別，但均較陡，表明分選較好。C-M圖無(wú)明顯NO、OP、PQ及RS段，僅發(fā)育QR段，即粒序懸浮段，C與M值成比例增加，水動(dòng)力和懸浮物粒度呈現(xiàn)有規(guī)律的遞變，反映出海相高能灘壩砂的搬運(yùn)特點(diǎn)（圖1c）。

圖1 太原組儲(chǔ)層巖石粒度分析

2.2 層理、構(gòu)造標(biāo)志

太原組發(fā)育多種類型的層理類型，包括交錯(cuò)層理、板狀層理、沙紋層理等，同時(shí)可見沖刷侵蝕面、生物擾動(dòng)構(gòu)造；但具有典型意義的層理有縱向交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理、似“單向”水流構(gòu)造、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理等。

縱向交錯(cuò)層理：由于水道迅速遷移，層序向上變細(xì)，并對(duì)水道一側(cè)原有層系進(jìn)行近垂向侵蝕切割，為潮間坪的潮道曲流作用形成的結(jié)果。

羽狀交錯(cuò)層理：在板狀交錯(cuò)層理中可見到，相鄰兩組層系的前積紋層傾向相反，甚至相差180°，代表潮流的往返流特點(diǎn)。一般以一個(gè)方向?yàn)橹?，代表主潮流流向，另一組相對(duì)較弱或不發(fā)育。

似“單向”水流構(gòu)造：在潮汐活動(dòng)中，由于漲潮與退潮活動(dòng)在空間上的非對(duì)稱性，主潮流強(qiáng)大，多形成大波痕；次潮流較弱只形成小波痕加在大波痕的前積紋層上，二者傾向雖相反，但因大波痕前積紋層規(guī)模大而明顯，直觀表現(xiàn)似單向水流波痕交錯(cuò)層，常在大小波痕之間形成小型沙波透鏡體。

透鏡狀層理：潮汐活動(dòng)中，當(dāng)砂的供應(yīng)不足而泥質(zhì)供應(yīng)充分的條件下，砂質(zhì)以小波痕形式搬運(yùn)和沉積，但漲潮與退潮形成的砂質(zhì)波痕前積紋層相反，在潮流平靜期，海水中懸浮的泥質(zhì)沉積在砂質(zhì)波痕上形成泥蓋，并被下一期形成的泥質(zhì)層完全覆蓋，形成了不連續(xù)的透鏡狀小砂層，分散在泥質(zhì)層中。當(dāng)砂、泥的供應(yīng)程度相反時(shí)，則形成脈狀層理[14]。

波狀層理：泥質(zhì)層幾乎完全充填波谷，并覆蓋于波脊上，所以泥質(zhì)層的形態(tài)往往受到下伏砂波表面的影響，它是在水流或潮汐水動(dòng)力較適中對(duì)砂、泥質(zhì)保存均有利時(shí)形成。是透鏡狀層理與脈狀層理的過(guò)渡類型，常與二者形成共生組合。

2.3 巖石相類型識(shí)別

結(jié)合巖性特征和層理結(jié)構(gòu)，識(shí)別出太原組6種巖石相類型，有利的儲(chǔ)層巖石相類型為淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相及淺灰色交錯(cuò)層理石英砂巖相。

淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相：肉眼辨認(rèn)不出層內(nèi)紋理，其定向排列均勻，巖性相對(duì)較純，石英顆粒含量高，達(dá)90%以上；巖性分布均勻，層理不明顯，反映單一成分的沉積物快速沉積而成。底部?？梢姏_刷面，下伏主要是泥質(zhì)或細(xì)粉砂沉積，主要發(fā)育于水下分流河道或潮道下部。

淺灰色交錯(cuò)層理石英砂巖相：巖性主要為淺灰色中砂巖、細(xì)砂巖，石英顆粒含量較高?；疑胺e紋層發(fā)育，厚度較小，一般為幾厘米。相鄰單元間的界線清晰明顯，一般可見板狀交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理、楔狀交錯(cuò)層理等。主要發(fā)育于水流交替出現(xiàn)、流向相反的潮汐水道上部。

灰色波狀層理細(xì)、粉砂巖相：巖性主要淺灰、灰色細(xì)砂巖或粉細(xì)砂巖，泥質(zhì)層相對(duì)發(fā)育，厚度不等?？梢娒}狀層理、波狀層理和透鏡狀層理，以及上述層理的不同組合類型，取決于水動(dòng)力的強(qiáng)弱及砂、泥沉積物的豐富程度。主要發(fā)育于潮間帶的中上部。

深灰色水平層理泥巖相：巖性為深灰色泥巖或粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，相對(duì)較純；層面可見植物莖干碎片化石，以水平層理為主。主要發(fā)育于潮間帶上部。

