曹桐生

（1.中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059）

0 引言

目前，非常規(guī)天然氣受到人們的日益關(guān)注，致密砂巖氣已經(jīng)逐漸成為天然氣產(chǎn)量的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。據(jù)評(píng)估，中國(guó)致密砂巖氣技術(shù)可采資源量為11×1012m3［1］。致密氣已成為天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要來(lái)源，年均新增天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量3 110×108m3，約占同期天然氣新增探明儲(chǔ)量的52%，據(jù)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，2017 年致密氣產(chǎn)量約450×108m3，占全國(guó)天然氣總產(chǎn)量的30%［2］。致密砂巖氣發(fā)育背景多樣，以陸相與海陸過(guò)渡相為主，其層位分布與聚煤時(shí)期相對(duì)應(yīng)，自晚古生代至新生代均有分布。鄂爾多斯盆地致密砂巖氣主要分布在石炭系—二疊系陸表海的河流—三角洲沉積環(huán)境中。致密砂巖儲(chǔ)層以薄儲(chǔ)層為主，一般形成于大面積持續(xù)緩慢沉降的環(huán)境中，可容納空間低，古地形相對(duì)較為平緩，具有明顯的互層結(jié)構(gòu)，垂向上沉積序列可分為薄互層和砂泥間互兩種類型，其中最容易致密的是薄互層，即砂泥巖厚度均小于10 m，含砂率（不含粉砂）多小于30%［3-4］。鄂爾多斯盆地北部東勝氣田錦72 井區(qū)二疊系下石盒子組砂巖儲(chǔ)層相較于盆地中南部陸表海緩坡沉積環(huán)境來(lái)說(shuō)，更靠近北部物源區(qū)，其沉積環(huán)境為陸相沖積平原辮狀河，儲(chǔ)層致密且物性較差，氣層賦存在透鏡狀的砂巖中，并且被側(cè)向泥巖遮擋形成巖性氣藏，砂體疊置關(guān)系復(fù)雜多樣，砂體展布特征隨著辮狀河道的頻繁遷移較難刻畫(huà)，儲(chǔ)層發(fā)育情況主要受沉積環(huán)境的影響。所以筆者主要通過(guò)沉積物粒度敏感參數(shù)判別沉積環(huán)境，并在大量巖心觀察的基礎(chǔ)上歸納巖相類型和巖相組合，總結(jié)測(cè)井相特征，在垂向上剖析典型井的沉積序列，最后通過(guò)總結(jié)錦72 井區(qū)辮狀河沉積模式，直觀地展示主力層位砂體在平面和垂向上的展布特征。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地為中國(guó)第二大沉積盆地，面積為37×104km2，盆地可劃分為天環(huán)坳陷、晉西撓褶帶、伊盟隆起、伊陜斜坡、西緣逆沖帶、渭北隆起6個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。錦72 井區(qū)位于伊陜斜坡北緣，井區(qū)北部與伊盟隆起接合。研究區(qū)的主要目的層下二疊統(tǒng)下石盒子組盒1段在整個(gè)研究區(qū)均有發(fā)育，而下伏山西組和太原組在研究區(qū)西部和北部有不同程度缺失。目的層盒1段的天然氣主要來(lái)源于下伏太原組和山西組的煤層及暗色碳質(zhì)泥巖，儲(chǔ)集層主要為辮狀河沉積環(huán)境中形成的中—粗粒含礫巖屑砂巖［5］，而其上覆上石盒子組大套厚層泥巖則形成區(qū)域蓋層，為之下的天然氣藏提供了遮擋條件［6］。

2 沉積特征

碎屑巖沉積特征主要受搬運(yùn)介質(zhì)水動(dòng)力的影響，沉積物是反映沉積特征的物質(zhì)基礎(chǔ)。筆者從反映水動(dòng)力特征的沉積碎屑粒度入手，分析沉積環(huán)境，描述巖相及其組合類型，總結(jié)測(cè)井相特征，為后續(xù)沉積相剖面劃分、平面描述和沉積模式總結(jié)提供依據(jù)。

