李攀峰

(中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040)

0 引言

河流相是陸相和海陸交互相的主要形式，在中國中—新生界陸相沉積盆地中，河流沉積分布廣泛，例如陜甘寧盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地新近系、準噶爾盆地侏羅系和塔里木盆地新近系等。河流沉積是石油重要儲集層，據(jù)不完全統(tǒng)計，河流相的石油儲量的占到了中國目前已開發(fā)油田動用儲量的一半左右[1-3]。河流相地層也是主要的含水層，我國幾乎所有井筒水害事故都發(fā)生在新生界河流相砂質(zhì)含水層[4]。因此，地學(xué)界對河流沉積環(huán)境和沉積相的研究程度很高[5]，利用河流相的沉積導(dǎo)向指導(dǎo)水平井定向鉆進已經(jīng)在油氣勘探閥門得到了應(yīng)用，顯著地減少了鉆孔的無效進尺，提高了鉆孔的出油率和產(chǎn)量[6]。作者將河流相的沉積導(dǎo)向作用應(yīng)用于新疆吐魯番大南湖煤礦井筒區(qū)的新生界水文地質(zhì)條件評價中，否定了前期勘探對葡萄溝組貧水的結(jié)論，對含水層進行了精細化描述,劃分出上中下三個含水層,得出中含水層為強富水的結(jié)論，并得到了生產(chǎn)的驗證，筆者認為，河流相沉積導(dǎo)向?qū)^(qū)域水文地質(zhì)條件的分區(qū)評價具有很大的指導(dǎo)意義。

1 礦區(qū)地質(zhì)和水文地質(zhì)

1.1 地質(zhì)

礦區(qū)地層屬天山-興安嶺地層區(qū)，北天山、中天山地層分區(qū)之吐魯番、覺羅塔格及卡瓦布拉克地層小區(qū)。地層由老到新為：

中生界侏羅系西山窯組(J2x)，平均厚度71m，巖性以湖沼相為主，夾河流相、三角洲相沉積的灰白色、淺灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖夾砂巖、煤層，底部常見礫巖。

新生界新近系葡萄溝組(N2p)，厚度為208m，為褐紅色、紅黃色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，底部常見礫巖，井田內(nèi)大面積出露，近水平狀產(chǎn)出，強氧化條件下河湖相沉積。筆者將組內(nèi)地層又進一步地分為四組，其中Ⅱ段和Ⅲ段厚度最大，分別為62,45m和81.47m，為河流相地層，是本文的研究重點。

井田位于中新生代吐哈山間坳陷盆地南部隆起帶的大南湖淺凹陷東側(cè)北部。大南湖凹陷總體呈一復(fù)向斜構(gòu)造，走向近東西，南緩北陡。井田總體為一向南傾的單斜構(gòu)造，南部地層產(chǎn)狀緩，北部隱伏露頭附近產(chǎn)狀陡，局部發(fā)育有寬緩的次級褶曲，斷層不發(fā)育。

1.2 水文地質(zhì)

由于強含水層是否存在在勘探階段沒有查明，礦區(qū)的水文地質(zhì)條件存在著很大的爭議。在井田勘探報告中，認為本礦區(qū)所在的大南湖水文地質(zhì)單元屬于干旱氣候，礦區(qū)既無地表水體，又缺乏降水補給，屬相對獨立、封閉、貧水的水文地質(zhì)單元。在井田勘探報告中把葡萄溝組當作一個含水層處理，單位涌水量q=0.041 1～0.042 5L/(s·m)，屬弱含水層；第一次井檢水文勘查得到q=0.003 767～0.431 3L/(s·m)，為中等富水含水層。而在第二次井檢水文勘查中，把葡萄溝組含水層分為上下兩段進行抽水試驗，得到上段q=0.992 1～4.196L/(s·m)，下段為2.229L/(s·m)，為強含水層。由于歷次勘探?jīng)]有分析葡萄溝組的沉積環(huán)境，導(dǎo)致三次水文勘查對葡萄溝組含水層富水性結(jié)論不一，含水層充水機理不清,難以指導(dǎo)生產(chǎn)，使得開拓中的主、副、風井3個井筒嚴重突水或被淹，造成巨大經(jīng)濟損失。

2 葡萄溝組沉積環(huán)境分析

2.1 層序及結(jié)構(gòu)分析

井筒區(qū)域共有13個鉆孔，揭露地層平均厚度208m，總體呈現(xiàn)中間厚南北薄的變化規(guī)律。筆者將其自下而上劃分為四個層段，每個層段粒度總體向上由粗(礫或粗砂巖)到細(泥巖或粉砂巖)。四個巖段分別以灰白色礫巖或粗砂巖開始，以二層較厚的泥巖結(jié)束(圖1)，具有典型的二元結(jié)構(gòu)。

