鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)晚古生代盆緣古地貌控砂及油氣勘探意義

胡華蕊，邢鳳存，齊 榮，王 超，劉曉晨，陳 林，陳孝全

(1.油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，成都 610059；2.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院，成都 610059； 3.中國(guó)石化 華北油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450006；4.中國(guó)石化 江漢油田分公司 勘探開發(fā)研究院，湖北 430223； 5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074； 6.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，武漢 430074；7.武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢 430205)

近些年，地處鄂爾多斯盆地上古生界生氣中心邊緣的大牛地億噸級(jí)大氣田的發(fā)現(xiàn)[1]及其北部杭錦旗探區(qū)(圖1)[2]的油氣勘探重大突破[3]，都指示了盆地北部石炭系—二疊系致密砂巖良好的油氣勘探前景。由于處于沉積期盆地邊緣帶，相比盆地腹部，杭錦旗地區(qū)上古生界砂體展布規(guī)律尚待揭示。

前人以組段為單元[3-7]，對(duì)杭錦旗地區(qū)上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組和中二疊統(tǒng)下石盒子組(圖2)開展了沉積、儲(chǔ)層和油氣成藏等方面的綜合研究[8-10]，但針對(duì)盆地沉積邊緣地區(qū)、以河道為主的致密儲(chǔ)集砂體的精細(xì)時(shí)空動(dòng)態(tài)展布和演化，及其與沉積期古地貌演化的相關(guān)性還有待揭示。本文將為鄂爾多斯盆地北部乃至類似背景條件下的致密砂巖時(shí)空配置研究及油氣勘探提供支撐和參考。

1 地質(zhì)概況

晚加里東—海西運(yùn)動(dòng)早期，鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了普遍的構(gòu)造抬升剝蝕[11]，受晚古生代南北兩側(cè)中亞—蒙古海槽和秦嶺海槽擴(kuò)張—俯沖消減等過程影響[12]，海陸變遷[5]，晚石炭世海水從東西兩側(cè)退去，太原組沉積晚期大量陸源物質(zhì)從東北和西北進(jìn)入盆地，山西組沉積期盆地周緣海槽消亡，形成陸內(nèi)坳陷[13]。太原組和山西組沉積期氣候濕潤(rùn)、沼澤發(fā)育，是重要的成煤期，而下石盒子組沉積期氣候轉(zhuǎn)為干燥炎熱，形成了河流—湖泊三角洲沉積[14]。

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣，以中部泊爾江海子斷裂為界，跨越了伊陜斜坡和伊盟隆起2個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(圖1)。該區(qū)晚古生代位于阿拉善—陰山古陸邊緣帶[15]，在太古界變質(zhì)巖基底以及古生界碳酸鹽巖(奧陶系為主)地層之上，北部物源供給[5，16]，沉積了太原組、山西組(山1段、山2段)和下石盒子組(盒1段、盒2段、盒3段)等地層，區(qū)內(nèi)缺失上石炭統(tǒng)本溪組。前人認(rèn)為太原組沉積期主要為扇三角洲平原沉積[4，17]，山西組沉積期主要為沖積扇[4]、沖積平原[5]、辮狀河[4]和(辮狀河)三角洲平原沉積[8，19]，下石盒子組沉積期為沖積平原[6]、沖積扇—辮狀河[4，19]—三角洲平原沉積[6]。研究區(qū)太原組和山西組是煤層發(fā)育層段(圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)研究區(qū)位置及現(xiàn)今構(gòu)造背景構(gòu)造單元底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[2]修改。Fig.1 Location of study area and present tectonic units in Hangjinqi area, Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)上古生界綜合柱狀圖Fig.2 Composite columnar section of Upper Paleozoic in Hangjinqi area, Ordos Basin

2 古地貌恢復(fù)及特征

杭錦旗地區(qū)地震品質(zhì)可以滿足組、段級(jí)別的地層對(duì)比[9]及一定程度上的儲(chǔ)層預(yù)測(cè)需求[20]，為三維古地貌恢復(fù)提供了良好條件；而連井地層對(duì)比也可以有效指示地貌特征。古地貌恢復(fù)與砂體展布結(jié)合，將更有效揭示古地貌與砂體響應(yīng)關(guān)系。

