东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组源-汇控砂控相规律

汪孝敬，赵长永，邹红亮，周萍，朱 卡，安羽龙，吴越，李 雷

(1.中国石油新疆油田分公司 勘探事业部，新疆 克拉玛依 834000； 2.中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830001； 3.中国石油新疆油田分公司 采油一厂，新疆 克拉玛依 834004)

引 言

东道海子凹陷勘探程度极低，油气资源丰富、潜力高[1-2]。纵向发育多套烃源岩。其中，二叠系烃源岩已达生烃高峰[1,3]，推测石炭系烃源岩主要为高—过成熟天然气[4-5]。前人对该区上乌尔禾组断裂体系、构造特征、油源对比已进行过较详细的研究[4,6-7]，古地貌宏观分析较多，但古地貌、沉积体系及油气成藏等方面的研究程度低，缺乏对微观沟槽及汇水体系的刻画，沉积相类型也存在争议[4,7-8]，砂体富集规律不清。近年来，越来越多的学者根据源-汇系统理念研究控砂原理[9-16]并取得勘探新突破[17-18]。上乌尔禾组发育不整合面及深大断裂直通二叠系平地泉组烃源岩，具“近水楼台先得月”的优势。东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组自2013年DN8井获重大突破后，相继钻井6口，均未获工业油流，油气勘探一度陷入停滞状态。鉴于单因素分析难以厘清控砂规律，因此，亟需将东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组纳入源-汇体系进行整体研究，从母岩性质、物源体系、汇水系统方面理厘控砂控相规律。

本文利用地震技术精细刻画了上乌尔禾组古地貌特征及汇水体系。采用重矿物组合、地层倾角等资料综合判别母岩性质及物源方向，明确源-汇体系，认为北部沟槽汇水区为扇三角洲沉积体系，南部3大沟槽汇水区为辫状河三角洲沉积体系。利用叠后均方根振幅及叠前vp/vs属性反演，刻画砂体展布特征，分析不同源-汇体系下，砂体展布与物性、含油性及产量的定性规律，认为在鼻状构造条件下，断裂体系与沟槽砂体的沟通是油藏成藏的关键因素。

1 地质概况

石炭纪中—二叠纪末期，东道海子凹陷主要受白家海走滑断裂及滴水泉走滑断裂体系的影响，形成现今的构造格局。凹陷东斜坡东与五彩湾凹陷相接，南北被滴南凸起及白家海凸起所夹持(图1(a))。在二叠系平地泉组时期，东道海子凹陷与五彩湾凹陷连通，沉积了一套深湖—半深湖的泥岩、云质泥岩及砂岩。平地泉组末期，受海西构造运动的影响，东道海子凹陷与五彩湾凹陷分开，两侧凸起区持续隆升，平地泉组遭受剥蚀。在凹陷斜坡区及凹陷中心，上乌尔禾组开始沉积，形成了一套粗粒碎屑岩(图1(b))。在上乌尔禾组末期，滴南凸起—东道海子凹陷—五彩湾凹陷—白家海凸起整体处于填平补齐阶段。其中，乌一段主要为灰色砂砾岩夹灰色泥岩沉积，主要为三角洲平原-前缘沉积。乌二段主要为灰色砂砾岩、含砾砂岩及砂岩与褐色泥岩互层沉积，主要为三角洲前缘沉积，其水体普遍较浅，为宽缓的浅湖环境。乌三段主要为巨厚层褐色泥岩夹灰色砂岩、砂砾岩沉积，该时期地势平缓，水体浅，造成泥岩颜色整体偏褐色。

图1 东道海子凹陷东斜坡构造位置[5]和地层综合柱状图Fig.1 Structural location map and comprehensive stratigraphic histogram of the east slope of Dongdaohaizi sag

2 源-汇体系

2.1 物源区特征

分析上乌尔禾组、石炭系及平地泉组重矿物组合特征，上乌尔禾组砂岩均以岩屑砂岩为主，岩石颗粒分选较差，磨圆以次圆状—次棱角为主，成分成熟度较低，总体为近源沉积特征。不同区域重矿物组分及组合差异明显(表1、图2)，反映该区具有多物源供给。

