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古湖岸线确定及其对优质储集层控制①——以鄂尔多斯盆地北部地区盒8段为例

2015-12-08王怀厂刘新社赵会涛

沉积学报 2015年2期
关键词:暗色沉积环境砂体

张 辉 王怀厂 刘新社 赵会涛

(1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院 西安 710018;2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室 西安 710018)

湖岸线是历史时期湖平面与古陆地的交线,是陆上和水下沉积的分界线。其位置与演化受到湖平面变化、邻近地貌、水动力环境及沉积物供给综合控制,表现为一个动态平衡的界面[1],反映地质时期湖平面某一相对稳定时期的湖岸线即为古湖岸线。古湖岸线的研究最初主要集中在第四纪残留湖岸线的变迁、湖平面变化及气候演化方面[2-4]。在油气沉积地质领域,古湖岸线控制着砂体类型、砂体形态和砂体组合及油气成藏[5-9],因此,确定古湖岸线的位置对于油气勘探起着重要的指导作用[10]。

鄂尔多斯盆地北部地区盒8段储层砂体具有低孔低渗、非均质性强,砂体展布复杂等特征。然而,储集砂体的分布主要受沉积相控制。近年来,众多学者对上古生界盒8期沉积环境、沉积相类型及特征开展了相关研究[11-14],但是盒8期湖岸线的具体位置仍难以确定,湖岸线演化研究较粗,由此造成的争议颇多,主要体现在同一沉积期湖岸线的展布特征,湖盆的面积,以及各个沉积期湖岸线的演化规律。而关于古湖岸线对优质储层的控制作用方面的研究更鲜有报道。因此,本文试图在常规湖岸线识别方法的基础上,从有机岩石学分析的全新角度认识研究区盒8段沉积环境,明确盒8段沉积时期的古湖岸线位置。在此基础上探讨了古湖岸线对优质储层的控制作用,为研究区盒8期三角洲沉积模式的建立提供理论依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地北部地区北起伊金霍洛旗,南至高桥,东至榆林,西到乌达,面积约9×104km2,区域构造隶属伊陕斜坡(图1)。鄂尔多斯盆地作为华北地台西端的次级构造单元,其晚古生代的构造演化与华北地台相一致,主要受北侧的兴蒙海槽、南和西南缘的秦祁海槽的洋底扩张及大洋板块的俯冲、消减作用控制[15],同时受到特提斯构造域和太平洋构造域的双重作用。早古生代盆地区主要为陆表海,周围被古陆和岛屿环绕,形成厚层碳酸盐岩沉积建造。中奥陶世后,盆地整体隆起遭受长期风化剥蚀,形成了极具天然气勘探意义的奥陶系顶部古风化面。晚石炭世华北地台整体缓慢下沉接受沉积,呈NNE向的隆坳构造格局,中部是中央古隆起、西侧为贺兰裂陷带、东面是克拉通内浅陷[16],北缘为阴山古陆、西北缘是阿拉善地块、南缘有秦岭—中条古陆,并在风化壳之上形成碎屑岩与碳酸盐岩交互的含煤沉积,构成上古生界含油气系统。早二叠世东西部海水汇合,区域上形成碳酸盐台地、障壁岛、浅水三角洲交互的含煤沉积。中—晚二叠世,随地台抬升、海水退缩,演变为近海内陆坳陷充填,形成冲积扇、河流、三角洲、湖泊沉积;晚二叠世晚期陆表海消亡,转化为内陆坳陷,形成以湖泊沉积为主的河湖充填[15]。

图1 鄂尔多斯盆地构造单元及研究区位置Fig.1 Locations of structural units and the study area in Ordos Basin

2 古湖岸线的识别标志

古湖岸线的位置通常根据沉积学、古生物学、地球物理及地球化学等沉积相标志进行推测[17-23]。本文作者除采用泥岩颜色、测井曲线特征、黏土矿物特征等常规识别方法外,主要以有机岩石学为基础划分沉积有机相,确定盒8期古湖岸线位置。

