劉 暢

(1.中聯(lián)煤層氣有限責任公司，北京 100011； 2.中海石油(中國)有限公司非常規(guī)油氣分公司，北京 100011)

鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣藏為典型的巖性氣藏[1-4]，盆地為一大型多旋回克拉通盆地[5]，位于華北地臺西緣，可劃分為西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北撓褶帶、晉西撓褶帶和伊盟隆起等6個一級構造單元[6-8]。臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部，伊陜斜坡東北段至晉西撓褶帶西北緣交匯處，面積為740 km2(圖1)。地層產狀為平緩向西傾斜的單斜(傾角不到1°)，地層自上而下可分為石千峰組、石盒子組、山西組、太原組及本溪組。近幾年來，中聯(lián)煤層氣有限責任公司在鄂爾多斯盆地東緣臨興地區(qū)上古生界的致密氣勘探已取得顯著進展。臨興中區(qū)塊在2012年開始大規(guī)?？碧?，2013年10月LX-6井盒4段試氣無阻流量48 000 m3/d。2014年開始進行先導性試驗，LX-4井太二段測試無阻流量132 700 m3/d。主要開發(fā)層位為太原組太2段和下石盒子組盒8段，實現(xiàn)了日產氣量21×104m3，顯示該氣區(qū)致密氣勘探潛力很大。到2016年底累計完鉆探井42口，經過壓裂試氣，在石千峰組、石盒子組和太原組都獲得高產工業(yè)氣流，截至2017年底，LX-9井北部獲得優(yōu)質氣層，證明了研究區(qū)的產氣潛力，研究區(qū)已成為公司增儲上產和滾動勘探的重要地區(qū)。

隨著勘探工作的不斷深入，低滲透致密砂巖氣藏勘探形勢同樣面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。前人對研究區(qū)上古生界地層的研究僅停留在以“段”為單位的尺度，且層序劃分方案不一，劃分標準及數(shù)量存在差異，沒有建立可全區(qū)對比的五級層序級別的精細等時層序地層格架[9-11]；同時，在“微相控儲”理論的指導下，未能確定不同成因砂體的層序沉積模式，不利于準確把握研究區(qū)目標砂體儲層的整體分布規(guī)律。如何進行精細等時層序地層劃分對比研究，厘定不同儲層砂體成因模式及砂體演化，尋找“甜點”發(fā)育區(qū)，是當前公司開發(fā)生產亟待解決的關鍵問題。因此，本次研究采用Vail經典層序地層學及沉積學相關理論[12]，以37口探井的鉆測井資料及三維地震資料為基礎，對鄂爾多斯東緣臨興地區(qū)上古生界地層開展層序地層學及沉積學研究，建立精細等時層序地層格架，確定不同層序控制下的主要目的層層序沉積模式，為研究區(qū)后續(xù)優(yōu)質“甜點”預測及水平井鉆探提供依據。

1 精細等時層序格架的建立及層序界面識別

應用Vail經典層序地層學理論，結合鉆測井資料及高分辨率地震資料，依據等時性原則、統(tǒng)一性原則及界面間斷原則，確定層序界面識別標志，分析沉積旋回組合關系，通過點(關鍵井分析)—線(井震及連井剖面)—面(全區(qū)地震層序解釋)，建立研究區(qū)上古生界精細等時層序地層劃分、對比格架，共劃分出5個二級層序、14個三級層序、38個四級層序(體系域)以及65個五級層序(準層序)，實現(xiàn)了地質—層序—地震分層的一致性，并確定了小層劃分標準(圖2)。精細等時地層格架的建立有助于研究有利儲層與層序格架之間的空間配置關系，指導后續(xù)井位部署、水平井隨鉆及儲層預測工作。

