鄂尔多斯盆地榆林气田山二段沉积微相及砂体展布规律

崔 璀，郑荣才，张建武，屈亚龙，王昌勇

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石油 长庆油田分公司 超低渗透油藏研究中心，西安710018）

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是一个复合克拉通性质的盆地，具有多构造体制、多演化阶段、多沉积体系、多原型叠加的特征。根据现代构造形态，盆地可划分为6个一级构造单元，从南到北、由西至东依次为渭北隆起、西缘逆冲带、天环拗陷、陕北斜坡、晋西挠褶带和伊盟隆起（图1）。盆地总体表现为一宽缓西倾的大单斜构造，其边部构造发育，地层倾角不足1°，千米坡降7～10m。榆林气田位于该盆地东北部，构造上属于大型平缓西倾的伊陕斜坡东偏北部，坡降仅为6m／km，以结构简单、平稳沉降和构造稳定为特征［1］。这种稳定的构造背景为鄂尔多斯盆地上古生界气田的形成和保存创造了良好条件［2］。

晚石炭世早期，鄂尔多斯盆地受祁连—中亚海槽拉张和盆地区域性拗陷沉降影响，在奥陶系加里东侵蚀面上开始接受石炭纪本溪期和二叠纪太原期海相沉积。在经历2期沉积之后，于华力西末期海水在南北海槽再度夹击对挤作用下退出该区，早二叠世太原期海相沉积从而结束，旋即进入早二叠世山西期海－陆交互相和中二叠世下石盒子期陆相沉积演化历史，形成下二叠统山西组－石盒子组含气层系［3，4］。位于山西组下部的第二段（简称“山二段”）属于海相三角洲含煤碎屑岩建造，其底与下伏滨、浅海相的太原组呈平行不整合接触，其顶与上覆河流相的山一段呈大型底冲刷接触关系，本身属于海相三角洲沉积体系，厚度为90～120m（图2）；地层分布具有东—西向厚度变化较大，而南—北向较稳定的特点。山二段为榆林气田主力产层［5］，储层主要为海相三角洲平原－前缘亚相的分流河道砂体，岩性以岩屑石英砂岩、石英砂岩、含砾中－粗粒或不等粒岩屑砂岩为主，孔隙类型包括粒间溶孔、粒内溶孔、剩余原生粒间孔、铸模孔及微裂缝。孔隙度介于2.0%～12.0%之间，渗透率介于0.01×10－3～10×10－3μm2之间，总体表现为低孔低渗型储层；并且总体储层具有厚度大、分布稳定、单井产能较高及开发效果较好等特点［6］，是榆林地区天然气勘探开发的主要目标层［5］。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区及研究区位置图Fig.1 Tectonic division of Ordos Basin and the location of the research area

2 沉积微相特征

2.1 沉积相标志

2.1.1 颜色

颜色是最能直观、醒目地反映沉积环境特征的相标志，尤其是泥岩的原生色，是沉积环境最直接的指示标志。研究区山二段主要为一套浅灰色－灰白色砂质砾岩、含砾粗砂岩、棕红色细－粗砂岩、粉砂岩与灰黑色粉砂质泥岩、泥岩互层组合，局部夹煤层或煤线。由山二段自下而上由棕、红、紫等氧化色的砂砾岩为主，向浅灰、深灰和灰黑等还原色的泥、粉砂岩为主的规律性变化，反映山二段经历了从三角洲平原至前缘亚相、浅水氧化环境向较深水还原环境转化的沉积演化过程。

2.1.2 粒度分布特征

图2 榆林气田陕140井山二段沉积相剖面与层序划分Fig.2 Sedimentary facies profile and sequence dividing of Member 2of Shanxi Formation in the Yunlin gas field

根据薄片鉴定和粒度分析结果可知，研究区山二段砂岩粒度主要以中粒砂和细粒砂为主，占全部样品的70%；其次为粗砂，占20%；砾石和粉砂约为10%。粒度标准偏差为0.34～0.81，尖度为0.89～1.25，以正偏态为主，表明研究区砂岩分选改造较差。在粒度概率曲线中（图3－A），样品以跃移质与悬移质的两段式组合为主，少量为推移质、跃移质和悬移质组合的三段式组合。在CM图中（图3－B），多位于代表递变跃移段（QR段），其次位于推移段（PQ段），说明沉积环境水动力较强，沉积载荷包括了推移质、跃移质和悬移质3种组分，但以跃移质为主，特征明显，总体反映距离物源区较近和以河道牵引流机制为主的沉积特点［7］。

