苏东南地区盒8段砂体叠置关系及其对气水分布的影响

郭艳琴，蔡志成，余 芳，张秀能，李百强

(1.西安石油大学 地球科学与工程学院，陕西 西安 710065； 2.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018；3.长庆油田分公司 第五采油厂，陕西 西安 710021； 4.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

引 言

鄂尔多斯盆地苏里格地区蕴含着丰富的天然气资源，苏里格气田已跃居为盆地内重要的超大型天然气田。勘探实践表明，近年来，苏东南地区凭借其大规模的天然气建产量成为中石油长庆油田公司在苏里格地区天然气上产的主力区块[1-2]。研究区位于苏里格地区东南部，西起W27-02井，东至S170井，北起S174井，南至G4-3井，面积约700 km2(图1)。上古生界储层砂体发育，天然气富集，尤其以石盒子组8段(下文简称“盒8段”，依据岩性组合进一步划分为盒8上和盒8下亚段)最为典型，成为近几年来天然气勘探的重点层位。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

但苏东南地区盒8段的沉积体系及沉积相一直备受争议，出现了辫状河—三角洲沉积体系[3-4]、三角洲沉积体系[5-6]、辫状河三角洲沉积体系[7]以及辫状河沉积体系[8-10]等认识。前人研究表明，沉积相及砂体的叠置关系明显控制着储层内的气水分布关系。因此，明确沉积微相特征、查明砂体的垂向及横向叠置关系，对于研究区盒8段储层内的气水分布预测具有重要意义。

1 区域地质概况

现今鄂尔多斯盆地囊括吕梁山以西、桌子山—贺兰山—六盘山以东、阴山以南以及秦岭以北等广阔区域。盆地西缘被贺兰褶皱带、六盘山弧形逆冲构造带所限并与阿拉善地块相邻，北至伊盟隆起与古阴山褶皱带相接，东至离石断裂带与山西地块相邻，南缘被秦祁复合大陆造山带所限[6]。依据现今的构造形态及演化史将盆地划分为伊盟隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、渭北隆起、天环坳陷及西缘逆冲带6大构造单元，其中研究区位于伊陕斜坡北部，区内构造相对平缓，呈微弱的西倾单斜。

中二叠世下石盒子期，盆地内经历了大规模的海水退却，沉积环境变为内陆湖盆环境，气候以干早炎热为特征，植被大量减少，煤层及暗色泥岩发育明显减少，盆地内沉积了一套灰白—黄绿色的纯陆源碎屑建造[11]。盆地北部古陆进一步抬升，丰富的物源及季节性水系异常活跃，保障了沉积物供给，相对湖平面开始下降，河流—三角洲沉积体系逐渐向盆地南部推进。伴随区域构造活动加强，北部物源区继续抬升，丰富的陆源碎屑供给导致河流作用加强，浅水三角洲沉积体系快速向盆地南部推进[6]。苏东南地区盒8期处于辫状河向三角洲沉积体系过渡地带，属于辫状河三角洲沉积相[3]。

2 沉积微相特征

结合沉积学、岩石学、古生物化石以及测井相等沉积微相识别标志，并借鉴前人研究成果，认为研究区盒8段属于辫状河三角洲平原亚相，且识别出2种主要沉积微相：分流河道和泛滥平原。

2.1 分流河道微相及其识别标志

分流河道微相内所沉积的岩石颜色主要以灰白色、浅灰色及灰绿色为主，反映以氧化—还原环境为主。粒度中等—粗，主要为粗砂岩、含砾粗砂岩以及含砾中—细砂岩，砂岩内层理发育且规模相对较大，主要包括槽状、板状及平行层理等，反映水动力相对较强。该沉积微相内岩石的沉积粒序一般与正常河道环境下的类似，均以粒度向上变细的正粒序为主。该环境下古生物化石虽然不发育，但砂岩层理面上可见部分炭屑。测井上自然伽马曲线响应特征比较明显，常呈现出中—高幅度、具微齿化的箱型或钟型形态，在岩性发生变化的部位，自然伽马曲线的幅度显示出明显的回返(图2)。

