劉曉鵬，趙小會，康　銳，漆亞玲

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）

鄂爾多斯盆地北部盒8段砂體形成機理分析

劉曉鵬1，2，趙小會1，2，康銳1，2，漆亞玲1，2

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）

為了明確鄂爾多斯盆地北部二疊系盒8段大面積砂體的形成機理，在分析砂體展布特征的基礎上，全面恢復了盒8期湖盆底形、湖泊與外界的連通性、物源供給及水動力條件等沉積古環(huán)境要素，并結合水槽沉積模擬實驗，建立了盒8段沉積模式。研究認為：充足的物源供給、較強的水動力、多水系輸砂、平緩的湖盆底形、盆地快速穩(wěn)定的沉降和湖岸線大范圍反復波動，是盒8段大面積砂體形成的必要條件；鄂爾多斯盆地鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S318井—Y101井—Y112井以北區(qū)域，是下一步的有利勘探目標。

大面積砂體；形成機理；盒8段；鄂爾多斯盆地

0　引言

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是一個多構造體系、多旋回演化、多沉積類型的大型盆地［1-2］。根據(jù)現(xiàn)今的構造形態(tài)、盆地演化史和構造特征，盆地內部可以劃分為伊盟隆起、渭北隆起、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶、天環(huán)坳陷和陜北斜坡等6個一級構造單元［3］。盆地晚古生代的沉積演化可劃分為晚石炭世受限陸表海、早二疊世陸表海、早二疊世晚期近海湖盆—殘余陸表海、中二疊世陸表海衰亡—近海內陸坳陷以及晚二疊世內陸湖盆等5個演化階段［4］。上古生界地層自下而上可劃分為石炭系本溪組，二疊系太原組、山西組、石盒子組和石千峰組。其中，石盒子組自下而上可劃分為盒8段～盒1段等8個層段［5］。盒8段氣藏是鄂爾多斯盆地上古生界的主要勘探目標之一，以石炭系—二疊系海陸交互相煤系地層為烴源巖，盒7段泥巖為直接蓋層，盒4段至盒1段濱淺湖相泥質巖為區(qū)域蓋層，成藏模式為廣覆式生烴、大面積充注、近距離運聚，是典型的大面積巖性圈閉氣藏［5-7］。

前人對鄂爾多斯盆地盒8期沉積體系、沉積物源、沉積相及砂體形成背景進行了研究［4，8-15］，但盒8段大面積砂體形成機理、分布規(guī)律及下一步勘探目標尚不明確。筆者在分析鄂爾多斯盆地北部盒8段砂體展布特征的基礎上，全面恢復盒8期古氣候、湖盆底形、物源供給及水動力條件等沉積古環(huán)境要素，結合水槽沉積模擬實驗，對盒8段大面積砂體形成機理和分布規(guī)律進行綜合分析，以期為研究區(qū)下一步勘探目標優(yōu)選提供借鑒。

1　盒8段儲層特征

鄂爾多斯盆地北部盒8段砂體寬度為10～20km，厚度為10～40 m，南北近乎等厚，延伸長度為200～300 km。砂體橫斷面呈短軸透鏡狀，縱向上相互疊置，橫向上復合連片，呈毯狀大面積分布，勘探鉆遇率達90%以上，全盆地分布穩(wěn)定（圖1）。

圖1　鄂爾多斯盆地北部盒8段砂體展布特征Fig.1　The sand body distribution of the eighth member of Shihezi Formation in northern Ordos Basin

盒8段儲層為一套灰白色、淺灰綠色含礫粗粒、中—粗粒砂巖，碎屑顆粒呈棱角—次棱角狀，分選、磨圓均較差。巖石類型以石英砂巖和巖屑石英砂巖為主，孔隙類型以巖屑溶孔、粒間溶孔及晶間孔等次生溶蝕孔隙為主。填隙物主要為硅質、高嶺石、伊利石和鐵方解石等膠結物。史上最大埋深3 300～4 500 m，最高古地溫120～160℃，壓實、壓溶作用和硅質、鈣質膠結作用是導致儲層致密的主要原因［16］。儲層孔隙度為4%～12%，滲透率為0.1～1.6 mD，成巖演化階段普遍處于中成巖A—B期［17-18］。

