玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组扇三角洲沉积特征及控制因素

马永平 ，张献文，朱 卡，王国栋，潘树新，黄林军，张 寒，关 新

（1.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020；2.甘肃煤田地质局一四九队，兰州 730020；3.中国石油新疆油田分公司勘探事业部，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

扇三角洲由邻近高地的冲积扇提供物源，在盆地边缘的水上和水下形成一定规模的碎屑沉积体［1-2］，是重要的油气储集体类型之一。依据沉积期湖盆空间与物源供给关系，扇三角洲分为退积式、进积式及吉尔伯特式［3］，其中退积式扇三角洲沉积时，湖盆处于水进扩张阶段，沉积物由湖盆中心向盆地边缘退积，扇体规模逐渐萎缩，纵向上沉积物粒度向上变细［4-6］。玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组发育广覆式退积型扇三角洲砂砾岩沉积［7］，该套地层位于风城组优质烃源灶之上［8］，断裂及大型不整合面输导体系也较发育［9-10］，不整合面之上砂砾岩储层叠置连片［11］，具备形成大型地层岩性油气藏的有利条件。学者们对该沉积类型的发育模式及油气富集成藏特征开展了大量研究，主要包括以下几个方面：①准噶尔盆地多旋回构造运动及多期次湖平面升降造就了沉积演化的多旋回性，冲积体系提供的粗碎屑岩与洪泛平原及滨浅湖泥岩形成了良好的时空耦合，奠定了岩性圈闭的物质基础［12-13］。②上乌尔禾组沉积期，周缘老山持续隆升，物源供给充足，与大型浅水缓坡型古地理背景构成了良好的源-汇系统，持续性湖侵及多级坡折发育为砂体叠置连片发育提供了重要条件，从而形成了大型浅水退覆式扇三角洲沉积［14］。上乌尔禾组砂砾岩沉积可分为水上和水下2 种沉积环境，主要受物源和水动力条件控制，二者在岩石组成及填隙物成分上存在明显差异。在后期复杂成岩作用改造下，既形成了分选好、泥质含量低、物性较好的优质砂砾岩储层，又形成了粒度大小混杂、泥质含量高、非均质性强的致密储层［15-17］。③研究区油气成藏特征受储层类型控制明显，主要发育3 类油藏，分别为厚层低丰度岩性油藏、互层状岩性油藏和泥包砂型薄层岩性油藏［18-19］。

学者们重点关注了上乌尔禾组砂砾岩储层的宏观特征及沉积模式，对储层微观演化、成因机理及控制因素的研究较为薄弱，且上乌尔禾组复杂的岩石组分导致地震响应特征不明显、储层预测难度大，需要多曲线结合多方法反演来预测砂砾岩优质储层的平面展布，预测结果往往存在多解性，增大了勘探的难度［20-21］。笔者以沉积环境分析为基础，开展岩石学特征、物性及成岩作用研究，深入剖析砂砾岩储层微观特征及主控因素，以期为玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组砂砾岩优质储层预测及有利区带评价提供借鉴。

1 地质背景

准噶尔盆地是中国西部地区重要的含油气盆地之一。玛湖凹陷位于盆地中央坳陷的最西段，呈北东—南西向展布，面积约5 000 km2（图1），凹陷西邻西北缘老山，与克百断裂带、乌夏断裂带相接，东接石英滩、三个泉、夏盐凸起及英西凹陷，西南及南部被中拐凸起和达巴松凸起遮挡［22-24］。

上乌尔禾组主要分布在玛湖凹陷南部及西南部，地层自西向东超覆于下乌尔禾组之上，与下乌尔禾组和上覆三叠系百口泉组均呈不整合接触。上乌尔禾组自下而上可划分为3 段，分别为乌一段（P3w1）、乌二段（P3w2）和乌三段（P3w3），地层厚度自北西向南东逐渐增加。上乌尔禾组以近物源的粗碎屑沉积为主，地层厚度为20～300 m，岩性包括砂砾岩、含砾砂岩、砂岩、泥质粉砂和泥岩，其中砂砾岩颜色以灰褐色、褐灰色、灰色及深灰色为主，泥岩以褐色为主。自下而上岩石粒度逐渐变细、砾石含量逐渐减少，具明显的湖侵退覆式沉积特征（图2）。