圖1 根據(jù)巖相對葡萄溝組巖段劃分Figure 1 Putaogou Formation lithozone partitioning based on lithofacies

Ⅰ層段：厚度從8.58～50.15m。該巖段河流相沉積，河道從本區(qū)中間向東西穿過，沉積物自下而上顯示為薄層礫巖→含礫粗砂巖或厚層狀粗-中粒砂巖反復(fù)疊加的正韻律層理，每個韻律厚5～10m；砂巖中偶夾薄層灰綠色泥巖沉積，可見明顯的水蝕孔洞，空隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)疏松，泥質(zhì)膠潔，反映為河道中多次洪水泛濫且水動力較強的沖刷充填沉積。河道南部從堤岸相過渡為以灰白色粗粒砂巖-粉砂巖為主的河漫灘沉積。河道北部以灰白色塊狀粉砂巖為主的河漫灘沉積，并有洪水泛濫垂向加積產(chǎn)物。巖段頂部普遍發(fā)育有一層泥質(zhì)粉砂巖。

沉積物顯示該巖段粒度由下而上由粗-細的變化，含砂率高，在補勘1、補勘5、主檢5、補6等鉆孔中，該巖段含砂率(礫巖-中砂巖)分別達到80%、100%、70%、80%。補勘1的粒度概率曲線呈上拱弧形(如圖2a)。沉積物主要由懸浮總體組成，分選差，反映沉積時流體類型為泥石流(碎屑流)、顆粒流。該曲線在辮狀河心灘、分汊河河道砂壩及決口扇、曲流河決口扇中可見。

Ⅱ巖段：厚度從52.95～66.95m，和Ⅰ層段類似，西薄東厚，巖層中含砂率也是中部高南北低。該巖段底部為灰白色鈣泥質(zhì)膠結(jié)的中礫巖-含礫中砂巖。標志著沖積扇河流攜帶的大量粗碎屑物質(zhì)溢出河道沉積的板片狀砂巖-礫巖，即決口扇沉積，向上過渡為以灰白色、褐紅色粉砂巖為主的河漫沉積環(huán)境。但在補勘1、風檢6、補勘2等區(qū)西部鉆孔中，該巖段中上部含多層礫巖、含礫粗砂巖、含礫細砂巖等，為洪水泛濫泥石流沉積物，呈透鏡狀產(chǎn)出。本巖段頂部為全區(qū)發(fā)育的比較穩(wěn)定的一層褐紅色泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，阻隔了Ⅰ、Ⅱ巖段與Ⅲ巖段的水力聯(lián)系。

Ⅲ巖段：厚度72.52～88.85m，中部厚，南北薄。在沉積早期為近源沖積扇沉積環(huán)境。河道從區(qū)內(nèi)中部自西偏北向東偏南方向。河道中充填沉積粗粒碎屑巖，以補勘1為代表，自下而上均為礫巖或粗砂→細砂或泥巖的正粒序韻律層理，不斷重疊。在平面上巖石粒度由西向東從礫巖變細為粗砂巖。河道內(nèi)含砂率均較高，補勘7、補勘1、副檢2、風檢6鉆孔中達到71%、55%、48%、41%，反映了河水淺水動力強的特點。河道兩側(cè)均為河堤岸、河漫灘沉積，粒度由粗到細粒砂巖、泥巖的反復(fù)重迭的正粒序沉積。補勘1的粒度分析曲線呈過度式(圖2c)。此類粒度概率累積曲線包括含量較高、斜率較大的跳躍組分和斜率較小的懸浮總體, 具有典型的牽引流沉積特點,主要發(fā)育在分汊河及曲流河邊灘中。本巖段砂層厚度和含砂率是中部后，向南部和北部變薄，如圖3和圖4所示。

a b c圖2 補1孔葡萄溝組粒度概率曲線Figure 2 Putaogou Formation particle-size probability curve in borehole No.B1 a---Ⅰ巖段粒度概率曲線；b---Ⅲ巖段粒度概率曲線；c---Ⅵ巖段粒度概率曲線-

圖3 Ⅲ巖段等厚線Figure 3 Isopach of lithozone III

圖4 Ⅲ巖段含砂率及巖性分布Figure 4 Lithozone III sediment charge and lithologic distribution

Ⅲ巖段瀕繁發(fā)生的洪水具有較強的水動力，高于Ⅰ、Ⅱ巖段，使巖段內(nèi)尤以底部和中上部的砂、礫巖為泥質(zhì)接觸式膠結(jié)，膠結(jié)程度差，孔隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松，巖心水泡或稍風化即散為散沙，使巖石具有較強的滲透性能。

