鄂爾多斯盆地杭錦旗地區晚古生代盆緣古地貌控砂及油氣勘探意義

胡華蕊，邢鳳存，齊 榮，王 超，劉曉晨，陳 林，陳孝全

(1.油氣藏地質與開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.成都理工大學 沉積地質研究院，成都 610059； 3.中國石化 華北油氣分公司 勘探開發研究院，鄭州 450006；4.中國石化 江漢油田分公司 勘探開發研究院，湖北 430223； 5.中國地質大學(武漢) 構造與油氣資源教育部重點實驗室，武漢 430074； 6.中國地質大學 資源學院，武漢 430074；7.武漢地質調查中心，武漢 430205)

近些年，地處鄂爾多斯盆地上古生界生氣中心邊緣的大牛地億噸級大氣田的發現[1]及其北部杭錦旗探區(圖1)[2]的油氣勘探重大突破[3]，都指示了盆地北部石炭系—二疊系致密砂巖良好的油氣勘探前景。由于處于沉積期盆地邊緣帶，相比盆地腹部，杭錦旗地區上古生界砂體展布規律尚待揭示。

前人以組段為單元[3-7]，對杭錦旗地區上石炭統太原組、下二疊統山西組和中二疊統下石盒子組(圖2)開展了沉積、儲層和油氣成藏等方面的綜合研究[8-10]，但針對盆地沉積邊緣地區、以河道為主的致密儲集砂體的精細時空動態展布和演化，及其與沉積期古地貌演化的相關性還有待揭示。本文將為鄂爾多斯盆地北部乃至類似背景條件下的致密砂巖時空配置研究及油氣勘探提供支撐和參考。

1 地質概況

晚加里東—海西運動早期，鄂爾多斯盆地經歷了普遍的構造抬升剝蝕[11]，受晚古生代南北兩側中亞—蒙古海槽和秦嶺海槽擴張—俯沖消減等過程影響[12]，海陸變遷[5]，晚石炭世海水從東西兩側退去，太原組沉積晚期大量陸源物質從東北和西北進入盆地，山西組沉積期盆地周緣海槽消亡，形成陸內坳陷[13]。太原組和山西組沉積期氣候濕潤、沼澤發育，是重要的成煤期，而下石盒子組沉積期氣候轉為干燥炎熱，形成了河流—湖泊三角洲沉積[14]。

杭錦旗地區位于鄂爾多斯盆地北緣，以中部泊爾江海子斷裂為界，跨越了伊陜斜坡和伊盟隆起2個一級構造單元(圖1)。該區晚古生代位于阿拉善—陰山古陸邊緣帶[15]，在太古界變質巖基底以及古生界碳酸鹽巖(奧陶系為主)地層之上，北部物源供給[5，16]，沉積了太原組、山西組(山1段、山2段)和下石盒子組(盒1段、盒2段、盒3段)等地層，區內缺失上石炭統本溪組。前人認為太原組沉積期主要為扇三角洲平原沉積[4，17]，山西組沉積期主要為沖積扇[4]、沖積平原[5]、辮狀河[4]和(辮狀河)三角洲平原沉積[8，19]，下石盒子組沉積期為沖積平原[6]、沖積扇—辮狀河[4，19]—三角洲平原沉積[6]。研究區太原組和山西組是煤層發育層段(圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區研究區位置及現今構造背景構造單元底圖據參考文獻[2]修改。Fig.1 Location of study area and present tectonic units in Hangjinqi area, Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區上古生界綜合柱狀圖Fig.2 Composite columnar section of Upper Paleozoic in Hangjinqi area, Ordos Basin

2 古地貌恢復及特征

杭錦旗地區地震品質可以滿足組、段級別的地層對比[9]及一定程度上的儲層預測需求[20]，為三維古地貌恢復提供了良好條件；而連井地層對比也可以有效指示地貌特征。古地貌恢復與砂體展布結合，將更有效揭示古地貌與砂體響應關系。

2.1 方法及精度選取

研究區晚石炭世—中二疊世均位于盆地邊緣[5]，且以陸相—海陸過渡相沉積為主。該部位主要為補償沉積，同時，地層對比和地震剖面均未發現太原組—下石盒子組內部存在明顯的地層剝蝕，因此，現今地層厚度可以有效反映沉積期地貌總體格局[21]。

考慮地震剖面(圖3)能夠有效區分太原組—山西組、盒1段、盒2段—盒3段，本次針對太原組底界、盒1段底界及盒2段底界3個界面進行了地層解釋和層位閉合及基于地層厚度的古地貌恢復，而連井地層對比(圖4)可作為輔助參考。