2.1 沉积学标志

研究沉积相的沉积学标志,包括沉积岩颜色、成分、岩石组合、结构及粒度分布、沉积构造、剖面结构或序列等。其中泥岩颜色是沉积岩最直观、最醒目的标志,是沉积环境的良好指示剂。沉积岩颜色的变化除取决于成份外,还与其沉积环境密切相关。因此,在判别沉积环境时,泥岩颜色具有非常重要的作用。研究区600余口井岩芯和岩屑描述资料统计分析结果表明,盒8段泥岩颜色以定边—莲4井—陕99井—子洲一线为界,北部主体表现为棕红色+杂色分布区和暗色+杂色分布区为主的水上沉积特征,南部则主要呈现暗色、灰色为主,表现出水下暗色系沉积特征(图2)。

图2 盆地北部地区盒8泥岩颜色分布图Fig.2 Distribution of color of mudstone of He 8 in North Ordos Basin

2.2 有机岩石学特征

有机岩石学是用岩石学理论和方法研究沉积岩中的有机质。有机岩石学使用的最基本的岩石单位是显微组分,它相当于无机岩石中的矿物。一定沉积环境下可形成一定特性的有机岩石成分,反之,据某种特定的有机岩石成分则可推测其形成的特定环境。因此,以有机岩石学理论为基础,研究沉积岩显微组分组成及其组合,有助于了解沉积环境,从而确定某一沉积时期的古湖岸线位置[24-26]。

泥岩颜色统计结果显示,在北部鄂托克前旗地区也存在较多的暗色泥岩,为了鉴别其与南部定边—高桥地区暗色泥岩在成因方面的差异,开展了暗色泥岩干酪根显微组分分析。分析结果表明鄂托克前旗地区暗色泥岩显微组分组成可分为三类:A类以富含镜质组、贫无定形为特征,镜质组含量在85%以上,无定形含量<7%,表明其母质来源于陆源高等植物;B类为以镜质组占优势,无定形含量明显增加,介于33%~35%,表明其母质主要为陆源高等植物,且混有低等水生生物;C类为以镜质组或镜质组+惰质组含量弱优势为特征,反映陆源高等植物与低等水生生物均势的母质特征,鄂托克前旗地区三类显微组分组成的变化指示泥岩沉积从陆上到水下或水陆过渡环境的演化。定边—高桥地区盒8段暗色泥岩显微组分组成同样可分为三类:A类为西南部的惠探1井和南部的陕339井,具有较高的镜质组含量,镜质组含量大于69%,这可能是由于沼泽泥炭中的腐殖物质受流水搬运,在南部再沉积,从而导致定边—高桥地区泥岩中镜质组含量较高;B类为苏264井和陕344井,以镜质组和无定形含量接近为特征,呈现陆源高等植物与低等水生生物均势的母质特征;C类以无定型高含量为主,含量在64%以上,表明其母质为以藻类为主的低等水生生物,定边—高桥地区三类显微组分组成的变化指示泥岩沉积从陆上或水陆过渡到深水环境的演化(表1)。

本文根据有机岩石成分组成,借鉴Hacgueburd等[27]岩相图解分析有机质的生成环境。结果显示(图3),鄂托克前旗地区盒8段暗色泥岩发育二种沼泽环境,一种是河间洼地沼泽带的陆地森林沼泽相,形成于水上环境,镜质组是主要的显微组分,含有少量的无定形和惰性组成分;另一种形成于近岸浅湖区的覆水森林沼泽相,形成于水下浅水环境,无定形成分相对富集。定边—高桥地区暗色泥岩发育浅水环境中的覆水森林沼泽相和湖泊环境中开阔水体相,前者形成于水下浅水环境,后者为深水环境。根据盒8段暗色泥岩有机相平面分布特征,将苏38井—苏327井—陕9井一线作为陆上和水下沉积的分界线,即三角洲平原与三角洲前缘的分界线,结合泥岩颜色分布特征,将定边—陕344井—陕301井—子洲一线作为浅水区和深水区的分界线(图4)。

2.3 黏土矿物特征

通过对黏土矿物组成和含量的研究,确定沉积环境水体的酸碱度,从而判断其所处于陆上还是水下的沉积环境。一般来说,在母岩区性质、气候条件相似的同一盆地,水介质偏酸性,多反映陆上或近岸高能环境。相反,偏碱性,多反映远岸静水环境[28]。通常高岭石是在酸性介质条件下形成的,反映了沉积环境为近岸浅水或河流沼泽环境;伊利石和伊/蒙混层矿物的存在反映了碱性介质条件,反映了沉积环境为远岸湖泊环境[28]。

