摘 要 【目的】勘探實踐表明，鄂爾多斯盆地東南部延安氣田主力產(chǎn)氣層山西組山2段砂體呈狹長條帶狀分布，與北部各大氣田上古生界砂體大面積連片分布存在顯著差異，厘清山西組山2段砂體成因機理對理解該區(qū)砂體分布規(guī)律具有重要意義?！痉椒ā恳耘璧貣|南部山西組山2段為地質(zhì)原型，利用水槽沉積模擬實驗探討其砂體形成演化過程及控制因素?！窘Y(jié)果與結(jié)論】平緩坡度與低水流強度是山2段分流河道呈低彎度曲流態(tài)的重要因素，水平面的變幅速率是控制山2段砂體縱向延伸的關(guān)鍵因素，砂體的大小及長寬比受岸線及流量變化控制，砂體整體的延伸距離及長寬比分別與水退的幅度和速率成正比。山西組沉積期，在水平面大幅度下降、岸線向湖區(qū)長距離遷移背景下，曲流河三角洲前緣砂體延伸較遠距離；砂體疊置樣式具有“垂向疊置”、“垂向切割”和“側(cè)向遷移”的特征。該認(rèn)識對山西組砂體分布預(yù)測和尋找優(yōu)質(zhì)儲層具有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 水槽模擬實驗；淺水曲流河三角洲；控砂機制；山2段；鄂爾多斯盆地

第一作者簡介 曹軍，男，1983年出生，博士，高級工程師，天然氣地質(zhì)與勘探，E-mail： 277847115@qq.com

通信作者 羅順社，男，教授，博士生導(dǎo)師，沉積學(xué)，E-mail： lss@yangtzeu.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標(biāo)志碼 A

0 引言

鄂爾多斯盆地東南部上古生界山西組山2段是延安氣田最重要的致密砂巖氣產(chǎn)層[1?2]，其沉積特征與山1段和盒8段存在明顯差異，山1段和盒8段主要為辮狀河三角洲沉積，山2段主要為淺水曲流河三角洲沉積[2?4]。淺水三角洲是一種特殊的三角洲類型，與正常三角洲雖然有很多相似點，但也有其自身的特殊性，其沉積作用和砂體展布受地形坡度、湖平面變化和水流強度等控制明顯[5]。關(guān)于鄂爾多斯盆地山西組沉積環(huán)境歸屬問題一直存在爭議，主要有四種觀點：陸相湖泊三角洲沉積、河流沉積、淺海陸棚（近海湖盆）三角洲沉積和海陸過渡相潮坪—潟湖—三角洲沉積[6?11]。然而，延長石油對盆地東南部的勘探實踐和研究認(rèn)為，延安氣田山西組山2段主要發(fā)育曲流河三角洲沉積，砂體呈狹長的條帶狀分布（長約100 km，寬1～12 km），且多層復(fù)雜疊置[2，12]，砂體的分布形態(tài)與盆地山1段和盒8段砂體大面積連片分布存在顯著差異。前人對于盆地北部上古生界辮狀河三角洲沉積特征及機理的研究較為深入[13?16]，而對盆地東南部延安地區(qū)山西組曲流河三角洲條狀砂體成因機理不明。水槽實驗是探討沉積過程及解剖沉積體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段，對不同沉積體系的沉積模擬研究應(yīng)用廣泛[17?26]。因此，本文以鄂爾多斯盆地東南部山西組山2段為地質(zhì)原型，利用水槽沉積模擬實驗技術(shù)分析曲流河三角洲的形成過程、主控因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，揭示山西期平緩構(gòu)造背景下淺水曲流河三角洲砂體的形成機理。對山西組砂體分布預(yù)測和尋找優(yōu)質(zhì)儲層具有重要的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地質(zhì)概況

延安地區(qū)構(gòu)造上處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部，晚古生代時期，屬于華北地臺西部的一部分，盆地尚未形成，為陸表海環(huán)境向大陸環(huán)境演化階段，自下而上發(fā)育石炭系本溪組、二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組。經(jīng)過晚石炭世的填平補齊，早二疊世太原期，陸表海進一步發(fā)展，受多期海侵影響發(fā)育多層碳酸鹽巖沉積建造，山西期盆地北部物源區(qū)隆升，海水逐步向東南方向退出，進入海陸交互相向陸相沉積演化階段[27?29]。

