準(zhǔn)噶爾盆地紅山嘴地區(qū)三疊系克下組辮狀河沉積特征

王 進(jìn)，于興河，仲玉芳，周 明，楊新濤

(1.河北省煤田地質(zhì)局新能源地質(zhì)隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)石油新疆油田分公司 第一采油廠，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

紅山嘴地區(qū)是準(zhǔn)噶爾盆地西北緣重要的富油區(qū)帶之一，經(jīng)過(guò)50多年的勘探，在石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系及白堊系地層中已發(fā)現(xiàn)不同規(guī)模的油氣藏[1-2]?？讼陆M作為紅山嘴地區(qū)的主力儲(chǔ)層之一，具有粒度粗、沉積構(gòu)造多樣、單期砂體厚度小及砂泥頻繁互層的特點(diǎn)。

前人研究多以準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系為整體進(jìn)行，認(rèn)為西北緣三疊系主要發(fā)育沖積扇、辮狀河、辮狀河三角洲、湖泊沉積體系[3-5]。針對(duì)紅山嘴地區(qū)克下組沉積特征開(kāi)展的研究相對(duì)較少。程亮等認(rèn)為紅山嘴克拉瑪依組沉積時(shí)期，主要發(fā)育辮狀河沉積體系，局部地區(qū)的部分層段發(fā)育沖積扇[6]。王雅寧等認(rèn)為紅車(chē)地區(qū)克下組廣泛發(fā)育辮狀河流沉積，局部發(fā)育沖積扇和辮狀河三角洲沉積[7]。高陽(yáng)等認(rèn)為克下組時(shí)期紅山嘴整體處于辮狀河三角洲上平原沉積環(huán)境[8]?？傮w上，前人多認(rèn)為克下組以辮狀河沉積為主，但存在研究粗泛的問(wèn)題，研究過(guò)程中多以整個(gè)克拉瑪依組為研究對(duì)象，忽略了克上組與克下組在巖性特征、沉積構(gòu)造及砂體發(fā)育特征上存在較大差異。特別是缺少針對(duì)克下組沉積作用、巖相與垂向序列及沉積模式方面的研究。

筆者在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以巖心精細(xì)觀察描述為基礎(chǔ)，綜合測(cè)井錄井、粒度等資料，進(jìn)一步明確了紅山嘴地區(qū)克下組辮狀河沉積特征與沉積模式，以期為該地區(qū)油氣儲(chǔ)層研究提供借鑒。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

紅山嘴地區(qū)位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣紅—車(chē)斷裂帶的北段(圖1(a))，在區(qū)域構(gòu)造上屬于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起構(gòu)造單元，北接克烏斷裂帶，東、西兩側(cè)分別為中拐凸起與車(chē)排子凸起，西北為扎伊爾山，東南為沙灣凹陷[1,2,9]。海西及印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期，研究區(qū)受北西—南東方向的擠壓作用，自基底發(fā)育多期逆斷裂[10]。晚石炭世—二疊紀(jì)，在向東部強(qiáng)烈擠壓作用下車(chē)排子凸起開(kāi)始隆升[11-13]，研究區(qū)演變?yōu)楸蔽骱湍衔鞯匦屋^高、東部地勢(shì)較低的古地貌，地形高差相對(duì)較大(圖1(b))。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置、古地貌與三疊系綜合柱狀圖Fig.1 Location and regional paleogeomorphology of the study area and Triassic stratigraphic column

早三疊世，紅山嘴地區(qū)處于抬升狀態(tài)，無(wú)百口泉組沉積。至中三疊世，克拉瑪依組(T2k)開(kāi)始沉積，直接發(fā)育于石炭系不整合面之上。上三疊統(tǒng)的白堿灘組為一套區(qū)域性的湖相深灰色泥巖沉積?？死斠澜M可劃分為克下組和克上組，克下組(T2k1)屬于克拉瑪依組的下部地層，整體表現(xiàn)為砂泥巖互層，厚度在69～210 m之間，平均為134 m。

2 沉積學(xué)特征

2.1 巖礦特征

研究區(qū)內(nèi)克下組巖性復(fù)雜多樣，礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖均有發(fā)育。儲(chǔ)層以含中礫細(xì)礫巖、細(xì)礫巖、含礫粗砂巖及中粗砂巖等粗粒碎屑巖為主(圖2)，反映克下組沉積時(shí)整體水動(dòng)力條件較強(qiáng)。砂礫巖體單層厚度一般不超過(guò)10 m，主要分布在3～8 m之間，表明了沉積時(shí)水動(dòng)力條件穩(wěn)定性差，具有間歇性活動(dòng)的特征。