2.1 方法及精度選取

研究區(qū)晚石炭世—中二疊世均位于盆地邊緣[5]，且以陸相—海陸過渡相沉積為主。該部位主要為補(bǔ)償沉積，同時(shí)，地層對(duì)比和地震剖面均未發(fā)現(xiàn)太原組—下石盒子組內(nèi)部存在明顯的地層剝蝕，因此，現(xiàn)今地層厚度可以有效反映沉積期地貌總體格局[21]。

考慮地震剖面(圖3)能夠有效區(qū)分太原組—山西組、盒1段、盒2段—盒3段，本次針對(duì)太原組底界、盒1段底界及盒2段底界3個(gè)界面進(jìn)行了地層解釋和層位閉合及基于地層厚度的古地貌恢復(fù)，而連井地層對(duì)比(圖4)可作為輔助參考。

2.2 古地貌特征

在太原組和山西組沉積期(圖5a)，以泊爾江海子斷裂(后文簡(jiǎn)稱斷裂)為界，具有明顯的北部區(qū)東西向溝谷縱橫(溝1—溝5)、南部區(qū)東西向隆洼相間格局，而斷裂南部以J46井—J54井隆起部位(隆3)為界，將研究區(qū)分為東西2個(gè)向南呈喇叭口形的低洼區(qū)(洼1+洼2、洼3)，西側(cè)又以J57井西隆起部位(隆1)為界，分隔出洼1和洼2兩個(gè)次一級(jí)低洼區(qū)。盒1段沉積期(圖6a)，總體繼承了太原組—山西組沉積期地貌格局，仍一定程度上存在南北向、向南傾沒的低緩隆起(低隆1、低隆2、低隆3)，但向南張開的喇叭口形向北退去，且地貌趨于平整化。與前2個(gè)階段相比，盒2段沉積期地貌(圖7a)明顯平緩，隆洼格局已不明顯，但微地貌起伏普遍。從太原組—下石盒子組沉積期，研究區(qū)經(jīng)歷了具有繼承性的從隆洼相間、溝谷明顯到逐漸平整化的演化過程，而該結(jié)構(gòu)在鉆井對(duì)比上(圖4)也具有明顯的對(duì)應(yīng)性。圖4展示了泊爾江海子斷裂北部溝谷起伏明顯，以該斷裂為界，地層逐漸向北超覆，山1段沉積晚期完成了全區(qū)超覆；山2段—盒3段沉積期，地貌逐漸平整化，南北差異性已經(jīng)不明顯。

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)北東向地震剖面及地層解釋剖面位置見圖1A。Fig.3 NE-oriented seismic profile and interpretation in Hangjinqi area, Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)太原組—下石盒子組層序地層和砂體連井對(duì)比a.泊爾江海子斷裂以北垂直物源剖面(位置見圖1B，地貌單元名稱見圖5a)；b.跨泊爾江海子斷裂順物源剖面(位置見圖1C)Fig.4 Correlation of sequence stratigraphy and sandbody distribution from Taiyuan Formation to Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

綜上分析，將研究區(qū)古地貌演化劃分為3個(gè)主要階段，即太原組—山1段的溝谷超覆充填階段、山2段—盒1段的隆洼繼承性填平階段和盒2段—盒3段均一平整階段。

3 砂體展布及古地貌響應(yīng)

