鄂尔多斯盆地大牛地气田上古生界沉积演化特征

郑文波 胡向阳 陈舒薇 刘建党 贾 超

(中石化石油勘探开发研究院天然气所 北京 100083)

0 引言

鄂尔多斯盆地北部大牛地气田共发现奥陶系上马家沟组、石炭系太原组、二叠系山西组和下石盒子组4套含气层［1］，是一个大型致密—低渗透砂岩岩性气藏，截至2013年底该气田已建成为探明储量近4 000×108m3的大型气田，成为西气东输的重要气源区。

鄂尔多斯盆地早古生代为海相碳酸盐岩沉积环境，自石炭纪到二叠纪的晚古生代为由海陆过渡环境转变为陆相环境的过程。目前对于大牛地气田主要目的层系上古生界太原组—山西组—下石盒子组的海陆变迁过程中，各层段沉积体系发育类型，沉积序列，分布和演化模式都存在较大争议。

对于石炭系太原组，多数学者认为是障壁海岸—潮坪沉积体系，发育障壁岛—潮汐三角洲沉积［2-5］，部分认为太原组上部发育陆相辫状河流沉积［4］，另有学者认为太原组上部发育近海三角洲沉积［1，6］。郭书元等［7］认为其为陆表海碎屑岩—碳酸盐岩混积体系。

针对二叠系山西组，部分学者认为是辫状三角洲平原和前缘沉积［8-12］，张广权等［13］认为其为滨海—近海三角洲体系。

关于二叠系下石盒子组，多数学者认为属于河流沉积体系［3，14］;部分学者认为下石盒子组为三角洲沉积［6，14-17］;少数学者认为下石盒子组为辫状河三角洲沉积［18］;少数学者认为下石盒子组为辫状河三角洲—浅湖沉积体系［5］、湖泊沉积体系［19］。

本文通过详细的岩芯观察描述，综合测井，地震资料，分析研究区上古生界太原组—山西组—下石盒子组由海向陆变迁过程中沉积体系发育类型与分布特征，并建立其沉积演化模式，为储层砂体成因类型的确定，储层分布预测和分类评价提供指导和依据。

1 区域地质背景

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地东北部，处于陕西省榆林市与内蒙古自治区伊金霍洛旗、乌审旗交界地区塔巴庙区块，面积2 000 km2(图1)，处于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部东段，总体为北东高、西南低的平缓单斜，区内构造、断裂不发育，局部发育鼻状隆起，未形成较大的构造圈闭。

鄂尔多斯地区晚古生代位于华北克拉通盆地西部，现今的构造形态为一东缓西陡的不对称向斜，其内部可以划分为六个一级构造单元:伊盟北部隆起、渭北隆起、西缘冲断带、晋西扰褶带、天环坳陷和伊陕斜坡［15］(图1)。

鄂尔多斯盆地晚古生代沉积可划分为两大演化阶段:即中晚石炭世本溪期—太原期的海相发展阶段;早二叠世山西期—晚二叠世石千峰期的陆相发展阶段(图2)［3，20-21］。

2 太原组潮坪沉积体系

晚石炭世太原期，来自东、西两侧海水分别向中央古隆起和向北侵漫，地层逐渐超覆于中央古隆起的奥陶系古侵蚀面之上(图2)，中央古隆起东西两侧形成一个统一的海域［2］。

2.1 沉积相类型

研究区太原组地层岩相主要为泥晶生物灰岩、灰黑—黑色泥岩、煤层以及钙质胶结的石英砂岩(图3)。灰岩主要分布于下部，砂岩分布于中上部，煤层集中于中部，底部为石炭系本溪组铝土岩薄层。

2.1.1 碳酸盐岩斜坡

碳酸盐岩斜坡位于宽缓海岸斜坡，向陆一侧为潟湖沉积，主要发育于太1段，发育泥晶灰岩，顶部含生物介壳，无生物骨架礁体(图3、图4，D77)，主要分布于研究区东南部，呈条带状分布，厚度不等，孔隙不发育。

