子洲气田北部山2气层组沉积相划分及其油气勘探意义

2013-12-14郝松立黄晓东卢海娇

地下水 2013年2期

魏颖，郝松立，杨博，黄晓东，卢海娇

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安710069;2.长庆油田勘探开发研究院，陕西西安710021)

子洲气田从2003年开始进行整体勘探，主力层山2提交探明地质储量9.23×1010m3。经过2005年的开发评价及2006年开始规模化建产，截止2010年底，共动用地质储量6.50×1010m3，完钻开发井 182口，建井 160口，建成 1.3×109m3/a生产能力。子洲气田北部的余兴庄和米脂地区为气田本部的重要物源，具有一定的开发潜力。近年来子洲气田开发建产工作主要集中在南部的 Y30、榆 Y29、ZH3、Y48井区，北部地区开发井的数量还是很低，研究程度相对薄弱。本文在前人研究的基础上，通过野外剖面调查、岩心观察、采样、大量的室内分析测试资料、测井资料等，对研究区山西组山2段的沉积相进行了划分，旨在查明研究区的沉积相类型及其对油气地质的研究意义。

1 地质概况

研究区子洲气田北部北起M9井，南至Y76井，东抵M26井，西达T10井，面积约3 640 km2，构造上属于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡构造单元(图1)。研究区的构造基本上继承了鄂尔多斯盆地区域构造的整体特征，从北到南发育若干个规模大小不一的鼻隆(状)构造，鼻状构造具较好的继承性。鼻隆的起伏形态和倾没方向与斜坡的倾向近于一致，无断层发育。鼻状隆起与河道砂体配合，对油气富集起到一定的控制作用。

太原期末或山西期初，受克拉通南北秦岭、兴蒙海槽于海西中晚期自西而东纵向迁移、关闭的影响，华北地块整体抬升，海水从鄂尔多斯盆地东西两侧迅速退出，盆地性质由陆表海盆演变为近海湖盆，沉积环境由海相多转变为陆相，总体沉积面貌以吴旗、富县、宜川、延长地区为盆地沉降中心，发育浅海沉积，而周缘滨海区则以三角洲沉积为特征，砂体具向湖盆强烈进积的层序结构，银川-靖边-米脂地区发育三角洲前缘沉积［1、4］。

2 沉积相判别

2.1 区域沉积环境

山2时期，研究区转为陆相环境，油藏多处于鼻状隆起的高点部位，发育三角洲前缘沉积［4-7］。特别是山2早期，处于海盆向湖盆转化和区域构造活动的重新分化与组合的过渡时期，区域构造活动较为强烈，导致北部物源区的快速上升，作为地壳均衡响应的沉积作用，在研究区形成大面积的砂体富集区，成为储集砂体发育的有利地带，加之气候温暖潮湿，河间洼地普遍发育沼泽，形成一套陆源碎屑沉积的含煤层系，其是盆地重要的气源岩之一。

图1 子洲北部研究区位置图

2.2 沉积特征

2.2.1 砂岩岩石学特征

岩矿分析表明，研究区山2气层组砂岩储层的碎屑成分以石英为主，其次为岩屑，长石含量很少，平均不足1.00%(图2)。岩屑组分以变质岩岩屑为主，平均含量为70.43%;其次为火成岩岩屑，平均含量为21.46%;沉积岩岩屑和云母含量较低，不到10%。填隙物主要由胶结物及杂基等碎屑粘土矿物组成，最高含量为95%，最低含量不足5.00%，平均含量为17.21%。中粒间孔-溶孔型占主要地位，平均含量达40.69%;其次为微孔，平均含量为16.55%;晶间孔 -溶孔型位居第三，平均含量为13.1%;晶间孔-粒间孔平均含量则为11.03%。其余如残余粒间孔-溶孔、复合型孔、晶间孔、晶间孔-微孔、晶间孔、岩屑溶孔、粒间孔、粒间孔-次生溶孔等含量较低。因此，结合前人对研究区物源的研究成果，得出研究区山2沉积期的物源主要来自于盆地北部的变质结晶基底，搬运距离较远，岩石结构成熟度较高［3］。

2.2.2 沉积学标志

研究区山2段砂岩主要为灰白色和灰褐色(图2-A)，泥岩以灰黑色、黑色为主(图2-B)，多夹煤层及煤线(图2-C)，可见植物炭化现象。总体上表现为还原条件下的暗色特征，表明山2气层组沉积期气候温暖湿润，碎屑物沉积时大多处于水下环境。地表及井下岩心中均保存有相当丰富的各种沉积构造，成为划分沉积相的有效资料。常见的层理有块状层理、水平层理(图2-D)、平行层理(图2-E)、交错层理(图2-F)、压扁层理、波状层理、透镜状层理、同生变形层理(图2-G)、冲刷面(图2-H)等，都反映出三角洲前缘的沉积特征［8］。

