鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)太原組致密砂體控砂機(jī)理

王濤，聶萬(wàn)才，劉軍，黃錦袖，范昌育，彭敘凱

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司宜黃天然氣項(xiàng)目部，陜西 西安 710018；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司氣田開發(fā)事業(yè)部，陜西 西安 710018；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069）

0 引言

鄂爾多斯盆地南部上古生界天然氣開發(fā)潛力大，天然氣資源量約為 1.5×1012m3，但勘探程度很低[1]。 太原組作為上古生界天然氣的主力含氣層之一，具有低孔滲、低豐度、面積大、連續(xù)性較差等特點(diǎn)，滯緩了天然氣勘探開發(fā)速度。本文對(duì)不同區(qū)域致密砂體的展布進(jìn)行了研究，并分析了致密砂體控砂機(jī)理，研究成果對(duì)有效勘探開發(fā)天然氣有一定的意義[2-4]。

砂體展布受多種因素的影響，古構(gòu)造形態(tài)、物源供給、沉積體系展布以及水動(dòng)力條件等都具有顯著的控砂作用[5-7]。前人對(duì)鄂爾多斯盆地上古生界太原組地層的沉積相特征已進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為在盆地范圍內(nèi)可發(fā)育三角洲、障壁海岸和碳酸鹽臺(tái)地沉積相。其中，陸相三角洲沉積相多發(fā)育在盆地中北部地區(qū)，障壁海岸和碳酸鹽臺(tái)地沉積相則發(fā)育在盆地南部[8-10]。在大多數(shù)海陸過(guò)渡相沉積體系中，砂體碎屑物來(lái)自陸相物源，多以障壁島相沉積為主，當(dāng)物源供給較弱時(shí)，障壁島相朝陸地方向遷移[11-12]。海侵作用對(duì)障壁砂沉積的影響非常大[13-14]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)東南部的伊陜斜坡之上，構(gòu)造穩(wěn)定，地層傾角平緩。鄂爾多斯盆地在早古生代—中生代的發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)歷了差異升降和構(gòu)造分異等事件，導(dǎo)致上古生界泥盆系和下石炭系地層缺失[15]。研究區(qū)穩(wěn)定發(fā)育的地層自下而上為上石炭統(tǒng)本溪組、二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組等。

晚石炭世以來(lái)，盆地遭遇來(lái)自華北海和祁連海的海水入侵。早二疊世早期，海水來(lái)自東南方向[16]，使得盆地東南緣在太原期處于淺海陸棚沉積環(huán)境，向西及西北方向逐漸演化為海陸過(guò)渡相[1，16]。宜川地區(qū)則位于海陸過(guò)渡相沉積體系中。在不同程度的海浸/海退作用下，太原組形成了碳酸鹽巖、砂巖、泥巖和煤層互相疊置的混合巖性沉積。山西期之后，盆地發(fā)生大規(guī)模海退，沉積體系由海陸過(guò)渡相向河流湖泊相轉(zhuǎn)變，形成以陸源碎屑為主的沉積[17]。

2 地層劃分

前人對(duì)鄂爾多斯盆地的地層劃分已經(jīng)進(jìn)行了大量研究[10，16-17]，基于相對(duì)成熟的上古生界地層劃分準(zhǔn)則以及太原組小層劃分標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)識(shí)別鄂爾多斯盆地東南部上古生界的地層層序界面和組內(nèi)旋回標(biāo)志層，對(duì)太原組地層及小層進(jìn)行了劃分。盆地東南部上古生界太原組和本溪組共為1個(gè)二級(jí)層序，山西組則為另一二級(jí)層序。通過(guò)識(shí)別每個(gè)層序界面，將太原組與上覆山西組和下伏本溪組進(jìn)行地層劃分，識(shí)別標(biāo)志為山西組底部的北岱溝砂巖和本溪組頂部的9號(hào)煤[18-19]，在研究區(qū)穩(wěn)定發(fā)育，且易于識(shí)別。太1段底部的石灰?guī)r和太2段頂部的煤層為地層旋回標(biāo)志，在研究區(qū)內(nèi)穩(wěn)定發(fā)育，測(cè)井曲線特征明顯，是劃分太原組小層的主要依據(jù)（見(jiàn)圖 1）。

