鄂尔多斯盆地西南部中侏罗统直罗组储集砂体特征及聚砂成藏模式

2019-09-23陈安清张晓星密文天康永梅刘一仓王联国杜佳宁侯明才缪宗利

地球科学与环境学报 2019年5期

陈安清，张晓星，密文天，康永梅，刘一仓，王联国，杜佳宁，侯明才，缪宗利

(1. 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610059; 2. 内蒙古工业大学矿业学院，内蒙古呼和浩特 010051; 3. 中国石油长庆油田分公司第十一采油厂，甘肃庆阳 745000)

0 引言

鄂尔多斯盆地地处中国华北板块西部，是一个大型含油气盆地，其内部构造相对简单，蕴含资源丰富，集油气、煤、铀共存一盆，是中国重要的能源盆地[1-3]。众多学者对鄂尔多斯盆地侏罗系油藏的控制因素及富集规律等进行过研究[4-5]，但关于直罗组只有少量砂岩铀矿方面的研究[6]，并且主要集中在东部和北部露头区[7-9]。由于以往的油气勘探层系锁定在直罗组的下伏地层，而埋藏相对较浅的直罗组油气地质研究几乎被忽视。最近，在鄂尔多斯盆地镇北地区的镇369井获得了工业油流，显示出浅层的直罗组具备油气勘探潜力。然而，鄂尔多斯盆地西南部直罗组地层厚度大，为了能够满足油气勘探的需要，急需综合已有的层段划分，开展精细砂体小层格架内的沉积相和有利储层发育规律研究。此外，有关直罗组沉积相的认识有辫状河、曲流河、三角洲等不同观点，这制约了对直罗组有利砂体发育分布规律的认识[10-14]。近年来，利用源汇系统作为研究思路对地表沉积动力过程展开分析[15]，从而对砂体展布的约束进行研究取得了一些进展。本文基于鄂尔多斯盆地西南部的6个露头和5口钻井岩芯的观察和测量，并重新解释了研究区500多口钻井的测井数据，开展了物源、沉积相、古地貌、砂体分布和储层特征研究，提出古地貌约束下的源汇系统对有利砂体的控制模式，为油气新层系勘探预测提供支持。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地总体构造形态近于矩形，为一东翼宽缓、西翼陡窄的SN向大向斜，可划分为6个一级构造单元，分别为北部伊盟隆起，西部西缘冲断带、天环坳陷，中部伊陕斜坡，南部渭北隆起和东部晋西挠褶带[16-19]。镇北地区位于鄂尔多斯盆地西南部(图1)，整体表现为东高西低的面貌，但东部位于伊陕斜坡，为西倾单斜，在东西方向超过70 km范围内落差近400 m，南北方向高差基本没有变化；西部边缘处于天环坳陷的西翼，为东倾单斜。由于受到秦岭板内造山作用产生的由南向北挤压应力及燕山期和喜山期NE向应力作用下形成一系列宽缓低幅的鼻状构造，在平面上成排发育，轴向大体相同，以EW向为主，微偏NW向。这些成排的鼻状构造是潜在的油气圈闭，单个构造的宽度为5～10 km，垂向构造幅度一般约为20 m。

晚三叠世末，受燕山运动第一幕的影响[19-20]，鄂尔多斯盆地抬升剥蚀，造成延长组顶部不同程度的缺失；早侏罗世，鄂尔多斯盆地由抬升剥蚀转为整体沉降，沉积了下侏罗统河流-湖泊三角洲相的富县组和延安组；至中侏罗世，燕山运动第二幕又使盆地短暂抬升后再次沉降，沉积了半干旱环境的直罗组和干旱环境的安定组；此后，盆地强烈抬升，造成上侏罗统的普遍缺失[10]。

鄂尔多斯盆地西南部中侏罗统直罗组地层厚度横向上比较稳定。部分地区底部受延安组顶部河谷地貌控制[21-22]，高部位缺失最底部亚段；顶部受到后期抬升剥蚀和古河道的侵蚀使地层缺失，部分井缺失顶部亚段。通过钻井资料与下伏延安组的对比，直罗组并没有明显的凝灰岩和典型的煤层线来限定层位。主要根据测井的声波时差与自然伽马电位曲线变化特征，结合沉积旋回结构，将直罗组划分为4段、8亚段(图2)[10]。

