砂体构型成因模式及其对物性的控制作用——以苏里格气田西区二叠系盒8段为例

陈宇航，贾 鹏，曹全斌，赵靖舟，吴和源

1西安石油大学地球科学与工程学院；2中国科学院海洋地质与环境重点实验室；3陕西省油气成藏地质学重点实验室；4中国石油勘探开发研究院；5中国石油杭州地质研究院

0 前 言

砂体构型单元蕴含着丰富的储层信息，对致密油气储层砂体分布、连通性及非均质性研究具有重要意义，可为有利储集砂体预测及剩余资源挖潜提供依据［1-3］。目前针对砂体构型的研究主要集中在野外露头和现代沉积，这些研究以人工观测为主，通过剖面解剖建立了一系列针对不同沉积相带的砂体结构模型［4］。吴胜和等［5］对新疆克拉玛依油田三叠系冲积扇进行了内部构型分析，对冲积扇沉积构型模式进行了总结。王越等［6］对山西保德扒楼沟剖面二叠系曲流河砂体构型进行了细致的剖析，基于露头的岩性、粒度、沉积构造和颜色等特征，识别出边滩、河道等8种岩相类型，并总结其发育模式。陈彬滔等［7］采用露头实测及实验分析等方法对山西大同盆地中侏罗统云冈组砂质辫状河露头进行了系统研究，总结了河道、心滩、边滩等构型单元的岩相、物性特征，并认为河道和心滩构型单元为砂质辫状河的主要储层类型。秦国省等［8］在考虑基准面变化的基础上对新疆准噶尔盆地八道湾组露头的辫状河沉积砂体构型单元开展研究，描述了不同基准面情况下各种构型单元的内部岩相及相组合特征。

以上研究对砂体构型的形态、厚度、岩相特征进行了细致的刻画，但是受露头出露条件的限制，无法全面掌握砂体构型的规模及叠置样式，也无法准确预测砂体的平面分布特征。另外，不同构型的砂体因沉积环境和水动力条件不同，其矿物组分、粒度和岩性存在差异，砂体和顶底泥岩接触关系也不同，导致后期的成岩作用亦不相同，进而影响构型单元的物性［9-10］。只有充分利用油气田的测井及实验资料开展砂体构型研究，才能精确掌握地下储集砂体的分布及物性特征，进而指导油气田的储层预测及剩余油气挖潜。笔者综合利用测井、岩心、薄片等资料，对苏里格气田西区盒8段砂体构型特征进行综合研究，在明确砂体构型单元的类型、规模及其内部结构的基础上，对比分析不同构型砂体的沉积-成岩作用，从成因角度对砂体构型进行分类，并揭示其物性的控制因素，为有利区甜点预测提供理论依据，进而指导下一步天然气勘探。

1 盒8段砂体类型及特征

苏里格气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡北部中带，是发育于上古生界的大型砂岩岩性气藏，其主力含气层为下二叠统山西组1段（简称山1段）至中二叠统下石盒子组8段（简称盒8段）。山1段和盒8段的主要储集砂体形成于宽缓构造背景下的浅水辫状河三角洲沉积环境［11-12］。盒8段砂岩石英含量高，平均可达83%，长石含量极低，岩性主要为岩屑石英砂岩和石英砂岩，少量为岩屑砂岩；岩屑主要成分为刚性的石英岩和塑性的千枚岩；砂岩的填隙物含量较高，约占11%，其中胶结物以硅质胶结和铁方解石胶结最为常见，其他为杂基、水云母和高岭石［13］。本文的研究区位于苏里格气田的西北部（图1a）。根据沉积旋回，盒8段自下而上又细分为盒8下亚段和盒8上亚段［12］（图1b）。

图1 研究区位置及盒8段沉积地层柱状图Fig.1 The location of the study area and sedimentary stratigraphic column of the Lower Shihezi Member 8

