鄂爾多斯盆地東部府谷天生橋剖面上古生界下石盒子組8段辮狀河儲層構型表征

陳東陽,王 峰,陳洪德,魏新善,孫 詩,祝圣賢

[1.成都理工大學 油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室,四川 成都 610059; 2.成都理工大學 沉積地質研究院,四川 成都 610059; 3.中國石油 長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院,陜西 西安 710021]

儲層構型亦稱為儲層建筑結構,是指不同級次儲層構成單元的形態(tài)、規(guī)模、方向及其疊置關系[1]。自Miall于1985年提出構型要素分析方法以來[2-4],眾多學者對辮狀河儲層地質模式、層次界面及構型單元進行了廣泛研究[5-10],表明不同環(huán)境下辮狀河儲層構型單元的巖相組合及空間疊置樣式有所差異,同時其構型單元的定量幾何屬性(寬/厚比)也不盡相同[11-16]。因此利用目的層露頭儲層構型精細研究具有重要作用,可為建立逼近地下真實地質概念模型提供優(yōu)越條件。

近年的勘探實踐表明,鄂爾多斯盆地蘇里格東部地區(qū)(簡稱“蘇東地區(qū)”)下石盒子組8段(盒8段)勘探潛力巨大,日益成為增儲上產的重要區(qū)域[17-19],但該地區(qū)砂體構型的研究多局限于鉆井資料[20-23],對于露頭砂體構型的地質研究相對薄弱,嚴重制約了水平井的部署及開發(fā)。因此論文在周緣盒8段露頭踏勘的基礎上,選擇與蘇東地區(qū)盒8段物源區(qū)一致[24-25],且同為辮狀河沉積體系[26-28]的府谷天生橋剖面進行精細解剖。對該剖面盒8段辮狀河砂體構型進行研究,從二維及三維的角度,較連續(xù)、完整地揭露沉積體包含的豐富信息,實現從復合河道帶—單河道—單砂體等不同規(guī)模砂體的描述,為含油氣富集區(qū)帶優(yōu)選,井間距的優(yōu)化,水平井的導向提供客觀、科學的依據。

1 研究區(qū)位置及地層概況

府谷天生橋剖面位于鄂爾多斯盆地東部,距陜西省府谷縣城東部約2 km,該區(qū)域氣候干旱,植被發(fā)育較少,下石盒子組出露齊全,是研究砂體構型的理想地區(qū)(圖1a)。其中盒8段垂直古流向及斜切古流向露頭清晰可見,地層產狀為285°∠4°,地層平緩延伸較遠,可以直接觀察構型單元內部巖相組合和空間疊置樣式。研究層段沉積物粒度較粗,以含礫粗砂巖、中粗砂巖為主,細砂巖相對較少;垂向上,河道二元結構不明顯,其下部主要以槽狀交錯層理為主,上部為板狀交錯層理,古水流方向平均為165°，按巖性、巖相及沉積旋回特征由下而上分成4個小層,即盒8下(2)、盒8下(1)、盒8上(2)、盒8上(1)小層(與6級構型界面相對應)(圖1b)。其中盒8下(2)、盒8下(1)為砂質辮狀河沉積,盒8上(2)為辮狀河向曲流河轉變沉積,盒8上(1)為曲流河沉積。

2 巖相類型

巖相反映了沉積體形成的水動力條件、搬運方式及沉積作用機制等[12],是識別成因砂體、劃分儲層構型單元的重要依據。通過對府谷天生橋剖面上古生界盒8段辮狀河露頭巖石特征分析,共識別出12種巖相類型(表1；圖2)。

塊狀層理礫巖相(Gm):由含泥質成分的礫石呈塊狀堆積組成,礫石表現為次棱角狀-次圓狀、分選較差,平均粒徑為2.3 cm(圖2a),整體厚度為20～40 cm,為辮狀河強水動力條件下河道充填及砂壩底部滯留礫石沉積。

槽狀交錯層理含礫砂巖相(Gst):含礫粗砂巖中發(fā)育大型槽狀交錯層理,沿著紋層收斂的底部含有定向排列的少量礫石,礫石呈次圓狀-圓狀最大粒度可達2.4 cm,平均粒徑為1cm(圖2b)。其上部為粗砂巖,磨圓較好、分選中等,主要為河道充填沉積。

低角度下切型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅠ):紋層傾角小且相對穩(wěn)定,一般為13°～18°,紋層與底層系界面呈收斂相切,沿紋層底面發(fā)育少量礫石(圖2c)。低角度下切型板狀交錯層理含礫砂巖相主要為斜列砂壩早期經過多次遷移并疊加而成。