2 扇三角洲沉积特征

依据钻井岩心、测井曲线及地震资料等综合分析，玛湖凹陷上乌尔禾组以扇三角洲沉积为主，沉积中心发育小范围湖泊相沉积，自西向东发育车排子中拐、克拉玛依、白碱滩及达巴松等4 个大扇群［25-26］。扇三角洲可划分出扇三角洲平原和扇三角洲前缘2 个亚相（图3）。

2.1 扇三角洲平原亚相

扇三角洲平原亚相是扇三角洲水上近距离搬运而沉积的部分，主要为氧化环境。受季节性水流影响，形成重力流、片流及辫状河流叠置发育的厚层块状沉积。岩性包括砂砾岩、砂质泥岩，部分为泥砾互层状，颗粒大小混杂、分选差，填隙物以褐红色为主，泥质含量高，总体表现为低成分成熟度和结构成熟度，以差储层和非储层为主。

2.2 扇三角洲前缘亚相

扇三角洲前缘亚相是扇三角洲水下远距离搬运而沉积的部分，主要为还原环境。在牵引流为主的水动力作用下，沉积物分选、磨圆均较好，泥质含量较低，储层质量较扇三角洲平原亚相明显提高。扇三角洲前缘亚相主要包括水下分流河道、水下分流河道间、远砂坝和河口砂坝等微相。

（1）水下分流河道微相。水下分流河道是上乌尔禾组扇三角洲前缘普遍发育的微相类型，为主要的油气储集体。岩性为砂砾岩、含砾砂岩和砂岩等，颜色为灰色、灰绿色，常见板状交错层理、槽状交错层理、平行层理等沉积构造，自然电位及电阻率曲线呈齿状箱型或钟型。

（2）水下分流河道间微相。水下分流河道间主要为弱水动力条件下沉积的灰色、灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，在水下分流河道储集体侧翼形成良好的封堵。该微相常见水平层理、波状层理，自然电位及电阻率为低幅度平直曲线。

（3）远砂坝微相。沉积物在牵引流作用下进入湖盆后，受水下河流和湖水共同改造，在水下分流河道末端形成以粉—细砂岩为主的席状远砂坝沉积，粒序上表现为下细上粗，发育槽状交错层理、波状层理等。自然电位与电阻率曲线呈薄层指状。

（4）河口砂坝微相。研究区上乌尔禾组河口砂坝微相发育较少，仅在克拉玛依扇群钻遇，以中—细砂岩为主，自下而上可见逆粒序韵律层叠加。

3 扇三角洲砂砾岩储层特征

3.1 岩相类型

岩相是指在特定沉积环境中形成的岩石或岩石组合，反映了沉积期的水动力条件变化［27-28］。岩心观察结果显示，玛湖凹陷二叠系上统退覆式扇三角洲砂砾岩沉积体系的岩相类型复杂，依据泥质含量、粒度、支撑方式及沉积构造等，参考其他学者们的研究成果［29-31］，划分出3 类11 种岩相类型。

3.1.1 砾岩相

砾岩相是上乌尔禾组最发育的岩相类型，据研究区23 口钻遇上乌尔禾组地层录井资料统计，砾岩相占地层总厚度的50%以上，以基质支撑或颗粒支撑为主［32］，包括砂砾岩、细砾岩以及少量中砾岩，主要发育块状、槽状交错层理，可划分为7 类次级岩相（图4）。

