玛湖凹陷百口泉组砂砾岩建筑结构要素层次分析

张昌民，刘江艳，潘进，朱锐

建筑结构要素分析是Miall提出的用于解剖沉积体内部结构的一种沉积学研究方法[1]，这一方法最初应用于河流沉积学领域[2-9]，之后不断推广到对其他类型沉积体系的解剖[10-14]，目前已经发展成为研究沉积体内部结构的重要手段。建筑结构要素分析法引入中国之后，在中国得到快速传播和发展[15-19]，在露头调查[20-23]、现代沉积研究[24-25]、地下地质解剖[26-31]等方面得到广泛应用，在油气勘探和开发中发挥了重要的作用，尤其是在储集层研究中，应用这一方法，实现了对储集层结构的精细解剖，为勘探阶段经济有效储量计算和开发阶段加密钻井、注水调剖和三次采油等措施的实施提供了坚实的地质基础。

玛湖凹陷是准噶尔盆地主要的含油气凹陷，也是准噶尔盆地最主要的油气生产地区。自2010年以来，在玛湖凹陷下三叠统百口泉组勘探发现了大量的油气资源[32-34]，但是，由于百口泉组是一套以砾岩和含砾砂泥岩为主的砂砾岩沉积[35-39]，地层厚度大、粒度粗、分选差，沉积体系随湖平面变化十分频繁，砂砾岩体内部结构看似简单实则十分复杂，储集层非均质性非常强，研究此类砂砾岩体的形成过程和建筑结构要素，对正确评价和高效开发利用砂砾岩油气资源具有至关重要的作用。

1 方法与原理

本文将经典的建筑结构要素分析法[1]和储集层研究中的层次分析法[40]相结合，实现对玛湖凹陷百口泉组砂砾岩沉积体建筑结构要素层次分析。

Miall的建筑结构要素分析法[1-6]运用建筑学的观点认识沉积体，认为不同的建筑物具有不同的结构，建筑物的结构由不同的建筑结构要素通过不同的组合方式构建而成。沉积砂体也是由不同的砂体建筑结构要素构建的，通过分析砂体各建筑结构要素及其组合方式可以重建砂体的形态和内部结构。建筑结构要素分析法包括岩石相划分、沉积界面识别、建筑结构要素分析以及沉积模式的建立等4方面的内容。岩石相被认为是岩性和沉积构造有别于砂体其他部位且反映特定水动力条件的沉积单元，用岩石的代表性粒度和沉积构造2个属性命名。沉积界面是将沉积体不同部位分隔开的界面，根据沉积动力机制的级次性可划分为不同层次（或称级次，级别，Hierarchy ofboundarysurfaces）。建筑结构要素是具有特定几何形态、反映了特定的沉积水动力方式的成因单元，不同的建筑结构要素具有不同的岩石相组合和三维形态。河流的水动力方式决定了河道和河床形态，进而决定了河床上发育的大型底形类型及其形成的建筑结构要素。根据沉积砂体中建筑结构要素的类型可以恢复古河道和古河床的形态特征，重建河流沉积模式。

文献［41］认识到地质现象存在层次性规律，提出了储集层研究中的层次分析法[40，42-44]，认为通过一系列成因上相互关联的界面可以把地质体划分为成因和规模不同的层次，这些界面称为层次界面，界面以内所包含的地质体为层次实体，不同层次的层次实体具有不同的结构，取决于构成该层次实体的结构要素的类型及其组合方式。由此可以将建筑结构要素的概念进一步扩充为构成不同层次地质实体、具有不同成因意义和几何形态的地质单元，建筑结构要素不再局限于Miall所指的河道内部大型底形等二级地貌单元。砂体内部存在不同层次的界面，不同层次的界面分隔了不同层次的实体，不同的层次实体由不同的建筑结构要素组合而成。储集层建筑结构层层嵌套，一个高层次的建筑结构要素包含一个或者多个类型相同或者相异的低层次建筑结构要素，通过分析不同层次建筑结构要素的类型、形态和分布能够实现对地质体的精细解剖，这种方法称为储集层建筑结构要素层次分析法，笔者依据这一原理对玛湖凹陷黄羊泉扇和夏子街扇百口泉组砂砾岩体的建筑结构进行层次解剖（图1）。