圖2 研究區(qū)克下組儲(chǔ)層巖石類(lèi)型Fig.2 Reservoir rock types of the Lower Karamay Formation

中礫巖礫石最大粒徑可達(dá)50 mm，分選較差，磨圓中等—較好，基質(zhì)含量高，多級(jí)顆粒支撐與雜基支撐為主，鈣質(zhì)膠結(jié)，塊狀層理為主，弱正粒序，下部常發(fā)育沖刷面，上部礫石定向排列，指示洪泛期強(qiáng)水動(dòng)力的洪流快速沉積，向牽引流沉積逐漸過(guò)渡。

砂巖主要為長(zhǎng)石質(zhì)巖屑砂巖、巖屑砂巖和巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖。砂巖中石英含量中等，平均體積分?jǐn)?shù)為32.1%，而長(zhǎng)石和巖屑等不穩(wěn)定組分含量高(圖3)。巖石成分成熟度指數(shù)[Q/(F+R)]介于0.01～1.66之間，平均為0.37。砂質(zhì)碎屑顆粒磨圓較差，以次棱角狀與次圓狀為主，分選差—中等，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度偏低，反映了研究區(qū)內(nèi)克下組具有近源快速沉積的特征。

圖3 研究區(qū)克下組儲(chǔ)層碎屑巖三角圖 Fig.3 Ternary diagram for the detrital composition of the Lower Karamay Formation

2.2 粒度特征

對(duì)研究區(qū)內(nèi)克下組取心段大量的粒度資料進(jìn)行分析，識(shí)別出3種典型的粒度概率曲線類(lèi)型(圖4)，具有粒度粗、粒徑分布區(qū)間廣的特點(diǎn)。

圖4 克下組典型粒度累積概率曲線Fig.4 Grain-size probability plot of the Lower Karamay Formation

Ⅰ類(lèi)，一段式。粒徑主要集中在-5～1Φ之間，粒度粗，各個(gè)次總體發(fā)育不明顯，分選較差，表明沉積時(shí)水動(dòng)力條件強(qiáng)且不穩(wěn)定，沉積物快速卸載堆積，指示洪泛期的洪流成因。

Ⅱ類(lèi)，兩段式。發(fā)育明顯的跳躍總體和懸浮總體，粒度直方圖上呈雙峰態(tài)，跳躍總體斜率在60°左右，分選相對(duì)較好，懸浮總體分選較差，S截點(diǎn)大致位于-1Φ處，主要發(fā)育于細(xì)礫巖和含礫粗砂巖中，指示典型的強(qiáng)水動(dòng)力河道沉積。

Ⅲ類(lèi)，三段式。滾動(dòng)、跳躍、懸浮總體均發(fā)育，粒度直方圖呈單峰態(tài)。整體以跳躍搬運(yùn)方式為主，跳躍總體含量在75%左右，跳躍段與懸浮段的交截點(diǎn)在2Φ處，分選較好，主要發(fā)育于中粗砂巖中，為河道內(nèi)較穩(wěn)定牽引流沉積。

2.3 沉積構(gòu)造

沉積構(gòu)造的識(shí)別是判定搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式以及沉積時(shí)水動(dòng)力強(qiáng)弱的重要方法。紅山嘴地區(qū)克下組發(fā)育反映強(qiáng)水動(dòng)力條件的典型沉積構(gòu)造(圖5)。

圖5 克下組典型沉積現(xiàn)象Fig.5 Typical sedimentary features of the Lower Karamay Formation(a)中礫巖，雜積支撐，分選極差，塊狀構(gòu)造(紅75井，1 351.8 m)；(b)細(xì)礫巖，大型交錯(cuò)層理(紅82井，1 296.6 m)；(c)細(xì)礫巖，板狀交錯(cuò)層理(紅23井，1 303.2 m)；(d)含礫粗砂巖，槽狀交錯(cuò)層理(紅68井，1 788.7 m)；(e)含礫粗砂巖，板狀交錯(cuò)層理(紅091井，1 674.5 m)；(f)含礫粗砂巖，槽狀交錯(cuò)層理→平行層理(紅018井，2 333.4 m)；(g)沖刷面，見(jiàn)灰白色泥礫(紅75井，1 420.1 m)；(h)含礫粗砂巖，槽狀交錯(cuò)層理，灰白色泥礫沿層系面分布(紅023井，1 374.4 m)；(i)滯留礫石→粗砂巖(紅75井，1 423.0 m)；(j)紅褐色→灰綠色泥巖突變面(紅023井，1 344.3 m)；(k)花斑泥巖(紅68井，1 874.3 m)；(l)干裂構(gòu)造(紅68井，1 789.3 m)；(m)炭化植物莖干碎片與炭屑(紅091井，1 699.7 m)；(n)植物根系(紅067井，1 796.4 m)； (o)生物蟲(chóng)孔(紅57井，1 907.9 m)