1.2 物源

前人研究表明，鄂爾多斯盆地東南部物源主要來自古陰山褶皺造山帶[3，30]。研究區(qū)在山2沉積時期，只受北北東向單一物源的控制，南部物源未影響到該區(qū)[31]。母巖類型主要為太古界花崗巖、花崗片麻巖及石英巖等。由于離物源區(qū)較遠，搬運距離較長，沉積期古氣候條件溫濕，風(fēng)化作用強烈，石英含量較高，長石和巖屑物質(zhì)含量較低，成分成熟度相對較高[32?33]。

1.3 沉積環(huán)境

經(jīng)過晚石炭世本溪期—早二疊世太原期的填平補齊，早二疊世山西期，華北地塊整體抬升，海水從鄂爾多斯盆地東西兩側(cè)開始逐漸退出，盆地充填形成于海退背景[2]。山西組沉積時期，研究區(qū)地勢整體平坦且水體較淺[31，34]，山西早期發(fā)生區(qū)域性海退，海水從東南方向退出，以陸表海沉積向近海湖盆的河流—三角洲沉積過渡[4]。山2段沉積早期，研究區(qū)主要為曲流河—三角洲沉積體系，雖受海洋潮汐作用的影響，但河流作用仍是其主導(dǎo)因素[12]。具有“岸線頻繁遷移，水體影響范圍廣”的特點，以致北部三角洲分流河道砂體往南延伸幾十至數(shù)百千米[2]（圖1）。山2段沉積期，氣候溫暖潮濕，發(fā)育多套煤層，季節(jié)性變化明顯，多套砂體與泥巖、煤層（線）頻繁交替疊置，沉積水體為淡水—半咸水環(huán)境，Sr/Ba 值介于0.22～0.71[2，35?36]。

1.4 古地形

延安地區(qū)南北向順物源方向山2段平均坡降為2.349 m/km，平均古坡度大致為0.135°。山2段地形坡度緩，水動力弱，較弱的水動力條件控制山2段發(fā)育曲流河三角洲前緣沉積[4]。隨著古坡度逐漸增大，山1段水動力有所增強，物源供給增多，發(fā)育曲流河三角洲—辮狀河三角洲過渡沉積。

1.5 巖性及粒度

受北部物源控制下的沉積區(qū)山2段為含煤系碎屑巖沉積。山2段儲集砂體巖石類型以石英砂巖為主，其次為巖屑石英砂巖，少量巖屑砂巖，該地區(qū)以北巖屑含量相對較高[2，33]。山2段成分成熟度相對較高，石英平均含量介于63.2%～81.0%，巖屑平均含量介于6.5%～21.8%，雜基含量介于2.3%～6.9%，膠結(jié)物含量介于4.0%～9.6%，長石含量平均不超過1% [32]。根據(jù)研究區(qū)山2段樣品粒度統(tǒng)計結(jié)果，中粗粒含量介于20%～30%，細(xì)粒含量介于30%～40%，粉砂含量介于25%～30%，泥含量介于5%～10%。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗比例尺確定與底型設(shè)計

本次實驗在長江大學(xué)湖盆沉積模擬實驗室完成。實驗裝置包括控制臺、模擬固定河道和三角洲沉積區(qū)三個部分。控制臺主要是對沉積物進行攪拌并通過河道將沉積物輸送至沉積區(qū)，水槽模擬實驗裝置長16.0 m，寬6.0 m，深0.8 m，距地平面高2.2 m，湖盆前部設(shè)進水口一個，尾部設(shè)出水口一個。

根據(jù)地質(zhì)原型，按照幾何比尺進行實驗底型設(shè)計。物源置于實驗裝置前端，X方向有效使用范圍3.0 m，比尺為1∶30 000；Y方向使用范圍6.0 m，比尺為1∶8 000；Z方向厚度比尺為1∶1 000。Y=0～1.0 m為固定河道區(qū)，不計入有效測量范圍；Y=1.0～3.0 m為曲流河沉積區(qū)；Y=3.0～6.0 m為三角洲沉積區(qū)，河床至三角洲前緣沉積區(qū)整體坡降為2°（圖2）。