2　盒8期沉積古環(huán)境分析

2.1物源供給特征

二疊紀中期（275 Ma）之后，西伯利亞板塊快速向南移動，與緩慢向北飄移的華北板塊發(fā)生碰撞［19］。古亞洲洋向華北板塊北緣之下俯沖消減，興蒙海槽西段褶皺關閉，受其擠壓應力的影響，華北板塊北緣基底隆升，盆地北部陰山古陸快速抬升并遭受剝蝕［4］，為盒8段大面積砂體的形成提供了大量碎屑物質。盒8段砂巖碎屑組成、石英碎屑陰極發(fā)光、重礦物分布、古水流方向與砂體展布等特征表明，盒8期主要存在西北、北和東北三大物源，盆地北部陸源碎屑沉積物來源至少受3條水系控制，為多物源供給［9-10］，多水系輸砂。

2.2湖盆性質

中二疊世至晚二疊世早期，鄂爾多斯地區(qū)為一與外海有一定聯(lián)系的近海內陸坳陷［4，12，14］。利用泥巖B含量和Sr/Ba等地球化學分析數(shù)據(jù)恢復的盒8期水體古鹽度表明，水體屬淡水—微咸水，反映出盒8期鄂爾多斯地區(qū)為一向東開口的淡水內陸凹陷暢流型湖盆。

2.3湖盆容納條件

早二疊世晚期之后，隨著北側西伯利亞板塊持續(xù)向南俯沖擠壓和興蒙海槽洋殼的不斷消減，鄂爾多斯地區(qū)南北向差異升降加?。?］，盒8期基底沉降速率加快，地層基準面大幅下降，沖積體系大范圍向南部遷移［11，14］，區(qū)域上河流下切充填發(fā)育，河流—三角洲向湖盆推進，三角洲前緣亞相直抵盆地中南部［15］。盆地的快速沉降為剝蝕產物提供了充足的可容納空間。

2.4古地形特征

在經歷了晚奧陶世—早石炭世的長期隆升剝蝕之后，鄂爾多斯地區(qū)沉積底形變得寬緩低平。盒8段下伏各地層全區(qū)厚度基本一致，盒8段地層全盆地厚度差小于30 m，古沉積坡度為1°～2°，古地形平緩。

2.5水動力條件

2.5.1古氣候特征

氣候變化不僅影響風化作用的強弱，還直接影響降水量、河流徑流量和湖平面的升降，進而對沉積物的沉積量和分布產生影響［13］。華北地區(qū)自中晚奧陶世開始的準平原化使得季風對氣候的影響大為減小，緯度的變化成為古氣候變化的主導因素［20］。盒8期（中二疊世早期）鄂爾多斯地區(qū)（采樣點位于韓城）地處北緯14.3°～16.3°［20-22］，氣候由潮濕向干燥過渡，降水集中于夏季，每年有3～10個月的月平均降雨量大于20 mm［23］，植被相對于石炭紀和早二疊世減少，形成于潮濕氣候條件下的煤層或煤線已很少見到［8］；古生物化石為熱帶氣候區(qū)干濕交替氣候條件下的波緣單網(wǎng)羊齒-劍瓣輪葉-束羊齒組合［13］。盒8段開始大范圍出現(xiàn)形成于干旱氧化環(huán)境下的棕色及雜色泥巖，明顯區(qū)別于下伏地層形成于還原環(huán)境的黑色及灰色泥巖。L15和S338等井盒8段巖心見雜色泥巖與暗色泥巖垂向交替出現(xiàn)，表明氣候出現(xiàn)了干、濕季節(jié)性變化，水流供給為季節(jié)性大氣降水。

