鄂尔多斯盆地北部盒8段砂体形成机理分析

刘晓鹏，赵小会，康　锐，漆亚玲

（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）

鄂尔多斯盆地北部盒8段砂体形成机理分析

刘晓鹏1，2，赵小会1，2，康锐1，2，漆亚玲1，2

（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）

为了明确鄂尔多斯盆地北部二叠系盒8段大面积砂体的形成机理，在分析砂体展布特征的基础上，全面恢复了盒8期湖盆底形、湖泊与外界的连通性、物源供给及水动力条件等沉积古环境要素，并结合水槽沉积模拟实验，建立了盒8段沉积模式。研究认为：充足的物源供给、较强的水动力、多水系输砂、平缓的湖盆底形、盆地快速稳定的沉降和湖岸线大范围反复波动，是盒8段大面积砂体形成的必要条件；鄂尔多斯盆地鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S318井—Y101井—Y112井以北区域，是下一步的有利勘探目标。

大面积砂体；形成机理；盒8段；鄂尔多斯盆地

0　引言

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，是一个多构造体系、多旋回演化、多沉积类型的大型盆地［1-2］。根据现今的构造形态、盆地演化史和构造特征，盆地内部可以划分为伊盟隆起、渭北隆起、西缘冲断带、晋西挠褶带、天环坳陷和陕北斜坡等6个一级构造单元［3］。盆地晚古生代的沉积演化可划分为晚石炭世受限陆表海、早二叠世陆表海、早二叠世晚期近海湖盆—残余陆表海、中二叠世陆表海衰亡—近海内陆坳陷以及晚二叠世内陆湖盆等5个演化阶段［4］。上古生界地层自下而上可划分为石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组。其中，石盒子组自下而上可划分为盒8段～盒1段等8个层段［5］。盒8段气藏是鄂尔多斯盆地上古生界的主要勘探目标之一，以石炭系—二叠系海陆交互相煤系地层为烃源岩，盒7段泥岩为直接盖层，盒4段至盒1段滨浅湖相泥质岩为区域盖层，成藏模式为广覆式生烃、大面积充注、近距离运聚，是典型的大面积岩性圈闭气藏［5-7］。

前人对鄂尔多斯盆地盒8期沉积体系、沉积物源、沉积相及砂体形成背景进行了研究［4，8-15］，但盒8段大面积砂体形成机理、分布规律及下一步勘探目标尚不明确。笔者在分析鄂尔多斯盆地北部盒8段砂体展布特征的基础上，全面恢复盒8期古气候、湖盆底形、物源供给及水动力条件等沉积古环境要素，结合水槽沉积模拟实验，对盒8段大面积砂体形成机理和分布规律进行综合分析，以期为研究区下一步勘探目标优选提供借鉴。

1　盒8段储层特征

鄂尔多斯盆地北部盒8段砂体宽度为10～20km，厚度为10～40 m，南北近乎等厚，延伸长度为200～300 km。砂体横断面呈短轴透镜状，纵向上相互叠置，横向上复合连片，呈毯状大面积分布，勘探钻遇率达90%以上，全盆地分布稳定（图1）。

图1　鄂尔多斯盆地北部盒8段砂体展布特征Fig.1　The sand body distribution of the eighth member of Shihezi Formation in northern Ordos Basin

盒8段储层为一套灰白色、浅灰绿色含砾粗粒、中—粗粒砂岩，碎屑颗粒呈棱角—次棱角状，分选、磨圆均较差。岩石类型以石英砂岩和岩屑石英砂岩为主，孔隙类型以岩屑溶孔、粒间溶孔及晶间孔等次生溶蚀孔隙为主。填隙物主要为硅质、高岭石、伊利石和铁方解石等胶结物。史上最大埋深3 300～4 500 m，最高古地温120～160℃，压实、压溶作用和硅质、钙质胶结作用是导致储层致密的主要原因［16］。储层孔隙度为4%～12%，渗透率为0.1～1.6 mD，成岩演化阶段普遍处于中成岩A—B期［17-18］。

