鄭文波 胡向陽 陳舒薇 劉建黨 賈 超

(中石化石油勘探開發(fā)研究院天然氣所 北京 100083)

0 引言

鄂爾多斯盆地北部大牛地氣田共發(fā)現(xiàn)奧陶系上馬家溝組、石炭系太原組、二疊系山西組和下石盒子組4套含氣層［1］，是一個大型致密—低滲透砂巖巖性氣藏，截至2013年底該氣田已建成為探明儲量近4 000×108m3的大型氣田，成為西氣東輸?shù)闹匾獨庠磪^(qū)。

鄂爾多斯盆地早古生代為海相碳酸鹽巖沉積環(huán)境，自石炭紀到二疊紀的晚古生代為由海陸過渡環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴喹h(huán)境的過程。目前對于大牛地氣田主要目的層系上古生界太原組—山西組—下石盒子組的海陸變遷過程中，各層段沉積體系發(fā)育類型，沉積序列，分布和演化模式都存在較大爭議。

對于石炭系太原組，多數(shù)學者認為是障壁海岸—潮坪沉積體系，發(fā)育障壁島—潮汐三角洲沉積［2-5］，部分認為太原組上部發(fā)育陸相辮狀河流沉積［4］，另有學者認為太原組上部發(fā)育近海三角洲沉積［1，6］。郭書元等［7］認為其為陸表海碎屑巖—碳酸鹽巖混積體系。

針對二疊系山西組，部分學者認為是辮狀三角洲平原和前緣沉積［8-12］，張廣權(quán)等［13］認為其為濱?！Ｈ侵摅w系。

關(guān)于二疊系下石盒子組，多數(shù)學者認為屬于河流沉積體系［3，14］;部分學者認為下石盒子組為三角洲沉積［6，14-17］;少數(shù)學者認為下石盒子組為辮狀河三角洲沉積［18］;少數(shù)學者認為下石盒子組為辮狀河三角洲—淺湖沉積體系［5］、湖泊沉積體系［19］。

本文通過詳細的巖芯觀察描述，綜合測井，地震資料，分析研究區(qū)上古生界太原組—山西組—下石盒子組由海向陸變遷過程中沉積體系發(fā)育類型與分布特征，并建立其沉積演化模式，為儲層砂體成因類型的確定，儲層分布預測和分類評價提供指導和依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地東北部，處于陜西省榆林市與內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗、烏審旗交界地區(qū)塔巴廟區(qū)塊，面積2 000 km2(圖1)，處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡北部東段，總體為北東高、西南低的平緩單斜，區(qū)內(nèi)構(gòu)造、斷裂不發(fā)育，局部發(fā)育鼻狀隆起，未形成較大的構(gòu)造圈閉。

鄂爾多斯地區(qū)晚古生代位于華北克拉通盆地西部，現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)為一東緩西陡的不對稱向斜，其內(nèi)部可以劃分為六個一級構(gòu)造單元:伊盟北部隆起、渭北隆起、西緣沖斷帶、晉西擾褶帶、天環(huán)坳陷和伊陜斜坡［15］(圖1)。

鄂爾多斯盆地晚古生代沉積可劃分為兩大演化階段:即中晚石炭世本溪期—太原期的海相發(fā)展階段;早二疊世山西期—晚二疊世石千峰期的陸相發(fā)展階段(圖2)［3，20-21］。

2 太原組潮坪沉積體系

晚石炭世太原期，來自東、西兩側(cè)海水分別向中央古隆起和向北侵漫，地層逐漸超覆于中央古隆起的奧陶系古侵蝕面之上(圖2)，中央古隆起東西兩側(cè)形成一個統(tǒng)一的海域［2］。

2.1 沉積相類型

研究區(qū)太原組地層巖相主要為泥晶生物灰?guī)r、灰黑—黑色泥巖、煤層以及鈣質(zhì)膠結(jié)的石英砂巖(圖3)?；?guī)r主要分布于下部，砂巖分布于中上部，煤層集中于中部，底部為石炭系本溪組鋁土巖薄層。

2.1.1 碳酸鹽巖斜坡

碳酸鹽巖斜坡位于寬緩海岸斜坡，向陸一側(cè)為潟湖沉積，主要發(fā)育于太1段，發(fā)育泥晶灰?guī)r，頂部含生物介殼，無生物骨架礁體(圖3、圖4，D77)，主要分布于研究區(qū)東南部，呈條帶狀分布，厚度不等，孔隙不發(fā)育。