表1 东道海子凹陷东斜坡二叠系上乌尔禾组不同物源体系重矿物组合及含量Tab.1 Heavy mineral assemblages and contents of different provenance systems in upper Wuerhe formation of Permian in the east slope of Dongdaohaizi sag

图2 东道海子凹陷东斜坡二叠系上乌尔禾组古地貌及重矿物平面分布Fig.2 Palaeogeomorphology and heavy mineral distribution of Permian upper Wuerhe formation in the east slope of Dongdaohaizi sag

东道海子凹陷东斜披(DN10-DN8井区)重矿物以极稳定重矿物(占比40.0%)与较稳定重矿物(占比34.19%)为主，稳定重矿物(占比18.09%)次之(表1)。重矿物组合以白钛石(质量分数26.54%)-绿帘石(质量分数24.28%)-磁铁矿(质量分数15.34%)-褐铁矿(质量分数8.47%)为主，缺乏板钛矿、黝帘石。物源主要来自东北部，母岩主要为火山碎屑岩(凝灰岩为主)、中酸性/基性侵入岩，含少量沉积岩+变质岩。通过重矿物组合可以进一步细分为DN10-DN13、DN1-DN12-DN15、DN20-DN17井3支物源体系。DN10-DN13与DN1- DN15水系重矿物组合中白钛石、尖晶石含量相对较高，同时发育不稳定的辉石，更近物源。DN20-DN17井区受东南部物源供给影响，绿泥石含量较DN10-DN13、DN1-DN15水系高。

北部物源体系(DX11-M7-DN11井区)重矿物以较稳定重矿物(质量分数65.77%)为主(表1)，其中钛铁矿占比64.9%，未见白钛石、十字石、电气石、板钛矿、尖晶石等矿物。砾岩成分主要为凝灰岩、霏细岩及板岩，反映母岩主要为火山岩与变质岩。石炭系重矿物组分也与北部上乌尔禾组重矿物组分一致，剥蚀区主要为北部石炭系巴山组及松喀尔苏组的火山岩。

东南部物源体系(C11-C31-C524井区)重矿物以极稳定重矿物(质量分数40.47%)与较稳定重矿物(质量分数36.65%)为主(表1)，其次为稳定重矿物(质量分数14.36%)及少量不稳定重矿物(质量分数8.53%)。重矿物组合以白钛石(质量分数25.96%)-绿帘石(质量分数23.83%)为主，未见磁铁矿与十字石等。砾岩成分以沉积岩块为主，变质岩块次之，重矿物与平地泉组重矿物组合特征一致，东部物源供给区主要为二叠系平地泉组的沉积岩及少量火山碎屑岩与侵入岩。

2.2 汇水输砂沟槽

研究区被DN8井高密度三维及KM1井东三维地震资料覆盖，资料品质好，借助其进行古地貌恢复及沟槽精细刻画，结果表明，东道海子凹陷东北部为古地貌高点，为物源供给区或沉积过路区，向西发育小型汇水沟槽，供给能力有限。向西南主要发育4大汇水输砂沟槽(图2)，平面上北部沟槽范围小，表现为窄而深，局部受断裂控制，近物源，水动力强，下切河谷为主，主要为V型沟槽。近物源区母岩类型主要为火山岩与变质岩，沉积物砾石粗，单砂体厚度大，物性差，主要为重力流成因。沟槽前段地势变缓变宽，逐渐由V型演变为U型，沉积物也由砂砾岩演变为砂砾岩与含砾砂岩，物性变好，单砂层变薄。中东部3大沟槽被古低凸分隔，宽而缓，以U型沟槽为主，储层类型主要为砂砾岩夹含砾砂岩，分析物源区山间河流主要为沉积过路，具一定的搬运距离，砾石较细，砂体叠置，物性较好，为牵引流成因。另外，钻探表明，低凸区域以厚层泥岩夹薄层砂岩沉积为主，为油气侧向封挡提供条件。综合古地貌、重矿物组合及长轴砾石所反映的地层倾角资料，研究区可划分4大汇水体系，分别为DN10-DN13水系、DX1-DN11水系、DN1-DN8水系和DN20-DN17水系。不同水系沟槽特征决定了沉积差异性及勘探的方向。

