高青松

（中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南郑州 450006）

1 区域沉积演化特征

鄂尔多斯盆地原是华北地台的一部分，早古生代地幔上拱，拉开了秦（岭）祁（连）海槽，使中国古陆解体形成了华北地台，至中生代侏罗纪一直是一个统一的整体，至晚侏罗世-白垩纪与华北地台分离，形成了独立的盆地。盆地可分为6个一级构造单元，即伊盟隆起、伊陕斜坡、天环坳陷、晋西挠褶带、西缘冲断带及渭北隆起带。大牛地气田位于鄂尔多斯盆地北东部，陕西省榆林市与内蒙古自治区鄂尔多斯市交界处。

中晚奥陶世的加里东运动，使鄂尔多斯地区整体抬升，在西南部形成了“L”型分布的断褶带和隆起，阻档了祁连海入侵，本区志留纪、泥盆纪及早石炭世早期没有接受沉积[1-8]。

早石炭世晚期，鄂尔多斯地区发生沉降，形成了自中元代以来的第四次海侵，再次接受海相沉积，海水从东西两个方向入侵，中部古隆起构成“I”字型陆梁，东西两侧岩性、岩相均不同。研究区位于东侧，地势平坦，海域开阔，即形成了本溪组沉积。晚石炭世海侵达到高潮，东西海侵汇合，淹没了中部古陆梁，后期海侵逐步转变为由南向北的方向，沉积相的南北分带开始显现，自加里东运动抬升剥蚀，本区地势趋于平缓，广海分布，形成滨海碎屑岩相、灰岩相及煤岩相组合[9-11]。

石炭纪太原期华北地台地区为陆表海滨海沉积环境[12-13]，陆表海具有海床坡度缓、海侵速度快的特点，短时间内可侵入数百到千余公里，突发性海侵多，沉积上相序具有明显的不连续性。太原期本区经历了多次的海侵过程，海水均来自于东南方向，且亦向东南方向退缩，形成了多期的灰岩与砂岩、泥岩、煤层交互的滨海沉积。太原组划分为两段，自下而上为太一段、太二段。气田主要的目的层为上古生界石炭系太原组、二叠系山西组、下石盒子组储层。其中太原组为一套陆表海的沉积是众多学者的共识，但对于太原组沉积相类型的认识却不尽相同。较多学者认为太原组为障壁岛-泻湖相沉积；部分学者认为太原组为陆表海碎屑岩-碳酸盐岩混积层系沉积相；部分学者认为太原组为滨岸碎屑岩、台地碳酸盐岩和三角洲沉积。

2 沉积相标志与微相类型

本文对 11口井近 163 m太原组的岩心观察及155块岩石薄片样品、61个粒度分析数据的整理分析，并读取了气田573口井的太原组地层的砂岩厚度、灰岩厚度、煤层厚度和地层厚度值。在上述资料基础上，通过对沉积物特征、储层岩石颗粒粒度分析，进一步证实太原组为滨海潮坪环境；通过层理、构造标志判定和岩石相类型、测井相类型分析，确定了各类微相类型，分析了各类沉积物的平面分布规律，描述了沉积相展布特征。

2.1 沉积物粒度分析

太原组沉积物颜色以暗色为主，包括灰、深灰、灰黑色泥岩，炭质泥岩，灰黑色灰岩及黑色煤岩；仅砂岩为灰白色中、粗粒石英砂岩。其中泥岩含植物碎屑化石，岩性不纯，常含粉砂或粉砂质条带；可见黄铁矿结核。

砂岩岩性相对较纯，碎屑颗粒含量为 77%～95%，其中石英含量较高，平均90.5%，颗粒次圆-圆状；胶结物以石英次生加大为主，含有少量菱铁矿、褐铁矿和白云石等自生矿物。表明太原组砂岩为海相砂岩，成熟度高、岩性纯、分选磨圆度较好。综合分析认为，太原组泥质等细粒沉积物为深水、沼泽等还原环境，砂岩为分选磨圆好、成熟度高的海相滩、坝沉积特点。

