瑪湖凹陷二疊系夏子街組限制性湖盆扇三角洲沉積特征

楊 帆，卞保力，劉慧穎，姚宗全，尤新才，劉海磊，衛(wèi)延召

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083；2.中國(guó)石油新疆油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000；3.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 引言

限制性三角洲是指受相鄰活動(dòng)扇或峽谷壁限制的扇形堆積體，表現(xiàn)出順?biāo)鞣较蛄髁亢纳⑿?，分支河道?shù)量少，通常由1 條或2 條主河道構(gòu)成［1］。與傳統(tǒng)三角洲相比，限制性三角洲是發(fā)育在可容空間受限的環(huán)境內(nèi)［2］，其地震反射特征和沉積充填特征具體表現(xiàn)為［3-4］：①受古地貌限制，沉積砂體具有較大的長(zhǎng)寬比且連續(xù)性較差［5-6］；②沉積物搬運(yùn)較短距離即可沉積［4］；③受坡度陡、近物源沉積環(huán)境影響，形成了限制性的可容空間［7］和沉積物搬運(yùn)方向［5］。

近年來(lái)，隨著準(zhǔn)噶爾盆地“跳出西北緣、走向斜坡區(qū)”勘探思路的提出［8-9］，瑪湖凹陷三疊系百口泉組、上二疊統(tǒng)上烏爾禾組相繼發(fā)現(xiàn)了億噸級(jí)大油區(qū)［10-11］。瑪湖凹陷二疊系夏子街組是沉積在風(fēng)城組優(yōu)質(zhì)堿湖烴源巖之上的砂礫巖，并被下烏爾禾組湖相泥質(zhì)烴源巖覆蓋，具有絕佳的生儲(chǔ)蓋組合［12］。李兵等［7］通過(guò)對(duì)鉆井、測(cè)井以及錄井等資料的分析，認(rèn)為夏子街組為傳統(tǒng)意義上的扇三角洲；陳波等［13］通過(guò)對(duì)巖心、物性資料的分析認(rèn)為，夏子街組為相對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；楊志冬［14］通過(guò)分析紅山嘴油田紅153 井區(qū)夏子街組取心、錄井資料，認(rèn)為該組發(fā)育沖積扇。

瑪湖凹陷夏子街組沉積時(shí)期的古構(gòu)造、物源體系、沉積相展布等均有其自身特征，以往研究人員對(duì)其沉積相類(lèi)型、相帶展布的研究?jī)H局限于已發(fā)現(xiàn)的儲(chǔ)層內(nèi)，缺乏宏觀的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)。本文通過(guò)對(duì)瑪湖凹陷二疊系夏子街組古地貌、巖心、物源等的研究，厘定以限制性湖盆為背景的扇三角洲沉積體系，以期為同類(lèi)型沉積體系的勘探與開(kāi)發(fā)提供一定借鑒。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部［15］，西至克百斷裂帶和烏夏斷裂帶，東至夏鹽凸起、三個(gè)泉凸起、英西凹陷和石英灘凸起，南至中拐凸起和達(dá)巴松凸起［16］。凹陷東西長(zhǎng)約50 km，南北長(zhǎng)約100 km［17］，其周緣均為有利油氣藏區(qū)［18］（圖1a）?，敽枷莸貙影l(fā)育齊全，自下而上發(fā)育石炭系（C）、二疊系佳木河組（P1j）、風(fēng)城組（P1f）、夏子街組（P2x）、下烏爾禾組（P2w）、上烏爾禾組（P3w）、三疊系百口泉組（T1b）、克拉瑪依組（T2k）、白堿灘組（T3b）、侏羅系、白堊系等。夏子街組（P2x）主要發(fā)育泥巖和砂礫巖，其下伏風(fēng)城組（P1f）在堿湖環(huán)境下沉積厚層泥巖夾白云巖，下烏爾禾組（P2w）則為1 套砂泥巖間互沉積［19-20］。夏子街組地震反射特征多見(jiàn)上超、頂超等現(xiàn)象，自下而上分為夏子街組一段（夏一段）、夏子街組二段（夏二段）、夏子街組三段（夏三段）、夏子街組四段（夏四段）（圖1b）。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造單元（a）及瑪湖凹陷二疊系巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Tectonic units of Junggar Basin（a）and stratigraphic column of Permian in Mahu Sag（b）

