陳安清，張曉星，密文天，康永梅，劉一倉(cāng)，王聯(lián)國(guó)，杜佳寧，侯明才，繆宗利

(1. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059; 2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051; 3. 中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽(yáng) 745000)

0 引 言

鄂爾多斯盆地地處中國(guó)華北板塊西部，是一個(gè)大型含油氣盆地，其內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，蘊(yùn)含資源豐富，集油氣、煤、鈾共存一盆，是中國(guó)重要的能源盆地[1-3]。眾多學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地侏羅系油藏的控制因素及富集規(guī)律等進(jìn)行過研究[4-5]，但關(guān)于直羅組只有少量砂巖鈾礦方面的研究[6]，并且主要集中在東部和北部露頭區(qū)[7-9]。由于以往的油氣勘探層系鎖定在直羅組的下伏地層，而埋藏相對(duì)較淺的直羅組油氣地質(zhì)研究幾乎被忽視。最近，在鄂爾多斯盆地鎮(zhèn)北地區(qū)的鎮(zhèn)369井獲得了工業(yè)油流，顯示出淺層的直羅組具備油氣勘探潛力。然而，鄂爾多斯盆地西南部直羅組地層厚度大，為了能夠滿足油氣勘探的需要，急需綜合已有的層段劃分，開展精細(xì)砂體小層格架內(nèi)的沉積相和有利儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律研究。此外，有關(guān)直羅組沉積相的認(rèn)識(shí)有辮狀河、曲流河、三角洲等不同觀點(diǎn)，這制約了對(duì)直羅組有利砂體發(fā)育分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)[10-14]。近年來(lái)，利用源匯系統(tǒng)作為研究思路對(duì)地表沉積動(dòng)力過程展開分析[15]，從而對(duì)砂體展布的約束進(jìn)行研究取得了一些進(jìn)展。本文基于鄂爾多斯盆地西南部的6個(gè)露頭和5口鉆井巖芯的觀察和測(cè)量，并重新解釋了研究區(qū)500多口鉆井的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，開展了物源、沉積相、古地貌、砂體分布和儲(chǔ)層特征研究，提出古地貌約束下的源匯系統(tǒng)對(duì)有利砂體的控制模式，為油氣新層系勘探預(yù)測(cè)提供支持。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地總體構(gòu)造形態(tài)近于矩形，為一東翼寬緩、西翼陡窄的SN向大向斜，可劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，分別為北部伊盟隆起，西部西緣沖斷帶、天環(huán)坳陷，中部伊陜斜坡，南部渭北隆起和東部晉西撓褶帶[16-19]。鎮(zhèn)北地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部(圖1)，整體表現(xiàn)為東高西低的面貌，但東部位于伊陜斜坡，為西傾單斜，在東西方向超過70 km范圍內(nèi)落差近400 m，南北方向高差基本沒有變化；西部邊緣處于天環(huán)坳陷的西翼，為東傾單斜。由于受到秦嶺板內(nèi)造山作用產(chǎn)生的由南向北擠壓應(yīng)力及燕山期和喜山期NE向應(yīng)力作用下形成一系列寬緩低幅的鼻狀構(gòu)造，在平面上成排發(fā)育，軸向大體相同，以EW向?yàn)橹?，微偏NW向。這些成排的鼻狀構(gòu)造是潛在的油氣圈閉，單個(gè)構(gòu)造的寬度為5～10 km，垂向構(gòu)造幅度一般約為20 m。

晚三疊世末，受燕山運(yùn)動(dòng)第一幕的影響[19-20]，鄂爾多斯盆地抬升剝蝕，造成延長(zhǎng)組頂部不同程度的缺失；早侏羅世，鄂爾多斯盆地由抬升剝蝕轉(zhuǎn)為整體沉降，沉積了下侏羅統(tǒng)河流-湖泊三角洲相的富縣組和延安組；至中侏羅世，燕山運(yùn)動(dòng)第二幕又使盆地短暫抬升后再次沉降，沉積了半干旱環(huán)境的直羅組和干旱環(huán)境的安定組；此后，盆地強(qiáng)烈抬升，造成上侏羅統(tǒng)的普遍缺失[10]。

