岩性油气藏  2018, Vol. 30 Issue (3): 80-91       PDF    
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鄂尔多斯盆地东北部山西组层序格架下的砂体成因类型、构型及分布
王玥, 郭彦如, 张延玲, 刘俊榜, 田鸣威    
中国石油勘探开发研究院, 北京 100083
摘要: 鄂尔多斯盆地山西组沉积时期陆生植物繁盛,为天然气的生成提供了充足的气源,油气的富集受控于岩性和岩相,因此深入探讨山西组砂体构型和砂体展布规律十分必要。为加快天然气的勘探步伐,以层序地层学与沉积学基本原理为指导,通过野外露头剖面、钻井、测井等资料的综合分析,研究了山西组四级层序格架下不同成因类型砂体的特征、构型及展布规律。结果表明:研究区山西组可划分为5个四级层序;砂体类型以辫状河三角洲平原分流河道和辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体为主;不同类型的河道砂体具有南北成带、东西分割的特征;砂体构型有垂向叠置型、垂向切叠型和独立型3种类型;四级层序PSQ31(相当于山23段和山22段下部)、PSQ32(相当于山22段上部)和PSQ41(相当于山12段)均是天然气勘探的主力层系;大保当、余兴庄、龙镇地区均是天然气勘探的有利地区。该方法和研究结果可为研究区及其类似地区层序地层划分、砂体展布规律研究及有利区带优选等提供参考。
关键词: 四级层序      砂体成因类型      砂体构型      砂体分布规律      山西组      鄂尔多斯盆地东北部     
Genetic types, configurations and distribution of sand bodies of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin
WANG Yue, GUO Yanru, ZHANG Yanling, LIU Junbang, TIAN Mingwei     
PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
Abstract: During the sedimentary period of Shanxi Formation in Ordos Basin, terrestrial plants flourished, which provides sufficient gas source for the formation of natural gas.The accumulation of oil and gas is controlled by lithology and lithofacies.Therefore, it is necessary to study the configuration and distribution of sand bodies of Shanxi Formation.In order to speed up the exploration of natural gas, guided by the basic principles of sequence stratigraphy and sedimentology, through comprehensive analysis of outcrop section, drilling and well logging data, the configuration and distribution characteristics of different genetic types of sand bodies under the fourth-order sequence framework of Shanxi Formation were emphatically studied.The result shows that the Shanxi Formation in the study area can be divided into five fourth-order sequences.The sand bodies are dominated by distributary channel sand bodies of braided-delta plain and the underwater distributary channel sand bodies of braided-delta front.The plane distribution of channel sand bodies is characterized by north-south zonation and east-west penetration.The superimposed modes of sand bodies are mainly three types:vertical overlap, vertical tangency and independent type.The fourth-order sequences including PSQ31 (equal to the Shan 23 section and the lower part of the Shan 22 section), PSQ32 (equal to the upper part of the Shan 22 section)and PSQ4 (1 equal to the Shan 12 section)are the main layers of natural gas exploration.Dabaodang, Yuxing Zhuang, Longzhen were selected as favorable exploration areas.The method and results could provide reference for the sequence stratigraphic division, sand body distribution law research and favorable zone optimization for the study area and similar areas.
Key words: fourth-order sequence      genetic types of sand bodies      sand body configuration      sand body distribution regularity      Shanxi Formation      northeastern Ordos Basin     
0 引言

鄂尔多斯盆地东北部位于榆林—子洲一带,构造位置位于伊陕斜坡东北部。研究区范围北起伊金霍洛旗,南至绥德,东到临县,西抵乌审旗,面积约5万km2[1-2]

山西组沉积时期,盆地古地形平缓,构造作用较弱,形成了大型陆相坳陷盆地[3-4],发育广覆式煤系烃源岩与大型复合叠置的砂岩储集层。在构造作用下形成了平缓的南倾单斜,油气的富集受控于岩性和岩相[5-8]。因此,深入探讨山西组砂体成因类型、构型和展布规律是提高研究区勘探成功率的关键。

