大牛地氣田石炭系太原組沉積相類型再分析

高青松

（中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南鄭州 450006）

1 區域沉積演化特征

鄂爾多斯盆地原是華北地臺的一部分，早古生代地幔上拱，拉開了秦（嶺）祁（連）海槽，使中國古陸解體形成了華北地臺，至中生代侏羅紀一直是一個統一的整體，至晚侏羅世-白堊紀與華北地臺分離，形成了獨立的盆地。盆地可分為6個一級構造單元，即伊盟隆起、伊陜斜坡、天環坳陷、晉西撓褶帶、西緣沖斷帶及渭北隆起帶。大牛地氣田位于鄂爾多斯盆地北東部，陜西省榆林市與內蒙古自治區鄂爾多斯市交界處。

中晚奧陶世的加里東運動，使鄂爾多斯地區整體抬升，在西南部形成了“L”型分布的斷褶帶和隆起，阻檔了祁連海入侵，本區志留紀、泥盆紀及早石炭世早期沒有接受沉積[1-8]。

早石炭世晚期，鄂爾多斯地區發生沉降，形成了自中元代以來的第四次海侵，再次接受海相沉積，海水從東西兩個方向入侵，中部古隆起構成“I”字型陸梁，東西兩側巖性、巖相均不同。研究區位于東側，地勢平坦，海域開闊，即形成了本溪組沉積。晚石炭世海侵達到高潮，東西海侵匯合，淹沒了中部古陸梁，后期海侵逐步轉變為由南向北的方向，沉積相的南北分帶開始顯現，自加里東運動抬升剝蝕，本區地勢趨于平緩，廣海分布，形成濱海碎屑巖相、灰巖相及煤巖相組合[9-11]。

石炭紀太原期華北地臺地區為陸表海濱海沉積環境[12-13]，陸表海具有海床坡度緩、海侵速度快的特點，短時間內可侵入數百到千余公里，突發性海侵多，沉積上相序具有明顯的不連續性。太原期本區經歷了多次的海侵過程，海水均來自于東南方向，且亦向東南方向退縮，形成了多期的灰巖與砂巖、泥巖、煤層交互的濱海沉積。太原組劃分為兩段，自下而上為太一段、太二段。氣田主要的目的層為上古生界石炭系太原組、二疊系山西組、下石盒子組儲層。其中太原組為一套陸表海的沉積是眾多學者的共識，但對于太原組沉積相類型的認識卻不盡相同。較多學者認為太原組為障壁島-瀉湖相沉積；部分學者認為太原組為陸表海碎屑巖-碳酸鹽巖混積層系沉積相；部分學者認為太原組為濱岸碎屑巖、臺地碳酸鹽巖和三角洲沉積。

2 沉積相標志與微相類型

本文對 11口井近 163 m太原組的巖心觀察及155塊巖石薄片樣品、61個粒度分析數據的整理分析，并讀取了氣田573口井的太原組地層的砂巖厚度、灰巖厚度、煤層厚度和地層厚度值。在上述資料基礎上，通過對沉積物特征、儲層巖石顆粒粒度分析，進一步證實太原組為濱海潮坪環境；通過層理、構造標志判定和巖石相類型、測井相類型分析，確定了各類微相類型，分析了各類沉積物的平面分布規律，描述了沉積相展布特征。

2.1 沉積物粒度分析

太原組沉積物顏色以暗色為主，包括灰、深灰、灰黑色泥巖，炭質泥巖，灰黑色灰巖及黑色煤巖；僅砂巖為灰白色中、粗粒石英砂巖。其中泥巖含植物碎屑化石，巖性不純，常含粉砂或粉砂質條帶；可見黃鐵礦結核。

砂巖巖性相對較純，碎屑顆粒含量為 77%～95%，其中石英含量較高，平均90.5%，顆粒次圓-圓狀；膠結物以石英次生加大為主，含有少量菱鐵礦、褐鐵礦和白云石等自生礦物。表明太原組砂巖為海相砂巖，成熟度高、巖性純、分選磨圓度較好。綜合分析認為，太原組泥質等細粒沉積物為深水、沼澤等還原環境，砂巖為分選磨圓好、成熟度高的海相灘、壩沉積特點。