圖1 宜川地區(qū)Y1井太原組地層劃分

3 砂體展布特征

3.1 剖面展布特征

宜川地區(qū)太原組縱向上共發(fā)育4套單砂體，與盆地中北部發(fā)育3套單砂體的情況稍有不同[10，20]。本研究將4套單砂體自上而下命名為t1，t2，t3，t4。其中，t1和t2單砂體發(fā)育于太1段，t3和t4單砂體發(fā)育于太2段，并分析了北東—南西向AA′剖面（見(jiàn)圖 2）和北西—南東向BB′剖面（見(jiàn)圖3）單砂體的展布情況（剖面位置見(jiàn)圖4）。在AA′剖面上，4套單砂體均為局部發(fā)育，橫向上連續(xù)性差，但砂體沉積厚度較大，可達(dá)15 m以上。在BB′剖面上，t1單砂體連續(xù)沉積，沉積厚度不穩(wěn)定，t2和t3單砂體局部薄層發(fā)育，t4單砂體在西南部形成薄層，且連續(xù)沉積（見(jiàn)圖2、圖3）。

3.2 平面展布特征

對(duì)宜川地區(qū)141口井的砂體數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析太1段和太2段的砂體展布情況。研究區(qū)各段砂體在平面上的連續(xù)性較差，主要沉積北東—南西向的透鏡狀、塊狀和長(zhǎng)條狀砂體。太2段砂體厚度主要分布在2～12 m，在西北部 Y91、中部 Y78、東南部 Y87井區(qū)附近沉積較厚，可達(dá)12 m以上（見(jiàn)圖4a）。太1段砂體面積稍大，集中發(fā)育于東北部，在Y20，Y43，Y57井區(qū)等 多處發(fā)育15 m以上的厚層砂體（見(jiàn)圖4b）。

圖2 宜川地區(qū)北東—南西向AA′剖面單砂體展布

圖3 宜川地區(qū)北西—南東向BB′剖面單砂體展布

圖4 宜川地區(qū)太原組砂體展布及剖面位置

4 致密砂體控砂機(jī)理

4.1 古構(gòu)造特征

古構(gòu)造恢復(fù)有助于沉積體系配置以及砂體展布的研究[21-22]。地勢(shì)起伏、低洼區(qū)位置以及臺(tái)地低洼區(qū)坡折帶的發(fā)育決定了沉積物的供給[5，12]，進(jìn)而控制砂體發(fā)育。本研究以本溪組頂部發(fā)育的穩(wěn)定煤層和太1段發(fā)育的穩(wěn)定石灰?guī)r作為古構(gòu)造面和基準(zhǔn)面，利用印模法對(duì)太1段和太2段進(jìn)行古構(gòu)造恢復(fù)（見(jiàn)圖5）。

宜川地區(qū)太原組地勢(shì)起伏較大，在中東部海拔相對(duì)較低。太2段主要沉積于Y6，Y54，Y78，Y79等井區(qū)的地勢(shì)低洼區(qū)（見(jiàn)圖5a）；太1段由于地勢(shì)起伏減弱，主要沉積于 Y6，Y16，Y53，Y54等井區(qū)的地勢(shì)低洼區(qū)（見(jiàn)圖 5b）。

古構(gòu)造對(duì)沉積的控制作用主要表現(xiàn)為低洼區(qū)的沉積充填作用以及古構(gòu)造的填平補(bǔ)齊作用[5]。太2段障壁砂主要發(fā)育于中東部海拔較低區(qū)域，太1段障壁砂主要發(fā)育于Y6井區(qū)等海拔較低區(qū)域（見(jiàn)圖4、圖5）。

圖5 宜川地區(qū)太原組古構(gòu)造恢復(fù)

4.2 物源供給

物源決定砂體的發(fā)育情況，對(duì)砂體的沉積范圍[10]以及沉積相類型[10，23]均具有一定的控制作用。晚古生代時(shí)期，北部阿拉善—陰山古陸是鄂爾多斯盆地的主要物源區(qū)，在盆地中北部形成三角洲沉積相[24]，砂體向南延伸至佳縣—延安—慶陽(yáng)一線，南部地區(qū)離北部物源較遠(yuǎn)，砂體無(wú)法延伸至此[10]。南部二疊系太原組的巖性、重礦物等特征與阿拉善—陰山古陸不同[25]。