2.1.2 潟湖

潟湖与开阔海之间以障壁岛分隔，以潮道连通。潟湖的水动力条件较弱，沉积物以泥岩、碳质泥岩和煤层为主，夹少量薄层粉砂岩、泥质粉砂岩或细砂岩，局部地区夹有少量薄层灰岩。沉积构造以水平层理、沙纹层理及变形层理为主(图4)。

2.1.3 障壁砂坝

障壁砂坝主要为中粗砂岩，少量含砾粗砂岩，通常表现为逆粒序反旋回特征，而与下伏粒度细小的泥岩、粉砂岩逐渐形成过渡接触。层理主要为小型槽状交错层理、沙纹层理，变形层理，粒序层理等，发育浪成波痕(图4)。

2.1.3 潮坪

潮坪主要发育在波浪作用较弱的中—大潮差海岸，并同潟湖以及受潮汐影响的三角洲环境伴生。研究区太原组发育有泥坪、混合坪、潮道、砂坪、潮砂坝等微相(图3，4)。

图1 鄂尔多斯大牛地气田构造单元与井位图Fig.1 Map of well location and structure part in Daniudi gasfield，Ordos Basin

泥坪主要由薄层状粉砂质泥岩与泥岩或煤层互层构成，发育大量生物扰动构造。混合坪发育波状、透镜状层理以及砂泥对偶层等复合层理的粉—细砂岩与泥岩互层组成，常含有植物化石及炭屑。潮砂坝/潮道和砂坪由发育羽状层理、对偶层、粒序层理、潮汐束等典型沉积构造的含砾砂岩和中细砂岩组成，夹薄层粉砂岩(图3)。

图2 鄂尔多斯盆地地层柱状图与典型地层剖面图Fig.2 Strata column and profile of Ordos Basin

2.2 障壁—潟湖—潮坪沉积体系特征

研究区太原组发育海陆交互相为主的暗色砂泥岩夹灰岩和煤层，砂岩的障壁—潟湖—潮坪体系。障壁砂坝外侧为灰坪和广海(图4，D77井)，内侧与大陆之间为潟湖和潮坪发育区(图5太2段蓝/紫色区域)，障壁砂坝(图5太2段红/绿色区域)对潟湖和潮坪起着障壁保护作用，其与潟湖和潮坪密切共生而构成统一的障壁海岸沉积体系(图4，D75井)。

3 山西组潮控辫状三角洲沉积体系

早二叠世山西期初，由于华北地块的抬升，海水从东西两侧退出盆地，沉积环境开始向陆相转变，中央古隆起没入水下，发育滨浅海潮控辫状三角洲沉积体系(图2)。

3.1 沉积相类型

山西组发育灰黑色及黑色为主的碎屑岩含煤建造，含有海相丰富的生物遗迹和化石［13］，如海百合等(图4)。沉积序列和相组合特征证实山西组为潮控辫状三角洲沉积体系，发育有泛滥平原，辫状河道，泥坪、混合坪、潮道、砂坪、潮砂坝等微相。

3.1.1 辫状河道

辫状河道以灰色细砾岩，韩立粗砂岩，粗中砂岩，夹少量细砂岩，具大型槽状交错层理，砂岩底部具明显冲刷面，底分布薄层滞留砾岩沉积(图4，D90井)。具明显下粗上细正旋回特征，呈多期厚层砂体叠置，测井曲线多呈箱型，底部突变接触特征。由于受到潮汐海水倒灌影响，内部见多期粒序特征和羽状交错层理，平面上与潮坪组合。

3.1.2 泥坪

泥坪位于潮上带是平均高潮线之上的潮汐沉积，主要沉积物为灰色或黑色泥岩，夹碳质泥岩或煤层，块状—水平层理，多发育沼泽，见厚度不等的煤层或结核(图4)。

3.1.3 混合坪

混合坪以泥岩与粉细砂岩薄互层为特征，发育互层层理、压扁层理，波状层理和透镜层理等沉积构造(图3)。

3.1.4 潮道

潮道/潮砂坝粒度变化较大，砂岩分选磨圆较好，主要为粗中砂，部分细砾岩，发育羽状层理，韵律层理和沙泥对偶层等沉积构造(图4)。测井曲线特征，潮道呈钟形，向上变细的正旋回特征，潮砂坝具向上变粗的漏斗形反旋回特征(图4)。

