苏里格气田东二区二叠系山西组山2段沉积相特征及演化

吴小宁，李进步，赵忠军，王 龙，朱亚军，付 斌，罗文琴，吴小斌

0 引言

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡西北部，属于典型的多层系致密砂岩气藏，二叠系山西组山2段是主要含气层之一［1－3］。东二区位于气田东北部，总面积约4 100 km2，包含北部的苏77，召51，统33区块及南部的召30～召探1区块(图1)，该区山2段具有较好的开发潜力，然而尚未对其沉积相特征开展系统研究，一定程度上制约了山2储层展布规律认识及气藏整体评价。

沉积相是储层及富集区展布规律研究的基础，前人在气田沉积相方面研究工作及成果认识主要集中在以下方面:一是通过岩石学特征及测井相分析，明确了盒8、山1沉积期苏里格气田总体为河流－三角洲沉积体系［4－7］;二是着眼于全盆地范围，通过区域探井及露头资料研究山2段沉积环境及沉积相类型［8－11］;三是针对具体开发区块，利用钻、录井及测井资料，研究区块内山2沉积相类型及展布特征［12－15］。

由于山西组沉积期盆地整体处于海退背景下的海陆转换关键时期，其沉积相研究比单一海相或陆相难以进行，前人对气田山2段沉积相研究成果覆盖了海陆交互相(障蔽砂坝体系)［16－18］、海陆过渡相(三角洲体系)［19－21］和陆相(冲积河流体系)［22］3大类沉积环境。李良等通过岩性组合特征研究认为，盆地北部为陆相河流沉积体系，发育陆相网状河砂岩和湖沼相泥岩、煤层［12］;朱红涛等依据野外露头、岩芯描述、地震等资料研究认为，盆地北部山2段沉积期主控沉积相带是河流体系［13］;邢厚松等通过露头分析和岩芯观察，认为盆地中东部山2段为砂质辫状河－浅水三角洲沉积体系［14］;陈洪德等根据地层与古生物、沉积构造对盆地山西组沉积相进行研究，认为山西组沉积期为陆表海背景下的海陆过度沉积演化阶段，发育大面积分布的海陆过渡三角洲体系［15］;单敬福等利用岩芯、测井、薄片等资料研究，认为苏东区块山2发育洪泛曲流河沉积体系［20］;赵荣华等通过岩芯研究，认为苏77区块山西组为冲积扇外扇沉积环境［19］。

表1 前人对苏里格气田东区沉积相研究成果Tab．1 Previous research results of sedimentary facies in east of Sulige Gasfield

前人对山2段沉积微相提出的各种观点存在一定分歧(见表1)，不能有效指导该区砂体及有效储层展布规律研究。在前人研究基础上，运用研究区20余口取芯井岩芯观察及分析化验资料、700余口完钻井测、录井资料，通过相标志识别、单井相分析、相剖面对比等研究手段，对东二区山2段沉积微相进行识别，提出了东二区山2段为辫状河与曲流河过渡区域，并阐述了辫状河与曲流河具体的沉积特征、展布规律以及山2沉积期2种沉积相带的转变方式、转变位置，对该区山2段储层综合评价具有一定指导作用。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地晚古生代晚石炭世开始整体下沉，华北海和祁连海分别从东西两侧进入，盆地结束了长达1．4亿年的沉积间断，之后经历了海相沉积为主的陆表海盆地、海陆过渡相沉积为主的近海湖盆以及陆相碎屑岩沉积为主的内陆坳陷湖盆的古地理演化过程［14－15］。自下而上发育了上石炭统本溪组、下二叠统太原组和山西组、中二叠统下石盒子组和上石盒子组、上二叠统石千峰组。其中，山西组以“北岔沟砂岩”之底为底界，以“骆驼脖砂岩”的底为顶界，自下而上可划分为山2段与山1段，山2段厚度35～50 m，根据岩性和沉积旋回等特征细分为山32、山22及山12，3个小层均具有下粗上细的正旋回特征。受幕式构造运动间歇、古气候、古地貌、物源供给和湖平面升降等多重因素控制，山西组沉积期盆地北部自北向南水动力条件呈逐渐减弱的趋势［15］。

2 主要相标志

图1 苏里格气田东二区构造位置及区内井位Fig．1 Tectonic location and well sites in the East 2 block of Sulige Gasfield