Ⅵ巖段：厚度18.20～49m，為沖積扇平原河流沉積。河道位于井筒區(qū)域中部，河道南北部以河漫沉積為主，河道充填淤積后過渡為河漫灘。河道中充填沉積細礫巖、粗砂巖為主，向上過渡為中砂巖、細砂巖。河漫灘沉積主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖或砂泥巖互層夾細砂巖，粒度概率曲線呈兩段式(圖2c)，本巖段頂部沿古河道方向再次河道沖刷充填，沉積礫巖、粗砂巖。

2.2 沉積環(huán)境的測井曲線效應(yīng)

圖5 “鈣刺”曲線Figure 5 Logging traces “calcium spine”

圖6 巖段Ⅱ與巖段Ⅰ自然r曲線的對比Figure 1 Comparison of natural gamma-ray traces in lithozones II and I

圖7 礦區(qū)古河道位置Figure 7 Mine area paleochannel position

Ⅱ巖段的視電阻率曲線測井曲線顯示高低突變的刺狀。反演了位于沖積扇前端的沉積物中的地下水在干旱氣候下，向下滲移的同時又高速蒸發(fā)，水中鈣等的碳酸鹽很快達到飽和析出于砂巖、礫巖、粉砂巖中，或成為膠結(jié)物，使該層中下部巖層鈣含量較高，在視電阻率曲線上表現(xiàn)為突出“鈣刺”，見圖5，佐證了前面對沉積環(huán)境的分析。本巖段頂部的自然電位、密度、視電阻率、聲波等測井曲線近乎一直線(圖6)，反映了該泥巖的成份比較均一。巖心顯示為褐紅色泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，偶夾細、粉砂巖薄層。該層位為高水位體系域沉積，距源區(qū)較遠，為干旱氣候下地質(zhì)運動比較穩(wěn)定時的河漫湖泊沉積，偶受洪水泛濫沖溝沉積。厚度12.87～35.6m，該層泥巖阻隔了Ⅰ、Ⅱ巖段與Ⅲ巖段的水力聯(lián)系。

Ⅲ巖段頂部巖層的視電阻率值平均值高于Ⅱ巖段頂部泥巖近20M·Ω,且曲線有小波狀起伏，說明了泥巖中砂質(zhì)含量高且分布不均，局部隔水性能比較差，為Ⅲ巖段與Ⅵ巖段的水力聯(lián)系提供了通道。在井筒區(qū)域內(nèi)發(fā)育一層相對穩(wěn)定的褐紅、塊狀泥巖-粉砂巖層河漫沉積。厚度變化大，為3.55～22.85m，結(jié)合視電阻率測井曲線，再次表明Ⅲ巖段與Ⅵ巖段具備水力聯(lián)系的條件。

綜上所述，研究區(qū)的葡萄溝組為山間盆地邊緣的沖積扇內(nèi)的辮狀河沉積環(huán)境，層序分析顯示多循環(huán)的沉積建造，每一個循環(huán)都具有由粗到細典型的河流相二元結(jié)構(gòu)。層序分析還顯示，盡管河道有所擺動，但井筒區(qū)在葡萄溝組的四段中都有發(fā)育，是主河道的疊加沉積區(qū)域。河道的位置如圖7所示。粒度分析顯示在Ⅰ和Ⅱ巖段，河流的水動力最強，粗砂級含量最高，泥質(zhì)含量最低。

3 沉積導(dǎo)向?qū)矃^(qū)水文地質(zhì)條件評價的意義

3.1 含水層劃分

葡萄溝組山間盆地邊緣的沖積扇沉積環(huán)境決定了該沉積單元不論發(fā)育有辮狀、鳥足狀還是網(wǎng)狀河流，該區(qū)域都存在著多條古河床。沉積相分析顯示葡萄溝組在井田北部、中部和南部由西向東發(fā)育有3條古河流，中部河流流經(jīng)井筒區(qū)。河流沉積相和展布規(guī)律便可成為評價井田區(qū)水文地質(zhì)條件的導(dǎo)向。

根據(jù)沉積導(dǎo)向可以把葡萄溝組劃分為上、中、下三個含水層。

上部含水層(上含)包括Ⅵ巖段。平均厚度35.48m左右，分布穩(wěn)定。水位深度為25.83m，水位標高為699.04m，泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)構(gòu)疏松沖洗液消耗量較小，富水性強等。