研究区盒8段的沉积相为辫状河三角洲平原（图2），可细分为辫状河道和河道间湾两个微相，砂体主要发育在辫状河道内。在前人对苏里格地区盒8段砂体研究的基础上［14-15］，笔者通过综合分析研究区的砂岩粒度、沉积构造、砂体厚度、分布位置以及砂地比分布等特征，将辫状河道内的沉积砂体细分为心滩砂体、河道充填砂体和漫溢砂等3类砂体。

心滩砂体 心滩砂体厚度可达10 m以上，底部岩性以粗—中粒（含砾）砂岩为主，向上粒度变细，以中—细粒砂岩为主，发育水平层理，在测井曲线上表现为箱状低伽马（GR）的特征（图1b）。当多期心滩砂体连续发育，箱状砂体垂向连续叠置，相互切割，砂体之间无明显泥岩隔夹层时，则构成巨厚的复合砂体，厚度可达20 m以上。心滩砂体在平面上主要分布在分流河道的中央（图2），砂地比可达0.7以上。心滩砂体一般沿水流方向分布，在研究区南北向延伸距离为8～10 km，东西向延伸距离为2～3 km。

图2 苏里格气田西区盒8段沉积微相分布图Fig.2 Sedimentary microfacies map of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

河道充填砂体 河道充填沉砂体厚度约为3～8 m，底部以粗粒（含砾）砂岩为主，发育低角度交错层理，内部可见冲刷面构造，向上粒度变细，发育中—细粒砂岩，并发育泥质沉积，在GR曲线上表现为钟状（图1b）。河道充填砂体一般分布于心滩砂体的两侧［16-17］（图2），砂体间发育泥岩隔夹层，厚度在0.2～1 m之间，在垂向上叠加形成砂体复合体。但当河流冲刷作用较强时，早期的砂体顶部的细粒沉积会被晚期的河流冲刷掉，所以也表现出箱状砂体的特征。河道充填砂体的砂地比约为0.5～0.7，砂体总厚约为10～15 m；侧向延伸距离为4～5 km，向河道边缘延伸，厚度逐渐减薄。

漫溢砂 漫溢砂体主要发育在分流河道的边缘（图2），粒度较细，以中—细砂岩为主；厚度约为1～2 m，GR曲线形态表现为指状（图1b），砂岩间泥岩隔层厚度较大。砂体呈孤立分布，侧向延伸距离较短，约为1～2 km。盒8段漫溢砂总厚约为5～10 m，砂地比为0.3～0.5。

河道间湾 河道间湾发育于河道之间（图2），主要为泥质沉积，砂岩相对不发育，且多呈孤立型分布，单砂体厚度约为1～2 m。河道间湾砂体总厚度小于5 m，砂地比小于0.3。河道间湾整体以泥岩沉积为主，构成砂体间的主要隔夹层。

整体而言，苏里格气田西区砂体主要发育在盒8下亚段，心滩及河道充填等厚层砂体在垂向上连续叠置，侧向连片发育，构成了大型复合砂体。而在盒8上亚段，砂体相对不发育，砂体厚度薄，侧向延伸距离短，垂向叠加不明显，多孤立分布。盒8段沉积砂体的发育特征与研究区沉积演化过程相符［14-15］。

2 砂体构型的成因分类

研究区盒8段砂体纵向叠置、横向连片，砂体叠置样式复杂。砂体对应的测井曲线形态以及空间分布状态是沉积环境、水动力条件的直观表现［16，18］，故可以据此来划分砂体构型单元，以便将砂体构型和沉积环境直接联系起来，赋予其地质意义。本文首先根据砂体空间展布样式，将盒8段砂体分为堆叠型砂体、侧接型砂体和孤立型砂体。根据GR曲线形态，进一步将堆叠型砂体分为箱状堆叠型、钟状堆叠型、复合堆叠型（箱状与钟状复合）（图3a），将孤立型砂体分为箱状孤立型、钟状孤立型、指状孤立型（图3b）。