3.2 潮控辫状三角洲沉积体系特征

图3 大牛地地区太原组(T)/山西组(S)/下石盒子组(H)典型沉积构造Fig.3 Sedimentary structures of Taiyuan/Shanxi/Xiashihezi Formation in Daniudi gasfield

研究区山西组发育潮控辫状三角洲沉积体系。其陆上主要为辫状三角洲的海岸平原和部分受潮汐影响的辫状河道(图5山1段，中北部区域)，向海方向岸线以外为潮坪沉积体系(图4，D90井;图5山1段，东南部区域)。潮坪沉积向陆一侧，潮道规模逐渐变小以致消失(图5山1段)，与海岸平原、沼泽等沉积组合;向海一侧，潮坪上发育的潮道规模逐渐变大，呈喇叭口型展开(图4，D70井;图5山1段)，并切割海岸平原呈孤立分隔状。

图4 大牛地地区太原组(T)/山西组(S)/下石盒子组(H)典型沉积相特征Fig.4 Facies of Taiyuan，Shanxi，Xiashihezi Formation in Daniudi gasfield

4 下石盒子组河流沉积体系

中二叠世下石盒子早期，随着海水向东南部完全退出，研究区沉积环境变为内陆湖盆环境(图2)，伴随长时间暴露，煤层和暗色泥岩明显减少，随着北部古陆进一步抬升，沉积物供给充分，发育辫状—曲流河沉积体系。

4.1 沉积相类型

研究区下石盒子组主要为灰白、浅灰色含砾粗砂岩、粗砂岩，砂砾岩和细砾岩，灰、浅绿灰色细砂岩、粉细砂岩，灰、深灰、灰绿、红色及杂色泥岩，且生物化石少见。垂向序列中，主要以粗碎屑沉积为主，呈下粗上细的多个正旋回叠置特征，下部含砾或砂砾岩，砾石磨圆度较好。其发育沉积相类型包括辫状河道，曲流河道和泛滥平原。

4.1.1 辫状河道

辫状河道以多期叠加样式出现，沉积物粒度较粗，以砾岩、含砾粗砂岩以及粗砂岩为主，分选磨圆差或中等，可见碳屑、碳质纹层以及碳化植物茎，底部见冲刷面和滞留砾岩沉积。整体向上粒度变细，层理类型以槽状交错层理、平行层理以及块状和波状层理为主;曲线形态呈齿状钟形或箱形，厚度可达15～35 m(图4)。

4.1.2 曲流河道

曲流河道多以但其河道孤立出现，局部见切割叠置现象，主要由河道充填、点砂坝微相组成，垂向“二元”结构特征明显，厚度一般5～8 m左右，在纵向上可以与冲积平原泥岩或决口扇等沉积相类型组合(图4)。

4.1.3 泛滥平原

泛滥平原主要发育泥岩夹薄层粉砂岩，泥岩为红色，红绿互层，绿色或灰色，发育水平纹层或微波状纹层，多为块状层理，局部可见波状层理，虫孔或生物扰动发育(图3，4)。

颜色代表了泥岩古土壤成熟度的区别，其受包括物源供给，局部气候，植被条件，沉积速率，自旋回作用等因素的影响，主要和形成地点距离河道带的远近相关。富含钙质结核或淋滤面的红色/杂色泥岩是泛滥平原长期暴露的标志(图3);虫孔与植根发育的灰绿色/灰色泥岩是河道频繁迁移，短期暴露相关(图3)。

4.2 河流沉积体系特征

研究区下石盒子组时期，受北部隆起影响和盆地凹陷作用，陆源碎屑向盆地中部显著推进，发育陆相辫状河—曲流河体系，伴随构造运动，物源供给河流体系方向发生偏转，由西北—东南逐渐转换为北—南方向(图4，D40井盒1段;图5盒1段)。

