鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组沉积特征

魏嘉怡，王红伟，刘 刚，李 涵，曹 茜

（1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018）

0 引言

鄂尔多斯盆地作为我国的大型含油气盆地之一，蕴藏着丰富的油气资源［1-3］。其西缘冲断带由于构造类型多样、油气成藏条件复杂［4-6］，长期以来成为油气勘探和地质研究的焦点地区。以往研究人员对鄂尔多斯盆地西缘进行过大量的野外剖面观察，证实了羊虎沟组地层较厚，烃源岩条件优越，具备源内致密储层成藏潜力大的特征［7-8］。忠6 井在羊虎沟组试气获2 052 m3/d 的低产气流［9］，揭示了羊虎沟组具有较大的源内致密气成藏潜力，是未来非常规气勘探的有利目标区带。

油气的分布及沉积体系与古地理环境具有密不可分的关系［10-12］，沉积相特征及环境演化的研究对于寻找油气分布有利区、明确下一步油气勘探的方向具有重要意义。由于研究范围的局限性以及对沉积模式认识的差异，不同学者对鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组砂体成因与沉积体系的认识有所不同。大部分学者认为羊虎沟组主要发育潮控三角洲和障壁海岸沉积体系［13-14］，也有学者认为还发育浅海陆棚和扇三角洲沉积体系［15］。受构造运动影响，鄂尔多斯盆地西缘沉积环境变化频繁，对羊虎沟组砂体的形成和沉积过程认识不清，从而制约着羊虎沟组未来的勘探开发进程［16］。前期对羊虎沟组沉积环境与沉积相带的研究多限于野外地质露头［17-18］，缺乏钻井沉积相带的分析资料。本次研究根据鄂尔多斯盆地西缘韦州—石沟驿向斜区忠1、忠6、韦参1 井等资料，在综合分析羊虎沟组钻井、录井、测井及地震资料的基础上，应用岩石学、微量元素、古生物、地球化学等资料，对羊虎沟组沉积相特征和展布规律进行系统研究，以期对该区羊虎沟组勘探潜力的评价提供一定依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地西缘冲断带地处阿拉善地块、鄂尔多斯地块及祁连—秦岭褶皱带三大构造单元交汇处［19-20］，叠置于华北克拉通西部与贺兰山坳拉槽上（图1a）。构造带为一近南北向展布的狭长条带，长约600 km，宽约50～100 km，面积约15 000 km2［21-22］。受祁连—秦岭造山带被动大陆边缘与阿拉善古陆活动大陆边缘的共同影响，羊虎沟组沉积期鄂尔多斯盆地西缘冲断带属于祁连海域，为一受南北挤压、西部拉张的裂陷盆地［23-24］。韦州—石沟驿向斜分别位于韦州冲断席、石沟驿冲断席2 个次级构造单元（图1b）。韦州冲断席位于韦州—安国断裂和青龙山—平凉断裂之间，呈现为一复式向斜，轴向为近北北西向。石沟驿冲断席夹持于西侧的青龙山—平凉断裂和东侧的惠安堡—沙井子断裂之间，断距大，向斜特征为东翼缓西翼陡，轴向为北西—北北西向。本次研究的重点探井忠1、忠6 井位于石沟驿向斜西翼，韦参1井位于韦州向斜东翼。

图1 鄂尔多斯盆地西缘冲断带构造位置（a）及井位分布（b）Fig.1 Structural location（a）and well location distribution（b）in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

研究区地质露头及钻井揭示，羊虎沟组地层厚度为400～600 m，发育巨厚的煤系地层，向西沉积厚度增大，岩性以深灰色泥岩、灰黑色炭质泥岩、灰色细砂岩为主，夹黑色煤层和灰岩。其中羊虎沟组上部暗色泥岩发育微孔、微裂缝，与煤层形成自生自储的成藏组合（图2），下部暗色泥岩以生油气层为主。灰色细砂岩为储层，泥晶灰岩、白云质灰岩及泥质灰岩为盖层。

