2. 中国石油杭州地质研究院, 杭州 310023
2. PetroChina Hangzhou Research Institute of Geology, Hangzhou 310023, China
塔里木盆地库车坳陷北部构造带侏罗系是“十三五”油气勘探的重点接替领域[1]。野外调查发现下侏罗统阿合组(J1a)发育近300 m厚的镶嵌叠置复合砂体,砂地比高达85%。依南、迪那地区阿合组的勘探进展以及近年来吐东地区的勘探突破表明侏罗系是继白垩系[2]后又一重要的目的层系。前人对库车坳馅侏罗系的研究主要分为3个阶段:1995—2004年,主要针对露头地层划分、沉积环境开展工作,认为阿合组巨厚砂体主要为辫状河三角洲沉积体系[3-5],砂体类型以辫状水道为主[6-8],但是岩相变化很快[9-10]。2005—2015年结合钻井资料开展阿合组储层特征与主控因素分析,认为阿合组储层相对致密,有利储层性质和分布规律不清[11-14]。2016年至今再次开展基于露头和钻井资料的沉积储层研究,主要是为了揭示阿合组纵向沉积建造的差异和横向砂体展布,明确有利储层分布规律[1, 15]。
为了进一步明确库车坳陷北部构造带侏罗系有利勘探方向,本次采用Miall[17]的碎屑岩沉积砂体单元分类方法重点开展基于露头资料的砂体构型(垂向建造特征、岩相分类、建造单元内部和界面特征)研究,以期从沉积角度解决阿合组巨厚砂岩储层非均质问题。
1 地质背景 1.1 研究区位置库车坳陷北部构造带位于塔里木盆地北部山前带,西从博孜地区开始,东至阳霞凹陷北缘野云2井,北始于南天山造山带,西段南侧紧邻克拉苏构造带,东段南界为东秋里塔格构造带和阳霞凹陷[图 1(a)],勘探面积为5 900 km2,东西长为280 km,南北宽约30 km。本次露头研究涵盖北部构造带的8条剖面,以库东剖面(位于库车河东侧大约10 km)为重点;钻、测井研究主要在北部构造带的东段,即依南、迪那和吐格尔明地区。
库车坳陷位于塔里木盆地北部,北与天山褶皱带以逆冲断层相接,南邻塔北隆起,东接阳霞凹陷,西至乌什凹陷,是一个自晚海西期开始发育,经历了晚二叠世—三叠纪古前陆盆地发育期、侏罗纪—古近纪伸展坳陷期和新近纪—第四纪陆内前陆冲断发育期等多次构造运动叠加,在古生代被动大陆边缘基础之上发育起来的中新生代叠合前陆盆地[4]。库车坳陷在早侏罗世,处于构造伸展阶段,可容纳空间增大,沉积的阿合组以砂岩为主,厚度可达300 m。
1.2.2 地层沉积特征库车坳陷侏罗系自下而上分别为下侏罗统的阿合组和阳霞组(J1y)、中侏罗统的克孜勒努尔组和恰克马克组及上侏罗统的齐古组和喀拉扎组。前人研究表明[1],库车北部构造带中下侏罗统沉积时总体处于宽缓湖盆湖侵背景,阿合组至阳霞组、克孜勒努尔组沉积期发育辫状河三角洲平原—前缘—滨浅湖沉积体系。其中阿合组沿天山南麓连续分布,延伸距离为500 km。