（1）基质支撑砾岩相。该岩相分选差，通常为块状构造。依据基质类型可进一步细分为泥质支撑砾岩相和砂质支撑砾岩相2 类。泥质支撑砾岩相为高泥质含量的碎屑流沉积［33］，泥岩一般为褐色或红褐色，不同粒径的砾石“漂浮”于泥岩基质中，受上覆地层压实作用影响，砾石长轴方向通常平行于层理面，偶见直立状砾石；砂质支撑砾岩相是以砂岩为主要填隙物的富砂碎屑流沉积，主要是较强水动力条件下的扇三角洲水上或水下的河道沉积物，砂岩为灰褐色或灰色，砾石漂浮于砂质颗粒中，砾石长轴方向大多与层理面斜交，上覆地层的压实作用对砾石产状有所调整。

（2）颗粒支撑砾岩相。该岩相沉积构造不发育，以块状为主。依据颗粒分选程度可进一步细分为同级颗粒支撑砾岩相和多级颗粒支撑砾岩相2类。同级颗粒支撑砾岩相是砾石分选、磨圆均较好的水下分流河道牵引流沉积，水动力较稳定，通常发育在一个完整沉积序列的中上部，砾石主要为细砾岩和中砾岩，颗粒间呈点接触，孔隙发育、连通性好，是形成优质储层的岩相类型之一；多级颗粒支撑砾岩相的砾石大小混杂、分选和磨圆均较差，中—粗粒砾石间充填细砾和砂质，主要为扇三角洲平原亚相洪流沉积物［34］，以厚层块状为主，粒间孔隙不发育、连通性差，是物性较差的岩相类型之一。

（3）定向排列砾岩相。该岩相以砂质基质和分选、磨圆均较好的叠瓦状砾石为主，是典型的扇三角洲前缘水下分流河道牵引流沉积，砾石通常呈层状或叠瓦状定向排列，颗粒以细砾岩为主，相互间呈点接触，粒间孔隙发育，但连通性相对较差。

（4）粒序层理砾岩相。该岩相由多套正粒序砾岩或砂砾岩地层叠置而成，粒序变化频繁，是研究区主要的岩相类型之一，以间歇性洪水沉积物为主，普遍发育于扇三角洲平原河道或前缘水下分流河道的中上部。

（5）槽状层理砾岩相。该岩相主要是分选中等的中砾岩和细砾岩，以砂质基质支撑为主，砾石呈槽状排列，砾石间可见侵蚀切割现象，发育槽状交错层理，是扇三角洲前缘水下分流河道中下部沉积物，反映水动力较强的沉积环境。

3.1.2 砂岩相

玛湖凹陷上乌尔禾组砂岩相发育范围及厚度均较小，主要发育于扇三角洲体系的远端，砂岩占地层厚度的20%左右，包括含砾砂岩、粗砂岩、细砂岩等，可见平行层理、斜层理、槽状层理、粒序层理等沉积构造。

（1）块状含砾砂岩相。该岩相以粗粒、中粒砂岩为主，含少量砾石，砂岩分选、磨圆均较好，砾石直径较小，长轴方向近平行于层面，呈块状构造，反映了较强水动力条件下的扇三角洲前缘高密度浊流沉积环境，是研究区重要的储层类型之一。

（2）粒序层理砂岩相。该岩相以细粒、粗粒砂岩为主，自下而上呈由粗到细的正粒序层理构造特征，颗粒分选、磨圆均较好，岩心以灰色为主，反映了扇三角洲前缘水下分流河道中上部的高密度沉积特征。

（3）槽状层理砂岩相。该岩相以灰色砂岩为主，发育较为明显的槽状交错层理，粒度分选性较差，主要是较强水动力下扇三角洲前缘水下分流河道牵引流沉积。

3.1.3 泥岩相

玛湖凹陷上乌尔禾组顶部普遍发育一套褐色或灰褐色泥岩，对油气聚集成藏具有区域性盖层作用，能形成有效遮挡［35］。该套泥岩常含有少量粉砂岩、砂岩，偶见砾石，一般为块状构造，部分可见水平层理，反映了弱水动力环境以及扇三角洲沉积体系曾遭受震荡性湖侵改造。