塊狀層理主要發(fā)育在中礫巖、不等粒砂巖及粉砂質(zhì)泥巖中，分選差，反映物源充足、快速堆積的沉積過(guò)程(圖5(a))。槽狀交錯(cuò)層理多見(jiàn)于含礫粗砂巖和粗砂巖中，相對(duì)較粗的碎屑顆粒沿層面分布，指示河道頻繁側(cè)向擺動(dòng)及下切作用，反映沉積時(shí)的水動(dòng)力條件較強(qiáng)(圖5(d))。板狀交錯(cuò)層理常見(jiàn)于細(xì)礫巖、含礫粗砂巖和中粗砂巖中，順流加積和側(cè)向加積形成(圖5(c)、 (e))。平行層理相對(duì)少見(jiàn)，主要發(fā)育于中粗砂巖中，反映了水體較淺、流速較大的沉積環(huán)境特征(圖5(f))。

沖刷面在本區(qū)廣泛發(fā)育。代表著不同程度的侵蝕間斷面。沖刷面之下為粉砂巖、泥巖等細(xì)粒沉積物，沖刷面之上突變?yōu)樯暗[巖，在底部發(fā)育滯留礫石，上部可見(jiàn)大量灰白色泥礫沿層理面分布(圖5(g)、 (h)、 (i))。

2.4 古氣候指示

早—晚三疊世，盆地西北緣由干旱炎熱的亞熱帶氣候逐漸轉(zhuǎn)為潮濕溫暖適宜植被生長(zhǎng)的溫帶氣候[5，14-16]。克下組泥巖顏色多為紅褐色和雜色，泥巖中可見(jiàn)干裂構(gòu)造(圖5(l))，形成多邊形、網(wǎng)狀龜裂紋，指示泥質(zhì)沉積物陸上暴露特點(diǎn)，為季節(jié)性干旱氣候的標(biāo)志。在克下組中上部紅褐色泥巖或灰色泥巖中偶見(jiàn)植物根系、蟲(chóng)孔及炭化植物莖干碎片(圖5(m)、 (n)、 (o))，反映了植被逐漸發(fā)育，克下組沉積時(shí)古氣候由干旱向半干旱的轉(zhuǎn)變。

3 沉積微相劃分

3.1 巖相劃分

通過(guò)研究區(qū)內(nèi)巖心的觀察描述，在克下組中識(shí)別出8種典型的巖相(表1)。

表1 研究區(qū)克下組巖相類(lèi)型

3.2 巖相組合與沉積微相

巖相組合通常是一次沉積事件或一定環(huán)境連續(xù)演變的產(chǎn)物，不同的巖相組合可指示不同微相的沉積過(guò)程[17]。筆者在研究區(qū)克下組識(shí)別出三種不同的巖相組合，指示不同的沉積微相(圖6)。

圖6 研究區(qū)克下組典型巖相組合Fig.6 Typical lithofacies associations of the Lower Karamay Formation in the study area

3.2.1 類(lèi)型Ⅰ(Gm?St→Sh→Sm→Fm)

洪泛初期,在強(qiáng)水動(dòng)力的洪積作用下，序列底部沉積塊狀礫巖相(Gm)，與下部相對(duì)較細(xì)粒沉積物沖刷面接觸，隨著水動(dòng)力條件逐漸穩(wěn)定，河道下切擺動(dòng)，向上發(fā)育大型槽狀交錯(cuò)層理砂巖相(St)。隨著水體變淺和床砂底形變得相對(duì)平坦，可發(fā)育平行層理砂巖相(Sh)。在下一次洪泛期，水動(dòng)力再次增強(qiáng)，可對(duì)早期河道沉積物形成沖刷。巖相組合內(nèi)部，基本無(wú)細(xì)粒沉積或細(xì)粒沉積相對(duì)較少，以泥礫形式保存。此類(lèi)巖相組合垂向上呈正粒序，沉積作用主要為垂向和側(cè)向加積，對(duì)應(yīng)強(qiáng)水動(dòng)力、沖刷頻繁的辮狀河道沉積。

