王涛，聂万才，刘军，黄锦袖，范昌育，彭叙凯

（1.中国石油长庆油田分公司宜黄天然气项目部，陕西 西安 710018；2.中国石油长庆油田分公司气田开发事业部，陕西 西安 710018；3.西北大学地质学系，陕西 西安 710069）

0 引言

鄂尔多斯盆地南部上古生界天然气开发潜力大，天然气资源量约为 1.5×1012m3，但勘探程度很低[1]。 太原组作为上古生界天然气的主力含气层之一，具有低孔渗、低丰度、面积大、连续性较差等特点，滞缓了天然气勘探开发速度。本文对不同区域致密砂体的展布进行了研究，并分析了致密砂体控砂机理，研究成果对有效勘探开发天然气有一定的意义[2-4]。

砂体展布受多种因素的影响，古构造形态、物源供给、沉积体系展布以及水动力条件等都具有显著的控砂作用[5-7]。前人对鄂尔多斯盆地上古生界太原组地层的沉积相特征已进行了大量研究，认为在盆地范围内可发育三角洲、障壁海岸和碳酸盐台地沉积相。其中，陆相三角洲沉积相多发育在盆地中北部地区，障壁海岸和碳酸盐台地沉积相则发育在盆地南部[8-10]。在大多数海陆过渡相沉积体系中，砂体碎屑物来自陆相物源，多以障壁岛相沉积为主，当物源供给较弱时，障壁岛相朝陆地方向迁移[11-12]。海侵作用对障壁砂沉积的影响非常大[13-14]。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地宜川地区东南部的伊陕斜坡之上，构造稳定，地层倾角平缓。鄂尔多斯盆地在早古生代—中生代的发展过程中，经历了差异升降和构造分异等事件，导致上古生界泥盆系和下石炭系地层缺失[15]。研究区稳定发育的地层自下而上为上石炭统本溪组、二叠系太原组、山西组、石盒子组和石千峰组等。

晚石炭世以来，盆地遭遇来自华北海和祁连海的海水入侵。早二叠世早期，海水来自东南方向[16]，使得盆地东南缘在太原期处于浅海陆棚沉积环境，向西及西北方向逐渐演化为海陆过渡相[1，16]。宜川地区则位于海陆过渡相沉积体系中。在不同程度的海浸/海退作用下，太原组形成了碳酸盐岩、砂岩、泥岩和煤层互相叠置的混合岩性沉积。山西期之后，盆地发生大规模海退，沉积体系由海陆过渡相向河流湖泊相转变，形成以陆源碎屑为主的沉积[17]。

2 地层划分

前人对鄂尔多斯盆地的地层划分已经进行了大量研究[10，16-17]，基于相对成熟的上古生界地层划分准则以及太原组小层划分标准，通过识别鄂尔多斯盆地东南部上古生界的地层层序界面和组内旋回标志层，对太原组地层及小层进行了划分。盆地东南部上古生界太原组和本溪组共为1个二级层序，山西组则为另一二级层序。通过识别每个层序界面，将太原组与上覆山西组和下伏本溪组进行地层划分，识别标志为山西组底部的北岱沟砂岩和本溪组顶部的9号煤[18-19]，在研究区稳定发育，且易于识别。太1段底部的石灰岩和太2段顶部的煤层为地层旋回标志，在研究区内稳定发育，测井曲线特征明显，是划分太原组小层的主要依据（见图 1）。

图1 宜川地区Y1井太原组地层划分

3 砂体展布特征

3.1 剖面展布特征

宜川地区太原组纵向上共发育4套单砂体，与盆地中北部发育3套单砂体的情况稍有不同[10，20]。本研究将4套单砂体自上而下命名为t1，t2，t3，t4。其中，t1和t2单砂体发育于太1段，t3和t4单砂体发育于太2段，并分析了北东—南西向AA′剖面（见图 2）和北西—南东向BB′剖面（见图3）单砂体的展布情况（剖面位置见图4）。在AA′剖面上，4套单砂体均为局部发育，横向上连续性差，但砂体沉积厚度较大，可达15 m以上。在BB′剖面上，t1单砂体连续沉积，沉积厚度不稳定，t2和t3单砂体局部薄层发育，t4单砂体在西南部形成薄层，且连续沉积（见图2、图3）。

