鄂爾多斯盆地北緣下石盒子組盒1段心灘砂體定量刻畫

張占楊

（中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

鄂爾多斯盆地是具有多期次旋回沉積的含油氣盆地，經歷了裂陷盆地、克拉通盆地、克拉通坳陷盆地、內陸坳陷盆地、平緩斜坡等多個發(fā)育階段［1］，發(fā)育多套含油氣層系，是中國重要的天然氣生產基地，盆地內已建成蘇里格、大牛地等大型氣田。該盆地北緣伊盟隆起—伊陜斜坡為沉積過渡帶，且為近物源沉積，與盆內已有氣田差異較大，在整個上古生界沉積過程中，從石炭系太原組至二疊系下石盒子組疊置發(fā)育了多套沉積砂體［2］。這些砂體構成了盆地邊緣油氣藏形成的物質基礎。截至目前已在太原組、山西組以及下石盒子組發(fā)現了高產氣藏，其中，儲集砂體物性最好且最為發(fā)育的層位主要為二疊系下石盒子組盒1段［3］，該段儲集砂體在盆地邊緣表現為“南部大面積分布、北部沉積超覆缺失”的分布特征［4］。目前對盆地下石盒子組心灘砂體主要利用鉆井資料并根據辮狀河沉積規(guī)律進行刻畫，而沒有考慮盆緣古地貌對沉積的影響，古地貌對心灘的規(guī)?？刂埔膊幻鞔_。筆者在前人研究成果的基礎上，利用地質—物探一體化手段開展石炭系古地貌恢復，深化了對鄂爾多斯盆地北緣二疊系下石盒子組盒1段沖積扇—辮狀河沉積體系心灘砂體沉積特征的認識。結合現今河流沉積特征，利用地質統(tǒng)計學方法建立不同沉積相帶、不同古地貌坡度條件下心灘長度、寬度的定量計算方法，以期為該地區(qū)上古生界盒1段氣藏的精細描述及高效開發(fā)提供科學的依據。

1 沉積特征

由于研究區(qū)北部陸源碎屑物質受古地貌的影響，其碎屑成分主要為中上元古界石英巖，物源區(qū)的母巖經風化剝蝕后從公卡漢凸起搬運后由山谷沖出，坡降逐漸減緩，坡度由3.0°下降到0.5°，辮狀河道變寬變淺，水動力減弱，大量底負載碎屑物迅速堆積下來在斜坡及溝谷部位形成沖積扇。向南古地貌坡度繼續(xù)變緩，逐步轉變?yōu)闆_積平原辮狀河沉積，整體由北往南形成沖積扇—辮狀河沉積體系［5］。研究區(qū)從西到東發(fā)育3個沖積扇體，①號扇體寬度介于1～2 km，②號扇體寬度最大，介于3～5 km，③號扇體寬度介于2～3 km，從北到南依次發(fā)育沖積扇扇根、扇中、扇端、辮狀河道（圖1）。沖積扇扇根主要發(fā)育碎屑流沉積，巖性以較粗的砂礫巖及含礫粗砂巖為主，沉積構造常見塊狀層理，測井相為疊置箱形［6］；扇中以牽引流沉積為主，其巖性較扇根變細，以含礫中粗砂巖為主，主要發(fā)育塊狀層理，也可見平行層理和槽狀交錯層理，測井相為鐘形和箱形；扇端沉積物粒度最細，以中細砂巖為主，發(fā)育塊狀層理、槽狀交錯層理、平行層理，測井相為單期鐘形和齒化箱形。研究區(qū)南部發(fā)育5條辮狀河道，疊置河道寬度介于1～3 km，以含礫中粗砂巖為主，發(fā)育塊狀層理，測井相為齒化箱形。

圖1 鄂爾多斯盆地北緣沖積扇—辮狀河沉積特征圖

沖積扇及沖積平原辮狀河主體部位測井曲線呈箱形、鐘形、微齒或直線形。光滑箱形的頂部和底部均與泥巖突變接觸［7］，巖性以含礫粗砂巖和中粗砂巖為主，巖性整體較粗，無粉砂或泥質夾層，反映了物源充足、水動力強勁而穩(wěn)定的特征，主要發(fā)育的沉積微相為辮狀河心灘和辮流水道。鋸齒狀箱形則反映了水動力時強時弱的特征，沉積微相為辮狀河道底部的河道充填沉積［8］。當新的一期沉積旋回開始時，粗粒砂巖由于受沖刷作用而覆蓋在前一期泥巖之上，砂巖與泥巖突變接觸，形成了沖刷面。由于水動力逐漸減弱，砂巖頂部沉積了靜水環(huán)境泥巖，砂巖與頂部泥巖漸變接觸，二元結構特征明顯，整個沉積序列的測井曲線形態(tài)表現為鐘形。