表1 盒8段暗色泥岩显微组份分析表Table 1 The compositions of the micro-components of dark mudstones of He 8 interval

暗色泥岩X衍射分析表明(表2),定边—高桥地区具有伊利石、伊/蒙混层矿物含量较高,高岭石含量低的特征,伊利石含量大于20%,伊/蒙混层矿物含量变化大,平均为24%,高岭石含量低于30%,表明该区暗色泥岩形成于碱性环境,而北部的鄂托克前旗地区黏土矿物组成以富含高岭石为特征(含量>75%),反映北部暗色泥岩形成于酸性环境,这与干酪根元素分析反映该地区形成于陆上或近岸环境相对应。由于富含镜质组的Ⅲ型干酪根主要来自高等植物,植物遗体在同生阶段在浅层喜氧微生物参与下,遭受氧化分解形成大量腐殖酸,酸性介质进入砂岩储层,造成长石、岩屑等易溶颗粒发生溶解,生成高岭石,从而导致苏里格地区高岭石含量偏高。因此,将苏39井—苏6井—陕9井一线作为三角洲平原与三角洲前缘的分界线(图5)。

图3 Hacgueburd岩相图解Fig.3 Hacgueburd lithofacies diagrams

图4 盆地北部地区盒8砂体有机相分布图Fig.4 Distribution of organic facies of He 8 in North Ordos Basin

表2 盒8暗色泥岩黏土矿物X-衍射分析结果Table 2 X-ray diffraction analysis of dark mudstones of He 8

2.4 地球物理学标志

随着地球物理测井技术的日益完善,特别是数字测井的普及和测井地质学的迅猛发展,在沉积学研究中,已广泛应用测井地质学中有关理论来进行有关沉积学问题的研究。国内外实践已经证明,利用测井资料分析沉积环境,是一种快速而有效的方法,它可以为鉴定沉积环境提供十分有价值的依据性资料[29]。

定边—子洲一线以北地区自然伽马曲线主要呈现箱状、钟状特征,而在定边—子洲一线以南地区有漏斗状逆粒序的沉积结构特征,表明有三角洲前缘河口坝的沉积微相。因此,将定边—子洲一线作为三角洲平原与三角洲前缘的分界线(图6)。

2.5 湖岸线恢复

图5 盆地北部地区盒8砂体黏土矿物X-衍射分析分布图Fig.5 Distribution of X-ray analysis of He 8 in North Ordos Basin

图6 盆地北部地区盒8砂体自然伽马曲线分布图Fig.6 Distribution of gamma ray curve of He 8 in North Ordos Basin

图7 盒8湖岸线位置Fig.7 Lacustrine palaeoshoreline position of He 8

综合泥岩颜色、干酪根显微组分、黏土X衍射分析以及自然伽马曲线特征将苏38井—苏327井—陕9井一线作为盒8期湖泊的湖岸线(最大洪水期与陆地的交界线)(图7)。鄂尔多斯盆地盒8期古地形平缓,古沉积坡度小于2°,在此古地形背景下,湖平面的垂向变化可以引起湖岸线横向上的大幅度迁移。气候、构造沉降等变化易造成短期水进水退频繁发生,致使湖岸线不停地来回摆动,从而形成了湖岸线摆动带。华北板块在石炭纪—二叠纪不断地自赤道附近向北漂移,伴随着气候升温和干燥带的向赤道扩张,其主体逐渐脱离热带雨林气候带,到石盒子期研究区进入热带—亚热带干旱气候①赵会涛等.2010.苏里格南部天然气成藏规律研究(内部资料),决定了石盒子组盒8段沉积期河水补给以间歇性的大气降水为主,湖岸线受季节性降水影响,洪水期湖水水位上升,湖岸线前进;枯水期湖水水位下降,湖岸线后退,湖盆在洪水期与枯水期之间的湖岸线频繁摆动,导致大面积地区在洪水期处于水下,在枯水期处于水上。盒8段泥岩颜色分布图显示在湖岸线南部存在杂色泥岩和暗色泥岩混合区,干酪根显微元素分析表明在湖岸线南部存在镜质组与无定形均势的特征,这些均反映湖岸线频繁摆动。研究区三角洲前缘相陕344井沉积相纵剖面(图8)显示在盒8下段有漏斗状结构的河口坝砂体,暗色泥岩干酪根镜鉴结果也显示为水下前缘相沉积,但至盒8上段泥岩突变为杂色泥岩,反映该井区曾暴露出水面,湖岸线经历了反复摆动的过程。根据南部暗色泥岩的分布特征以及有机相分布特征,认为湖岸线向南最大摆动大致在定边—莲4井—陕344井—陕271井—子洲一线,与北部苏38井—苏327井—陕9井一线共同构成了盒8期湖岸线摆动带。