2 沉積特征

2.1 古地貌特征

準(zhǔn)噶爾盆地在二疊紀(jì)處于斷陷—斷坳轉(zhuǎn)換期［20］，為陸相沉積環(huán)境。早二疊世早期，西準(zhǔn)噶爾造山帶向盆地逆沖，形成西準(zhǔn)噶爾山前前陸盆地，即早期瑪湖凹陷［21］。早二疊世晚期，準(zhǔn)噶爾盆地處于后碰撞伸展構(gòu)造環(huán)境，瑪湖凹陷被斷裂和凸起分隔形成獨(dú)立區(qū)域。中二疊系夏子街組沉積時(shí)期，西部造山運(yùn)動(dòng)趨于強(qiáng)烈［22］，西準(zhǔn)噶爾造山帶繼續(xù)向盆地逆沖、抬升，瑪湖凹陷沉降中心向凹陷內(nèi)遷移；下烏爾禾組沉積時(shí)期，由于填平補(bǔ)齊作用，夏鹽—達(dá)巴松凸起不再是凹陷邊界，而是逐漸變?yōu)榈头人侣∑?，?zhǔn)噶爾盆地進(jìn)入湖泛期。至晚二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣受哈薩克板塊碰撞影響發(fā)育一次構(gòu)造反轉(zhuǎn)，開(kāi)始發(fā)育大規(guī)模的逆沖推覆斷裂體系［23］，此時(shí)，盆緣地層因受到水平擠壓應(yīng)力作用而抬升，二疊系和三疊系呈不整合接觸［24］，盆地內(nèi)部形成局部的構(gòu)造凸起帶，在盆緣斜坡區(qū)粗碎屑沉積明顯增多。以上沖斷作用導(dǎo)致斷裂帶上盤(pán)夏子街組地層缺失，同時(shí)扎依爾山山前夏子街組被上二疊統(tǒng)、三疊系地層剝蝕，形成大型角度不整合，而瑪湖凹陷東部、南部地區(qū)夏子街組向周緣凸起逐層超覆（圖2）。諸多構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得瑪湖凹陷夏子街組的沉積空間受到限制，最終表現(xiàn)為“北斷、西剝、東南超”的構(gòu)造格局。

圖2 瑪湖凹陷瑪湖1 井—達(dá)探1 井地震剖面（a）及地震解釋?zhuān)╞）（剖面位置見(jiàn)圖1 a）Fig.2 Seismic section（a）and seismic interpretation（b）across wells Mahu 1 and Datan 1 in Mahu Sag

地層殘余厚度顯示，夏子街組沉積時(shí)期的古地貌繼承了早二疊世分割性凹陷的構(gòu)造格局?，敽枷荼环譃闁|西2 個(gè)次級(jí)洼陷，此時(shí)沉積中心位于瑪湖凹陷西北緣地區(qū)。受達(dá)巴松凸起和中拐凸起圍限，夏一段至夏三段沉積時(shí)期沉積范圍不斷擴(kuò)大，但仍局限于瑪湖凹陷內(nèi)，直至夏四段沉積末期，沉積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，達(dá)巴松凸起已不復(fù)存在，沉積物越過(guò)達(dá)巴松凸起向盆1 井西凹陷等地區(qū)充填（圖3）。

圖3 瑪湖凹陷—盆1 井西凹陷二疊系夏子街組殘余厚度分布Fig.3 Residual thickness of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag to west sag of well Pen 1

2.2 物源特征

瑪湖凹陷北部地區(qū)（瑪北地區(qū)）古水流方向主要為北東向，西部地區(qū)（瑪西地區(qū)）為西北向，東部地區(qū)（瑪東地區(qū)）為東北向，南部地區(qū)（瑪南地區(qū)）為西南向。從礫巖厚度與地層厚度的比值（礫地比）來(lái)看，環(huán)瑪湖凹陷周緣斜坡高部位發(fā)育4 個(gè)礫巖厚度沉積中心，向凹陷區(qū)礫巖厚度逐漸減小。瑪北、瑪西、瑪東地區(qū)沉積中心較為集中，主要圍繞山口、溝槽分布，礫巖厚度為30～60 m；瑪南地區(qū)礫巖沿?cái)嗔褞M向展布，厚度較大，達(dá)100 m 左右（圖4）。