鄂爾多斯盆地西南部中侏羅統(tǒng)直羅組地層厚度橫向上比較穩(wěn)定。部分地區(qū)底部受延安組頂部河谷地貌控制[21-22]，高部位缺失最底部亞段；頂部受到后期抬升剝蝕和古河道的侵蝕使地層缺失，部分井缺失頂部亞段。通過鉆井資料與下伏延安組的對(duì)比，直羅組并沒有明顯的凝灰?guī)r和典型的煤層線來(lái)限定層位。主要根據(jù)測(cè)井的聲波時(shí)差與自然伽馬電位曲線變化特征，結(jié)合沉積旋回結(jié)構(gòu)，將直羅組劃分為4段、8亞段(圖2)[10]。

2 源匯系統(tǒng)及其對(duì)砂體展布的約束

2.1 古流向?qū)ξ镌捶较虻闹甘?/h3>

古流向測(cè)定是物源分析的一個(gè)重要手段[23-24]。野外古流向數(shù)據(jù)來(lái)自研究區(qū)周緣的露頭剖面，即東部的富縣直羅鎮(zhèn)剖面，南部的旬邑縣崔家溝剖面、彬州市水北溝和蓓子溝剖面，東南部的銅川市沙窯子剖面。對(duì)每個(gè)剖面的直羅組開展了槽模、交錯(cuò)層理等具有古流向意義的數(shù)據(jù)采集，每組數(shù)據(jù)包括該沉積構(gòu)造傾向(流向)和地層產(chǎn)狀。最終結(jié)果揭示直羅組古流向集中在45°～350°[圖3(a)]，即古河道流向主要方向?yàn)镹—NE向，指示出研究區(qū)河流-三角洲沉積物的物源來(lái)自西南側(cè)的造山帶。根據(jù)當(dāng)時(shí)的大地構(gòu)造背景，物源區(qū)位于西秦嶺造山帶[25-27]。

2.2 古地貌對(duì)匯水體系的指示

早侏羅世晚期的延安組沉積后，構(gòu)造抬升作用造成其頂面被河道侵蝕，形成的古地貌對(duì)直羅組地層和儲(chǔ)集砂體展布具有明顯的控制作用。本文通過印模法恢復(fù)了直羅組沉積前古地貌[28][圖3(b)]。由于直羅組頂部部分地區(qū)地層有所缺失，所以印模法采用的數(shù)據(jù)是直羅組中部的一個(gè)普遍發(fā)育巖性巖相轉(zhuǎn)換面以下的地層厚度。該界面幾乎在所有鉆井都能找到，是下部辮狀河三角洲體系向地勢(shì)平緩的曲流河三角洲體系轉(zhuǎn)換的界面，是一個(gè)良好的參照面。

沉積前古地貌很好地反映了延安組沉積期末構(gòu)造抬升期間古河流侵蝕而成的溝谷地貌[29]。古河流持續(xù)的下切作用對(duì)延安組頂部地層造成不同程度的侵蝕。形成的延安組頂部古地貌由高地、古隆起斜坡、三級(jí)古河谷等地貌單元組成，表現(xiàn)為由西南部高地向東北方向延伸的并行排列分支河谷，至盆地內(nèi)部溝谷交錯(cuò)。古河道延伸方向很好地指示了直羅組物源來(lái)自研究區(qū)西南側(cè)。直羅組是延安組頂面古地貌約束下的古水系所形成的沉積物，是對(duì)該溝谷地貌的充填補(bǔ)平過程。因此，這一河谷地貌約束了直羅組的沉積相分布、地層厚度變化、砂體優(yōu)勢(shì)發(fā)育部位。受古地貌及沉積環(huán)境的控制，前期下切形成的河谷地帶一般含河床滯留礫石，砂巖層厚，底部常含礫石；緩斜坡的凸岸帶發(fā)育邊灘相砂巖，砂體厚度中等，分選較好。

2.3 古流域?qū)ι绑w展布的制約

通過物源和古地貌水系的約束，基于500余口鉆井的測(cè)井解釋數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，編制了直羅組8個(gè)亞段的砂層厚度平面圖及砂地比平面圖。這些圖件很好地揭示了當(dāng)時(shí)的流域分布特征。根據(jù)優(yōu)勢(shì)相法則，對(duì)各井段的砂體厚度和砂地比進(jìn)行了沉積相單元邊界的標(biāo)準(zhǔn)界定(圖4)，從平面上刻畫了各亞段的流域分布和砂體發(fā)育規(guī)律。總體上，研究區(qū)直羅組沉積期河流-三角洲體系發(fā)育5、6條SW—NE向分流河道，各沉積期河道受古地貌約束呈條帶狀分布，繼承性較強(qiáng)，體現(xiàn)了由下部辮狀河三角洲形成的厚層疊置粗砂巖段向上部曲流河三角洲成因的砂泥互層段的轉(zhuǎn)換(圖5、6)。

