鄂尔多斯盆地本溪组碎屑障壁海岸砂体微相南北变化

孟祥振 窦天财 蒲仁海 高小平 刘刚 宋明 樊宇洁

摘要 在延长探区近1 500口钻井资料的基础上，进行大量岩心和薄片观察以及砂厚和砂地比统计，探究鄂尔多斯盆地本溪组的砂体微相类型、平面形态和分布的沿岸变化及其控制因素。结果表明，延长气田本溪组总体均为中小潮差环境下的陆源碎屑障壁海岸沉积，但南部的甘泉—富县地区波浪作用较弱，形成了典型的障壁砂坝和障壁后沉积。北部延安—靖边南地区波浪作用较强，形成了改造障壁、浅滩和下切谷充填潮道3种主要微相砂体。障壁砂体呈平行岸线的带状或串珠状排列，近源和近岸分布;浅滩砂体呈多个分散的卵圆形远源远岸分布;潮道带砂体充填则受控于古地貌凹槽。该研究结果对延长气田和类似环境的储层识别和评价具有重要的指导意义。

关键词 强波浪型障壁;弱波浪型障壁;浅滩;潮道;砂体规模与形态

中图分类号：TE122  DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2024-03-018

Changes from south to north in the microfacies of clasticbarrier coastal sandbodies of the Benxi Formation in the Ordos Basin

MENG Xiangzhen1， DOU Tiancai2， PU Renhai3， GAO Xiaoping2， LIU Gang2， SONG Ming3， FAN Yujie3

（1.Natural Gas Research Institute Branch， Shaanxi Yanchang Petroleum 〔Group〕 Co.，  Ltd.， Xian 710061， China；2.Gas Field Company， Shaanxi Yanchang Petroleum 〔Group〕 Co.， Ltd.，  Yanan 716000， China；3.Department of Geology／State Key Laboratory of Continental Dynamics， Northwest University， Xian 710069， China）

Abstract Based on core and thin section observations， as well as statistical analyzes of sandstone thickness and percentage of sandstone content from 1446 wells， we analyzed the coastal changes and control factors of the microfacies type， planar morphology and distribution of the Benxi Fm sandbodies in the Yanchang gas field. The results indicate that the Benxi Fm of the Yanchang gas field is generally composed of terrigenous coastal clastic barrier deposits in a medium to small tidal range environment， but the wave action in the southern region is weak， forming typical barrier sandbars and backbarrier deposits. The wave actions in the north change more strongly， forming three major microfacies sandbodies： reworked barriers， shoals and incised valley filled tidal channels. The barrier sandbodies are arranged in a belt or bead-like pattern parallel to the shoreline and are distributed longshore near the provenance. The oval-shaped shoal sandbodies are dispersed further from the shoreline， and the filling of tidal channel sandbodies is controlled by ancient geomorphic grooves. This research has important guiding significance for the identification and evaluation of reservoirs in the Yanchang gas field and similar geological settings.

Keywords strong wave barrier; weak wave barrier; shoal; tidal channel; sand body dimensionand distribution

中国含油气盆地的陆源碎屑岩大多为陆相沉积，海相砂泥岩仅见于塔里木盆地志留—泥盆系、东海平湖组-宝石组和鄂尔多斯盆地本溪组等。由于海相砂泥岩比例较少，露头有限，所以研究程度整体偏低。延长气田的本溪组是一个重要的产气层位，虽然气田已发现多年，但由于早期井位较稀，取心较少，前人对本溪组砂岩微相、展布及其与成藏的关系等问题存在许多不同的意见。早期有人认为本溪组砂岩为扇三角洲［1］或浅水三角洲沉积［2］，后来又有人认为其属于潮道［3］。随着钻井增多和研究的深入，越来越多的学者认为存在障壁砂坝［4-9］，同时也有人认为包含潮汐三角洲［10］。盆地中部本溪组的碎屑主要来自东北方向的阴山造山带，西南方向的东祁连和东南方向的秦岭造山带［11-12］。然而，障壁沙坝往往形成在中小潮差和弱波浪的平缓海岸地区［13］，当波浪作用增强或古地形发生变化时，障壁被破坏，改造成浅滩或滨面砂体［14］。由于本溪组沉积在一个具有1.4亿年间断的不整合面上，古地貌起伏不平，沿古地貌凹槽往往会形成入潮口或主潮道微相砂体［15］。即使在波浪作用为主的海岸地区既可形成小型孤立分散的浅滩砂体，也可形成大规模连片的滨面砂体。所以，砂体的微相类型及其规模和平面展布之间存在密切的关系［16］。如何区分不同微相的砂体，它们的规模、形态和延伸方向有什么差异等成为气田地质评价与开发方案部署中一个重要的问题。

