鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組沉積特征

魏嘉怡，王紅偉，劉 剛，李 涵，曹 茜

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安 710018）

0 引言

鄂爾多斯盆地作為我國(guó)的大型含油氣盆地之一，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源［1-3］。其西緣沖斷帶由于構(gòu)造類型多樣、油氣成藏條件復(fù)雜［4-6］，長(zhǎng)期以來(lái)成為油氣勘探和地質(zhì)研究的焦點(diǎn)地區(qū)。以往研究人員對(duì)鄂爾多斯盆地西緣進(jìn)行過大量的野外剖面觀察，證實(shí)了羊虎溝組地層較厚，烴源巖條件優(yōu)越，具備源內(nèi)致密儲(chǔ)層成藏潛力大的特征［7-8］。忠6 井在羊虎溝組試氣獲2 052 m3/d 的低產(chǎn)氣流［9］，揭示了羊虎溝組具有較大的源內(nèi)致密氣成藏潛力，是未來(lái)非常規(guī)氣勘探的有利目標(biāo)區(qū)帶。

油氣的分布及沉積體系與古地理環(huán)境具有密不可分的關(guān)系［10-12］，沉積相特征及環(huán)境演化的研究對(duì)于尋找油氣分布有利區(qū)、明確下一步油氣勘探的方向具有重要意義。由于研究范圍的局限性以及對(duì)沉積模式認(rèn)識(shí)的差異，不同學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組砂體成因與沉積體系的認(rèn)識(shí)有所不同。大部分學(xué)者認(rèn)為羊虎溝組主要發(fā)育潮控三角洲和障壁海岸沉積體系［13-14］，也有學(xué)者認(rèn)為還發(fā)育淺海陸棚和扇三角洲沉積體系［15］。受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，鄂爾多斯盆地西緣沉積環(huán)境變化頻繁，對(duì)羊虎溝組砂體的形成和沉積過程認(rèn)識(shí)不清，從而制約著羊虎溝組未來(lái)的勘探開發(fā)進(jìn)程［16］。前期對(duì)羊虎溝組沉積環(huán)境與沉積相帶的研究多限于野外地質(zhì)露頭［17-18］，缺乏鉆井沉積相帶的分析資料。本次研究根據(jù)鄂爾多斯盆地西緣韋州—石溝驛向斜區(qū)忠1、忠6、韋參1 井等資料，在綜合分析羊虎溝組鉆井、錄井、測(cè)井及地震資料的基礎(chǔ)上，應(yīng)用巖石學(xué)、微量元素、古生物、地球化學(xué)等資料，對(duì)羊虎溝組沉積相特征和展布規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期對(duì)該區(qū)羊虎溝組勘探潛力的評(píng)價(jià)提供一定依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶地處阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊及祁連—秦嶺褶皺帶三大構(gòu)造單元交匯處［19-20］，疊置于華北克拉通西部與賀蘭山坳拉槽上（圖1a）。構(gòu)造帶為一近南北向展布的狹長(zhǎng)條帶，長(zhǎng)約600 km，寬約50～100 km，面積約15 000 km2［21-22］。受祁連—秦嶺造山帶被動(dòng)大陸邊緣與阿拉善古陸活動(dòng)大陸邊緣的共同影響，羊虎溝組沉積期鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶屬于祁連海域，為一受南北擠壓、西部拉張的裂陷盆地［23-24］。韋州—石溝驛向斜分別位于韋州沖斷席、石溝驛沖斷席2 個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元（圖1b）。韋州沖斷席位于韋州—安國(guó)斷裂和青龍山—平?jīng)鰯嗔阎g，呈現(xiàn)為一復(fù)式向斜，軸向?yàn)榻北蔽飨颉Ｊ瘻象A沖斷席夾持于西側(cè)的青龍山—平?jīng)鰯嗔押蜄|側(cè)的惠安堡—沙井子斷裂之間，斷距大，向斜特征為東翼緩西翼陡，軸向?yàn)楸蔽鳌北蔽飨颉１敬窝芯康闹攸c(diǎn)探井忠1、忠6 井位于石溝驛向斜西翼，韋參1井位于韋州向斜東翼。

圖1 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶構(gòu)造位置（a）及井位分布（b）Fig.1 Structural location（a）and well location distribution（b）in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