2 源汇系统及其对砂体展布的约束

2.1 古流向对物源方向的指示

古流向测定是物源分析的一个重要手段[23-24]。野外古流向数据来自研究区周缘的露头剖面，即东部的富县直罗镇剖面，南部的旬邑县崔家沟剖面、彬州市水北沟和蓓子沟剖面，东南部的铜川市沙窑子剖面。对每个剖面的直罗组开展了槽模、交错层理等具有古流向意义的数据采集，每组数据包括该沉积构造倾向(流向)和地层产状。最终结果揭示直罗组古流向集中在45°～350°[图3(a)]，即古河道流向主要方向为N—NE向，指示出研究区河流-三角洲沉积物的物源来自西南侧的造山带。根据当时的大地构造背景，物源区位于西秦岭造山带[25-27]。

2.2 古地貌对汇水体系的指示

早侏罗世晚期的延安组沉积后，构造抬升作用造成其顶面被河道侵蚀，形成的古地貌对直罗组地层和储集砂体展布具有明显的控制作用。本文通过印模法恢复了直罗组沉积前古地貌[28][图3(b)]。由于直罗组顶部部分地区地层有所缺失，所以印模法采用的数据是直罗组中部的一个普遍发育岩性岩相转换面以下的地层厚度。该界面几乎在所有钻井都能找到，是下部辫状河三角洲体系向地势平缓的曲流河三角洲体系转换的界面，是一个良好的参照面。

沉积前古地貌很好地反映了延安组沉积期末构造抬升期间古河流侵蚀而成的沟谷地貌[29]。古河流持续的下切作用对延安组顶部地层造成不同程度的侵蚀。形成的延安组顶部古地貌由高地、古隆起斜坡、三级古河谷等地貌单元组成，表现为由西南部高地向东北方向延伸的并行排列分支河谷，至盆地内部沟谷交错。古河道延伸方向很好地指示了直罗组物源来自研究区西南侧。直罗组是延安组顶面古地貌约束下的古水系所形成的沉积物，是对该沟谷地貌的充填补平过程。因此，这一河谷地貌约束了直罗组的沉积相分布、地层厚度变化、砂体优势发育部位。受古地貌及沉积环境的控制，前期下切形成的河谷地带一般含河床滞留砾石，砂岩层厚，底部常含砾石；缓斜坡的凸岸带发育边滩相砂岩，砂体厚度中等，分选较好。

2.3 古流域对砂体展布的制约

通过物源和古地貌水系的约束，基于500余口钻井的测井解释数据统计，编制了直罗组8个亚段的砂层厚度平面图及砂地比平面图。这些图件很好地揭示了当时的流域分布特征。根据优势相法则，对各井段的砂体厚度和砂地比进行了沉积相单元边界的标准界定(图4)，从平面上刻画了各亚段的流域分布和砂体发育规律。总体上，研究区直罗组沉积期河流-三角洲体系发育5、6条SW—NE向分流河道，各沉积期河道受古地貌约束呈条带状分布，继承性较强，体现了由下部辫状河三角洲形成的厚层叠置粗砂岩段向上部曲流河三角洲成因的砂泥互层段的转换(图5、6)。

图2 中侏罗统直罗组地层划分Fig.2 Stratigraphic Division of Middle Jurassic Zhiluo Formation

直4段沉积期是湖盆第一沉积期[图7(a)、(b)]，物源多来自西南侧的西秦岭造山带，研究区由西南向东北方向发育辫状河和辫状河三角洲平原。辫状河道多以粗砂岩为主，泥质含量较低，粗砂岩粒径粗大。主河道砂体厚度为60.5～118.0 m，平均值为77.67 m，砂地比为0.6～1.0，平均值为0.72；次河道砂体厚度为30.5～60.0 m，平均值为47.37 m，砂地比为0.32～0.60，平均值为0.42。河道末端为泛滥平原环境形成的粉砂质泥岩及泥质粉砂岩互层。辫状河三角洲平原中常见分流河道形成的冲刷面，河道侧向迁移形成的大中型板状交错层理、槽状交错层理也非常普遍。