在没有三维地震的情况下，在平行岸线约150 km的海岸带，本溪组砂体微相到底存在什么微相变化，属于北东向延伸还是北西向或其他方向延伸等缺乏地质依据。近年来，延长气田在加速实现产气千万吨油当量目标的过程中，从靖边南至富县的探区内，揭示本溪组的钻井已超过一千五百余口，局部密井网区的井距平均已达2～3 km，应用这些钻井资料确定本溪组的砂体微相类型和展布规律有了可能。本研究根据岩心、薄片、测井、分析化验及试气等资料，对该地区本溪组的古地貌、沉积微相、储层展布等进行了研究，认为探区内的本溪组砂岩总体存在一些共性，南北的微相和分布也有一些差异。

1 本溪组陆源碎屑障壁海岸的沉积特征

研究区延长气田北起靖边南，南至黄陵，长约150 km，东西横跨志丹至延川约120 km，本溪组总体为碎屑海岸沉积，岩心中见到纺锤虫海相化石，砂岩主要存在障壁、潮道和浅滩等微相类型，其平面形态、规模、延伸趋势等均具有陆源碎屑海岸沉积的一些共性。

研究区本溪组整体上为奥陶系岩溶不整合面上发育的一套障壁海岸陆源碎屑岩沉积体系。岩心上的沉积构造主要反映了潮汐和波浪两种沉积作用的同生并存，与潮汐有关的主要沉积标志是入潮口和潮道砂岩中所见的冲刷面及其上覆的滞留砾石、正粒序层理、羽状交错层理砂岩、双或单黏土层细砂岩、波状层理、透镜状层理和脉状层理等［17］。与滨海（滨面或浅滩）有关的沉积构造主要是低角度交错层理和面状层理砂岩［18-19］。结合薄片观察到的成分和结构成熟度差异、测井相特征等可以看出，本溪组的砂岩微相主要为潮道、障壁和浅滩等，其次可能存在少量的冲溢扇、涨落潮三角洲等砂体［17］。

1.1 岩石学特征

自南向北、自下而上，研究区本溪组均存在4种主要岩石类型，分别为铝土岩、煤层与碳质泥岩、砂岩与含砾砂岩、灰岩和暗色泥岩，反映了表生、暴露、强水动力和浅—较深水沉积等多种环境。

第一类岩性主要为本溪组底部的铝土岩、 铝土质泥岩， 表现为表生浅湖的沉积环境。 铝土岩是一种由铝氢氧化物组成的沉积岩类， 主要矿物成分包括水铝石、 黏土、 氧化铁、 钛及其他微量矿物； 延1003、延1227、 试8井、 延650、 延816、延818等井全岩主量元素分析可知，Al2O3质量分数6％～38％，属于铝土质泥岩类〔见图1（a）〕。

第二类岩性主要为煤、碳质泥岩以及根土岩，多见于障壁岛顶部潮上带泥坪环境中，属于暴露标志〔见图1（b）、（c）〕。

第三类为砂岩和含砾砂岩，主要包括细砂岩、中—粗砂岩和含砾砂岩，灰白、浅灰为主，厚—中厚层，颗粒支撑和基质支撑均可见，砾石多呈次圆状，多以滞留细砾分布在冲刷面之上〔见图1（d）〕，见正粒序层理〔见图1（e）〕、板状交错层理、槽状交错层理、楔状交错层理、平行层理、羽状交错层理、面状（低角度交错）层理和块状（均匀）层理等。