2.2 實驗期次及砂泥比組成

根據(jù)研究區(qū)山2段沉積期處于水退水進頻繁交替過程，設(shè)定三期的水平面變化來反映該沉積過程變化，分別為曲流河三角洲雛形形成期及水退幅度較小沉積期（Run1）、水進期（Run2）及快速水退期（Run3）。

根據(jù)水流的搬運能力以及洪水期、中水期及枯水期含砂量的變化，設(shè)計沉積物主要由中粗砂、細(xì)砂、粉砂和泥組成，且各沉積期及不同來水條件下的沉積物粒度有所差異（表1）。

2.3 實驗時間控制

根據(jù)自然模型法，水流時間比例尺設(shè)計洪水：中水：枯水的時間比例為1∶2∶7。洪、中、枯三種水量，根據(jù)設(shè)計及實際情況需要在實驗中進行轉(zhuǎn)換，水量大小調(diào)整過程中，水量不能出現(xiàn)短時間內(nèi)大幅度、跳躍性的變化，而是根據(jù)各個時期實際情況，以逐步增加或減少的方式，得到所要求的流量。如中水加大流量到洪水后，如果此刻需要減少流量到枯水，先將水量先減少到中水，然后再進一步控制水量，逐步過渡到枯水，即“中水—洪水—中水—枯水”模式。

2.4 實驗流量控制

根據(jù)研究區(qū)山西組三角洲形成特點，自然界河流洪水、中水、枯水的流量比例[37]，設(shè)計山西組曲流河三角洲入湖河流洪水∶中水∶枯水的流量比例為5∶4∶1，實驗中選定洪水期流量為0.4～0.6 L/S（流速大于0.32 m/s），中水期流量為0.25～0.4 L/S（流速0.20～0.32 m/s），枯水期流量為0.1～0.25 L/S（流速小于0.20 m/s）。

2.5 實驗加砂量

研究區(qū)晚古生代早期氣候溫潤潮濕，水流量隨季節(jié)發(fā)生周期性變化，從周邊露頭顯示古水流方向整體自北向南，水動力強度變化。同時考慮實驗的可操作性、水流的攜砂能力，依據(jù)經(jīng)驗參數(shù)，按不同時期洪水、中水、枯水的加砂組成供砂，加砂量與流量比例相匹配，設(shè)計為5∶4∶1。

2.6 實驗過程設(shè)計

本次實驗設(shè)置三個實驗期次，第一期實驗?zāi)M水退環(huán)境中曲流河三角洲砂體沉積過程；第二期實驗?zāi)M水進環(huán)境中曲流河三角洲砂體沉積過程。第三期實驗?zāi)M事件型快速水退環(huán)境中曲流河三角洲的砂體沉積過程。在第一輪和第二輪沉積結(jié)束后的砂體表面分別均勻鋪上墨綠色彩砂和紅色彩砂，作為沉積界面示蹤劑。

3 實驗過程及結(jié)果

3.1 實驗過程

本實驗共用時約180 h，分水平面持續(xù)下降、水平持續(xù)上升和水平面快速下降等三個沉積期，每期均按中水期—洪水期—中水期—枯水期的順序進行，總體上以一個水退沉積模擬過程。利用控制來水、加砂量、水平面變化等實驗條件，最終形成曲流河三角洲砂體沉積。

第一期沉積實驗早期水流攜帶泥沙沿著構(gòu)筑的曲流河河道快速在河口處沉積，后逐步向湖區(qū)方向推進，于入湖處形成三角洲雛形（圖3a）。該期水平面下降速度較慢，水流較分散，水道以側(cè)向侵蝕為主，下蝕不明顯，砂體縱向延伸小于橫向展寬，朵體形態(tài)初步形成；之后砂體厚度增加，河道下蝕能力加強，水流逐漸匯聚，主河道開始形成，分流河道開始呈曲流特征，水下分流河道呈多支細(xì)條狀延伸（圖3b，c）。第二期沉積過程中，水平面持續(xù)上升，主河道不穩(wěn)定，水流分散，形成多支分流河道，砂體橫向展寬，湖區(qū)退積朵體垂向疊覆于早前沉積體之上，砂體整體沿著近岸線分布，發(fā)育指狀砂壩（圖3d～f）。第三期沉積過程中，水平面快速下降，三角洲進積，前緣砂體縱向延伸為主。主河道較為穩(wěn)定，并明顯切割前期砂體，上部的分支曲流河道下蝕、側(cè)向擺動能力急劇加強，河道逐漸穩(wěn)固，砂體縱向延伸能力增強；水下分流河道前端呈枝狀分散延伸，致使朵體的整體形態(tài)呈枝狀（圖3g～i）。