3.2 岩石学特征

玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层广泛发育，岩石类型有砾岩、砂砾岩、含砾砂岩等，颜色以灰色、褐色、灰褐色为主。砂砾岩成分包括凝灰岩、霏细岩、花岗岩、安山岩等火成岩岩屑、变质岩岩屑及沉积岩岩屑［图5（a）］。其中，凝灰岩岩屑含量占绝对优势，平均体积分数超过50.0%。颗粒间填隙物由胶结物和杂基组成［图5（b）］，胶结物包括沸石类、方解石、硅质及凝灰质等，其中浊沸石、方解石、凝灰质、方沸石等易溶胶结物含量较高，为后期成岩过程中储层的溶蚀改造奠定了物质基础；杂基以泥质为主，其绝对含量较高，是造成原始粒间孔隙大量损失及连通性变差的主要因素之一［36］。扇三角洲砂砾岩沉积体系发育多种成因类型的岩相，不同岩相的岩石结构参数差异明显（表1）。牵引流及高密度浊流形成的岩石结构总体较好，泥质含量低（体积分数均小于2.5%）、分选较好（粒径分布均小于10.0 mm，分选系数均小于2.0）、排驱压力低（均小于0.50 MPa）。洪水期泥石流形成的岩石结构总体较差，泥质含量高（体积分数均大于3.0%）、粒径分布范围大（1.5～65.0 mm）、分选性差（分选系数多为1.5～6.4）、排驱压力高（均大于0.50MPa）。

表1 玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组不同岩相岩石结构参数Table 1 Rock texture for different lithofacies of Permian Upper Urho Formation in Mahu Sag

3.3 物性特征

玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组孔隙度为6.0%～15.0%，平均值为9.3%；渗透率为0.02～100.00 mD，平均值为2.10 mD（图6）。其中，49% 的样品（207个）渗透率小于1.20 mD，38%的样品（162 个）渗透率为1.20～10.00 mD。总体上，上乌尔禾组储层属于低孔低渗型储层。

422 个样品的物性统计结果表明，以牵引流为主形成的块状、砂质支撑砾岩相及砂岩相具有较高的孔隙度和渗透率（图7）。其中，粒序层理砂岩相、块状含砾砂岩相、粒序层理砾岩相、同级颗粒支撑砾岩相以及砂质支撑砾岩相物性较好，平均孔隙度为7.2%～11.4%，渗透率为1.30～19.80 mD，是形成上乌尔禾组优质砂砾岩储层的主要岩相类型。

3.4 成岩作用

成岩作用是沉积物在成藏过程中受物理、化学及生物作用压实、固结成岩的过程，对储层质量的影响分为建设性作用和破坏性作用［37-38］。其中，建设性作用主要包括成岩早期颗粒表面形成的绿泥石膜、溶蚀作用以及压实过程中刚性颗粒的破裂等，破坏性作用主要包括压实作用和胶结作用［39-42］。

3.4.1 压实作用

143 块铸体薄片观察结果显示，上乌尔禾组砂砾岩储层碎屑颗粒接触关系主要为点—线接触［图8（a）］，部分为线—凸凹接触或缝合线接触［图8（b）］，为中等压实—强压实阶段，压实作用是造成研究区储层原始孔隙大量损失的关键因素，但压实过程中也产生了颗粒破碎现象，形成了微裂缝［图8（c）—（d）］，可为后期油气的充注和运移提供通道，改善了储层孔隙间的连通性。

3.4.2 胶结作用

82 块样品的扫描电镜（SEM）观察结果显示，玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层胶结作用强，胶结物类型主要包括3 类：①以方解石为主的碳酸盐类胶结物，常以镶嵌状、衬边状、粒状或次生加大边产出［图9（a）］。②硅质胶结物以自生石英小晶体状存在于碎屑颗粒边缘、粒内溶孔中［图9（b）—（c）］，砂砾岩储层成分成熟度低，石英占比低。③自生黏土矿物类胶结物，包括以完整晶簇状产出于颗粒间的沸石类胶结物［图9（d）—（e）］、颗粒表面发育的蜂窝状或似蜂窝状伊蒙混层［图9（f）—（g）］、粒间丝片状和搭桥状的伊利石［图9（h）—（i）］、粒间大量充填的蠕虫状和书页状高岭石［图9（j）］以及颗粒表面叶片状的绿泥石等［图9（k）］。胶结物的填充使得原始粒间孔隙变小，对储层质量起破坏性作用，但早期形成于颗粒表面的绿泥石膜能起到抗压实作用，使得部分原生孔隙得以保存。因此胶结作用对储层演化发挥着破坏性和建设性双重作用。