相标志是最能反映沉积相的特征标志，包括岩石学特征(颜色、组份、结构、构造、岩石类型及其组合)、古生物特征及地球化学特征等。沉积岩的结构及原生构造特征能够反映沉积时期水动力条件，如介质的性质、水深、流动状态、流向等，物质组成和古生物特征则可以反映古气候及物源等特征。通过大量的岩芯观察描述、岩石薄片分析鉴定、扫描电镜测试以及对测井资料的综合研究，总结了研究区山2段主要的相标志。

2.1 岩石学特征

山2段地层主要发育灰白色岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、灰色泥质砂岩、含碳质的深灰色泥岩、灰黑色泥岩及薄煤层，代表河流相沉积环境。砂岩岩屑含量平均23%，碎屑粒度中到粗粒，分选较差，颗粒多呈次棱－棱角状，结构成熟度较低，反映近物源沉积特征;颗粒较粗，反映强水动力环境。砂砾岩颜色多为浅灰绿色、灰白色，反映沉积时古气候为半干旱－潮湿气候，沉积环境主要为弱还原－还原环境。泥岩颜色主要是深灰－灰黑色、褐灰色、浅灰－灰色及杂色，反映沉积环境主要为还原环境;偶见紫红色泥岩与灰绿色泥岩互层发育，表明沉积时期水位变化频繁。

表2 苏里格气田东二区砂岩组份特征Tab．2 Sandstone compositions of of Shanxi Formation in the study area %

研究区岩石学特征整体符合河流相沉积，然而区内北部与南部在岩石碎屑成分、粒度、面孔率、砂岩物性等方面也存在明显的差异。如图2所示，研究区北部储层以石英砂岩、岩屑石英砂岩为主，平均面孔率4．2%，孔隙度7．9%，渗透率1．09 mD;至研究区南部，砂岩中石英颗粒含量减少，面孔率、储层物性均呈逐渐降低趋势;碎屑岩粒径与水动力条件为正相关，研究区11口井35组样品粒径资料表明，北部碎屑颗粒粒径分布在0．7～6．0 mm之间，平均1．5 mm，研究区南部粒径明显变下，主要分布在0．5～1．0 mm 之间(图3);上述南、北部岩石学特征差异明显反映出研究区由北向南水动力条件逐渐减弱。

2.2 沉积构造特征

根据20余口取芯井岩芯观察，研究区出现的沉积构造主要有层面构造和层理构造(图3)。其中层面构造主要为砂岩层面上的冲刷面及槽模;层理构造较发育，主要有水平层理、脉状层理、交错层理、块状层理、平行层理和冲刷面等，单个层内普遍具有正粒序特征，正如文献4所述，上述沉积构造特征均反映该区山2段为典型的河流相沉积。

图2 苏里格气田东二区南、北部岩石特征对比Tab．2 Correlation of rock characteristics between the south and north of the study area

交错层理是研究区砂岩中最为发育的层理，其中楔状交错层理层系界面平直但不平行，层系厚度变化如楔状，常出现在研究区的辫状河道、冲积扇的辫状沟道等沉积相中(图4(a));槽状交错层理层系底界为槽形冲刷面，纹层在顶部被切割，常出现在辫状河道、冲积扇辫状沟道及曲流河道等沉积相中(图4(b));砂纹交错层理层系厚度一般小于5 cm，是在水动力条件较弱的条件下形成的，多见于河流边滩、决口扇等沉积微相(图4(c))。脉状层理俗称“砂包泥”，砂质碎屑较充分，泥质呈脉状分布于砂岩的波谷中，反映水动力条件较强(图4(d));平行层理一般出现在中细砂岩及粗砂岩中，形成于较强水动力条件下，发育在辫状河心滩及曲流河边滩等沉积环境中(图4(e));水平层理常见于泥岩和粉砂岩中，单层厚度小，纹层相互平行并平行于层面，常形成于低能环境的低流态及物质供应不足的情况下，主要发育于辫状河的泛滥平原和曲流河的天然堤、决口扇等沉积环境中;砂体底部大型底冲刷构造也较为发育，冲刷面起伏不平(图4(f))，石英砾石组成定向排列的构造指示了单向水流的特征，进一步表明研究区为河流相沉积特征。

图3 北部与南部平均粒径对比Fig．3 Line graph of average particle size between the south and north of the study area

2.3 古生物特征

研究区砂岩中动物化石不发育，含有较多的炭屑;泥岩中含较多的植物化石，据80余块泥岩样品观察，其中23块样品中发现了植物茎杆和植物叶片等印模化石，代表河流泛滥平面沉积亚相，反映沉积期发育漫滩沼泽沉积环境(图5)。