2.5.2沉積構造特征

粒度特征是沉積水動力條件的反映，不同沉積環(huán)境具有不同的沉積水動力條件，從而具有不同的粒度特征［24］。盒8段儲層粒度總體表現(xiàn)為含礫粗粒、中—粗粒特征，由北向南粒度變細，南部仍發(fā)育含礫中、粗粒砂巖，礫徑為0.5～3.0 cm，主要為燧石，偶見撕裂狀泥礫。利用圖像粒度圖解法求取的C值為0.46～1.60 mm，M值為0.23～0.86 mm；偏度為0.11～0.60，呈正偏態(tài)，變化較大；峰度（尖度）為1.03～3.16，70%屬尖銳，18%屬很尖銳。粒度概率累積曲線呈三段式，表現(xiàn)出牽引流的特征。跳躍總體約占98%，懸浮總體和滾動總體各約占1%，滾動總體不發(fā)育，懸浮段最大粒徑整體大于0.125mm，表明盒8期水動力強勁，沉積速度快［24］。

盒8段儲層沉積構造主要為形成于強水動力單向水流條件下的塊狀層理、平行層理和板狀交錯層理，未見正反雙向水流條件下形成的羽狀交錯層理，沖刷構造普遍發(fā)育（圖版Ⅰ）。單旋回為正旋回且缺少細粒段沉積，二元結構不發(fā)育。自然伽馬曲線主要呈底部突變的箱形、鐘形和齒狀箱形，基本未見漏斗形，表明盒8段砂體形成于水淺流急、水動力較強且變化迅速的單向水流環(huán)境，為典型的河控辮狀河三角洲分流河道砂體。

2.6湖水進退特征

盒8期鄂爾多斯盆地南北向差異升降加劇，基底沉降速率加快，地層基準面大幅下降，在湖退的背景下，沖積體系大范圍向南遷移。干、濕交替的氣候環(huán)境提供了季節(jié)性降水，向東開口的淡水內陸凹陷暢流型湖盆在季節(jié)性水流作用下頻繁發(fā)生湖進、湖退。

2.6.1湖水進、退的證據(jù)

泥巖顏色是恢復古沉積環(huán)境水介質氧化—還原程度的地球化學指標。泥巖顏色主要為原生色，紅色、棕色等形成于氧化環(huán)境，灰色、黑色形成于還原環(huán)境［24-26］。L15井盒8段巖心見厚度為12 m的灰黑色泥巖中夾有5段棕色、雜色泥巖，S338井盒8段巖心也見到灰黑色與雜色泥巖交替出現(xiàn)?；液谏c雜色泥巖的交替出現(xiàn)表明泥巖沉積時經歷了頻繁的水上、水下變化，湖泊水體發(fā)生過頻繁的湖進、湖退波動。

2.6.2湖退的最南位置

盒8段砂體南緣的L5，S404，S406，L63，S315，S318，S271，S267，Y101及Y112等井均發(fā)育有雜色、棕色泥巖。S276井和S113井盒8段泥巖見生物擾動構造，S324井盒8段見細礫巖，S113井盒8段砂巖見僅能短距離搬運的撕裂狀泥礫（圖版Ⅱ）。這些典型沉積相標志表明，盒8期湖泊北岸曾退至L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一線附近（參見圖1）。

2.6.3湖進的最北位置

盒8段砂體以洪水沉積為主，一般以底礫巖直接與下伏地層沖刷接觸，逆粒序沉積很少見到，盒8期最北端湖岸線較難判識。從泥巖顏色來看，鄂托克前旗—榆林一線以北，泥巖顏色主要為棕色、雜色，暗色較少見，該線以南棕色、雜色與灰黑色泥巖在平面上夾雜分布。從砂體平面形態(tài)來看，鄂托克前旗—榆林一線以北呈交織網(wǎng)狀，以南呈長條狀。綜合考慮泥巖顏色分布特征及砂體平面形態(tài)，將盒8期湖岸線定在鄂托克前旗—榆林一線，即湖進最北端位置位于鄂托克前旗—榆林一線。