2　盒8期沉积古环境分析

2.1物源供给特征

二叠纪中期（275 Ma）之后，西伯利亚板块快速向南移动，与缓慢向北飘移的华北板块发生碰撞［19］。古亚洲洋向华北板块北缘之下俯冲消减，兴蒙海槽西段褶皱关闭，受其挤压应力的影响，华北板块北缘基底隆升，盆地北部阴山古陆快速抬升并遭受剥蚀［4］，为盒8段大面积砂体的形成提供了大量碎屑物质。盒8段砂岩碎屑组成、石英碎屑阴极发光、重矿物分布、古水流方向与砂体展布等特征表明，盒8期主要存在西北、北和东北三大物源，盆地北部陆源碎屑沉积物来源至少受3条水系控制，为多物源供给［9-10］，多水系输砂。

2.2湖盆性质

中二叠世至晚二叠世早期，鄂尔多斯地区为一与外海有一定联系的近海内陆坳陷［4，12，14］。利用泥岩B含量和Sr/Ba等地球化学分析数据恢复的盒8期水体古盐度表明，水体属淡水—微咸水，反映出盒8期鄂尔多斯地区为一向东开口的淡水内陆凹陷畅流型湖盆。

2.3湖盆容纳条件

早二叠世晚期之后，随着北侧西伯利亚板块持续向南俯冲挤压和兴蒙海槽洋壳的不断消减，鄂尔多斯地区南北向差异升降加剧［4］，盒8期基底沉降速率加快，地层基准面大幅下降，冲积体系大范围向南部迁移［11，14］，区域上河流下切充填发育，河流—三角洲向湖盆推进，三角洲前缘亚相直抵盆地中南部［15］。盆地的快速沉降为剥蚀产物提供了充足的可容纳空间。

2.4古地形特征

在经历了晚奥陶世—早石炭世的长期隆升剥蚀之后，鄂尔多斯地区沉积底形变得宽缓低平。盒8段下伏各地层全区厚度基本一致，盒8段地层全盆地厚度差小于30 m，古沉积坡度为1°～2°，古地形平缓。

2.5水动力条件

2.5.1古气候特征

气候变化不仅影响风化作用的强弱，还直接影响降水量、河流径流量和湖平面的升降，进而对沉积物的沉积量和分布产生影响［13］。华北地区自中晚奥陶世开始的准平原化使得季风对气候的影响大为减小，纬度的变化成为古气候变化的主导因素［20］。盒8期（中二叠世早期）鄂尔多斯地区（采样点位于韩城）地处北纬14.3°～16.3°［20-22］，气候由潮湿向干燥过渡，降水集中于夏季，每年有3～10个月的月平均降雨量大于20 mm［23］，植被相对于石炭纪和早二叠世减少，形成于潮湿气候条件下的煤层或煤线已很少见到［8］；古生物化石为热带气候区干湿交替气候条件下的波缘单网羊齿-剑瓣轮叶-束羊齿组合［13］。盒8段开始大范围出现形成于干旱氧化环境下的棕色及杂色泥岩，明显区别于下伏地层形成于还原环境的黑色及灰色泥岩。L15和S338等井盒8段岩心见杂色泥岩与暗色泥岩垂向交替出现，表明气候出现了干、湿季节性变化，水流供给为季节性大气降水。

2.5.2沉积构造特征

粒度特征是沉积水动力条件的反映，不同沉积环境具有不同的沉积水动力条件，从而具有不同的粒度特征［24］。盒8段储层粒度总体表现为含砾粗粒、中—粗粒特征，由北向南粒度变细，南部仍发育含砾中、粗粒砂岩，砾径为0.5～3.0 cm，主要为燧石，偶见撕裂状泥砾。利用图像粒度图解法求取的C值为0.46～1.60 mm，M值为0.23～0.86 mm；偏度为0.11～0.60，呈正偏态，变化较大；峰度（尖度）为1.03～3.16，70%属尖锐，18%属很尖锐。粒度概率累积曲线呈三段式，表现出牵引流的特征。跳跃总体约占98%，悬浮总体和滚动总体各约占1%，滚动总体不发育，悬浮段最大粒径整体大于0.125mm，表明盒8期水动力强劲，沉积速度快［24］。