堆叠型砂体 主要为心滩砂体和河道充填砂体，是河道内部多期河流连续沉积的结果。心滩砂体堆叠较为紧密，以箱状堆叠型和复合堆叠型为主，单砂体之间泥岩夹层不发育（图4）；岩性较为均一，以粗—中粒砂岩为主，发育大型交错层理，反映持续的河流冲刷作用。河道充填砂体构型主要是复合堆叠型、钟状堆叠型，砂体之间发育泥岩薄夹层，厚度约为0.2～1 m，这是由于多期河流沉积之间存在一定的沉积间断，或者河道迁移导致顶部的细粒沉积物被冲刷不彻底，因此钟状砂体相对发育，同时在砂体之间也形成泥岩薄夹层（图4）。由于河流的改道迁移，河道充填砂体会冲蚀早期形成的砂体，导致箱状和钟状砂体垂向相互切割叠加，形成复合堆叠型砂体。总之，在河道内不同构型砂体相互叠置，形成多种砂体堆叠样式。

图3 苏里格气田西区盒8段砂体构型Fig.3 Sand body architectures of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

图4 苏里格气田西区盒8段砂体连井对比剖面（剖面位置见图2）Fig.4 Sand body correlation section of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field(section location is shown in Fig.2)

侧接型砂体 主要分布在分流河道边缘附近，这类构型砂体在连井剖面上表现为多套箱状、钟状砂体在侧向上连续叠置，延伸距离可达5 km（图4a）。侧接型砂体主要由多期河道连续侧向迁移形成，由于河道的迁移及沉积间断，侧接型砂体之间发育泥岩隔层。相对河道中央堆叠型砂体较强的水动力，位于河道边缘的侧接型砂体沉积时水动力较弱。由于盒8下亚段为河流主要发育期，河流变道频繁，加之后期河道的侵蚀，因而侧接型砂体相对不发育。而在盒8上亚段，河流迁移趋于减缓，因此侧接型砂体相对发育，一般在垂直河流流向（东西向）的连井剖面上可见。

孤立型砂体 主要分布在河道边缘或河道间湾内，被厚层的泥岩隔层分隔。孤立的箱状、钟状砂体多为河流改道而形成的废弃河道沉积，砂体厚度约为4～5 m。指状砂体主要分布在河道间湾，主要由漫溢沙沉积而成，粒度偏细，以中—细粒砂岩为主，砂体厚度较薄，约为1～2 m（图4）。

3 不同构型砂体物性特征及控制因素

3.1 砂体物性及孔隙分布特征

基于实测孔隙度和渗透率，分析苏里格气田西区盒8段不同构型砂体的物性，结果表明堆叠型砂体物性比孤立型砂体好（图5）。在堆叠型砂体中，箱状堆叠型物性最好，平均孔隙度为7.55%，平均渗透率为0.25×10-3μm2；复合堆叠型次之，平均孔隙度为7.22%，平均渗透率为0.25×10-3μm2；钟状堆叠型物性最差，平均孔隙度为5.62%，平均渗透率为0.18×10-3μm2。侧接型砂体物性相对较差，平均孔隙度和平均渗透率分别为5.88%和0.16×10-3μm2。孤立型砂体物性较堆叠型和侧接型要差，其中：箱状孤立型砂体平均孔隙度为5.79%，平均渗透率为0.18×10-3μm2；钟状孤立型砂体平均孔隙度为4.88%，平均渗透率为0.09×10-3μm2；指状孤立型砂体平均孔隙度为4.53%，平均渗透率为0.18×10-3μm2。

图5 苏里格气田西区北部盒8段不同构型砂体物性特征Fig.5 Physical property of sand bodies with different architectures of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

根据镜下薄片观察，对苏里格气田西区盒8段砂岩的孔隙类型及分布进行分析，结果表明，研究区盒8段砂岩的孔隙以溶蚀孔和高岭石晶间孔为主（图6）：溶蚀孔占51%，面孔率为0.61%；高岭石晶间孔占36%，面孔率为0.31%；原生粒间孔占13%，面孔率为0.16%。可见，溶蚀作用对砂体孔隙贡献最大。