通過綜合分析盒8段泥巖顏色平面及垂向分布特征，結合古生物遺跡、礫石及泥礫分布等沉積相標志，將盒8期湖岸線最南端和最北端分別確定在L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一線和鄂托克前旗—榆林一線，湖岸線在二者之間來回波動（參見圖1）。

3　水槽沉積模擬實驗

水槽沉積模擬是在地質原型分析的基礎上，在幾何、運動及動力相似理論的約束下，將自然界真實的碎屑沉積體系從空間尺寸及時間尺度上縮小，抽取控制其發(fā)展的主要因素，建立地質模型和物理模型，設計實驗參數(shù)，開展模擬實驗，并對實驗過程進行監(jiān)控。實驗完成后，對沉積砂體的縱、橫剖面進行分析，以再現(xiàn)沉積過程和結果［27-30］。

本次水槽沉積模擬實驗依據(jù)鄂爾多斯盆地盒8期沉積古環(huán)境特征，選取北和東北兩大物源交會區(qū)烏審旗地區(qū)為模擬區(qū)，應用相似理論設計物理模型及模擬參數(shù)，分別從物源供給強度、水動力條件、湖水水位升降、水流交匯及沉積基底沉降等方面，利用比例尺模型法進行了模擬。水槽實驗裝置長度、寬度和高度分別為16.0 m，6.0 m和0.8 m，固定河道區(qū)、非固定河道區(qū)和湖區(qū)的坡度分別為1.0°，1.6°和0.3°，設計入水口和出水口各1個，河道2條，分別代表兩大水系（圖2）。實驗共用時約250 h，分6輪完成，每個實驗沉積期均按平水期→洪水期→平水期→枯水期的順序進行。各實驗沉積期內湖水水位均不斷變化，總體上模擬了一個大的湖退沉積過程，中間夾若干期湖進沉積過程。各實驗輪次水流量和加沙量如表1所列。

圖2　沉積模擬實驗裝置示意圖Fig.2　Sketch map of sedimentary simulating experiment equipment

表1　水流量、加沙量實驗參數(shù)Table 1　Experimental parameters of flow and sediment flux

3.1物源供給強度

3.1.1物源供給充足

對模擬實驗第2輪與第3輪、第4輪與第5輪洪水期及第3輪與第5輪平水期沉積特征的對比發(fā)現(xiàn)，在水流量不變，增大加沙量，物源供給充足時，分流河道橫向擺動頻繁，砂體發(fā)育速度加快，長度和寬度變化均較大，形成的砂體規(guī)模大［圖3（a）］。

3.1.2物源供給不足

對模擬實驗第5輪與第6輪平水期沉積特征的對比發(fā)現(xiàn)，在水流量不變，減少加沙量，物源供給不足時，水流主要沿主河道分布，支流斷流或廢棄，不能形成大規(guī)模的砂體沉積［圖3（b）］。

圖3　不同物源供給強度下沉積特征Fig.3　The sedimentary characteristics under different provenance supply

物源供給強度對砂體發(fā)育規(guī)模影響的實驗表明，充足的物源供給是形成大面積砂體的前提。

3.2水動力條件

根據(jù)盒8段辮狀河三角洲形成特點以及自然界河流洪水期、平水期和枯水期的流量比例，本次模擬實驗設計的洪水期、平水期和枯水期的流量比例為6∶3∶1。

3.2.1洪水期模擬

洪水期水流分布面積大，水流強度大，攜砂能力強，形成的砂體規(guī)模也較大。在主河道入湖位置，水下分流河道砂體延伸距離較遠［圖4（a）］。

3.2.2平水期模擬

平水期水流量下降，攜砂量減少，水流主要沿主河道分布，并對砂體進行下蝕、搬運和分選改造，對砂體規(guī)模產生了一定影響，主要表現(xiàn)為砂體進一步向前進積延伸［圖4（b）］。