1.1 二級層序界面識別特征及劃分

區(qū)內可以識別出的6個主要的地震反射界面，在研究區(qū)上古生界劃分出5個地震層序，相當于二級層序SS1～SS5，分別對應相應的構造—沉積演化旋回。具體特征描述如下：SS1底界，對應奧陶系頂部的不整合面，代表區(qū)域性的上超、削截界面。SS2底界，對應于一個高連續(xù)、強振幅，且易于追蹤的反射軸，代表該地層區(qū)域上穩(wěn)定分布，反映為以泥炭沼澤沉積為背景的沉積演化旋回，同時為一個區(qū)域構造轉化面，對應于8+9#煤層及上覆炭質泥巖。SS3底界，為太原組頂與山西組底的分界面，反應區(qū)域性海退作用，以北岔溝砂巖對下伏地層侵蝕所造成的不整合面為特征。SS4底界，對應于石盒子組的底界，駱駝脖子砂巖密度較低，因此與下伏泥巖形成了較低的阻抗界面；同時對下伏地層的侵蝕作用，在地震剖面上可以觀察到充填、上超等不整合現(xiàn)象。SS5底界，上石盒子組頂與石千峰組底之間的界面，具有上超、削截等特征，沉積旋回上代表下部石盒子組大套厚層泥巖弱反射向上部石千峰組河道砂巖不連續(xù)疊瓦狀地震相的過渡。SS5頂界，石千峰組頂與劉家溝組的分界，同樣是一個區(qū)域不整合面，連續(xù)性較差，振幅上表現(xiàn)為中—弱振幅，界面上下可見明顯的上超、削截現(xiàn)象(圖3)。地震剖面上地層厚度變化不大，各界面上下可見到下超、削截、上超等不整合二級地震層序界面特征(圖3)。

圖2 研究區(qū)單井層序劃分對比綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of single well sequence division of the study area

分析自然伽馬曲線，本溪組—太原組呈高峰跳躍特征，太原組、山西組及石盒子組底部河道下切以及石千峰組底部呈突變接觸，結合其他相關曲線(SP、DT、RT)突變面，結合研究區(qū)內石炭—二疊系可識別出的本溪組8+9#煤層、太原組底部北岔溝砂巖及穩(wěn)定分布的泥灰?guī)r層、石盒子組底部駱駝脖子砂巖等典型測井標志層，將研究區(qū)劃分為5個二級層序(圖2)：本溪、太原和山西組各為一個二級層序(SS1、SS2、SS3)，石盒子組為一個二級層序(SS4)，石千峰組為一個二級層序(SS5)。

圖3 研究區(qū)二級層序地震對比剖面Fig.3 2nd sequence seismic contrastive section of the study area

1.2 三級層序界面識別特征及劃分

參考研究區(qū)緩坡型構造背景，確定三級層序發(fā)育典型的緩坡型Ⅰ型層序界面，由低位(LST)、海(湖)侵(TST)和高位(HST)3個體系域組成。借助地震及鉆測井資料確定三級層序界面。除與二級層序界面相同的界面(區(qū)域不整合面、構造轉換面、區(qū)域海退面以及區(qū)域下切面)外，三級層序界面還發(fā)育典型的河道下切面，以箱形/鐘形測井曲線為特征，巖心上可見砂巖底部對下伏地層的沖刷侵蝕作用。同時，煤層頂界面也是典型的三級層序標志層，如8+9#煤層，一般連同頂部的炭質泥巖一起位于HST的頂部，代表最大海侵后的海退作用，是沼澤化沉積的產物。此外，分布廣泛的灰?guī)r沉積也是層序界面的特征，灰?guī)r一般代表新的海侵開始，水體較深，為TST的產物。地層疊置樣式的改變及旋回轉換面也是識別三級層序界面的依據。地震上三級層序各界面上下均可識別出局部的上超、下超及削截等不整合現(xiàn)象(圖4)。鉆測井剖面均為巖性突變面，表現(xiàn)為測井曲線(GR、SP、DT、RT)的突變面，淺水沉積直接覆蓋在深水沉積之上。