圖4 瑪湖凹陷二疊系夏子街組礫地比與水系分布Fig.4 Contour map of conglomerate thickness and water systems of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag

瑪北地區(qū)夏子街組發(fā)育近南北向長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系，受主水系控制；瑪西、瑪東地區(qū)夏子街組為東西向短軸近物源沉積體系，受古地貌限制，東、西兩側(cè)的短軸物源為點(diǎn)狀物源；瑪南地區(qū)夏子街組主要為東西向短軸近物源，沿?cái)嗔褞Х植家幌盗泄┰此?，并識(shí)別出1 套西南—北東向長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系。

3 沉積體系特征

3.1 巖性特征

瑪湖凹陷夏子街組礫巖的粒徑為2～100 mm，主要為粗礫巖和中礫巖，分選性較差，磨圓度中等，雜基含量較高（圖5）。由于礫巖顆粒較大，較難搬運(yùn)，所以主要分布在靠近坡折帶位置，并發(fā)育于限制性扇三角洲平原辮狀河道和扇三角洲前緣水下分流河道內(nèi)。

圖5 瑪湖凹陷二疊系夏子街組巖性特征Fig.5 Lithologic characteristics of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag

3.2 巖相特征

巖相反映了沉積物自然分選卸載的過(guò)程，代表了沉積水動(dòng)力條件變化的能量單元，成因序列單元?jiǎng)t表征了沉積體的成因，二者為沉積相的確定提供了可靠依據(jù)［25］。通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)12 口取心井400多米的巖心進(jìn)行描述，總結(jié)了8 種巖相和3 種巖相組合（圖6）。

圖6 瑪湖凹陷二疊系夏子街組巖相分類(lèi)Fig.6 Lithofacies classification of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag

（1）塊狀層理礫巖相（Gm）。該巖相在研究區(qū)大量發(fā)育，無(wú)明顯的沉積構(gòu)造，礫石大小混雜，粗礫之間充填中礫、細(xì)礫和砂巖，礫石與礫石之間多級(jí)顆粒接觸，礫石分選性與磨圓度均較差。礫石的粒度差別較大，從巨礫到細(xì)礫不等，代表了水動(dòng)力強(qiáng)，搬運(yùn)距離短，快速堆積的扇三角洲平原分流河道沉積環(huán)境。

（2）槽狀交錯(cuò)層理礫巖相（Gt）。該巖相的識(shí)別標(biāo)志為層系界面被中—細(xì)礫巖充填、紋層被細(xì)的砂巖充填、層系與層系之間相互發(fā)生截切。槽的方向反映了水動(dòng)力方向，顆粒與顆粒之間充填有泥質(zhì)和砂質(zhì)，通常在研究區(qū)扇三角洲前緣河道內(nèi)出現(xiàn)。

（3）平行層理砂巖相（Sh）。該巖相以中砂巖為主，紋層與層系互相平行，常與Gt 共同出現(xiàn)于扇三角洲前緣水下分流河道內(nèi)。

（4）槽狀交錯(cuò)層理砂巖相（St）。通常在槽底部可見(jiàn)一些細(xì)礫巖，沉積底界面通常呈勺形，波脊呈舌形、新月形［26］，在扇三角洲河道底部常見(jiàn)，反映了河道沖刷充填，在研究區(qū)內(nèi)多出現(xiàn)于扇三角洲前緣水下分流河道中。

（5）波痕交錯(cuò)層理砂巖相（Sr）。該巖相屬于低流態(tài)產(chǎn)物，水流波痕向前遷移的同時(shí)向上生長(zhǎng)而形成相互疊置的波痕紋理，常發(fā)育于扇三角洲前緣沉積環(huán)境。

（6）塊狀層理砂巖相（Sm）。該巖相比較均一，無(wú)明顯的沉積構(gòu)造現(xiàn)象，研究區(qū)砂巖相多以該巖相為主，常見(jiàn)于河道底部。