多年勘探已证实,研究区山西组山2段为主力气层[9-10],具有较大的勘探潜力。目前已探明了榆林、子洲2个气田。许多研究者在层序地层、沉积、砂体等方面做了大量工作,得出了以下认识[11-23]:①山西组划分为2个三级层序,也有学者将其划分为3个三级层序[11, 16];②山西组沉积时期为近海湖泊浅水辫状河三角洲体系,由多个指状朵叶组成,展布范围较大,向盆内伸展并与滨浅湖过渡[14-20];③关于砂体叠置形态认识有多种观点[24],主要观点认为存在垂向叠置型、侧向搭接型和独立型3种类型[20]。虽然形成了诸多地质认识,但是有以下2方面的问题有待加深:①山西组传统分层未能有效解决部分层段的等时问题;②砂体构型及其展布规律研究过于宏观。随着勘探的深入,这些地质认识已不能满足勘探生产的需求,难以有效预测天然气勘探有利目标。为此,以6条野外露头剖面、36口重点探井岩心、211项分析化验、130口钻井、测井等资料为依据,从高精度层序地层格架建立入手,探讨高精度层序地层格架下的砂体成因类型、砂体构型和分布规律,以期为盆地东北部天然气勘探提供地质依据。

1 高精度层序地层格架的建立

高精度层序地层指的是以经典层序地层学原理为指导,以四级或五级层序(准层序组或准层序)为单元解释成图的层序地层。在钻井、测井资料为主的地区,通过岩电资料的旋回性进行等时地层对比,其成图精度与高分辨率层序地层的短期旋回层序成图精度相近。高精度层序地层具有描述体系完善、对比方法简单、解释工作量小等特点。

许多学者对山西组层序地层的研究主要集中于三级层序的划分[1, 4, 11-12],这样就难以满足高勘探阶段砂体识别预测的要求。为此,以经典层序地层学原理为指导,对研究区(图 1)山西组进行了四级层序的高精度层序地层识别与划分。

下载eps/tif图 图 1 鄂尔多斯盆地东北部地区(研究区)位置 Fig. 1 Location of northeastern Ordos Basin
1.1 层序界面识别

层序划分的核心是对层序界面的识别,而层序界面则是通过钻井、测井、露头等资料来识别的(表 1)。

下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地东北部山西组高精度层序界面识别标志 Table 1 High resolution sequence boundary recognition mark of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

(1) 钻井识别

钻井岩心的颜色、构造、垂向叠加样式都是识别不整合面的重要标志,颜色变化通常指示沉积环境的改变,而沉积环境的改变导致岩性的差异。钻井识别是研究区重要的层序界面识别标志。钻井岩心可识别出不整合面、冲刷面、岩性突变面等4种层序界面标志(表 1)。

(2) 测井识别

划分层序主要依据的是沉积旋回,通常借助测井曲线的综合响应来进行沉积旋回的划分(表 2)。自然伽马在不整合面的上下常出现异常,表现为较高的峰值,区别明显。电阻率在砂岩段通常呈现稳定的高值,泥岩为低值,二者易于区分,是精细划分层序的重要标志。

下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地东北部山西组高精度层序测井识别 Table 2 High resolution sequence division scheme of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

(3) 露头识别

野外露头容易识别出平行不整合、角度不整合等大型层序界面。如研究区山西组与下石盒子组、太原组、山1段与山2段之间的界面均可以在露头剖面上清晰地识别。

1.2 高精度层序地层格架

鄂尔多斯盆地上古生界是由3个二级层序(巨层序)组成的一级层序(超层序) [12],山西组为二级层序,自身为一个以退积序列为主的沉积层序(图 2)。陈洪德等[13]依据经典地层学理论将山西组划分为2个三级层序,自下而上分别为PSQ3(相当于山2段)和PSQ4(相当于山1段)。PSQ3和PSQ4界线明显,容易识别。PSQ3自然伽马呈钟形,起伏小,表现为高声波时差。PSQ4自然伽马呈锯齿形,声波时差相对平缓,无突然增值、跳跃现象。

下载eps/tif图 图 2 鄂尔多斯盆地东北部ZC 1井山西组综合柱状图 Fig. 2 Comprehensive stratigraphic column of Shanxi Formation of well ZC 1 in northeastern Ordos Basin

PSQ3和PSQ4均呈向上变细的正韵律,具有顶、底突变特征。以经典层序地层学理论为指导,参考高分辨率层序地层对短期旋回的研究方法,将研究区山西组划分为5个四级层序(图 2图 3)。其中,PSQ3可划分为3个四级层序PSQ31,PSQ32和PSQ33;PSQ4可划分为2个四级层序PSQ41和PSQ42

下载eps/tif图 图 3 鄂尔多斯盆地东北部山西组高精度层序地层对比剖面(剖面位置见图 1 Fig. 3 High resolution sequence stratigraphic correlation of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