研究區(qū)共識別出15個三級層序界面，把二級層序進一步劃分為14個三級層序(圖2)：SS1劃分為2個(SQ1對應本2段、SQ2對應本1段)；SS2劃分為2個(SQ3對應太2段、SQ4應太1段)；SS3劃分為2個(SQ5對應山2段、SQ6對應山1段)；SS4劃分為6個(SQ7對應盒8下段、SQ8對應盒8段和盒7段、SQ9對應盒6段和盒5段、SQ10對應盒4段和盒3段、SQ11對應盒2段和盒1段)；SS5劃分為3個(SQ12對應千5段、SQ13對應千4段和千3段、SQ14對應千2段和千1段)。各層序厚度較為一致，石盒子組垂直物源方向厚度變化較大，砂體橫向變化較快，順物源方向厚度發(fā)育穩(wěn)定，變化不大；本溪、太原組層序厚度有減薄趨勢。

圖4 研究區(qū)三級層序地震對比剖面Fig.4 3rd sequence seismic contrastive section of the study area

1.3 四級層序界面識別特征及劃分

三級層序內部的體系域邊界對應于四級層序界面，地震資料精度有限，因此地震上不易識別四級層序界面特征，同向軸雜亂不易追蹤，主要通過井資料進行識別劃分，通過確定首次海(湖)泛面(FFS)、最大海(湖)泛面(MFS)，分析準層序組及巖性旋回疊置樣式的變化(進積式—退積式—進積式)來確定四級層序邊界[13]。進而對地震資料進行井震對比標定確定地震上的四級層序特征(圖4)。三級層序內部發(fā)育完整的低位(LST)、海(湖)侵(TST)及高位(HST)體系域。LST與TST之間的界面是首次海(湖)泛面，上下準層序組及巖性疊置樣式呈現(xiàn)出進積式向退積式的轉變；TST與HST之間的界面是最大海(湖)泛面，表現(xiàn)為退積式疊置的準層序組及巖性地層向進積式特征的轉變，最大海(湖)泛面處水體深度最大，為靜水條件，沉積速度緩慢，主要為較純的泥質沉積。

在三級層序內部進一步識別出38個四級層序(圖2)。其中，海相層序(SQ1～SQ4)僅發(fā)育海侵體系域及高位體系域，不發(fā)育低位體系域；陸相層序(SQ5～SQ14)發(fā)育完整的低位、湖侵及高位體系域。本2段—太1段內部發(fā)育2個體系域(TST和HST)；山2段—盒8下段、千5段發(fā)育3個體系域(LST、TST和HST)；SQ8～SQ11的低位及湖侵體系域分別對應盒8上段、盒6段、盒4段及盒2段，高位體系域分別對應盒7段、盒5段、盒3段及盒1段；SQ13與SQ14的低位及湖侵體系域分別對應千4段及千2段，高位體系域分別對應千3段和千1段。

1.4 五級層序界面識別特征及劃分

四級層序內部進一步劃分出五級層序(準層序)，五級層序厚度大致為幾米至十幾米，因此以次級別的海/泛面為界限，依據地層、巖性上下組合變化及接觸關系的改變進行劃分。通過測井曲線響應下的短期地層及巖性旋回發(fā)育的厚度及堆積樣式，參考沉積背景、沉積微相類型及沉積特征的變化，結合次級海/湖平面變化影響下的粒度、泥巖顏色及沉積構造/結構的變化確定五級層序界面。

研究區(qū)共劃分出65個五級層序(準層序)(圖2)。其中SQ1劃分出3個；SQ2、SQ3和SQ6分別劃分出4個；SQ4、SQ5、SQ7～SQ14分別劃分出5個。五級層序界面特征相對復雜，表現(xiàn)為多期潮道、潮坪砂巖疊置，測井曲線響應箱形—鐘形曲線特征；潮坪砂巖與陸棚泥巖疊置；泥灰坪與潟湖煤層、泥巖疊置；(水下)分流河道垂向疊置；(水下)分流河道與濱淺湖泥巖垂向疊置等類型。