為了減少因組、段內(nèi)部多時(shí)期砂體疊置而造成的儲(chǔ)集砂體平面展布規(guī)律模糊化影響，更為精細(xì)地揭示砂體的時(shí)空結(jié)構(gòu)及分布規(guī)律，本文在三級(jí)層序劃分基礎(chǔ)上，進(jìn)行了準(zhǔn)層序組級(jí)別的地層劃分與對(duì)比。其中三級(jí)層序劃分為7個(gè)，除盒1段劃分為2個(gè)三級(jí)層序外，太原組、山1段、山2段、盒2段和盒3段各劃分為一個(gè)三級(jí)層序(圖2，4)。每個(gè)三級(jí)層序均具有典型的底砂上泥的垂向結(jié)構(gòu)(圖2，4)，頂部泥巖橫向更為穩(wěn)定(圖4)。準(zhǔn)層序組是在三級(jí)層序基礎(chǔ)上的次一級(jí)旋回，可進(jìn)一步識(shí)別出進(jìn)積型和退積型兩類。本文在太原組—下石盒子組共劃分出21個(gè)準(zhǔn)層序組(圖2，4)。在準(zhǔn)層序組對(duì)比基礎(chǔ)上，開展了砂體連井對(duì)比，并針對(duì)各組、段精選代表性準(zhǔn)層序組進(jìn)行了平面沉積相和砂體展布的編圖分析(圖5，6，7)。

從圖4可以看出，3個(gè)地貌演化階段形成了對(duì)應(yīng)的砂體配置結(jié)構(gòu)：下部太原組—山1段的溝谷超覆充填階段，地貌起伏明顯，太原組地層向北超覆明顯(圖4b)，溝谷區(qū)(洼)是砂體聚集區(qū)，形成了垂向加積的砂體疊置結(jié)構(gòu)(圖4a)；山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段，砂體橫向連續(xù)性明顯增強(qiáng)，早期的隆起部位也堆積了砂體，但厚砂體區(qū)仍然分布在低洼帶，形成了垂向加積—橫向擺動(dòng)組合的砂體疊置結(jié)構(gòu)；盒2段—盒3段均一平整階段，在地貌總體均一化的背景下，砂體厚度明顯減薄，泥巖厚度明顯增加，甚至表現(xiàn)為“泥包砂”結(jié)構(gòu)，砂體的分布與早期溝谷對(duì)應(yīng)性趨于不明顯，砂體成透鏡狀橫向擺動(dòng)。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)太原組—山1段古地貌和砂體展布Fig.5 Paleogeomorphology and sandbody distribution from Taiyuan Formation to first member of Shanxi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

從砂體平面展布圖(圖5,6,7)可以看出，砂體總體具有由北向南延伸特點(diǎn)，不同層位砂體展布具有差異性。圖5b展示的太原組PSS21準(zhǔn)層序組沉積相及砂體展布，顯示該套地層主要分布在泊爾江海子斷裂南部，其北部?jī)H有少量溝谷內(nèi)沉積了太原組，以J57井、J46井—J54井為界，形成了3個(gè)近南北向的砂體集中區(qū)。該沉積期在泊爾江海子斷裂溝谷發(fā)育區(qū)附近存在沖積扇沉積，而在南部以辮狀河三角洲平原沉積為主。圖5c展示山1段PSS17準(zhǔn)層序組沉積期，砂體沉積明顯跨越泊爾江海子斷裂向北擴(kuò)展，僅北部少量地區(qū)為剝蝕區(qū)，山1段砂體仍以南北向?yàn)橹?，具有一定的向南發(fā)散特點(diǎn)，砂體集中部位仍總體表現(xiàn)為以J57井、J46井—J54井為分界，形成了3個(gè)砂體集中區(qū)。該時(shí)期沉積環(huán)境主要為沖積扇—辮狀河—三角洲平原沉積，北部剝蝕區(qū)邊部砂體明顯向東變寬，指示了沖積扇發(fā)育部位。與前2個(gè)時(shí)期相比，盒1段PSS11準(zhǔn)層序組沉積期砂體分布面積及厚度明顯擴(kuò)大(圖6b)，反映了一期明顯的物源增強(qiáng)，但仍以J57井、J46井—J54井為分界，劃分為東西向3個(gè)砂體集中區(qū)。該階段研究區(qū)均為沉積區(qū)，主要為辮狀河沉積。盒2段PSS5準(zhǔn)層序組沉積期(圖7b)，為曲流河—辮狀河過渡沉積，砂體明顯變窄，且砂體厚度明顯減薄，僅在東部和中部2個(gè)地區(qū)具有一定的砂體厚度集中。到盒3段PSS1準(zhǔn)層序組沉積期(圖7c)，砂體橫向的分帶結(jié)構(gòu)已經(jīng)消失，該時(shí)期主要為曲流河沉積，相干體分析顯示了明顯的河道彎曲—高彎度結(jié)構(gòu)(圖7d)。