2.1 沉積物粒度分析

圖1 錦72井區(qū)盒1段巖心粒度C-M特征圖

粒度分析能夠表示沉積過(guò)程中水動(dòng)力對(duì)沉積物顆粒結(jié)構(gòu)的影響［7-9］。從錦72井區(qū)盒1段巖心粒度C-M特征圖（圖1）可看出，其表現(xiàn)為明顯的“三段式”，可劃分為PQ（滾動(dòng)）、QR（跳躍）和RS（懸?。┤危瑵L動(dòng)部分發(fā)育，說(shuō)明沉積物粒度較粗，而且牽引流沉積特征明顯。根據(jù)沉積物粒度C-M 圖版，其中碎屑流最大粒徑與平均粒徑比值大致相同，所以碎屑流C-M圖形一般都會(huì)平行于C＝M基線，比如泥石流粒度粗，分選差，C／M比值大于40，粒度數(shù)據(jù)點(diǎn)遠(yuǎn)離C＝M 基線，并且粒度較為分散（圖2A）；在淺水濁流沉積環(huán)境中，沉積物粒度分選中等，C／M比值較小（約等于4），粒度點(diǎn)較為集中，圖形分布在C-M圖的中心（圖2B）；在濁流的沉積單元內(nèi)，巖性總是從粗到細(xì)變化，分選相對(duì)較好，C／M 比值更?。ㄒ话銥?～3），所以C-M 圖平行并且接近C＝M 基線（圖2C）；在牽引流中，顆粒搬運(yùn)方式有滾動(dòng)、跳躍和懸浮3 種類型，沖積扇滾動(dòng)組分含量高，以PQ 段為主，該段較粗，QR 段較為發(fā)育，RS 段不發(fā)育（圖2D）；辮狀河與曲流河沉積的PQ 與QR 段均比較發(fā)育，但是相對(duì)于辮狀河沉積，曲流河沉積的PQ段較少，RS段一般不發(fā)育（圖2E、圖2F）；三角洲或網(wǎng)狀河由于粒度較細(xì)，PQ 與QR 段均較少，以RS 段為主（圖2G）。通過(guò)對(duì)比分析可知，錦72井區(qū)C-M圖符合辮狀河沉積相的粒度分布特征（圖2E），所以判斷沉積環(huán)境主要為辮狀河。

圖2 不同重力流和牽引流沉積物的C-M圖版

粒度概率累積曲線發(fā)育3個(gè)粒度總體，以跳躍總體為主要成分，粒度集中在0.8～3.0 φ，占85%～90%，粒度偏大說(shuō)明沉積環(huán)境水動(dòng)力條件較強(qiáng)；傾斜50°～60°，說(shuō)明跳躍組分的分選一般。滾動(dòng)組分粒度很粗，占5%～10%，傾斜5°～10°，分選較差，說(shuō)明水動(dòng)力條件較強(qiáng)但變化較快。懸浮組分含量最少，傾斜也僅約5°，分選極差［10］（圖3）。

2.2 巖相特征

在進(jìn)行研究區(qū)沉積特征研究時(shí)，通過(guò)巖心的精細(xì)描述可以得到地層巖性、儲(chǔ)層物性、沉積構(gòu)造、含油氣情況等地質(zhì)特征。錦72 井區(qū)盒1 段巖心特征共歸納總結(jié)出7種巖相類型（表1），其中塊狀層理砂巖相和含礫粗砂巖相最為發(fā)育，其余各類巖相雖然發(fā)育但較少出現(xiàn)。塊狀層理砂巖相巖性為均質(zhì)的灰色或灰白色中細(xì)砂巖，無(wú)明顯層理，為強(qiáng)水動(dòng)力沉積環(huán)境。含礫粗砂巖相為塊狀中粗粒砂巖，見(jiàn)沖刷面，礫石成分復(fù)雜，可見(jiàn)礫石定向排列，多形成于強(qiáng)水動(dòng)力環(huán)境中。

圖3 錦72井區(qū)盒1段粒度概率累積曲線圖

表1 錦72井區(qū)盒1段巖相類型表

通過(guò)分析研究區(qū)目的層典型巖心特征可知，儲(chǔ)層巖性主要為含礫粗砂巖和中—細(xì)砂巖。砂巖中塊狀層理發(fā)育最多，也可見(jiàn)小型流水沙紋層理和平行層理，但泥巖中只發(fā)育塊狀層理。其中，含礫粗砂巖相常發(fā)育在一個(gè)完整沉積旋回的底部，其沉積成因?yàn)檗p流水道中河床滯留沉積，可見(jiàn)細(xì)礫級(jí)礫石定向排列。