盒8段储层沉积构造主要为形成于强水动力单向水流条件下的块状层理、平行层理和板状交错层理，未见正反双向水流条件下形成的羽状交错层理，冲刷构造普遍发育（图版Ⅰ）。单旋回为正旋回且缺少细粒段沉积，二元结构不发育。自然伽马曲线主要呈底部突变的箱形、钟形和齿状箱形，基本未见漏斗形，表明盒8段砂体形成于水浅流急、水动力较强且变化迅速的单向水流环境，为典型的河控辫状河三角洲分流河道砂体。

2.6湖水进退特征

盒8期鄂尔多斯盆地南北向差异升降加剧，基底沉降速率加快，地层基准面大幅下降，在湖退的背景下，冲积体系大范围向南迁移。干、湿交替的气候环境提供了季节性降水，向东开口的淡水内陆凹陷畅流型湖盆在季节性水流作用下频繁发生湖进、湖退。

2.6.1湖水进、退的证据

泥岩颜色是恢复古沉积环境水介质氧化—还原程度的地球化学指标。泥岩颜色主要为原生色，红色、棕色等形成于氧化环境，灰色、黑色形成于还原环境［24-26］。L15井盒8段岩心见厚度为12 m的灰黑色泥岩中夹有5段棕色、杂色泥岩，S338井盒8段岩心也见到灰黑色与杂色泥岩交替出现。灰黑色与杂色泥岩的交替出现表明泥岩沉积时经历了频繁的水上、水下变化，湖泊水体发生过频繁的湖进、湖退波动。

2.6.2湖退的最南位置

盒8段砂体南缘的L5，S404，S406，L63，S315，S318，S271，S267，Y101及Y112等井均发育有杂色、棕色泥岩。S276井和S113井盒8段泥岩见生物扰动构造，S324井盒8段见细砾岩，S113井盒8段砂岩见仅能短距离搬运的撕裂状泥砾（图版Ⅱ）。这些典型沉积相标志表明，盒8期湖泊北岸曾退至L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一线附近（参见图1）。

2.6.3湖进的最北位置

盒8段砂体以洪水沉积为主，一般以底砾岩直接与下伏地层冲刷接触，逆粒序沉积很少见到，盒8期最北端湖岸线较难判识。从泥岩颜色来看，鄂托克前旗—榆林一线以北，泥岩颜色主要为棕色、杂色，暗色较少见，该线以南棕色、杂色与灰黑色泥岩在平面上夹杂分布。从砂体平面形态来看，鄂托克前旗—榆林一线以北呈交织网状，以南呈长条状。综合考虑泥岩颜色分布特征及砂体平面形态，将盒8期湖岸线定在鄂托克前旗—榆林一线，即湖进最北端位置位于鄂托克前旗—榆林一线。

通过综合分析盒8段泥岩颜色平面及垂向分布特征，结合古生物遗迹、砾石及泥砾分布等沉积相标志，将盒8期湖岸线最南端和最北端分别确定在L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一线和鄂托克前旗—榆林一线，湖岸线在二者之间来回波动（参见图1）。

3　水槽沉积模拟实验

水槽沉积模拟是在地质原型分析的基础上，在几何、运动及动力相似理论的约束下，将自然界真实的碎屑沉积体系从空间尺寸及时间尺度上缩小，抽取控制其发展的主要因素，建立地质模型和物理模型，设计实验参数，开展模拟实验，并对实验过程进行监控。实验完成后，对沉积砂体的纵、横剖面进行分析，以再现沉积过程和结果［27-30］。

本次水槽沉积模拟实验依据鄂尔多斯盆地盒8期沉积古环境特征，选取北和东北两大物源交会区乌审旗地区为模拟区，应用相似理论设计物理模型及模拟参数，分别从物源供给强度、水动力条件、湖水水位升降、水流交汇及沉积基底沉降等方面，利用比例尺模型法进行了模拟。水槽实验装置长度、宽度和高度分别为16.0 m，6.0 m和0.8 m，固定河道区、非固定河道区和湖区的坡度分别为1.0°，1.6°和0.3°，设计入水口和出水口各1个，河道2条，分别代表两大水系（图2）。实验共用时约250 h，分6轮完成，每个实验沉积期均按平水期→洪水期→平水期→枯水期的顺序进行。各实验沉积期内湖水水位均不断变化，总体上模拟了一个大的湖退沉积过程，中间夹若干期湖进沉积过程。各实验轮次水流量和加沙量如表1所列。