高角度下切型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅡ):巖性為含礫粗砂巖,紋層傾角在不同部位變化較大,紋層傾角一般大于20°,沿紋層底面分布細礫石(圖2d)。該巖相為縱向砂壩遷移所致,也形成于強水動力條件下。

高角度下截型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅢ):該巖相紋層面平直,傾角大于20°,并與頂底層系界面直線斜交,巖紋層底面常分布有中礫巖及泥礫(圖2e)。層系較厚,為40～50 cm,粒度具有向上變細的特征。屬于橫向砂壩垂向加積或多次擺動的結果。

圖1 鄂爾多斯盆地東部府谷地區(qū)位置示意圖(a)及盒8段綜合柱狀圖(b)Fig.1 Schematic diagram showing the location of Fugu area(a)and composite column of He 8 member(b)in eastern Ordos Basin

表1 天生橋剖面盒8段辮狀河巖相類型劃分及成因解釋Table 1 Lithofacies classification and genetic explanation of He 8 member on Tianshengqiao outcrop,eastern Ordos Basin

圖2 天生橋剖面盒8段辮狀河露頭典型巖相類型Fig.2 Typical lithofacies types of braided river deposits in He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basina.塊狀層理礫巖相(Gm);b.槽狀交錯層理含礫砂巖相(Gst);c.低角度下切型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅠ);d.高角度下切型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅡ);e.高角度下截型板狀交錯層理含礫砂巖相(GspⅢ);f.槽狀交錯層理砂巖相(St);g.低角度下切型板狀交錯層理砂巖相(SpⅠ);h.高角度下 切型板狀交錯層理砂巖相(SpⅡ);i.平行層理砂巖相(Sh);j.水平層理粉砂巖相(Fh);k.沙紋層理粉砂巖相(Fr);l.塊狀層理泥巖相(M)

槽狀交錯層理砂巖相(St):該類型槽狀交錯層理發(fā)育規(guī)模較小且紋層寬緩(圖2f),巖性為黃綠色中-粗砂巖,屬于辮狀河河道沖刷、遷移、充填沉積或砂壩內部沉積。

低角度下切型板狀交錯層理砂巖相(SpⅠ):此種巖相多發(fā)育于盒8上(2),巖性以黃綠色中-粗砂巖為主,單組層系厚度較大,紋層傾角較小為16°～20°(圖2g)。該巖相為河道相對變窄,砂壩側向遷移,以側向加積為主,屬于斜列砂壩沉積。

高角度下切型板狀交錯層理砂巖相(SpⅡ):該巖相在剖面上較為發(fā)育,巖性以中-粗砂巖為主,紋層下部與層系界面斜交,紋層傾角大于20°(圖2h),為縱向砂壩順流加積形成。

平行層理砂巖相(Sh):在剖面上多見于廢棄河道及河道充填頂部沉積,巖性多為中-細砂巖,巖層最大厚度可達1.3 m(圖2i),為水淺流急條件下的產物,屬高流態(tài)面狀層流沉積。

水平層理粉砂巖相(Fh):主要發(fā)育在廢棄河道和越岸沉積中,巖性以粉砂巖及泥質粉砂巖為主,在粉砂巖層中夾極薄黑色泥巖(圖2j),反映出河道廢棄,弱水動力條件下沉積物機械分異的結果。

沙紋層理粉砂巖相(Fr):單層厚度一般小于70 cm,巖性以粉砂巖及泥質粉砂巖為主,具波狀小型沙紋交錯層理(圖2k),它主要形成于廢棄河道后期弱水動力條件下單向水流向前遷移沉積。

塊狀層理泥巖相(M):主要為深灰色及灰黑色泥巖或粉砂質泥巖部分含炭質,呈塊狀(圖2l)。為低能靜水條件下懸浮細粒沉積物沉降形成,屬于辮狀河廢棄河道和越岸沉積。

3 儲層構型界面劃分與識別

參照Miall和吳勝和提出的河流相儲層層次劃分方案[1,3,9],總結出了研究剖面中辮狀河儲層內部構型的6級劃分方案(表2)。

按照上述劃分方法,將該研究區(qū)盒8段辮狀河露頭砂體進行構型界面的詳細解剖與識別(圖3),其中3～5級構型界面不僅是油氣田開發(fā)地質中重要的界面類型,也是后期定量構型單元幾何屬性的基礎[10]。