2.1.2 潟湖

潟湖與開闊海之間以障壁島分隔，以潮道連通。潟湖的水動力條件較弱，沉積物以泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤層為主，夾少量薄層粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖或細砂巖，局部地區(qū)夾有少量薄層灰?guī)r。沉積構(gòu)造以水平層理、沙紋層理及變形層理為主(圖4)。

2.1.3 障壁砂壩

障壁砂壩主要為中粗砂巖，少量含礫粗砂巖，通常表現(xiàn)為逆粒序反旋回特征，而與下伏粒度細小的泥巖、粉砂巖逐漸形成過渡接觸。層理主要為小型槽狀交錯層理、沙紋層理，變形層理，粒序?qū)永淼?，發(fā)育浪成波痕(圖4)。

2.1.3 潮坪

潮坪主要發(fā)育在波浪作用較弱的中—大潮差海岸，并同潟湖以及受潮汐影響的三角洲環(huán)境伴生。研究區(qū)太原組發(fā)育有泥坪、混合坪、潮道、砂坪、潮砂壩等微相(圖3，4)。

圖1 鄂爾多斯大牛地氣田構(gòu)造單元與井位圖Fig.1 Map of well location and structure part in Daniudi gasfield，Ordos Basin

泥坪主要由薄層狀粉砂質(zhì)泥巖與泥巖或煤層互層構(gòu)成，發(fā)育大量生物擾動構(gòu)造?；旌掀喊l(fā)育波狀、透鏡狀層理以及砂泥對偶層等復合層理的粉—細砂巖與泥巖互層組成，常含有植物化石及炭屑。潮砂壩/潮道和砂坪由發(fā)育羽狀層理、對偶層、粒序?qū)永?、潮汐束等典型沉積構(gòu)造的含礫砂巖和中細砂巖組成，夾薄層粉砂巖(圖3)。

圖2 鄂爾多斯盆地地層柱狀圖與典型地層剖面圖Fig.2 Strata column and profile of Ordos Basin

2.2 障壁—潟湖—潮坪沉積體系特征

研究區(qū)太原組發(fā)育海陸交互相為主的暗色砂泥巖夾灰?guī)r和煤層，砂巖的障壁—潟湖—潮坪體系。障壁砂壩外側(cè)為灰坪和廣海(圖4，D77井)，內(nèi)側(cè)與大陸之間為潟湖和潮坪發(fā)育區(qū)(圖5太2段藍/紫色區(qū)域)，障壁砂壩(圖5太2段紅/綠色區(qū)域)對潟湖和潮坪起著障壁保護作用，其與潟湖和潮坪密切共生而構(gòu)成統(tǒng)一的障壁海岸沉積體系(圖4，D75井)。

3 山西組潮控辮狀三角洲沉積體系

早二疊世山西期初，由于華北地塊的抬升，海水從東西兩側(cè)退出盆地，沉積環(huán)境開始向陸相轉(zhuǎn)變，中央古隆起沒入水下，發(fā)育濱淺海潮控辮狀三角洲沉積體系(圖2)。

3.1 沉積相類型

山西組發(fā)育灰黑色及黑色為主的碎屑巖含煤建造，含有海相豐富的生物遺跡和化石［13］，如海百合等(圖4)。沉積序列和相組合特征證實山西組為潮控辮狀三角洲沉積體系，發(fā)育有泛濫平原，辮狀河道，泥坪、混合坪、潮道、砂坪、潮砂壩等微相。

3.1.1 辮狀河道

辮狀河道以灰色細礫巖，韓立粗砂巖，粗中砂巖，夾少量細砂巖，具大型槽狀交錯層理，砂巖底部具明顯沖刷面，底分布薄層滯留礫巖沉積(圖4，D90井)。具明顯下粗上細正旋回特征，呈多期厚層砂體疊置，測井曲線多呈箱型，底部突變接觸特征。由于受到潮汐海水倒灌影響，內(nèi)部見多期粒序特征和羽狀交錯層理，平面上與潮坪組合。

3.1.2 泥坪

泥坪位于潮上帶是平均高潮線之上的潮汐沉積，主要沉積物為灰色或黑色泥巖，夾碳質(zhì)泥巖或煤層，塊狀—水平層理，多發(fā)育沼澤，見厚度不等的煤層或結(jié)核(圖4)。

3.1.3 混合坪

混合坪以泥巖與粉細砂巖薄互層為特征，發(fā)育互層層理、壓扁層理，波狀層理和透鏡層理等沉積構(gòu)造(圖3)。

3.1.4 潮道

潮道/潮砂壩粒度變化較大，砂巖分選磨圓較好，主要為粗中砂，部分細礫巖，發(fā)育羽狀層理，韻律層理和沙泥對偶層等沉積構(gòu)造(圖4)。測井曲線特征，潮道呈鐘形，向上變細的正旋回特征，潮砂壩具向上變粗的漏斗形反旋回特征(圖4)。