太原组储层主要为浅灰色中粒石英砂岩，岩性纯，石英含量较高，碎屑颗粒分选好、次圆为主，成份和结构成熟度均较高。粒度分布频率曲线多呈单峰对称形（图1a），粒度中值与众值基本一致，分选好。粒度概率曲线上表现为跳跃总体发育、无滚动总体和悬浮总体特征。跳跃总体又可分为两个直线段（图1b），斜率稍有差别，但均较陡，表明分选较好。C-M图无明显NO、OP、PQ及RS段，仅发育QR段，即粒序悬浮段，C与M值成比例增加，水动力和悬浮物粒度呈现有规律的递变，反映出海相高能滩坝砂的搬运特点（图1c）。

图1 太原组储层岩石粒度分析

2.2 层理、构造标志

太原组发育多种类型的层理类型，包括交错层理、板状层理、沙纹层理等，同时可见冲刷侵蚀面、生物扰动构造；但具有典型意义的层理有纵向交错层理、羽状交错层理、似“单向”水流构造、脉状层理、波状层理、透镜状层理等。

纵向交错层理：由于水道迅速迁移，层序向上变细，并对水道一侧原有层系进行近垂向侵蚀切割，为潮间坪的潮道曲流作用形成的结果。

羽状交错层理：在板状交错层理中可见到，相邻两组层系的前积纹层倾向相反，甚至相差180°，代表潮流的往返流特点。一般以一个方向为主，代表主潮流流向，另一组相对较弱或不发育。

似“单向”水流构造：在潮汐活动中，由于涨潮与退潮活动在空间上的非对称性，主潮流强大，多形成大波痕；次潮流较弱只形成小波痕加在大波痕的前积纹层上，二者倾向虽相反，但因大波痕前积纹层规模大而明显，直观表现似单向水流波痕交错层，常在大小波痕之间形成小型沙波透镜体。

透镜状层理：潮汐活动中，当砂的供应不足而泥质供应充分的条件下，砂质以小波痕形式搬运和沉积，但涨潮与退潮形成的砂质波痕前积纹层相反，在潮流平静期，海水中悬浮的泥质沉积在砂质波痕上形成泥盖，并被下一期形成的泥质层完全覆盖，形成了不连续的透镜状小砂层，分散在泥质层中。当砂、泥的供应程度相反时，则形成脉状层理[14]。

波状层理：泥质层几乎完全充填波谷，并覆盖于波脊上，所以泥质层的形态往往受到下伏砂波表面的影响，它是在水流或潮汐水动力较适中对砂、泥质保存均有利时形成。是透镜状层理与脉状层理的过渡类型，常与二者形成共生组合。

2.3 岩石相类型识别

结合岩性特征和层理结构，识别出太原组6种岩石相类型，有利的储层岩石相类型为浅灰-灰白色块状层理石英砂岩相及浅灰色交错层理石英砂岩相。

浅灰-灰白色块状层理石英砂岩相：肉眼辨认不出层内纹理，其定向排列均匀，岩性相对较纯，石英颗粒含量高，达90%以上；岩性分布均匀，层理不明显，反映单一成分的沉积物快速沉积而成。底部常可见冲刷面，下伏主要是泥质或细粉砂沉积，主要发育于水下分流河道或潮道下部。

浅灰色交错层理石英砂岩相：岩性主要为浅灰色中砂岩、细砂岩，石英颗粒含量较高。灰色前积纹层发育，厚度较小，一般为几厘米。相邻单元间的界线清晰明显，一般可见板状交错层理、羽状交错层理、楔状交错层理等。主要发育于水流交替出现、流向相反的潮汐水道上部。

灰色波状层理细、粉砂岩相：岩性主要浅灰、灰色细砂岩或粉细砂岩，泥质层相对发育，厚度不等。可见脉状层理、波状层理和透镜状层理，以及上述层理的不同组合类型，取决于水动力的强弱及砂、泥沉积物的丰富程度。主要发育于潮间带的中上部。

