鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段河流相砂体构型要素

马东烨，陈宇航，赵靖舟，吴伟涛，宋 平，陈梦娜

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，西安 710065；2.油气资源与探测国家重点实验室，中国石油大学（北京）北京 102249；3.陕西省油气成藏地质学重点实验室，西安 710065；4.中国石油新疆油田分公司，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

鄂尔多斯盆地致密砂岩气勘探开发潜力巨大，盆地东部已建成多层系万亿立方米大气区，其中二叠系下石盒子组8 段河流相砂体为重要储层［1-3］，但该储层受物源和水动力条件影响，河流沉积相变频繁，砂体内部结构复杂，砂体叠置关系多样，有利储层分布预测难度大［4］。砂体构型研究可以理清不同级次的储集单元与隔夹层的规模以及其形态及空间上的叠置关系，明确砂体的类型、分布及接触关系等［5-7］，目前已成为储层分析的有效手段。Miall［5］提出3 级层序地层内9 级砂体构型划分方案，包含了从0 级纹层到8 级盆地充填复合体9 种构型单元，在此基础上，将具有一定规模、几何形态和岩相组合特征，且能够反映沉积成因的3～5 级构型单元归纳为构型要素［5-6，8］。构型要素能够很好地反映特定沉积作用或沉积过程［9］，其组合样式能够有效反应砂体发育规模、分布规律及连通性，对砂体储集性能具有明显影响［10］。厘清河流相构型要素特征及其组合样式差异，有助于揭示储层连通性和非均质性［3，11］，对油气资源的挖潜和提高采收率具有重要意义［9，12］。学者们对鄂尔多斯盆地石盒子组8 段砂体构型的岩相及构型要素做了较详细的研究，李易隆等［12］、陈东阳等［13］通过野外露头、现代沉积观察，分析了构型要素的厚度与宽度的关系，依托经验公式建立了相关砂体构型要素预测模型，实现对地下砂体构型的预测和解释。张懿等［14］、陈宇航等［15］依托岩心分析、薄片、测井等资料，对构型要素特征及组合样式进行识别，深入分析了优质储层与构型要素的关系，实现了对优质储层的预测，并建立了相应构型要素解释模型。以上研究对河流相砂体构型要素厚度、岩相、分布进行了精细刻画，对构型要素组合样式与差异进行了深入分析，但对河流沉积体系中砂体构型要素及组合样式的差异缺少系统的研究。

通过对鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8段河流相砂体露头进行实测解剖和精细解释，明确其构型要素类型，定量表征构型要素几何属性，并对比区内不同河流相发育的构型要素差异，划分组合样式，以期完善该地区储层非均质性的研究，为下一步开发提供参考。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地位于华北台地西缘，构造稳定，变形微弱［16］，可划分为6 个一级构造单元：晋西挠褶带、天环坳陷、西缘逆冲带、伊陕斜坡、伊盟隆起以及渭北隆起［17-18］。盆地先后经历了晚元古代到早古生代海相碳酸盐台地演化阶段，晚古生代陆表海和陆相含煤系沉积演化阶段以及中生代内陆大型湖盆阶段［19］。在晚石炭世下石盒子组8 段（盒8 段）沉积期，盆地极为平缓，随着海水的退出，逐渐过渡为河流—湖泊环境，发育河流—三角洲沉积砂体，此时盆地北部为南倾斜坡，发育多套由北向南推进的冲积扇—辫状河—三角洲沉积体系，南部为湖相沉积［16-17，20］。研究区位于盆地东缘晋西挠褶带，盒8段沉积期地势北高南低、东高西低，物源主要为盆地北缘的阴山古陆东部的大青山和东北缘兴蒙造山带［21-22］，砂体形成于宽缓构造背景下的河流相沉积环境［12，17］，沉积物以砾岩、含砾砂岩和中—粗砂岩为主，粒度较大。按照岩性、岩相及沉积旋回将下石盒子组8 段自下而上分为下亚段和上亚段，下亚段以中—粗砂岩为主，局部发育泥岩和粉砂质泥岩；上亚段底部为含砾粗砂岩，向上粒度变小，顶部以泥岩和粉砂质泥岩为主（图1）。

图1 鄂尔多斯盆地东部野外露头位置（a）及二叠系下石盒子组8 段岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Location of field outcrops（a）and stratigraphic column of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation（b）in eastern Ordos Basin

盒8 段在区内准格尔旗黑岱沟、府谷天生桥、保德县桥头、兴县关家崖和临县招贤水均有出露。这些区域气候干旱，植被稀少，地层产状平缓，可以直接观察构型要素岩相特征及其叠置关系。本次研究在剖面观测研究的基础上，重点对出露较完整的陕西府谷天生桥剖面、山西兴县关家崖剖面和山西临县招贤水剖面进行精细解剖。