3.4.3 溶蚀作用

玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层溶蚀作用普遍发育，有效改善了储层质量，主要溶蚀矿物包括岩屑、长石等不稳定颗粒、方解石胶结物和沸石类胶结物。砂砾岩储层中砾石成分以火山岩岩屑为主，凝灰质成分含量高，为次生溶蚀孔的形成提供了物质基础，常在颗粒表面或内部发生溶蚀，形成条带状、斑状或蜂窝状溶蚀孔隙［图10（a）—（b）］。储层中长石含量较高，常沿长石解理面或长石边缘形成溶蚀孔隙［图10（c）—（d）］，部分长石蚀变成高岭石等黏土矿物，从而产生晶间孔［图10（e）—（f）］。胶结作用形成的方解石［图10（g）］、浊沸石［图10（h）—（i）］及方沸石［图10（j）—（k）］在酸性孔隙流体作用下也发生了溶蚀，形成了溶蚀孔。

3.4.4 成岩演化阶段划分

依据碎屑岩成岩阶段划分标准［43］，结合颗粒接触关系、孔隙发育特征、自生矿物类型、包裹体测温等多参数［44］，对玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层进行了成岩阶段划分（图11），砂砾岩储层埋深为2 000～4 000 m，压实作用中等—强，刚性颗粒紧密堆积且发育微裂缝，颗粒间以点—线接触为主，偶见线—凸凹接触，原生粒间孔不发育。在弱酸性地层水改造下，溶蚀作用有效改善了储层的储集能力，次生溶蚀孔成为主要孔隙类型，碳酸盐类和沸石类填隙物、火山碎屑、长石等为主要溶蚀对象。X射线衍射分析结果显示，研究区砂砾岩储层中自生矿物包括伊蒙混层、高岭石、绿泥石、伊利石及各种沸石类矿物，其中伊蒙混层中蒙脱石层含量极低（质量分数小于10.0%）。镜质体反射率Ro值为1.38%～1.90%，平均为1.76%。含油砂砾岩中流体包裹体的均一温度分析结果显示，地质历史时期曾发生2 期流体活动，其均一温度分别为80～100 ℃和110～120 ℃［45］。综上所述，玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层的成岩阶段可划分为中成岩B 期。

4 储层质量的主控因素

4.1 沉积作用对储层质量的控制

玛湖凹陷上乌尔禾组沉积期为浅水湖侵环境，物源供给稳定、充足，发育退覆式扇三角洲砂砾岩沉积体系。井震结合分析结果表明，上乌尔禾组一段—三段随湖侵规模的不断扩大，沉积物组分、结构及物性等均存在明显差异。

上乌尔禾组一段沉积期（P3w1），水体浅且面积小，仅在沉积中心发育扇三角洲前缘亚相，现今的凹陷斜坡区发育扇三角洲平原沉积，该时期物源供给充足，在季节性水流作用下，沉积物以填平补齐方式快速堆积于低洼区，形成了多套数十米厚的块状砂砾岩沉积体，包括泥质支撑砾岩相、多级颗粒支撑砾岩相等，仅发育少量残余粒间孔，溶蚀作用不发育，储层物性最低；上乌尔禾组二段沉积期（P3w2），湖侵范围增大，扇三角洲平原亚相快速后退。该时期以牵引流沉积为主，在凹陷斜坡区发育一系列相互叠置的扇三角洲前缘亚相朵状扇体，形成了以水下分流河道微相为主的砂砾岩储层，包括砂质支撑砾岩相、同级颗粒支撑砾岩相、粒序层理砾岩相、粒序层理砂岩相及槽状交错层理砂岩相等，溶蚀作用较发育，储层物性总体较好；上乌尔禾组三段沉积期（P3w3），湖侵范围进一步扩大，沉积了一套全区稳定分布的厚层泥岩。该时期以前扇三角洲和浅湖沉积为主，储层规模较小，仅在古地貌高部位的沟槽内零星分布透镜状砂砾岩，包括块状含砾砂岩相、粒序层理砂岩相等，溶蚀作用普遍发育，储层物性最好（图12）。