2.2 古地貌特征

在太原組和山西組沉積期(圖5a)，以泊爾江海子斷裂(后文簡稱斷裂)為界，具有明顯的北部區東西向溝谷縱橫(溝1—溝5)、南部區東西向隆洼相間格局，而斷裂南部以J46井—J54井隆起部位(隆3)為界，將研究區分為東西2個向南呈喇叭口形的低洼區(洼1+洼2、洼3)，西側又以J57井西隆起部位(隆1)為界，分隔出洼1和洼2兩個次一級低洼區。盒1段沉積期(圖6a)，總體繼承了太原組—山西組沉積期地貌格局，仍一定程度上存在南北向、向南傾沒的低緩隆起(低隆1、低隆2、低隆3)，但向南張開的喇叭口形向北退去，且地貌趨于平整化。與前2個階段相比，盒2段沉積期地貌(圖7a)明顯平緩，隆洼格局已不明顯，但微地貌起伏普遍。從太原組—下石盒子組沉積期，研究區經歷了具有繼承性的從隆洼相間、溝谷明顯到逐漸平整化的演化過程，而該結構在鉆井對比上(圖4)也具有明顯的對應性。圖4展示了泊爾江海子斷裂北部溝谷起伏明顯，以該斷裂為界，地層逐漸向北超覆，山1段沉積晚期完成了全區超覆；山2段—盒3段沉積期，地貌逐漸平整化，南北差異性已經不明顯。

圖3 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區北東向地震剖面及地層解釋剖面位置見圖1A。Fig.3 NE-oriented seismic profile and interpretation in Hangjinqi area, Ordos Basin

圖4 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區太原組—下石盒子組層序地層和砂體連井對比a.泊爾江海子斷裂以北垂直物源剖面(位置見圖1B，地貌單元名稱見圖5a)；b.跨泊爾江海子斷裂順物源剖面(位置見圖1C)Fig.4 Correlation of sequence stratigraphy and sandbody distribution from Taiyuan Formation to Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

綜上分析，將研究區古地貌演化劃分為3個主要階段，即太原組—山1段的溝谷超覆充填階段、山2段—盒1段的隆洼繼承性填平階段和盒2段—盒3段均一平整階段。

3 砂體展布及古地貌響應

為了減少因組、段內部多時期砂體疊置而造成的儲集砂體平面展布規律模糊化影響，更為精細地揭示砂體的時空結構及分布規律，本文在三級層序劃分基礎上，進行了準層序組級別的地層劃分與對比。其中三級層序劃分為7個，除盒1段劃分為2個三級層序外，太原組、山1段、山2段、盒2段和盒3段各劃分為一個三級層序(圖2，4)。每個三級層序均具有典型的底砂上泥的垂向結構(圖2，4)，頂部泥巖橫向更為穩定(圖4)。準層序組是在三級層序基礎上的次一級旋回，可進一步識別出進積型和退積型兩類。本文在太原組—下石盒子組共劃分出21個準層序組(圖2，4)。在準層序組對比基礎上，開展了砂體連井對比，并針對各組、段精選代表性準層序組進行了平面沉積相和砂體展布的編圖分析(圖5，6，7)。

從圖4可以看出，3個地貌演化階段形成了對應的砂體配置結構：下部太原組—山1段的溝谷超覆充填階段，地貌起伏明顯，太原組地層向北超覆明顯(圖4b)，溝谷區(洼)是砂體聚集區，形成了垂向加積的砂體疊置結構(圖4a)；山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段，砂體橫向連續性明顯增強，早期的隆起部位也堆積了砂體，但厚砂體區仍然分布在低洼帶，形成了垂向加積—橫向擺動組合的砂體疊置結構；盒2段—盒3段均一平整階段，在地貌總體均一化的背景下，砂體厚度明顯減薄，泥巖厚度明顯增加，甚至表現為“泥包砂”結構，砂體的分布與早期溝谷對應性趨于不明顯，砂體成透鏡狀橫向擺動。

圖5 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區太原組—山1段古地貌和砂體展布Fig.5 Paleogeomorphology and sandbody distribution from Taiyuan Formation to first member of Shanxi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