2 羊虎沟组沉积相标志

沉积环境不同，对应的沉积相标志也不同。正确划分沉积相并剖析相标志是研究沉积体系演化的基础［25-27］。

2.1 岩石学特征

鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组岩性以深灰色泥岩、灰黑色炭质泥岩、煤层为主，夹薄层砂岩、泥质粉砂岩，单层砂体厚度为1～26 m，砂地比为16%～26%。深灰色泥岩有机碳含量较低，炭质泥岩、煤层的有机碳含量较高，煤岩总有机碳质量分数（TOC）平均为73.10%，暗色泥岩TOC为0.30%～31.81%，平均为4.67%。砂岩颜色以浅灰色、灰褐色为主，细—中粒，沉积构造发育类型较多，主要发育层理构造，包括水平层理、平行层理、板状交错层理、槽状交错层理、波状交错层理、冲洗交错层理，局部可见波痕。水平层理反映沉积环境比较稳定，水动力较弱，指示深水地带。与水平层理相比，平行层理的岩石颗粒较粗，砂层几乎水平且彼此平行。交错层理形成于水动力强、流水强弱交替出现的环境中，水流携带物质粒度较小且均匀，由一系列斜交于层系界面的纹层组成，层系内结构和成分均匀，各层系彼此交错、切割、重叠或组合出现（图3）。

图3 鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组岩石学特征Fig.3 Petrological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

自生矿物具有良好的指相性。苏峪口、乌达、雀儿沟露头剖面和韦参1 井岩心普遍发育黄铁矿（图3h）、菱铁矿（图3i）、钙质结核、铁质结核，尤其是黄铁矿和菱铁矿结核共生，揭示研究区及邻区羊虎沟组泥岩可能形成于相对封闭、水流不畅和缺氧的还原环境。菱铁矿一般呈致密块状、球状、结核体，颜色多为黄白色，经风化作用后常变为褐色或褐黑色等，黄铁矿多呈条带状、球状、晶体粒状、球状结核体产出。

2.2 古生物化石标志

生物遗迹化石的形态、遗体化石保存的产状和完整程度均可反映沉积时的水动力条件及环境。在忠6、韦参1 井羊虎沟组岩心和雀儿沟露头剖面，可见植物碎片化石和炭化的植物茎秆，多与灰黑色泥岩、深黑色炭质泥岩伴生，表明当时沉积水体较浅或短时间出露地表，反映出陆相沉积环境特征。煤线在西缘冲断带也较为发育，手感较轻，污手，多为沼泽环境沉积产物。在呼鲁斯太、乌达、雀儿沟露头剖面见到的海相腕足类化石（海百合、贝壳化石）揭示研究区羊虎沟组形成于海陆过渡相沉积环境（图4）。

图4 鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组古生物化石及孢粉特征Fig.4 Paleontological fossils and palynological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

对研究区岩石样品进行孢粉鉴定，结果表明研究区样品中几乎全为蕨类植物孢子，体积分数为98.19%～100.00%，平均为99.10%，裸子植物花粉贫乏，体积分数为0～1.81%，平均为0.90%。蕨类植物孢子以无环三缝孢类占优势（图4d—4h），主要为光面三缝孢、圆形光面孢、三角粒面孢、圆形粒面孢、圆形块瘤孢、三角锥刺孢，其次为具环三缝孢类（图4i，4j），常见厚角孢、套环孢。裸子植物花粉仅见零星的单气囊类波脱尼粉（图4k）、弗氏粉和单沟类的苏铁粉。孢粉植物群喜温暖潮湿，以真蕨纲、种子蕨纲、石松纲以及楔叶纲植物为主。通过孢粉分析可知，研究区羊虎沟组沉积时的古气候属温暖潮湿气候。

2.3 地球化学标志

在推断沉积岩演化过程和形成环境中，微量元素的灵敏性很高，各类微量元素指标是记录沉积岩演化过程的有效参数［28-30］。

以忠6 井为例，选用元素录井数据，对靖远组—羊虎沟组的Sr/Ba，Sr/Cu，V/（V+Ni）值进行统计分析（表1）。结果表明，靖远组—羊虎沟组自下而上湖盆水体盐度逐渐增大，古气候从早期的温湿气候向干热气候过渡，沉积环境由早期的氧化环境向中、晚期的氧化—还原环境过渡（图5）。为了剔除岩性影响，选择岩性一致的泥岩层进行古水深研究，采用水深计算函数［31］对研究区相对水深值进行计算，结果显示靖远组—羊虎沟组自下而上相对古水深由小变大，至羊虎沟组晚期发生快速水退。Th/U值显示水体环境自下而上由早期的弱氧化向晚期的还原、强还原环境过渡。由图5 可看出，靖远—羊虎沟期整体水体较浅，但变化比较频繁，属于典型的海陆过渡相沉积。

表1 鄂尔多斯盆地西缘冲断带靖远组—羊虎沟组微量元素判别指标及样品数据Table 1 Discrimination indexes of trace elements and sample data of Jingyuan-Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地西缘冲断带忠6 井石炭系靖远组—羊虎沟组沉积环境判别指标垂向变化Fig.5 Vertical variation of sedimentary environment discrimination index of Carboniferous Jingyuan-Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