3.2 平面展布特征

对宜川地区141口井的砂体数据进行统计，并分析太1段和太2段的砂体展布情况。研究区各段砂体在平面上的连续性较差，主要沉积北东—南西向的透镜状、块状和长条状砂体。太2段砂体厚度主要分布在2～12 m，在西北部 Y91、中部 Y78、东南部 Y87井区附近沉积较厚，可达12 m以上（见图4a）。太1段砂体面积稍大，集中发育于东北部，在Y20，Y43，Y57井区等 多处发育15 m以上的厚层砂体（见图4b）。

图2 宜川地区北东—南西向AA′剖面单砂体展布

图3 宜川地区北西—南东向BB′剖面单砂体展布

图4 宜川地区太原组砂体展布及剖面位置

4 致密砂体控砂机理

4.1 古构造特征

古构造恢复有助于沉积体系配置以及砂体展布的研究[21-22]。地势起伏、低洼区位置以及台地低洼区坡折带的发育决定了沉积物的供给[5，12]，进而控制砂体发育。本研究以本溪组顶部发育的稳定煤层和太1段发育的稳定石灰岩作为古构造面和基准面，利用印模法对太1段和太2段进行古构造恢复（见图5）。

宜川地区太原组地势起伏较大，在中东部海拔相对较低。太2段主要沉积于Y6，Y54，Y78，Y79等井区的地势低洼区（见图5a）；太1段由于地势起伏减弱，主要沉积于 Y6，Y16，Y53，Y54等井区的地势低洼区（见图 5b）。

古构造对沉积的控制作用主要表现为低洼区的沉积充填作用以及古构造的填平补齐作用[5]。太2段障壁砂主要发育于中东部海拔较低区域，太1段障壁砂主要发育于Y6井区等海拔较低区域（见图4、图5）。

图5 宜川地区太原组古构造恢复

4.2 物源供给

物源决定砂体的发育情况，对砂体的沉积范围[10]以及沉积相类型[10，23]均具有一定的控制作用。晚古生代时期，北部阿拉善—阴山古陆是鄂尔多斯盆地的主要物源区，在盆地中北部形成三角洲沉积相[24]，砂体向南延伸至佳县—延安—庆阳一线，南部地区离北部物源较远，砂体无法延伸至此[10]。南部二叠系太原组的岩性、重矿物等特征与阿拉善—阴山古陆不同[25]。

沉积盆地与物源区分布受大地构造的影响。因此，在沉积盆地内，沉积物碎屑组分和结构特征与物源区大地构造性质有着必然联系。Dickinson三角图解[25]是研究物源区大地构造性质的常用方法。前人通过岩石学、重矿物组合、砂岩成分等分析发现：太原组沉积期与上古生界其他几期的砂体构造特征类似，物源也来自洋壳与陆壳的俯冲带及其相邻构造单元，以及后期形成的缝合带及褶皱逆掩带；构造背景与秦岭造山带相同，但又与阿拉善—阴山古陆有明显不同的特征。因此，宜川地区太原组碎屑沉积物主要来源于华北板块南缘的秦岭造山带[17，24，26]。

由于古生代沉积初期母岩为碳酸盐岩，碎屑物质多为碳酸盐岩风化产物，缺少碎粒屑供应，导致太原组碎屑砂体沉积较少[17]，在东南部海水的冲击下难以保存。因此，在宜川地区仅形成范围较小、沉积较分散的小型障壁砂。

4.3 沉积体系

鄂尔多斯盆地在晚石炭世遭遇来自华北海和祁连海的海水入侵，形成海相沉积。太原组沉积期，海水减退，盆地东南部形成了由海相向海陆过渡相转化的海岸沉积特征[1，27]。结合研究区岩性、沉积构造和地球物理测井等资料，将宜川地区太原组沉积划分为碳酸盐台地沉积体系和障壁海岸沉积体系。

在海侵期，海水大面积覆盖研究区，东部形成以石灰岩、泥晶灰岩为主的碳酸盐沉积，石灰岩在太原组上部较厚，下部以泥岩或薄煤层隔开。在海退期，海水水动力减弱，海水补给受限，水体下降，形成障壁海岸沉积。障壁海岸区域上可划分为潟湖沼泽相和障壁岛相。水体下降过程中，沉积颗粒逐渐变粗，砂体逐渐发育，形成障壁岛相。研究区障壁岛相主要分布在碳酸盐台地西侧，呈北东—南西向；潟湖沼泽相主要分布在障壁岛相西侧，发育煤层和泥岩等泥碳沉积。