2.2 泛滥平原微相及其识别标志

泛滥平原微相沉积岩石颜色以深灰色、灰黑色以及其他杂色为主，反映以还原环境为主。岩石类型主要为粉砂岩、泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩，常见块状层理、水平层理以及砂纹交错层理等，反映沉积水动力环境相对较弱。该环境下沉积的泥岩及炭质泥岩中可见大量的植物茎干或植物碎片的印模化石等，表明当时沉积环境气候较潮湿、植物生长比较繁盛。测井曲线上主要表现为自然伽马曲线呈明显的微齿状化或平直状，且曲线比较光滑，幅度相对较低(图3)。

图2 苏东南地区Z41井盒8段分流河道微相Fig.2 Identification features of distributary channel sedimentary microfacies of the 8th member of Shihezi Formation of the well Z41 in southeastern Sulige

图3 苏东南地区S157井盒8段泛滥平原微相Fig.3 Identification features of flood plain sedimentary microfacies of the 8th member of Shihezi Formation of the well S157 in southeastern Sulige

3 分流河道砂体叠置类型

河道的频繁摆动会导致砂体的宽度、厚度等发生明显变化。因此，砂体的垂向叠置关系及横向叠置类型能够有效地反映砂体形成时期的水动力特征、物源、沉积物的供给速率及沉积相垂向演化[12]。

依据钻井岩心观察、测井资料解释结果、砂体形态及砂体厚度等要素将苏东南地区盒8段砂体垂向叠置关系划分为块状厚层、多层叠置、分段互层与薄互层4个主要类型；横向叠置样式主要分为孤立砂体、垂向叠置、水平搭接以及切割叠置4类。

3.1 砂体垂向叠置关系

苏东南地区盒8段不同垂向叠置关系的砂体形态、砂体厚度及砂地比具有较大差异(图4)，反映了河道的迁移、可容纳空间变化、沉积物沉积速率等各不相同。

3.1.1 块状厚层 块状厚层砂体主要表现为砂体垂向连续性较好，单层砂体厚度相对较大(>8 m)，砂地比大于50%，自然伽马曲线表现为厚箱型(钟型)，曲线相对较平滑，基本无夹层，表明单期河道摆动幅度不大，沉积持续时间较长，河道较稳定，反映沉积物的可容纳空间较大，但其增大速率小于沉积物的沉积速率。

3.1.2 多层叠置 多层叠置砂体是由多层厚度2～4 m的单砂体组合而成，各单砂体之间被厚度小于2 m的泥岩夹层所分隔，此类砂体总厚度一般大于8 m，砂地比一般大于50%。自然伽马曲线通常整体表现为多段中—厚箱型(钟型)被多个具有明显回返的尖刀状所分隔，表明河道发生频繁的摆动，砂体发生多期次叠加，反映主河道较稳定的心滩沉积特征[13]。

3.1.3 薄互层 薄互层砂体是由多层厚度小于2 m的单砂体与多个单层厚度2～4 m的泥岩夹层互层形成的一套砂泥岩体系，总砂体厚度一般小于8 m，砂地比小于40%，测井曲线上自然伽马曲线一般表现为薄钟型夹明显回返的齿状，表明河道发生了多期次摆动，单期河道沉积稳定时间相对较短。

图4 苏东南地区盒8段砂体垂向叠置关系Fig.4 Vertical superimposition relation of the sandbodies of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

3.1.4 分段互层 分段互层砂体主要由多段厚度大于4 m的单砂体与多个单层厚度大于4 m的泥岩隔层形成的呈分段式分布的砂泥岩体系，其砂地比同样小于40%，测井曲线上自然伽马曲线一般表现为中等厚度的箱型(钟型)与具有明显回返的中等厚度钟型(箱型)分段分布，反映了分流河道同样发生了多期改道，但单期河道沉积稳定时间相对较长。