2 心灘砂體發(fā)育特征及控制因素

通過野外剖面觀察及測量可知，單期心灘厚度接近于河道深度，其寬度則取決于河道寬度、彎度及坡度。心灘沉積物巖性以巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主，屬于近源沉積，巖屑含量高，碎屑分選磨圓度差，所以成分成熟度和結構成熟度均較低。沉積物在粒度分布上主要為跳躍組分和滾動組分，碎屑物分選中等—差。在心灘沉積中，沉積構造主要以下切型或下截型板狀交錯層理和塊狀層理為主，在較細的沉積物中也常見槽狀交錯層理［10］。通過野外露頭測量、公式法以及實鉆情況驗證，心灘厚度與規(guī)模呈現良好的相關性，厚度越大，心灘整體規(guī)模越大。盒1段心灘長度介于500～1 200 m，長寬比為3∶1。

一般情況下，將在古地貌坡度1.3°～1.8°條件下形成的心灘稱為陡坡心灘，而緩坡心灘是指古地貌坡度介于0.8°～1.0°條件下形成的心灘。陡坡心灘沉積物粒度粗，中細粒級礫石含量很高，以塊狀層理為主，可見交錯層理，礫石大小混雜分選差，排列雜亂無規(guī)則，單期沉積厚度較大。陡坡心灘砂地比為0.40～0.85，河道寬厚比為64～92，心灘長寬比為2.8。而緩坡心灘由于河道中水動力較小、搬運能力弱且遠離物源，沉積物粒度較細，以中細砂巖為主，礫石含量較低，常見平行層理、槽狀交錯層理，可見礫石定向排列，分選較好，常見沖刷面，單期沉積厚度較薄。緩坡心灘砂地比為0.30～0.70，河道寬厚比為50～72，心灘長寬比為2.3，這3個參數均小于陡坡心灘［11］。從辮狀河橫切河道野外露頭可以看出，多期心灘砂體互相疊置，單期心灘厚度較薄，后期心灘切割改造前期心灘，連通性好，內部疊切關系與分布復雜。說明強水動力水道中，砂體頻繁遷移，沖刷作用較為強烈（圖2a）。從辮狀河垂向沉積序列看，一定厚度范圍內發(fā)育多期正旋回，單期旋回厚度薄，巖性以含礫中粗砂巖為主，較多細礫成懸浮狀，砂質支撐，每期旋回底部常見滯留礫石沉積形成的沖刷面，沉積構造以塊狀層理為主（圖2b）。

圖2 辮狀河心灘發(fā)育特征圖

通過統(tǒng)計盒1段野外剖面及實際鉆遇情況分析認為，心灘的形態(tài)主要受古地貌坡度的影響，坡度越大，心灘長寬比越大，坡度越小，心灘長寬比越?。▓D3a、圖3b）。

圖3 心灘形態(tài)參數與古地貌坡度相關性分析圖

盒1段沉積時期盆地內地貌坡度較為平緩，在低緩的伊陜斜坡上，由北向南依次發(fā)育沖積扇—沖積平原辮狀河—內陸湖盆辮狀河三角洲沉積體系，其沉積碎屑物主要源自盆地北部的阿拉善和陰山古陸，盆地物源中—東部沉積物主要受陰山古陸的影響［12］。在盆地基底形成初期，由于基準面抬升，盆地中部的古隆起受到海侵作用從而被海水淹沒，僅在盆地北緣公卡漢地區(qū)未被海水淹沒而露出海面呈島狀。二疊紀早期至三疊紀晚期，盆地從海相轉變?yōu)殛懴?，盆地北緣古隆起逐漸消失，全區(qū)進入廣覆型補償沉積時期［13］。從公卡漢凸起向南地層厚度逐漸增厚，越往北部則太原組、山西組及部分下石盒子組沉積地層依次缺失。采用印模法恢復盆地北緣前石炭系古地貌圖，并依據古地貌特征，可以劃分為凸起、洼地、斜坡、溝谷4種古地貌單元［14-15］（圖4）。研究區(qū)主要位于古地貌的斜坡單元上，不同斜坡部位的坡度有所差異，古地貌坡度不同造成了水動力的差異［16］，由此心灘表現出不同的特征。在古地貌坡度相同的東西方向，由于物源供給碎屑物的不同，①號扇體、②號扇體、③號扇體規(guī)模不同，②、③號扇體物源碎屑物供給充足，扇體與心灘規(guī)模較大。在南北向古地貌坡度相近的情況下，北部心灘比南部心灘粒度更粗、厚度更大。由上述可知，古地貌控制了心灘形態(tài)，物源控制了心灘規(guī)模。