PSQ31(相当于山23段和山22段下部)底界面为北岔沟砂岩的典型冲刷面,含海相灰岩和泥岩,顶部通常为煤层,自然伽马呈钟形,声波时差高。层序厚度为3~10 m。

PSQ32(相当于山22段上部)含煤层,有多个声波时差高值,顶底界面自然伽马值变化较大。层序厚度为6.0~13.5 m。

PSQ33(相当于山21段)自然伽马值起伏小,有多个声波时差高值,顶底界面自然伽马值变化显著。层序厚度为5~12 m。

PSQ41(相当于山12段)底界面为船窝砂岩,构成向上变细的旋回,自然伽马呈锯齿形,声波时差为平缓低值,顶界面为铁磨沟砂岩。层序厚度为6~11 m。

PSQ42(相当于山11段)底界面为铁磨沟砂岩,顶界面为骆驼脖子砂岩的大型冲刷面,基本不含煤。层序厚度为6~12 m。

2 砂体成因类型及特征

鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体形成于辫状河三角洲体系,受河流作用影响较强,波浪改造弱,三角洲砂体形态保存良好[19]。研究区山西组发育辫状河三角洲平原和前缘亚相,缺乏前三角洲亚相[13, 16]。其中,辫状河三角洲平原亚相常见分流河道、分流河道间、决口扇等微相,有效砂体主要分布于分流河道微相中;辫状河三角洲前缘亚相常见水下分流河道及分流间湾等微相,有效砂体主要分布于水下分流河道中[14, 16]。因此,研究区主要的砂体成因类型为辫状河三角洲平原分流河道砂体和辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体。

2.1 辫状河三角洲平原分流河道砂体

辫状河三角洲平原分流河道砂体广泛分布于研究区的中、北部,多呈NNW—SSE走向[图 4(a)~(c)],其中PSQ3分流河道砂体发育,由3条复合分流河道砂体组成。PSQ31—PSQ32分流河道砂体展布相对平直,复合河道砂体宽度为10~30 km。PSQ33分流河道砂体摆动较大,复合河道增宽,为15~40 km,呈现2条河道体系。PSQ4分流河道分布变为NNE—SSW走向,由2条复合河道砂体组成,河道摆动较大,复合河道宽度为10~40 km。

下载eps/tif图 图 4 鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体平面分布 Fig. 4 Plane distribution of sand bodies of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

分流河道砂体岩性由灰色、褐灰色含砾粗砂岩、粗砂岩、中粗粒石英砂岩及岩屑砂岩组成(图 5)。砂岩的结构成熟度普遍较低,成分成熟度差异较大。砂岩中发育大型槽状、板状交错层理。砂岩底部可见冲刷面、河床滞留砾石,反映间歇性洪水作用。剖面上常见多个正韵律分流河道砂体,在垂向上叠加成厚砂体,构成复合正韵律,表明碎屑沉积物的物源供给充足,新增可容纳空间小于沉积物的供给量,导致砂体横向上快速迁移,河道分布不稳定。分流河道砂体在自然伽马曲线上的响应呈钟形或齿化钟形,声波时差曲线表现为平缓低值(图 2图 5),反映物源供给量减少及河流侵蚀作用减弱。

下载eps/tif图 图 5 鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体成因类型分布剖面(剖面位置见图 1 Fig. 5 Genetic types of sand bodies of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin
2.2 辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体

辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体主要分布于研究区的中、北部[图 5图 4(d)~(e)],构成三角洲前缘的骨架砂体,是陆上分流河道的水下延伸部分,平面上常分叉,垂向上多为复合正韵律。水下分流河道砂体继承了分流河道的走向,呈南北走向条带状展布,有分叉,但河道窄,复合河道砂体宽度为5~15 km,向南砂体变薄,粒度变细,泥质含量增加,并逐渐过渡为分流间湾或前三角洲细粒沉积。

水下分流河道砂体岩性主要为中砂岩、细砂岩,河道底部普遍发育冲刷构造,常见粒序层理和板状交错层理,与三角洲平原分流河道砂体相比,水下分流河道砂体分选较好,结构成熟度更高,粒度更细。自然伽马和自然电位曲线表现为钟形或齿化钟形(图 5)。声波时差较为平缓,呈低幅度。当多个水下分流河道砂叠加形成厚砂体时,测井曲线表现为箱形或齿化箱形。

