子洲气田中二叠世山23期沉积相再认识

安文宏，杨文敬，石小虎，杨 勇，冯永玖

(1．中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安710021;2．低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安710021;3．长庆油田公司勘探部，陕西西安710021)

子洲气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡中部，北起佳县，南至清涧，东到吴堡，西抵子长，以二叠系山西组山2

3段为主力开发层段。截止2012年底已成功建成17亿m3/a生产规模。目前正在积极进行滚动扩边，然而有关子洲气田沉积环境的判别却成为困扰目前地质分析的核心问题。

笔者根据辫状河三角洲沉积的观点进行砂体预测，在生产实践中加强了对山2段地质分析，重新认识子洲气田沉积相，划分出湖岸线位置，并在沉积相重新认识基础上分析了沉积相对储层储集性能和气水分布的控制作用，对子洲气田的滚动扩边开发具有指导意义。

1 山23段三角洲类型探究

鄂尔多斯盆地在晚加里东运动后期，秦祁海槽关闭，区内经历了长达1．3～1．5亿a之久的风化剥蚀。海西旋回中期，秦岭祁连海槽和中亚－蒙古海槽再度拉开，鄂尔多斯地块发生区域沉降，进入了海相沉积阶段［1］。东缘直至晚石炭世早期才开始接受沉积，并在早二叠世东部海水从东、东南方侵入并越过中央古隆起与西部海域联合，形成统一陆表海。在历经本溪期、太原期沉积之后，到海西旋回末期，秦岭祁连海槽再次对挤，海水逐渐退出鄂尔多斯盆地。

盆地东部山西组的沉积环境众多学者进行过研究，基本上可归纳为3种观点:陆相湖盆、近海湖盆［2-3］和浅海陆棚。由于构造运动的影响，沉积相在太原期的基础上重新分化组合，山西组以三角洲相沉积为主［4］，但此三角洲的沉积背景是浅海陆棚还是近海湖盆，抑或是内陆湖盆?盆地东部海退是在太原期末迅速退出使研究区成为近海湖盆，还是缓慢海退在山西期仍为浅海陆棚，又抑或是与海水完全隔绝的内陆湖盆。

以往的研究将山西组山23段地层判定为曲流河三角洲沉积体系［5］，但是近些年来的开发实践证明，砂体展布并不是曲流河三角洲沉积体系，而是辫状河三角洲沉积体系［6-7］。其次，对于期沉积有无受到海洋因素的影响一直未能达成一致结论。

1．1 地球化学证据

地球化学特征是反映沉积环境最重要的指标。叶黎明等［8］对盆地东部的研究结果显示区内除西北部淡水作用强烈外，其他区域泥岩的沉积水体以中盐水为主。仅榆30井山23亚段的沉积环境为海水，其余均为淡水。叶黎明指出对于山西组来说，将Sr/Ba等于0．3作为淡水和混合水的界线是比较合理的。整个山西期在超长期旋回中属于海退过程，榆30井的Sr/Ba最大值出现在太原组，达13．7，此后逐渐降低至山西组顶部仅为0．2。总的来看，Sr/Ba和盐度都表明盆地东部山西组主要沉积在混合水体中。

本次所做样品的数据，从山1至的退积过程中，Sr/Ba比值呈明显增大趋势，其中榆20井的值达到了 0．627，见表 1。按照邓宏文等［9］1993 年提出的盐度半定量判别标准，88Sr/137Ba的值小于0．5时为微咸水 － 淡水，0．5 ～1．0 之间为半咸水，大于1．0则判定为咸水环境。说明山西期早期山23段受到海相咸水环境影响，后期至山1期逐渐演变为淡水环境沉积。

地球化学特征表明，由于受海水的影响，盆地东部在整个山西期的沉积水体以混合水为主，山23三角洲沉积体系的沉积背景不可能是陆相湖盆［10］，而且如此强烈的混合水作用不太可能出现在近海湖盆中［11］，但要区分近海湖盆还是浅海陆棚，则需进一步分析地层分布、原生沉积构造和古生物化石等方面的证据。

表1 研究区及邻区山西组地球化学分析数据Tab．1 Geochemical analysis data of Shanxi Formation in the studied area and its adjacent regions

1．2 生物化石证据

子洲气田北部的榆19井存在明显的底冲刷构造(见图1(a))，代表了河流相沉积环境。

图1 子洲气田段生物构造、岩石构造、矿物照片Fig．1 Pictures of biological structure，rock structure and mineral of the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