第四类岩性主要为黑色、灰色泥页岩，这类岩性代表的中深潟湖或滨外泥等较深水、弱还原环境。泥岩中常见植物碎片，有时泥岩与砂岩、粉砂岩呈互层状，可见沙纹层理或水平层理。

1.2 砂岩具有高成分成熟度和中低结构成熟度

薄片镜下观察表明，本溪组砂岩的成分成熟度总体很高，石英和硅质岩屑质量分数一般在95％左右；但结构成熟度中等到偏低，多数砂岩为中等分选，次棱角—次圆状〔见图2（a）、（b）、（c）〕。个别砂岩结构成熟度低，含质量分数5％～10％的泥砾，部分砂岩含火山尘杂基〔见图2（d）〕。这种中等结构成熟度可能主要反映了潮汐流的水动力特点，缺乏高能波浪淘洗作用。少量低结构成熟度可能为风暴或小型潮汐冲刷快速堆积造成，或与火山碎屑的混入有关。

1.3 存在潮汐与滨海特有的沉积构造

根据前人研究可知，障壁沙坝的主体部分主要由潮道和滨海砂岩组成，这两种微相在古代沉积岩中也可据沉积构造识别出来，如潮道一般底界具冲刷，含滞留砂砾和粒序层理，内部往往见槽状和板状交错层理，偶见双向羽状交错层理;而浅滩或滨面砂岩除可见板状和槽状交错层理外，还可见面状层理或低角度的楔状交错层理［15，17-19］。障壁砂坝是多个微相组成的复合砂体，一般厚度大，单层厚度多大于5 m，其他沉积微相如冲溢扇、涨落差三角洲等砂岩一般单层厚度较薄，多小于3 m，宽度0.1～1.5 km，面积多小于1 km2，也可存在底界突变的正旋回和底界渐变的反旋回两种剖面结构［20］。冲溢扇沉积中可见到风暴冲刷砾屑［19］。但是，井下地层涨落潮三角洲和冲溢扇很难识别，主要依靠砂体规模和平面上与障壁的位置关系进行推测。在难以区分的情况下，一般把障壁靠岸一侧的非障壁砂坝部分简单统称为障壁后沉积，主要为潮坪潟湖环境的薄层状砂岩、粉砂岩、泥岩互层夹煤线［21］。

研究区本溪组砂岩岩心上常见板状交错层理、槽状交错层理砂岩，这两种交错层理在潮道和滨海砂岩中均可出现。研究区本溪组也偶见羽状交错层理中细砂岩〔见图3（a）、（b）〕，也可见到双或单黏土层〔见图3（c）〕，呈波状〔见图3（d）〕、透镜状〔见图3（e）〕和脉状层理，这些属于潮道和潮坪环境的沉积特征。本溪组中也存在典型的浅滩或滨面有关的低角度楔状交错层理〔见图3（f）〕和面状层理〔见图3（g）〕砂岩。

1.4 砂岩底部与泥岩存在突变和渐变两种序列

根据欧美地区障壁沙坝的研究可知，砂岩底部冲刷面和滞留砾石多于障壁底部的入潮口沉积有关［15］。冲刷面下伏往往为中—深潟湖或滨外低能泥岩、潮坪粉砂泥岩、沼泽泥炭等沉积微相。砂岩顶界与泥岩多为突变接触，少数为渐变接触。在自然伽马曲线上，砂岩多呈箱型，少量呈钟形和高幅齿形。

研究区本溪组岩心上常见本溪组砂岩或细砾岩与下伏泥岩之间呈突变接触，且近一半砂砾岩底界存在冲刷面，砂砾岩内部见粒序层理〔见图4（a）、（b）〕。

大约1/3的砂岩底界与泥岩呈渐变关系，自然伽马测井曲线呈漏斗形或组合漏斗形，具滨外（或泻湖）泥-浅滩砂或朝上带泥-潮间带砂的旋回特点。如延1045井位于障壁北东缘入潮口远离岸线方向，测井与岩心综合反映出，其本2段具有朝上变粗的反旋回特点，综合判断为落潮三角洲沉积（见图5）。总体上讲，冲刷面成为潮道和障壁砂坝底部入潮口常见的沉积构造。