3.2 不同垂向叠置类型的砂体分布

统计分析研究区内近125口采气井的砂体垂向叠置类型，发现苏东南地区盒8上和盒8下亚段砂体叠置类型频率分布相似，即均以多层叠置砂体(分别为39.7%和42.4%)和分段互层砂体(30.1%和26.6%)为主，其次为薄互层砂体(19.9%和16.7%)和块状厚层砂体(10.3%和14.2%)(图5(a))，表明研究区盒8期的分流河道大多发生了多期次摆动。

不同垂向叠置类型的砂体个数在盒8上亚段与盒8下亚段表现出明显的差异，尤其以多层叠置砂体和分段互层砂体表现最为显著。其中盒8上亚段的分段互层砂体、薄互层砂体、多层叠置砂体及块状厚层砂体个数分别为41个、28个、54个、14个，而盒8下亚段不同垂向叠置类型的砂体个数均高于盒8上亚段，分别为86个、54个、137个、46个，表明盒8下亚段砂体整体比盒8上亚段发育(图5(b))。

3.3 砂体横向叠置关系

分流河道的迁移、水动力条件的强弱以及沉积物供给量大小是控制分流河道砂体横向叠置关系的关键因素。利用野外露头观察方法共识别出研究区盒8段分流河道砂体横向叠置关系主要包括孤立砂体、垂向叠置、水平搭接以及切割叠置4类(图6)。

图5 苏东南地区盒8段不同垂向叠置关系的砂体分布Fig.5 Distribution of the sandbodies with different vertical superimposition relation in the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

3.3.1 孤立砂体 当河道迁移次数较少、迁移量小、沉积物供给不足时，河道边部的砂体往往会呈孤立状分布。孤立状河道砂体主要发育于河道(分流河道)边侧部位或决口扇地带，因而造成单期河道(分流河道)砂体纵向上沉积厚度相对较小，横向上延续距离短，沉积后常被泛滥平原或分流间湾的泥质沉积所覆盖。所以，孤立砂体在横向上连通程度相对较低[12]，在纵向上连通性同样较差。研究区内此类砂体主要分布于盒8上亚段，砂体发育规模一般较小。

3.3.2 垂向叠置 当河道迁移次数较少，水动力强、沉积物供给相对充足时，河流环境的多期河道或三角洲环境的多期分流河道垂向冲刷叠加作用会形成垂向叠加厚砂体，但横向上砂体连续距离相对较短。此外，此类叠置关系的砂体在岩性上常常表现为后一期河道发育期沉积的含砾砂岩直接叠加在前一期河道沉积的中-细砂岩之上。相邻两期的不同河道砂体垂向上紧密相邻、相互叠置，大大增加了砂体的垂向连通性[12]，但砂体的横向连通性相对较差。此叠置类型的砂体主要发育在研究区盒8下亚段。

3.3.3 水平搭接 当河道迁移次数相对较少，水动力条件相对较弱时，后期河道边部冲刷前期河道的边部，使得两期河道砂体的边部形成搭接关系，砂体剖面上彼此对接，平面上并行流过[14]，形成水平搭接式砂体，垂向上没有切叠关系。水平搭接砂体的横向连通性较好，横向展布距离大大增加，但纵向上砂体厚度并无太大变化，且连通性相对较差。此类砂体主要分布于研究区盒8上亚段。

3.3.4 切割叠置 当河流频繁改道，水动力强、沉积物供给量较大时，河流环境的多期河道或三角洲环境的多期分流河道侧向冲刷切割作用加强，会形成切割叠置砂体。呈此类叠置关系的砂体在岩性上同样表现为后一期河道发育期沉积的含砾砂岩直接叠加在前一期河道沉积的中-细砂岩之上。相比垂向叠置型砂体，切割叠置型砂体之间的夹层并不明显[15]，纵向上砂体厚度较大，横向上砂体延续距离较远，因此，其垂向和横向连通性均较好，是研究区盒8段对储层最有利的一种砂体横向叠置类型。