2.1.3 物质组分标志

研究区山二段岩性主要为岩屑砂岩，岩屑石英砂岩和石英砂岩含量相对较少。碎屑组分中石英含量（面积分数）介于49.0%～99.0%之间，平均为82.1%；岩屑含量（面积分数）介于1.0%～51.0%之间，平均为18.1%；长石含量（面积分数）＜1%，绝大多数样品未见长石或仅零星分布。由此可见，山二段砂岩成分成熟度偏低，反映近物源欠改造和快速堆积的沉积环境特征。

2.1.4 岩石结构标志

山二段砂岩分选性较好，颗粒形状以次圆－次棱角状为主，显示磨圆度中等偏好。从砂岩的分选性和磨圆度特征来看，其具有中等的结构成熟度。砂岩中以颗粒支撑为主，杂基含量低，主要为接触式－孔隙式胶结。杂基含量低显示砂岩的成分成熟度较高，这种内在结构特征的矛盾，说明沉积物具有距离物源区较近、搬运距离较短、沉积环境能量高、沉积速度快等特点。

2.1.5 沉积构造标志

根据岩心观察发现，底冲刷构造在山二段层面构造中很发育，常发育在上覆粗粒沉积物与下伏细粒沉积物之间，呈平直或波状起伏的岩性突变面（图4－A）；而反映低流态水流条件的小型波状层理较少见，反映能量较高的河道沉积的各种层理构造很发育，常见的有块状层理（图4－A）、槽状交错层理 （图4－B）、平行层理（图4－C）、板状和楔状交错层理（图4－D，E）及底冲刷构造（图4－A，E）等。

2.1.6 古生物标志

研究区山二段的咸水和淡水双壳类、鱼类、植物碎片化石和海相双壳类、海百合等化石均可作为该区沉积环境的识别标志（图4－F）。这些化石在暗色泥岩中广泛分布，并且在榆林气田山二段钻井剖面和地表露头中均有发现，其显著特点为淡水陆相生物和咸水海相生物混生组合，与研究区主体位于海相三角洲平原与前缘过渡地带的沉积环境相吻合。除此之外，暗色泥岩中的钻孔和生物扰动构造，对沉积环境识别和地层划分与对比具有重要的意义。

2.2 沉积微相划分

通过对研究区11口井岩心观察研究，结合室内薄片鉴定和测井资料解释，对研究区山二段沉积相类型进行了识别，认为榆林气田山二段发育海陆过渡环境的辫状河三角洲平原亚相。在此基础上又可划分出水上和水下分流河道、天然堤、决口扇、分流间洼地和洪泛平原等微相类型（图2）。

2.2.1 水上分流河道微相

图3 山二段砂岩粒度概率曲线和CM图Fig.3 Granularity probability curves and CMdiagram of the sandstone in Member 2of Shanxi Formation

图4 榆林气田山二段典型沉积构造特征岩心照片Fig.4 Photos of typical sedimentary structures of Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

三角洲平原水上分流河道砂体是组成山二段天然气藏的骨架砂体，主要由中－细粒岩屑石英砂岩、粗粒岩屑砂岩和含砾粗粒岩屑砂岩组成。砂岩中反映高流态牵引流沉积特征的槽状和板状等各类交错层理构造非常发育，砂体底部具底冲刷构造，冲刷泥砾在冲刷面之上普遍发育。剖面具有下粗上细的正递变层理，并且由多个分流河道砂体连续叠加成具复合正韵律结构的厚砂体，总厚度可达40～70m。上述特征表明研究区山二段三角洲平原分流河道具有横向迁移快、砂体间冲刷强烈、频繁发生快速废弃—复活的改道活动，河道砂体总体显示了游荡性很强的辫状分流河道特点，其自然电位曲线和伽马曲线特征主要表现为钟形、齿化钟形或箱形。

2.2.2 水下分流河道微相

水下分流河道微相的岩性组合主要为中－粗砂岩和中－细粒砂岩。反映较强水动力条件的大型水下沉积构造组合很发育，如正递变层理、平行层理、板状交错层理和砂体底部的底冲刷构造等，局部发育有反映较低流态水流条件下的小型波状层理。粒度概率累积曲线特征以跃移次载荷最发育为特征，推移次载荷较不发育（图3），分选性好，磨圆度高，砂体的自然电位曲线和伽马曲线特征也表现为钟形、齿化钟形或箱形。

