河流相沉积导向在大南湖某煤矿水文地质条件评价中的作用研究

李攀峰

(中煤地质集团有限公司，北京 100040)

0 引言

河流相是陆相和海陆交互相的主要形式，在中国中—新生界陆相沉积盆地中，河流沉积分布广泛，例如陕甘宁盆地侏罗系、松辽盆地白垩系、渤海湾盆地新近系、准噶尔盆地侏罗系和塔里木盆地新近系等。河流沉积是石油重要储集层，据不完全统计，河流相的石油储量的占到了中国目前已开发油田动用储量的一半左右[1-3]。河流相地层也是主要的含水层，我国几乎所有井筒水害事故都发生在新生界河流相砂质含水层[4]。因此，地学界对河流沉积环境和沉积相的研究程度很高[5]，利用河流相的沉积导向指导水平井定向钻进已经在油气勘探阀门得到了应用，显著地减少了钻孔的无效进尺，提高了钻孔的出油率和产量[6]。作者将河流相的沉积导向作用应用于新疆吐鲁番大南湖煤矿井筒区的新生界水文地质条件评价中，否定了前期勘探对葡萄沟组贫水的结论，对含水层进行了精细化描述,划分出上中下三个含水层,得出中含水层为强富水的结论，并得到了生产的验证，笔者认为，河流相沉积导向对区域水文地质条件的分区评价具有很大的指导意义。

1 矿区地质和水文地质

1.1 地质

矿区地层属天山-兴安岭地层区，北天山、中天山地层分区之吐鲁番、觉罗塔格及卡瓦布拉克地层小区。地层由老到新为：

中生界侏罗系西山窑组(J2x)，平均厚度71m，岩性以湖沼相为主，夹河流相、三角洲相沉积的灰白色、浅灰色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩夹砂岩、煤层，底部常见砾岩。

新生界新近系葡萄沟组(N2p)，厚度为208m，为褐红色、红黄色粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，底部常见砾岩，井田内大面积出露，近水平状产出，强氧化条件下河湖相沉积。笔者将组内地层又进一步地分为四组，其中Ⅱ段和Ⅲ段厚度最大，分别为62,45m和81.47m，为河流相地层，是本文的研究重点。

井田位于中新生代吐哈山间坳陷盆地南部隆起带的大南湖浅凹陷东侧北部。大南湖凹陷总体呈一复向斜构造，走向近东西，南缓北陡。井田总体为一向南倾的单斜构造，南部地层产状缓，北部隐伏露头附近产状陡，局部发育有宽缓的次级褶曲，断层不发育。

1.2 水文地质

由于强含水层是否存在在勘探阶段没有查明，矿区的水文地质条件存在着很大的争议。在井田勘探报告中，认为本矿区所在的大南湖水文地质单元属于干旱气候，矿区既无地表水体，又缺乏降水补给，属相对独立、封闭、贫水的水文地质单元。在井田勘探报告中把葡萄沟组当作一个含水层处理，单位涌水量q=0.041 1～0.042 5L/(s·m)，属弱含水层；第一次井检水文勘查得到q=0.003 767～0.431 3L/(s·m)，为中等富水含水层。而在第二次井检水文勘查中，把葡萄沟组含水层分为上下两段进行抽水试验，得到上段q=0.992 1～4.196L/(s·m)，下段为2.229L/(s·m)，为强含水层。由于历次勘探没有分析葡萄沟组的沉积环境，导致三次水文勘查对葡萄沟组含水层富水性结论不一，含水层充水机理不清,难以指导生产，使得开拓中的主、副、风井3个井筒严重突水或被淹，造成巨大经济损失。

2 葡萄沟组沉积环境分析

2.1 层序及结构分析

井筒区域共有13个钻孔，揭露地层平均厚度208m，总体呈现中间厚南北薄的变化规律。笔者将其自下而上划分为四个层段，每个层段粒度总体向上由粗(砾或粗砂岩)到细(泥岩或粉砂岩)。四个岩段分别以灰白色砾岩或粗砂岩开始，以二层较厚的泥岩结束(图1)，具有典型的二元结构。