图6 苏东南地区盒8段辫状河三角洲砂体横向叠置模式Fig.6 Horizontal superimposition patterns of the braided river delta sandbodies of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

4 砂体叠置样式与气水分布关系

4.1 盒8段气水分布

多井砂体剖面图显示(图7)，苏东南地区盒8下亚段的砂体在发育程度、纵向和横向连通性等方面均好于盒8上亚段。盒8下亚段储层中主要为气层与含气层分布，含水层或水层分布较少，且气层的横向连通相对较好；而盒8上亚段则以含气层、气水同层或干层为主，且横向上多呈孤立状分布，连通性相对较差。因此，盒8下亚段的储层含气性整体比盒8上亚段好。

4.2 砂体叠置关系对气水分布的影响

4.2.1 砂体垂向叠置关系对气水分布的影响 研究区盒8段砂体的垂向叠置关系主要包括块状砂体、多层叠置砂体、薄互层砂体以及分段互层砂体。由于不同的叠置关系所代表的沉积环境不同，从而也会造成砂体内气、水富集的差异。多层叠置砂体代表单期河道摆动幅度不大，河道沉积持续时间长，沉积物供给充足，河道发育及沉积物沉积均较稳定；分段互层砂体代表分流河道发生过多期改道，但单期河道的持续时间以及沉积物沉积时间相对较长。因此，从砂体叠置类型与气水分布关系(图7)可以看出，这2种垂向叠置关系的砂体组合是研究区盒8段天然气富集的优质砂体叠置类型组合。从分布频率上来讲，盒8上亚段与盒8下亚段砂体垂向叠置类型均以多层叠置和分段互层砂体为主。但从数量上来看，盒8上亚段相同叠置类型的砂体个数远少于盒8下亚段，即盒8上亚段优质砂体的规模及数量均远小于盒8下亚段，这也可能是造成盒8上亚段气层不发育的一个重要因素。

4.2.2 砂体横向叠置关系对气水分布的影响 砂体叠置样式与气水分布关系(图7)显示，盒8上亚段砂体发育规模较小，横向叠置关系主要以孤立砂体与水平搭接砂体为主；盒8下亚段则主要为垂向叠置及切割叠置砂体。不难看出，孤立砂体与水平搭接砂体内天然气分布较少，仅见少量气水同层分布，可能是由于孤立砂体垂向及横向连通性均较差，而水平搭接砂体虽然在横向上具有一定连通性，但垂向上连通较差，因此，在孤立砂体底部以及水平搭接砂体边部往往具有一定的水层分布，但天然气较少富集。而盒8下亚段天然气主要富集在垂向叠置与切割叠置砂体内，这可能是由于垂向叠置砂体经过多期分流河道冲刷叠置导致在垂向上形成良好的岩性—物性组合，有利于天然气富集；切割叠置砂体则是由于多期分流河道侧向冲刷叠置导致砂体不仅在横向上具有较好的连通性，而且在垂向上也能够形成相对较好的岩性—物性组合，有利于天然气聚集。

图7 苏东南地区盒8段砂体叠置样式与气水分布关系Fig.7 Relationship between the sandbody superimposition pattern and gas-water distribution of the 8th member of Shihezi Formation in southeastern Sulige

5 结 论

(1)苏东南地区盒8期主要发育辫状河三角洲平原亚相的分流河道与泛滥平原微相。砂体的垂向叠置关系以多层叠置和分段互层砂体为主，其中盒8上亚段同类型砂体个数远小于盒8下亚段；盒8上亚段砂体的横向叠置类型主要为孤立砂体及水平搭接砂体，而盒8下亚段主要为垂向叠置及切割叠置砂体。

(2)苏东南地区盒8段砂体垂向叠置关系中的多层叠置与分段互层砂体组合是天然气分布的优质砂体组合，横向叠置关系中的垂向叠置及切割叠置砂体是天然气富集的主要砂体类型，孤立砂体底部及水平搭接砂体的边部多发育水层。