2.4 测井相特征

砂体形成时的沉积环境不同，对应的测井曲线形态则不同［32-35］。在区域沉积背景和忠1、忠6、韦参1 井岩心观察以及单井相分析的基础上，依据自然伽马曲线的形态、幅度、光滑程度、组合特征，对韦州—石沟驿地区羊虎沟组测井相进行分析，识别出箱形、钟形、指形、尖峰形+钟形、漏斗形、指形+漏斗形等6 种测井相类型（图6）。

图6 鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组典型沉积相测井响应特征Fig.6 Log response characteristics of typical sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

障壁砂坝自然伽马曲线表现为箱形特征，曲线平缓、低幅、局部齿化，顶、底均为突变接触；澙湖相自然伽马曲线以低幅的尖峰形+钟形组合为特征；砂坪表现为低—中幅齿化钟形；泥坪以低—中幅齿化漏斗形为主；砂泥混合坪呈高幅指形+漏斗形；泥炭沼泽相自然伽马曲线以中—高幅微齿化或光滑的指形为特征。

2.5 地震相特征

根据鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组地层发育特征，研究羊虎沟组主要沉积相的地震相特征。海湾相在地震剖面上表现为中—强振幅平行反射特征（图7）；障壁岛相在地震剖面上表现为中等—不连续振幅丘状反射特征；澙湖相在地震剖面上表现为大时差强振幅连续平行状反射特征；河口湾相在地震剖面上表现为向陆方向平行反射、向海方向可见前积反射特征；沼泽相在地震剖面上表现为强振幅较连续反射特征。五大沉积相组形成有利的“堡—岛”体系，其中沼泽相、澙湖相是良好的生油气相带，障壁岛、潮坪及河口湾相发育不同类型的砂体，有利于油气储集，澙湖、潮坪相广泛发育的泥质岩类可成为良好的盖层。海湾相三面为古陆或潮坪所限，一侧与浅海相通，水体相对较深，循环处于半开放—开放状态，是以澙湖为主的港湾状沉积环境。

图7 鄂尔多斯盆地西缘冲断带忠6 井石炭系羊虎沟组沉积相地震反射特征（地震测线位置见图1b）Fig.7 Seismic reflection characteristics of sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3 沉积相类型

3.1 沉积相类型及分布特征

通过岩石学、古生物学、地球化学指标、测井响应、地震反射5 种相标志综合分析，对鄂尔多斯盆地西缘冲断带沉积相发育类型进行研究，将羊虎沟组划分出3种沉积相及若干微相类型（表2）。三角洲相仅发育三角洲平原亚相和三角洲前缘亚相，主要分布在鄂尔多斯盆地西缘冲断带北部和南部；障壁海岸相主要发育潮坪亚相、澙湖亚相、沼泽微相以及障壁砂坝微相，分布在鄂尔多斯盆地西缘冲断带中部地区；滨浅海相发育滨岸平原亚相、滨海亚相、浅海亚相，主要分布在鄂尔多斯盆地西缘冲断带西部。羊虎沟组以混合沉积为主，发育三角洲—障壁海岸—滨浅海沉积体系，属于典型的海陆过渡相沉积。

表2 鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组沉积相划分方案Table 2 Sedimentary facies division scheme of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3.2 单井沉积相划分

在综合分析相标志、录井、测井等资料的基础上，结合钻井岩心的精细观察与描述，对忠6 井进行单井沉积相划分（图8），明确了忠6 井羊虎沟期早期海进、晚期海退的反旋回沉积特征，总体表现为障壁岛沉积体系。

图8 鄂尔多斯盆地西缘冲断带石沟驿地区忠6 井沉积相划分柱状图Fig.8 Histogram of sedimentary facies division of well Zhong 6 in Shigouyi area on the western margin of Ordos Basin

羊虎沟组早期海进，发育箱状砂体及潮间粉细砂体，厚度较大，岩性以中—细粒砂岩为主，见植物碎片，属于典型的障壁岛相。向上相变为澙湖相，岩性以粉砂岩、粉砂质泥岩为主，偶夹薄层泥晶灰岩，水体较安静，自然伽马曲线变为尖峰形和钟形。晚期海退，水体变浅，由澙湖相过渡为沼泽相，沉积厚煤层夹潮上灰黑色泥岩，表现为高自然伽马特征，含气显示活跃。