图1 根据岩相对葡萄沟组岩段划分Figure 1 Putaogou Formation lithozone partitioning based on lithofacies

Ⅰ层段：厚度从8.58～50.15m。该岩段河流相沉积，河道从本区中间向东西穿过，沉积物自下而上显示为薄层砾岩→含砾粗砂岩或厚层状粗-中粒砂岩反复叠加的正韵律层理，每个韵律厚5～10m；砂岩中偶夹薄层灰绿色泥岩沉积，可见明显的水蚀孔洞，空隙发育，结构疏松，泥质胶洁，反映为河道中多次洪水泛滥且水动力较强的冲刷充填沉积。河道南部从堤岸相过渡为以灰白色粗粒砂岩-粉砂岩为主的河漫滩沉积。河道北部以灰白色块状粉砂岩为主的河漫滩沉积，并有洪水泛滥垂向加积产物。岩段顶部普遍发育有一层泥质粉砂岩。

沉积物显示该岩段粒度由下而上由粗-细的变化，含砂率高，在补勘1、补勘5、主检5、补6等钻孔中，该岩段含砂率(砾岩-中砂岩)分别达到80%、100%、70%、80%。补勘1的粒度概率曲线呈上拱弧形(如图2a)。沉积物主要由悬浮总体组成，分选差，反映沉积时流体类型为泥石流(碎屑流)、颗粒流。该曲线在辫状河心滩、分汊河河道砂坝及决口扇、曲流河决口扇中可见。

Ⅱ岩段：厚度从52.95～66.95m，和Ⅰ层段类似，西薄东厚，岩层中含砂率也是中部高南北低。该岩段底部为灰白色钙泥质胶结的中砾岩-含砾中砂岩。标志着冲积扇河流携带的大量粗碎屑物质溢出河道沉积的板片状砂岩-砾岩，即决口扇沉积，向上过渡为以灰白色、褐红色粉砂岩为主的河漫沉积环境。但在补勘1、风检6、补勘2等区西部钻孔中，该岩段中上部含多层砾岩、含砾粗砂岩、含砾细砂岩等，为洪水泛滥泥石流沉积物，呈透镜状产出。本岩段顶部为全区发育的比较稳定的一层褐红色泥岩，局部为砂质泥岩，阻隔了Ⅰ、Ⅱ岩段与Ⅲ岩段的水力联系。

Ⅲ岩段：厚度72.52～88.85m，中部厚，南北薄。在沉积早期为近源冲积扇沉积环境。河道从区内中部自西偏北向东偏南方向。河道中充填沉积粗粒碎屑岩，以补勘1为代表，自下而上均为砾岩或粗砂→细砂或泥岩的正粒序韵律层理，不断重叠。在平面上岩石粒度由西向东从砾岩变细为粗砂岩。河道内含砂率均较高，补勘7、补勘1、副检2、风检6钻孔中达到71%、55%、48%、41%，反映了河水浅水动力强的特点。河道两侧均为河堤岸、河漫滩沉积，粒度由粗到细粒砂岩、泥岩的反复重迭的正粒序沉积。补勘1的粒度分析曲线呈过度式(图2c)。此类粒度概率累积曲线包括含量较高、斜率较大的跳跃组分和斜率较小的悬浮总体, 具有典型的牵引流沉积特点,主要发育在分汊河及曲流河边滩中。本岩段砂层厚度和含砂率是中部后，向南部和北部变薄，如图3和图4所示。

a b c图2 补1孔葡萄沟组粒度概率曲线Figure 2 Putaogou Formation particle-size probability curve in borehole No.B1 a---Ⅰ岩段粒度概率曲线；b---Ⅲ岩段粒度概率曲线；c---Ⅵ岩段粒度概率曲线-