3 相类型及特征

通过岩心、测井及地震响应特征分析认为，东道海子凹陷东斜披上乌尔禾组中部3大输砂水系为一套辫状河入湖形成的三角洲沉积体系[2，5]，北部DX1-DN11输砂沟槽主要发育扇三角沉积。

东部3大水系区坡度缓，难以发育陡坡条件下的扇三角洲。通常扇三角洲(冲积扇)发育的条件要满足古坡度大于3°，甚至达35°[19]，沉积模拟浅水扇三角洲的坡度也在3°～17°[20]。从恢复的古地貌来看，DN8井区整体为东北部高、西南方向低的斜坡区，坡度小于2°。因此，在如此缓的地势条件下，不可能发育陡坡或者缓坡型的扇三角洲沉积。

东部3大水系区未见有重力流成因砂砾岩，普遍为牵引流成因的河道砂体。取芯及录井资料显示，该区上乌尔禾组砂体普遍为砂砾岩夹薄层砂岩沉积，其中，砾石粒径较细，在0.5～3.0 cm，最大粒径为5.0 cm。分选较差，以次圆状为主，次棱角状次之，经一定距离的搬运。成分成熟度较低，石英、长石、岩屑体积分数分别在20.4%～25.5%、4.0%～42.1%、40.2%～92.0%，主要为岩屑砂岩。因此，仅从粒度及成熟度来看，该区岩性特征与扇三角洲沉积环境下的砂体类似。但观察岩心，见大量牵引流成因的沉积构造，如平行层理、斜层理、各类交错层理等(图3)，砾石普遍定向排列，泥质含量低，体积分数在1.0%～6.6%，平均2.9%。粒度概率曲线为三段式，跳跃组分为主，斜率较高，显示牵引流搬运的特征，未见重力流沉积现象。砂砾岩反映的成因类型是区分扇三角洲与河流三角洲最重要的标志[21-23]。

图3 东道海子凹陷上乌尔禾组中部水系岩心照片Fig.3 Typical core photos of middle water system of upper Wuerhe formation in Dongdaohaizi sag

古生物遗迹及化石显示为干旱浅水的沉积环境。上乌尔禾组一段泥岩普遍为灰色，乌二段为灰色砂砾岩与褐色泥岩互层沉积，乌三段为厚达百米的褐色泥岩，局部区域上乌尔禾组都为褐色泥岩，厚度达200 m，表明二叠纪末期从潮湿环境向干旱环境的转变过程。从遗迹化石来看(图3(h))，乌三段生物潜穴核部砂质充填，角度为43°，表明为浅水沉积环境[24-25]。孢粉化石鉴定分析表明，乌一段裸子植物花粉以Vitreisporitesspp、Retusotriletesspp、Protohaploxypinusspp、Platysaccusspp、Piceitesspp等组合为主；蕨类植物孢子以Apiculatisporisspp、Punctatisporitesspp、Raistrickiaspp、Verrucosisporitesspp组合为主。而乌三段及二段褐色泥岩中裸子植物花粉以Striatoabieitesspp、Protohaploxypinusspp、Sulcatisporitesspp、Vittatinaspp、Gardenasporitesspp等为组合；蕨类植物孢子以Densosporitesspp、Kraeuselisporitesspp、Cyclogranisporitesspp、Cycadopitesspp组合为主。上述化石组合表明，上乌尔禾组沉积时期从初期的潮湿环境向中后期浅水干旱环境转变[25]，而扇三角洲常发育在陡坡深水沉积环境中[21-22]。