3.2.3枯水期模擬

枯水期水流量小，砂體大范圍暴露，水動力弱，主要沿原有河道沉積少量細粒物質，砂體規(guī)模變化不大［圖4（c）］。

圖4　不同水動力條件下沉積特征Fig.4　The sedimentary characteristics under different hydrodynamic forces

水動力條件對砂體發(fā)育規(guī)模影響的實驗表明，在平緩的古地形背景下，盒8段大面積砂體的搬運動力主要為洪水。

3.3湖水水位升降

盒8期研究區(qū)在季節(jié)性水流和沉積基底沉降作用下發(fā)生過頻繁的大范圍湖進、湖退，本次研究通過調節(jié)水位升降模擬湖進、湖退過程。

3.3.1湖進過程模擬

湖水水位上升或穩(wěn)定時，在湖水頂托作用下，砂體入湖延伸較短一段距離后在入湖口附近沉積。砂體分叉、變寬，橫向擺動明顯，表明湖進過程中，砂體發(fā)生退積，縱向疊置，易形成網(wǎng)狀砂體（圖5）。

圖5　湖進過程中砂體展布特征Fig.5　The sand body distribution characteristics during lacustrine progression

3.3.2湖退過程模擬

湖水水位降低，河道擺動不明顯，砂體以順流進積為主。水流下蝕、側蝕，并搬運前期沉積砂體，使砂體延伸較遠，表明湖退過程有利于砂體向前長距離延伸（圖6）。

湖水水位升降沉積模擬實驗表明，湖平面反復長距離大范圍擺動有利于形成縱向疊置、橫向連片、長距離延伸的大面積砂體。

圖6　湖退過程中砂體展布特征Fig.6　The sand body distribution characteristics during lacustrine regression

3.4水流交匯處沉積模擬

水槽沉積模擬實驗表明，在多股水流交匯區(qū)易形成大面積砂體（圖7），說明多水系輸砂有利于形成橫向連片分布的砂體。

圖7　水流交匯處沉積模擬特征Fig.7　The depositional characteristics at the current confluence

3.5沉積基底沉降模擬

沉積基底沉降給湖區(qū)砂體提供了可容納空間和儲集場所。隨著該沉降過程的持續(xù)，砂體垂向加積發(fā)育加快，厚度變大，并形成疊置砂體。

4　盒8段大面積砂體沉積模式及形成機理

鄂爾多斯盆地盒8段發(fā)育辮狀河三角洲沉積。依據(jù)泥巖顏色、砂體形態(tài)、沉積構造等沉積相標志，可將研究區(qū)盒8段沉積相帶作如下劃分：S246井—S102井—Z52井—S6井一線以北為沖積平原亞相區(qū)；S246井—S102井—Z52井—S6井一線以南、鄂托克前旗—榆林以北為三角洲平原亞相區(qū)；鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一線以北為三角洲平原亞相湖岸線反復波動區(qū)；L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一線以南為穩(wěn)定三角洲前緣微相區(qū)（參見圖1）。