图3 Ⅲ岩段等厚线Figure 3 Isopach of lithozone III

图4 Ⅲ岩段含砂率及岩性分布Figure 4 Lithozone III sediment charge and lithologic distribution

Ⅲ岩段濒繁发生的洪水具有较强的水动力，高于Ⅰ、Ⅱ岩段，使岩段内尤以底部和中上部的砂、砾岩为泥质接触式胶结，胶结程度差，孔隙发育、结构疏松，岩心水泡或稍风化即散为散沙，使岩石具有较强的渗透性能。

Ⅵ岩段：厚度18.20～49m，为冲积扇平原河流沉积。河道位于井筒区域中部，河道南北部以河漫沉积为主，河道充填淤积后过渡为河漫滩。河道中充填沉积细砾岩、粗砂岩为主，向上过渡为中砂岩、细砂岩。河漫滩沉积主要为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩或砂泥岩互层夹细砂岩，粒度概率曲线呈两段式(图2c)，本岩段顶部沿古河道方向再次河道冲刷充填，沉积砾岩、粗砂岩。

2.2 沉积环境的测井曲线效应

图5 “钙刺”曲线Figure 5 Logging traces “calcium spine”

图6 岩段Ⅱ与岩段Ⅰ自然r曲线的对比Figure 1 Comparison of natural gamma-ray traces in lithozones II and I

图7 矿区古河道位置Figure 7 Mine area paleochannel position

Ⅱ岩段的视电阻率曲线测井曲线显示高低突变的刺状。反演了位于冲积扇前端的沉积物中的地下水在干旱气候下，向下渗移的同时又高速蒸发，水中钙等的碳酸盐很快达到饱和析出于砂岩、砾岩、粉砂岩中，或成为胶结物，使该层中下部岩层钙含量较高，在视电阻率曲线上表现为突出“钙刺”，见图5，佐证了前面对沉积环境的分析。本岩段顶部的自然电位、密度、视电阻率、声波等测井曲线近乎一直线(图6)，反映了该泥岩的成份比较均一。岩心显示为褐红色泥岩，局部为砂质泥岩，偶夹细、粉砂岩薄层。该层位为高水位体系域沉积，距源区较远，为干旱气候下地质运动比较稳定时的河漫湖泊沉积，偶受洪水泛滥冲沟沉积。厚度12.87～35.6m，该层泥岩阻隔了Ⅰ、Ⅱ岩段与Ⅲ岩段的水力联系。

Ⅲ岩段顶部岩层的视电阻率值平均值高于Ⅱ岩段顶部泥岩近20M·Ω,且曲线有小波状起伏，说明了泥岩中砂质含量高且分布不均，局部隔水性能比较差，为Ⅲ岩段与Ⅵ岩段的水力联系提供了通道。在井筒区域内发育一层相对稳定的褐红、块状泥岩-粉砂岩层河漫沉积。厚度变化大，为3.55～22.85m，结合视电阻率测井曲线，再次表明Ⅲ岩段与Ⅵ岩段具备水力联系的条件。

综上所述，研究区的葡萄沟组为山间盆地边缘的冲积扇内的辫状河沉积环境，层序分析显示多循环的沉积建造，每一个循环都具有由粗到细典型的河流相二元结构。层序分析还显示，尽管河道有所摆动，但井筒区在葡萄沟组的四段中都有发育，是主河道的叠加沉积区域。河道的位置如图7所示。粒度分析显示在Ⅰ和Ⅱ岩段，河流的水动力最强，粗砂级含量最高，泥质含量最低。

3 沉积导向对井筒区水文地质条件评价的意义

3.1 含水层划分

葡萄沟组山间盆地边缘的冲积扇沉积环境决定了该沉积单元不论发育有辫状、鸟足状还是网状河流，该区域都存在着多条古河床。沉积相分析显示葡萄沟组在井田北部、中部和南部由西向东发育有3条古河流，中部河流流经井筒区。河流沉积相和展布规律便可成为评价井田区水文地质条件的导向。

根据沉积导向可以把葡萄沟组划分为上、中、下三个含水层。

上部含水层(上含)包括Ⅵ岩段。平均厚度35.48m左右，分布稳定。水位深度为25.83m，水位标高为699.04m，泥质胶结，结构疏松冲洗液消耗量较小，富水性强等。