图1 玛湖凹陷百口泉组储集层建筑结构层次划分示意

2 岩石相类型

通常依据岩性和沉积构造命名岩石相，首先将岩石相分为砾岩、砂岩和细粒岩3大类，然后结合沉积构造进行定名。这一方法合适砂泥岩地层，但对砾岩地层显得过于粗糙。主要有3方面原因：①砂砾岩层序中砾岩的粒度从毫米级的细砾到分米、甚至米级巨砾，变化极大，用一个符号无法描述砾岩的多样性，也无法区分各种砾岩岩石相，因而需要按粒度对砾岩进一步分类；②砂砾岩地层沉积机理具有多样性，同一砾级的砾岩既可能是河流搬运的，也可能是泥石流沉积的，不同水动力机制沉积的砾岩颗粒磨圆度、分选性、排列方式以及岩石中杂基的含量等差异极大，严重影响储集层性质优劣，必须加以区分；③玛湖凹陷百口泉组是在干旱气候条件下由冲积扇、河流扇、扇三角洲等沉积形成的一套粗粒沉积层序，水上和水下氧化还原条件差异极大，岩石颜色对沉积环境反映比较敏感，是区分岩石相反映岩石相成因、指示沉积环境的重要指标。

文献［45］通过对玛湖凹陷百口泉组82口取心井的1 922 m岩心进行详细的观察描述，对岩石的岩性、颜色、沉积构造、分选性、磨圆度、定向性、支撑方式、胶结类型、胶结物成分、最大粒径、平均粒径、粒度范围、含油性、砾石成分和地层接触关系等15个方面的特征进行了记录，提出了以岩石的粒度、沉积构造、颜色和颗粒支撑方式等4种属性为主的多属性岩石相命名方案。分类首先根据粒度范围将岩石相分为砾岩相（G）、砂岩相（S）和泥岩相（M）共3大类；对每个大类按照粒度进一步分为亚类，M1和M2分别表示粉砂质泥岩和泥岩；S1—S6分别表示极粗砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩；G1—G5分别表示巨砾岩、粗砾岩、大中砾岩、小中砾岩和细砾岩；Ⅰ—Ⅳ分别表示颗粒支撑、多级颗粒支撑、杂基颗粒支撑和杂基支撑。配合沉积构造和颜色特征，在百口泉组砂砾岩地层中共识别出了227种岩石相类型。其中砾岩岩相152种，砂岩岩相63种，泥岩岩相12种（表1，图2）。

表1 玛湖凹陷百口泉组岩石相类型（据文献［45］）

3 界面系列

界面是层次实体的边界，Allen[46]最初在河流沉积中划分出3级界面，之后Miall又增加了第4级界面，即古峡谷中的河道带的底界面[1]，1988年Miall将4级界面系列扩展为6级[3]，1991年又增加了第7级大型沉积体系（或者扇域）和第8级盆地充填复合体[5]，1996年将冲积沉积体的界面及其沉积单元划分扩展为9级系列[6]。层次界面的序列由小到大从第1级开始编号依次增加。

图2 典型岩石相基本特征

不同学者结合研究实际进行界面系列的划分和编号。文献［40］和文献［44］在研究双河扇三角洲砂体时根据由大到小的顺序对沉积界面进行命名，首先确定油层组的界线，然后确定小层、单层、油砂体的边界等，文献［17］和文献［19］按照规模由大往小的顺序对沉积界面进行分类。玛湖凹陷百口泉组砂砾岩体可以划分出11级沉积界面（表2），第1级界面是纹层界面，由水流中猝发性的瞬时涡动形成；第2级界面是单个交错层系的界面，代表一个沙丘（微底形）加积过程；第3级界面是层系组界面，反映沙丘的形态发生了变化；第4级界面类似于砂坝增生面，反映砂坝的增生过程；第5级界面为砂坝界面，依靠地下资料很难区分第4级和第5级界面；第6级界面是单一河道的边界；第7级界面是复合河道界面；第8级界面为同一时期活动的单个冲积扇的界面；第9级界面为多个单扇体叠置形成的复合扇朵叶体界面；第10级界面为百一段、百二段和百三段顶底界面；第11级界面是百口泉组顶底界面。其中第1级—第3级界面主要依靠岩心进行识别（图3a），第4级—第8级界面需要结合测井曲线进行判别（图3b，图3c，图3d），第9级—第11级界面需要运用地震资料进行划分（图3e），通过测井和地震资料识别的高级别界面也可以在岩心上进行标定。