3.2 潮控辮狀三角洲沉積體系特征

圖3 大牛地地區(qū)太原組(T)/山西組(S)/下石盒子組(H)典型沉積構(gòu)造Fig.3 Sedimentary structures of Taiyuan/Shanxi/Xiashihezi Formation in Daniudi gasfield

研究區(qū)山西組發(fā)育潮控辮狀三角洲沉積體系。其陸上主要為辮狀三角洲的海岸平原和部分受潮汐影響的辮狀河道(圖5山1段，中北部區(qū)域)，向海方向岸線以外為潮坪沉積體系(圖4，D90井;圖5山1段，東南部區(qū)域)。潮坪沉積向陸一側(cè)，潮道規(guī)模逐漸變小以致消失(圖5山1段)，與海岸平原、沼澤等沉積組合;向海一側(cè)，潮坪上發(fā)育的潮道規(guī)模逐漸變大，呈喇叭口型展開(圖4，D70井;圖5山1段)，并切割海岸平原呈孤立分隔狀。

圖4 大牛地地區(qū)太原組(T)/山西組(S)/下石盒子組(H)典型沉積相特征Fig.4 Facies of Taiyuan，Shanxi，Xiashihezi Formation in Daniudi gasfield

4 下石盒子組河流沉積體系

中二疊世下石盒子早期，隨著海水向東南部完全退出，研究區(qū)沉積環(huán)境變?yōu)閮?nèi)陸湖盆環(huán)境(圖2)，伴隨長時間暴露，煤層和暗色泥巖明顯減少，隨著北部古陸進一步抬升，沉積物供給充分，發(fā)育辮狀—曲流河沉積體系。

4.1 沉積相類型

研究區(qū)下石盒子組主要為灰白、淺灰色含礫粗砂巖、粗砂巖，砂礫巖和細礫巖，灰、淺綠灰色細砂巖、粉細砂巖，灰、深灰、灰綠、紅色及雜色泥巖，且生物化石少見。垂向序列中，主要以粗碎屑沉積為主，呈下粗上細的多個正旋回疊置特征，下部含礫或砂礫巖，礫石磨圓度較好。其發(fā)育沉積相類型包括辮狀河道，曲流河道和泛濫平原。

4.1.1 辮狀河道

辮狀河道以多期疊加樣式出現(xiàn)，沉積物粒度較粗，以礫巖、含礫粗砂巖以及粗砂巖為主，分選磨圓差或中等，可見碳屑、碳質(zhì)紋層以及碳化植物莖，底部見沖刷面和滯留礫巖沉積。整體向上粒度變細，層理類型以槽狀交錯層理、平行層理以及塊狀和波狀層理為主;曲線形態(tài)呈齒狀鐘形或箱形，厚度可達15～35 m(圖4)。

4.1.2 曲流河道

曲流河道多以但其河道孤立出現(xiàn)，局部見切割疊置現(xiàn)象，主要由河道充填、點砂壩微相組成，垂向“二元”結(jié)構(gòu)特征明顯，厚度一般5～8 m左右，在縱向上可以與沖積平原泥巖或決口扇等沉積相類型組合(圖4)。

4.1.3 泛濫平原

泛濫平原主要發(fā)育泥巖夾薄層粉砂巖，泥巖為紅色，紅綠互層，綠色或灰色，發(fā)育水平紋層或微波狀紋層，多為塊狀層理，局部可見波狀層理，蟲孔或生物擾動發(fā)育(圖3，4)。

顏色代表了泥巖古土壤成熟度的區(qū)別，其受包括物源供給，局部氣候，植被條件，沉積速率，自旋回作用等因素的影響，主要和形成地點距離河道帶的遠近相關(guān)。富含鈣質(zhì)結(jié)核或淋濾面的紅色/雜色泥巖是泛濫平原長期暴露的標志(圖3);蟲孔與植根發(fā)育的灰綠色/灰色泥巖是河道頻繁遷移，短期暴露相關(guān)(圖3)。

4.2 河流沉積體系特征

研究區(qū)下石盒子組時期，受北部隆起影響和盆地凹陷作用，陸源碎屑向盆地中部顯著推進，發(fā)育陸相辮狀河—曲流河體系，伴隨構(gòu)造運動，物源供給河流體系方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由西北—東南逐漸轉(zhuǎn)換為北—南方向(圖4，D40井盒1段;圖5盒1段)。