图2-A.Y562 658.5 m 灰白色粗砂岩;B.M22 283.3 m炭质泥岩;C.Y44 2 670.58 m 煤;D.Y26 2 488.45 m 水平层理;E.Y302 505.4 m平行层理;F.Y442 658 m板状交错层理;G.Y762 445.23 m 变形层理;H.M262 202.72 m 砾岩底部为冲刷面

2.2.3 粒度分布特征

1)概率累积曲线特征

研究区细砂岩颗粒磨圆度中等，多为次棱角状，以孔隙-薄膜式接触为主;分选中等—好;研究区山2段的概率曲线是由三角洲各亚环境的不同水动力条件所造成的。主要类型有两段式 B型［9］。

两段B型:粒度频率曲线峰值20%左右，主峰位于细粒一侧，以细粒组分为主，指示了水下沉积特征。粒度概率曲线以跳跃组分和悬浮组分的两段式组合为主，跳跃组分含量高，一般为75%～85%，斜率较缓。悬浮组分含量较少，一般为15%～25%，这一特征反映了研究区沉积水动力条件较强，沉积颗粒分选好的特点，代表了水下分流河道沉积。

如上图所示，研究区粒度概率曲线特征比较明显，基本为两段式，即只有跳跃和悬浮两种方式。图3-A中两段式跳跃总体的含量为50%～60%，悬浮总体的含量为40%～50%，分选性较差，代表较弱—较强的水流沉积环境;图3B至图3F所示的两段式中跳跃次总体发育两个粒度次总体，跳跃总体的含量为40%～85%，悬浮总体的含量为10%～30%，分选性较差，该类沉积受单一河流作用或者单一湖泊作用的影响较小，大多数为二者共同作用的结果，是三角洲前缘相的特征，代表的是一种复杂多样的水流沉积环境。

图3 子洲气田北部山2气层组粒度概率累积曲线

2)粒度参数特征

运用福克和沃德公式分别求出粒度参数，根据级配特征和主要粒度参数的递变特征，可获得以下几点认识:

平均粒径和粒度中值(Mz):由北向南变小，不仅表明沉积介质的能量条件有规则的变化，而且也说明搬运距离越来越远。

标准偏差(δ):表示沉积物的分选程度。主要取决于沉积过程的性质和持续的时间。分流河道、水下分流河道为持续的单向水流条件，分选中等—好，标准偏差一般0.3～1.1(表1);河口砂坝沉积主要受河流动力的控制，分选情况接近于河道砂或稍好于河道砂。而河口坝前端纯净砂和席状砂由于簸选，分选良好，标准偏差一般在0.5以下，分选最差的水下天然堤、漫滩、湖湾沉积，标准偏差一般在0.6以上(表1)。

表1 子洲地区山2段储层粒度分析统计表

偏态(sk):反映沉积过程能量的变异，河道砂、河口坝砂因泥质含量低，主峰偏于粗粒一侧，一般sk大于0.5，而河道间洼地、分流间湾、漫滩等粒级偏细，sk一般小于0.5(表1)。偏态值自北向南降低，反映能量逐渐减弱。

峰态(kg):测定频率曲线中央部位与两端分选程度的差异。研究区分流河道和水下分流河道主要以细砂为主，峰尖锐，峰态值一般在1以上。最大值达8.5左右，河道间洼地、分流间湾由于泥岩含量增加，细粒部分明显增多，峰态也明显减缓，峰值为0～1之间，反映能量条件较低。

3)粒度数据分析

山2段砂岩粒级以中砂为主(占76.8%)，其次为粗砂岩或细砾岩(占13.4%)和细砂(占9.8%)。粒度中等，平均值 Mz为 0.56～2.41;最大粒径 9.5 mm，主要粒径 0.1～4.0 mm，标准偏差 σ 值分布于 0.60～1.75，分选中等;偏度均为正偏，峰度K值分布于3.9～16.7(表1)，说明颗粒中等-尖锐。上述特征表明山2段砂体的形成主要受河流作用控制。

根据萨胡判断沉积环境的判别函数(Sahu，1964)，即:

其中:Y ＞9.8433，为河流(三角洲)相;Y ＜9.8433，为浊流相。

通过对研究区74个样品的统计计算，其结果全部大于9.8433，最大值为 107.95，最小值为 30.41，平均 Y 值为68.76，说明研究区山2砂层组为河流(三角洲)相。