中部含水層(中含)為Ⅲ巖段。含水層平均厚度65.13m，分布穩(wěn)定；水位深度為25.87～28.10m，含水層多為粗-礫粒組成，分選差，中上部砂、礫巖為泥質(zhì)接觸式膠結(jié)，孔隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松，沖洗液消耗量最大，富水性強。

下部含水層(下含)包括Ⅱ巖段與Ⅰ巖段。含水層總平均厚度72.87m；水位深度35.74～39.40m，Ⅰ巖段和Ⅱ巖段砂巖、礫巖為鈣質(zhì)或鈣泥質(zhì)膠結(jié)，巖性完整，比較致密，為半成巖狀。沖洗液消耗小，抽水試驗顯示Ⅱ巖段與Ⅰ巖段含水層水位一致。富水性弱。

3.2 抽水試驗對井筒區(qū)域含水層的富水性的驗證

通過井筒區(qū)域內(nèi)8個水文鉆孔，分別對上含、中含、下含三個含水層進行了12層次的抽水試驗。抽水成果如表7所示。上部含水層單位涌水量3.28 L/(s·m)、滲透系數(shù)為17.37m/d。中部含水層單位涌水量1.18～2.94 L/(s·m)、滲透系數(shù)為7.81～23.97m/d；下部含水層單位涌水量0.008～0.072 L/(s·m)、滲透系數(shù)為0.04～0.77m/d，顯示富水性弱，水位恢復(fù)較慢。驗證了沉積相分析結(jié)果。

沉積相分析和抽水試驗都顯示中部含水層(Ⅲ巖段)的砂層厚度比例最大，弱膠結(jié)，富水性最強，是井筒防治水的重點。

3.3 井筒施工的驗證

大南湖某礦礦建中主、副、風井全部發(fā)生了突水淹井災(zāi)害，其中主井突水位置在古河床中偏北的補勘5與補4中間，垂深110m的中部含水層下部。突水水文地質(zhì)原因分析主要有二點：一是在突水前6d，距離出水點水平距離160.6m的水文補勘補5孔，開始對95～135m層段即中含下部進行了為期6d的抽水試驗，共抽出水量3 595m3，影響半徑R=320m，抽水試驗使得中含地下水流速加快，造成凍結(jié)失敗。二是澆灌混凝土?xí)r產(chǎn)生水化熱，迎頭井幫溫度急劇上升，達13℃，導(dǎo)致凍結(jié)段融化。上述綜合因素使得已澆灌完成的井壁后形成導(dǎo)水通道，地下水涌出，最高涌水量達475 m3/h。風井集中出水點11處，主要在井壁垂深100～140m即中部含水層的中、下部，涌水量最大為58m3/h。副井開拓進入上含后見水，以后水量逐漸增大至128.4 m3/h，進入凍結(jié)段之后涌水量基本在98～50m3/h，2013年12月在剛開拓進入中含時，停止施工時涌水量75.3m3/h。

3個井筒的突水淹井印證了河流相的沉積導(dǎo)向?qū)矃^(qū)水文地質(zhì)條件評價的正確性。

4 結(jié)論

在新疆大南湖某礦區(qū)共進行過地質(zhì)勘探、第一次和第二次井筒檢查孔勘探共3次勘探仍然無法對井筒區(qū)水文地質(zhì)條件做出正確評價導(dǎo)致3個井筒被淹后，筆者根據(jù)巖心和測井資料，對葡萄溝組進行了沉積環(huán)境分析，得出如下結(jié)論：

1)大南湖某礦區(qū)的葡萄溝組屬于沖積扇的沉積環(huán)境。

2)葡萄溝組存在著3次明顯的沉積旋回，每一個旋回沉積物都體現(xiàn)著顆粒從粗變細的正韻律，為典型的河流相二元結(jié)構(gòu)，粒度分析曲線和測井曲線都顯示為沖積扇河流相沉積模式。

3)河流相沉積為礦區(qū)的水文地質(zhì)評價提供了導(dǎo)向，認為礦區(qū)存在著3條古河道，其中一條通過井筒地區(qū)；粒度分析顯示中部含水層(Ⅲ巖段)砂層占比高，砂層厚度大，結(jié)構(gòu)松散，為良好的含水層；下部含水層膠結(jié)較好，為半成巖狀態(tài)，為較差的含水層。抽水試驗證實了沉積分析的結(jié)論。

4)水文地質(zhì)勘探和井筒的突水災(zāi)害證明沉積導(dǎo)向分析對礦區(qū)水文地質(zhì)條件的精細化劃分具有重要指導(dǎo)作用。

5)沉積環(huán)境分析是厚-巨厚含水層精細化探查和研究的重要方法，應(yīng)成為水文地質(zhì)工作重要的基礎(chǔ)手段，具有應(yīng)用推廣的價值。