下石盒子組下部，北部辮狀河靠近物源區(qū)域，地貌較陡，多河道、多次分叉和匯聚構(gòu)成辮狀(圖4，D40井盒1段;圖5盒1段);河道寬而淺，彎曲度小，河道砂壩(心灘)發(fā)育。下石盒子組上部，以研究區(qū)東北—西南連線以南區(qū)域，隨著地貌變緩，河道分叉交織程度降低，沉積區(qū)面積逐漸擴大，河道能量逐漸分散，研究區(qū)東南部區(qū)域部分發(fā)育曲流河體系(圖4，D40井盒2段;圖5盒1段)。

5 海陸變遷沉積演化特征

晚石炭世太原組時期，海侵范圍擴大，中央古隆起東西兩側(cè)形成統(tǒng)一的海域，研究區(qū)太原組發(fā)育海陸交互相為主的障壁—潟湖—潮坪沉積體系(圖4)，太原組下部碳酸鹽巖斜坡和上部障壁砂壩平面沿東北—西南呈條帶狀分布(圖5，T2綠色);以泥巖或煤層夾砂巖和灰?guī)r為主。山西組時期，區(qū)域構(gòu)造活動導致北部物源區(qū)的上升，受尚未完全褪去海水作用，發(fā)育典型潮控辮狀三角洲沉積體系(圖4);整體巖性以沙泥互層夾煤層為主，研究區(qū)西北部海岸平原受潮汐改造泥坪發(fā)育，受潮道切割呈孤立點狀特征明顯(圖5，S1紅—綠色)，東南部潮下帶潮道和潮沙坪發(fā)育(圖5，S1藍—紫色)。下石盒子組時期，受北部隆起影響和盆地坳陷作用，北部陸源碎屑向盆地中部顯著推進，發(fā)育陸相辮狀河—曲流河沉積體系;巖性主要以厚層疊置河道砂巖夾薄層泥巖為主(圖4)，辮狀河道沿西北—東南呈帶狀分布，河道交叉合并，辮狀特征明顯(圖5，H1)，局部發(fā)育曲流河道;隨著盆地坳陷作用增強，鄂爾多斯盆地逐漸向陸相湖盆過渡，研究區(qū)南部下石盒子上部盒3段逐漸發(fā)育曲流河道—分流河道，濱淺湖相沉積，至此開始了鄂爾多斯盆地厚層陸相湖盆—河流體系沉積(圖5)。

圖5 大牛地地區(qū)太原組(T)/山西組(S)/下石盒子組(H)地震屬性圖Fig.5 Attribute map of Taiyuan，Shanxi，Xiashihezi Formation in Daniudi Gasfield

海陸變遷過程中，潮坪沉積可以發(fā)育海退型進積層序和海進型退積層序，古代潮坪沉積多以海侵退積型為主;由于處于由海向陸轉(zhuǎn)換過程，陸源碎屑進積作用大于潮汐作用，研究區(qū)太原組—山西組—下石盒子組表現(xiàn)為典型海退(陸進)型進積沉積序列和模式(圖5)。

6 結(jié)論

大牛地氣田上古生界海陸變遷過程中沉積體系發(fā)育類型一直存在爭議，以大牛地地區(qū)太原組—山西組—下石盒子組巖芯觀察為基礎(chǔ)，結(jié)合測井，地震等資料分析，綜合確定了海陸變遷過程中各階段沉積體系發(fā)育類型及演化特征。

(1)大牛地地區(qū)太原組為濱淺海潮坪沉積體系，山西組發(fā)育海陸過渡的潮控辮狀三角洲沉積體系，而下石盒子組為陸相河流沉積體系。

(2)研究區(qū)上古生界太原組—山西組—下石盒子組整體呈海退陸進特征。早期太原組為濱淺海環(huán)境;受北部物源區(qū)抬升影響，陸相物源推進至研究區(qū)和尚未完全退去的海水影響，山西組發(fā)育海陸過渡環(huán)境;伴隨北部物源區(qū)逐漸抬升，陸相碎屑顯著推進至研究區(qū)，形成下石盒子組陸相河流環(huán)境。

(3)由海向陸變遷過程中，太原組和山西組發(fā)育的煤層是研究區(qū)重要烴源巖;太原組上部發(fā)育潮汐砂壩和潮道等砂體，由于直接與下部煤層接觸并具有橫向巖性突變和頂?shù)追舛聴l件，成為高產(chǎn)富氣層段。山西組潮控河口灣內(nèi)潮道砂體和辮狀河道砂體和下石盒子組底部大面積連片分布的厚層疊置辮狀—曲流河道砂體是重要的產(chǎn)氣儲層。

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