下石盒子组下部，北部辫状河靠近物源区域，地貌较陡，多河道、多次分叉和汇聚构成辫状(图4，D40井盒1段;图5盒1段);河道宽而浅，弯曲度小，河道砂坝(心滩)发育。下石盒子组上部，以研究区东北—西南连线以南区域，随着地貌变缓，河道分叉交织程度降低，沉积区面积逐渐扩大，河道能量逐渐分散，研究区东南部区域部分发育曲流河体系(图4，D40井盒2段;图5盒1段)。

5 海陆变迁沉积演化特征

晚石炭世太原组时期，海侵范围扩大，中央古隆起东西两侧形成统一的海域，研究区太原组发育海陆交互相为主的障壁—潟湖—潮坪沉积体系(图4)，太原组下部碳酸盐岩斜坡和上部障壁砂坝平面沿东北—西南呈条带状分布(图5，T2绿色);以泥岩或煤层夹砂岩和灰岩为主。山西组时期，区域构造活动导致北部物源区的上升，受尚未完全褪去海水作用，发育典型潮控辫状三角洲沉积体系(图4);整体岩性以沙泥互层夹煤层为主，研究区西北部海岸平原受潮汐改造泥坪发育，受潮道切割呈孤立点状特征明显(图5，S1红—绿色)，东南部潮下带潮道和潮沙坪发育(图5，S1蓝—紫色)。下石盒子组时期，受北部隆起影响和盆地坳陷作用，北部陆源碎屑向盆地中部显著推进，发育陆相辫状河—曲流河沉积体系;岩性主要以厚层叠置河道砂岩夹薄层泥岩为主(图4)，辫状河道沿西北—东南呈带状分布，河道交叉合并，辫状特征明显(图5，H1)，局部发育曲流河道;随着盆地坳陷作用增强，鄂尔多斯盆地逐渐向陆相湖盆过渡，研究区南部下石盒子上部盒3段逐渐发育曲流河道—分流河道，滨浅湖相沉积，至此开始了鄂尔多斯盆地厚层陆相湖盆—河流体系沉积(图5)。

图5 大牛地地区太原组(T)/山西组(S)/下石盒子组(H)地震属性图Fig.5 Attribute map of Taiyuan，Shanxi，Xiashihezi Formation in Daniudi Gasfield

海陆变迁过程中，潮坪沉积可以发育海退型进积层序和海进型退积层序，古代潮坪沉积多以海侵退积型为主;由于处于由海向陆转换过程，陆源碎屑进积作用大于潮汐作用，研究区太原组—山西组—下石盒子组表现为典型海退(陆进)型进积沉积序列和模式(图5)。

6 结论

大牛地气田上古生界海陆变迁过程中沉积体系发育类型一直存在争议，以大牛地地区太原组—山西组—下石盒子组岩芯观察为基础，结合测井，地震等资料分析，综合确定了海陆变迁过程中各阶段沉积体系发育类型及演化特征。

(1)大牛地地区太原组为滨浅海潮坪沉积体系，山西组发育海陆过渡的潮控辫状三角洲沉积体系，而下石盒子组为陆相河流沉积体系。

(2)研究区上古生界太原组—山西组—下石盒子组整体呈海退陆进特征。早期太原组为滨浅海环境;受北部物源区抬升影响，陆相物源推进至研究区和尚未完全退去的海水影响，山西组发育海陆过渡环境;伴随北部物源区逐渐抬升，陆相碎屑显著推进至研究区，形成下石盒子组陆相河流环境。

(3)由海向陆变迁过程中，太原组和山西组发育的煤层是研究区重要烃源岩;太原组上部发育潮汐砂坝和潮道等砂体，由于直接与下部煤层接触并具有横向岩性突变和顶底封堵条件，成为高产富气层段。山西组潮控河口湾内潮道砂体和辫状河道砂体和下石盒子组底部大面积连片分布的厚层叠置辫状—曲流河道砂体是重要的产气储层。

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