准噶尔盆地红山嘴地区三叠系克下组辫状河沉积特征

2021-07-14于兴河仲玉芳杨新涛

现代地质 2021年3期

王进，于兴河，仲玉芳，周明，杨新涛

(1.河北省煤田地质局新能源地质队，河北邢台 054000；2.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；3.中国石油新疆油田分公司第一采油厂，新疆克拉玛依 834000)

0 引言

红山嘴地区是准噶尔盆地西北缘重要的富油区带之一，经过50多年的勘探，在石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系及白垩系地层中已发现不同规模的油气藏[1-2]。克下组作为红山嘴地区的主力储层之一，具有粒度粗、沉积构造多样、单期砂体厚度小及砂泥频繁互层的特点。

前人研究多以准噶尔盆地西北缘三叠系为整体进行，认为西北缘三叠系主要发育冲积扇、辫状河、辫状河三角洲、湖泊沉积体系[3-5]。针对红山嘴地区克下组沉积特征开展的研究相对较少。程亮等认为红山嘴克拉玛依组沉积时期，主要发育辫状河沉积体系，局部地区的部分层段发育冲积扇[6]。王雅宁等认为红车地区克下组广泛发育辫状河流沉积，局部发育冲积扇和辫状河三角洲沉积[7]。高阳等认为克下组时期红山嘴整体处于辫状河三角洲上平原沉积环境[8]。总体上，前人多认为克下组以辫状河沉积为主，但存在研究粗泛的问题，研究过程中多以整个克拉玛依组为研究对象，忽略了克上组与克下组在岩性特征、沉积构造及砂体发育特征上存在较大差异。特别是缺少针对克下组沉积作用、岩相与垂向序列及沉积模式方面的研究。

笔者在前人研究成果的基础上，以岩心精细观察描述为基础，综合测井录井、粒度等资料，进一步明确了红山嘴地区克下组辫状河沉积特征与沉积模式，以期为该地区油气储层研究提供借鉴。

1 区域地质概况

红山嘴地区位于准噶尔盆地西北缘红—车断裂带的北段(图1(a))，在区域构造上属于准噶尔盆地西部隆起构造单元，北接克乌断裂带，东、西两侧分别为中拐凸起与车排子凸起，西北为扎伊尔山，东南为沙湾凹陷[1,2,9]。海西及印支运动时期，研究区受北西—南东方向的挤压作用，自基底发育多期逆断裂[10]。晚石炭世—二叠纪，在向东部强烈挤压作用下车排子凸起开始隆升[11-13]，研究区演变为北西和南西地形较高、东部地势较低的古地貌，地形高差相对较大(图1(b))。

图1 研究区区域位置、古地貌与三叠系综合柱状图Fig.1 Location and regional paleogeomorphology of the study area and Triassic stratigraphic column

早三叠世，红山嘴地区处于抬升状态，无百口泉组沉积。至中三叠世，克拉玛依组(T2k)开始沉积，直接发育于石炭系不整合面之上。上三叠统的白碱滩组为一套区域性的湖相深灰色泥岩沉积。克拉玛依组可划分为克下组和克上组，克下组(T2k1)属于克拉玛依组的下部地层，整体表现为砂泥岩互层，厚度在69～210 m之间，平均为134 m。

2 沉积学特征

2.1 岩矿特征

研究区内克下组岩性复杂多样，砾岩、砂岩、粉砂岩及泥岩均有发育。储层以含中砾细砾岩、细砾岩、含砾粗砂岩及中粗砂岩等粗粒碎屑岩为主(图2)，反映克下组沉积时整体水动力条件较强。砂砾岩体单层厚度一般不超过10 m，主要分布在3～8 m之间，表明了沉积时水动力条件稳定性差，具有间歇性活动的特征。