在不同水動力強度條件下，沉積過程具有不同的特征。中水期，河道侵蝕作用明顯，河道擺動頻繁（圖3b，e，h）；洪水期，河道特征不明顯，水流向湖方向漫流，強片流，以漫溢沉積為主（圖3a，f，g）；枯水期時，物源供給不足，水流沿襲原河道流動（圖3c，d，g）。

3.2 實驗結(jié)果

各個實驗沉積期結(jié)束后實測了砂體最終邊界分布（圖4）。砂體邊界展布與供水、水平面變化密切相關(guān)。

從三期沉積期外緣邊界分布圖來看（圖4），呈水退—水進—水退的連續(xù)沉積過程。Run3沉積期砂體的總體延伸距離較Run1、Run2期大幅度增加，且砂體寬度相對較窄，Run1期砂體橫向展寬大于Run2和Run3沉積期，表明水平面快速下降條件下，砂體的延伸距離遠遠大于水平面緩慢下降時的延伸距離，而三角洲前緣橫向展寬卻剛好相反。因湖區(qū)水的阻力作用和平緩背景下較弱的水動力條件，Run3期沉積三角洲前緣砂體延伸最大范圍整體上受岸線控制，水下分流河道延伸距離較短。河流入水時出現(xiàn)許多水下分流河道交織向前延伸，而水平面上升過程中會出現(xiàn)多條退積界線，這些界線是水平面上升河流入水時形成河口壩所致（圖5）。

4 分析與討論

4.1 坡度緩和低水流強度是分流河道呈曲流形態(tài)的主要因素

不同坡度對比表明，地形坡較大，分流河道橫向遷移快，具有“敞流型”特征，河道彎曲度低，易形成辮狀河三角洲，有利于“滿盆砂”的形成（圖6a）；而地形坡較小時，分流河道橫向遷移慢，河道呈窄淺型，河道彎曲度高，易形成曲流河三角洲（圖6b）。洪水期，水流較為分散，水流強度大，攜砂能力強，河流攜帶的沉積物大部分會堆積在入湖處形成河口壩，形成規(guī)模較大的砂體，河道彎曲度低（圖6c）。枯水期，水流流量較小時，水流較集中，水流攜砂能力小，河流以彎曲狀延伸入湖，河流彎曲度較高（圖6d）。因此，坡度緩、流量小是河道呈曲流形態(tài)的主要因素。

4.2 水平面變幅速率是控制砂體縱向延伸的關(guān)鍵因素

第一沉積期可以明顯地看到在水平面快速下降之后，砂體向主河道區(qū)域逐漸靠攏，然后收縮延伸。這是由于水平面的下降不連續(xù)導(dǎo)致的，水降速度為0.11 cm/h，每一次水降，河道均會經(jīng)歷收縮，在分散的過程中最終導(dǎo)致砂體整體收縮延伸。河道整體在上游向右側(cè)遷移，下游擺至左側(cè)，前緣水下有三股水下分流河道向前延伸（圖3b，c）。

第三沉積期水平面下降的速度為0.15 cm/h，湖平面下降的速度和幅度遠遠大于第一沉積期（表2、圖3h，i），湖盆萎縮程度較大，河流沉積作用面積更大。隨著湖盆的萎縮，砂體延伸距離越來越遠，大面積裸露，長條砂體的形成以河道沉積為主。分流河道窄深比隨著砂體的延伸距離而逐漸升高，上游河道長條砂壩長寬比增大（圖3i）。