表2 玛湖凹陷百口泉组沉积界面层次划分

4 建筑结构要素

Miall的建筑结构要素[1-6]特指由河道内不同的水流方式塑造的大型底形（Macro-form，即河道内部的二级地貌单元）加积形成的三维沉积体。本次研究认为建筑结构要素是发育在一定的层次界面内具有不同成因和三维形态的一系列地质体，建筑结构要素也具有层次性，其层次级别与沉积界面相对应，分为11个层次（图4）。

图3 不同层次沉积界面的特征及识别方式

图4 不同层次建筑结构要素地层特征及其成因模式

第1级是构成交错层理的纹层，不同纹层的形态和粒度构成、颗粒组构各不相同，有些纹层水平，有些纹层倾斜，有些纹层平直，有些纹层弯曲，有些纹层由砂质或者泥质组成，有些纹层由砾石组成，有些纹层粒度均一，有些纹层内部有粒度递变，有些纹层厚度一致，有些纹层沿倾向厚度变薄或者变厚，这些差异反映了沉积过程水深、流速以及水流中的泥沙成分和含量的不同。砾岩交错纹层界线比较模糊，需要仔细辨认粒径变化。第2级是单个交错层系，层系是由沙丘或沙波迁移形成的具有相同纹层结构的沉积单元，受岩心尺寸的限制，在岩心上往往难以观察到完整的交错层系，很难判断沉积构造的类型。砾岩岩性粗糙，识别层系界面比较困难。第3级是层系组，是具有相同岩石相的层系的组合，由类型相同但加积方向不同的沙丘或沙波垂向叠置而成。第4级是砂坝增生体，指示河道砂坝的幕式生长过程。砂砾质河道砂坝增生体包含2种以上岩石相，在不同的增生体之间发育相对细粒的沉积层，代表加积作用的短暂停顿或者变缓。第5级是河道砂坝，这一层次才相当于Miall所指的建筑结构要素。砾质河床河道砂坝形态十分复杂，以各种砾质纵向坝最为多见，但也发育点砂坝、横向砂坝等二级地貌单元。一些砾质河床上的砂坝可以进一步划分出多个级别的次级砂坝。依靠岩心和测井曲线可以识别5级界面，划分砂坝的垂向边界，但很难刻画砂坝的三维形态。第6级是单河道沉积体，由单一河道加积形成。百口泉组属于粗粒扇状沉积体系，扇面上河网交错分布，同一河段发育多个河道，即使在露头上也难以划分单个河道边界，地下地质研究中只能依靠岩心和测井曲线在垂相上识别一些互相叠置的河道沉积。第7级是沉积微相，包括复合河道、泥石流、泥流、水下分流河道、河口砂坝、席状砂、碎屑流和湖相泥等。复合河道砂体由多个单河道砂体叠置而成，地貌上与流槽[47]相似，其上下边界发育较明显的砂质或泥质沉积，内部无明显的泥质隔层，可以细分为季节性河道、暂时性河道和河道间微相。沉积微相可以依靠测井曲线和岩心进行标定，在地震剖面上难以刻画。第8级为单扇体沉积，现代沉积研究表明，冲积扇上各部分并不是同时活动的，受构造运动、气候变化和沉积物供给等因素的影响，冲积扇一定时期在某一部位沉积形成一个朵叶体，另一时期突然迁移到其他部位沉积形成新的朵叶体。每个扇体形成一个被较厚层泥岩隔开的向上变细的砂砾岩层序。第9级为复合扇朵叶体，为一系列朵叶体叠置形成的砂砾岩体。第10级为地层段所包含的砂砾岩体。其上下边界为地层段界线。百口泉组百一段总体较粗，沉积体系规模大、分布广，百二段湖泊水位上升，沉积体系有所缩短，百三段时期沉积厚度明显变薄。第11级是百口泉组砂砾岩层序，其边界是百口泉组界线，代表了较长期的湖泊水位上升形成的一套总体向上变细的砂砾岩沉积序列。