太原組儲層主要為淺灰色中粒石英砂巖，巖性純，石英含量較高，碎屑顆粒分選好、次圓為主，成份和結構成熟度均較高。粒度分布頻率曲線多呈單峰對稱形（圖1a），粒度中值與眾值基本一致，分選好。粒度概率曲線上表現為跳躍總體發育、無滾動總體和懸浮總體特征。跳躍總體又可分為兩個直線段（圖1b），斜率稍有差別，但均較陡，表明分選較好。C-M圖無明顯NO、OP、PQ及RS段，僅發育QR段，即粒序懸浮段，C與M值成比例增加，水動力和懸浮物粒度呈現有規律的遞變，反映出海相高能灘壩砂的搬運特點（圖1c）。

圖1 太原組儲層巖石粒度分析

2.2 層理、構造標志

太原組發育多種類型的層理類型，包括交錯層理、板狀層理、沙紋層理等，同時可見沖刷侵蝕面、生物擾動構造；但具有典型意義的層理有縱向交錯層理、羽狀交錯層理、似“單向”水流構造、脈狀層理、波狀層理、透鏡狀層理等。

縱向交錯層理：由于水道迅速遷移，層序向上變細，并對水道一側原有層系進行近垂向侵蝕切割，為潮間坪的潮道曲流作用形成的結果。

羽狀交錯層理：在板狀交錯層理中可見到，相鄰兩組層系的前積紋層傾向相反，甚至相差180°，代表潮流的往返流特點。一般以一個方向為主，代表主潮流流向，另一組相對較弱或不發育。

似“單向”水流構造：在潮汐活動中，由于漲潮與退潮活動在空間上的非對稱性，主潮流強大，多形成大波痕；次潮流較弱只形成小波痕加在大波痕的前積紋層上，二者傾向雖相反，但因大波痕前積紋層規模大而明顯，直觀表現似單向水流波痕交錯層，常在大小波痕之間形成小型沙波透鏡體。

透鏡狀層理：潮汐活動中，當砂的供應不足而泥質供應充分的條件下，砂質以小波痕形式搬運和沉積，但漲潮與退潮形成的砂質波痕前積紋層相反，在潮流平靜期，海水中懸浮的泥質沉積在砂質波痕上形成泥蓋，并被下一期形成的泥質層完全覆蓋，形成了不連續的透鏡狀小砂層，分散在泥質層中。當砂、泥的供應程度相反時，則形成脈狀層理[14]。

波狀層理：泥質層幾乎完全充填波谷，并覆蓋于波脊上，所以泥質層的形態往往受到下伏砂波表面的影響，它是在水流或潮汐水動力較適中對砂、泥質保存均有利時形成。是透鏡狀層理與脈狀層理的過渡類型，常與二者形成共生組合。

2.3 巖石相類型識別

結合巖性特征和層理結構，識別出太原組6種巖石相類型，有利的儲層巖石相類型為淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相及淺灰色交錯層理石英砂巖相。

淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相：肉眼辨認不出層內紋理，其定向排列均勻，巖性相對較純，石英顆粒含量高，達90%以上；巖性分布均勻，層理不明顯，反映單一成分的沉積物快速沉積而成。底部?？梢姏_刷面，下伏主要是泥質或細粉砂沉積，主要發育于水下分流河道或潮道下部。

淺灰色交錯層理石英砂巖相：巖性主要為淺灰色中砂巖、細砂巖，石英顆粒含量較高?；疑胺e紋層發育，厚度較小，一般為幾厘米。相鄰單元間的界線清晰明顯，一般可見板狀交錯層理、羽狀交錯層理、楔狀交錯層理等。主要發育于水流交替出現、流向相反的潮汐水道上部。

灰色波狀層理細、粉砂巖相：巖性主要淺灰、灰色細砂巖或粉細砂巖，泥質層相對發育，厚度不等?？梢娒}狀層理、波狀層理和透鏡狀層理，以及上述層理的不同組合類型，取決于水動力的強弱及砂、泥沉積物的豐富程度。主要發育于潮間帶的中上部。