3.2.2 類(lèi)型Ⅱ(Gp→Sp→Fm?M?Gp、Sp)

在此序列中，以板狀交錯(cuò)層理礫巖相(Gp)、砂巖相(Sp)為主體，分選和物性相對(duì)較好。底部可發(fā)育塊狀礫巖相(Gm)，在水動(dòng)力相對(duì)減弱和更加趨于穩(wěn)定的過(guò)程中，隨著河道不斷被沉積物充填，床砂底形變得平坦，細(xì)礫或砂質(zhì)碎屑顆粒在相對(duì)平坦的床砂底形上不斷向前推進(jìn)沉積，發(fā)育板狀交錯(cuò)層理礫巖相(Gp)和砂巖相(Sp)。垂向上呈正粒序或弱反粒序，為水動(dòng)力相對(duì)穩(wěn)定條件下垂向加積和順流加積作用的產(chǎn)物，指示心灘沉積。序列頂部可見(jiàn)細(xì)粒的“落淤層”，多為塊狀粉砂巖相(Fm)或泥巖相(M)。

3.2.3 類(lèi)型Ⅲ(M?Fm?Sm?M)

此類(lèi)組合在垂向上以泛濫平原中沉積的厚層細(xì)粒泥巖夾薄層漫溢砂巖為特征。洪泛期河道水動(dòng)力增強(qiáng)，水體漫過(guò)河床，在河道間沉積物快速卸載，形成塊狀砂巖相(Sm)。泛濫平原沉積泥巖顏色多變，多為紅褐色，泥質(zhì)多不純，常含砂質(zhì)或粉砂質(zhì)碎屑顆粒，呈塊狀。

3.3 測(cè)井曲線特征

研究區(qū)克下組測(cè)井曲線最常見(jiàn)箱形、鐘形、漏斗形、指形4種基本測(cè)井曲線形態(tài)(圖7)。中-高幅鐘形測(cè)井曲線對(duì)應(yīng)正粒序辮狀河道沉積，反映河道內(nèi)水動(dòng)力條件逐漸衰減的過(guò)程，指示河道成因的正粒序沉積。上部高幅箱形或漏斗形曲線對(duì)應(yīng)心灘沉積的砂礫巖體。

圖7 克下組沉積微相測(cè)井的響應(yīng)特征Fig.7 Microfacies log response of the Lower Karamay Formation(a)辮狀河道和心灘(紅081井)；(b)辮狀河道和心灘(紅71井)；(c)泛濫平原和漫溢砂(紅015井)

指形曲線幅度較低，指示沉積時(shí)水動(dòng)力在短時(shí)間內(nèi)較高，但不穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)河道間的漫溢沉積。間洪期，研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育低能的泛濫平原泥質(zhì)沉積，測(cè)井曲線呈低幅齒狀特征。

4 沉積相帶展布與沉積模式

結(jié)合前人研究成果，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖相組合、沉積構(gòu)造及古氣候特點(diǎn)，確定區(qū)內(nèi)克下組為干旱—半干旱古氣候下受間歇性洪流控制的近源辮狀河沉積體系，發(fā)育河道帶與河道間亞相，包括辮狀河道、心灘、泛濫平原及漫溢沉積微相。

4.1 相帶展布

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育的辮狀河沉積體系的物源主要來(lái)自研究區(qū)西北的扎伊爾山與南西方向車(chē)排子凸起。干旱—半干旱古氣候下，物理風(fēng)化作用強(qiáng)，物源供給充足。在擠壓構(gòu)造作用和石炭—二疊紀(jì)漫長(zhǎng)的風(fēng)化作用下，克下組沉積時(shí)，研究區(qū)古地貌為西高東低，局部地區(qū)發(fā)育溝谷地貌。