深灰色微晶灰?guī)r相：巖性主要為深灰色、灰黑色中厚層狀泥晶灰?guī)r，常含海相生物化石。主要形成于潮下或潮間帶。

黑色中厚層煤巖相：黑色煤巖層，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，含硫量較高，常與上覆砂巖呈突變接觸。主要發(fā)育于潮上帶。

2.4 測(cè)井相類型識(shí)別

太原組為海陸交互沉積，巖石類型多、巖性變化快，砂巖、泥巖、煤層及灰?guī)r等不等厚相間發(fā)育，但儲(chǔ)層測(cè)井相類型相對(duì)簡(jiǎn)單，以弓形、鐘形、指形及齒形為主，以及少量的組合類型。

弓形：主要發(fā)育于太二段，平均厚度大于15 m；與辮狀河道典型箱形曲線相似，但沉積環(huán)境相差懸殊。曲線為底部減速漸變、中部平滑、頂部加速漸變式，代表了早期物源供不足，水流能量弱的深水環(huán)境，具遠(yuǎn)砂壩反粒序特征；中期主要受波浪或潮汐作用淘洗，沉積物粒度均勻；后期由于水流能量急劇減弱或物源供應(yīng)迅速減少，形成了加速漸變的沉積特點(diǎn)。總體反映了潮汐水道的沉積特征，為太原組主要的測(cè)井相類型之一[15]。

鐘形：主要發(fā)育于太二段，厚度5～10 m；曲線底部突變、頂部漸變，反映了水流能量逐漸減弱、物源供應(yīng)不斷減少的沉積特點(diǎn)。表明潮間帶的潮溝或潮溪水道迅速側(cè)向遷移，具有曲流河道的特點(diǎn)，一般與弓形或指形曲線形成組合。

指形：主要發(fā)育于太一段，厚度1～5 m；為齒形的一種特殊類型，具對(duì)稱粒序、高幅度的特點(diǎn)，反映了在強(qiáng)能量環(huán)境下的一種均勻粗顆粒的沉積，代表了急流作用下的潮道或淺灘沉積。

齒形：水流能量相對(duì)低，以低幅度為主，沉積物以泥為主、少量粉砂巖，反映了以水淺流緩的沙泥坪沉積。

2.5 沉積微相類型

太原組為潮坪亞相沉積，可分為潮下帶潮道和淺灘，潮間帶潮池和泥坪、沙坪、混合坪，潮上帶泥沼坪沉積。

潮道：主要指潮下的潮汐水道，廣義上將潮間帶的潮溝也統(tǒng)稱為潮道沉積[16]，具有水深、流急的特點(diǎn)，以大型的潮汐沙波為特征，泥質(zhì)含量隨砂巖粒度增大而減少。發(fā)育塊狀層理、大型雙向交錯(cuò)層理。

潮下淺灘：位于平均低潮線以下，向下延伸與陸架淺海逐漸過(guò)渡。水動(dòng)力條件狀況比較復(fù)雜，受波浪和潮汐的共同作用，但潮汐的作用較強(qiáng)，并充分地篩選，沉積物較粗，分選及磨圓度均較高；砂體厚度較薄，以指形、齒形為主，發(fā)育小型波狀層理。

潮池：位于潮間帶上地勢(shì)較低的封閉水域，潮間泥坪圍繞其周邊發(fā)育，潮汐作用弱，水流能量低。沉積物以深灰色灰?guī)r、泥巖為主，見少量粉砂質(zhì)泥巖，發(fā)育水平層理。

泥坪：位于潮間帶上部或潮上帶下部、被潮道或潮溝切割的區(qū)域，地勢(shì)相對(duì)平坦；沉積物以泥巖為主，以及粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等，水平層理、透鏡狀層理發(fā)育。

沙泥混合坪：位于潮間帶接近潮溝附近，沙、泥沉積物頻繁交替，脈狀層理、波狀層理及透鏡狀層理發(fā)育。

泥沼坪：位于潮上帶，沉積物以懸浮質(zhì)泥為主，發(fā)育大量沼澤植物，形成煤層、炭質(zhì)泥巖沉積。

3 沉積相平面展布

根據(jù)讀取573口井的各類巖性厚度值，分別繪制了氣田本溪組頂部灰?guī)r厚度、太原組太一段砂巖厚度、太一段煤層厚度、太二段砂巖厚度、太二段灰?guī)r厚度等值線圖，再此基礎(chǔ)上，結(jié)合不同區(qū)域不同井的測(cè)井相類型、前述沉積微相類型等特征，勾繪出太一、太二段沉積相圖。

3.1 太一段沉積相展布

在前述沉積微相分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合本溪組灰?guī)r、太一段砂巖、煤層的展布特征及不同區(qū)域測(cè)井相類型，對(duì)大牛地氣田太一段沉積相進(jìn)行分析描述。