通过8条实测剖面的地层对比,阿合组自下而上可以划分为3个层序:①层序Ⅰ厚度为110 m,其底界面为大型辫状水道冲刷面,是辫状河流冲刷上三叠统塔里奇克组煤层而形成,湖泛面为湖侵时沉积的纹层状粉砂质泥岩层;层序顶界面为辫状水道冲刷面。湖侵体系域主要为辫状河三角洲平原沉积,由5个辫状水道砂体加积而成,由3种砂体单元组成:水道底部滞留沉积的砂质中砾岩、滞留水道砂砾岩之间的侧积坝、薄层板状交错层理砂砾岩、板状交错层理中砂岩和低角度交错层理细砂岩组成的侧积坝砂体单元。湖退体系域顶部为灰黑色纹层状薄—中层粉砂质泥岩,湖退体系域为辫状河三角洲平原沉积,主要由辫状水道叠加而成。砂体构成单元主要是砂砾质细砾岩水道,板状交错层中砂岩,低角度斜层理砂岩组成的斜坝砂体。②层序Ⅱ厚度为130 m,层序的底界面为层序转换面,即辫状水道冲刷面。湖侵体系域为辫状河三角洲平原亚相沉积,由5个辫状水道叠加充填组成。构成该层序的砂体单元主要有薄—中层砂质细砾岩辫状水道砂体和中—厚层板状交错层理细砾岩纵向砂坝砂体,湖侵体系域上部1~2 m为纹层状粉砂质泥岩。湖退体系域为辫状河三角洲平原亚相沉积,由4个大型辫状水道沉积砂体夹2个辫状水道沉积的砂体组成。构成该体系域的砂体单元主要为砂质中砾岩水道砂体、板状交错层理砂质细砾岩及板状交错层理中粗砂岩斜坝。③层序Ⅲ底界面为辫状水道冲刷转换面,顶界面为煤层底面(阿合组与阳霞组的分界面)。湖侵体系域为辫状河三角洲平原至辫状河三角洲前缘亚相沉积,层序充填特征表现为5~6个砂质辫状水道退积叠加模式,构成该体系域的砂体单元主要有砂质辫状水道、板状交错层理细砂岩斜坝以及横坝砂体。湖侵体系域上部10~20 m为滨浅湖沉积,岩相类型主要是纹层状粉砂质泥岩,为阿合组最大湖泛时沉积形成。湖退体系域为辫状河三角洲前缘亚相沉积,层序充填特征表现为2个多期辫状水道叠置组成的复合砂体夹薄层—中层泥岩。构成该体系域的砂体单元类型主要是砂砾质水道、斜坝以及横坝砂体[图 1(b)]。
3个层序的共同特征是底界面为大型冲刷面,下部为进积型的复合辫状水道砂体(单期水道砂体由槽状交错层理砂砾岩向上渐变为板状交错层理含砾中、粗砂岩,顶部发育少量平行层理细砂岩,单期水道砂体厚度向上变薄);中部岩性明显变细,主要为深灰色沙纹层理粉砂岩和绿灰色泥质粉砂岩,含植物化石碎片,局部发育薄层炭质泥岩或灰绿色粉砂质泥岩;上部为退积型的复合辫状水道砂体(单期水道砂体厚度向上变厚)。其区别在于,层序Ⅰ和层序Ⅲ中炭质泥岩层相对发育,且层序Ⅲ中炭质泥岩或泥岩夹层比层序Ⅱ明显增多,总体反映出塔里奇克组向阿合组水体变浅、阿合组向阳霞组水体变深的趋势。
阿合组下伏的塔里奇克组和上覆的阳霞组均发育工业煤层,为了研究煤系地层中的辫状河三角洲沉积,在传统辫状河三角洲亚相划分的基础上,根据阿合组的沉积特征,将辫状河三角洲平原细分为上、下平原亚相(图 2),其中上平原相对更靠近辫状河上游,以辫状河道为主;下平原位于辫状河下游,靠近前缘,古气候条件相对湿润,发育漫滩沼泽微相。另外,根据辫状河道—坝动态沉积的观点[18],不论是上平原和下平原亚相,砂体微相主要为辫状水道微相和砂坝微相,而不是传统的辫状水道微相和心滩微相。因此,阿合组巨厚砂岩为辫状河三角洲平原亚相沉积,从下到上3个准层序组分别为下平原—上平原—下平原沉积,微相则包括辫状水道、砂坝和漫滩沼泽。