北部DX1-DN11水系区坡度大，具备扇三角洲沉积条件。从前述源-汇体系分析可知，该输砂通道碎屑颗粒主要供给区为北部火山岩。从古地貌来看，断裂控制该水系的展布，且沟槽两侧地形坡度大(>15°)，局部大于30°。在该类地形条件下，极易发育冲积扇/扇三角洲沉积。从岩心来看，该水系砾岩泥质含量高，胶结致密，杂基与颗粒支撑，基底型与压嵌型胶结。砾石磨圆及分选差，以次棱角状为主，块状为主(图4)，未见有牵引流成因构造，为明显快速堆积的泥石流沉积。测井曲线表现为高自然伽马，高密度特征，曲线为锯齿状直线。地震剖面上乌一段及二段从沟槽向两侧超覆沉积，造成乌一段主要分布在沟槽核部，且杂乱不连续反射(图5)，综合判别北部水系为扇三角洲沉积。

图4 东道海子凹陷上乌尔禾组北部水系典型岩心照片Fig.4 Typical core photos of north water system of upper Wuerhe formation in Dongdaohaizi sag

图5 东道海子凹陷垂直上乌尔禾组北部水系地震地质解释剖面Fig.5 Vertical seismic and geological interpretation profile of north water system of upper Wuerhe formation in Dongdaohaizi sag

综上所述，受古地貌及汇水系统的影响，北部汇水输砂沟槽更靠山体、近源坡陡、沟深水浅、快速堆积、砾岩泥质杂基支撑，主要为重力流成因。中部汇水输砂沟槽为山间河流较远搬运、沟宽水浅、砾岩颗粒支撑、砂质为主、层理发育，主要为牵引力成因。造成东道海子凹陷东斜坡具有北扇-南河的沉积特征。

4 源-汇体系控砂控相特征

4.1 对砂体展布的控制

1)对砂体纵向的控制

宏观来看，受海西-印支构造运动影响，研究区位于白家海与滴南两大凸起之间，东北靠近克拉美丽山脉，为物源的持续供给区，砂体较富集，为有利的勘探目标区。古低凸区砂体厚度在0.1～81.2 m，平均26.2 m，为厚层褐色泥岩夹灰色砂岩。沟槽汇水区内砂体厚度在4.0～139.6 m，平均59.2 m，底部为厚层砂体夹薄泥岩，顶部为厚层泥岩夹砂岩沉积。在同一相带条件下，输砂沟槽越宽，坡度越缓，单砂体及累积砂体厚度越小(图6)。以中部3大输砂沟槽为例，DN1-DN8水系坡缓沟窄，砂体厚度大，储层物性好。DN20-DN14水系较DN1-DN13宽，坡度缓，单砂体及累计砂体厚度都较小，储层物性相对较差。北部水系，近源，沟窄坡陡，砂体厚度大，一般为沟槽深度的80%以上，但泥质含量高，物性差。

图6 东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组过DN14、DN8、DN13水系砂体剖面Fig.6 Profile of upper Wuerhe formation through DN14, DN8 and DN13 water system sand bodies in the east slope of Dongdaohaizi sag

从同一输砂沟槽来看，沟槽核部可容空间大，水动力强，携砂能力足，砾石受水流冲刷时间长，粒度粗，砂体累计厚度大，物性好(图7(a)、图7(b))。水系侧翼可容空间减小，水动力弱，粒度细，物性较差，砂体累计厚度小(图7(c)—图7(e))。古低凸区为输砂通道两侧最高部位，可容空间最小，在物源供给充足且季节性水动力强的情况下，砂体可越过古低凸带沉积，厚度小，主要为漫流泥岩或支流间湾泥岩。

图7 东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组不同水系岩心特征Fig.7 Characteristics of different water system cores of upper Wuerhe formation in the east slope of Dongdaohaizi sag