（7）水平層理粉砂巖相（Fl）。通常以粉砂巖為主，雜基含量少，呈灰綠色。該巖相為細(xì)粒沉積物形成的水平層理，在研究區(qū)中發(fā)育較少。

（8）塊狀層理泥巖相（Mm）。該巖相為研究區(qū)沉積物粒度最細(xì)的巖相，顏色類(lèi)型多樣，可見(jiàn)淺灰色、深灰色、灰黑色、灰綠色等，沉積構(gòu)造為塊狀層理。

巖相組合Gt→Gm由槽狀交錯(cuò)層理礫巖相漸變?yōu)閴K狀層理礫巖相，粒度逐漸變小，分選性與磨圓度整體較差，反映物源供給快且有變?nèi)醯内厔?shì)，槽狀交錯(cuò)層理的出現(xiàn)說(shuō)明了水動(dòng)力逐漸趨于穩(wěn)定。該巖相組合常指示扇三角洲平原分流河道（圖7a）。巖相組合Sm→Fl→Gm→Sm→Mm 整體為正粒序，反映物源供給由弱變強(qiáng)。水平層理的出現(xiàn)說(shuō)明了水動(dòng)力減弱，反映了由扇三角洲前緣向扇三角洲平原過(guò)渡的沉積環(huán)境（圖7b）。

圖7 瑪湖凹陷二疊系夏子街組巖相組合Fig.7 Lithofacies assemblage of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag

巖相組合St→Mm→Fl→Sh→Sm 的巖性明顯先變細(xì)再變粗，反映了物源供給由強(qiáng)到弱的變化趨勢(shì)，說(shuō)明以扇三角洲前緣沉積為主（圖7c）。

3.3 單井沉積相特征

（1）扇三角洲平原亞相

分流河道的沉積物成分、結(jié)構(gòu)受物源影響，總體為灰綠色砂礫巖，并伴有灰綠色或紅褐色泥巖夾層，分選性較差，磨圓度一般，可見(jiàn)沖刷面及Gm，Sh，St 等巖相類(lèi)型。測(cè)井曲線響應(yīng)特征為低伽馬、高電阻率，測(cè)井組合多為箱形或微齒化箱形疊加成的“松樹(shù)形”（圖8）。分流間灣以泥巖為主，測(cè)井曲線多表現(xiàn)為線形。

圖8 瑪湖凹陷瑪湖15 井二疊系夏子街組層序與沉積相綜合柱狀圖Fig.8 Sequence and sedimentary facies of Permian Xiazijie Formation of well Mahu 15 in Mahu Sag

（2）扇三角洲前緣亞相

水下分流河道在研究區(qū)內(nèi)整體呈正旋回，由底部灰綠色或灰黑色的含礫粗砂巖向上逐漸過(guò)渡為中、細(xì)砂巖，可見(jiàn)Gt，St 巖相類(lèi)型，并伴有浪成砂紋和砂質(zhì)紋層，反映河道的沖刷作用減弱，波浪改造作用增強(qiáng)，自然伽馬曲線呈中—高幅鐘形、箱形。河口壩在研究區(qū)發(fā)育較少，巖性由底部的粉砂巖漸變?yōu)榧?xì)砂巖，自然伽馬曲線呈中—高幅漏斗形、箱形的組合形態(tài)，具有中—低伽馬值，中—高電阻率特征。

（3）前扇三角洲在研究區(qū)內(nèi)以低能水體環(huán)境中沉積的炭質(zhì)泥巖為主。

3.4 連井沉積相特征

瑪西地區(qū)百泉1 井砂礫巖沉積厚度大，砂地比高，泥巖以褐色為主，主要發(fā)育于扇三角洲平原?，敄|地區(qū)夏鹽2 井，整體以灰綠色泥巖為主，粒度較細(xì)，砂地比有所下降，發(fā)育于扇三角洲前緣沉積環(huán)境。位于瑪湖凹陷中心的艾參1 井砂泥頻繁互層，雖然巖性以中細(xì)砂巖為主，但礫地比仍然在50%以上。過(guò)百泉1 井-百泉2 井-艾參1 井-夏鹽2井的連井剖面印證了瑪湖凹陷夏子街組扇體受湖盆限制，沉積相帶變化較快（圖9）。

圖9 過(guò)百泉1 井-百泉2 井-艾參1 井-夏鹽2 井沉積相剖面（剖面位置見(jiàn)圖3 中B-B’）Fig.9 Sedimentary facies profile across wells Baiquan 1，Baiquan 2，Aican 1 and Xiayan 2 in Mahu Sag