0級界面為紋層界面,砂體中槽狀及板狀交錯層理紋層清晰,沿紋層底界顆粒較粗;1級界面為層系界面,界面平無侵蝕,厚度為0.2～1.5 m;2級界面為層系組界面,界面平整廣泛分布,無侵蝕,實測其厚度為0.5～3 m(圖3a，b)。

3級界面為部分構型單元內部增生體或夾層界面。在辮狀河洪泛期,由于水動力較高,碎屑物質快速堆積,形成砂質增生體沉積;平水期,水動力快速減弱,細粒的懸浮物會在增生體頂部大范圍的沉積下來,形成落淤層沉積,以灰黑色泥質粉砂巖為主,呈現出中間厚兩翼薄的形態(tài),并未貫穿整個砂壩(圖3d);同時3級界面還包括河道充填內部的小型侵蝕面,水平或傾斜分布。

表2 構型界面劃分及成因分析Table 2 Division and genetic analysis of architectural interfaces

4級界面為砂壩與河道充填等構型單元的分界面。觀察野外垂直古流向的露頭,同期砂壩與河道充填側向拼接,可見河道充填與砂壩的界面呈現出高角度傾斜狀,下部界面可見部分含礫粗砂巖,上部界面沉積了砂壩翼部細-中砂巖,界面不太明顯(圖3d)。

5級界面為同期單一河道帶,該界面以第一期辮狀河頂部泛濫泥巖或第二期河道底部沖刷面為界。仔細觀察天生橋盒8段露頭,5級界面分布也較明顯,可以看見辮狀河頂部的泛濫泥巖由于后期洪水沖刷作用,部分地方發(fā)育較少,不甚明顯,但底部礫巖及黃綠色含礫粗砂巖非常明顯。界面由于河道充填及砂壩相互疊置而不太平坦(圖3d,f)。

6級界面為辮狀河復合河道帶邊界,是垂向上由若干有序遷移并連續(xù)沉積的單期河道構成。復合河道帶也是地質分層中小層的界面,該界面較為平坦(圖3f),是一套分布穩(wěn)定、連續(xù)較好的泛濫平原沉積面,以平水期表面的泥巖及下一期洪水沖刷-充填的底部滯留礫巖為界。野外剖面6級界面分布穩(wěn)定明顯,灰色泥巖厚度約0.5～0.8 m,之上滯留礫巖厚約0.9～1.2 m。

4 辮狀河儲層構型表征

辮狀河砂體作為油氣重要的儲層,油氣的富集受構型單元的控制,因此對其儲層砂體的表征顯得尤為重要。

4.1 儲層構型單元解剖

研究表明府谷天生橋剖面上古生界盒8段辮狀河發(fā)育河道充填、縱向砂壩、斜列砂壩、橫向砂壩、廢棄河道和越岸沉積6種構型單元,由4級構型界面控制,對各構型單元進行精細解譯。

4.1.1 河道充填(CH):(Gm-Gst-Sh,Gm-St-Gm-Sh)

A,B,S三個主體，若A,B與S分別有共享會話密鑰，S產生A,B的會話密鑰，則有：θRNS=Has(A,A_S)∧Has(B,B_S)∧Has(S,K)∧Has(S,A_S)∧Has(S,B_S)

河道充填在該剖面較常見,以黃綠色或灰綠色含礫粗-中砂巖為主,在剖面上通常呈現出“頂平底凸”的幾何形狀(圖4a，b)。整個河道充填巖相以Gst相及St相為主,底部常見沖刷面和滯留沉積,垂向上序列表現為Gm-Gst-Sh(圖4cB)和Gm-St-Gm-Sh(圖5cA)組合,向上粒度變細。

圖3 天生橋剖面盒8段辮狀河0～6級構型界面劃分Fig.3 Architectural interface division from Level 0 to 6 of He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basina.0～2級構型界面宏觀照片；b.0～2級構型界面識別與劃分；c.3～5級構型界面宏觀照片；d.3～5級構型界面識別與劃分；e.5～6級構型界面宏觀照片；f.5～6級構型界面識別與劃分

河道充填底部的滯留沉積(Gm),厚度不大,礫石的粒徑大小不一,最大的約為4 cm,平均大小為2 cm,磨圓中等;向上由于水動力強,河道遷移并伴隨下切作用,進而過渡為Gst相,層理較大;上部發(fā)育槽狀交錯層理砂巖相(St),層理規(guī)模變小,巖性為磨圓較好中-粗巖屑砂巖;隨著河道逐漸加寬變淺,發(fā)育平行層理中粗砂巖相(Sh)。