2.4 测井相特征

由于岩芯资料的有限性及不连续性，区块范围内沉积相特征研究常借助测井资料进行。测井曲线形态定性地反映了地层的岩性、粒度和泥质含量等的变化，与沉积环境和沉积物特征之间有着密切的关系，因此将测井曲线的形态与地层沉积特征相结合，可以确定地层的沉积环境，并进行沉积微相划分。

通过研究区700余口井测井曲线统计分析，山2段测井曲线形态主要有以下5种类型:①中高幅齿化箱形，GR值较小(25～50 API)，厚度8～15 m，一般多呈微齿状箱形，整体显正韵律特征，顶底常突变接触;②中－高幅漏斗形，GR值表现出明显的向上降低的趋势，曲线多以齿状为主;③中高幅指状，形似指状，GR值一般大于80 API，厚度3～5 m，曲线以中幅度为主，顶底均呈渐变接触关系;④低幅平滑形，GR值较大，通常大于120 API，底部渐变接触，顶部突变接触;⑤高幅钟形，GR曲线从下到上逐渐升高，曲线常齿化，底部呈突变接触。各测井相曲线类型特征如图6所示，结合岩芯观察对测井曲线进行标定，上述5种测井曲线特征分别为辫状河道、心滩，曲流河决口河道、漫滩、边滩沉积微相。

图4 苏里格气田东二区山2沉积构造特征Fig．4 Characteristics of the sedimentary structures in the second member of Shanxi Formation Sulige Gasfield(a)楔状层理Z49井细砾岩3 064．46 m (b)槽状交错层、裂缝Z49井3 068．74 m(c)砂纹层理Z51井2 913．64 m(d)脉状层理SD35－X井3 060．11 m (e)平行层理SD24－X井3 056．61 m (f)冲刷面Z63井2 912．73 m

3 沉积相类型及特征

如前所述，山西组沉积期盆地整体处于海退背景下的海陆转换沉积环境，物源为北部的阴山一带，东二区北部离物源较近，南部相对较远。本次研究在前人对盆地山西组沉积环境研究基础上，通过上述大量沉积相标志及测井相研究，识别出研究区山2段地层主要发育辫状河与曲流河2种沉积相类型。

图5 苏里格气田东二区山2地层古生物记录Fig．5 Palaeontologic record in the second member of Shanxi Formation in eastⅡ block，Sulige Gasfield

图6 苏里格气田东二区山2测井相类型及特征Fig．6 Types and characteristics of logging facies in the second member of Shanxi Formation in eastⅡ block，Sulige Gasfield

3.1 北部辫状河沉积

研究表明东二区北部发育辫状河沉积，主要微相类型包括河心滩、辫状河道、滞留沉积、泛滥平原及泥炭沼泽等。其中心滩沉积物以粗砂岩、中砂岩为主，发育平行层理和板状交错层理;辫状河道沉积以浅灰色、灰白色细砾岩、含砾粗砂岩和粗砂岩、中砂岩为主，发育楔状交错层理;河道滞留沉积以含砾砂岩为主，发育块状层理;泛滥平原以深灰色、浅灰绿色、杂色泥岩和浅灰白色粉－细砂岩为主，可见植物碎片化石和炭屑，层理结构不发育，泥炭沼泽主要发育黑色煤层。

该区辫状河河道沉积物以砂质为主，砾石含量少于10%，并多以分散装、透镜状出现在单个沉积旋回的底部，很少成层出现;砂层中板状、楔状、槽状等交错层理发育;在同一辫状河沉积层序中，上部的层序通常对下部层序的顶部造成冲刷，使其上部的细粒沉积物保存不全或者完全被冲刷。根据于兴河提出的河流体系结构－成因分类方案，结合前人对鄂尔多斯盆地辫状河露头观察特征，上述沉积特征为典型的砂质辫状河沉积特征，明显区别于砾石质辫状河。结合前人对山西组沉积物源的研究成果，进一步明确东二区北部辫状河类型属于近源砂质辫状河沉积。