5 砂砾岩体建筑结构解剖

第1级—第3级建筑结构要素属于岩石相规模，依靠岩心和测井资料表征。对黄羊泉扇8口井孔渗数据进行统计发现，粗砂岩孔隙度最大（8.97%），其次是细砾岩（8.56%）和小中砾岩（7.81%），大中砾岩、细砂岩和中砂岩孔隙度约为7.00%（图5a）；小中砾岩渗透率最大（5.19 mD），细砾岩（3.99 mD）和大中砾岩（3.64 mD）次之，砂质岩渗透率普遍较低（图5b）。夏子街扇13口井的孔渗数据显示相似的特征（图5c），粗砂岩孔隙度最大（9.30%），其次是小中砾岩（8.62%）和细砾岩（8.06%），细砂岩和中砂岩孔隙度约为8.00%，大中砾岩孔隙度为6.70%；小中砾岩渗透率最大（6.30 mD），其次为细砾岩（3.35 mD）和大中砾岩（3.08 mD）（图5d）。纹层和层系组内部的岩性差异影响储集层的非均质性，这2个层次的储集层物性有待进一步深入研究。第4级—第8级界面不能直接从岩心识别，但可以根据岩性和沉积层序的变化，通过测井曲线识别，在岩心上进行标定。依靠测井曲线的形态可以在垂相上划分砂坝增生面（第4级）、砂坝边界（第5级）、单河道砂体边界（第6级）和沉积微相（第7级）（图3b，图3c），但由于早期评价阶段井距大、地震分辨率有限，难以刻画此4个层次的建筑结构要素三维形态。季节性河道、暂时性河道、河道间、泥石流、泥流、水下分流河道、河口砂坝、碎屑流和湖相泥等9种建筑结构要素（微相，第7级）是构成单个扇体（第8级）的基本建筑结构要素（图6）。

季节性河道发育G3mggⅠ，G3xggⅠ，G4mgⅢ，G4xggⅠ，G5mgⅠ和G5xggⅠ等岩石相，泥质含量较低，底部发育巨砾岩、粗砾岩和大—中砾岩，向上变为小中砾岩，顶部发育细砾岩，颗粒具有呈明显定向性，层理明显。砾石呈次棱角—次圆状，磨圆度中等—较好，分选性较好，主要为颗粒支撑，部分杂基颗粒支撑。暂时性河道发育G3mggⅣ，G4mgⅢ，G5mgⅢ和G5mgⅣ等岩石相，泥质含量相对季节性河道较高，层理不明显，无明显粒序。砾石颗粒多呈棱角—次棱角状，磨圆度中等—较差，分选性较差，无明显定向，杂基支撑，部分杂基颗粒支撑。河道间主要发育M1mr和M2mr岩石相，局部见含砾泥岩，泥质含量高，多呈红褐色，见少量灰色。泥岩中砾石呈棱角状，磨圆度差，分选性差，杂基支撑，无明显定向，无韵律性，易与泥流混淆。泥石流的岩石相类型G1mrⅢ，G2mrⅢ，G2mrⅣ，G3mrⅢ，G3mrⅣ，G4mrⅣ和G5mrⅣ，总体上无韵律性，偶尔可见粒度分异作用，显示粗糙正韵律特征，岩石相由下向上逐渐变细；泥流主要发育M1mr和M2mr岩石相，以含砾泥岩为主，见部分泥岩。泥岩一般为红褐色、棕褐色，泥质含量要高于泥石流。所含砾石颗粒呈棱角状，磨圆度差，分选性差，非均质性强，杂基支撑，定性差弱。水下分流河道微相发育G3mggⅠ，G3xggⅠ，G4mgⅢ，G4xggⅠ，G5mgⅠ和G5xggⅠ等岩石相，泥质含量较低，砾石呈次棱角—次圆状，磨圆度中等—较好，分选性较差，颗粒支撑，定向性好，层理明显。水下分流河道微相底部砾石颗粒较粗，多为大中砾岩，下段发育小中砾岩，向上粒度变细为细砾岩，顶部发育砂岩和泥质粉砂岩，总体具正旋回。河口砂坝微相发育G3xggⅠ，G4mgⅢ，G4xggⅠ，G5mgⅠ和G5xggⅠ等岩石相，多呈灰色、灰白色和灰绿色，见少量灰褐色。沉积层序底部砾石颗粒较细，多为细砾岩，下段发育小中砾岩，向上粒度变粗，发育大中砾岩，顶部发育粗砾岩，总体呈反韵律。砾石颗粒多呈次棱角—次圆状，磨圆度中等—较好，分选性较好，颗粒支撑为主，定向性好。碎屑流微相发育G1mrⅢ，G2mrⅢ，G2mrⅣ，G3mrⅢ，G3mrⅣ，G4mrⅣ和G5mrⅣ等岩石相，呈灰色、灰黑色和灰绿色，少量灰褐色。泥质含量较高，砾石颗粒多呈次棱角—棱角状，磨圆度中等—较差，分选性差，主要为杂基支撑，部分杂基颗粒支撑，无明显定向，无明显粒序变化。湖相泥主要发育S6mgg，S6mg，S6pgg，S6pg，M2pg和M2mg岩石相，呈灰色、灰黑色，部分见红褐色，岩性为泥岩、粉砂质泥岩，发育砂岩条带，多见块状层理、水平层理。