太2期海水由东部侵入，侵入距离较远，海相碳酸盐台地沉积面积较大。碎屑沉积物在海侵作用下，北东—南西向障壁岛相发育于台地边缘，阻挡海水进一步入侵，而在另一侧发育潟湖沼泽相沉积。太1期海水侵入方向稍偏向南，海水稍有退出，碎屑沉积物向海一侧移动，形成障壁砂。相比于太2期，太1期障壁岛相在平面上的发育较集中，2期障壁岛相的方向基本一致。在物源基础上，沉积相控制了砂体的展布形态和方向，研究区以透镜状、块状和长条状的砂体沉积为主，呈北东—南西向展布。

4.4 海侵/海退事件

沉积相分析显示了海水从东南方向侵入宜川地区，石灰岩沉积表示地层遭遇了海侵，障壁砂、潟湖沼泽的泥碳沉积则代表发生了海退。太原组地层纵向上具有砂岩、石灰岩以及泥碳沉积相互叠置的特征，砂岩与石灰岩的发育互为消长。鄂尔多斯盆地在太原组沉积期发育东大窑石灰岩、斜道石灰岩、毛儿沟石灰岩、庙沟石灰岩、5—8号煤以及t1—t4单砂体 （见图6）。研究表明，研究区遭遇了4期海侵/海退事件。

4期海侵/海退事件控制了太原组砂体的分布，太1和太2沉积期分别经历了2期海侵/海退事件，海侵/海退模式见图6。在太2沉积期的第1期海侵事件中，宜川地区北东—南西方向上沉积了庙沟石灰岩，砂体不发育（见图6、图7a）；此后海水稍有退出，沉积了t4单砂体，砂体主要发育在西南地区（见图6、图7b）。第2期海侵过程中，沉积了毛儿沟石灰岩，砂体不发育；海退过程中，沉积t3单砂体，砂体较薄，砂岩的发育位置会稍向海退方向移动（见图6、图7c、图7d）。太1期同样经历了2期海侵和海退事件，海侵时发育斜道石灰岩和东大窑石灰岩，砂体不发育，在海退过程中分别沉积了t2和t1单砂体（见图6）。海侵事件会打断纵向上砂体的连续性沉积，海侵次数越多，单砂体个数越多，砂体在纵向上的连续性越差。海侵时，沉积海相石灰岩，障壁砂不发育；海退时，沉积障壁砂，并随着海岸线变化向南东方向推移。海侵/海退事件决定了单砂体的沉积厚度和连续性，并与石灰岩沉积互为消长。研究区砂体主要发育于石灰岩厚度小于8 m的区域。

图6 宜川地区太原组海侵/海退模式

图7 宜川地区太原组砂体分布模式

太2段沉积庙沟石灰岩与毛儿沟石灰岩，沉积范围小，中部与东南部不连续，沉积厚度在3～10 m，表明太2期的2期海侵作用较弱。太2段砂体在庙沟石灰岩沉积之后的海退过程中，以及毛儿沟—斜道石灰岩沉积期的海侵扩大过程中沉积[1]。海退过程中，t4单砂体局部连续沉积；海侵扩大过程中，t3单砂体发育不连续（见图 2、图 3）。

太1段沉积东大窑石灰岩和斜道石灰岩，斜道石灰岩沉积期是晚古生代最强海侵期[20，28]，沉积了面积较大、连续性好、厚度为3～18 m的太1段石灰岩。太1段的2套单砂体分别是在斜道石灰岩和东大窑石灰岩沉积之后，且海平面下降过程中形成的。由于斜道石灰岩沉积期海侵作用强，沉积期之后的海退过程中，t2单砂体局部发育。太1段砂体主要为东大窑石灰岩沉积期之后的海退时形成，由于海水退出较多，沉积砂体较厚且连续性较好的t1单砂体（见图2、图3）。

5 结论

1）宜川地区太原组砂体沉积位置主要受古构造的控制，宜川地区中东部古地势较低，低洼及邻近区域为砂体主要沉积区。

2）砂体发育面积和沉积相类型受物源控制。由于受古生代沉积初期母岩的影响，碎屑物供给不足，导致砂体发育面积小，沉积较分散。在物源和沉积环境的共同作用下，东部海侵之后的海水退出过程中，研究区主要形成以透镜状、块状和长条状为主的障壁砂，砂体呈北东—南西向展布。

3）海侵/海退事件控制了单砂体的沉积厚度及连续性，海侵过程中沉积石灰岩，砂体发育与石灰岩互为消长。太原组沉积期共遭遇4期海侵/海退事件，纵向上形成4套单砂体，砂体主要发育在石灰岩厚度小于8 m的区域。