研究區(qū)地質(zhì)露頭及鉆井揭示，羊虎溝組地層厚度為400～600 m，發(fā)育巨厚的煤系地層，向西沉積厚度增大，巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰色細(xì)砂巖為主，夾黑色煤層和灰?guī)r。其中羊虎溝組上部暗色泥巖發(fā)育微孔、微裂縫，與煤層形成自生自儲(chǔ)的成藏組合（圖2），下部暗色泥巖以生油氣層為主?；疑?xì)砂巖為儲(chǔ)層，泥晶灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r為蓋層。

2 羊虎溝組沉積相標(biāo)志

沉積環(huán)境不同，對(duì)應(yīng)的沉積相標(biāo)志也不同。正確劃分沉積相并剖析相標(biāo)志是研究沉積體系演化的基礎(chǔ)［25-27］。

2.1 巖石學(xué)特征

鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、煤層為主，夾薄層砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，單層砂體厚度為1～26 m，砂地比為16%～26%。深灰色泥巖有機(jī)碳含量較低，炭質(zhì)泥巖、煤層的有機(jī)碳含量較高，煤巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）平均為73.10%，暗色泥巖TOC為0.30%～31.81%，平均為4.67%。砂巖顏色以淺灰色、灰褐色為主，細(xì)—中粒，沉積構(gòu)造發(fā)育類型較多，主要發(fā)育層理構(gòu)造，包括水平層理、平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、波狀交錯(cuò)層理、沖洗交錯(cuò)層理，局部可見波痕。水平層理反映沉積環(huán)境比較穩(wěn)定，水動(dòng)力較弱，指示深水地帶。與水平層理相比，平行層理的巖石顆粒較粗，砂層幾乎水平且彼此平行。交錯(cuò)層理形成于水動(dòng)力強(qiáng)、流水強(qiáng)弱交替出現(xiàn)的環(huán)境中，水流攜帶物質(zhì)粒度較小且均勻，由一系列斜交于層系界面的紋層組成，層系內(nèi)結(jié)構(gòu)和成分均勻，各層系彼此交錯(cuò)、切割、重疊或組合出現(xiàn)（圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組巖石學(xué)特征Fig.3 Petrological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

自生礦物具有良好的指相性。蘇峪口、烏達(dá)、雀兒溝露頭剖面和韋參1 井巖心普遍發(fā)育黃鐵礦（圖3h）、菱鐵礦（圖3i）、鈣質(zhì)結(jié)核、鐵質(zhì)結(jié)核，尤其是黃鐵礦和菱鐵礦結(jié)核共生，揭示研究區(qū)及鄰區(qū)羊虎溝組泥巖可能形成于相對(duì)封閉、水流不暢和缺氧的還原環(huán)境。菱鐵礦一般呈致密塊狀、球狀、結(jié)核體，顏色多為黃白色，經(jīng)風(fēng)化作用后常變?yōu)楹稚蚝趾谏?，黃鐵礦多呈條帶狀、球狀、晶體粒狀、球狀結(jié)核體產(chǎn)出。

2.2 古生物化石標(biāo)志

生物遺跡化石的形態(tài)、遺體化石保存的產(chǎn)狀和完整程度均可反映沉積時(shí)的水動(dòng)力條件及環(huán)境。在忠6、韋參1 井羊虎溝組巖心和雀兒溝露頭剖面，可見植物碎片化石和炭化的植物莖稈，多與灰黑色泥巖、深黑色炭質(zhì)泥巖伴生，表明當(dāng)時(shí)沉積水體較淺或短時(shí)間出露地表，反映出陸相沉積環(huán)境特征。煤線在西緣沖斷帶也較為發(fā)育，手感較輕，污手，多為沼澤環(huán)境沉積產(chǎn)物。在呼魯斯太、烏達(dá)、雀兒溝露頭剖面見到的海相腕足類化石（海百合、貝殼化石）揭示研究區(qū)羊虎溝組形成于海陸過渡相沉積環(huán)境（圖4）。

圖4 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組古生物化石及孢粉特征Fig.4 Paleontological fossils and palynological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