但在不同构型砂体中，孔隙组合类型的分布及其孔渗特征存在差异（图7）。在堆叠型砂体中，晶间孔-溶孔组合占样品总数的60%，平均孔隙度为8.29%，平均渗透率为0.55×10-3μm2；晶间孔-溶孔-粒间孔组合占样品总数的31%，平均孔隙度和平均渗透率分别为10.12%和0.66×10-3μm2；另外局部还发育溶孔-粒间孔组合，平均孔隙度和平均渗透率分别为8.61%和0.32×10-3μm2，占样品总数的9%（图7a，7b）。在孤立型砂体中，高岭石晶间孔-溶孔组合占样品总数的50%，平均孔隙度和平均渗透率分别为8.01%和0.63×10-3μm2；晶间孔单独发育的情况也比较普遍，比例约占35%，平均孔隙度和平均渗透率较小，分别为6.84%和0.21×10-3μm2；粒间孔不如在堆叠型砂体中发育，主要以晶间孔-溶孔-粒间孔的组合出现，仅占总样品数的15%，但物性较好，平均孔隙度和平均渗透率分别为8.43%和0.42×10-3μm2（图7c，7d）。受样品限制，本次研究没有对侧接型砂体储层的孔隙类型进行分析，但结合砂体分布、物性特征推测，侧接型砂体储层孔隙及其组合类型特征应介于堆叠型及孤立型砂体之间。

图6 苏里格气田西区盒8段砂岩储层孔隙类型显微特征（铸体薄片，单偏光）Fig.6 Microscopic photos showing pore types of sandstone reservoirs of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field(casting thin section,plane-polarized light)

图7 苏里格气田西区盒8段不同构型砂体储层特征Fig.7 Reservoir characteristics of sand bodies with different architectures of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

以上结果表明：苏里格气田西区盒8段砂体中溶蚀孔和晶间孔占绝对优势，在堆叠型砂体和孤立型砂体中均有发育；原生粒间孔对砂体的物性起明显改善作用，在堆叠型砂体中较为发育，但在孤立型砂体中相对不发育。

3.2 物性的控制因素

储集砂体的物性受沉积作用及沉积后的成岩作用共同影响。沉积时期的环境、水动力条件决定了砂岩的成分、粒度、硬度及排列方式。这些因素共同决定了砂岩的原始孔隙度，同时又和沉积后的压实作用、孔隙流体转换、溶蚀及胶结作用密切相关，进而影响砂岩的次生孔隙发育及演化，最终影响砂岩的最终孔隙度［19-22］。本文通过分析不同构型砂体的沉积-成岩作用来揭示物性的控制因素。

3.2.1 沉积作用

苏里格气田西区盒8下亚段沉积期为河流主要发育期，堆叠型砂体发育。综合连井剖面和沉积相平面分布图，可以看出堆叠型砂体主要分布在心滩、河道充填中央，以箱状堆叠和复合堆叠为主（图2，图4）。长期较强的河流水动力作用，导致心滩砂体、河道充填砂体垂向连续叠置、相互切割，细粒沉积被淘洗殆尽。砂体以石英、石英岩屑等刚性颗粒构成的粗粒沉积为主，其含量可达85%以上，黏土杂基含量较少，约为7%（图8），因此原始粒间孔隙发育［21］。镜下薄片也显示：堆叠型砂体的原生粒间孔较为发育，孔喉直径可达150μm，面孔率可达2%～3%（图6a，6b）。箱状堆叠型砂体、复合堆叠型砂体的物性相对较好。

图8 复合堆叠型砂体物性分布及沉积-成岩特征（S87井，显微照片：铸体薄片，单偏光）Fig.8 Physical property and depositional and diagenetic features of composite stacked sand body(Well S87,photos:casting thin section,plane-polarized light)