圖4 盆地北緣盒1段沉積期古地貌圖

3 心灘砂體定量刻畫

河流地質學與地貌研究表明，水動力條件控制河道心灘的形態(tài)［17］，而古地貌坡度是影響水動力大小的一個主要因素。同一地區(qū)不同古地貌坡度的心灘規(guī)模差異較大，古地貌坡度越大，心灘形態(tài)主要呈“瘦長”型，古地貌坡度越小，心灘形態(tài)主要呈“短胖”型。利用地質統(tǒng)計學方法對賈木納河上游辮狀河段不同地貌坡度條件下的心灘規(guī)模進行統(tǒng)計分析，建立了地貌坡度與心灘長寬比等參數的定量關系?；谙嚓P性研究，利用古地貌坡度并結合心灘厚度對心灘的規(guī)模進行定量計算。

由于地下地質體經過長期壓實，筆者通過壓實校正恢復計算出原始沉積期單期心灘厚度。依據古地貌刻畫成果，明確古地貌坡度，進一步計算出地下心灘寬度和長度。通過文獻調研及相關性分析（圖5），筆者總結出4個心灘形態(tài)計算公式：

圖5 心灘定量計算參數示意圖

式中，W為心灘寬度，m；h為壓實校正后的心灘厚度，m。

式中，H為壓實校正前的心灘厚度，m。

式中，K為心灘長寬比；Hd為坡降，m／100 m。

式中，Y為心灘長度，m。

盒1段地形坡降較大，為1.3～1.8 m／100 m，主要發(fā)育沖積扇沉積體系，沖積扇單期心灘砂體厚度介于2～9 m，單期心灘砂體寬度介于53～352 m，隨著古地貌坡度的增大，心灘平面形態(tài)及規(guī)模也逐漸增大。研究區(qū)南部盒1段地形坡降較小，為0.8～1.0 m／100 m，主要發(fā)育沖積平原辮狀河沉積體系，單期心灘砂體厚度介于4～7 m，沖積平原上單期心灘砂體寬度介于102～247 m（表1）。

表1 研究區(qū)盒1段心灘規(guī)模參數統(tǒng)計表

根據切河道實鉆水平段統(tǒng)計，研究區(qū)心灘寬度介于150～350 m，砂體厚度介于4～7 m，寬厚比為50～75，與計算結果相同。心灘規(guī)模定量化研究與物探儲層預測相結合確定心灘規(guī)模及疊置模式，心灘預測符合率從72%提高到93%，實現了研究區(qū)內心灘砂體的精確刻畫，提高了優(yōu)質儲層鉆遇率，實現了氣藏的高效開發(fā)。

4 結論

1）通過對不同沉積相帶典型井進行垂向沉積序列精細描述，建立了盒1段北部沖積扇—過渡帶—南部沖積平原辮狀河沉積模式。明確了北部以沖積扇為主，南部發(fā)育沖積平原辮狀河，中間過渡帶兼具有南北部的綜合特征。不同沉積相帶發(fā)育不同的沉積特征、巖石相及測井相。

2）古地貌控制了心灘的形態(tài)，物源控制了心灘的規(guī)模，在心灘砂體厚度一定的條件下，古地貌坡度越大，心灘長寬比越大，古地貌坡度越小，心灘長寬比越小。不同古地貌坡度造成了碎屑物粒度、沉積構造、礫石結構、砂地比、單期旋回厚度方面的顯著差異。

3）利用地質統(tǒng)計學方法建立了古地貌坡度與心灘規(guī)模的相關關系，通過公式法定量計算心灘長度、寬度、厚度與長寬比，精細刻畫心灘展布形態(tài)，提高了儲層鉆遇率，實現了氣藏的高效開發(fā)。