對比來看，當(dāng)水平面快速下降時，河流下蝕基準(zhǔn)面會下降，可容納空間增大，下切侵蝕作用增強，河道向外擺動較為局限，形成較穩(wěn)定的主河道，主河道攜沉積物持續(xù)向前搬運，致使河道砂體整體形態(tài)在逐漸收窄的同時向前推進、縱向延伸越遠。當(dāng)水平面保持不變或水平面上升時，河流作用減弱，河道難以向前推進，河道擺動范圍越來越廣，砂體會在橫向上逐漸展寬。

4.3 砂體的規(guī)模取決于岸線遷移的幅度與速率

砂體空間分布特征包括平面及垂向分布特征，且砂體的平面展布與砂體垂向演化密切相關(guān)，均受控于湖平面升降及物源供給程度等因素，從而使不同類型砂體在空間的分布規(guī)律具有一定的差異性。

在湖平面下降速度較快、主河道較穩(wěn)定、物源充足的情況下，主河道發(fā)育的兩條分支河道會追逐湖岸線的變化快速向湖區(qū)延伸，說明砂體延伸程度與岸線遷移距離有關(guān)。三角洲砂體沉積過程中水退幅度、水平面下降速度與三角洲砂體縱向延伸成正比（表2）。

在水位下降的過程中，與傳統(tǒng)理論上的進積型不同的是，早期沉積主要發(fā)生在前期沉積體的兩側(cè)，平面上淺水三角洲的展布范圍逐漸擴大，但垂向上厚度變化較??；晚期再延伸至早期砂體前緣后，河道切割早期沉積砂體沿著前三角洲地勢較低的區(qū)域近順直向湖區(qū)延伸。三角洲前緣呈枝狀展布，分流河道以曲流型為主，并向湖區(qū)不斷延伸且部分河道延伸較遠。三角洲砂體的延伸距離與水退的幅度和速率成正比。

砂體縱向延伸與岸線變化趨勢大致一致，延伸的距離與水平面下降幅度正相關(guān)，延伸的寬度則取決于水平面的下降速度和物源供給流量的大小。水平面下降的速度決定砂體縱向延伸的速度，水平面下降的幅度決定砂體縱向延伸的距離（圖7）。

4.4 曲流河三角洲沉積過程中砂體垂向切割及縱向延伸模式

水平面下降導(dǎo)致沉積基準(zhǔn)面下降，后期水道切割侵蝕原有的高部位砂體，并攜帶沉積物向湖區(qū)搬運沉積。多期的水平面下降旋回影響下，砂體縱向發(fā)育優(yōu)勢明顯，垂向上期次分明。

水平面上升導(dǎo)致基準(zhǔn)面上升，砂體整體呈退積樣式，退積規(guī)模受旋回期次和幅度影響。垂向上砂體厚度明顯增長，縱向延伸不明顯。

水平面頻繁升降條件控制下，砂體多期次垂向疊置，但因受水平面下降時砂體侵蝕切割影響，期次間原始沉積界線不明顯。砂體縱向伸展規(guī)模受水平面變化幅度影響，幅度越大砂體縱向延伸越遠。伴隨多期次旋回，砂體發(fā)育形態(tài)穩(wěn)定保持在隨岸線沉積并向湖區(qū)延伸的長條狀砂體（圖8）。

4.5 多期頻繁水進水退導(dǎo)致砂體具有垂向疊置、垂向切割和側(cè)向遷移的疊置樣式

在三維剖面中識別出三種砂體垂向疊置樣式：垂向疊置、垂向切割、側(cè)向遷移（圖9）。

1） 垂向疊置

兩個水下分流河道單砂體垂向上被穩(wěn)定的細(xì)粒沉積所分隔，水下分流河道砂體不發(fā)生接觸。兩期河道表現(xiàn)為寬而厚的頂平底凹狀，砂體粒度相對較粗，垂向上發(fā)育正粒序，上部與下部水下分流河道砂體共同表現(xiàn)出完整的河流相二元結(jié)構(gòu)。多期分流河道砂體組合類型是指多期分流河道由下至上依次垂向疊置的組合形式，剖面結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為多個正粒序的垂向排列（圖9a）。