對(duì)研究區(qū)巖石樣品進(jìn)行孢粉鑒定，結(jié)果表明研究區(qū)樣品中幾乎全為蕨類植物孢子，體積分?jǐn)?shù)為98.19%～100.00%，平均為99.10%，裸子植物花粉貧乏，體積分?jǐn)?shù)為0～1.81%，平均為0.90%。蕨類植物孢子以無(wú)環(huán)三縫孢類占優(yōu)勢(shì)（圖4d—4h），主要為光面三縫孢、圓形光面孢、三角粒面孢、圓形粒面孢、圓形塊瘤孢、三角錐刺孢，其次為具環(huán)三縫孢類（圖4i，4j），常見厚角孢、套環(huán)孢。裸子植物花粉僅見零星的單氣囊類波脫尼粉（圖4k）、弗氏粉和單溝類的蘇鐵粉。孢粉植物群喜溫暖潮濕，以真蕨綱、種子蕨綱、石松綱以及楔葉綱植物為主。通過孢粉分析可知，研究區(qū)羊虎溝組沉積時(shí)的古氣候?qū)贉嘏睗駳夂颉?/p>

2.3 地球化學(xué)標(biāo)志

在推斷沉積巖演化過程和形成環(huán)境中，微量元素的靈敏性很高，各類微量元素指標(biāo)是記錄沉積巖演化過程的有效參數(shù)［28-30］。

以忠6 井為例，選用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組的Sr/Ba，Sr/Cu，V/（V+Ni）值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。結(jié)果表明，靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組自下而上湖盆水體鹽度逐漸增大，古氣候從早期的溫濕氣候向干熱氣候過渡，沉積環(huán)境由早期的氧化環(huán)境向中、晚期的氧化—還原環(huán)境過渡（圖5）。為了剔除巖性影響，選擇巖性一致的泥巖層進(jìn)行古水深研究，采用水深計(jì)算函數(shù)［31］對(duì)研究區(qū)相對(duì)水深值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組自下而上相對(duì)古水深由小變大，至羊虎溝組晚期發(fā)生快速水退。Th/U值顯示水體環(huán)境自下而上由早期的弱氧化向晚期的還原、強(qiáng)還原環(huán)境過渡。由圖5 可看出，靖遠(yuǎn)—羊虎溝期整體水體較淺，但變化比較頻繁，屬于典型的海陸過渡相沉積。

表1 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組微量元素判別指標(biāo)及樣品數(shù)據(jù)Table 1 Discrimination indexes of trace elements and sample data of Jingyuan-Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井石炭系靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組沉積環(huán)境判別指標(biāo)垂向變化Fig.5 Vertical variation of sedimentary environment discrimination index of Carboniferous Jingyuan-Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

2.4 測(cè)井相特征

砂體形成時(shí)的沉積環(huán)境不同，對(duì)應(yīng)的測(cè)井曲線形態(tài)則不同［32-35］。在區(qū)域沉積背景和忠1、忠6、韋參1 井巖心觀察以及單井相分析的基礎(chǔ)上，依據(jù)自然伽馬曲線的形態(tài)、幅度、光滑程度、組合特征，對(duì)韋州—石溝驛地區(qū)羊虎溝組測(cè)井相進(jìn)行分析，識(shí)別出箱形、鐘形、指形、尖峰形+鐘形、漏斗形、指形+漏斗形等6 種測(cè)井相類型（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組典型沉積相測(cè)井響應(yīng)特征Fig.6 Log response characteristics of typical sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

障壁砂壩自然伽馬曲線表現(xiàn)為箱形特征，曲線平緩、低幅、局部齒化，頂、底均為突變接觸；澙湖相自然伽馬曲線以低幅的尖峰形+鐘形組合為特征；砂坪表現(xiàn)為低—中幅齒化鐘形；泥坪以低—中幅齒化漏斗形為主；砂泥混合坪呈高幅指形+漏斗形；泥炭沼澤相自然伽馬曲線以中—高幅微齒化或光滑的指形為特征。