图2 研究区克下组储层岩石类型Fig.2 Reservoir rock types of the Lower Karamay Formation

中砾岩砾石最大粒径可达50 mm，分选较差，磨圆中等—较好，基质含量高，多级颗粒支撑与杂基支撑为主，钙质胶结，块状层理为主，弱正粒序，下部常发育冲刷面，上部砾石定向排列，指示洪泛期强水动力的洪流快速沉积，向牵引流沉积逐渐过渡。

砂岩主要为长石质岩屑砂岩、岩屑砂岩和岩屑质长石砂岩。砂岩中石英含量中等，平均体积分数为32.1%，而长石和岩屑等不稳定组分含量高(图3)。岩石成分成熟度指数[Q/(F+R)]介于0.01～1.66之间，平均为0.37。砂质碎屑颗粒磨圆较差，以次棱角状与次圆状为主，分选差—中等，成分成熟度和结构成熟度偏低，反映了研究区内克下组具有近源快速沉积的特征。

图3 研究区克下组储层碎屑岩三角图 Fig.3 Ternary diagram for the detrital composition of the Lower Karamay Formation

2.2 粒度特征

对研究区内克下组取心段大量的粒度资料进行分析，识别出3种典型的粒度概率曲线类型(图4)，具有粒度粗、粒径分布区间广的特点。

图4 克下组典型粒度累积概率曲线Fig.4 Grain-size probability plot of the Lower Karamay Formation

Ⅰ类，一段式。粒径主要集中在-5～1Φ之间，粒度粗，各个次总体发育不明显，分选较差，表明沉积时水动力条件强且不稳定，沉积物快速卸载堆积，指示洪泛期的洪流成因。

Ⅱ类，两段式。发育明显的跳跃总体和悬浮总体，粒度直方图上呈双峰态，跳跃总体斜率在60°左右，分选相对较好，悬浮总体分选较差，S截点大致位于-1Φ处，主要发育于细砾岩和含砾粗砂岩中，指示典型的强水动力河道沉积。

Ⅲ类，三段式。滚动、跳跃、悬浮总体均发育，粒度直方图呈单峰态。整体以跳跃搬运方式为主，跳跃总体含量在75%左右，跳跃段与悬浮段的交截点在2Φ处，分选较好，主要发育于中粗砂岩中，为河道内较稳定牵引流沉积。

2.3 沉积构造

沉积构造的识别是判定搬运介质、搬运方式以及沉积时水动力强弱的重要方法。红山嘴地区克下组发育反映强水动力条件的典型沉积构造(图5)。

图5 克下组典型沉积现象Fig.5 Typical sedimentary features of the Lower Karamay Formation(a)中砾岩，杂积支撑，分选极差，块状构造(红75井，1 351.8 m)；(b)细砾岩，大型交错层理(红82井，1 296.6 m)；(c)细砾岩，板状交错层理(红23井，1 303.2 m)；(d)含砾粗砂岩，槽状交错层理(红68井，1 788.7 m)；(e)含砾粗砂岩，板状交错层理(红091井，1 674.5 m)；(f)含砾粗砂岩，槽状交错层理→平行层理(红018井，2 333.4 m)；(g)冲刷面，见灰白色泥砾(红75井，1 420.1 m)；(h)含砾粗砂岩，槽状交错层理，灰白色泥砾沿层系面分布(红023井，1 374.4 m)；(i)滞留砾石→粗砂岩(红75井，1 423.0 m)；(j)红褐色→灰绿色泥岩突变面(红023井，1 344.3 m)；(k)花斑泥岩(红68井，1 874.3 m)；(l)干裂构造(红68井，1 789.3 m)；(m)炭化植物茎干碎片与炭屑(红091井，1 699.7 m)；(n)植物根系(红067井，1 796.4 m)； (o)生物虫孔(红57井，1 907.9 m)