阿合组辫状河三角洲的辫状水道随水流方向而改变,使水道砂体和游荡性砂坝沉积组合变得比较复杂(图 2)。陈彬滔等[18]将辫状水道中的砂坝分纵坝、横坝、侧积坝和斜坝4种类型,并通过与辫状水道的组合特征来精细分析水动力条件及沉积演化。库车坳陷北部构造带阿合组沉积期,构造活动从最初伸展到趋于稳定,物源供应充分,所以阿合组沉积一套巨厚砂岩,但是随着可容纳空间的变化,湖平面振荡上升,阿合组在纵向上形成了3种类型的沉积建造。
2.1 大型砂砾质辫状水道-侧积坝-纵向砂坝沉积建造及构型大型砂砾质辫状水道-侧积坝-纵向砂坝沉积建造发育在上三角洲平原,更靠近物源口一侧方向。沉积坡度相对较陡,水动力最强,辫状分支相对少,主河道宽、顺直,沉积物相对粗。典型特征是发育大型下切水道及厚层滞留沉积,在砂砾质水道中伴有小型楔状体(残留的侧积砂坝),随着单期水体能量减弱,上覆厚层板状交错层理含砾砂岩(纵向砂坝为主,发育小型水道)。
(1)沉积构造。大型砂砾质辫状水道-侧积坝-砂坝砂体沉积建造的厚度为15~20 m,底部为灰色或棕灰色块状滞留沉积,主要为砂质细砾岩和中砾岩,发育大型水道冲刷面[图 3(a)]、发育块状或槽状交错层理,砾石沿前积层定向排列,厚度为0.5~1.0 m。中上部为灰色厚层板状交错层理,含砾粗砂岩—含砾中砂岩,砾石沿层面富集[图 3(b)],局部发育小型水道滞留沉积砂质细砾岩,侧向被发育高角度斜层理的中砂岩披盖,单期水道砂体厚度为3~4 m。
(2)砂体构型及成因。大型砂砾质辫状水道-侧积坝-纵向砂坝沉积建造在阿合组层序Ⅰ下部和层序Ⅱ中上部相对发育。阿合组沉积早期,在晚三叠世沼泽平原基础上湖泊初始伸展形成了较大可容纳空间,物源供给充足、近山口沉积坡度相对较大,河道宽而浅、分支少,砾质或砂砾质沉积物发育。在侧翼,由于单期水道的迁移,形成相对细的、砂砾质或含砾砂质侧积砂坝,但是单期侧积坝在多期强水动力河道的改造下仅有部分残留。因此在复合河道下部形成了厚层块状混杂沉积的砾岩及砂砾岩,夹残留的砂砾岩或含砾砂岩侧积砂坝。随着水动力减弱,相对顺直的水流开始侵蚀侧岸的沉积物,主河道向侧岸迁移,砂砾质沉积物逐渐披覆在原河道位置。由于相对顺直的河道迁移缓慢且迁移距离小,披覆砂砾质沉积还要受顺河流方向的侵蚀,因此在原河道位置形成厚层纵向砂坝砂体,图 4为图 3(a)大型砂砾质辫状水道-侧积坝-纵向砂坝沉积建造的砂体构型图,局部发育小型砂砾质水道。纵向砂坝平行水流方向分布,上游端相对较粗,下游端为低角度切面,发育中、高角度的交错纹层,纵向上形成大型板状交错层理。
中型砂砾质辫状水道-横向砂坝-滨湖复合砂体沉积建造发育在三角洲平原靠近前缘主河道位置。沉积坡度相对变缓,水动力中等,辫状分支多,且迁移频繁。其典型特征是单期水道滞留沉积层薄,向上正粒序特征明显,中部发育低角度板状交错层理中细砂岩(横向砂坝),上部发育沙纹层理粉细砂岩夹薄层湖相泥岩。
(1)沉积建造。中型砂砾质辫状水道-横向砂坝-滨湖复合砂体沉积建造厚度为4~6 m,其中辫状水道砂体厚度为1.0~1.5 m,底部发育小型冲刷面及薄层褐灰色砂砾岩滞留沉积,向上发育槽状交错层理含砾粗、中砂岩,单个槽状内部正粒序特征明显。横向砂坝厚度为2~3 m,以灰色含砾中砂岩为主,发育不对称的槽状交错层理或低角度板状交错层理[图 5(a)]。滨湖砂岩厚度约为0.5 m,多为波纹层理的浅灰色、绿灰色粉细砂岩以及水平层理的泥岩粉砂质[图 5(b)]。图 5为三角洲平原靠近前缘主河道沉积,反映湖侵体系域的沉积特征。