图2　沉积模拟实验装置示意图Fig.2　Sketch map of sedimentary simulating experiment equipment

表1　水流量、加沙量实验参数Table 1　Experimental parameters of flow and sediment flux

3.1物源供给强度

3.1.1物源供给充足

对模拟实验第2轮与第3轮、第4轮与第5轮洪水期及第3轮与第5轮平水期沉积特征的对比发现，在水流量不变，增大加沙量，物源供给充足时，分流河道横向摆动频繁，砂体发育速度加快，长度和宽度变化均较大，形成的砂体规模大［图3（a）］。

3.1.2物源供给不足

对模拟实验第5轮与第6轮平水期沉积特征的对比发现，在水流量不变，减少加沙量，物源供给不足时，水流主要沿主河道分布，支流断流或废弃，不能形成大规模的砂体沉积［图3（b）］。

图3　不同物源供给强度下沉积特征Fig.3　The sedimentary characteristics under different provenance supply

物源供给强度对砂体发育规模影响的实验表明，充足的物源供给是形成大面积砂体的前提。

3.2水动力条件

根据盒8段辫状河三角洲形成特点以及自然界河流洪水期、平水期和枯水期的流量比例，本次模拟实验设计的洪水期、平水期和枯水期的流量比例为6∶3∶1。

3.2.1洪水期模拟

洪水期水流分布面积大，水流强度大，携砂能力强，形成的砂体规模也较大。在主河道入湖位置，水下分流河道砂体延伸距离较远［图4（a）］。

3.2.2平水期模拟

平水期水流量下降，携砂量减少，水流主要沿主河道分布，并对砂体进行下蚀、搬运和分选改造，对砂体规模产生了一定影响，主要表现为砂体进一步向前进积延伸［图4（b）］。

3.2.3枯水期模拟

枯水期水流量小，砂体大范围暴露，水动力弱，主要沿原有河道沉积少量细粒物质，砂体规模变化不大［图4（c）］。

图4　不同水动力条件下沉积特征Fig.4　The sedimentary characteristics under different hydrodynamic forces

水动力条件对砂体发育规模影响的实验表明，在平缓的古地形背景下，盒8段大面积砂体的搬运动力主要为洪水。

3.3湖水水位升降

盒8期研究区在季节性水流和沉积基底沉降作用下发生过频繁的大范围湖进、湖退，本次研究通过调节水位升降模拟湖进、湖退过程。

3.3.1湖进过程模拟

湖水水位上升或稳定时，在湖水顶托作用下，砂体入湖延伸较短一段距离后在入湖口附近沉积。砂体分叉、变宽，横向摆动明显，表明湖进过程中，砂体发生退积，纵向叠置，易形成网状砂体（图5）。

图5　湖进过程中砂体展布特征Fig.5　The sand body distribution characteristics during lacustrine progression

3.3.2湖退过程模拟

湖水水位降低，河道摆动不明显，砂体以顺流进积为主。水流下蚀、侧蚀，并搬运前期沉积砂体，使砂体延伸较远，表明湖退过程有利于砂体向前长距离延伸（图6）。

湖水水位升降沉积模拟实验表明，湖平面反复长距离大范围摆动有利于形成纵向叠置、横向连片、长距离延伸的大面积砂体。

图6　湖退过程中砂体展布特征Fig.6　The sand body distribution characteristics during lacustrine regression

3.4水流交汇处沉积模拟

水槽沉积模拟实验表明，在多股水流交汇区易形成大面积砂体（图7），说明多水系输砂有利于形成横向连片分布的砂体。

图7　水流交汇处沉积模拟特征Fig.7　The depositional characteristics at the current confluence

3.5沉积基底沉降模拟

沉积基底沉降给湖区砂体提供了可容纳空间和储集场所。随着该沉降过程的持续，砂体垂向加积发育加快，厚度变大，并形成叠置砂体。

4　盒8段大面积砂体沉积模式及形成机理

鄂尔多斯盆地盒8段发育辫状河三角洲沉积。依据泥岩颜色、砂体形态、沉积构造等沉积相标志，可将研究区盒8段沉积相带作如下划分：S246井—S102井—Z52井—S6井一线以北为冲积平原亚相区；S246井—S102井—Z52井—S6井一线以南、鄂托克前旗—榆林以北为三角洲平原亚相区；鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一线以北为三角洲平原亚相湖岸线反复波动区；L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一线以南为稳定三角洲前缘微相区（参见图1）。