4 沉积演化

4.1 平面展布特征

在单井沉积相研究的基础上，结合相控及砂体厚度平面分布特征，认为鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组呈现出障壁海岸背景下的障壁砂坝—澙湖—潮坪—边缘小型三角洲的古地理格局（图9）。研究区北部、西南部临近古陆区发育小范围的河流—三角洲相沉积，水下分流河道向浅海延伸。

鄂尔多斯盆地西缘冲断带中段地区羊虎沟组沉积以障壁海岸沉积体系为主，其中澙湖—潮坪沉积范围最广，其次是障壁砂坝。障壁砂坝长轴多平行于海岸线，呈条带状、椭圆状分布于澙湖—潮坪相内，连续性较差。障壁砂坝受潮汐和海浪作用改造，发育冲洗交错层理、浪成波痕，颗粒分选性较好、磨圆度较大，是羊虎沟组的主要储集体。澙湖是以潮汐通道与广海呈半隔绝状态的、分布在障壁岛背后的浅水盆地，澙湖中水动力低下，水体安静，波浪作用弱，以化学沉积物和陆源细粒沉积物为主，岩性主要为灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹泥晶灰岩。潮坪是随潮水升降被交替淹没或露出的沼泽化平地，按发育的岩石类型可分为泥坪、砂坪、混合坪，在鄂尔多斯盆地西缘中段分布范围广泛，岩性为灰色泥质粉砂岩、细砂岩与灰黑色泥岩、粉砂质泥岩互层。

4.2 沉积相演化特征与勘探意义

以忠1、忠6、韦参1 井羊虎沟组柱状沉积相剖面划分为依据，结合研究区内的砂体平面展布特征，对沉积相横向展布特征进行综合分析。以韦参1—忠6—忠1 井靖远组—羊虎沟组沉积相连井剖面为例，该沉积相剖面为近南北走向。自南向北，羊虎沟组地层厚度变化较小，靖远组地层厚度逐渐增大，靖远组—羊虎沟组在纵向上发育海湾—潮坪—障壁岛—澙湖—沼泽相的海进—海退旋回变化（图10）。

近年来，鄂尔多斯盆地西缘冲断带忠6 井分别在靖远组、羊虎沟组中部的潮道砂岩、障壁砂坝砂体钻遇天然气，但因储层致密未取得理想的试气效果。借鉴煤层气、页岩气储层改造思路，忠6 井在羊虎沟组上部沼泽相煤系泥岩段试气获2 052 m3/d低产气流，突破冲断带上盘出气关；韦参1 井在相应层段显示含气。由此揭示，羊虎沟组上部沼泽相煤系泥岩段分布连续且稳定，含气异常明显，煤岩、暗色泥岩有机质丰度较高，生烃条件优越，同时泥岩发育微孔、微裂缝，形成自生自储的有利成藏组合，具有源内致密气的规模成藏潜力。随着勘探的进一步深入，鄂尔多斯盆地西缘冲断带上盘石炭系有望成为未来非常规气勘探的有利层系。

5 结论

（1）鄂尔多斯盆地西缘冲断带石炭系羊虎沟组岩性以深灰色泥岩、灰黑色炭质泥岩、煤层为主，夹薄层泥质粉砂岩、砂岩。羊虎沟组形成于海陆过渡相沉积环境，沉积时的古气候属于温暖潮湿气候。靖远组—羊虎沟组湖盆水体盐度自下而上逐渐增大，古气候从早期的温湿气候向干热气候过渡，沉积环境由早期的氧化环境向中、晚期的氧化—还原环境演变，相对古水深由小变大，至羊虎沟组晚期沼泽沉积时发生快速水退。

（2）鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟组以混合沉积为主，发育三角洲—障壁海岸—滨浅海沉积体系，属于典型的海陆过渡相。韦州—石沟驿地区发育澙湖—障壁岛沉积相带，总体可分为两大区域性海进、海退旋回，下部海进旋回以海湾—潮坪沉积为主，上部海退旋回以三角洲沉积为主。

（3）鄂尔多斯盆地西缘羊虎沟期沉积水体较浅，周边发育三角洲，内部障壁砂坝较发育，形成有利沉积相带，垂向上靖远—羊虎沟期发育海湾—潮坪—障壁岛—澙湖—沼泽相的区域海进—海退旋回变化。忠6、韦参1 井勘探发现证实，羊虎沟组上部沼泽相煤系泥岩段分布连续且稳定，含气异常明显，发育自生自储成藏组合，具备源内致密气规模成藏潜力，冲断带上盘向斜区石炭系有望成为未来非常规气勘探的有利层系。