(2)砂体构型及成因。中型砂砾质辫状水道-横向砂坝-滨湖复合砂体沉积建造在阿合组层序Ⅰ上部、层序Ⅱ下部以及层序Ⅲ发育。在下三角洲平原,随着水动力、河道携砂能力的降低,沉积物粒度较大型砂砾质辫状水道降低,而且水道沉积构造特征明显。由于辫状分支多,且迁移频繁,河道侧翼形成的侧积砂坝以及顺河道方向形成的纵向砂坝,受到持续改造,因此形成不对称槽状或低角度板状交错层理横向砂坝,图 6为图 5的中型砂砾质辫状水道-横向砂坝-滨湖复合砂体构型。横向砂坝砂体走向垂直于水流方向,底面下凹或平行接触,单砂体形态有透镜状和长条状,多期横向砂坝相互叠置形成比较宽广的砂体。当水深减小而且水流局限在切割坝体的小水道里时,横向砂坝砂体暴露于水面。当水深加大,横向砂坝受湖浪改造成发育波纹层理的滨湖砂坝。
小型砂质辫状水道-斜列坝砂体沉积建造也发育在三角洲平原靠近前缘位置,但是与中型沉积建造相比,偏向于主水道侧翼。由于沉积坡度变缓,宽浅的辫状水道继续分流形成小型的辫状水道,河流出现曲流化,水动力减弱,水道滞留沉积相对不发育,主要发育斜坝砂体(砂质侧积砂坝被水道切割而成)。
(1)沉积构造。小型砂质辫状水道-斜列坝沉积建造的厚度为8~12 m,砂质辫状水道以中、细砂岩为主[图 7(a)],底部冲刷面不明显,局部可见少量砾石滞留沉积(厚度为0.3~0.5 m),向上粒度变细,局部残留沙纹层理泥质粉砂岩及泥岩,见水道横向迁移形成的楔状交错层理。斜列坝发育低角度板状交错层理或平行层理[图 7(b)]。
(2)砂体构型。小型砂砾质辫状水道-斜列坝沉积建造主要发育在层序Ⅲ中。在辫状河三角洲平原靠近前缘的主水道侧翼,水动力、携沙能力弱,因此辫状水道沉积物偏细,以砂质为主,水道滞留沉积相对较少。辫状水道侧向迁移和侧翼曲流化过程中形成的侧积砂坝,被后期分支水流切割形成斜列坝。斜列坝砂体走向斜交水流方向,在上游斜交迎水位置粒度粗,在下游斜交汇水位置粒度细。在库东剖面识别的一个小型砂质辫状水道-斜列坝复合砂体厚度可达30~40 m,延伸距离为80~100 m,其中小型河道厚度为0.3~0.5 m,延伸距离为4~6 m;中部斜列坝砂体厚度为0.2~0.3 m,延伸2~3 m;上部斜列坝砂体厚度为0.5~0.6 m,延伸距离为10~20 m;总体表现为斜列坝砂体和水道砂体互层叠置的特征(图 8)。图 8为图 7(a)小型砂质辫状水道-斜列坝复合砂体构型。