研究區(qū)內(nèi)辮狀河沉積體系主要受間歇性洪流控制。洪泛期，水動(dòng)力條件強(qiáng)，辮狀河道側(cè)向遷移頻繁，河道砂體寬厚比較大。由于干旱—半干旱氣候下洪泛持續(xù)時(shí)間較短，沉積的單期河道砂體厚度較薄。含砂率等值線圖顯示，研究區(qū)內(nèi)存在多條辮狀河道，基本平行于物源方向，不同方向的辮狀河道存在交匯現(xiàn)象(圖8)。在研究區(qū)西南部，古地貌溝谷相對(duì)發(fā)育，可形成較穩(wěn)定的辮狀河道，發(fā)育多期河道和心灘砂體疊加，局部含砂礫巖累積厚度可達(dá)26 m(紅027井)。在東南部，不同河道發(fā)生交匯沉積厚層砂巖，也可形成局部富砂中心。雖然區(qū)內(nèi)辮狀河道廣泛發(fā)育，但水動(dòng)力強(qiáng)，河道頻繁快速側(cè)向遷移，早期河道廢棄后細(xì)粒沉積物的發(fā)育，使砂體在空間接上連通性較差。

圖8 研究區(qū)克下組含砂礫率等值線(a)與辮狀河沉積相展布圖(b)(MSC1上升半旋回) Fig.8 Distribution of sandstone (a) and sedimentary microfacies in braided river (rising half cycle of MSC1) (b)of the Lower Karamay Formation in the study area

洪泛時(shí)期，洪水所攜帶搬運(yùn)的沉積物漫過(guò)河床，河道間形成大面積的薄層漫溢沉積。剖面上呈條帶狀展布，包裹于泛濫平原沉積的厚層泥巖中(圖9)。在研究區(qū)的東北部，廣泛發(fā)育泛濫平原沉積(圖8)。

圖9 研究區(qū)克下組沉積相剖面展布規(guī)律Fig.9 Braided-river sedimentary facies profile of the Lower Karamay Formation in study area

4.2 沉積模式建立

辮狀河沉積研究在油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一直受到重視[18-29]。受構(gòu)造背景、氣候特征、地形坡度、物源供應(yīng)等因素影響，不能簡(jiǎn)單地用單一模式概括辮狀河沉積特點(diǎn)?？讼陆M沉積時(shí)，準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地形高差大、氣候以干旱—半干旱為主，根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造及巖相序列等特征，借鑒前人的有關(guān)研究成果，建立了紅山嘴地區(qū)克下組辮狀河沉積模式(圖10)。其特征如下。

圖10 紅山嘴地區(qū)克下組辮狀河沉積模式Fig.10 Braided-river depositional model of the Lower Karamay Formation in the Hongshanzui area

(1)沉積時(shí)地形坡度較大，洪泛期間歇性的洪流水動(dòng)力強(qiáng)，沉積物粒度偏粗，巖性以礫巖、含礫粗砂巖為主。

(2)干旱—半干旱氣候下，物理風(fēng)化為主，物源供應(yīng)充足，長(zhǎng)石、巖屑大量保存，巖石成分成熟度低，具有近源快速沉積特征。

(3)砂礫巖體底部發(fā)育洪流沉積成因的塊狀礫巖相(Gm)，沉積體系受間歇性洪泛影響，沖刷面和泥礫大量發(fā)育，河道遷移頻繁。

(4)河道間在洪泛期發(fā)育薄層漫溢砂沉積，在漫長(zhǎng)的間洪期，廣泛發(fā)育泛濫平原沉積，紅褐色泥巖中發(fā)育指示陸上暴露成因的干裂構(gòu)造。

(5)受控于辮狀河道的頻繁遷移和泛濫平原細(xì)粒沉積的廣泛發(fā)育，單期河道砂體較薄，且連通性受限。

綜上，紅山嘴地區(qū)克下組為發(fā)育于干旱—半干旱氣候背景下、受間歇性洪流控制的近源辮狀河沉積。

5 結(jié) 論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣紅山嘴地區(qū)克下組儲(chǔ)層具有粒度粗、結(jié)構(gòu)和成分成熟度低的特點(diǎn)，沉積構(gòu)造以槽狀、板狀交錯(cuò)層理和塊狀層理為主，兼具洪流和牽引流沉積。

(2)在巖心上識(shí)別出8種典型巖相和3種巖相組合，結(jié)合測(cè)井曲線特征，認(rèn)為研究區(qū)克下組為辮狀河沉積體系，主要發(fā)育辮狀河道、心灘、泛濫平原及漫溢沉積微相。

(3)在紅山嘴地區(qū)克下組建立了發(fā)育于干旱—半干旱氣候背景下受間歇性洪流控制的近源辮狀河沉積模式。