盒8段大面积砂体形成机理为：盒8期盆地北部阴山古陆快速抬升剥蚀，相对湖平面下降，气候由潮湿向干燥过渡，季节性降水活跃，宽广的物源区发育多条河流，形成多水系输砂。洪水携带大量含砾粗粒碎屑物质向南长距离搬运。湖盆基底平缓，湖泊水体浅，波浪改造作用弱，以发育河控三角洲沉积为主，形成于强水动力单向水流条件下的平行层理、块状层理、板状交错层理及冲刷构造发育。向东开口的畅流型湖盆在基底沉降和季节性强降水的共同作用下，湖水水位大范围反复波动。湖退过程中，砂体顺流进积，水流下切、侧蚀作用强烈，冲刷构造、泥砾发育，砾石二次接力向前搬运，砂体向南不断延伸。湖进或湖岸线稳定时期，在湖水顶托作用下，砂体在入湖口附近沉积，横向摆动、分叉，东西连片，纵向加积、叠置。在平缓的沉积古底形之上，在湖进、湖退的反复作用下，盒8段河道频繁摆动，砂体相互交叉、切割，发育“大平原、小前缘”河控辫状河三角洲沉积，形成了南北近乎等厚的网毯状大面积砂体。

5　结论

（1）鄂尔多斯盆地北部盒8段大面积砂体形成的必要条件为充足的物源供给、较强的水动力、多水系输砂、平缓的湖盆底形、盆地快速稳定的沉降及湖岸线大范围反复波动。

（2）研究区盒8段辫状河三角洲沉积具有“大平原、小前缘”的特征。鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一线以北为湖岸线反复波动区，发育辫状河三角洲平原分流河道砂体，砂体规模大、粒度粗、储集物性好，是下一步的有利勘探目标。

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图版Ⅰ

图版Ⅰ说明：1.S104井，3 455.07 m，块状层理；2.S120井，3 639.98 m，平行层理；3.L7井，4 014.71 m，平行层理；4.T29井，2 791.86 m，冲刷面

图版Ⅱ

图版Ⅱ说明：1.S276井，2 688.00 m，生物扰动构造；2.S113井，4 308.72 m，生物扰动构造；3.S324井，3 859.30 m，细砾岩；4.S113井，4 318.13 m，撕裂状泥砾

（本文编辑：于惠宇）

Formation mechanism of sand bodies of the eighth member of Shihezi Formation in northern Ordos Basin

Liu Xiaopeng1，2，Zhao Xiaohui1，2，Kang Rui1，2，Qi Yaling1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，Petrochina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；2.National Engineering Laboratory for Low Permeability Oil and Gas Fields Exploration and Development，Xi’an 710018，China）

In order to clarify the formation mechanism of sand bodies in the eighth member of Permian Shihezi Formation in the northern Ordos Basin，the sedimentary palaeoenvironments including basin character，the connectivity of lake and the outside world，provenance supply and hydrodynamic force conditions were recovered on the base of the characteristics of sand body distribution.Combined with the sedimentary simulation，the sedimentary model of the eighth member of Shihezi Formation was established.The result shows that sufficient sediment supply，strong hydrodynamic force，abundant clastic supplying by several rivers，broad flat topography，stable and rapid basin subsidence and lake level fluctuate with large range are the main factors responsible for the large-area sand bodies of the eighth member of Shihezi Formation.The area from the north of L63 well，S318 well，Y101 well and Y112 well to south of Etuokeqianqi-Yulin area in Ordos Basin is the favorable target for exploration in the future.

large-area sand bodies；formation mechanism；the eighth member ofShihezi Formation；Ordos Basin

TE121.3

A

1673-8926（2015）05-0196-08

2015-05-09；

2015-07-12

国家重大科技专项“鄂尔多斯盆地天然气富集规律、目标评价与勘探关键技术”（编号：2011ZX05007-004）资助

刘晓鹏（1978-），男，硕士，工程师，主要从事天然气勘探、生产及科研方面的工作。地址：（710018）陕西省西安市未央区兴隆园小区长庆油田勘探开发研究院。E-mail：liuxiaop1_cq@petrochina.com.cn。