鄂尔多斯盆地杭锦旗地区晚古生代盆缘古地貌控砂及油气勘探意义

胡华蕊，邢凤存，齐 荣，王 超，刘晓晨，陈 林，陈孝全

(1.油气藏地质与开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 沉积地质研究院，成都 610059； 3.中国石化 华北油气分公司 勘探开发研究院，郑州 450006；4.中国石化 江汉油田分公司 勘探开发研究院，湖北 430223； 5.中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074； 6.中国地质大学 资源学院，武汉 430074；7.武汉地质调查中心，武汉 430205)

近些年，地处鄂尔多斯盆地上古生界生气中心边缘的大牛地亿吨级大气田的发现[1]及其北部杭锦旗探区(图1)[2]的油气勘探重大突破[3]，都指示了盆地北部石炭系—二叠系致密砂岩良好的油气勘探前景。由于处于沉积期盆地边缘带，相比盆地腹部，杭锦旗地区上古生界砂体展布规律尚待揭示。

前人以组段为单元[3-7]，对杭锦旗地区上石炭统太原组、下二叠统山西组和中二叠统下石盒子组(图2)开展了沉积、储层和油气成藏等方面的综合研究[8-10]，但针对盆地沉积边缘地区、以河道为主的致密储集砂体的精细时空动态展布和演化，及其与沉积期古地貌演化的相关性还有待揭示。本文将为鄂尔多斯盆地北部乃至类似背景条件下的致密砂岩时空配置研究及油气勘探提供支撑和参考。

1 地质概况

晚加里东—海西运动早期，鄂尔多斯盆地经历了普遍的构造抬升剥蚀[11]，受晚古生代南北两侧中亚—蒙古海槽和秦岭海槽扩张—俯冲消减等过程影响[12]，海陆变迁[5]，晚石炭世海水从东西两侧退去，太原组沉积晚期大量陆源物质从东北和西北进入盆地，山西组沉积期盆地周缘海槽消亡，形成陆内坳陷[13]。太原组和山西组沉积期气候湿润、沼泽发育，是重要的成煤期，而下石盒子组沉积期气候转为干燥炎热，形成了河流—湖泊三角洲沉积[14]。

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北缘，以中部泊尔江海子断裂为界，跨越了伊陕斜坡和伊盟隆起2个一级构造单元(图1)。该区晚古生代位于阿拉善—阴山古陆边缘带[15]，在太古界变质岩基底以及古生界碳酸盐岩(奥陶系为主)地层之上，北部物源供给[5，16]，沉积了太原组、山西组(山1段、山2段)和下石盒子组(盒1段、盒2段、盒3段)等地层，区内缺失上石炭统本溪组。前人认为太原组沉积期主要为扇三角洲平原沉积[4，17]，山西组沉积期主要为冲积扇[4]、冲积平原[5]、辫状河[4]和(辫状河)三角洲平原沉积[8，19]，下石盒子组沉积期为冲积平原[6]、冲积扇—辫状河[4，19]—三角洲平原沉积[6]。研究区太原组和山西组是煤层发育层段(图2)。

图1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区研究区位置及现今构造背景构造单元底图据参考文献[2]修改。Fig.1 Location of study area and present tectonic units in Hangjinqi area, Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界综合柱状图Fig.2 Composite columnar section of Upper Paleozoic in Hangjinqi area, Ordos Basin

2 古地貌恢复及特征

杭锦旗地区地震品质可以满足组、段级别的地层对比[9]及一定程度上的储层预测需求[20]，为三维古地貌恢复提供了良好条件；而连井地层对比也可以有效指示地貌特征。古地貌恢复与砂体展布结合，将更有效揭示古地貌与砂体响应关系。

2.1 方法及精度选取

研究区晚石炭世—中二叠世均位于盆地边缘[5]，且以陆相—海陆过渡相沉积为主。该部位主要为补偿沉积，同时，地层对比和地震剖面均未发现太原组—下石盒子组内部存在明显的地层剥蚀，因此，现今地层厚度可以有效反映沉积期地貌总体格局[21]。

考虑地震剖面(图3)能够有效区分太原组—山西组、盒1段、盒2段—盒3段，本次针对太原组底界、盒1段底界及盒2段底界3个界面进行了地层解释和层位闭合及基于地层厚度的古地貌恢复，而连井地层对比(图4)可作为辅助参考。