2.5 地震相特征

根據(jù)鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組地層發(fā)育特征，研究羊虎溝組主要沉積相的地震相特征。海灣相在地震剖面上表現(xiàn)為中—強(qiáng)振幅平行反射特征（圖7）；障壁島相在地震剖面上表現(xiàn)為中等—不連續(xù)振幅丘狀反射特征；澙湖相在地震剖面上表現(xiàn)為大時(shí)差強(qiáng)振幅連續(xù)平行狀反射特征；河口灣相在地震剖面上表現(xiàn)為向陸方向平行反射、向海方向可見前積反射特征；沼澤相在地震剖面上表現(xiàn)為強(qiáng)振幅較連續(xù)反射特征。五大沉積相組形成有利的“堡—島”體系，其中沼澤相、澙湖相是良好的生油氣相帶，障壁島、潮坪及河口灣相發(fā)育不同類型的砂體，有利于油氣儲(chǔ)集，澙湖、潮坪相廣泛發(fā)育的泥質(zhì)巖類可成為良好的蓋層。海灣相三面為古陸或潮坪所限，一側(cè)與淺海相通，水體相對(duì)較深，循環(huán)處于半開放—開放狀態(tài)，是以澙湖為主的港灣狀沉積環(huán)境。

圖7 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井石炭系羊虎溝組沉積相地震反射特征（地震測(cè)線位置見圖1b）Fig.7 Seismic reflection characteristics of sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3 沉積相類型

3.1 沉積相類型及分布特征

通過巖石學(xué)、古生物學(xué)、地球化學(xué)指標(biāo)、測(cè)井響應(yīng)、地震反射5 種相標(biāo)志綜合分析，對(duì)鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶沉積相發(fā)育類型進(jìn)行研究，將羊虎溝組劃分出3種沉積相及若干微相類型（表2）。三角洲相僅發(fā)育三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相，主要分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶北部和南部；障壁海岸相主要發(fā)育潮坪亞相、澙湖亞相、沼澤微相以及障壁砂壩微相，分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中部地區(qū)；濱淺海相發(fā)育濱岸平原亞相、濱海亞相、淺海亞相，主要分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶西部。羊虎溝組以混合沉積為主，發(fā)育三角洲—障壁海岸—濱淺海沉積體系，屬于典型的海陸過渡相沉積。

表2 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組沉積相劃分方案Table 2 Sedimentary facies division scheme of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3.2 單井沉積相劃分

在綜合分析相標(biāo)志、錄井、測(cè)井等資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合鉆井巖心的精細(xì)觀察與描述，對(duì)忠6 井進(jìn)行單井沉積相劃分（圖8），明確了忠6 井羊虎溝期早期海進(jìn)、晚期海退的反旋回沉積特征，總體表現(xiàn)為障壁島沉積體系。

圖8 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石溝驛地區(qū)忠6 井沉積相劃分柱狀圖Fig.8 Histogram of sedimentary facies division of well Zhong 6 in Shigouyi area on the western margin of Ordos Basin

羊虎溝組早期海進(jìn)，發(fā)育箱狀砂體及潮間粉細(xì)砂體，厚度較大，巖性以中—細(xì)粒砂巖為主，見植物碎片，屬于典型的障壁島相。向上相變?yōu)闈篮啵瑤r性以粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，偶夾薄層泥晶灰?guī)r，水體較安靜，自然伽馬曲線變?yōu)榧夥逍魏顽娦?。晚期海退，水體變淺，由澙湖相過渡為沼澤相，沉積厚煤層夾潮上灰黑色泥巖，表現(xiàn)為高自然伽馬特征，含氣顯示活躍。

4 沉積演化

4.1 平面展布特征

在單井沉積相研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相控及砂體厚度平面分布特征，認(rèn)為鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組呈現(xiàn)出障壁海岸背景下的障壁砂壩—澙湖—潮坪—邊緣小型三角洲的古地理格局（圖9）。研究區(qū)北部、西南部臨近古陸區(qū)發(fā)育小范圍的河流—三角洲相沉積，水下分流河道向淺海延伸。

鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中段地區(qū)羊虎溝組沉積以障壁海岸沉積體系為主，其中澙湖—潮坪沉積范圍最廣，其次是障壁砂壩。障壁砂壩長(zhǎng)軸多平行于海岸線，呈條帶狀、橢圓狀分布于澙湖—潮坪相內(nèi)，連續(xù)性較差。障壁砂壩受潮汐和海浪作用改造，發(fā)育沖洗交錯(cuò)層理、浪成波痕，顆粒分選性較好、磨圓度較大，是羊虎溝組的主要儲(chǔ)集體。澙湖是以潮汐通道與廣海呈半隔絕狀態(tài)的、分布在障壁島背后的淺水盆地，澙湖中水動(dòng)力低下，水體安靜，波浪作用弱，以化學(xué)沉積物和陸源細(xì)粒沉積物為主，巖性主要為灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥晶灰?guī)r。潮坪是隨潮水升降被交替淹沒或露出的沼澤化平地，按發(fā)育的巖石類型可分為泥坪、砂坪、混合坪，在鄂爾多斯盆地西緣中段分布范圍廣泛，巖性為灰色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖與灰黑色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖互層。

4.2 沉積相演化特征與勘探意義

以忠1、忠6、韋參1 井羊虎溝組柱狀沉積相剖面劃分為依據(jù)，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的砂體平面展布特征，對(duì)沉積相橫向展布特征進(jìn)行綜合分析。以韋參1—忠6—忠1 井靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組沉積相連井剖面為例，該沉積相剖面為近南北走向。自南向北，羊虎溝組地層厚度變化較小，靖遠(yuǎn)組地層厚度逐漸增大，靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組在縱向上發(fā)育海灣—潮坪—障壁島—澙湖—沼澤相的海進(jìn)—海退旋回變化（圖10）。

近年來(lái)，鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井分別在靖遠(yuǎn)組、羊虎溝組中部的潮道砂巖、障壁砂壩砂體鉆遇天然氣，但因儲(chǔ)層致密未取得理想的試氣效果。借鑒煤層氣、頁(yè)巖氣儲(chǔ)層改造思路，忠6 井在羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段試氣獲2 052 m3/d低產(chǎn)氣流，突破沖斷帶上盤出氣關(guān)；韋參1 井在相應(yīng)層段顯示含氣。由此揭示，羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段分布連續(xù)且穩(wěn)定，含氣異常明顯，煤巖、暗色泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴條件優(yōu)越，同時(shí)泥巖發(fā)育微孔、微裂縫，形成自生自儲(chǔ)的有利成藏組合，具有源內(nèi)致密氣的規(guī)模成藏潛力。隨著勘探的進(jìn)一步深入，鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶上盤石炭系有望成為未來(lái)非常規(guī)氣勘探的有利層系。

5 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質(zhì)泥巖、煤層為主，夾薄層泥質(zhì)粉砂巖、砂巖。羊虎溝組形成于海陸過渡相沉積環(huán)境，沉積時(shí)的古氣候?qū)儆跍嘏睗駳夂?。靖遠(yuǎn)組—羊虎溝組湖盆水體鹽度自下而上逐漸增大，古氣候從早期的溫濕氣候向干熱氣候過渡，沉積環(huán)境由早期的氧化環(huán)境向中、晚期的氧化—還原環(huán)境演變，相對(duì)古水深由小變大，至羊虎溝組晚期沼澤沉積時(shí)發(fā)生快速水退。

（2）鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組以混合沉積為主，發(fā)育三角洲—障壁海岸—濱淺海沉積體系，屬于典型的海陸過渡相。韋州—石溝驛地區(qū)發(fā)育澙湖—障壁島沉積相帶，總體可分為兩大區(qū)域性海進(jìn)、海退旋回，下部海進(jìn)旋回以海灣—潮坪沉積為主，上部海退旋回以三角洲沉積為主。

（3）鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝期沉積水體較淺，周邊發(fā)育三角洲，內(nèi)部障壁砂壩較發(fā)育，形成有利沉積相帶，垂向上靖遠(yuǎn)—羊虎溝期發(fā)育海灣—潮坪—障壁島—澙湖—沼澤相的區(qū)域海進(jìn)—海退旋回變化。忠6、韋參1 井勘探發(fā)現(xiàn)證實(shí)，羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段分布連續(xù)且穩(wěn)定，含氣異常明顯，發(fā)育自生自儲(chǔ)成藏組合，具備源內(nèi)致密氣規(guī)模成藏潛力，沖斷帶上盤向斜區(qū)石炭系有望成為未來(lái)非常規(guī)氣勘探的有利層系。