2)对砂体平面的控制

在地震精细标定的前提下，开展高密度三维多属性反演进行砂体预测。勘探目标主要集中在乌二段顶底2套砂体，因此，沿乌二段顶、底开25 ms时窗提取均方根振幅属性(图8(a)、图8(b))。从反演结果来看，砂体主要富集在输砂沟槽，两翼砂体欠发育。古低凸带虽有砂体分布，但目前无井钻探证实，分析是季节性强水流时期的沉积产物。结合叠前纵、横波速度比反演结果(图8(c))来看，砂体分布特征同均方根振幅属性类似。从不同输砂通道来看，DN10-DN13与DN12-DN8较DN20-DN14水系砂体更发育，DN20-DN14水系砂体多呈零星状分布，主要是沟宽、水浅，河道横向摆动频繁，造成砂体分布范围更广，砂体不集中，单砂体薄。

综上所述，东道海子凹陷东斜坡二叠系上乌尔禾组砂体主要受源-汇体系控制，即同一输砂通道内砂体富集，岩性粒度粗，物性好，水系两侧及凸起带砂体发育程度差，岩性粒度细，物性差。不同输砂通道沉积也具差异性，表现为沟宽坡缓，砂体薄，物性较差；沟窄坡缓，砂体厚，物性好；沟窄坡陡，砂体厚，物性差。

4.2 对沉积体系的控制

上乌尔禾组为退积式三角洲沉积，古地貌高部位及靠近物源的沟槽主要为三角洲平原亚相。古地貌低部位及远离物源的沟槽主要为三角洲前缘亚相。古低凸带砂体发育程度差，主要为平原亚相的漫流泥或前缘亚相支流间湾沉积。输砂沟槽砂体富集，主要为三角洲平原的辫状河道、泥石流或三角洲前缘亚相的水下分流河道沉积。

1)顺水系沉积特征

从平行物源方向的地震地质剖面来看，上乌尔禾组为明显的退积式三角洲沉积特征(图9)。靠近物源区，发育三角洲平原亚相。表现为厚层砂砾岩夹薄层泥岩，砂体物性较差[26]。测井曲线显示为箱状或钟型曲线特征，总体为正粒序。地震剖面上为中低频、强能量、不连续反射的特征，表明该时期河道砂体横向迁移迅速，连续性较差，泥质含量稍高，物性差，平均孔隙度7.1%，平均渗透率0.3×10-3μm2。砂体含油性差，最高含油级别为荧光，自然产能低，多为干层，最高日产油1.6 m3。在远离物源方向的区域，主要发育三角洲前缘亚相，厚层砂砾岩、含砾砂岩，夹薄层褐色或灰褐色及灰色泥岩。在地震剖面上，靠近平原区域的前缘亚相为低频、弱能量、不连续短轴反射。远离平原区域的前缘亚相为中频、强能量、连续反射。上述响应特征表明，前缘相受河道横向迁移影响较大，砂体多为透镜状，物性好，平均孔隙度7.4%，平均渗透率56.0×10-3μm2。砂体含油性较好，含油级别最高为油斑，自然产能较平原亚相砂体好，最高日产油412.9 m3。从录井岩性来看，受湖平面上升的影响，乌三段已被填平补齐，地势平缓，湖水浅，前三角洲亚相整体为褐色泥岩夹薄层砂岩沉积。地震剖面上为低频、弱能力、连续反射的特征。

2)垂直水系沉积特征

在工区研究范围内，输砂沟槽特征主要体现在乌一段及乌二段。在垂直物源方向上，输砂通道内砂体富集程度高，厚度大，逐渐向古低凸区尖灭(图10)，垂向上随着湖平面上升，单砂体厚度减薄，砂体横向延伸范围减小。从垂直相邻地震剖面来看，都具有类似的反射特征。沟槽汇水区，同相轴延伸距离短，且向古低凸区超覆沉积，纵向具有加积的特征(图5)，造成沟槽区砂体富集，古凸起区砂体欠发育。