2 岩相特征

岩相能够反映沉积体的搬运方式、水动力条件、沉积规模以及沉积作用机制等，是准确识别成因砂体、判断沉积微相以及划分储层构型要素的关键依据［23-25］。通过对鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段露头岩石特征进行分析，共识别出8 种岩相类型。

（1）块状层理砂砾岩相（Gm）：砾石粒径为0.3～3.0 cm，平均为1.2 cm，呈次圆状—圆状，分选中等，呈叠瓦状排列，单层厚度为5.0～75.0 cm；整体表现为含砂泥质成分砾石块状堆积，砾岩底部可见冲刷面（图2a）。该岩相为辫状河沉积强水动力条件下河道底部滞留沉积。

（2）槽状交错层理含砾砂岩相（Gst）：砾石粒径为0.2～3.5 cm，平均为0.8 cm，呈次圆状—圆状，分选中等；纹层面底部可见磨圆相对较好、粒径为0.5～2.0 cm 的砾石，定向排列，单层厚度为1.0～3.0 m，发育槽状交错层理；整体上表现为颗粒粒径向上逐渐减小（图2b）。该岩相为辫状河或曲流河河道底部冲刷、充填沉积。

（3）槽状交错层理砂岩相（St）：以中—细砂岩为主，磨圆度较高，分选较好，单层厚度为1.2～4.0 m；砂岩中泥质含量较低，砂体较纯，发育小型槽状交错层理（图2c）。该岩相为河道底部冲刷、迁移、充填沉积。

（4）板状交错层理砂岩相（Sp）：以中—细砂岩为主，分选较好，磨圆度较高，发育低角度板状交错层理，纹层倾角主要为15°～25°；单组层系厚度为0.3～1.6 m，整体上呈中—厚层状；发育于辫状河心滩上部或曲流河边滩沉积的中部（图2d）。

（5）平行层理砂岩相（Sh）：由分选更好，磨圆度更高的中—细砂岩组成，多呈中—薄层状，单层厚度为0.2～0.5 m（图2e）；为水浅急流下产物，可见于辫状河心滩、曲流河边滩沉积的上部。

（6）上攀波纹层理砂岩相（Sc）：碎屑物质供应中等，岩性以白色中—细砂岩为主，磨圆度、分选均一般，多为中—厚层，单层厚度为0.5～1.0 m（图2f）；属于流速相对减慢、沉积物周期性地快速堆积而成，常见于曲流河边滩上部及堤岸沉积、漫溢沉积。

（7）水平层理粉砂岩相（Fh）：粉砂岩中可见水平层理，单层厚度为0.1～5.0 cm，呈薄层状（图2g）。该岩相为低能环境下辫状河或曲流河漫溢沉积。

（8）块状层理泥岩相（M）：以紫红色、灰色、灰黑色泥岩为主，层理基本不发育；泥岩单层厚度为0.2～2.0 m，整体上表现为薄层状（图2h）。该岩相为低能环境下悬浮细粒物质垂向加积，属于辫状河顶部的心滩落淤层、越岸沉积、废弃河道或曲流河顶部的漫溢沉积。

图2 鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段河流相露头典型岩相类型Fig.2 Typical outcrop lithofacies types of fluvial facies of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation in eastern Ordos Basin

3 构型要素类型

露头岩相实际观测结果显示，鄂尔多斯盆地东部盒8 段露头可见辫状河和曲流河砂体，其中辫状河沉积体系内可识别出河道（CH）、心滩（CB）、废弃河道（ACH）和漫溢沉积（OF）4 种构型要素；曲流河沉积体系内则发育边滩（PB）、废弃河道和漫溢沉积3 种构型要素（图3）。

图3 鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段野外露头构型要素典型照片Fig.3 Typical photos of outcrop architectural elements of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation in eastern Ordos Basin

（1）河道（CH）

河道是研究区野外露头中最常见的构型要素之一。出露宽度为4.0～50.0 m，厚度为1.0～7.0 m，宽厚比为4.0～6.0，大多呈“顶平底凸”或近似板状的形态（图3a），垂向上岩相组合序列为块状层理砂砾岩相（Gm）—槽状交错层理含砾砂岩相（Gst）—槽状交错层理砂岩相（St）—块状层理泥岩相（M）—槽状交错层理砂岩相（St）。底部发育河道滞留沉积，砾石粒径变化较大，为0.6～6.0 cm，平均为3.0 cm，磨圆中等；由于河道发生迁移并伴有下切作用，向上逐渐过渡为槽状交错层理含砾砂岩相（Gst），以中—粗砂岩为主；河道顶部发育槽状交错层理砂岩相（St），以中—细砂为主，分选和磨圆度更好，层理规模逐渐变小。整体而言，由于水动力逐渐减弱，河道宽度逐渐变大，粒度向上逐渐变小，泥质夹层在河道底部基本不发育，向上逐渐增多，规模逐渐增大，非均质性较强（图4a）。