3.2 南部曲流河沉积

研究区南部相对北部而言离物源较远，前文岩石学特征研究也表明水动力条件相对减弱，沉积相标志也表明该区主要发育曲流河沉积，微相类型主要有边滩、河道充填、漫滩及天然堤。与北部辫状河沉积相比，南部曲流河河道砾石含量明显减少，粒度变细，岩性以浅灰色、灰白色含砾砂岩和中－粗砂岩、细砂岩为主，细砾岩和砂岩中可见炭屑。河道充填及边滩微相普遍发育楔状交错层理、板状交错层理和平行层理。河漫滩沉积以深灰色、浅灰白色、杂色泥岩和深灰色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，并有少量浅灰绿色、灰白色中细砂岩，可见植物碎片化石和炭屑，层理不发育，主要为牛轭湖、漫滩沼泽沉积;决口扇和天然堤沉积微相以粉砂岩和中－细砂岩为主，发育平行层理。

4 沉积相垂向配置特征

在山2段地层精细划分对比及单井相分析的基础上，通过沉积序列及沉积相对比剖面研究表明，研究区南、北部沉积微相垂向配置特征差异明显。北部发育辫状河道－河漫滩沉积序列，心滩及辫状河道沉积微相发育，受河道迁移、冲刷影响，泛滥平原不发育，垂向上“砂包泥”特征明显(图7);南部发育曲流河河道－河漫滩沉积序列，曲流河“二元结构”特征明显，单期河道沉积中，自下而上沉积物粒度逐渐变细(图8)。以研究区西部Z10～Z50井沉积相剖面图为例(图9)，该剖面近南北向展布，剖面位置如图10所示，在山32沉积期，Z50井～S77－15－X井之间砂体垂向叠置发育，平面连续性较好，辫状河心滩沉积发育;至SD29－X井南部区域，砂体规模变小，揭示水动力条件减弱，主要为孤立的曲流河边滩及河道砂体。自山32至山12沉积期，辫状河与曲流河沉积相带过渡位置逐渐北移，山22沉积期辫状河与曲流河相带过渡位置在SD18－X～S77－4－X之间，至山12沉积期，相带过渡位置向北迁移至S77－4－X～S77－15－X井之间。总体而言，研究区北部山2沉积期沉积序列整体为辫状河沉积，南部为曲流河沉积，中间过渡带具有底部辫状河而上部曲流河的沉积 特征。

图8 曲流河沉积微相垂向剖面(SD35－X井)Fig．8 Vertical profile showing meandering river(well SD35 － X)

5 沉积相平面特征及时空演化

以单井相和连井剖面相分析为基础，结合砂体厚度特征，在砂/地比值等值线图基础上编制了研究区3个小层沉积微相平面展布图，分析了各沉积期沉积相带平面展布情况。

图9 苏里格气田东二区Z10～Z50连井沉积相剖面(南北向)Fig．9 A sedimentary section through Z10 ～ Z50 well of the second member of Shanxi Formation Sulige Gasfield

南部与北部最大的差异在于河道呈南北向条带状展布。由于水动力减弱及陆源碎屑物质供给减少，辫状河的复合河道分叉或收窄，主河道曲率增加，泥质沉积增多，砂地比值降低至0．2～0．4之间，复合河道宽度1～2 km，河道逐渐转变为曲流河沉积特征。河道及河漫滩均发育，主要发育边滩、河道充填、漫滩、牛轭湖等沉积微相。由于曲流河河道的侧向侵蚀作用造成砂质沉积物不断向凸岸堆积，造成河道弯曲度不断加大，在洪水期河道发生截弯取直，造成原先河道的废弃，废弃河道常形成牛轭湖沉积。

图10 苏里格气田东二区山2段沉积相平面展布Fig．10 Sedimentary facies distribution of the second member of Shanxi Formation Sulige Gasfield

6 结论

1)苏里格气田东二区山2段具备典型的河流相沉积特征，砂岩以灰白色岩屑砂岩及岩屑石英砂岩为主，岩屑含量高，结构成熟度低，沉积构造主要发育各种交错层理，单个层序具正粒序特征，底部普遍发育冲刷面;泥岩以深灰－灰黑色为主，富含植物茎杆和植物叶片等印模化石。研究区由北向南，砂岩中石英颗粒含量、碎屑颗粒粒度、面孔率、砂岩物性呈现逐渐降低的趋势;

2)东二区北部为近源砂质辫状河沉积，南部为曲流河沉积。北部辫状河沉积主要发育心滩、辫状河道、泛滥平原、洪漫沼泽等沉积微相;南部曲流河沉积主要发育边滩、河道充填、漫滩、牛轭湖等沉积微相。北部辫状河与南部曲流河的分界位置在山32～山12沉积期由南往北不断迁移，山32沉积期分界位置在乌审召以南约10 km处，山22沉积期分界位置在乌审召附近，至山12沉积期分界位置北移至乌审召以北约10 km处。

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