單一的巖相在垂向上常具有固定的巖相組合特征，錦72 井區(qū)常見(jiàn)的沉積微相往往呈現(xiàn)兩種巖相組合，具體是指含礫粗砂巖相與板狀交錯(cuò)層理砂巖相相互疊置的心灘微相，以及槽狀交錯(cuò)層理砂巖相與含礫粗砂巖相相互疊置的辮流水道微相。①心灘。心灘是辮狀河沉積環(huán)境最典型也是最具標(biāo)志性的沉積微相［11］，發(fā)育灰白色中粗砂巖和砂礫巖。辮狀河沉積相中形成的儲(chǔ)層常形成“砂包泥”，且具有透鏡狀的形態(tài)特征。在垂向沉積序列上多套正旋回砂體相互疊置。心灘微相中沉積構(gòu)造主要為塊狀層理和槽狀交錯(cuò)層理。由于沉積水動(dòng)力較強(qiáng)，距物源較近，心灘砂巖快速堆積造成其成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較低。心灘中可見(jiàn)較多礫石，均呈懸浮狀砂質(zhì)支撐，礫石分選較好且定向排列。常見(jiàn)巖相組合特征為含礫粗砂巖相和板狀交錯(cuò)層理砂巖相，兩者在垂向上相互疊置發(fā)育。根據(jù)沉積學(xué)沃爾索相律，心灘微相在垂向上，其上下均與辮流水道微相接觸。②辮流水道。辮流水道微相是辮狀河道中被心灘分隔并發(fā)育粗碎屑物質(zhì)的沉積相帶［12］，水動(dòng)力強(qiáng)，幾乎不沉積懸浮物質(zhì)。巖性以中—細(xì)砂巖為主，相對(duì)心灘來(lái)說(shuō)，辮流水道微相沉積物粒度較細(xì)，礫石含量較低，且每期沉積旋回底面具明顯的沖刷標(biāo)志。沉積構(gòu)造常見(jiàn)槽狀交錯(cuò)層理、小型流水沙紋層理和河床滯留沉積礫石。常見(jiàn)巖相組合特征為含礫粗砂巖相和槽狀交錯(cuò)層理砂巖相，兩者在垂向上疊置發(fā)育。③河漫沉積。除了心灘和辮流水道兩種沉積微相外，辮狀河沉積環(huán)境中還發(fā)育河漫沉積微相，其沉積巖性為深灰色泥巖，發(fā)育水平層理，反映水動(dòng)力弱且沉積速率慢。該微相不具有發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的條件，此不贅述。

2.3 測(cè)井相特征

依據(jù)測(cè)井相分析的曲線形態(tài)、上下接觸關(guān)系、單期旋回厚度以及各種測(cè)井相的組合類型四大基本原則［13］，總結(jié)了杭錦旗地區(qū)錦72 井區(qū)盒1 段典型測(cè)井相特征（圖4）。其中辮流水道微相測(cè)井曲線主要呈鐘型，其底部與下部河漫沉積泥巖突變接觸，而頂部漸變接觸。由于心灘是由順流加積作用形成，自然伽馬曲線呈漏斗型，具有反旋回特征，表明水體能量較強(qiáng)，且物源區(qū)碎屑物質(zhì)豐富，沉積物持續(xù)進(jìn)積。當(dāng)物源區(qū)碎屑物質(zhì)持續(xù)供給時(shí)，心灘在垂向上往往形成大套厚層的砂礫巖體，測(cè)井曲線則顯示為箱型。河漫沉積微相泥巖往往巖性較純且厚度較大，測(cè)井曲線形態(tài)顯示為線型。在辮狀河道邊部，辮流水道由于與河漫沉積接觸，在垂向上巖性呈現(xiàn)砂泥巖交互疊置發(fā)育的特征，其測(cè)井曲線形態(tài)顯示為指型。復(fù)合模式則是沉積微相組合與測(cè)井曲線組合的匹配，如心灘+辮流水道+河漫沉積的微相組合對(duì)應(yīng)箱型與漏斗型曲線的組合，辮流水道+河漫沉積微相組合對(duì)應(yīng)鐘型與漏斗型曲線的組合等（圖5）。