图5 玛湖凹陷百口泉组不同岩石相的平均孔隙度和平均渗透率直方图

图6 玛湖凹陷百口泉组第7级建筑结构要素（沉积微相）类型及其基本特征

目前无法依靠地震资料刻画第8级界面（单个扇体的边界），但在地震约束下依靠测井层序对比可以刻画复合扇朵叶体（第9级）和更高级别的沉积界面以及建筑结构要素。通过9条连井剖面，利用岩心和测井资料进行连井对比，参考地震反射特征，在黄羊泉扇百一段、百二段和百三段3个10级层次内识别出8个复合扇朵叶体（第9级建筑结构要素）（图7）。其中百一段包括朵叶体HYQ1和HYQ2；百二段包括朵叶体 HYQ3，HYQ4，HYQ5和 HYQ6；百三段包括朵叶体HYQ7和HYQ8（图7a）。从百一段到百三段表现出总体的湖侵退覆趋势，但在百一段和百二段的后期都发生了湖退事件，造成沉积朵叶体向湖盆方向进积，随后又开始了缓慢的湖侵过程（图7b，图7c，图7d）。在夏子街扇布置11条连井剖面，共识别出10个复合扇朵叶体，结果显示从百一段到百三段，砂砾岩复合扇朵叶体的展布范围随湖侵不断后退（图8）。

6 沉积模式

玛湖凹陷黄羊泉扇和夏子街扇三叠系百口泉组皆发育一套砂砾岩粗粒沉积，主要为粗粒辫状河、冲积扇、河流扇和扇三角洲沉积，但黄羊泉扇和夏子街扇的沉积体系的特点稍有不同。

黄羊泉扇物源来自加依尔山和哈拉阿拉特山的火山岩和变质岩区，夹杂部分花岗岩，砾岩呈灰黑色、深灰色，以暗色调为特征。对黄羊泉扇15口取心井868.66 m岩心的观察统计，季节性河道微相占32.08%，暂时性河道占12.02%，水下分流河道占22.25%，河道间微相占18.72%，泥石流微相占2.52%，泥流占2.50%，河口砂坝微相占1.48%，碎屑流微相占5.85%，湖相泥岩占2.58%（图9）。陆上部分以季节性河道为主，暂时性河道次之，水下部分以水下分流河道为主，总体以河流的搬运作用为主，偶尔发育泥石流、泥流和碎屑流沉积。黄羊泉扇呈北西—南东向展布，最大半径约为37.1 km，百一段沉积期以冲积扇—河流扇为特征，向南与夏子街巨型河流扇沉积体系相接，局部发育暂时性湖泊，百二段沉积期伴随湖侵作用，部分扇体没入湖中形成冲积扇三角洲，部分扇体仍然向东与夏子街扇沉积体系相连，百三段沉积期湖泊水位进一步升高，扇体面积减小形成冲积扇三角洲（图10a）。