前人研究表明，砂岩底界与泥岩的突变和渐变在障壁砂坝均可出现，且冲刷突变者较为常见，此时常伴随入潮口主潮道含砾砂岩的沉积。滨面或浅滩砂体底界渐变较常见［15，20］。

1.5 存在风暴、凝灰质和局部灰岩等沉积现象

研究区本溪组沉积期间曾经发育过两次中深—滨浅泻湖沉积背景，发育深灰色水平层理暗色泥岩、沙纹层理含粉砂泥岩、含碳质泥岩。从全取心井看，本1段和本2段均存在较深水的泥岩沉积背景。在该沉积背景中，有时可以看到风暴遗迹、凝灰质砂岩和沉火山角砾凝灰岩。延377井本溪组泥岩中，局部含20～30 cm的沉火山角砾凝灰岩〔见图6（a）〕，延1227井本2段和延887井本一段潟湖泥岩中含撕裂状泥砾质砂岩，应为风暴对较深水泥岩的冲刷搅动再沉积形成，应属于障壁砂坝上的冲溢扇环境〔见图6（b）、（c）〕。

本溪组内部局部含1或2层1～2 m薄层灰岩，其测井AC<190 μs／m且Rd>2 000 Ω·m，本1段和本2段均发育。平面上它们在岩溶凹地障壁边缘和之间局部零星分布，并与浅滩砂岩或潮汐三角洲纵向过渡，为浅水潟湖环境。

1.6 本一和本二段分别代表两期水进水退旋回

综合取心和测井岩性、沉积相解释可以看出，研究区本溪组存在两次水进水退旋回，本2段和本1段分别经历了水体变深-变浅的沉积过程。如本溪组全取心的试8井本溪组由一个较深水泥岩-障壁沙坝-较深水泥岩-潮坪台地旋回组成（见图7、图8）。

2 气田南北微相类型与分布的变化

根据对鄂尔多斯盆地本溪组的沉积相分析可知，盆地东南部甘泉—富县地区属于典型的弱波浪型障壁-泻湖海岸体系，盆地北部的安塞—靖边地区则属于较强波浪改造的障壁-浅滩-潮道体系。

在平均井距2～3 km的密井网条件下，通过统计延长气田近1 500口钻井的本一和本二段砂岩厚度和砂地比，分别制作研究区南部甘泉—富县地区（见图9）以及北部靖边南—延安地区（见图10）本一段及本二段砂地比与沉积相平面图。由图9、图10可以看出，南北本溪组砂体形态与分布具有明显的不同。

延长气田南部甘泉—富县地区的本溪组沉积属于中低潮差、弱波浪环境，形成了典型的障壁沙坝及障壁后泻湖潮坪沉积，其模式如图11所示。本一段和本二段各发育两个平行岸线的北西向延伸的大型障壁砂坝，单个障壁宽5～15 km，长40～50 km，障壁砂坝由多个呈串珠状砂体组成，一般厚度4～10 m，最大厚度接近20 m，障壁靠岸一侧和两障壁之间为潟湖潮坪沉积（见图10）。

延长气田北部靖边南—延安地区属于中低潮差和较强波浪环境，本溪组砂体主要发育3种微相，即被波浪改造的障壁沙坝、孤立分散的卵圆形浅滩、斜交或垂直岸线的古地貌凹槽充填的潮道（见图11）。

由于受波浪改造和破坏，延长气田北部的障壁沙坝面积较小，主要分布在西侧靠岸地区，北北西或近南北向延伸，本一段障壁砂体宽度2～3 km，长10～20 km，一般厚度3～6 m;本二段障壁砂体宽3～5 km，长10～15 km，一般厚度10～20 m，砂地比30%～50％（见图10）。