本溪組頂部灰?guī)r：主要分布在東南部，為本溪期最后一次海侵形成，厚0～6 m，東部、南部厚度略大，表明石炭紀(jì)早期海侵方向?yàn)闁|南向（圖 2）。

圖2 本溪組頂部灰?guī)r厚度分布

太一段煤層：太一段煤層為石炭-二疊系主煤層，厚度大、分布廣，區(qū)內(nèi)均有分布，厚度1～12 m，受后期太二期潮道的侵蝕，形成了條帶狀的煤層減薄區(qū)。

太一段砂巖（圖3）：呈條帶狀展布，主體方向?yàn)楸蔽?南東向，連續(xù)性差、厚度小，最大厚度8 m。

綜合分析表明，太一段為濱海潮坪相沉積，以研究區(qū)東北、西南角連線為界，東南部為潮間帶沉積，西北部為潮上帶沉積。太一期海侵主要來(lái)自東南方向，潮汐水流方向?yàn)槟蠔|-北西向，潮汐作用強(qiáng)。東南部沿潮流方向發(fā)育6～8條潮道、潮溝，長(zhǎng)度不一、寬度不等，最長(zhǎng)可達(dá)20.0 km，最寬可達(dá)2.5 km。西北部發(fā)育潮上帶泥坪及泥沼坪，泥沼坪主要有三個(gè)，以沼澤發(fā)育形成的厚煤層為特征，厚度大于12 m（圖4）。

圖4 太一段沉積微相

3.2 太二段沉積相展布

在前述沉積微相分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合太二段砂巖、太二段灰?guī)r的展布特征及不同區(qū)域測(cè)井相類型，對(duì)研究區(qū)太二段沉積相進(jìn)行分析描述。

太二段砂巖：主體呈近北東-南西向條帶狀展布，延伸方向相對(duì)較直，砂巖厚度較大（6～35 m），且砂帶中心厚，兩側(cè)較薄。在西南、東南部各有一條延伸較短的砂帶，呈近南北向展布，厚度明顯減薄，最厚僅12 m（圖5）。

太二段灰?guī)r：總體上灰?guī)r主要分布在氣田西南部，呈現(xiàn)不規(guī)則港灣狀，分布在四個(gè)區(qū)域，中心厚、邊部薄，由南向北變薄展布。中部厚2～8 m，分布穩(wěn)定；其它區(qū)域薄，一般厚1～3 m（圖6）。

結(jié)合上述綜合分析，太二段為濱海潮坪相沉積，以潮間帶環(huán)境為主，自南部向北發(fā)育三條規(guī)模大小不等的潮道，以中間潮道最為發(fā)育，平均寬度小于3.0 km，向北北東方向延伸穿越研究區(qū)，長(zhǎng)約45.0 km，潮道沉積砂體厚度較大，平均約20 m；西部潮溝較窄，平均約0.7 km，向北延伸長(zhǎng)約17.0 km，厚度較薄，平均厚度小于8 m；東部潮道與中間潮道寬度基本相同，但向北延伸距離較短，長(zhǎng)度約13.0 km。中間潮道兩側(cè)均發(fā)育潮池，西部潮池分布范圍相對(duì)較大，近似成月形或等腰三角形，底長(zhǎng)約35.0 km，腰長(zhǎng)約18.0 km；中間潮道東部潮池范圍較小，近似成圓形，半徑約6.0 km。北東部發(fā)育近半圓形的沙泥混合坪，半徑約12.0 km，潮道進(jìn)入沙泥混合坪之后，發(fā)生三次決口，形成次一級(jí)潮溝（圖7）。

圖5 太二段砂巖厚度分布

圖6 太二段灰?guī)r厚度分布

圖7 太二段沉積微相

4 結(jié)論

（1）大牛地氣田石炭系太原組太二段砂巖分選好，石英含量高，厚度大，橫向變化快，呈北東-南西向條帶狀展布；主要發(fā)育縱向交錯(cuò)層理、羽狀交錯(cuò)層理、脈狀層理、波狀層理等；巖石相類型包括淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相、淺灰色交錯(cuò)層理石英砂巖相；測(cè)井相類型主要為弓形、鐘形及其組合類型。太一段砂巖厚度薄，呈北西-南東向展布；測(cè)井相類型包括指形、鐘形等。

（2）太原組為濱海潮坪相，太一段在東南部發(fā)育潮間帶的潮溝及泥坪沉積；6～8條不同寬度的潮溝由東南向西北方向展布；西北部發(fā)育了潮上帶泥沼沉積。太二段沉積期主要發(fā)育潮間帶沉積，包括三條近南北向的潮帶、潮溝，及潮溝之間的潮池、泥坪沉積。潮道、潮溝沉積砂巖相對(duì)較純，分布相對(duì)穩(wěn)定，是太原組儲(chǔ)層有利微相。