圖2 中侏羅統(tǒng)直羅組地層劃分Fig.2 Stratigraphic Division of Middle Jurassic Zhiluo Formation

直4段沉積期是湖盆第一沉積期[圖7(a)、(b)]，物源多來(lái)自西南側(cè)的西秦嶺造山帶，研究區(qū)由西南向東北方向發(fā)育辮狀河和辮狀河三角洲平原。辮狀河道多以粗砂巖為主，泥質(zhì)含量較低，粗砂巖粒徑粗大。主河道砂體厚度為60.5～118.0 m，平均值為77.67 m，砂地比為0.6～1.0，平均值為0.72；次河道砂體厚度為30.5～60.0 m，平均值為47.37 m，砂地比為0.32～0.60，平均值為0.42。河道末端為泛濫平原環(huán)境形成的粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖互層。辮狀河三角洲平原中常見分流河道形成的沖刷面，河道側(cè)向遷移形成的大中型板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理也非常普遍。

直3段沉積期[圖7(c)、(d)]，沉積物源來(lái)源減少。研究區(qū)東北方向發(fā)育辮狀河三角洲平原，河道位置不固定，河道分叉匯聚頻繁；西南方向辮狀河道沉積數(shù)量增多，但河道較窄，砂體累計(jì)厚度較之前變小，河道與河道之間多見心灘，為典型辮狀河沉積。主河道砂體厚度為60.5～124.0 m，平均值為70.73 m，砂地比為0.55～0.90，平均值為0.68；次河道砂體厚度為30.5～60.0 m，平均值為44.00 m，砂地比為0.30～0.55，平均值為0.37。

直2段沉積期[圖7(e)、(f)]，隨著早期河谷被填充補(bǔ)齊和周緣造山作用的減弱，鎮(zhèn)北地區(qū)沉積環(huán)境由辮狀河三角洲轉(zhuǎn)為曲流河三角洲。其主河道砂體厚度為50.5～70.0 m，平均值為65.50 m，砂地比為0.4～0.7，平均值為0.50；次河道砂體厚度為31.5～50.5 m，平均值為42.74 m，砂地比為0.25～0.40，平均值為0.31。同時(shí)，研究區(qū)氣候伴隨著盆地沉降的過程也經(jīng)歷了轉(zhuǎn)變：由早期的溫暖濕潤(rùn)氣候轉(zhuǎn)變?yōu)橹型砥诘母珊怠敫珊禋夂?，沉積環(huán)境以近物源為主，并伴有氧化環(huán)境下的紫紅色泥巖[30]。研究區(qū)中部地帶為曲流河三角洲前緣，水下分流河道與水下分流河道間灣交替發(fā)育，水下分流河道巖性主要是以細(xì)砂及粉砂巖為主，水下分流河道間灣主要以粉砂質(zhì)泥巖為主。

直1段沉積期[圖7(g)、(h)]，隨著構(gòu)造背景的不斷演化，相應(yīng)的氣候更加干旱[12]，物源供給逐漸減少，河道逐漸變短變薄。主河道砂體厚度為40.5～68.0 m，平均值為51.74 m，砂地比為0.3～0.5，平均值為0.43；次河道砂體厚度為20.5～40.0 m，平均值為33.02 m，砂地比為0.2～0.3，平均為0.25。河流水動(dòng)力能量不足，河漫灘相、分流河道相普遍發(fā)育，泥質(zhì)含量增高。曲流河三角洲前緣的水下分流河道從前緣推向湖泊時(shí)慢慢消失。水下分流河道大量發(fā)育，因其水動(dòng)力條件不足，水下分流河道的運(yùn)移距離相比前期近，攜帶的沉積物粒級(jí)更細(xì)且顏色較深。

圖4 直羅組沉積相單元邊界標(biāo)準(zhǔn)界定Fig.4 Criteria Definition of Boundary for Sedimentary Facies Unit of Zhiluo Formation

圖5 直羅組野外特征Fig.5 Field Features of Zhiluo Formation

圖6 演235井和鎮(zhèn)17井測(cè)井柱狀圖Fig.6 Logging Columns of Wells Yan235 and Zhen17

圖件引自文獻(xiàn)[10]圖7 直羅組8個(gè)亞段沉積相Fig.7 Sedimentary Facies Maps of 8 Sub-members of Zhiluo Formation