3 砂体构型及分布规律

不同成因类型砂体有其独特的内部结构。精细解剖砂体构型,有助于合理预测砂体分布规律。

3.1 单砂体识别与砂体构型

周银邦等[25]、何宇航等[26]均根据单期河道建立了针对特定河流类型的砂体构型。研究区山西组水体较浅,河道频繁改道,不同的河道相互切割、叠置形成多种类型的复合砂体。

3.1.1 河道边界识别标志

(1) 河道高程差异

发育于不同期次的分流河道,由于发育时间存在先后差异,导致河道砂体顶面距离标志层的相对距离不同[图 6(a)]。SSI公司提出,当河道底界相对高程差超过河道的20%~30%时,即可认为是不同的两期砂体[27]

下载eps/tif图 图 6 鄂尔多斯盆地东北部山西组单砂体边界识别模式 Fig. 6 Boundary identification model of single sand body of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

(2) 河间充填

河间充填是同时期的2个不同分流河道间呈不连续分布的河间沉积,通常表现为河间泥或溢岸砂体[图 6(b)]。河间充填通常发生在河道改道的过程中。

(3) “厚—薄—厚”变化

两期河道侧向搭接可形成该类型边界,两端较厚[图 6(c)],为两期河道砂体中心,中间较薄,为一个(或2个)分流河道的边界。

3.1.2 砂体构型及分布

砂体构型直接反映物源、水动力条件,以及沉积相垂向变化。研究区山西组河流水动力强度低,河道摆动性强,河道体系不稳定。通过对河道的识别和砂体的精细刻画,认为研究区存在3种砂体构型:垂向叠加型、垂向切叠型及独立型(图 7)。

下载eps/tif图 图 7 鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体构型 Fig. 7 Sand body configuration of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin

(1) 垂向叠加型

研究区山西组沉积时期可容空间减小,基准面下降半旋回较难保存,通常只保存上升半旋回,形成基准面向上的不对称沉积旋回,垂向上表现为多期正韵律叠加。该叠置类型通常为晚期河道叠加到早期河道之上,两期河道间常存在薄层细粒沉积,两期河道砂体垂向上重叠程度最高可超过80%。砂体多以河道砂体和水下分流河道砂体为主,砂体横剖面为非对称透镜状。测井响应为中—高幅钟形或箱形,具有明显的回返性。剖面上主要分布PSQ31,PSQ32和PSQ41层序,平面上主要分布在大保当、余兴庄和龙镇地区。

(2) 垂向切叠型

该叠置类型垂向上的典型特征为后期河道下切早期河道,早期河道顶部常被冲刷,未见细粒沉积,测井曲线无明显回返。砂体多以分流河道砂体和水下分流河道砂体为主。测井响应表现为砂体中心呈中高幅度箱形,向上、下两侧过渡为漏斗形或圣诞树形。剖面上主要分布PSQ32,PSQ33和PSQ41层序,平面上主要分布在大保当和龙镇地区。

(3) 独立型

两期河道砂体之间存在厚层细粒沉积物,在垂向上尚未接触,界面识别标志为稳定分布的泥岩,测井曲线回返明显。砂体多以河道间砂体和分流间湾砂体为主,横剖面形态为狭长透镜状,两侧发育漫流沉积。孤立型砂体多形成于远离物源区、可容纳空间较大、沉积物供给充足的环境。该叠置类型在研究区分布广泛,主要分布在河道间微相和分流间湾微相发育的地区。

3.2 砂体剖面特征

垂直物源方向的复合砂体分布以透镜状展布为主[图 5(a)],厚度大(1.5~14.0 m),横向延伸短(1.0~7.5 km)。平行物源方向砂体分布由三角洲平原河道砂体逐渐过渡为三角洲前缘水下分流河道砂体[图 5(b)]。靠近物源方向的分流河道砂体厚度大(1.9~10.2 m),延伸距离远(1.2~8.4 km);水下分流河道砂体相对较薄(1.0~9.3 m),延伸距离相对较短(0.8~7.8 km)。纵向上,由深至浅三角洲平原砂体溯源后退,三角洲前缘砂体向北迁移,反映从层序PSQ31到PSQ42的砂体是在湖进过程中形成的,其中储集砂体主要形成于PSQ32时期。