向河道边缘过渡，钟状堆叠型砂体和侧接型砂体逐渐发育。由于水动力减弱，沉积物粒度逐渐变细，加上水流对沉积物的淘洗不如心滩和河道中央那么充分，黏土杂基等填隙物含量增加（约为10%～15%）并充填原始孔隙，因此原始孔喉几乎不发育。而且由于在不同期次河流沉积之间存在一定的间断时期，故砂体之间的泥岩隔夹层逐渐发育，这也进一步影响砂体之间的流体渗流能力，因此钟状堆叠型砂体及侧接型砂体的物性要比箱状堆叠型和复合堆叠型砂体差。

位于河道边缘的漫溢砂主要是由于废弃河道或河流溢出河道沉积而成，故砂体厚度较薄，被厚层的河流间湾泥岩分隔开，呈孤立分布。漫溢砂的沉积水动力更弱，沉积物粒度更细，杂基含量更高，因此导致孤立型砂体的物性较差［23］。

3.2.2 成岩作用

堆叠型砂体主要发育在心滩和河道充填内，有效地保留了原生粒间孔［24］，这为后续溶蚀作用提供了空间。有机质热演化形成的有机酸流体可以在孔喉内充分流动，这会促进长石、岩屑等易溶组分的溶蚀，进而导致溶蚀孔发育。同时，长石溶蚀产生高岭石，并形成了大量高岭石晶间孔，因此，厚层的堆叠型砂体溶蚀孔和原生粒间孔均发育（图9，薄片②），物性相对较好。但因受孔隙水的影响，部分高岭石向伊利石转化，从而堵塞孔隙，对储层物性有一定影响［23］。另外，部分厚层砂岩中石英含量较高，石英压溶作用较强，导致硅质胶结发育［21］。同时，由于原始孔喉未完全封闭，有利于有机酸的流动，促进了长石等易溶组分的溶蚀，产生了大量硅质，其含量可达10%以上，这也为石英次生加大提供了物质来源，从而降低孔隙度（图9，薄片②）［21］。在成岩阶段晚期，成岩环境从酸性逐渐变为碱性，发育碳酸盐胶结，对孔隙度有一定影响（图9，薄片③）。

堆叠型砂体自身的物性在垂向上也存在一定差异。砂体下部由于沉积时水动力强，沉积物粒度较粗，以石英和石英岩屑等刚性颗粒为主，因此在成岩阶段抗压实能力强，有利于原始孔隙的保存，也为后期有机酸流体流动提供通道，利于溶蚀孔发育，所以物性较好。而在砂体顶部，由于沉积时水动力弱，砂体粒度变细，黏土杂基及塑性岩屑含量增加，含量可达8%～15%，砂岩抗压实能力差，在早期压实作用下容易致密，从而导致原始孔隙喉道变窄，不利于后期有机酸流动，抑制了溶蚀作用，故溶蚀孔及晶间孔也不发育，导致物性变差（图8，薄片①；图9，薄片①）。

图9 箱状堆叠型和钟状堆叠型砂体物性分布及沉积-成岩特征（S60井，显微照片：铸体薄片，单偏光）Fig.9 Physical property and depositional and diagenetic features of box-shaped and bell-shaped stacked sand bodies(Well S60,photos:casting thin section,plane-polarized light)

孤立型漫溢砂粒度偏细，黏土杂基和塑性岩屑较为发育，砂体抗压实能力较弱。在成岩早期，塑性岩屑被压实变形，呈定向分布，容易阻塞孔隙喉道，无法为有机酸流体提供通道，限制溶蚀作用，导致后期溶孔不发育。除此之外，孤立型砂体与周围泥岩充分接触，在埋藏早期由于泥岩压实而排出的沉积流体优先进入砂体中，发生碳酸盐胶结（顶钙、底钙），形成连片式胶结导致物性降低（图10）［25］。

图10 孤立型砂体物性分布及沉积-成岩特征（S117井，显微照片：铸体薄片，单偏光）Fig.10 Physical property and depositional and diagenetic features of isolated sand body(Well S117,photo:casting thin section,plane-polarized light)