（2）心滩（CB）

心滩常见于辫状河沉积环境，宽度变化较大，为7.0～80.0 m，厚度为2.0～7.0 m，宽厚比为4.0～30.0，心滩外部形态呈“顶凸底平”形或为透镜状（图3b），垂向上岩相组合主要为块状层理砂砾岩相（Gm）—槽状交错层理含砾砂岩相（Gst）—槽状交错层理砂岩相（St）—板状交错层理砂岩相（Sp），心滩核部以垂向加积为主，形态相对平缓；底部滞留沉积砾岩以次棱角—次圆状为主，向上粒径逐渐变小；泥岩夹层相对不发育，可以作为良好的储集体（图4b）。

（3）边滩（PB）

边滩常见于曲流河沉积环境，宽度为6.0～20.0 m，厚度为2.0～5.0 m，宽厚比为3.0～4.0。在野外露头中主要为楔形（图3c），在垂向上岩相组合为槽状交错层理砂岩相（St）—板状交错层理砂岩相（Sp）—上攀波纹层理砂岩相（Sc）—平行层理砂岩相（Sh）—块状层理泥岩相（M）或槽状交错层理砂岩相（St）—板状交错层理砂岩相（Sp）—上攀波纹层理砂岩相（Sc）—块状层理泥岩相（M）。整体表现为正韵律，向上细粒沉积相对发育；砂体以侧向加积作用为主，侧向连通性较好（图4c）。

图4 鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段河流相露头典型构型要素岩相垂向序列特征Fig.4 Vertical sequence characteristics of architectural elements of fluvial outcrops of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation in eastern Ordos Basin

（4）废弃河道（ACH）

废弃河道在辫状河环境及曲流河环境中均有发育，宽度为4.0～10.0 m，厚度为2.0～8.0 m，宽厚比为1.0～2.0，废弃河道构型要素外部呈“顶平底凸”形态（图3d），垂向上岩相组合与河道构型要素较相似，为块状层理砂砾岩相（Gm）—槽状交错层理砂岩相（St）—板状交错层理砂岩相（Sp）—块状层理泥岩相（M），但底部主要发育中—粗砂岩，局部可见泥质夹层；顶部以垂向加积为主，细粒物质更为发育，受到沉积后期分化剥蚀作用，顶部残余部分泥质碎片，连通性较差（图4d）。

（5）漫溢沉积（OF）

漫溢沉积在曲流河和辫状河中均有发育，厚度为2.0～4.0 m，常呈席状，延伸范围较广。顶部发育块状泥岩，底部可见水平层理粉砂岩或平行层理细粉砂岩，整体为细粒沉积（图4e），为低水动力条件下缓慢沉积的产物［13］。

4 构型要素组合模式

4.1 府谷天生桥剖面（剖面Ⅱ）

府谷天生桥距离鄂尔多斯盆地北缘大青山和盆地东北缘兴蒙造山带物源较近［21-22］，为辫状河沉积。该剖面延伸方向为顺物源方向，出露长度约340.0 m，厚度为30.0～50.0 m，岩性为砾岩、砂砾岩和砂岩，粒度向上逐渐变小。从剖面上可识别出河道、心滩、漫溢沉积和废弃河道4 种构型要素（图5）。

图5 鄂尔多斯盆地东部府谷天生桥二叠系下石盒子组8 段露头剖面照片（a）及砂体构型特征（b）Fig.5 Outcrop section（a）and sand body architecture characteristics（b）of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation of Tianshengqiao in eastern Ordos Basin

剖面下部沉积砂体粒度较大，以砾岩、粗砂岩为主，主要发育河道和心滩2 种构型要素，单一砂体厚度为8.0～15.0 m，侧向延伸距离较大。沉积早期水动力较强、变化较快，河流改道频繁，多种构型要素在空间上相互叠置且堆叠紧密，剖面上可见河道-心滩侧向叠加、河道-河道垂向叠加、河道-河道侧向叠加等多种构型要素组合样式。同时，因河流下切侵蚀作用强烈，河道砂体间泥质细粒物质基本不发育，无明显泥岩隔层，砂体间连通较好，仅在心滩顶部发育薄层落淤层（厚度约1.0 m）。