深灰色水平層理泥巖相：巖性為深灰色泥巖或粉砂質泥巖、炭質泥巖，相對較純；層面可見植物莖干碎片化石，以水平層理為主。主要發育于潮間帶上部。

深灰色微晶灰巖相：巖性主要為深灰色、灰黑色中厚層狀泥晶灰巖，常含海相生物化石。主要形成于潮下或潮間帶。

黑色中厚層煤巖相：黑色煤巖層，結構簡單，含硫量較高，常與上覆砂巖呈突變接觸。主要發育于潮上帶。

2.4 測井相類型識別

太原組為海陸交互沉積，巖石類型多、巖性變化快，砂巖、泥巖、煤層及灰巖等不等厚相間發育，但儲層測井相類型相對簡單，以弓形、鐘形、指形及齒形為主，以及少量的組合類型。

弓形：主要發育于太二段，平均厚度大于15 m；與辮狀河道典型箱形曲線相似，但沉積環境相差懸殊。曲線為底部減速漸變、中部平滑、頂部加速漸變式，代表了早期物源供不足，水流能量弱的深水環境，具遠砂壩反粒序特征；中期主要受波浪或潮汐作用淘洗，沉積物粒度均勻；后期由于水流能量急劇減弱或物源供應迅速減少，形成了加速漸變的沉積特點?？傮w反映了潮汐水道的沉積特征，為太原組主要的測井相類型之一[15]。

鐘形：主要發育于太二段，厚度5～10 m；曲線底部突變、頂部漸變，反映了水流能量逐漸減弱、物源供應不斷減少的沉積特點。表明潮間帶的潮溝或潮溪水道迅速側向遷移，具有曲流河道的特點，一般與弓形或指形曲線形成組合。

指形：主要發育于太一段，厚度1～5 m；為齒形的一種特殊類型，具對稱粒序、高幅度的特點，反映了在強能量環境下的一種均勻粗顆粒的沉積，代表了急流作用下的潮道或淺灘沉積。

齒形：水流能量相對低，以低幅度為主，沉積物以泥為主、少量粉砂巖，反映了以水淺流緩的沙泥坪沉積。

2.5 沉積微相類型

太原組為潮坪亞相沉積，可分為潮下帶潮道和淺灘，潮間帶潮池和泥坪、沙坪、混合坪，潮上帶泥沼坪沉積。

潮道：主要指潮下的潮汐水道，廣義上將潮間帶的潮溝也統稱為潮道沉積[16]，具有水深、流急的特點，以大型的潮汐沙波為特征，泥質含量隨砂巖粒度增大而減少。發育塊狀層理、大型雙向交錯層理。

潮下淺灘：位于平均低潮線以下，向下延伸與陸架淺海逐漸過渡。水動力條件狀況比較復雜，受波浪和潮汐的共同作用，但潮汐的作用較強，并充分地篩選，沉積物較粗，分選及磨圓度均較高；砂體厚度較薄，以指形、齒形為主，發育小型波狀層理。

潮池：位于潮間帶上地勢較低的封閉水域，潮間泥坪圍繞其周邊發育，潮汐作用弱，水流能量低。沉積物以深灰色灰巖、泥巖為主，見少量粉砂質泥巖，發育水平層理。

泥坪：位于潮間帶上部或潮上帶下部、被潮道或潮溝切割的區域，地勢相對平坦；沉積物以泥巖為主，以及粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等，水平層理、透鏡狀層理發育。

沙泥混合坪：位于潮間帶接近潮溝附近，沙、泥沉積物頻繁交替，脈狀層理、波狀層理及透鏡狀層理發育。

泥沼坪：位于潮上帶，沉積物以懸浮質泥為主，發育大量沼澤植物，形成煤層、炭質泥巖沉積。

3 沉積相平面展布

根據讀取573口井的各類巖性厚度值，分別繪制了氣田本溪組頂部灰巖厚度、太原組太一段砂巖厚度、太一段煤層厚度、太二段砂巖厚度、太二段灰巖厚度等值線圖，再此基礎上，結合不同區域不同井的測井相類型、前述沉積微相類型等特征，勾繪出太一、太二段沉積相圖。