深灰色水平层理泥岩相：岩性为深灰色泥岩或粉砂质泥岩、炭质泥岩，相对较纯；层面可见植物茎干碎片化石，以水平层理为主。主要发育于潮间带上部。

深灰色微晶灰岩相：岩性主要为深灰色、灰黑色中厚层状泥晶灰岩，常含海相生物化石。主要形成于潮下或潮间带。

黑色中厚层煤岩相：黑色煤岩层，结构简单，含硫量较高，常与上覆砂岩呈突变接触。主要发育于潮上带。

2.4 测井相类型识别

太原组为海陆交互沉积，岩石类型多、岩性变化快，砂岩、泥岩、煤层及灰岩等不等厚相间发育，但储层测井相类型相对简单，以弓形、钟形、指形及齿形为主，以及少量的组合类型。

弓形：主要发育于太二段，平均厚度大于15 m；与辫状河道典型箱形曲线相似，但沉积环境相差悬殊。曲线为底部减速渐变、中部平滑、顶部加速渐变式，代表了早期物源供不足，水流能量弱的深水环境，具远砂坝反粒序特征；中期主要受波浪或潮汐作用淘洗，沉积物粒度均匀；后期由于水流能量急剧减弱或物源供应迅速减少，形成了加速渐变的沉积特点。总体反映了潮汐水道的沉积特征，为太原组主要的测井相类型之一[15]。

钟形：主要发育于太二段，厚度5～10 m；曲线底部突变、顶部渐变，反映了水流能量逐渐减弱、物源供应不断减少的沉积特点。表明潮间带的潮沟或潮溪水道迅速侧向迁移，具有曲流河道的特点，一般与弓形或指形曲线形成组合。

指形：主要发育于太一段，厚度1～5 m；为齿形的一种特殊类型，具对称粒序、高幅度的特点，反映了在强能量环境下的一种均匀粗颗粒的沉积，代表了急流作用下的潮道或浅滩沉积。

齿形：水流能量相对低，以低幅度为主，沉积物以泥为主、少量粉砂岩，反映了以水浅流缓的沙泥坪沉积。

2.5 沉积微相类型

太原组为潮坪亚相沉积，可分为潮下带潮道和浅滩，潮间带潮池和泥坪、沙坪、混合坪，潮上带泥沼坪沉积。

潮道：主要指潮下的潮汐水道，广义上将潮间带的潮沟也统称为潮道沉积[16]，具有水深、流急的特点，以大型的潮汐沙波为特征，泥质含量随砂岩粒度增大而减少。发育块状层理、大型双向交错层理。

潮下浅滩：位于平均低潮线以下，向下延伸与陆架浅海逐渐过渡。水动力条件状况比较复杂，受波浪和潮汐的共同作用，但潮汐的作用较强，并充分地筛选，沉积物较粗，分选及磨圆度均较高；砂体厚度较薄，以指形、齿形为主，发育小型波状层理。

潮池：位于潮间带上地势较低的封闭水域，潮间泥坪围绕其周边发育，潮汐作用弱，水流能量低。沉积物以深灰色灰岩、泥岩为主，见少量粉砂质泥岩，发育水平层理。

泥坪：位于潮间带上部或潮上带下部、被潮道或潮沟切割的区域，地势相对平坦；沉积物以泥岩为主，以及粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等，水平层理、透镜状层理发育。

沙泥混合坪：位于潮间带接近潮沟附近，沙、泥沉积物频繁交替，脉状层理、波状层理及透镜状层理发育。

泥沼坪：位于潮上带，沉积物以悬浮质泥为主，发育大量沼泽植物，形成煤层、炭质泥岩沉积。

3 沉积相平面展布

根据读取573口井的各类岩性厚度值，分别绘制了气田本溪组顶部灰岩厚度、太原组太一段砂岩厚度、太一段煤层厚度、太二段砂岩厚度、太二段灰岩厚度等值线图，再此基础上，结合不同区域不同井的测井相类型、前述沉积微相类型等特征，勾绘出太一、太二段沉积相图。