剖面上部沉积于晚期，水动力逐渐减弱，砂体粒度变小，以中砂岩为主，发育心滩、河道、漫溢沉积和废弃河道，砂体规模变小，厚度为5.0～10.0 m。单期河道沉积较为稳定，心滩、河道等构型要素多为垂向叠加，侧向叠加不明显。同时，由于砂体相互切割作用减弱，层间非均质性增强，形成了泥岩隔层，砂体间连通性变差；在每期河道沉积末期，漫溢沉积等细粒沉积不会被新一期沉积完全侵蚀，得以（部分）保留，在剖面中河道、心滩砂体顶部可见漫溢沉积；当河道改道后，早期河道顶部逐渐被细粒沉积覆盖形成废弃河道，在剖面上部可见废弃河道上叠置的河道砂体（图6）。

图6 鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段河流相露头构型要素组合类型特征Fig.6 Combination types of architectural elements of fluvial outcrops of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation in eastern Ordos Basin

4.2 兴县关家崖剖面（剖面Ⅳ）

兴县关家崖剖面距盆地物源区相对较远［21-22］，为辫状河沉积，整体出露情况较好，长度为70.0～85.0 m，厚度为40.0～55.0 m。该剖面与物源方向垂直，砂体形态展布清晰，单砂体侧向延伸距离有限，岩性以粗砂岩、中—细砂岩为主，整体表现为正旋回，剖面上识别出河道、心滩和漫溢沉积3种构型要素（图7）。

图7 鄂尔多斯盆地东部兴县关家崖二叠系下石盒子组8 段露头剖面照片（a）及砂体构型特征（b）Fig.7 Outcrop section（a）and sand body architecture characteristics（b）of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation of Guanjiaya in eastern Ordos Basin

剖面下部发育河道和心滩2 种构型要素，砂体规模较大，厚度为8.0～10.0 m，在垂向上表现为多期河道叠加、河道和心滩叠加，且叠置较紧密，局部发育泥岩隔层，厚度为0.5～1.0 m；在侧向上表现为河道与河道、河道与心滩相互切割叠合，砂体间无明显泥岩隔层，连通性较好。剖面上部发育河道和漫溢沉积2 种构型要素，砂体规模较下部小，厚度为2.0～7.0 m。构型要素组合样式表现为多期河道砂体垂向连续叠置，漫溢沉积相对发育，且保存较完整，垂向叠加于河道砂体之上，砂体间的泥岩隔层相对发育，厚度约为1.0 m（图6）。

整体而言，该剖面的构型要素发育类型以及组合样式均与天生桥剖面相似，但规模更小，砂体的粒度更小，因为距物源更远，水动力相对较弱，泥质沉积也更加发育，砂体连通性更差。

4.3 临县招贤水剖面（剖面Ⅴ）

临县招贤水剖面距盆地物源区最远［21-22］，为曲流河沉积，出露情况良好，全长144.0 m，厚度为30.0～45.0 m。该剖面垂直于物源方向，砂体形态特征明显，底部可见中—粗砂岩，粒度整体向上变小，顶部可见细砂岩。剖面上共识别出边滩、废弃河道、漫溢沉积3 种构型要素（图8）。

图8 鄂尔多斯盆地东部临县招贤水二叠系下石盒子组8 段露头剖面照片（a）及砂体构型特征（b）Fig.8 Outcrop section（a）and sand body architecture characteristics（b）of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation of Zhaoxianshui in eastern Ordos Basin

剖面下部发育边滩和废弃河道2 种构型要素，单一砂体规模较小，厚度为4.0～8.0 m，侧向延伸距离为8.0～15.0 m，组合样式表现为多期边滩、边滩与废弃河道侧向叠合。沉积早期边滩砂体间叠合较紧密且无明显泥岩隔层，连通性好；沉积晚期水动力减弱，边滩顶部粉砂岩、泥岩发育，厚度为0.4～1.5 m，垂向连通性变差，此外，多期侧叠边滩的侧上方发育废弃河道，形成泥质渗流屏障，进一步降低了砂体垂向连通性（图6）。剖面上部发育边滩和漫溢沉积2 种构型要素，砂体厚度变小，为3.0～5.0 m，但侧向延伸距离变大，为12.0～20.0 m，分析认为是后期河流方向改变，与剖面延伸方向相近，导致砂体侧向出露规模变大。组合样式表现为多期边滩侧向连续叠加。由于沉积水动力进一步减弱，边滩顶部泥岩隔夹层较底部更为发育，厚度为1.0～2.0 m，同时漫溢沉积开始发育，垂向叠加于边滩之上。整体而言，该剖面由于距物源区最远，构型要素发育规模较小，砂体粒度较小，且砂体垂向上泥岩隔层发育，砂体间连通性较差。