2.2 古地貌特征

在太原组和山西组沉积期(图5a)，以泊尔江海子断裂(后文简称断裂)为界，具有明显的北部区东西向沟谷纵横(沟1—沟5)、南部区东西向隆洼相间格局，而断裂南部以J46井—J54井隆起部位(隆3)为界，将研究区分为东西2个向南呈喇叭口形的低洼区(洼1+洼2、洼3)，西侧又以J57井西隆起部位(隆1)为界，分隔出洼1和洼2两个次一级低洼区。盒1段沉积期(图6a)，总体继承了太原组—山西组沉积期地貌格局，仍一定程度上存在南北向、向南倾没的低缓隆起(低隆1、低隆2、低隆3)，但向南张开的喇叭口形向北退去，且地貌趋于平整化。与前2个阶段相比，盒2段沉积期地貌(图7a)明显平缓，隆洼格局已不明显，但微地貌起伏普遍。从太原组—下石盒子组沉积期，研究区经历了具有继承性的从隆洼相间、沟谷明显到逐渐平整化的演化过程，而该结构在钻井对比上(图4)也具有明显的对应性。图4展示了泊尔江海子断裂北部沟谷起伏明显，以该断裂为界，地层逐渐向北超覆，山1段沉积晚期完成了全区超覆；山2段—盒3段沉积期，地貌逐渐平整化，南北差异性已经不明显。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区北东向地震剖面及地层解释剖面位置见图1A。Fig.3 NE-oriented seismic profile and interpretation in Hangjinqi area, Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区太原组—下石盒子组层序地层和砂体连井对比a.泊尔江海子断裂以北垂直物源剖面(位置见图1B，地貌单元名称见图5a)；b.跨泊尔江海子断裂顺物源剖面(位置见图1C)Fig.4 Correlation of sequence stratigraphy and sandbody distribution from Taiyuan Formation to Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

综上分析，将研究区古地貌演化划分为3个主要阶段，即太原组—山1段的沟谷超覆充填阶段、山2段—盒1段的隆洼继承性填平阶段和盒2段—盒3段均一平整阶段。

3 砂体展布及古地貌响应

为了减少因组、段内部多时期砂体叠置而造成的储集砂体平面展布规律模糊化影响，更为精细地揭示砂体的时空结构及分布规律，本文在三级层序划分基础上，进行了准层序组级别的地层划分与对比。其中三级层序划分为7个，除盒1段划分为2个三级层序外，太原组、山1段、山2段、盒2段和盒3段各划分为一个三级层序(图2，4)。每个三级层序均具有典型的底砂上泥的垂向结构(图2，4)，顶部泥岩横向更为稳定(图4)。准层序组是在三级层序基础上的次一级旋回，可进一步识别出进积型和退积型两类。本文在太原组—下石盒子组共划分出21个准层序组(图2，4)。在准层序组对比基础上，开展了砂体连井对比，并针对各组、段精选代表性准层序组进行了平面沉积相和砂体展布的编图分析(图5，6，7)。

从图4可以看出，3个地貌演化阶段形成了对应的砂体配置结构：下部太原组—山1段的沟谷超覆充填阶段，地貌起伏明显，太原组地层向北超覆明显(图4b)，沟谷区(洼)是砂体聚集区，形成了垂向加积的砂体叠置结构(图4a)；山2段—盒1段隆洼继承性填平阶段，砂体横向连续性明显增强，早期的隆起部位也堆积了砂体，但厚砂体区仍然分布在低洼带，形成了垂向加积—横向摆动组合的砂体叠置结构；盒2段—盒3段均一平整阶段，在地貌总体均一化的背景下，砂体厚度明显减薄，泥岩厚度明显增加，甚至表现为“泥包砂”结构，砂体的分布与早期沟谷对应性趋于不明显，砂体成透镜状横向摆动。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区太原组—山1段古地貌和砂体展布Fig.5 Paleogeomorphology and sandbody distribution from Taiyuan Formation to first member of Shanxi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