圖6 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)盒1段古地貌和砂體展布Fig.6 Paleogeomorphology and sandbody distribution in first member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

需要指出的是，除以上砂體時(shí)空展布總體規(guī)律，在每個(gè)三級(jí)層序內(nèi)部均存在由下向上砂體厚度減薄、寬度變小、砂泥比減少的結(jié)構(gòu)，甚至是在山西組內(nèi)部也存在該特征(圖2，4)。

圖7 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區(qū)盒2段—盒3段古地貌和砂體展布Fig.7 Paleogeomorphology and sandbody distribution from second to third member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

綜合以上分析，認(rèn)為古地貌格局與砂體存在明顯的相關(guān)性，太原組—盒1段斷裂北部溝谷(溝1—溝5)是主要物源輸送通道，南部3個(gè)低洼區(qū)是3個(gè)主要砂體匯聚中心(洼1—洼3)。垂向上太原組—山1段的溝谷超覆充填階段，泊爾江海子斷裂明顯控制了太原組沉積范圍；山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段，繼承性的溝谷及低洼部位仍然是控制砂體發(fā)育的重要部位；盒2段—盒3段均一平整，地貌的平緩化使得早期溝谷帶已經(jīng)難于控制砂體分布，轉(zhuǎn)而形成擺動(dòng)明顯的河道砂體，但微地貌低洼部位是砂體發(fā)育部位。以上古地貌特征及沉積響應(yīng)，在一定程度上揭示泊爾江海子斷裂在太原組—山1段的溝谷超覆充填階段可能存在活動(dòng)性，而到后面2個(gè)階段處于平靜期。

4 油氣勘探意義

上述的古地貌及砂體分析，指示了砂體在不同古地貌演化階段內(nèi)的分布位置和結(jié)構(gòu)，該認(rèn)識(shí)對(duì)油氣勘探具有一定的指示意義。首先，能夠明確不同層位砂體的分布主體區(qū)，太原組砂體主要分布在泊尓江海子斷裂南部，而太原組—山1段砂體主要分布隆起部位分隔的低洼地區(qū)。同時(shí)，古地貌演化限定了砂體的分布與疊置關(guān)系，即太原組—山1段溝—洼限制型砂體、山2段—盒1段低洼匯聚型砂體和盒2段孤立型砂體。山2—盒1段砂體可成為有利的油氣運(yùn)移通道及油氣跨過泊尓江海子斷裂向北運(yùn)移通道，而孤立的砂體則成為油氣聚集的目標(biāo)。需要指出的是，每個(gè)層序頂部泥質(zhì)的增多及砂體的孤立化，有望在3個(gè)低洼地區(qū)的太原組—山西組各三級(jí)層序頂部形成良好巖性圈閉。

5 結(jié)論

(1)太原組—下石盒子組具有3個(gè)古地貌演化階段：太原組—山1段的溝谷超覆充填階段、山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段和盒2段—盒3段均一平整階段。前者指示了泊爾江海子斷裂的活動(dòng)期，后2個(gè)階段為穩(wěn)定期。

(2)太原組—下石盒子組及每個(gè)三級(jí)層序內(nèi)部均具有砂體發(fā)育程度向上減弱趨勢(shì)。

(3)不同地貌演化階段形成了不同的砂體空間結(jié)構(gòu)：溝谷超覆充填階段，溝谷輸砂、低洼聚砂明顯，砂體主要堆積在溝谷區(qū)，且以加積為主；隆洼繼承性填平階段，低洼區(qū)是連片砂體的主體分布區(qū)；而均一平整階段，孤立擺動(dòng)性砂體發(fā)育。

致謝：本文早期圖件和數(shù)據(jù)整理得到了中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)和成都理工大學(xué)碩、博士生的支持，在此致以衷心感謝！