直3段沉积期[图7(c)、(d)]，沉积物源来源减少。研究区东北方向发育辫状河三角洲平原，河道位置不固定，河道分叉汇聚频繁；西南方向辫状河道沉积数量增多，但河道较窄，砂体累计厚度较之前变小，河道与河道之间多见心滩，为典型辫状河沉积。主河道砂体厚度为60.5～124.0 m，平均值为70.73 m，砂地比为0.55～0.90，平均值为0.68；次河道砂体厚度为30.5～60.0 m，平均值为44.00 m，砂地比为0.30～0.55，平均值为0.37。

直2段沉积期[图7(e)、(f)]，随着早期河谷被填充补齐和周缘造山作用的减弱，镇北地区沉积环境由辫状河三角洲转为曲流河三角洲。其主河道砂体厚度为50.5～70.0 m，平均值为65.50 m，砂地比为0.4～0.7，平均值为0.50；次河道砂体厚度为31.5～50.5 m，平均值为42.74 m，砂地比为0.25～0.40，平均值为0.31。同时，研究区气候伴随着盆地沉降的过程也经历了转变：由早期的温暖湿润气候转变为中晚期的干旱—半干旱气候，沉积环境以近物源为主，并伴有氧化环境下的紫红色泥岩[30]。研究区中部地带为曲流河三角洲前缘，水下分流河道与水下分流河道间湾交替发育，水下分流河道岩性主要是以细砂及粉砂岩为主，水下分流河道间湾主要以粉砂质泥岩为主。

直1段沉积期[图7(g)、(h)]，随着构造背景的不断演化，相应的气候更加干旱[12]，物源供给逐渐减少，河道逐渐变短变薄。主河道砂体厚度为40.5～68.0 m，平均值为51.74 m，砂地比为0.3～0.5，平均值为0.43；次河道砂体厚度为20.5～40.0 m，平均值为33.02 m，砂地比为0.2～0.3，平均为0.25。河流水动力能量不足，河漫滩相、分流河道相普遍发育，泥质含量增高。曲流河三角洲前缘的水下分流河道从前缘推向湖泊时慢慢消失。水下分流河道大量发育，因其水动力条件不足，水下分流河道的运移距离相比前期近，携带的沉积物粒级更细且颜色较深。

图4 直罗组沉积相单元边界标准界定Fig.4 Criteria Definition of Boundary for Sedimentary Facies Unit of Zhiluo Formation

图5 直罗组野外特征Fig.5 Field Features of Zhiluo Formation

图6 演235井和镇17井测井柱状图Fig.6 Logging Columns of Wells Yan235 and Zhen17

图件引自文献[10]图7 直罗组8个亚段沉积相Fig.7 Sedimentary Facies Maps of 8 Sub-members of Zhiluo Formation

图8 直罗组砂岩储层孔隙特征Fig.8 Pore Characteristics of Sandstone Reservoir of Zhiluo Formation

图9 中侏罗统直罗组古地貌聚砂成藏模式Fig.9 Hydrocarbon Accumulation Models Related with Paleogeomorphology of Middle Jurassic Zhiluo Formation

3 有利储集砂体特征及成藏模式

3.1 岩石类型及储集空间特征

显微薄片鉴定显示，鄂尔多斯盆地西南部中侏罗统直罗组砂岩主要为岩屑石英砂岩和长石岩屑砂岩，石英体积分数约为65.0%，长石约为4.8%，岩屑约为29.2%，黑云母和绿泥石约为1.5%。粒径为0.3～1.0 mm，为中粗粒结构，分选较好，胶结类型为接触-孔隙式。储层孔隙类型主要有粒间孔、溶蚀孔、铸模孔和破裂缝，其中粒间孔是研究区直罗组储层主要的孔隙类型[图8(a)～(d)]。粒间孔孔径一般较大，多为0.05～0.10 mm，其发育受沉积相控制，主要分布在河道砂坝、分流河道等微相中。部分碎屑颗粒被绿泥石包薄膜形成孔隙衬里保护原生孔隙，部分被石英、长石等次生矿物充填占据一定空间，孔隙度一般小于20%。溶蚀孔包括长石溶孔、岩屑溶孔，是第二主要的孔隙类型[图8(e)～(g)]。破裂缝是刚性碎屑颗粒在压实作用下产生的破裂空间，该类型对提高渗透率具有积极意义[图8(h)、(i)]。