图7 玛湖凹陷黄羊泉扇百口泉组第9级建筑结构要素连井剖面和第10级建筑结构要素平面展布

图8 玛湖凹陷夏子街扇百口泉组第9级建筑结构要素连井剖面和第10级建筑结构要素平面展布

夏子街扇物源来自北部和东北部的变质岩区，砾岩呈灰白色、红色和褐色，以杂色调为特征。对夏子街扇40口取心井927.70 m岩心观察统计表明，季节性河道微相占43.94%，暂时性河道占7.91%，水下分流河道占21.88%，河道间微相占10.86%，泥石流微相占6.02%，泥流占0.90%，河口砂坝微相占2.29%，碎屑流微相占2.95%，湖相泥岩占3.24%（图9）。夏子街扇呈南北向展布，最大延伸半径约为61.6 km.地层对比结果显示，百一段沉积期砾质沉积物可能向南延伸到玛中甚至玛南地区，玛湖平原被广泛的冲积砾石覆盖，以巨型砾质河流扇沉积为特征，百二段沉积期扇体向北退覆形成河流扇三角洲，百三段沉积期扇体面积进一步减小形成冲积扇三角洲（图10b）。

图9 玛湖凹陷黄羊泉扇和夏子街扇取心井段沉积微相在地层垂向上所占比例

图10 玛湖凹陷黄羊泉扇（a）和夏子街扇（b）沉积模式随湖平面升降发生的变化

比较黄羊泉扇和夏子街扇的沉积特征，二者除了受物源控制岩石颜色具有明显差异之外，黄羊泉扇总体沉积体系规模较小，泥石流、泥流比较发育，具有更多冲积扇和洪积扇的特征，夏子街扇沉积物延伸距离远，沉积体系规模大，泥石流沉积物少见，具有河流扇的特征。黄羊泉扇和夏子街扇都表现出以河流为主要搬运动力，不同时期沉积体系在冲积扇、河流扇、河流扇三角洲和冲积扇三角洲体系之间频繁转换持续演变。

7 储集层分布

砂砾岩体建筑结构的层次性控制着储集层物性的层次性。第1级—第4级建筑结构要素，季节性河流水动力周期性变化，在同一岩石相中形成杂基含量和粒度不同的层偶，砂砾岩纹层内部经常可见毫米到厘米级的粒度递变，致使同一纹层从下往上物性变差，岩石相内部物性呈周期性变化，统计表明杂基（泥质）含量低的岩石相具有更高的孔隙度（图11）。第5级—第7级建筑结构要素的物性变化受沉积微相的控制，不同沉积微相的储集层物性变化趋势不同，复合河道砂砾岩体表现出复杂的储集层物性变化规律，具有总体向上变差的趋势（图12），河口砂坝物性具有向上变优的趋势。季节性河道、水下分流河道和河口砂坝物性总体较好，暂时性河道、河道间、泥石流、泥流和碎屑流物性较差，季节性河道和水下分流河道构成主要的储集层微相（表3）。第9级—第11级，优质储集层主要发育在百一段和百二段，百二段河流扇三角洲平原和前缘形成大量的泥岩和砂砾岩互层，为油气的储集提供了更加合适的条件，使得百二段成为油气最为集中发育的层段（图13）。

图11 玛152井砾岩段孔隙度与泥质含量关系

图12 玛603井复合河道砂砾岩体内部储集层物性变化

表3 玛湖凹陷百口泉组不同沉积微相（第7级建筑结构要素）储集层特征

图13 玛18井百口泉组储集层含油气性特征

8 结论

（1）建筑结构要素层次分析法是经典的建筑结构要素分析法的拓展应用，运用建筑结构层次分析法对粗粒砂砾岩体进行深入的解剖，能够清晰认识不同层次影响储集层物性的地质因素及其成因，这一方法对精确开展早期油藏评价和高效开发利用油气资源有一定的促进作用。

（2）运用建筑结构要素层次分析法在玛湖凹陷百口泉组砂砾岩中划分了3大类227种岩石相，根据砂砾岩沉积的水动力机理和地层结构可以识别出11级沉积界面及与之对应的11级沉积建筑结构要素，为揭示粗粒砂砾岩体的内幕提供了有效的手段。

（3）不同层次的建筑结构要素在不同程度上影响砂砾岩储集层的非均质性。对玛湖凹陷黄羊泉扇和夏子街扇下三叠统百口泉组的建筑结构层次分析表明，泥质含量低的小中砾岩和细砾岩岩石相储集层物性最好，季节性河道砂体和水下分流河道砂体是最好储集层微相类型，百二段是最有利于油气集中发育的层段。

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