4.1.2 縱向砂壩(LB):(Gst-GspⅡ-St-SpⅡ-Fr-SpⅡ,Gst-SpⅡ)

縱向砂壩以黃綠色含礫粗-粗砂巖為主,向上粒度變細,壩頂可出現中砂巖,在剖面上通常呈“底平頂凸”透鏡狀(圖4a,b)?？v向砂壩主要為順流加積作用形成,沉積構造以高角度下切型板狀交錯層理為主(圖4cA,4cC)。研究近似平行古水流方向的縱向砂壩露頭(圖4b,4c)。該縱向砂壩底部為槽狀交錯層理含礫粗砂巖(Gst),反映了早期砂壩的形成以下切充填作用為主;向上由于順流加積作用,過渡為GspⅡ相和SpⅡ相;縱向砂壩背水面方向發(fā)育落淤層(圖4b),為灰黑色粉砂巖及泥質粉砂巖,隨砂壩輪廓呈一定角度傾斜,實測落淤層(Fr)厚度為0.1～0.25 m,是水動力相對較弱時期沉積。壩頂部局部殘存平行層理的中砂巖,表明后期水動力具有水淺急流的特點。

4.1.3 斜列砂壩(DB):(Gm-GspⅠ-SpⅠ-St)

斜列砂壩沉積構造以低角度下切型板狀交錯層理為主(圖5b)。該構型單元底部發(fā)育Gm相,厚度約為0.3 m,礫巖中泥質含量較高。向上巖石粒度變細,發(fā)育GspⅠ相和SpⅠ相為斜列砂壩側向加積作用形成。頂部發(fā)育小型槽狀交錯層理砂巖相(St),為后期砂壩側向遷移形成。在天生橋剖面中,斜列砂壩主要發(fā)育于盒8上(2)段,研究斜切古水流方向的斜列砂壩露頭(圖5cC),總體上表現為“底平頂凸”的幾何特征(圖5a,b)。斜列砂壩是河道由寬變窄發(fā)生的側向加積或側向遷移形成。

圖4 天生橋剖面盒8段縱向砂壩及河道充填解譯結果Fig.4 Interpretation of longitudinal bar and channel filling of He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basina.縱向砂壩與河道充填宏觀照片;b.縱向砂壩與河道充填精細解譯;c.縱向砂壩與河道充填巖相組合

4.1.4 橫向砂壩(TB):(Gst-GspⅢ)

4.1.5 廢棄河道(ACH):(Sh-Fr-M)

廢棄河道(圖7a)呈席狀或頂平底凸的形狀,灰綠色細砂巖、粉砂巖及灰黑色炭質泥巖為主。對廢棄河道解釋成果可看出廢棄河道充填的巖相序列由下部平行層理細砂巖相過渡到上部泥巖相(圖7c),多期重復出現構成完整的廢棄河道充填。

4.1.6 越岸沉積(OF):(Fh-M)

剖面上越岸沉積整體呈席狀(圖5a),延伸范圍廣(圖5b),該構型單元底部為水平層理粉砂巖相,上部為塊狀層理泥巖相,均為細粒沉積,表明了越岸沉積水動力弱且間歇性活動的特點。

4.2 構型單元發(fā)育規(guī)模

整個盒8段辮狀河露頭4級層級界面清晰,對近似垂直古流向的構型單元規(guī)模進行識別和測量,其中河道充填構型單元6個,厚度介于1.9～4.3 m,寬/厚比約為32.6～38.2;縱向砂壩構型單元13個,厚度介于2.5～5.8 m,寬/厚比約為27.6～37.7;斜列砂壩構型單元11個,厚度介于2.2～6 m,寬/厚比約為34.8～42.1;橫向砂壩構型單元5個,厚度介于1.5～3.6 m,寬厚比約為47.0～61.8;廢棄河道構型單元1個,厚度6 m,寬/厚比為30;越岸沉積構型單元1個,厚度2 m,寬/厚比為90(表3)。

圖6 天生橋剖面盒8段橫向砂壩解譯結果Fig.6 Interpretation of transverse bar of He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basina.橫向砂壩宏觀照片;b.橫向砂壩精細解譯及巖相組合