3.2 储集砂体物性特征

根据5口钻井的岩芯砂岩样品及周缘野外露头的砂岩样品的物性测试结果，直罗组砂岩储层的孔隙度为1.62%～26.58%，平均值为15.51%；渗透率为(0.116 1～126.263 6)×10-3μm2，平均值为18.9×10-3μm2。在岩芯测试孔隙度的约束下，对研究区内约300口井进行了测井物性解释，孔隙度为0.87%～31.20%，平均值为16.34%，渗透率为(0.13～53.70)×10-3μm2，平均值为17.83×10-3μm2。以岩芯分析资料为基础，以铜川市桐01-2井、桐01-3井和桐02-3井的试油试采资料为依据，确定了直罗组潜在油藏有效厚度储层的物性和电性标准。根据试油、试水资料，以有产出层的测井响应特征为标准来识别储层，得出储层的物性下限标准为孔隙度(Φ)大于15%、电阻率(Rt)大于25 Ω·m。

3.3 古地貌约束下的聚砂成藏模式

延安组上部层段遭受风化剥蚀和河流侵蚀作用，形成了沟壑纵横的古地貌，在地形上表现出西南高、东北低的大型含沟谷斜坡。其古地貌单元主要包括高地、河谷、斜坡带、河间丘、阶地等[图3(b)]。河流切割形成的古地貌对砂体展布具有明显的影响。恢复的古地貌与砂体分布的对应关系揭示，河谷地带的砂体为厚层块状，常见滞留砾石，沿下斜坡的凸岸为边滩发育区。沉积相分析显示，直罗组以发育三角洲沉积为主，并且具有下部强物源供给的辫状河三角洲富砂，上部弱物源供给的曲流河三角洲富泥的特征。下部富砂段，砂体巨厚，缺乏有利的直接性盖层，因此，很可能以含水为主；上部曲流河相的二元结构发育，下单元河道砂体与上单元河漫滩泥岩构成良好的储盖组合。储集砂体上覆及侧向的泥岩可形成油气的遮挡，从而形成岩性圈闭，或岩性与鼻状构造共同构成复合圈闭。物性较好的储集砂体被物性较差的分流间湾泥岩或者泥质粉砂岩、粉砂质泥岩所阻隔，使得砂岩岩性成透镜体尖灭，成为油气运移聚集的有利场所，特别是主分流河道砂体和分流河道砂体交汇地带。从该地区已有的油气显示来看，油藏主要发育在直罗组上部曲流河三角洲沉积向上变细结构的砂体中。

从下伏延安组油气勘探经验来看[21-22]，围绕古地貌中的河间丘、两河交汇的坡咀、古斜坡(边滩)钻探发现侏罗系油藏30余个，并建成一批新油田。从现有直罗组底部的含油井与古地貌关系来看，与延安组类似[31-33]，含油井一般分布在河间丘、坡咀、高地上。古地貌既控制了有利砂体的发育分布，又制约了后期油气运移的有利指向。据此建立了受古地貌单元控制的古河道上游高地、中游汇水坡咀和下游河间丘等3种古地貌聚砂成藏模式(图9)。

受构造抬升作用的影响，古河道上游高地地势较平缓，水系支流多，河道较小，下切作用较弱，整个高地以面状侵蚀为特征，延安组顶部侵蚀可达延6段。物源区汇流成河后，大量沙子在河道凸岸卸载堆积，并侧向迁移充填早期河谷，形成大套砂岩，砂岩成熟度相对较低[图9(b)]。古河道中游通常是多个古河道汇合成大河道，河道下切现象明显，河谷处下切至延7段，在河间一般只侵蚀到延4段。在两条河道汇合的坡咀处，流速骤减，砂质沉积物卸载堆积成砂咀，形成类似背斜构造的古地貌岩性圈闭，有利于后期油气运聚成藏[图9(c)]。河道进入下游盆地边缘后，早期地貌残留的残丘进一步降低流速，砂质沉积物往往堆积在地貌残丘上而形成河间丘。一般来说，河间丘的规模相对较小，砂岩粒度较细[图9(d)]。由于鄂尔多斯盆地长期处于构造稳定状态，所以优势聚砂部位在埋藏过程中经历的构造改造不强，依然继承了古地貌的基本形态，即保持了有利油气聚集的古地貌圈闭。