块状层理主要发育在中砾岩、不等粒砂岩及粉砂质泥岩中，分选差，反映物源充足、快速堆积的沉积过程(图5(a))。槽状交错层理多见于含砾粗砂岩和粗砂岩中，相对较粗的碎屑颗粒沿层面分布，指示河道频繁侧向摆动及下切作用，反映沉积时的水动力条件较强(图5(d))。板状交错层理常见于细砾岩、含砾粗砂岩和中粗砂岩中，顺流加积和侧向加积形成(图5(c)、 (e))。平行层理相对少见，主要发育于中粗砂岩中，反映了水体较浅、流速较大的沉积环境特征(图5(f))。

冲刷面在本区广泛发育。代表着不同程度的侵蚀间断面。冲刷面之下为粉砂岩、泥岩等细粒沉积物，冲刷面之上突变为砂砾岩，在底部发育滞留砾石，上部可见大量灰白色泥砾沿层理面分布(图5(g)、 (h)、 (i))。

2.4 古气候指示

早—晚三叠世，盆地西北缘由干旱炎热的亚热带气候逐渐转为潮湿温暖适宜植被生长的温带气候[5，14-16]。克下组泥岩颜色多为红褐色和杂色，泥岩中可见干裂构造(图5(l))，形成多边形、网状龟裂纹，指示泥质沉积物陆上暴露特点，为季节性干旱气候的标志。在克下组中上部红褐色泥岩或灰色泥岩中偶见植物根系、虫孔及炭化植物茎干碎片(图5(m)、 (n)、 (o))，反映了植被逐渐发育，克下组沉积时古气候由干旱向半干旱的转变。

3 沉积微相划分

3.1 岩相划分

通过研究区内岩心的观察描述，在克下组中识别出8种典型的岩相(表1)。

表1 研究区克下组岩相类型

3.2 岩相组合与沉积微相

岩相组合通常是一次沉积事件或一定环境连续演变的产物，不同的岩相组合可指示不同微相的沉积过程[17]。笔者在研究区克下组识别出三种不同的岩相组合，指示不同的沉积微相(图6)。

图6 研究区克下组典型岩相组合Fig.6 Typical lithofacies associations of the Lower Karamay Formation in the study area

3.2.1 类型Ⅰ(Gm↔St→Sh→Sm→Fm)

洪泛初期,在强水动力的洪积作用下，序列底部沉积块状砾岩相(Gm)，与下部相对较细粒沉积物冲刷面接触，随着水动力条件逐渐稳定，河道下切摆动，向上发育大型槽状交错层理砂岩相(St)。随着水体变浅和床砂底形变得相对平坦，可发育平行层理砂岩相(Sh)。在下一次洪泛期，水动力再次增强，可对早期河道沉积物形成冲刷。岩相组合内部，基本无细粒沉积或细粒沉积相对较少，以泥砾形式保存。此类岩相组合垂向上呈正粒序，沉积作用主要为垂向和侧向加积，对应强水动力、冲刷频繁的辫状河道沉积。

3.2.2 类型Ⅱ(Gp→Sp→Fm↔M↔Gp、Sp)

在此序列中，以板状交错层理砾岩相(Gp)、砂岩相(Sp)为主体，分选和物性相对较好。底部可发育块状砾岩相(Gm)，在水动力相对减弱和更加趋于稳定的过程中，随着河道不断被沉积物充填，床砂底形变得平坦，细砾或砂质碎屑颗粒在相对平坦的床砂底形上不断向前推进沉积，发育板状交错层理砾岩相(Gp)和砂岩相(Sp)。垂向上呈正粒序或弱反粒序，为水动力相对稳定条件下垂向加积和顺流加积作用的产物，指示心滩沉积。序列顶部可见细粒的“落淤层”，多为块状粉砂岩相(Fm)或泥岩相(M)。

3.2.3 类型Ⅲ(M↔Fm↔Sm↔M)

此类组合在垂向上以泛滥平原中沉积的厚层细粒泥岩夹薄层漫溢砂岩为特征。洪泛期河道水动力增强，水体漫过河床，在河道间沉积物快速卸载，形成块状砂岩相(Sm)。泛滥平原沉积泥岩颜色多变，多为红褐色，泥质多不纯，常含砂质或粉砂质碎屑颗粒，呈块状。