3段无疑不会是陆相湖盆沉积环境，而应该是海水影响下的沉积环境，这也否定了陆相湖盆的结论，但是至于是近海湖泊环境还是海相环境有待进一步证实。

另外，在子洲气田南部榆48井山23段的泥岩中有棘皮类化石碎片存在［12］，这也揭示了子洲气田南部的榆48井附近山2期受到了海相沉积环境的影响。

1．3 沉积构造证据

羽状交错层理在成家沟剖面山西组底部细砂岩、乡宁甘草山剖面底部砂岩中普遍可以见到，笔者认为是典型的潮道沉积。

上述这些具有海相成因的沉积构造均见于成家沟及太原以南地区。在剖面上，它们大都集中于山西组下部。其分布特点是:底部的粗砂岩中单向水流形成的板状层理、块状层理为主，局部出现羽状交错层理，中上部则为具有潮汐层理的泥质砂岩和泥岩所覆盖。这些层理构造的分布特点反映了在山西早期潮汐作用直接影响了研究区的东南部，对三角洲沉积进行改造，到了中后期北部构造运动增强，三角洲快速进积水体进一步淡化，海水退却至盆地东南缘，但仍存在小型海侵作用。因此，对期的沉积环境应该明确定性为近海湖泊沉积环境，否定内陆湖泊和浅海陆棚的结论。

2 山23段湖岸线确定

三角洲相中三角洲平原属三角洲的陆上沉积，而三角洲前缘为三角洲的水下沉积，湖岸线则代表了三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相的分界线。

三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相的划分至关重要，在单井相划分中以三角洲平原亚相和前缘亚相的界线为湖岸的界线，然后由点到线再到面的原则来确定各期的湖岸线。

三角洲平原与前缘在沉积、岩性构造、测井曲线、生物化石及沉积组合等方面均有一定的差别，据此可以对其进行识别。对于湖岸线的确定，笔者从自生矿物、层理构造、岩石颜色3个方面进行了分析论证。

2．1 自生矿物标志

湖岸线划分依据之一就是自生矿物，在湖岸线以北为三角洲平原亚相，自生矿物不发育，而湖岸线以南为三角洲前缘亚相，在岩心溶蚀孔隙中发育立方体晶形很完整的黄铁矿颗粒。南部清涧地区榆44井、榆67井山23段见到了沉积较好的黄铁矿结核体，见图1(c)，说明榆44和榆67所处位置已经为山2

3期三角洲前缘沉积环境，位于湖岸线以下。莓球状和结核状黄铁矿形成的原因是黏土矿物的晶格上铁与H2S反应发育而成，而充填胞腔或者沉积裂隙的黄铁矿，大多是因局部强还原微环境所致［2］，黄铁矿标志着强还原环境。砂体中较常见的早期方解石胶结物，说明水下分流河道砂体早期胶结作用受湖水侵漫的影响。

2．2 层理构造标志

(1)逆粒序

湖岸线代表了河流入湖的位置，在入湖口最发育的沉积微相是河口坝，因此，地质人员一直将河口坝砂体作为湖岸线划分的标志。

河口坝是自下而上的反粒序:向上粒度加粗。测井曲线上自然电位是从下而上从泥岩基线向负高异常变化。河口坝是三角洲前缘亚相的主要标志［3］，子洲气田南区的榆43井、榆58井山23段均可见到明显的逆粒序层理(见图1(d))，可以确定期湖岸线位置大致在榆43—榆58井一线。

(2)滑塌构造

滑塌构造代表了三角洲前缘平静的水下沉积环境下急剧沉积的产物，是水下沉积物在重力作用下顺斜坡滑动而成，常伴随有沉积层的变形、揉皱、断裂、角砾化及岩性的混杂。滑塌构造层与上下岩层呈突变接触，常见于快速沉积的三角洲前缘斜坡沉积环境。子洲气田南部的榆62井山23段可以见到明显的滑塌构造(见图2)，充分说明该处山23期为三角洲前缘沉积环境，位于湖岸线以下。

(3)变形层理

变形层理是典型的安静水体环境的沉积构造，代表了三角洲前缘沉积环境，是在沉积过程中，由于滑陷滚动，沉积物原有层理发生挠曲、倒转破碎、变形，如包卷层理、枕状构造等。子洲气田南部的榆58 井、榆76、榆40、榆79 井山23段岩心可以见到明显的变形层理(见图3)，说明清涧地区山23期发育 三角洲前缘沉积亚相，位于湖岸线以下。

图2 子洲气田山23段滑塌构造Fig．2 Slump structure in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

图3 子洲气田山23段变形层理Fig．3 Deformed bedding in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

2．3 颜色标志

图4 子洲气田山23段岩心颜色、粒度对比照片Fig．4 Comparison of core color and particle size in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield

沉积岩的颜色代表了沉积环境的氧化/还原性质，氧化环境中发育红色－杂色沉积岩，还原环境中发育灰色－灰黑色沉积岩。子洲气田北部的榆142井岩心显示山23段含棕红色泥岩(见图4)，反映出三角洲平原水上氧化环境，说明该井山23期位于湖岸线之上;相反，子洲气田南部的榆49、榆42、榆96、榆101、榆 99井山23段岩心均显示为黑色中砂岩，且南部井的砂岩粒度明显变细，岩屑含量增高(见图4)。说明子洲气田北部和南部的确存在水上水下沉积环境的差别，北部位于湖岸线以上，为水上三角洲平原氧化环境，而南部位于湖岸线以下，为水下还原环境。

2．4 沉积微相标志

三角洲平原相以植物叶片化石和多段煤层发育为特征，分流河道沉积微相发育灰白色含砾粗－中砂岩，交错层理多见，底部具冲刷面和泥砾;分流间湾以灰黑色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩为主，水平、沙纹层多见。

与三角洲平原不同的是，三角洲前缘亚相煤层不发育，且发育独特的席状砂沉积微相。较之三角洲平原亚相，砂体粒度变细，颜色加深。席状砂是由河口坝或远砂坝砂岩经波浪改造，沿岸侧向堆积而成，以清涧地区榆82井为例，细砂岩及粉砂岩发育，沙纹层理、波状层理及小型交错层多见，测井响应特征为中幅的尖峰状珈玛曲线，见图5。

图5 榆82井山23席状砂沉积岩电特征Fig．5 Lithological and electric characteristics of sheet sand deposition in the third sub-member of the second member of Shanxi Formation in Zizhou Gasfield from Yu 82 well

山23时期，地形平缓，水进和水退频繁交替，湖岸线摆动范围较大，子洲气田目前开发区块主要位于三角洲平原和前缘过渡带，受水体反复淘洗，石英含量较高，储层物性较好。而子洲气田南部清涧地区处于三角洲前缘，因此，水动力减弱，粒度较细，储集层物性变差［4］。根据沉积相判别标志，笔者划分的湖岸线见图6。

3 沉积相对储层储集性能和气水分布的控制作用

3．1 沉积相对储层物性的控制作用

从砂岩岩屑组成对比看，清涧和子洲地区均以变质岩屑为主，均在60%以上，火成岩屑清涧地区稍高，见图7。清涧、子洲地区山23砂岩孔隙主要是粒间孔、晶间孔，其中粒间孔占绝对优势。清涧地区晶间孔和岩屑溶孔较发育，而子洲地区粒间溶孔更发育，见图8。

图6 子洲气田湖岸线划分结果图Fig．6 Lake shoreline in Zizhou Gasfield

图7 子洲、清涧地区岩屑类型直方图Fig．7 Cuttings type histogram of Zizhou and Qingjian areas

图8 子洲、清涧地区孔隙类型直方图Fig．8 Pore type histogram of Zizhou and Qingjian areas

清涧地区储层物性较子洲气田差，山23储层仍为低孔、中低渗型。孔隙度以4% ～6%为主，渗透率(0．01 ～0．10)×10－3μm2、(0．10 ～1．00)×10－3μm2各占 48．3%。

图9 子洲、清涧地区孔隙度分布直方图Fig．9 Porosity distribution histogram of Zizhou and Qingjian areas

图10 子洲、清涧地区渗透率分布直方图Fig．10 Permeability distribution histogram of Zizhou and Qingjian areas

3．2 沉积相对气水分布的控制作用

子洲气田出水井平面上在气田全区均有分布，垂向上集中分布在山23层段底部北岔沟砂岩段。子洲气田北部(三角洲平原亚相)目前完钻井近430口，共有出水井43口(见图11)，出水井比例10%。子洲气田南部清涧地区(三角洲前缘亚相)完钻井共计22口，15口井山2段解释水层/气水层，产水井比例高达70%。

图11 子洲气田产水井分布图Fig．11 Distribution map of water producing wells in Zizhou Gasfield

依笔者的分析认为，子洲气田南部的清涧地区主要是山23段，为三角洲前缘亚相沉积，储层本身的原始含水饱和度就高于子洲气田本部，在后期的烃运聚过程中，由于距离生烃中心较远，烃丰度低对原始储层中的水驱替不充分［5］，致使储层中存在较高的含水饱和度，因而子洲气田南部清涧地区多数井产水。

4 结论

(1)经过地球化学、生物化石和沉积构造方面的研究论证，确定子洲气田山23段三角洲类型为近海湖泊辫状河三角洲类型，纠正了以往对沉积相的错误认识。

(2)根据自生矿物、层理构造、岩石颜色等沉积环境标志性产物划分出了中二叠世山23期湖岸线位置。

(3)三角洲前缘亚相沉积对储层物性和气水分布具有控制作用。三角洲前缘亚相由于粒度变细，储层物性变差，且烃排水不畅导致山23段储层砂体厚度虽大，但含水饱和度高。

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