3)沉积相平面特征

沉积相平面展布受汇水系统、气候、物源供给等因素控制。东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组沉积时期，南北受古凸的影响，水系汇集造成输砂沟槽区砂体都较富集(图9、图11(a))。北部沟槽更靠近物源区，接受石炭系剥蚀区产物，源足粒粗，物性差，且输砂沟槽窄，限制了扇体横向迁移，造成累计砂体厚，主要为泥石流沉积。远离物源区，沟槽变宽，演变为河道沉积为主，物性变好、粒度变细。中部3大沟槽区接受较远距离搬运的碎屑物，以砂砾岩及含砾砂岩为主，物性较好。靠近物源区沟窄坡缓，砂体富集，但累计厚度小。远离物源区沟宽坡缓，河道横向摆动，分流河道多，单砂体厚度变薄，但累计厚度大，物性好。古低凸区主要发育漫流泥岩，局部发育有小型河道，砂体厚度薄，物性差。物源区母岩性质也决定沉积相带的差异性，4大沟槽物源区主要为石炭系火山岩，母岩抗风化能力强，砂砾岩粒度粗。东部物源区主要为平地泉组沉积岩，母岩抗风化能力弱，造成C11-C60井区域以漫流泥为主。

图9 东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组顺DN13水系地震响应特征及沉积相剖面Fig.9 Seismic response characteristics and sedimentary facies profile of upper Wuerhe formation along DN13 water system in the east slope of Dongdaohaizi sag

图10 东道海子凹陷东斜坡垂直上乌尔禾组相邻水系河道砂体地震响应特征Fig.10 Seismic response characteristics of adjacent river channel sand bodies of Wuerhe formation in the east slope of Dongdaohaizi sag

4.3 源-汇体系下勘探方向的选择

东道海子凹陷上乌尔禾组油气藏具断裂沟通[4]、鼻状构造及岩性控制的典型特征[7]。因此，在明确断裂体系的情况下，砂体及沉积相分布是决定该区勘探成效的基础。勘探实践表明，古地貌高部位很难找到突破口。其原因有：①砂体横向受输砂沟槽控制，一般难以越过低凸沉积[27]，相邻水系砂体对接难度大，油气横向运移困难。②河道砂体纵向叠置，多呈透镜体，无深大断裂沟通烃源岩，难以成藏(图11(b))。如构造高部位的砂体有断裂沟通，则油气显示活跃。若无断裂沟通或相邻沟槽砂体不连通，则无油气显示。因此，汇水区输砂沟槽核部与通源断裂匹配区是最有利的勘探目标。依据该思路，2019年在输砂沟槽的勘探获重大突破，DN15井在乌二段顶底2层均获百方高产油流，乌二底砂日产油101 m3，乌二顶砂日产油412.9 m3，日产气2.8×104m3。2020年在DN8-DN12沟槽部署探井4口，均获高产油气流，其中，DN083井在乌二段再获百方高产，日产油105.5 m3，日产气1.2×104m3。除此之外，2021年在DN14沟槽部署的DN20井钻遇较厚砂体，试获工业油气流。勘探实践表明，源-汇体系分析有效指导了该区油气勘探，也可为其他类似探区勘探提供理论指导。

图11 东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组沉积相及成藏模式Fig.11 Sedimentary facies map and hydrocarbon accumulation pattern of upper Wuerhe formation in the east slope of Dongdaohaizi sag

5 结 论

(1)东道海子凹陷东斜坡上乌尔禾组古地貌为东北高、西南低，发育北东西南向4大输砂沟槽。北部沟槽重矿物以钛铁矿为主，母岩主要为石炭系火山岩；中部3大沟槽重矿物以绿帘石-白钛石-磁铁矿组合为主，母岩主要为火山岩及中酸性-基性侵入岩；南部区域重矿物以绿帘石-白钛石-尖晶石组合为主，母岩主要为平地泉组沉积岩。

(2)源-汇体系决定相及砂体的展布。北部近源、沟窄、坡陡，短距离搬运，砂体厚、砾石粗、物性差，重力流成因，为扇三角洲。中部3大沟槽近源、沟较宽、坡缓，具一定距离搬运，单砂体较薄、累计砂体厚，砾石细、物性好，牵引流成因，为辫状河三角洲。

(3)上乌尔禾组为退积式三角洲沉积，中部3大输砂沟槽，砂体富集、相带好，为勘探开发的最有利目标区。北部沟槽下倾方向砂体富集、相带较好，为次一级勘探目标。