4.4 构型要素组合模式

构型要素的组合样式主要与河流类型有关，而河流类型又受物源供给、水动力条件、构造条件等因素影响［4］，研究区盒8 段沉积时期地形平缓［12］，构造条件对构型发育的影响有限，主要受物源及水动力条件的控制。

（1）在近物源区，物源供给充足，水动力较强，河流频繁改道，河流下切作用明显，主要发育辫状河沉积。沉积物粒度较大，分选和磨圆度均较差，主要发育河道、心滩砂体（图9），单期砂体构型要素规模较大。根据以往学者们对辫状河露头及地下岩心的物性研究，河道砂体孔隙度为3.00%～11.60%，平均为7.00%，渗透率为0.03～2.09 mD，平均为1.00 mD［3，11，26］；心滩砂体孔隙度为4.30%～15.00%，平均为9.60%，渗透率为0.01～4.31 mD，平均为2.10 mD［3，11，27］，心滩砂体的储集性能较河道砂体更好，而且心滩砂体持续接受稳定水动力淘洗，砂质纯净，杂基含量更少。因此，可以认为心滩砂体储层的勘探开发潜力更大。在辫状河沉积体系中，多期河道、心滩砂体相互切割叠加，构成规模巨大的砂岩复合体，砂体之间泥岩隔层发育局限，垂向连通性整体较好，但由于后期水动力减弱，砂体规模逐渐减小，且泥岩隔层逐渐发育，垂向连通性变差，因此砂体底部的储层连通性好于顶部。整体而言，距离物源更近时，砂体发育规模更大，粒度较大，同时水动力更强，河流改道频繁，多期河道、心滩砂体侧向叠加更明显，泥岩隔层不发育，因此砂体间连通性更好，储层发育也更好（图9）。

图9 鄂尔多斯盆地东部二叠系下石盒子组8 段河流相砂体构型要素组合模式Fig.9 Stacking pattern of architectural elements of fluvial facies sand body of the eighth member of Permian Xiashihezi Formation in eastern Ordos Basin

（2）在远物源区，水动力逐渐减弱，物源供给减少，河道弯曲度加大［28］，河流侧蚀作用明显，河流在凹岸不断侵蚀，侧蚀沉积物逐渐向凸岸迁移沉积，辫状河向曲流河转变，沉积物粒度变小，形成以侧向加积为主的边滩沉积［15，28］，同时发育废弃河道以及漫溢沉积等构型要素。多期边滩砂体横向上延伸距离较大，早期砂体间无明显泥岩隔层，连通性较好；晚期砂体垂向厚度较小，发育规模有限，隔夹层发育，连通性较差（图9）。

5 结论

（1）鄂尔多斯东部二叠系下石盒子组8 段河流相剖面发育曲流河和辫状河沉积，发育河道、心滩、废弃河道、边滩和漫溢沉积5 种构型要素，可识别出块状层理砂砾岩相、槽状交错层理含砾砂岩相、槽状交错层理砂岩相、板状交错层理砂岩相、平行层理砂岩相、上攀波纹层理砂岩相、水平层理粉砂岩相和块状层理泥岩相等8 种岩相类型。

（2）研究区盒8 段辫状河构型要素组合类型包括河道砂体-漫溢沉积垂向叠加、河道砂体-废弃河道垂向叠加、河道砂体-心滩砂体叠加（垂向、侧向）、多期河道砂体叠加（垂向、侧向）、心滩砂体-漫溢沉积垂向叠加，多期心滩砂体垂向叠加；曲流河构型要素组合类型包括多期边滩砂体侧向叠加、边滩砂体-废弃河道垂向叠加，边滩砂体-漫溢沉积垂向叠加。

（3）研究区盒8 段河流相砂体构型要素类型、组合样式及其分布受物源距离的影响。近物源区为辫状河沉积，底部砂体发育规模大，连通性较好；顶部砂体间局部发育泥岩隔层，连通性变差。远离物源区，辫状河沉积过渡为曲流河沉积，单砂体厚度较小，底部多期边滩砂体侧向叠加且无明显泥岩隔层，连通性较好；垂向上边滩隔夹层、泥质漫溢沉积相对发育，同时废弃河道在垂向上叠加在边滩之上，砂体垂向连通性较弱。