从砂体平面展布图(图5,6,7)可以看出，砂体总体具有由北向南延伸特点，不同层位砂体展布具有差异性。图5b展示的太原组PSS21准层序组沉积相及砂体展布，显示该套地层主要分布在泊尔江海子断裂南部，其北部仅有少量沟谷内沉积了太原组，以J57井、J46井—J54井为界，形成了3个近南北向的砂体集中区。该沉积期在泊尔江海子断裂沟谷发育区附近存在冲积扇沉积，而在南部以辫状河三角洲平原沉积为主。图5c展示山1段PSS17准层序组沉积期，砂体沉积明显跨越泊尔江海子断裂向北扩展，仅北部少量地区为剥蚀区，山1段砂体仍以南北向为主，具有一定的向南发散特点，砂体集中部位仍总体表现为以J57井、J46井—J54井为分界，形成了3个砂体集中区。该时期沉积环境主要为冲积扇—辫状河—三角洲平原沉积，北部剥蚀区边部砂体明显向东变宽，指示了冲积扇发育部位。与前2个时期相比，盒1段PSS11准层序组沉积期砂体分布面积及厚度明显扩大(图6b)，反映了一期明显的物源增强，但仍以J57井、J46井—J54井为分界，划分为东西向3个砂体集中区。该阶段研究区均为沉积区，主要为辫状河沉积。盒2段PSS5准层序组沉积期(图7b)，为曲流河—辫状河过渡沉积，砂体明显变窄，且砂体厚度明显减薄，仅在东部和中部2个地区具有一定的砂体厚度集中。到盒3段PSS1准层序组沉积期(图7c)，砂体横向的分带结构已经消失，该时期主要为曲流河沉积，相干体分析显示了明显的河道弯曲—高弯度结构(图7d)。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区盒1段古地貌和砂体展布Fig.6 Paleogeomorphology and sandbody distribution in first member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

需要指出的是，除以上砂体时空展布总体规律，在每个三级层序内部均存在由下向上砂体厚度减薄、宽度变小、砂泥比减少的结构，甚至是在山西组内部也存在该特征(图2，4)。

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区盒2段—盒3段古地貌和砂体展布Fig.7 Paleogeomorphology and sandbody distribution from second to third member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

综合以上分析，认为古地貌格局与砂体存在明显的相关性，太原组—盒1段断裂北部沟谷(沟1—沟5)是主要物源输送通道，南部3个低洼区是3个主要砂体汇聚中心(洼1—洼3)。垂向上太原组—山1段的沟谷超覆充填阶段，泊尔江海子断裂明显控制了太原组沉积范围；山2段—盒1段隆洼继承性填平阶段，继承性的沟谷及低洼部位仍然是控制砂体发育的重要部位；盒2段—盒3段均一平整，地貌的平缓化使得早期沟谷带已经难于控制砂体分布，转而形成摆动明显的河道砂体，但微地貌低洼部位是砂体发育部位。以上古地貌特征及沉积响应，在一定程度上揭示泊尔江海子断裂在太原组—山1段的沟谷超覆充填阶段可能存在活动性，而到后面2个阶段处于平静期。

4 油气勘探意义

上述的古地貌及砂体分析，指示了砂体在不同古地貌演化阶段内的分布位置和结构，该认识对油气勘探具有一定的指示意义。首先，能够明确不同层位砂体的分布主体区，太原组砂体主要分布在泊尓江海子断裂南部，而太原组—山1段砂体主要分布隆起部位分隔的低洼地区。同时，古地貌演化限定了砂体的分布与叠置关系，即太原组—山1段沟—洼限制型砂体、山2段—盒1段低洼汇聚型砂体和盒2段孤立型砂体。山2—盒1段砂体可成为有利的油气运移通道及油气跨过泊尓江海子断裂向北运移通道，而孤立的砂体则成为油气聚集的目标。需要指出的是，每个层序顶部泥质的增多及砂体的孤立化，有望在3个低洼地区的太原组—山西组各三级层序顶部形成良好岩性圈闭。

5 结论

(1)太原组—下石盒子组具有3个古地貌演化阶段：太原组—山1段的沟谷超覆充填阶段、山2段—盒1段隆洼继承性填平阶段和盒2段—盒3段均一平整阶段。前者指示了泊尔江海子断裂的活动期，后2个阶段为稳定期。

(2)太原组—下石盒子组及每个三级层序内部均具有砂体发育程度向上减弱趋势。

(3)不同地貌演化阶段形成了不同的砂体空间结构：沟谷超覆充填阶段，沟谷输砂、低洼聚砂明显，砂体主要堆积在沟谷区，且以加积为主；隆洼继承性填平阶段，低洼区是连片砂体的主体分布区；而均一平整阶段，孤立摆动性砂体发育。

致谢：本文早期图件和数据整理得到了中国地质大学(武汉)和成都理工大学硕、博士生的支持，在此致以衷心感谢！