圖8 直羅組砂巖儲(chǔ)層孔隙特征Fig.8 Pore Characteristics of Sandstone Reservoir of Zhiluo Formation

圖9 中侏羅統(tǒng)直羅組古地貌聚砂成藏模式Fig.9 Hydrocarbon Accumulation Models Related with Paleogeomorphology of Middle Jurassic Zhiluo Formation

3 有利儲(chǔ)集砂體特征及成藏模式

3.1 巖石類型及儲(chǔ)集空間特征

顯微薄片鑒定顯示，鄂爾多斯盆地西南部中侏羅統(tǒng)直羅組砂巖主要為巖屑石英砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，石英體積分?jǐn)?shù)約為65.0%，長(zhǎng)石約為4.8%，巖屑約為29.2%，黑云母和綠泥石約為1.5%。粒徑為0.3～1.0 mm，為中粗粒結(jié)構(gòu)，分選較好，膠結(jié)類型為接觸-孔隙式。儲(chǔ)層孔隙類型主要有粒間孔、溶蝕孔、鑄模孔和破裂縫，其中粒間孔是研究區(qū)直羅組儲(chǔ)層主要的孔隙類型[圖8(a)～(d)]。粒間孔孔徑一般較大，多為0.05～0.10 mm，其發(fā)育受沉積相控制，主要分布在河道砂壩、分流河道等微相中。部分碎屑顆粒被綠泥石包薄膜形成孔隙襯里保護(hù)原生孔隙，部分被石英、長(zhǎng)石等次生礦物充填占據(jù)一定空間，孔隙度一般小于20%。溶蝕孔包括長(zhǎng)石溶孔、巖屑溶孔，是第二主要的孔隙類型[圖8(e)～(g)]。破裂縫是剛性碎屑顆粒在壓實(shí)作用下產(chǎn)生的破裂空間，該類型對(duì)提高滲透率具有積極意義[圖8(h)、(i)]。

3.2 儲(chǔ)集砂體物性特征

根據(jù)5口鉆井的巖芯砂巖樣品及周緣野外露頭的砂巖樣品的物性測(cè)試結(jié)果，直羅組砂巖儲(chǔ)層的孔隙度為1.62%～26.58%，平均值為15.51%；滲透率為(0.116 1～126.263 6)×10-3μm2，平均值為18.9×10-3μm2。在巖芯測(cè)試孔隙度的約束下，對(duì)研究區(qū)內(nèi)約300口井進(jìn)行了測(cè)井物性解釋，孔隙度為0.87%～31.20%，平均值為16.34%，滲透率為(0.13～53.70)×10-3μm2，平均值為17.83×10-3μm2。以巖芯分析資料為基礎(chǔ)，以銅川市桐01-2井、桐01-3井和桐02-3井的試油試采資料為依據(jù)，確定了直羅組潛在油藏有效厚度儲(chǔ)層的物性和電性標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)試油、試水資料，以有產(chǎn)出層的測(cè)井響應(yīng)特征為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)識(shí)別儲(chǔ)層，得出儲(chǔ)層的物性下限標(biāo)準(zhǔn)為孔隙度(Φ)大于15%、電阻率(Rt)大于25 Ω·m。

3.3 古地貌約束下的聚砂成藏模式

延安組上部層段遭受風(fēng)化剝蝕和河流侵蝕作用，形成了溝壑縱橫的古地貌，在地形上表現(xiàn)出西南高、東北低的大型含溝谷斜坡。其古地貌單元主要包括高地、河谷、斜坡帶、河間丘、階地等[圖3(b)]。河流切割形成的古地貌對(duì)砂體展布具有明顯的影響?；謴?fù)的古地貌與砂體分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系揭示，河谷地帶的砂體為厚層塊狀，常見滯留礫石，沿下斜坡的凸岸為邊灘發(fā)育區(qū)。沉積相分析顯示，直羅組以發(fā)育三角洲沉積為主，并且具有下部強(qiáng)物源供給的辮狀河三角洲富砂，上部弱物源供給的曲流河三角洲富泥的特征。下部富砂段，砂體巨厚，缺乏有利的直接性蓋層，因此，很可能以含水為主；上部曲流河相的二元結(jié)構(gòu)發(fā)育，下單元河道砂體與上單元河漫灘泥巖構(gòu)成良好的儲(chǔ)蓋組合。儲(chǔ)集砂體上覆及側(cè)向的泥巖可形成油氣的遮擋，從而形成巖性圈閉，或巖性與鼻狀構(gòu)造共同構(gòu)成復(fù)合圈閉。物性較好的儲(chǔ)集砂體被物性較差的分流間灣泥巖或者泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖所阻隔，使得砂巖巖性成透鏡體尖滅，成為油氣運(yùn)移聚集的有利場(chǎng)所，特別是主分流河道砂體和分流河道砂體交匯地帶。從該地區(qū)已有的油氣顯示來(lái)看，油藏主要發(fā)育在直羅組上部曲流河三角洲沉積向上變細(xì)結(jié)構(gòu)的砂體中。