阿合组沉积早期,大型辫状水道下切上三叠统沼泽平原相的煤系,相对顺直或轻微弯曲的辫状水道不断向岸侵蚀,大规模改造早期侧积砂坝,在辫状水道间残留少量侧积砂坝;早期砂砾岩快速堆积后,随着水动力变弱,辫状水道变浅,形成纵向砂坝(图 9)。早期阶段水道沉积占比为30%~40%,砂坝沉积占比为60%~70%。进入中期,随着构造趋于稳定,湖平面缓慢上升,辫状水道分支增多,水动力进一步减弱,形成中型砂砾质辫状水道;同时由于辫状水道的频繁迁移,纵向砂坝开始向横向砂坝转化,这一阶段水道沉积占比为20%~30%,砂坝沉积占比为70%~80%。随着湖平面持续上升,横向砂坝以及滨湖复合砂体的水道-砂坝沉积体系进入第3阶段,沉积物以砂质为主。原辫状水道逐渐衰退,在其发育区翼部,水道慢慢曲流化,表现为水道不断改造侧积砂坝,形成斜列砂坝。此时水道沉积占比为10%~20%,砂坝沉积占比为80%~90%或更高。阿合组沉积末期,滨湖沼泽大面积发育,形成上覆炭质泥岩或煤层。不同阶段的辫状河道和砂坝的岩相和砂体构型变化大,导致储层特征复杂和非均质性强。
通过对露头、井下物性资料的统计,库车坳陷北部构造带阿合组砂岩属于致密储层,其孔隙度为1~10%,渗透率为3~10 mD。同时发现,井下和露头储层物性有差异,井与井之间、露头之间纵、横向上也有差异[1],说明阿合组储层非均质性强。前人认为:库车坳陷北部构造带阿合组储层主控因素包括沉积相、成岩作用和构造侧向挤压[16, 19],其中沉积相对储集层性质的影响主要表现在粒径而不是杂基含量上[5, 20-22]。因此,物源、沉积相、粒径等沉积因素对阿合组致密、非均质储层的影响,可以用岩相(岩性+层理构造)来具体体现。岩相的纵向组合、横向变化,也即砂体构型代表不同水动力条件下的沉积物变化,能够反映纵、横向的储集性能变化,可以表征储层的非均质性。以库东剖面为例,讨论3种不同的砂体构型的储层特征变化,揭示研究区辫状河三角洲水道-砂坝体系砂岩储层的非均质性。
3.1 砂体构型的储层特征和非均质性阿合组3种砂体构型是基于多个露头资料的抽象化模型,在单个露头剖面上可能是3种砂体构型相互叠置的沉积序列。下面以库东剖面为例进行说明,野外对实测地层剖面添加沉积构造特征形成结构剖面柱状图,同时对每一沉积地层进行储层针对性取样,如KEⅡ27-1代表库东剖面第27层由下往上第1块样品,具体对应关系见图 10。室内样品分析化验包括物性、压汞分析,岩石铸体薄片分析、扫描电镜及X射线衍射分析等,并将部分分析结果和数据标注在结构剖面上,形成不同构型砂体的储层评价图。
(1)大型砂砾质辫状水道-纵向砂坝。其砂体构型、岩相类型多,岩性、物性变化快。发育5种岩相:①河流滞留沉积块状砾质粗砾-细砾岩相,孔隙度<3%,渗透率<0.1 mD;②大型槽状交错层砂质中砾岩—细砾岩相,孔隙度为3%~5%渗透率为0.1~1.0 mD;③板状交错层理砂质细砾岩相,孔隙度为5%~10%,渗透率为1~5 mD;④板状交错层理中砂岩相,⑤低角度平行层理细砾岩相,二者的孔隙度> 10%,渗透率> 5 mD。岩矿类型主要为长石岩屑砂岩和岩屑砂岩,储集空间以粒内溶孔和微孔隙为主(图 10)。槽状交错层砂质细砾岩、板状交错层理中砂岩和低角度平行层理细砂岩为有利储层,砂体构型占比为60%~70%。
(2)中型砂砾质辫状水道-横向砂坝。其水道-横向砂坝-滨湖砂复合砂体构型发育6种岩相,块状砂质细砾岩、槽状交错层理砂质小砾岩、板状交错层理中粗砂岩、低角度平行层理细砂岩、沙纹层理粉砂岩及水平纹层粉砂质泥岩。这6种岩相中,板状交错层理中粗砂岩孔隙度为8%~10%,低角度平行层理细砂岩孔隙度为6%~8%,为有利储层,占砂体构型的70%(图 11)。储层以Ⅱ—Ⅲ类为主,其孔隙度为1%~10%,渗透率为1~5 mD。储集空间以粒内溶孔、裂缝和微孔隙为主。溶蚀作用和岩石相是储层主控因素。