浅滩沙体单个规模小，直径一般1～3 km，厚度约5～15 m，砂地比10%～30％，孤立分散在安塞以北至靖边南地区的障壁沙坝和下切谷充填潮道之间（见图10、图12）。

浅滩砂体根据其平面形态分为3种（见图10），窄带状的一般称滩脊，长宽比大于3∶1;短轴状的称滩坝，长宽比介于3∶1～2∶1;近园形者称滩堡，长宽比小于2∶1。研究区主要为滩堡沙体，多个滩堡可定向排列形成滩脊或滩坝。浅滩的不同形态与平坦的陆表海上存在的类似古地貌形态有关。分散的卵圆形滩堡也见于澳大利亚北部的现代大堡礁，平面上，小型滩堡呈近卵圆形的浅滩，水深小于10 m，直径1～3 km，无定向不规则分布。在研究区北部滩堡数量二十余个。

潮道砂岩主要分布在研究区最北端，充填在近东西延伸的下切谷中，近似垂直于古海岸线，砂体宽度3～10 km，长度20～30 km，厚度10～20 m，砂地比30%～50％。该潮道带在前石炭纪古地质图上对应一个东西向的下切谷，沿下切谷由于存在强烈剥蚀下切作用，出露了马53至马54地层，下切谷两侧则出露了马51至马6地层（见图13）。下切谷内部充填的本溪组厚度也明显大于两侧，砂地比增高，砂岩也增厚，砂体底界存在冲刷并与泥岩突变接触。沿不整合面下切谷沉积较厚潮道砂体的现象在第四纪障壁海岸沉积中也多有报道［15，21］。

前人研究表明，障壁主要形成于中小潮差和弱波浪作用的平坦碎屑海岸地区，大潮差潮汐环境，砂体被搬运堆积成近垂直岸线的潮汐沙坝，障壁不发育［13］。强波浪环境下，障壁会被波浪改造形成部分浅滩砂体，或彻底改造成滨海沉积体系。荷兰西海岸现代碎屑海岸就属于此种类型，障壁沙坝与浅滩砂共同分布，多个障壁沙坝与海岸线平行或呈低角度斜交，障壁靠岸一侧为浅滩砂体［14］。延长气田中北部的滩堡砂体则主要分布在障壁靠海一侧，与荷兰西海岸现代沉积稍有不同，其原因与古地貌对海底地形和砂体分布的控制有关。

3 古海岸线和物源对砂体微相和分布差异的影响

研究区本溪组沉积时，在鄂尔多斯盆地中部存在一个朝北变低、变窄的古隆起剥蚀区，隆起上本溪组缺失（见图14），隆起以东和以西沉积的地层分别为本溪组和羊虎沟组。本溪组岩石的重矿物、碎屑锆石和微量元素等分析表明，延长气田的砂泥主要来自北东的阴山、西南方向的西秦岭和东南方向的东秦岭［11-12］。北东物源与南物源的分界线大致呈北西向延伸，位于靖边南的延52井至延川的延528井;西南物源与东南物源的分界线大致呈北北东向延伸，分界线大致位于甘泉县的延1051至延长西的延528井（见图15）。延长气田本溪组的主要物源来自东南和西南方向，仅北东局部地区来自北东方向。甘泉—富县地区紧临中央古隆起北北西向的古海岸线（隆起边界线），距西南物源的古海岸线较近，所以形成了大型北北西延伸的障壁沙坝。延安及其以北至靖边南的本溪组碎屑也主要来自西南方向，在西侧近岸地区可能形成沿岸障壁砂体，在距西海岸线更远的子长—延川一带，接近陆表海内部，可能受北东向风力和波浪作用更强，形成了大量小型浪控浅滩砂体（见图14）。