從下伏延安組油氣勘探經(jīng)驗(yàn)來(lái)看[21-22]，圍繞古地貌中的河間丘、兩河交匯的坡咀、古斜坡(邊灘)鉆探發(fā)現(xiàn)侏羅系油藏30余個(gè)，并建成一批新油田。從現(xiàn)有直羅組底部的含油井與古地貌關(guān)系來(lái)看，與延安組類似[31-33]，含油井一般分布在河間丘、坡咀、高地上。古地貌既控制了有利砂體的發(fā)育分布，又制約了后期油氣運(yùn)移的有利指向。據(jù)此建立了受古地貌單元控制的古河道上游高地、中游匯水坡咀和下游河間丘等3種古地貌聚砂成藏模式(圖9)。

受構(gòu)造抬升作用的影響，古河道上游高地地勢(shì)較平緩，水系支流多，河道較小，下切作用較弱，整個(gè)高地以面狀侵蝕為特征，延安組頂部侵蝕可達(dá)延6段。物源區(qū)匯流成河后，大量沙子在河道凸岸卸載堆積，并側(cè)向遷移充填早期河谷，形成大套砂巖，砂巖成熟度相對(duì)較低[圖9(b)]。古河道中游通常是多個(gè)古河道匯合成大河道，河道下切現(xiàn)象明顯，河谷處下切至延7段，在河間一般只侵蝕到延4段。在兩條河道匯合的坡咀處，流速驟減，砂質(zhì)沉積物卸載堆積成砂咀，形成類似背斜構(gòu)造的古地貌巖性圈閉，有利于后期油氣運(yùn)聚成藏[圖9(c)]。河道進(jìn)入下游盆地邊緣后，早期地貌殘留的殘丘進(jìn)一步降低流速，砂質(zhì)沉積物往往堆積在地貌殘丘上而形成河間丘。一般來(lái)說，河間丘的規(guī)模相對(duì)較小，砂巖粒度較細(xì)[圖9(d)]。由于鄂爾多斯盆地長(zhǎng)期處于構(gòu)造穩(wěn)定狀態(tài)，所以優(yōu)勢(shì)聚砂部位在埋藏過程中經(jīng)歷的構(gòu)造改造不強(qiáng)，依然繼承了古地貌的基本形態(tài)，即保持了有利油氣聚集的古地貌圈閉。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)古流向和古地貌分析顯示，鄂爾多斯盆地西南部中侏羅統(tǒng)直羅組物源方向主要為NW—NE向，根據(jù)當(dāng)時(shí)的大地構(gòu)造背景，物源區(qū)位于西秦嶺造山帶。早期物源較強(qiáng)，形成了灰色厚層砂巖夾泥巖;晚期物源較弱，以紫紅色泥巖與砂巖互層為特征。直羅組是受延安組頂面的溝谷地貌約束而形成的沉積相帶。

(2)通過物源和古地貌水系的約束，鄂爾多斯盆地西南部中侏羅統(tǒng)直羅組沉積期河流-三角洲體系發(fā)育5、6條SW—NE向分流河道，各沉積期河道受古地貌約束呈條帶狀分布，繼承性較強(qiáng)。下段的沉積環(huán)境為辮狀河-辮狀河三角洲，以巨厚砂體為優(yōu)勢(shì)相；上段轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱尤侵蕹练e，形成厚度中等的砂泥旋回。

(3)通過分析源匯系統(tǒng)對(duì)砂體展布的約束，表明直羅組沉積期古地貌背景既控制了砂體的發(fā)育分布，又制約了有利儲(chǔ)集砂體發(fā)育的優(yōu)勢(shì)部位和后期油氣運(yùn)移的有利指向。未來(lái)的勘探目標(biāo)主要有受古地貌單元制約的上游高地、中游匯水坡咀和下游河間丘等3種油藏。