2.2.3 天然堤和决口扇微相

天然堤和决口扇微相是洪水时期的河水越过堤岸之后沿分流河道外侧发生悬移载荷垂向快速加积作用的产物。天然堤和决口扇都具有距离河道不远、沿分流河道两侧分布的特点。天然堤和决口扇砂体在平面上沿分流河道两侧分别呈堤状和扇状分布，垂向上超覆在分流间洼地碳质泥岩或煤层之上，或者分别覆盖在分流河道砂体之上，断面上呈背向河道方向减薄变细的豆荚状或透镜状。两者岩性都以粉－细粒砂岩与粉砂质泥岩互层组合为主，其中天然堤单砂层厚度较薄并且粒度较细，厚度一般为0.5～1.0m，发育水平层理、波状层理和沙纹层理等；决口扇砂体粒度相对较粗且厚度较大，局部可达3m以上，以发育有爬升沙纹层理和具备下细上粗的逆递变层理为主要特征。

2.2.4 分流间洼地、沼泽和洪泛平原微相

分流间洼地、沼泽为分流河道之间局限低洼和常年蓄水淹没或淤塞沼泽化的湿地沉积环境，而洪泛平原为分流河道之间相对高部位的旱地沉积环境。分流间洼地、沼泽和洪泛平原微相都以接受洪水期的悬移质沉积为主，岩性主要为泥岩夹少量粉砂质泥岩，粉砂质泥岩呈薄层状。其中分流间洼地受沼泽化的影响较大，致使局部泥岩中有机质含量丰富，主要由较单一的黑色泥岩、灰质泥岩和碳质泥岩夹少量煤层和煤线组成，在泥岩中局部还夹有少量的薄层状和纹层状粉砂岩，水平层理和生物扰动构造发育。而处于暴露环境的洪泛平原则以杂色和红色泥岩为主，有机质含量低。此2类微相由于受海平面升降变化影响频繁，在垂向演化序列中常表现为韵律性薄互层产出，并且较难区分。在测井曲线中都呈低幅平直曲线或微齿化曲线特点。

2.3 沉积相模式

通过对研究区单井沉积相分析，结合该时期古构造背景、古地形、古气候和沉积作用类型［8，9］等，以现代沉积学原理为指导，确定榆林气田山二段主要为辫状河三角洲平原亚相沉积环境，气田范围内以发育水上分流河道、水上天然堤、决口扇、分流间洼地和洪泛平原沉积微相为主，建立了榆林气田山二段辫状河三角洲平原沉积相和三角洲前缘沉积相模式（图5）。

该沉积相模式体现出以下几个特点：①展示了山二段辫状河三角洲平原中的辫状分流河道、天然堤、决口河道、洼地和沼泽及洪泛平原沉积微相及三角洲前缘水下分流河道、水下天然堤和分流间湾的沉积微相分布；②描述了各沉积微相的展布特征及空间配置关系；③通过沉积相模式揭示出不同沉积微相类型的砂体展布对储层发育的控制作用。

3 层序－岩相古地理和砂体展布

3.1 层序发育背景和基本特征

图5 榆林气田山二段辫状河三角洲相沉积模式图Fig.5 Sedimentary model of the braided river delta in Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

榆林气田山二段三角洲平原主要发育在北部，南部以发育三角洲前缘为主，再向南延伸出研究区外逐渐加深为前三角洲沉积环境。总体上具有水体浅，分布范围广，沉积－层序较稳定且厚度变化不大等特点。根据钻井岩心、测井和地震等资料的综合研究结果，以高分辨率层序分析和等时对比为基础，在垂向剖面上可将山二段划分为1个长期、2个中期和4个短期旋回层序（图2和图6）。有关山西组高分辨率层序地层学特征已有很深入的研究［10－12］，本项目以前人的研究成果为基础，在建立等时地层格架和对地层格架内小层砂体精细对比的基础上，选择相当于山二段上部的MSC2层序编制砂体展布图（图7）和层序－岩相古地理图（图8），为砂体几何形态描述和储层预测提供了可靠依据。

3.2 岩相古地理特征和砂体展布规律

图7 榆林气田山二段上部砂岩等厚图Fig.7 Isopach map of sandstone in Member 2 of Shanxi Formation in the Yulin gas field