2） 垂向切割

垂向切割主要是指分流河道在垂向上的相互切割。兩期河道砂體垂向上幾乎重疊，后期發(fā)育的水下分流河道對早期發(fā)育的水下分流河道有明顯的切割、侵蝕、沖刷破壞作用。兩期河道表現(xiàn)為透鏡狀，粒度粗，垂向上逐漸變細(xì)，橫向上粒度變化大（圖9b）。

3） 側(cè)向遷移

水下分流河道為單向水流，有周期性水位變化，每條分流河道的砂體沉積都是由周期水位變化的單向水流形成的。河道動能的變化就會導(dǎo)致河道遷移、擺動，在橫剖面中可以識別出同期河道多次遷移（圖9c）。

4.6 山西組山2段典型剖面解剖與對比

勘探實踐和研究發(fā)現(xiàn)，山西組山2段沉積期分三個階段。山23段沉積期為海平面下降過程，岸線不斷向南推進，沉積砂體自北向南延伸較遠（圖10a、圖11），這與模擬實驗中Run1期沉積過程相一致；隨著水平面的持續(xù)下降，流量及供砂量減少，河流不斷向前推進，河道呈淺窄曲流型，砂體順河道向湖方向搬運（圖3c）。山22段沉積期為海平面上升過程，岸線向北推進，三角洲退積，沉積砂體向南搬運距離較近（圖10b、圖11），模擬實驗Run2期與之相似；水平面持續(xù)上升，供砂量增加，水流分散，形成多支分流河道，砂體橫向展寬（圖3f）。山21段沉積期海平面再次下降，岸線持續(xù)向南推進，三角洲前積，沉積砂體自北向南推向更遠的距離（圖10c、圖11），與模擬實驗Run3期具有一致性；水平面快速下降，主河道較為穩(wěn)定，上部分支曲流河道下蝕，砂體縱向延伸能力增強，水下分流河道呈枝狀分散延伸（圖3i）。

對鄂爾多斯盆地東南部延安地區(qū)某井區(qū)山2段縱向解剖表明，山2段淺水曲流河三角洲沉積主要發(fā)育多期水下分流河道砂體，從構(gòu)型疊置類型看，山2段沉積期，在多期頻繁水進水退背景下主要發(fā)育垂向疊加型、切割疊置型、側(cè)向遷移型三種構(gòu)型疊置樣式的復(fù)合砂體（圖12）。從水槽模擬實驗結(jié)果解剖來看，多個水下分流河道單砂體垂向上被穩(wěn)定的細(xì)粒沉積所分割，分流河道砂體間不發(fā)生直接接觸，縱向上呈現(xiàn)“垂向疊置”的特征（圖9a）；垂向切割表現(xiàn)在兩期分流河道砂體縱向重疊，且后期河道對早期發(fā)育的河道有明顯的切割、侵蝕現(xiàn)象（圖9b）；當(dāng)水下分流河道為單向水流，且周期性水位變化時，就會導(dǎo)致河道遷移、擺動，形成側(cè)向遷移的疊置現(xiàn)象（圖9c）。水槽模擬實驗結(jié)果與山西期山2段實際的砂體縱向疊置關(guān)系具有較好的相似性，較好地解釋了山2段砂體的形成演化過程。

5 結(jié)論

（1） 平緩坡度與低水流強度是山2段分流河道呈低彎度曲流態(tài)的重要因素。水平面的變幅速率是控制山2段砂體縱向延伸的關(guān)鍵因素，砂體的大小及長寬比受岸線及流量變化控制，砂體整體的延伸距離及長寬比分別與水退的幅度和速率成正比。

（2） 山西組沉積期，在水平面大幅度下降、岸線向湖區(qū)長距離遷移背景下，曲流河三角洲前緣砂體延伸較遠距離形成長條狀砂體。多期頻繁水進水退導(dǎo)致山西組山2段砂體呈現(xiàn)“垂向疊置”、“垂向切割”和“側(cè)向遷移”的疊置特征，構(gòu)成山西組主要的含氣儲集砂體。

致謝 衷心感謝編輯老師和審稿專家的寶貴意見，衷心感謝長江大學(xué)劉忠保教授、呂奇奇副教授和中國石油大學(xué)（華東） 余寬宏副教授對本文給予的幫助。

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