2.2.4 测井相分析

通过这些特征的研究结合对区内46口井取芯井段的沉积微相研究，建立区内测井相标志，进行钻井各小层的沉积微相划分(表2)。研究区山2气层组发育三角洲前缘亚相，又可以细分为水下分流河道微相、分流间湾微相、席状砂微相与间湾沼泽微相。

3 地球化学特征及环境解释

地球化学解释沉积环境主要是通过分析古盐度的变化，来说明沉积期的沉积环境。本次研究中分析了Sr/Ba值和B含量。

表2 子洲气田北部山2段测井相岩-电特征

3.1 锶钡比值及其环境意义

当海水和淡水相混合时，淡水中的钡与海水中的硫酸根结合形成硫酸钡，而沉淀下来，反应式为:Ba++=

2BaSO4

硫酸锶的溶解度很大，可继续向海迁移。因此，锶钡比值随远离海岸而逐渐增大。

图4 子洲气田北部山2气层组Sr/Ba值图

一般认为，在淡水陆相沉积物中，锶钡比值小于0.5;海水沉积物中锶钡比值大于1;海陆交互相沉积物中锶钡比值为0.5～1.0。当然，在不同时代的沉积物中这一海陆相判别的界限值是有变化的。但是总的趋势是一致的，即在淡水沉积中低、咸水沉积中高。

研究区大部分泥岩样品的Sr/Ba值小于或者等于0.5。在研究区南部气层组的有一个样品的值为0.84，并且，Sr/Ba值离散度较大(图4)，表明山2沉积时，水体盐度是变化的。而且从到，Sr/Ba值有进一步变小的趋势。同时时北部Sr/Ba值低，向南部Sr/Ba值升高，表明时研究区南部可能受到短期海水内泛的微弱影响，北部地区则为完全的淡水环境。

3.2 硼含量及其环境意义

硼是良好的指相元素，硼含量的变化对古盐度有精确的反映。尽管不同地区、不同时代硼含量各不相同。但是，硼含量在海相、过渡相、陆相中由高到低的变化趋势却是一致的。

研究表明，硼含量的高低与粘土矿物的成分和含量密切相关，三种粘土矿物高岭石、蒙脱石、伊利石对硼的吸附能力差别很大，其中以伊利石的吸附能力最强，蒙脱石次之，高岭石最弱。研究区山西组中粘土矿物以高岭石占绝对优势。

利用古盐度的校正公式(Porrenga，1967)，对研究区的古盐度进行了估算。其公式为:logBk=1.28logSp+0.11，Bk=B/(4 Xi+Xm+Xk)。式中Bk为高岭石中的硼，Sp为古盐度(‰)，Xi、Xm、Xk分别为伊利石、蒙脱石和高岭石的百分含量，B为实测的硼含量(ppm)。

考虑到山西组中粘土矿物几乎全部为高岭石，而且多数粘土矿物都含有少量的非粘土矿物，则高岭石中的硼含量为Bk=B×1.1/(4×0+0+1)≈1.1B。将测得的硼含量代入校正公式，求得高岭石中的硼含量为14.91～97.96 ppm，平均为65.59 ppm。相对应的求得古盐度为0.729‰～3.176‰ ，平均为2.321‰ ，表明山西组沉积时的古环境为陆相-过渡相。

结合以上几种沉积相标志，识别出研究区山2气层组是三角洲前缘沉积体系，发育水下分流河道微相、分流间湾微相、席状砂微相与间湾沼泽微相。

4 沉积相对油气成藏的影响

沉积相控制了碎屑岩的碎屑粒度大小、颗粒成分与砂体展布形态，是控制早期成岩作用的一个重要因素。不同沉积微相的沉积环境和古水流强度不同，这势必导致了形成于不同沉积微相下的砂岩体的几何形态，泥/砂比率和体系结构的不同，并进一步控制了砂岩的原始孔隙度、渗透率和孔隙水化学成分［10-12］。

4.1 砂体展布及形态对储层物性的影响

储层砂体储集性能的影响主要是对原生孔隙含量的影响，而孔隙特征首先是物性特征，因此沉积相带的分布控制着储层物性分布。

研究区山2储层沉积环境属于三角洲前缘亚相，水下分流河道砂体发育，是研究区主要的储集体。各次级的河道砂体在向前推进的过程中，不断的产生支流与汇聚现象，从而构成条带状河道系统，直接控制了储层的条带状展布。砂体展布受河道的制约，主河道部位砂体厚，向两侧减薄，呈透镜状。分流河道位置不太稳定，其侧向的不断摆动，使不同时期的河道砂体叠置，厚度增大，也使砂体平面分布范围扩大。河道砂体间的沉积物以泥岩、粉砂质泥岩为主，厚度变薄，物性变差，是阻止油气侧向运移的良好遮挡层，利于油气富集成藏［13-14］。