(3)小型砂质辫状水道-斜列砂坝。其砂体构型发育4种岩相:薄层的块状含砾粗砂岩、中厚层板状交错层理中细砂岩、低角度平行层理细砂岩、沙纹层理粉砂岩;中厚层板状交错层理细砂岩和低角度平行层理细砂岩为有利储集体,孔隙度分别为9%~12%和6%~10%,渗透率分别为3~10 mD和1~4 mD。虽然有利储层占比达到70%~80%,但是小型砂质辫状水道-斜列坝砂体构型整体砂地比为30%~50%,因此储层中泥质含量较高,储集空间类型则以裂缝和微孔隙为主,整体为Ⅱ—Ⅲ类储层(图 12)。
阿合组辫状河三角洲水道-砂坝沉积体系3种类型的砂体构型在纵向上具有分段性,大型辫状水道-纵向砂坝发育在层序Ⅰ下部和层序Ⅱ中上部,中型辫状水道-横向砂坝发育在层序Ⅰ上部、层序Ⅱ下部以及层序Ⅲ,小型辫状水道-斜列砂坝发育在层序Ⅲ中。
3种砂体构型的储集性能差异性较大,大型辫状水道-纵向砂坝中分选较差,砂砾质储层占比高达30%~40%,小型辫状水道-斜列坝中砂岩中泥质含量高,因此3种砂体构型中中型辫状水道-横向砂坝储集性能相对较优。从不同岩相的储集性能来看,3种砂体构型的共同点为有利储层都主要是槽状交错层理砂质细砾岩、板状交错层理中砂岩和低角度交错层理细砂岩。从沉积微相来看,辫状水道中上部、纵向砂坝中上游部分、横向砂坝及少量斜列砂坝均发育有利储层。3种砂体构型、内部的岩相组合在纵向上叠置关系复杂,有利岩相的占比也不同,因此在纵向上,Ⅰ类有利储层主要分布在层序Ⅲ,Ⅱ类有利储层主要分布在层序Ⅱ和层序Ⅰ上部,Ⅲ类储层主要分布在层序Ⅱ和层序Ⅰ底部(图 13)。层序Ⅱ和层序Ⅰ主要为辫状河三角洲下平原和前缘,也是有利储层分布区,因此辫状河三角洲下平原和前缘是油气有利勘探方向。
(1)库车坳陷北部构造带下侏罗统阿合组自下而上划分3个层序,岩性分段性强,主要为砂砾岩、含砾中、粗砂岩,少量砾岩、粉—细砂岩和炭质泥岩,形成于物源供给充足、可容纳空间大、气候湿润的辫状河三角洲沉积环境,露头区主要为辫状河三角洲平原和前缘亚相。
(2)阿合组巨厚砂岩发育3种沉积建造:①大型砂砾质辫状水道-侧积坝-纵向砂坝组合,纵向上发育在层序Ⅰ下部和层序Ⅱ中上部,平面上位于辫状河三角洲上平原;②中型砂砾质辫状水道-横向砂坝-滨湖砂组合,纵向上发育在层序Ⅰ上部、层序Ⅱ下部以及层序Ⅲ,平面上位于辫状河三角洲下平原;③小型砂质辫状水道-斜列砂坝组合,纵向上发育在层序Ⅲ和层序Ⅱ中上部,平面上位于辫状河三角洲前缘。
(3)辫状水道-砂坝演变及规模控制了辫状河三角洲砂体储集性能的变化与有利储层的分布,下侏罗统阿合组中型辫状水道-横向砂坝储集性能相对较好,有利储层主要是槽状交错层理砂质细砾岩、板状交错层理中砂岩和低角度平行层理细砂岩。辫状河三角洲下平原及前缘砂体是油气勘探的有利相带。
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