3.1 太一段沉积相展布

在前述沉积微相分析的基础上，结合本溪组灰岩、太一段砂岩、煤层的展布特征及不同区域测井相类型，对大牛地气田太一段沉积相进行分析描述。

本溪组顶部灰岩：主要分布在东南部，为本溪期最后一次海侵形成，厚0～6 m，东部、南部厚度略大，表明石炭纪早期海侵方向为东南向（图 2）。

图2 本溪组顶部灰岩厚度分布

太一段煤层：太一段煤层为石炭-二叠系主煤层，厚度大、分布广，区内均有分布，厚度1～12 m，受后期太二期潮道的侵蚀，形成了条带状的煤层减薄区。

太一段砂岩（图3）：呈条带状展布，主体方向为北西-南东向，连续性差、厚度小，最大厚度8 m。

综合分析表明，太一段为滨海潮坪相沉积，以研究区东北、西南角连线为界，东南部为潮间带沉积，西北部为潮上带沉积。太一期海侵主要来自东南方向，潮汐水流方向为南东-北西向，潮汐作用强。东南部沿潮流方向发育6～8条潮道、潮沟，长度不一、宽度不等，最长可达20.0 km，最宽可达2.5 km。西北部发育潮上带泥坪及泥沼坪，泥沼坪主要有三个，以沼泽发育形成的厚煤层为特征，厚度大于12 m（图4）。

图4 太一段沉积微相

3.2 太二段沉积相展布

在前述沉积微相分析的基础上，结合太二段砂岩、太二段灰岩的展布特征及不同区域测井相类型，对研究区太二段沉积相进行分析描述。

太二段砂岩：主体呈近北东-南西向条带状展布，延伸方向相对较直，砂岩厚度较大（6～35 m），且砂带中心厚，两侧较薄。在西南、东南部各有一条延伸较短的砂带，呈近南北向展布，厚度明显减薄，最厚仅12 m（图5）。

太二段灰岩：总体上灰岩主要分布在气田西南部，呈现不规则港湾状，分布在四个区域，中心厚、边部薄，由南向北变薄展布。中部厚2～8 m，分布稳定；其它区域薄，一般厚1～3 m（图6）。

结合上述综合分析，太二段为滨海潮坪相沉积，以潮间带环境为主，自南部向北发育三条规模大小不等的潮道，以中间潮道最为发育，平均宽度小于3.0 km，向北北东方向延伸穿越研究区，长约45.0 km，潮道沉积砂体厚度较大，平均约20 m；西部潮沟较窄，平均约0.7 km，向北延伸长约17.0 km，厚度较薄，平均厚度小于8 m；东部潮道与中间潮道宽度基本相同，但向北延伸距离较短，长度约13.0 km。中间潮道两侧均发育潮池，西部潮池分布范围相对较大，近似成月形或等腰三角形，底长约35.0 km，腰长约18.0 km；中间潮道东部潮池范围较小，近似成圆形，半径约6.0 km。北东部发育近半圆形的沙泥混合坪，半径约12.0 km，潮道进入沙泥混合坪之后，发生三次决口，形成次一级潮沟（图7）。

图5 太二段砂岩厚度分布

图6 太二段灰岩厚度分布

图7 太二段沉积微相

4 结论

（1）大牛地气田石炭系太原组太二段砂岩分选好，石英含量高，厚度大，横向变化快，呈北东-南西向条带状展布；主要发育纵向交错层理、羽状交错层理、脉状层理、波状层理等；岩石相类型包括浅灰-灰白色块状层理石英砂岩相、浅灰色交错层理石英砂岩相；测井相类型主要为弓形、钟形及其组合类型。太一段砂岩厚度薄，呈北西-南东向展布；测井相类型包括指形、钟形等。

（2）太原组为滨海潮坪相，太一段在东南部发育潮间带的潮沟及泥坪沉积；6～8条不同宽度的潮沟由东南向西北方向展布；西北部发育了潮上带泥沼沉积。太二段沉积期主要发育潮间带沉积，包括三条近南北向的潮带、潮沟，及潮沟之间的潮池、泥坪沉积。潮道、潮沟沉积砂岩相对较纯，分布相对稳定，是太原组储层有利微相。