沉積盆地與物源區(qū)分布受大地構(gòu)造的影響。因此，在沉積盆地內(nèi)，沉積物碎屑組分和結(jié)構(gòu)特征與物源區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì)有著必然聯(lián)系。Dickinson三角圖解[25]是研究物源區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì)的常用方法。前人通過(guò)巖石學(xué)、重礦物組合、砂巖成分等分析發(fā)現(xiàn)：太原組沉積期與上古生界其他幾期的砂體構(gòu)造特征類似，物源也來(lái)自洋殼與陸殼的俯沖帶及其相鄰構(gòu)造單元，以及后期形成的縫合帶及褶皺逆掩帶；構(gòu)造背景與秦嶺造山帶相同，但又與阿拉善—陰山古陸有明顯不同的特征。因此，宜川地區(qū)太原組碎屑沉積物主要來(lái)源于華北板塊南緣的秦嶺造山帶[17，24，26]。

由于古生代沉積初期母巖為碳酸鹽巖，碎屑物質(zhì)多為碳酸鹽巖風(fēng)化產(chǎn)物，缺少碎粒屑供應(yīng)，導(dǎo)致太原組碎屑砂體沉積較少[17]，在東南部海水的沖擊下難以保存。因此，在宜川地區(qū)僅形成范圍較小、沉積較分散的小型障壁砂。

4.3 沉積體系

鄂爾多斯盆地在晚石炭世遭遇來(lái)自華北海和祁連海的海水入侵，形成海相沉積。太原組沉積期，海水減退，盆地東南部形成了由海相向海陸過(guò)渡相轉(zhuǎn)化的海岸沉積特征[1，27]。結(jié)合研究區(qū)巖性、沉積構(gòu)造和地球物理測(cè)井等資料，將宜川地區(qū)太原組沉積劃分為碳酸鹽臺(tái)地沉積體系和障壁海岸沉積體系。

在海侵期，海水大面積覆蓋研究區(qū)，東部形成以石灰?guī)r、泥晶灰?guī)r為主的碳酸鹽沉積，石灰?guī)r在太原組上部較厚，下部以泥巖或薄煤層隔開。在海退期，海水水動(dòng)力減弱，海水補(bǔ)給受限，水體下降，形成障壁海岸沉積。障壁海岸區(qū)域上可劃分為潟湖沼澤相和障壁島相。水體下降過(guò)程中，沉積顆粒逐漸變粗，砂體逐漸發(fā)育，形成障壁島相。研究區(qū)障壁島相主要分布在碳酸鹽臺(tái)地西側(cè)，呈北東—南西向；潟湖沼澤相主要分布在障壁島相西側(cè)，發(fā)育煤層和泥巖等泥碳沉積。

太2期海水由東部侵入，侵入距離較遠(yuǎn)，海相碳酸鹽臺(tái)地沉積面積較大。碎屑沉積物在海侵作用下，北東—南西向障壁島相發(fā)育于臺(tái)地邊緣，阻擋海水進(jìn)一步入侵，而在另一側(cè)發(fā)育潟湖沼澤相沉積。太1期海水侵入方向稍偏向南，海水稍有退出，碎屑沉積物向海一側(cè)移動(dòng)，形成障壁砂。相比于太2期，太1期障壁島相在平面上的發(fā)育較集中，2期障壁島相的方向基本一致。在物源基礎(chǔ)上，沉積相控制了砂體的展布形態(tài)和方向，研究區(qū)以透鏡狀、塊狀和長(zhǎng)條狀的砂體沉積為主，呈北東—南西向展布。

4.4 海侵/海退事件

沉積相分析顯示了海水從東南方向侵入宜川地區(qū)，石灰?guī)r沉積表示地層遭遇了海侵，障壁砂、潟湖沼澤的泥碳沉積則代表發(fā)生了海退。太原組地層縱向上具有砂巖、石灰?guī)r以及泥碳沉積相互疊置的特征，砂巖與石灰?guī)r的發(fā)育互為消長(zhǎng)。鄂爾多斯盆地在太原組沉積期發(fā)育東大窯石灰?guī)r、斜道石灰?guī)r、毛兒溝石灰?guī)r、廟溝石灰?guī)r、5—8號(hào)煤以及t1—t4單砂體 （見(jiàn)圖6）。研究表明，研究區(qū)遭遇了4期海侵/海退事件。