上乌尔禾组一段和二段储层总体上物性较差，但仍发育相对优质储层。泥质含量与孔隙度、渗透率均呈负相关性（图13），并且泥质含量与渗透率的相关性明显强于泥质含量与孔隙度的相关性，即随着泥质含量的降低，渗透率呈数量级增大，表明泥质含量对砂砾岩储层的储集能力，尤其是渗流能力有着重要影响。

上乌尔禾组储层岩石粒度分选较差，包括粗砾岩、中砾岩、粉砂岩等，这类大小不一的颗粒组合不利于形成较好的储层物性［46-47］。若粒度过大，粒间孔隙容易被细粒沉积物充填，如泥质支撑砾岩相、多级颗粒支撑砾岩相等；若粒度过小，岩石颗粒抵抗压实作用的能力有限，颗粒紧密堆积，粒间孔隙较小。研究区不同粒度的岩石对应的孔隙度-渗透率交会图显示（图14），分选较好、粒度相对较细的含砾砂岩、中—细砂岩、粗砂岩以及部分砂砾岩的物性较高，而粒度较大的中砾岩和粒度较小的粉砂岩物性较差。

4.2 成岩作用对储层质量的控制

玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组成岩演化序列分析结果表明，砂砾岩储层已进入中成岩B 期，镜质体反射率平均为1.76%，有机质演化到高成熟阶段，有机质向烃类转化过程中产生的大量有机酸沿断裂和不整合面进入上乌尔禾组砂砾岩储层中，使地层中流体介质呈弱酸性，长石等碎屑颗粒、凝灰岩岩屑、碳酸盐和沸石类胶结物等易溶组分形成了大量次生溶蚀孔，改善了储层物性，形成了部分相对优质的储层。

砂砾岩储层在机械压实及胶结作用后，原生粒间孔隙大量损失，孔隙度随埋深加大明显减小，但在埋深2 600～3 800 m 处存在明显的孔隙度增大现象，孔隙度的演化趋势表明溶蚀作用对储层物性具有一定的改善效果。整个孔隙演化过程中，储层先后经历了机械压实、早期胶结、有机酸溶蚀和晚期碳酸盐胶结等4 个阶段（图15）。通过计算可得，研究区上乌尔禾组溶蚀增孔量平均为3.2%。

总体来看，玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层质量的主控因素包括沉积作用和成岩作用。优质储层主要发育于水动力条件较强的扇三角洲前缘水下分流河道中部，分选相对较好、泥质含量较低、可溶性胶结物发育，溶蚀增孔作用明显，且砂砾岩扇体呈多期发育，形成了横向连片、纵向叠置的大规模储集体。

5 结论

（1）玛湖凹陷上乌尔禾组发育一套退覆式扇三角洲砂砾岩储层，包括砾岩相、砂岩相和泥岩相等3 种类型，以凝灰质砾岩为主，其次为以凝灰岩岩屑为主的岩屑砂岩，具有“低孔低渗”特征。不同岩相具有不同的岩石结构和储层物性，牵引流及密度流沉积的岩石泥质含量较低、分选较好，储层物性较好；泥石流和洪流沉积的岩石结构混杂、储层物性差。

（2）玛湖凹陷上乌尔禾组砂砾岩储层质量受沉积作用和成岩作用2 个方面因素控制。沉积作用控制了储层的物质组成和宏观展布，成岩作用包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用，进一步改变了岩石物性和孔隙结构。