图8 S344井盒8段综合柱状图Fig.8 Comprehensive histogram of He 8 from Well S344l

3 古湖岸线控制优质储层分布

表3 不同沉积相砂体物性对比表Table 3 Correlation of physical properties of different sedimentary facies sandbodies

沉积微相不仅控制砂体的厚度及空间展布,还在微观上控制着储层物性。按照沉积微相与水深的关系,将研究区细分为水上沉积带、岸线摆动沉积带和水下沉积带。不同沉积带砂岩物性特征统计结果表明(表3),水上沉积带砂岩物性要优于岸线摆动沉积带和水下沉积带砂岩,渗透率尤为明显。砂岩孔隙类型统计反映水上沉积带砂岩岩屑溶孔、晶间孔、粒间孔、粒间溶孔含量及面孔率要明显高于岸线摆动沉积带和水下沉积带砂岩(表4)。这主要是因为不同沉积带沉积物中砂岩粒度、软岩屑含量、填隙物组成的差异以及后期成岩作用影响。从水上沉积带到水下沉积带,砂岩的粒度变细,软岩屑含量增加。砂岩粒径越大,孔隙度和渗透率值越高,相比之下渗透率受影响的程度更为明显[30],砂岩中软岩屑含量越低,面孔率越大[31]。水上沉积带砂岩中高岭石、硅质含量明显高于岸线摆动沉积带和水下沉积带砂岩(表5),反映其处于相对较强的酸性成岩环境[32],强烈溶蚀作用导致研究区水上沉积带砂岩呈现出凝灰质含量相对偏低的特点。晚成岩阶段烃源岩中有机质在热成熟过程中释放出CO2和有机酸,造成地层水呈酸性,使砂岩层中的凝灰质填隙物及不稳定岩屑的发生溶蚀,并且酸性介质浓度越高凝灰质填隙物溶蚀作用越强烈,在残余粒间孔隙发育的较开放环境里凝灰质填隙物溶蚀作用强烈[33],这些酸性的溶蚀流体不仅可以扩大、增加岩石孔隙,还可以改善孔隙的连通性和渗流条件,提高渗透率,从而使储层物性得到改善。

表4 不同沉积相砂体孔隙类型对比表(%)Table 4 Correlation of pore type of differents sedimentary facies sandbodies

表5 不同沉积相砂体填隙物组成对比表(%)Table 5 Correlation of interstitial material of different sedimentary facies sandbodies

4 结论

古湖岸线是历史时期湖平面与古陆地的交线,是陆上和水下沉积的分界线。确定古湖岸线的位置对于油气勘探起着重要的指导作用。本文在综合利用泥岩颜色、泥岩X衍射分析以及自然伽马曲线特征等常规湖岸线识别方法的基础上,从有机岩石学分析的全新角度认识研究区盒8段沉积环境,确定了盒8期古湖岸线具体位置及湖岸线摆动区。将苏38井—苏327井—陕9井一线作为盒8期湖泊的湖岸线(最大洪水期与陆地的交界线),湖岸线向南最大摆动大致在定边—莲4井—陕344井—陕271井—子洲一线,与北部湖岸线共同构成了盒8期湖岸线摆动带。沉积盆地中古湖岸线控制了优质储集层的形成与发育,由于砂岩粒度、软岩屑含量、填隙物组成的差异以及后期成岩作用导致水上沉积带砂岩物性要优于岸线摆动沉积带和水下沉积带砂岩。

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