盒8段大面積砂體形成機理為：盒8期盆地北部陰山古陸快速抬升剝蝕，相對湖平面下降，氣候由潮濕向干燥過渡，季節(jié)性降水活躍，寬廣的物源區(qū)發(fā)育多條河流，形成多水系輸砂。洪水攜帶大量含礫粗粒碎屑物質向南長距離搬運。湖盆基底平緩，湖泊水體淺，波浪改造作用弱，以發(fā)育河控三角洲沉積為主，形成于強水動力單向水流條件下的平行層理、塊狀層理、板狀交錯層理及沖刷構造發(fā)育。向東開口的暢流型湖盆在基底沉降和季節(jié)性強降水的共同作用下，湖水水位大范圍反復波動。湖退過程中，砂體順流進積，水流下切、側蝕作用強烈，沖刷構造、泥礫發(fā)育，礫石二次接力向前搬運，砂體向南不斷延伸。湖進或湖岸線穩(wěn)定時期，在湖水頂托作用下，砂體在入湖口附近沉積，橫向擺動、分叉，東西連片，縱向加積、疊置。在平緩的沉積古底形之上，在湖進、湖退的反復作用下，盒8段河道頻繁擺動，砂體相互交叉、切割，發(fā)育“大平原、小前緣”河控辮狀河三角洲沉積，形成了南北近乎等厚的網(wǎng)毯狀大面積砂體。

5　結論

（1）鄂爾多斯盆地北部盒8段大面積砂體形成的必要條件為充足的物源供給、較強的水動力、多水系輸砂、平緩的湖盆底形、盆地快速穩(wěn)定的沉降及湖岸線大范圍反復波動。

（2）研究區(qū)盒8段辮狀河三角洲沉積具有“大平原、小前緣”的特征。鄂托克前旗—榆林以南、L63井—S315井—S318井—Y101井—Y112井一線以北為湖岸線反復波動區(qū)，發(fā)育辮狀河三角洲平原分流河道砂體，砂體規(guī)模大、粒度粗、儲集物性好，是下一步的有利勘探目標。

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圖版Ⅰ

圖版Ⅰ說明：1.S104井，3 455.07 m，塊狀層理；2.S120井，3 639.98 m，平行層理；3.L7井，4 014.71 m，平行層理；4.T29井，2 791.86 m，沖刷面

圖版Ⅱ

圖版Ⅱ說明：1.S276井，2 688.00 m，生物擾動構造；2.S113井，4 308.72 m，生物擾動構造；3.S324井，3 859.30 m，細礫巖；4.S113井，4 318.13 m，撕裂狀泥礫

（本文編輯：于惠宇）

Formation mechanism of sand bodies of the eighth member of Shihezi Formation in northern Ordos Basin

Liu Xiaopeng1，2，Zhao Xiaohui1，2，Kang Rui1，2，Qi Yaling1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，Petrochina Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；2.National Engineering Laboratory for Low Permeability Oil and Gas Fields Exploration and Development，Xi’an 710018，China）

In order to clarify the formation mechanism of sand bodies in the eighth member of Permian Shihezi Formation in the northern Ordos Basin，the sedimentary palaeoenvironments including basin character，the connectivity of lake and the outside world，provenance supply and hydrodynamic force conditions were recovered on the base of the characteristics of sand body distribution.Combined with the sedimentary simulation，the sedimentary model of the eighth member of Shihezi Formation was established.The result shows that sufficient sediment supply，strong hydrodynamic force，abundant clastic supplying by several rivers，broad flat topography，stable and rapid basin subsidence and lake level fluctuate with large range are the main factors responsible for the large-area sand bodies of the eighth member of Shihezi Formation.The area from the north of L63 well，S318 well，Y101 well and Y112 well to south of Etuokeqianqi-Yulin area in Ordos Basin is the favorable target for exploration in the future.

large-area sand bodies；formation mechanism；the eighth member ofShihezi Formation；Ordos Basin

TE121.3

A

1673-8926（2015）05-0196-08

2015-05-09；

2015-07-12

國家重大科技專項“鄂爾多斯盆地天然氣富集規(guī)律、目標評價與勘探關鍵技術”（編號：2011ZX05007-004）資助

劉曉鵬（1978-），男，碩士，工程師，主要從事天然氣勘探、生產及科研方面的工作。地址：（710018）陜西省西安市未央?yún)^(qū)興隆園小區(qū)長慶油田勘探開發(fā)研究院。E-mail：liuxiaop1_cq@petrochina.com.cn。