以上分析表明，不同构型砂岩的成岩演化模式存在差异性（图11）：①堆叠型砂岩由于粒度粗，刚性颗粒较多，抗压实能力强，因此有机酸流体能充分进入砂岩孔隙中，会导致长石和岩屑溶蚀，产生大量溶蚀孔和高岭石晶间孔，但同时也为石英次生加大提供硅质来源［26-27］。②孤立型砂体的成岩演化相对简单，由于抗压实能力较弱，在成岩早期孔隙就迅速减少，这抑制了后期溶蚀作用及其他成岩作用［28］。受样品限制，本次研究未涉及侧接型砂体的成岩演化，但综合考虑该构型砂体形成时的沉积环境、岩性特征及围岩环境等因素，推测其成岩作用及演化与堆叠型砂体顶部砂岩较为相似。

图11 苏里格气田西区盒8段不同构型砂体成岩模式Fig.11 Diagenetic models of sand bodies with different architectures of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

4 砂体构型综合成因模式

综上分析，建立苏里格气田西区盒8段辫状河三角洲平原沉积砂体构型综合成因模式（图12）：①心滩、河道充填等砂体在垂向上连续叠置，侧向延伸距离大，形成了大规模的堆叠型砂体。在河道中央和心滩，河流冲刷作用强，以粗粒沉积为主，砂体在心滩及河道中央相互切割，紧密堆叠，砂体间无明显的泥岩隔夹层。砂岩内部以刚性颗粒为主，原始孔隙发育，且抗压实能力强，有助于孔隙的保存，也有利于后期酸性流体流动，促进溶蚀孔隙发育。②从河道中央向河道边缘过渡，河流冲刷作用逐渐减弱，堆叠型砂体内部逐渐发育泥岩隔夹层，并向侧接型过渡。砂岩粒度逐渐变细，导致原始孔隙度降低。③河道边缘的漫溢砂多呈孤立型分布，砂体厚度薄，侧向延伸距离短。由于沉积水动力较弱，孤立型砂体粒度较细，且黏土杂基和塑性岩屑较多，抗压实能力较弱，容易被压实，不利于原始孔隙保存。同时孤立型砂体和河道间湾的泥岩接触，受泥岩因压实排出的流体影响，发生碳酸盐胶结，易形成连片式胶结，导致孔隙度和渗透率降低。

图12 苏里格气田西区盒8段砂体构型综合成因模式图Fig.12 Comprehensive genetic models of sand body architectures of the Lower Shihezi Member 8 in the west area of Sulige gas field

5 结 论

鄂尔多斯盆地苏里格气田中二叠统盒8段主要发育辫状河三角洲平原沉积的心滩砂体、河道充填砂体和漫溢砂体。根据砂体空间分布特征，盒8段砂体构型可分为堆叠型、侧接型和孤立型，再结合测井曲线（GR）形态，堆叠型和孤立型砂体又可分别细分为箱状堆叠型、钟状堆叠型、复合堆叠型和箱状孤立型、钟状孤立型、指状孤立型。箱状堆叠型发育于心滩和河道中央，沉积水动力强，多套砂体垂向叠置，内部无明显泥岩夹层；向河道边缘过渡，水动力减弱，出现泥岩夹层，以复合堆叠型、钟状堆叠型和侧接型为主；河道边缘外主要发育漫溢砂体，呈孤立箱状、钟状和指状分布，被厚层河道间湾泥岩分隔。

不同构型砂体的物性受沉积和成岩作用的综合影响。堆叠型砂体沉积于心滩及河道充填处，杂基含量低，原始孔隙发育；砂体下部以刚性颗粒为主，抗压实能力强，有利于原始孔隙保存，同时为有机酸流体流动提供空间，因此溶孔发育；砂体顶部杂基、塑性岩屑含量增多，抗压实能力弱，物性变差。孤立型砂体粒度较细，原始孔喉较小，溶蚀作用受限，且垂向上与泥岩呈互层接触，受泥岩在压实作用下排出的流体影响，形成碳酸盐胶结，导致储层致密。