3.3 测井曲线特征

研究区克下组测井曲线最常见箱形、钟形、漏斗形、指形4种基本测井曲线形态(图7)。中-高幅钟形测井曲线对应正粒序辫状河道沉积，反映河道内水动力条件逐渐衰减的过程，指示河道成因的正粒序沉积。上部高幅箱形或漏斗形曲线对应心滩沉积的砂砾岩体。

图7 克下组沉积微相测井的响应特征Fig.7 Microfacies log response of the Lower Karamay Formation(a)辫状河道和心滩(红081井)；(b)辫状河道和心滩(红71井)；(c)泛滥平原和漫溢砂(红015井)

指形曲线幅度较低，指示沉积时水动力在短时间内较高，但不稳定，对应河道间的漫溢沉积。间洪期，研究区内主要发育低能的泛滥平原泥质沉积，测井曲线呈低幅齿状特征。

4 沉积相带展布与沉积模式

结合前人研究成果，根据研究区内岩相组合、沉积构造及古气候特点，确定区内克下组为干旱—半干旱古气候下受间歇性洪流控制的近源辫状河沉积体系，发育河道带与河道间亚相，包括辫状河道、心滩、泛滥平原及漫溢沉积微相。

4.1 相带展布

研究区内发育的辫状河沉积体系的物源主要来自研究区西北的扎伊尔山与南西方向车排子凸起。干旱—半干旱古气候下，物理风化作用强，物源供给充足。在挤压构造作用和石炭—二叠纪漫长的风化作用下，克下组沉积时，研究区古地貌为西高东低，局部地区发育沟谷地貌。

研究区内辫状河沉积体系主要受间歇性洪流控制。洪泛期，水动力条件强，辫状河道侧向迁移频繁，河道砂体宽厚比较大。由于干旱—半干旱气候下洪泛持续时间较短，沉积的单期河道砂体厚度较薄。含砂率等值线图显示，研究区内存在多条辫状河道，基本平行于物源方向，不同方向的辫状河道存在交汇现象(图8)。在研究区西南部，古地貌沟谷相对发育，可形成较稳定的辫状河道，发育多期河道和心滩砂体叠加，局部含砂砾岩累积厚度可达26 m(红027井)。在东南部，不同河道发生交汇沉积厚层砂岩，也可形成局部富砂中心。虽然区内辫状河道广泛发育，但水动力强，河道频繁快速侧向迁移，早期河道废弃后细粒沉积物的发育，使砂体在空间接上连通性较差。

图8 研究区克下组含砂砾率等值线(a)与辫状河沉积相展布图(b)(MSC1上升半旋回) Fig.8 Distribution of sandstone (a) and sedimentary microfacies in braided river (rising half cycle of MSC1) (b)of the Lower Karamay Formation in the study area

洪泛时期，洪水所携带搬运的沉积物漫过河床，河道间形成大面积的薄层漫溢沉积。剖面上呈条带状展布，包裹于泛滥平原沉积的厚层泥岩中(图9)。在研究区的东北部，广泛发育泛滥平原沉积(图8)。

图9 研究区克下组沉积相剖面展布规律Fig.9 Braided-river sedimentary facies profile of the Lower Karamay Formation in study area

4.2 沉积模式建立

辫状河沉积研究在油气勘探开发领域一直受到重视[18-29]。受构造背景、气候特征、地形坡度、物源供应等因素影响，不能简单地用单一模式概括辫状河沉积特点。克下组沉积时，准噶尔盆地西北缘地形高差大、气候以干旱—半干旱为主，根据岩性、沉积构造及岩相序列等特征，借鉴前人的有关研究成果，建立了红山嘴地区克下组辫状河沉积模式(图10)。其特征如下。