圖4 錦72井區(qū)盒1段典型測(cè)井相特征圖

圖5 錦72井區(qū)盒1段組合測(cè)井相特征圖

3 單井綜合分析

根據(jù)上述多類型沉積特征判斷，錦72 井區(qū)下石盒子組盒1段為辮狀河沉積環(huán)境。由于該井區(qū)中典型井錦72 井盒1 段取心較為完整，所以建立了錦72 井盒1段的垂向沉積序列（圖6），該井位于研究區(qū)沖積平原中部，沉積微相以辮流水道和心灘為主，巖性常見(jiàn)含礫中—粗砂巖，其中礫石多為細(xì)礫級(jí)，分選較好，磨圓較差，礫石由砂質(zhì)支撐，排列雜亂或者定向排列呈交錯(cuò)層理。單期沉積旋回厚度較大，沉積構(gòu)造以塊狀層理和槽狀交錯(cuò)層理為主。錦72 井區(qū)南部以典型井錦73井為例（圖7），該井沉積微相、沉積構(gòu)造與錦72 井基本相同，沉積期次變多，但單期沉積旋回厚度較小，說(shuō)明河道遷移擺動(dòng)頻繁。每期河道底部滯留沉積特征明顯，多為細(xì)礫級(jí)礫石。

4 沉積演化及平面展布特征

在單井分析的基礎(chǔ)上通過(guò)建立骨架井網(wǎng)開(kāi)展順物源及垂直物源連井剖面對(duì)比分析，進(jìn)行不同沉積部位的沉積特征對(duì)比分析，進(jìn)而結(jié)合三維地震資料刻畫(huà)盒1段沉積相平面展布特征。

圖6 錦72井巖心綜合柱狀圖

圖7 錦73井巖心綜合柱狀圖

4.1 沉積演化

根據(jù)巖相特征以及測(cè)井相特征劃分單井垂向沉積序列，在連井剖面上繪制沉積微相圖。通過(guò)盒1段順物源方向（南北向）沉積剖面（圖8）可知，辮流水道微相連續(xù)性好，心灘微相發(fā)育且厚度較大，表明物源碎屑供給充足、水動(dòng)力強(qiáng)的特征。在盒1段橫切物源方向（東西向）沉積剖面（圖9）上，單期辮流水道微相獨(dú)立發(fā)育，并在垂向上呈現(xiàn)多種疊置類型，表現(xiàn)了辮流河道頻繁遷移的特征。根據(jù)錦72 井區(qū)典型井剖面單井巖心特征及沉積相特征對(duì)比可知，在順物源方向（南北向）上，研究區(qū)在沉積物顆粒粒度、沉積構(gòu)造、礫石沉積特征及單期沉積旋回厚度方面均存在顯著差異。北部碎屑粒度粗，礫石含量高，以塊狀層理為主、可見(jiàn)交錯(cuò)層理，礫石大小混雜，排列雜亂，單期沉積旋回厚度大；而南部碎屑粒度細(xì)，礫石含量低，常見(jiàn)平行層理和槽狀交錯(cuò)層理，礫石分選較好，定向排列，單期沉積旋回厚度較薄，常見(jiàn)沖刷面。

4.2 平面展布特征

利用巖心、測(cè)井、沉積剖面以及三維反演資料刻畫(huà)錦72 井區(qū)盒1 段沉積微相平面展布圖（圖10）。研究區(qū)盒1段辮狀河道呈現(xiàn)南北向展布，北部為物源方向，自西向東發(fā)育6條辮狀河道，河道寬度為2～3 km，其中3～6號(hào)河道在研究區(qū)中部交匯分叉，在多條河道交匯處河道寬度超過(guò)5 km。心灘微相橫向連續(xù)性差，心灘部位砂體厚度多超過(guò)30 m，砂巖也呈現(xiàn)出垂向上多期疊合、粒度粗的特征。心灘之間多為辮狀水道或河漫沉積，垂向上泥質(zhì)夾層較多，礫石含量少，厚度相對(duì)較薄，砂體厚度一般在10～25 m，測(cè)井曲線上呈現(xiàn)齒化的單期箱型，頂部常與代表辮狀水道的鐘型相結(jié)合。