3.1 太一段沉積相展布

在前述沉積微相分析的基礎上，結合本溪組灰巖、太一段砂巖、煤層的展布特征及不同區域測井相類型，對大牛地氣田太一段沉積相進行分析描述。

本溪組頂部灰巖：主要分布在東南部，為本溪期最后一次海侵形成，厚0～6 m，東部、南部厚度略大，表明石炭紀早期海侵方向為東南向（圖 2）。

圖2 本溪組頂部灰巖厚度分布

太一段煤層：太一段煤層為石炭-二疊系主煤層，厚度大、分布廣，區內均有分布，厚度1～12 m，受后期太二期潮道的侵蝕，形成了條帶狀的煤層減薄區。

太一段砂巖（圖3）：呈條帶狀展布，主體方向為北西-南東向，連續性差、厚度小，最大厚度8 m。

綜合分析表明，太一段為濱海潮坪相沉積，以研究區東北、西南角連線為界，東南部為潮間帶沉積，西北部為潮上帶沉積。太一期海侵主要來自東南方向，潮汐水流方向為南東-北西向，潮汐作用強。東南部沿潮流方向發育6～8條潮道、潮溝，長度不一、寬度不等，最長可達20.0 km，最寬可達2.5 km。西北部發育潮上帶泥坪及泥沼坪，泥沼坪主要有三個，以沼澤發育形成的厚煤層為特征，厚度大于12 m（圖4）。

圖4 太一段沉積微相

3.2 太二段沉積相展布

在前述沉積微相分析的基礎上，結合太二段砂巖、太二段灰巖的展布特征及不同區域測井相類型，對研究區太二段沉積相進行分析描述。

太二段砂巖：主體呈近北東-南西向條帶狀展布，延伸方向相對較直，砂巖厚度較大（6～35 m），且砂帶中心厚，兩側較薄。在西南、東南部各有一條延伸較短的砂帶，呈近南北向展布，厚度明顯減薄，最厚僅12 m（圖5）。

太二段灰巖：總體上灰巖主要分布在氣田西南部，呈現不規則港灣狀，分布在四個區域，中心厚、邊部薄，由南向北變薄展布。中部厚2～8 m，分布穩定；其它區域薄，一般厚1～3 m（圖6）。

結合上述綜合分析，太二段為濱海潮坪相沉積，以潮間帶環境為主，自南部向北發育三條規模大小不等的潮道，以中間潮道最為發育，平均寬度小于3.0 km，向北北東方向延伸穿越研究區，長約45.0 km，潮道沉積砂體厚度較大，平均約20 m；西部潮溝較窄，平均約0.7 km，向北延伸長約17.0 km，厚度較薄，平均厚度小于8 m；東部潮道與中間潮道寬度基本相同，但向北延伸距離較短，長度約13.0 km。中間潮道兩側均發育潮池，西部潮池分布范圍相對較大，近似成月形或等腰三角形，底長約35.0 km，腰長約18.0 km；中間潮道東部潮池范圍較小，近似成圓形，半徑約6.0 km。北東部發育近半圓形的沙泥混合坪，半徑約12.0 km，潮道進入沙泥混合坪之后，發生三次決口，形成次一級潮溝（圖7）。

圖5 太二段砂巖厚度分布

圖6 太二段灰巖厚度分布

圖7 太二段沉積微相

4 結論

（1）大牛地氣田石炭系太原組太二段砂巖分選好，石英含量高，厚度大，橫向變化快，呈北東-南西向條帶狀展布；主要發育縱向交錯層理、羽狀交錯層理、脈狀層理、波狀層理等；巖石相類型包括淺灰-灰白色塊狀層理石英砂巖相、淺灰色交錯層理石英砂巖相；測井相類型主要為弓形、鐘形及其組合類型。太一段砂巖厚度薄，呈北西-南東向展布；測井相類型包括指形、鐘形等。

（2）太原組為濱海潮坪相，太一段在東南部發育潮間帶的潮溝及泥坪沉積；6～8條不同寬度的潮溝由東南向西北方向展布；西北部發育了潮上帶泥沼沉積。太二段沉積期主要發育潮間帶沉積，包括三條近南北向的潮帶、潮溝，及潮溝之間的潮池、泥坪沉積。潮道、潮溝沉積砂巖相對較純，分布相對穩定，是太原組儲層有利微相。