中部含水层(中含)为Ⅲ岩段。含水层平均厚度65.13m，分布稳定；水位深度为25.87～28.10m，含水层多为粗-砾粒组成，分选差，中上部砂、砾岩为泥质接触式胶结，孔隙发育、结构疏松，冲洗液消耗量最大，富水性强。

下部含水层(下含)包括Ⅱ岩段与Ⅰ岩段。含水层总平均厚度72.87m；水位深度35.74～39.40m，Ⅰ岩段和Ⅱ岩段砂岩、砾岩为钙质或钙泥质胶结，岩性完整，比较致密，为半成岩状。冲洗液消耗小，抽水试验显示Ⅱ岩段与Ⅰ岩段含水层水位一致。富水性弱。

3.2 抽水试验对井筒区域含水层的富水性的验证

通过井筒区域内8个水文钻孔，分别对上含、中含、下含三个含水层进行了12层次的抽水试验。抽水成果如表7所示。上部含水层单位涌水量3.28 L/(s·m)、渗透系数为17.37m/d。中部含水层单位涌水量1.18～2.94 L/(s·m)、渗透系数为7.81～23.97m/d；下部含水层单位涌水量0.008～0.072 L/(s·m)、渗透系数为0.04～0.77m/d，显示富水性弱，水位恢复较慢。验证了沉积相分析结果。

沉积相分析和抽水试验都显示中部含水层(Ⅲ岩段)的砂层厚度比例最大，弱胶结，富水性最强，是井筒防治水的重点。

3.3 井筒施工的验证

大南湖某矿矿建中主、副、风井全部发生了突水淹井灾害，其中主井突水位置在古河床中偏北的补勘5与补4中间，垂深110m的中部含水层下部。突水水文地质原因分析主要有二点：一是在突水前6d，距离出水点水平距离160.6m的水文补勘补5孔，开始对95～135m层段即中含下部进行了为期6d的抽水试验，共抽出水量3 595m3，影响半径R=320m，抽水试验使得中含地下水流速加快，造成冻结失败。二是浇灌混凝土时产生水化热，迎头井帮温度急剧上升，达13℃，导致冻结段融化。上述综合因素使得已浇灌完成的井壁后形成导水通道，地下水涌出，最高涌水量达475 m3/h。风井集中出水点11处，主要在井壁垂深100～140m即中部含水层的中、下部，涌水量最大为58m3/h。副井开拓进入上含后见水，以后水量逐渐增大至128.4 m3/h，进入冻结段之后涌水量基本在98～50m3/h，2013年12月在刚开拓进入中含时，停止施工时涌水量75.3m3/h。

3个井筒的突水淹井印证了河流相的沉积导向对井筒区水文地质条件评价的正确性。

4 结论

在新疆大南湖某矿区共进行过地质勘探、第一次和第二次井筒检查孔勘探共3次勘探仍然无法对井筒区水文地质条件做出正确评价导致3个井筒被淹后，笔者根据岩心和测井资料，对葡萄沟组进行了沉积环境分析，得出如下结论：

1)大南湖某矿区的葡萄沟组属于冲积扇的沉积环境。

2)葡萄沟组存在着3次明显的沉积旋回，每一个旋回沉积物都体现着颗粒从粗变细的正韵律，为典型的河流相二元结构，粒度分析曲线和测井曲线都显示为冲积扇河流相沉积模式。

3)河流相沉积为矿区的水文地质评价提供了导向，认为矿区存在着3条古河道，其中一条通过井筒地区；粒度分析显示中部含水层(Ⅲ岩段)砂层占比高，砂层厚度大，结构松散，为良好的含水层；下部含水层胶结较好，为半成岩状态，为较差的含水层。抽水试验证实了沉积分析的结论。

4)水文地质勘探和井筒的突水灾害证明沉积导向分析对矿区水文地质条件的精细化划分具有重要指导作用。

5)沉积环境分析是厚-巨厚含水层精细化探查和研究的重要方法，应成为水文地质工作重要的基础手段，具有应用推广的价值。