4期海侵/海退事件控制了太原組砂體的分布，太1和太2沉積期分別經(jīng)歷了2期海侵/海退事件，海侵/海退模式見(jiàn)圖6。在太2沉積期的第1期海侵事件中，宜川地區(qū)北東—南西方向上沉積了廟溝石灰?guī)r，砂體不發(fā)育（見(jiàn)圖6、圖7a）；此后海水稍有退出，沉積了t4單砂體，砂體主要發(fā)育在西南地區(qū)（見(jiàn)圖6、圖7b）。第2期海侵過(guò)程中，沉積了毛兒溝石灰?guī)r，砂體不發(fā)育；海退過(guò)程中，沉積t3單砂體，砂體較薄，砂巖的發(fā)育位置會(huì)稍向海退方向移動(dòng)（見(jiàn)圖6、圖7c、圖7d）。太1期同樣經(jīng)歷了2期海侵和海退事件，海侵時(shí)發(fā)育斜道石灰?guī)r和東大窯石灰?guī)r，砂體不發(fā)育，在海退過(guò)程中分別沉積了t2和t1單砂體（見(jiàn)圖6）。海侵事件會(huì)打斷縱向上砂體的連續(xù)性沉積，海侵次數(shù)越多，單砂體個(gè)數(shù)越多，砂體在縱向上的連續(xù)性越差。海侵時(shí)，沉積海相石灰?guī)r，障壁砂不發(fā)育；海退時(shí)，沉積障壁砂，并隨著海岸線變化向南東方向推移。海侵/海退事件決定了單砂體的沉積厚度和連續(xù)性，并與石灰?guī)r沉積互為消長(zhǎng)。研究區(qū)砂體主要發(fā)育于石灰?guī)r厚度小于8 m的區(qū)域。

圖6 宜川地區(qū)太原組海侵/海退模式

圖7 宜川地區(qū)太原組砂體分布模式

太2段沉積廟溝石灰?guī)r與毛兒溝石灰?guī)r，沉積范圍小，中部與東南部不連續(xù)，沉積厚度在3～10 m，表明太2期的2期海侵作用較弱。太2段砂體在廟溝石灰?guī)r沉積之后的海退過(guò)程中，以及毛兒溝—斜道石灰?guī)r沉積期的海侵?jǐn)U大過(guò)程中沉積[1]。海退過(guò)程中，t4單砂體局部連續(xù)沉積；海侵?jǐn)U大過(guò)程中，t3單砂體發(fā)育不連續(xù)（見(jiàn)圖 2、圖 3）。

太1段沉積東大窯石灰?guī)r和斜道石灰?guī)r，斜道石灰?guī)r沉積期是晚古生代最強(qiáng)海侵期[20，28]，沉積了面積較大、連續(xù)性好、厚度為3～18 m的太1段石灰?guī)r。太1段的2套單砂體分別是在斜道石灰?guī)r和東大窯石灰?guī)r沉積之后，且海平面下降過(guò)程中形成的。由于斜道石灰?guī)r沉積期海侵作用強(qiáng)，沉積期之后的海退過(guò)程中，t2單砂體局部發(fā)育。太1段砂體主要為東大窯石灰?guī)r沉積期之后的海退時(shí)形成，由于海水退出較多，沉積砂體較厚且連續(xù)性較好的t1單砂體（見(jiàn)圖2、圖3）。

5 結(jié)論

1）宜川地區(qū)太原組砂體沉積位置主要受古構(gòu)造的控制，宜川地區(qū)中東部古地勢(shì)較低，低洼及鄰近區(qū)域?yàn)樯绑w主要沉積區(qū)。

2）砂體發(fā)育面積和沉積相類型受物源控制。由于受古生代沉積初期母巖的影響，碎屑物供給不足，導(dǎo)致砂體發(fā)育面積小，沉積較分散。在物源和沉積環(huán)境的共同作用下，東部海侵之后的海水退出過(guò)程中，研究區(qū)主要形成以透鏡狀、塊狀和長(zhǎng)條狀為主的障壁砂，砂體呈北東—南西向展布。

3）海侵/海退事件控制了單砂體的沉積厚度及連續(xù)性，海侵過(guò)程中沉積石灰?guī)r，砂體發(fā)育與石灰?guī)r互為消長(zhǎng)。太原組沉積期共遭遇4期海侵/海退事件，縱向上形成4套單砂體，砂體主要發(fā)育在石灰?guī)r厚度小于8 m的區(qū)域。