從砂體平面展布圖(圖5,6,7)可以看出，砂體總體具有由北向南延伸特點，不同層位砂體展布具有差異性。圖5b展示的太原組PSS21準層序組沉積相及砂體展布，顯示該套地層主要分布在泊爾江海子斷裂南部，其北部僅有少量溝谷內沉積了太原組，以J57井、J46井—J54井為界，形成了3個近南北向的砂體集中區。該沉積期在泊爾江海子斷裂溝谷發育區附近存在沖積扇沉積，而在南部以辮狀河三角洲平原沉積為主。圖5c展示山1段PSS17準層序組沉積期，砂體沉積明顯跨越泊爾江海子斷裂向北擴展，僅北部少量地區為剝蝕區，山1段砂體仍以南北向為主，具有一定的向南發散特點，砂體集中部位仍總體表現為以J57井、J46井—J54井為分界，形成了3個砂體集中區。該時期沉積環境主要為沖積扇—辮狀河—三角洲平原沉積，北部剝蝕區邊部砂體明顯向東變寬，指示了沖積扇發育部位。與前2個時期相比，盒1段PSS11準層序組沉積期砂體分布面積及厚度明顯擴大(圖6b)，反映了一期明顯的物源增強，但仍以J57井、J46井—J54井為分界，劃分為東西向3個砂體集中區。該階段研究區均為沉積區，主要為辮狀河沉積。盒2段PSS5準層序組沉積期(圖7b)，為曲流河—辮狀河過渡沉積，砂體明顯變窄，且砂體厚度明顯減薄，僅在東部和中部2個地區具有一定的砂體厚度集中。到盒3段PSS1準層序組沉積期(圖7c)，砂體橫向的分帶結構已經消失，該時期主要為曲流河沉積，相干體分析顯示了明顯的河道彎曲—高彎度結構(圖7d)。

圖6 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區盒1段古地貌和砂體展布Fig.6 Paleogeomorphology and sandbody distribution in first member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

需要指出的是，除以上砂體時空展布總體規律，在每個三級層序內部均存在由下向上砂體厚度減薄、寬度變小、砂泥比減少的結構，甚至是在山西組內部也存在該特征(圖2，4)。

圖7 鄂爾多斯盆地杭錦旗地區盒2段—盒3段古地貌和砂體展布Fig.7 Paleogeomorphology and sandbody distribution from second to third member of Shihezi Formation in Hangjinqi area, Ordos Basin

綜合以上分析，認為古地貌格局與砂體存在明顯的相關性，太原組—盒1段斷裂北部溝谷(溝1—溝5)是主要物源輸送通道，南部3個低洼區是3個主要砂體匯聚中心(洼1—洼3)。垂向上太原組—山1段的溝谷超覆充填階段，泊爾江海子斷裂明顯控制了太原組沉積范圍；山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段，繼承性的溝谷及低洼部位仍然是控制砂體發育的重要部位；盒2段—盒3段均一平整，地貌的平緩化使得早期溝谷帶已經難于控制砂體分布，轉而形成擺動明顯的河道砂體，但微地貌低洼部位是砂體發育部位。以上古地貌特征及沉積響應，在一定程度上揭示泊爾江海子斷裂在太原組—山1段的溝谷超覆充填階段可能存在活動性，而到后面2個階段處于平靜期。

4 油氣勘探意義

上述的古地貌及砂體分析，指示了砂體在不同古地貌演化階段內的分布位置和結構，該認識對油氣勘探具有一定的指示意義。首先，能夠明確不同層位砂體的分布主體區，太原組砂體主要分布在泊尓江海子斷裂南部，而太原組—山1段砂體主要分布隆起部位分隔的低洼地區。同時，古地貌演化限定了砂體的分布與疊置關系，即太原組—山1段溝—洼限制型砂體、山2段—盒1段低洼匯聚型砂體和盒2段孤立型砂體。山2—盒1段砂體可成為有利的油氣運移通道及油氣跨過泊尓江海子斷裂向北運移通道，而孤立的砂體則成為油氣聚集的目標。需要指出的是，每個層序頂部泥質的增多及砂體的孤立化，有望在3個低洼地區的太原組—山西組各三級層序頂部形成良好巖性圈閉。

5 結論

(1)太原組—下石盒子組具有3個古地貌演化階段：太原組—山1段的溝谷超覆充填階段、山2段—盒1段隆洼繼承性填平階段和盒2段—盒3段均一平整階段。前者指示了泊爾江海子斷裂的活動期，后2個階段為穩定期。

(2)太原組—下石盒子組及每個三級層序內部均具有砂體發育程度向上減弱趨勢。

(3)不同地貌演化階段形成了不同的砂體空間結構：溝谷超覆充填階段，溝谷輸砂、低洼聚砂明顯，砂體主要堆積在溝谷區，且以加積為主；隆洼繼承性填平階段，低洼區是連片砂體的主體分布區；而均一平整階段，孤立擺動性砂體發育。

致謝：本文早期圖件和數據整理得到了中國地質大學(武漢)和成都理工大學碩、博士生的支持，在此致以衷心感謝！