圖8 錦72井區(qū)盒1段順物源方向（南北向）沉積相剖面圖

圖9 錦72井區(qū)盒1段橫切物源方向（東西向）沉積相剖面圖

圖10 錦72井區(qū)盒1段沉積微相圖

5 沉積模式

圖11 錦72井區(qū)盒1段辮狀河沉積模式圖

在上述研究的基礎(chǔ)上建立了錦72 井區(qū)盒1 段辮狀河沉積模式（圖11），從北到南，距離物源由近至遠(yuǎn)，地形坡度逐漸變緩，但旋回厚度逐漸變薄，巖石粒度逐漸變細(xì)，巖性由礫巖—砂礫巖—含礫粗砂巖—中粗砂巖—細(xì)砂巖依次變化，砂礫巖厚度由厚變薄，泥巖含量逐漸增多。根據(jù)圖11 可知，研究區(qū)典型井錦72 井靠近物源區(qū)，沉積物以牽引流為主，發(fā)育大套厚層塊狀層理砂巖相和含礫粗砂巖相，礫石平均粒徑為1.5 cm，最大粒徑為4.0 cm，說(shuō)明此處物源供給充足，地形坡度較陡，水動(dòng)力條件變化慢，測(cè)井曲線特征表現(xiàn)為底部可見(jiàn)高幅厚層箱型，頂部可見(jiàn)厚層鐘型。在辮流水道與河漫沉積的過(guò)渡區(qū)域，以錦69井為例，其巖相類型與錦72井相似，巖性以中—粗砂為主，分選相對(duì)較差，其中雜基含量高，沉積構(gòu)造以塊狀層理為主。由于錦69 井位于盒1 段辮流水道邊部，并與河漫沉積泥巖接觸，可見(jiàn)大量不規(guī)則狀泥巖撕裂屑，最大粒徑為5 cm，呈懸浮狀，這種沉積現(xiàn)象主要是由于河道邊部泥巖垮塌，且未經(jīng)搬運(yùn)原地堆積而形成的，所以泥巖撕裂屑是原地垮塌沉積的典型沉積標(biāo)志。測(cè)井曲線特征為鋸齒狀鐘型和指型。錦73 井位于沖積平原南部，由于遠(yuǎn)離物源并且地形坡度逐漸變緩，水動(dòng)力條件逐漸減弱，因此，辮狀河道受季節(jié)性洪水控制顯著［14］，河道遷移快，非均質(zhì)程度變強(qiáng)。巖性逐漸變細(xì)，以細(xì)砂巖為主，礫石含量很低（最大粒徑2 cm、平均粒徑0.6 cm），雜基含量增大，泥巖厚度也逐漸增大，砂巖厚度減薄。垂向序列上以泥巖為主的河漫沉積微相較為發(fā)育，心灘規(guī)模減小。由于河道遷移變化快，砂體呈現(xiàn)出寬而薄的特征。測(cè)井曲線特征為中—高幅、中—薄層鐘型和箱型與中—薄層線型不等厚互層。

6 結(jié)論

1）錦72井區(qū)盒1段沉積方式以牽引流為主，共發(fā)育7種巖相，最常見(jiàn)的巖相為塊狀層理砂巖相，其次為含礫粗砂巖相，其余各類巖相雖然發(fā)育但較少出現(xiàn)。

2）根據(jù)測(cè)井曲線形態(tài)總結(jié)出錦72井區(qū)盒1段共5種典型測(cè)井相和4種典型測(cè)井相組合，代表微相主要為心灘、辮流水道及河漫沉積及其垂向組合。

3）選取錦72井區(qū)不同沉積部位的典型井進(jìn)行巖性與沉積微相綜合描述，在此基礎(chǔ)上建立了錦72 井區(qū)盒1段辮狀河沉積模式，直觀地表現(xiàn)了研究區(qū)沖積平原南北部不同沉積相帶內(nèi)沉積砂體的垂向沉積序列及平面展布特征。