3.3 砂体平面展布规律 3.3.1 PSQ31砂体

PSQ31发育榆林、大保当和神木3条近南北向延伸的分流河道砂体,其构型以垂向叠置型为主。砂体呈条带状延伸,其前端指状分叉。研究区西部榆林砂体宽度为25~40 km,厚度为6~20 m [图 8(a)],在陕212井以南,相变为水下分流河道砂体,指状展布。中部大保当分流河道砂体频繁迁移,厚度较大。东部神木分流河道砂体厚度较小。

下载eps/tif图 图 8 鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体厚度 Fig. 8 Thickness of sand bodies of Shanxi Formation in northeastern Ordos Basin
3.3.2 PSQ32砂体

PSQ32时期,基准面不断抬升,可容纳空间持续增大,物源供给持续减少,砂体以退积为特征。发育3条南北向分流河道砂体[图 8(b)]。研究区西部榆林河道砂体多为垂向叠置型和垂向切叠型砂体,在陕205井处发生分叉变为水下分流河道砂体,指状展布,宽度为15~25 km,厚度为7~16 m。中部大保当分流河道砂体也以垂向叠置型和垂向切叠型砂体为主,近南北向展布,向南过榆10井相变为指状分叉的水下分流河道砂体。东部神木分流河道砂体以垂向切叠型砂体为主,位于神木—佳县一带,近南北向展布,厚度较大(> 10 m)。

3.3.3 PSQ33砂体

PSQ33砂体发育于北高、南低的古地形之上,相对于山22段,其基准面持续上升,湖平面进一步扩大,并达到最大。由于可容纳空间持续增大,沉积物供给减少,砂体向北萎缩。榆林以北为分流河道砂体分布区,发育垂向切叠型砂体,以南为水下分流河道砂体分布区,发育孤立型砂体。总之,PSQ33砂体宽度窄(4~20 km),厚度小(3~16 m),横向上连通较差[图 8(c)]。

3.3.4 PSQ41砂体

PSQ41砂体自东向西发育3个三角洲沉积体系,湖泊改造作用强,分流河道砂体以垂向切叠型砂体为主,东西向跨度大(5~30 km),南北向延伸远(> 60 km),厚度变化大(5~20 m),在双13—米9井区向南相变为3条独立的水下分流河道砂体,发育孤立型砂体,延伸短(30~50 km),厚度小(10~ 15 m)[图 8(d)]。

3.3.5 PSQ42砂体

PSQ42与PSQ41相比,砂体展布格局及沉积环境类似,但其砂岩发育程度较差,河道改道频繁,叠加河道较窄(3~20 km),孤立型砂体发育。研究区中部大保当分流河道砂体在双13井以南和双63井以南分叉,相变为水下分流河道砂体,其中双63井以南水下分流河道砂体呈指状发散,厚度较小(< 15 m),东部神木分流河道砂体在万镇以南相变为水下分流河道孤立型砂体,在佳县与中部砂体汇聚,厚度为5~15 m,局部可达15~20 m [图 8(e)]。

总之,PSQ31,PSQ32和PSQ41的分流河道砂体发育,其砂体构型多为垂向叠置型和垂向切叠型,优质储层集中分布,是下一步天然气勘探的主力层系。平面上,大保当、余兴庄、龙镇地区是分流河道砂体集中分布的地区,其砂体构型以垂向叠置型和垂向叠切型为主,平面分布广,叠置厚度大,是下一步天然气勘探的主要目标区。

4 结论

(1) 鄂尔多斯盆地东北部山西组可划分为5个四级层序,自下而上为PSQ31,PSQ32,PSQ33,PSQ41和PSQ42,总体为一套湖进环境下的退积沉积序列,与传统地层分层相比,PSQ31的顶分层与传统的山23段顶有较大差异,其他层序则与山西组的其他段大体对应。

(2) PSQ31—PSQ42(相当于山西组)发育榆林、大保当、神木等3条近南北向条带状展布的河流三角洲砂体。研究区北部发育辫状河三角洲平原分流河道砂体,南部发育辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体,不同成因类型的砂体呈现明显的南北分异、东西分割的特征,其中水下分流河道砂体向南变薄、分叉和尖灭。

(3) 鄂尔多斯盆地东北部山西组砂体构型可分为垂向叠置型、垂向切叠型和独立型3种类型,前两者砂体是寻找天然气“甜点”的主要砂体类型;四级层序PSQ31,PSQ32和PSQ41发育由前2种砂体构型组成的水下分流河道砂体,是天然气勘探的主力层系;大保当、余兴庄、龙镇地区是这几类砂体分布的主要地区,是天然气勘探的有利区。

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