所以，延长气田本溪组砂体微相和展布的南北差异与古海岸线和物源远近也有一定的关系，即近源近岸地区发育沿岸障壁沙坝，远源远岸地区浅滩砂体比例增高。

4 古地貌对砂体微相和分布的影响

无论延长气田的南部或北部，奥陶系顶面的岩溶古地貌对砂体的砂厚与分布有重要的影响，但气田南北古地貌对砂体的控制方式稍有不同。南部古地貌为北东倾斜坡叠加两个北北西走向的古凹槽和古凸起（见图16），形成的本溪组障壁沙坝也为北北西走向；本溪组砂岩最厚的障壁沙坝微相沿岩溶古凹槽与古高地之间的斜坡分布，即障壁砂岩含量最高的位置既不在古地貌高地，也不在古地貌凹槽，而是位于古地貌高地与凹槽之间的斜坡上，此处应属于潮下带波浪作用较强的前滨-临滨带（也称为滨面带）。第一和第二障壁之间对应为古地貌高地，为古水深较浅的朝间带-朝上带。第一障壁西南侧和第二障壁北东侧对应于古地貌凹槽，分别属于潮坪-潟湖和陆棚泥沉积环境（见图9、图16）。

但是，延长气田北部的本溪组砂岩多沿岩溶古凹槽加厚。无论是靖边南的近东西向下切谷充填潮道砂岩，还是北北西向障壁沙坝，或是浪控成因的分散的滩堡砂岩，其加厚位置均与古地貌凹地位置吻合。这种本溪组砂岩加厚带的成因可能均与其底部存在类似下切谷充填潮道砂体有关（见图17）。

5 本溪组砂体的控藏作用

研究区本溪组是延长气田一个重要的产气层位，相对于石盒子组、山西组和奥陶系等其他产层气藏，本溪组气藏储量大、单井产能高，其重要原因之一是障壁、滨海砂岩是海陆相砂岩中除辫状河之外规模最大的砂岩［16］，厚度大，分布广，且成分和结构成熟度较高，因而储层物性好［22］。其次，本溪组顶部一般存在一套厚度较大（4～16 m）且稳定的煤层和碳质泥岩烃源岩，煤层上覆太原组10～30 m致密泥晶灰岩，起到较好的封盖作用，使成藏期本溪组顶部煤层气朝下伏砂岩之间形成较大的源储压差和充注压力，导致本溪组气藏比其他层位的气藏地层压力系数偏高［8］，一般达（1以上，而同井其他层位气藏的压力系数一般小于1）。这些要素是造成延长气田本溪组气藏产量高的一个重要原因。

总体上讲，延长气田南部属于中低潮差、弱波浪环境，障壁沙坝规模大，是本溪组储量和高产能的主要贡献者。气田北部风力和波浪作用增强，加上古地貌不平整的影响，障壁被改造，砂体规模变小，小型浅滩和潮道砂体占比增高，本溪组气藏的产量和储量相对南部变差。

6 结论

1）延长气田本溪组总体上属于中低潮差作用的陆源碎屑障壁海岸环境，砂体微相和分布受波浪强弱、古地貌、物源供应等因素的影响。气田南部为弱波浪环境，主要发育了典型的障壁沙坝；气田北部波浪作用增强，主要发育了改造型障壁、浅滩和潮道等3种微相砂体。

2）延长气田北部本溪组浅滩微相受凹凸不平的古地貌影响，呈现3种平面形态类型，分别为近卵圆形滩堡、短轴状滩坝和长轴状滩脊，浅滩单砂体规模小，远源分散分布，或隐约呈北东向排列；靖边南近东西向延伸的潮道砂体主要充填在不整合面的下切谷中；造成延长气田本溪组砂体微相和分布南北差异的主要原因是古地貌和波浪作用强度差异。

3）延长气田南部本溪组障壁沙坝规模大，连片分布，储量和产能较高；北部浅滩和潮道单砂体规模小，分布零散，储量和产能相对较低。

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（编 辑 雷雁林）

基金项目：国家自然科学重大基金项目（41390451）；陕西省重点研发计划项目（2022GY-140）。

第一作者：孟祥振，男，正高级工程师，从事油气勘探开发地质研究，364178782@qq.com。