瑪南、瑪西地區(qū)砂礫巖厚度大，普遍鉆遇褐紅色砂礫巖，主要為扇三角洲邊緣相帶；瑪北地區(qū)儲(chǔ)層較薄，泥巖以褐色、灰色為主，整個(gè)瑪北地區(qū)夏子街組均處于扇三角洲前緣相帶，儲(chǔ)層主要集中在主水系附近發(fā)育，砂體連續(xù)性較差。

3.5 平面展布特征

不同的沉積微相其砂礫巖厚度與砂地比均不同，將單井沉積相分析與砂地比進(jìn)行對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)二者具有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系?，敱钡貐^(qū)距物源區(qū)較遠(yuǎn)，屬長(zhǎng)軸遠(yuǎn)距離供源，以砂泥互層為主，砂體厚度平均為260 m，砂地比為30%～40%?，斘?、瑪南地區(qū)為短軸近物源沉積體系，沿克百斷裂帶發(fā)育1條砂地比高值帶?，斘鞯貐^(qū)砂礫巖厚度為150～1 500 m，平均厚度為500 m，砂地比約為80%；瑪南地區(qū)以厚層砂礫巖沉積為主，泥巖含量少，砂礫巖厚度為50～500 m，平均厚度為210 m，砂地比為70%～98%?，敄|地區(qū)為短軸近物源沉積體系，砂礫巖厚度為20～130 m，平均厚度為60 m，砂地比為30%～70%。

根據(jù)沉積期古地貌和砂地比，并結(jié)合沉積相標(biāo)志、單井相、剖面相等的分析結(jié)果，明確了瑪湖凹陷夏子街組的沉積相展布（圖10）。夏子街組沉積時(shí)期，瑪湖凹陷處于限制性湖盆沉積背景，該時(shí)期繼承了早二疊世前陸盆地的構(gòu)造格局，靠山一側(cè)可容空間大，發(fā)育巨厚的扇三角洲砂礫體且延伸較局限?，斈系貐^(qū)由于存在1 條南西—北東向的狹長(zhǎng)溝谷地貌，從中拐凸起順流而下的前緣砂體順著溝谷將沉積物搬運(yùn)至瑪湖凹陷中部，這種長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系可形成規(guī)模有效儲(chǔ)層。如艾參1 井處于凹陷區(qū)，屬長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系，砂地比可達(dá)到50%以上，沉積物分選性、磨圓度均相對(duì)較好，是有利儲(chǔ)層的主要發(fā)育帶。

圖10 瑪湖凹陷二疊系夏子街組沉積相展布Fig.10 Sedimentary facies distribution of Permian Xiazijie Formation in Mahu Sag

4 結(jié)論

（1）二疊紀(jì)經(jīng)歷的斷陷—斷坳轉(zhuǎn)換為瑪湖凹陷夏子街組的沉積提供了充足的物源，諸多構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使夏子街組的可容空間受限，最終呈“北斷、西剝、東南超”的構(gòu)造格局。夏一段至夏三段沉積時(shí)期沉積范圍不斷擴(kuò)大，但受限制性湖盆影響，直至夏四段沉積末期，沉積范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，沉積物越過(guò)達(dá)巴松凸起向盆1 井西凹陷等地區(qū)充填。

（2）環(huán)瑪湖凹陷周緣斜坡高部位發(fā)育4 個(gè)厚度較大的礫巖沉積中心，受限制性湖盆影響，向凹陷區(qū)礫巖厚度減小?，敱钡貐^(qū)為近南北向長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系，瑪西、瑪東地區(qū)為東西向短軸近物源沉積體系，瑪南地區(qū)主要為東西向短軸近物源和西南—北東方向長(zhǎng)軸遠(yuǎn)物源沉積體系。

（3）瑪湖凹陷夏子街組限制性湖盆三角洲多發(fā)育分選性、磨圓度均較差的砂礫巖。基于巖心觀察共識(shí)別出8 種巖相，并建立了3 種不同的巖相組合。該限制性湖盆三角洲在平面上湖盆范圍小，沿克百斷裂帶沉積巨厚的扇三角洲，垂向厚度大但平面展布有限。