5 辮狀河儲層構型模式

通過對該剖面盒8段辮狀河近似垂直及斜切古流向露頭的精細研究,識別出不同級別構型界面及構型單元的內部特征,總結了構型單元空間疊置形式,建立該地區(qū)辮狀河同期次河道復合砂體三維的構型模式(圖8)。

同期次辮狀河底部(5級界面底部)為沖刷面,可見典型滯留礫石沉積。在整個辮狀河發(fā)育早期由于水動力強,辮狀河道底部沉積了較粗的碎屑物質;其中河道充填以槽狀交錯層理含礫粗砂巖相為主,砂壩以板狀交錯層理含礫砂巖相為主。辮狀河發(fā)育后期,河道變寬,水體加深,水動力減弱,沉積碎屑物質變細,新的巖相類型加積在辮狀河道上;辮狀河平水期,水動力減弱以泥巖沉積為主,形成越岸沉積(5級界面頂部)(圖8),也標志著一期河道的終結。辮狀河上游以發(fā)育縱向砂壩為主,伴隨發(fā)育了少量橫向砂壩,下游由于河道變窄,側向加積作用增強使得斜列砂壩增多。同期次單一辮狀河河道充填分別與縱向砂壩、斜列砂壩及橫向砂壩側向拼接,廢棄河道與縱向砂壩側向拼接,越岸沉積疊置于斜列砂壩或廢棄河道之上(圖8)。多期次辮狀河各構型單元在垂向上及側向上相互拼接,形成了廣泛分布的厚砂體,該模式可為蘇東地區(qū)盒8段氣藏精細描述提供地質依據。

圖7 天生橋剖面盒8段廢棄河道解譯結果Fig.7 Interpretation of abandoned channel of He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basina.廢棄河道宏觀照片;b.廢棄河道精細解譯;c.廢棄河道巖相組合

表3 天生橋剖面盒8段辮狀河儲層構型單元規(guī)模Table 3 Architecture unit scale of braided river reservoir in the He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basin

圖8 天生橋剖面盒8段辮狀河儲層構型模式Fig.8 Architecture pattern of braided river reservoir in the He 8 member on Tianshengqiao outcrop,Fugu county,eastern Ordos Basin

6 結論

1) 府谷天生橋剖面上古生界盒8段辮狀河露頭共識別出12種巖相類型,劃分了6級構型界面,由大到小依次是復合河道帶、單一河道帶、單砂體、落淤層及增生體、層系組、層系及紋層界面。明確了各級別構型界面特征,可為相同地下儲層界面的識別提供依據。

2) 基于對巖石相類型和構型界面的詳細識別與劃分,府谷天生橋剖面上古生界盒8段辮狀河主要發(fā)育6種儲層構型單元。河道充填(CH)構型單元巖相組合為Gm-Gst-Sh或Gm-St-Gm-Sh,為河流遷移、充填下切作用形成,剖面呈“頂平底凸”的外部形態(tài);縱向砂壩(LB),巖相組合為Gst-GspⅡ-St-SpⅡ-Fr-SpⅡ或Gst-SpⅡ,主要為河流順流加積作用形成,呈“底平頂凸”的外部形態(tài);斜列砂壩(DB),巖相組合為Gm-GspⅠ-SpⅠ-St,為河道由寬變窄發(fā)生的側向加積或側向遷移形成,剖面外部形態(tài)和縱向砂壩相似;橫向砂壩(TB),巖相組合為Gst-GspⅢ,為不連續(xù)水流卸載的垂向加積作用形成;廢棄河道(ACH),巖相組合Sh-Fr-M多次重復出現,構成完整的廢棄河道構型單元,剖面上呈“頂平底凸”的形態(tài);越岸沉積(OF),巖相組合為Fr-M,為后期弱水動力作用形成,呈席狀。

3) 天生橋剖面砂壩分布率較高,統(tǒng)計3種砂壩發(fā)育規(guī)模,其中橫向砂壩寬/厚比最大,約為47.0～61.8;斜列砂壩寬/厚比次之,約為34.8～42.1;縱向砂壩寬/厚比最小,約為27.6～37.7。

4)研究同時期單一河道帶各構型單元空間組合,可知河道充填分別與縱向砂壩、斜列砂壩及橫向砂壩側向拼接,廢棄河道與縱向砂壩側向拼接,越岸沉積疊置于斜列砂壩或廢棄河道之上,各構型單元的組合形成了廣泛分布的厚砂體,以此建立該盒8段辮狀河儲層構型模式,為蘇東地區(qū)盒8段氣藏精細描述提供了地質依據。