图8 榆林气田山二段上部岩相古地理图Fig.8 The lithofacies paleogeographic map of Member 2of Shanxi Formation in the Yulin gas field

山二段MSC2为相当于水进扩张期的中期旋回层序，伴随基准面升、降变化，岩相古地理和砂体展布有如下特点：①基准面上升初期沉积相当于山二段第3小层砂体［13］，于研究区内主要处于三角洲平原环境，由正北和北东方向进入研究区的数条分流河道于研究区中部汇合后向南进积延伸，分流河道两侧为天然堤与分流间洼地沉积区（图8）。该时期由于受沉积物通量远大于有效可容纳空间的影响，三角洲平原上的分流河道进积和侧向迁移的砂质沉积充填作用活跃，侧向迁移频繁。垂向剖面上，往往由数个次级旋回的砂体连续叠置成大砂体（图6）。平面上北部砂体分布呈与分流间洼地交替的带状分布，中部和南部砂体呈中间厚但东、西两侧相对较薄的连片席状分布（图7）。其中分流河道砂体厚10～20m；以分流河道内的心滩最厚，一般都在20m以上，是储集砂体最发育的位置。而分流间洼地漫流沉积的砂体厚度往往不足3m，粒度也很细，以泥、粉砂岩为主。②基准面上升中期，岩相古地理格局与早期基本一致，但因受基准面加速上升和海域扩大的影响，在S213井─Chang 1井一带及其以南地区被海水淹没而出现海岸线，由海岸线将研究区分割为北部的三角洲平原沉积区和中部、南部的三角洲前缘沉积区（图8）。其中北部的三角洲平原沉积区砂体依然呈与分流间洼地交替的带状分布，砂体厚度沿分流河道内的心滩→分流河道→天然堤的展布方向依次减薄，以心滩厚度较大，多在15m以上。中部和南部的水下分流河道砂体略有减薄，多在8～12m之间，但仍具有连片席状分布的特点；而水上－水下分流河道两侧的天然堤砂体厚度更薄，一般不足1m。分流间洼地和分流间湾相对早期明显更发育，主要分布在榆29－10井一带、榆35－8井─陕116井一带和陕217井一带，以沉积富含碳质组分的暗色泥岩为主。据区域岩相古地理研究资料，自北向南由水下分流河道延伸到研究区东部外侧和南部外侧的河口坝→远砂坝地区，砂体厚度减薄和粒度变细的演化趋势很明显，再向外延伸则相变为前三角洲，以沉积薄层暗色泥岩为主。③基准面上升晚期，受较大幅度的快速海侵影响，整个研究区被淹没进入前三角洲环境并接受最大海泛期的暗色泥岩连续沉积，形成山二段具有重要等时对比意义的标志层。④基准面下降期，早期加积→进积作用的沉积记录，因受大幅度快速海退、暴露和侵蚀影响，于研究区内没有得到保存，由侵蚀残余的海泛期暗色泥岩构成了山二段砂体顶部重要的区域性致密盖层。

4 结论

通过对榆林气田山二段沉积相分析和岩相古地理编图，得出如下认识：

a.岩石学特征研究表明，山西组砂岩储层中岩屑和长石含量较高，岩石类型主要为岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，少量岩屑石英砂岩。低的成分和结构成熟度反映近物源欠改造的快速堆积特征。

b.沉积相研究表明，山西组主要发育海陆过渡环境的辫状河三角洲，榆林气田主要位于三角洲平原和前缘亚相带，可识别出水上－水下分流河道、心滩、天然堤、决口扇、分流间洼地、分流间湾（或沼泽）等沉积微相。建立了适合于该地区的辫状河三角洲沉积模式，为榆林气田的高效勘探开发提供了依据。

c.沉积构造特征表明，反映低流态水流条件的小型波状层理较少见，反映能量较高的河道沉积的各种层理构造很发育，有块状层理、平行层理、板状交错层理、楔状交错层理、槽状交错层理等。淡水陆相生物和咸水海相生物混生组合化石在暗色泥岩中广泛分布，榆林气田山二段钻井剖面和地表露头中均有发育。

d.研究区砂体分布范围广，其中砂体主要由水上－水下分流河道组成，它们构成了该区的主力储集体。砂体厚度有由厚减薄和粒度由粗变细的演化趋势，且砂体厚度大物性好，在垂向和纵向连通性好的特点。

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