在微相组合上以三角洲前缘水下分流河道相占绝对优势，垂向相序往往不完整，形态上呈条带状展布。砂体展布的特点造成了储层物性的特点，在水下分流河道整体部位形成的砂体，其物性好于水下分流河道河岸两侧砂体的物性;水下分流河道河岸两侧砂体的物性好于分流间湾中砂体的物性。

4.2 砂岩粒度对储层物性的影响

图5 子洲气田北部山2储层物性与φ值关系图

对研究区砂岩图像粒度与物性关系进行分析，从图5可以看出，物性随φ值的增大而减小，由于φ值与粒度呈反比关系，即物性随粒度增大而变好。砂岩的粒度越大，储层物性越好。粗砂岩、巨-粗砂岩的物性要明显好于中-粗砂岩、粗-中砂岩、细-中砂岩。

5 结语

通过以上分析，得出的结论是:

1)子洲气田北部山2气层组发育三角洲前缘沉积体系。分流河道及水下分流河道微相为研究区的骨架相，是天然气的有利储集相带;砂体的发育完全受控于沉积相的展布。

2)沉积相的展布直接控制了砂体的展布、储层的原始粒度，而砂体在空间上所处的位置直接控制小层的含气性［15］。研究区天然气产出层和含气层山西组气层段主要发育在三角洲前缘水下分流河道沉积相带，具广覆性沉积的特点，厚度较大，石英含量高、粒度大、往往发育多种孔隙类型，物性条件较好，是良好的砂岩储集层。

3)水下分流河道相构成了储集层发育的有利相带，也是气层发育的有利相带。有利的沉积相带是油气富集成藏、大面积分布的重要地质基础，是油气运移聚集的最有利载体，沉积相带对储层的物性起到一定的控制作用，是油气成藏的重要影响因素。

［1］何自新等.鄂尔多斯盆地演化与油气［M］.北京:石油工业出版社.2003.

［2］Julian C.Baker，Peter J.Havord，Ken R.Martin，and K.Ameed R.Ghori，Diagenesis and Petrophysics of the Early Permain Moogooloo Sandstone，Southern Carnarvon Basin，Western Australia，AAPG Bulletin，2000(84)2，P250-265.

［3］包洪平，刘宝宪，白海峰，等.鄂尔多斯盆地上古生界石英砂岩的储集特性及地层分布特征［J］.西北大学学报(自然科学版).2006，36(增刊):43～47.

［4］范正平，候云东，石晓英.鄂尔多斯盆地晚古生代沉积相研究［A］.鄂尔多斯盆地深盆气研究［M］.北京:石油工业出版社.2001.

［5］付锁堂，田景春，陈洪德，等.鄂尔多斯盆地晚古生代三角洲沉积体系平面展布特征［J］.成都理工大学学报(自然科学版).2003，30(3):236～241.

［6］郭英海，神木-双山地区太原组-山西组沉积体系与砂体展布特征研究［R］.西安:中国石油长庆油田公司.2008.

［7］张晓莉.鄂尔多斯盆地中部上古生界砂岩气层沉积体系类型及特征［M］.油气地质与采收率.2005，12(4):43～46.

［8］付金华，段晓文，姜英昆.鄂尔多斯盆地上古生界天然气成藏地质特征及勘探方法［J］.中国石油勘探.2001，6(4):68～75.

［9］林雄，徐小蓉，侯中健，等.鄂尔多斯盆地北部山西期一下石盒子期盆地演化与天然气富集规律［J］.成都理工大学学报(自然科学版).2005，32(2):138～141.

［10］刘锐娥，李文厚，王亚丽，等.鄂尔多斯盆地中东部早二叠世山2段高效储层特征及主控因素［J］.西北大学学报.2006，36(增刊):92～94.

［11］王怀厂，魏新善，白海峰.鄂尔多斯盆地榆林地区山西组2段高效储集层形成的地质条件［M］.天然气地球科学.2005，16(3):319～323.

［12］卢双舫，王朋岩，付广，等.从天然气富集的主控因素剖析我国主要含气盆地天然气的勘探前景［J］.石油学报.2003，24(3):34～37.

［13］田景春等，2008，鄂尔多斯盆地北部上古生界主要含气砂体沉积特征及储层展布规律研究［J］.成都理工大学沉积地质研究所(内部).

［14］王怀厂，魏新善，白海峰.鄂尔多斯盆地榆林地区山西组2段高效储集层形成的地质条件［M］.天然气地球科学.2005，16(3):319～323.