2 沉積體系發(fā)育類型

2.1 沉積相標志

本溪、太原組泥巖顏色多為灰黑色，砂巖多為灰色，以中—細粒砂巖及含灰細砂巖為主，偶見中—粗粒砂巖；山西組泥巖顏色多見灰色、深灰色及灰黑色，砂巖多呈灰白色和褐灰色，反映潮濕氣候，沉積環(huán)境為弱還原—還原環(huán)境。砂巖主要為含泥質或泥質中—細粒砂巖，分選好，響應較弱水動力的沉積環(huán)境；下石盒子組發(fā)育淺灰色含礫粗砂巖、灰白色中—粗粒砂巖及灰綠色巖屑石英砂巖，泥巖顏色多為雜色、褐色、灰綠色、棕色和灰色，深灰色和灰黑色次之，反映沉積水體變化頻繁，沉積環(huán)境常在氧化與還原環(huán)境之間變化，沉積物可能經常暴露，為季節(jié)性的干旱氣候；石千峰組主要為淺灰色、褐灰色粗—中砂巖、含礫砂巖以及與紫紅色、棕紅色泥巖的互層，氧化環(huán)境為主的干旱氣候[14]。石千峰組、石盒子組砂巖分選中到差，粒度較大，以粗砂巖、粗—中砂巖為主，可見巨砂巖和礫巖，說明沉積水動力條件較強，沉積物搬運距離較短。

沉積構造主要表現(xiàn)為類型豐富多樣的層理構造。常見類型包括塊狀層理、板狀/楔狀交錯層理、平行層理、水平層理、復合層理以及沙紋層理。其中，砂巖最發(fā)育的層理類型是板狀/楔狀交錯層理、平行層理和側積交錯層理，反映河道沉積特點。此外，河道沉積底部常見起伏不平的沖刷面，其上可見石英礫與泥礫等組分(圖5)。

從分選系數(shù)統(tǒng)計結果看，本區(qū)巖石顆粒分選較好，其中千五段以分選好為主，以下各層則是以分選中等為主。本區(qū)各層粒度概率曲線全部為標準的兩段式，代表河道沉積。臨興區(qū)塊各段粒度偏度特征基本以非常正偏度和極正偏度為主，負偏度為輔，峰度則全部呈非常尖銳和極尖銳，反映河道沉積的特點。

圖5 研究區(qū)典型巖心照片F(xiàn)ig.5 Typical core photos of the study area

2.2 沉積相類型

在區(qū)域沉積體系研究基礎上，結合巖芯觀察，依據沉積構造、沉積序列、砂巖粒度特征及測井響應特征，在本溪—石千峰組識別出潮坪、淺海陸棚、潟湖、辮狀河三角洲、濱淺湖5種沉積相以及8種亞相和14種微相類型(表1)[15-17]?，F(xiàn)以重點產層段太原組和石盒子組為例，介紹研究區(qū)發(fā)育的兩種沉積體系類型。

表1 研究區(qū)沉積微相劃分對比Table 1 Comparison of sedimentary microfacies of the study area

2.2.1 海相障壁海岸潮坪—潟湖—淺海陸棚沉積體系

常與淺海陸棚、障壁砂壩、潟湖及潮汐三角洲伴生。潮坪環(huán)境由海向陸可分為潮下帶、潮間帶和潮上帶，水動力條件由潮下帶向潮上帶逐漸減弱(圖6)。

潮道沉積：水動力最強，粒度較粗，測井曲線為向上逐漸變細的正旋回。發(fā)育交錯層理、潮汐層理、波狀層理和再作用面等沉積構造；GR和RT等測井曲線主要為較大幅度的箱形和少量鐘形正韻律，與下伏地層突變接觸。砂坪(障壁砂壩)沉積：沉積物受到波浪簸選作用，形成成分成熟度和結構成熟度均較高的砂質沉積；發(fā)育沖洗層理和交錯層理，GR曲線呈箱形和鐘形?；旌掀海喊l(fā)育于平均低潮面和平均高潮面之間，沉積范圍較寬，是潮坪主要的沉積地帶；主要以砂、粉砂和泥質互層沉積為主，偶見介屑及砂質透鏡體；發(fā)育透鏡狀層理、波狀層理、壓扁層理和潮汐韻律層理等典型沉積構造；測井曲線為復合韻律，GR和RT曲線呈鏡像特征，反映砂、泥互層沉積的特點。泥灰坪：區(qū)塊太原組發(fā)育一套分布范圍廣泛的泥灰?guī)r，為潮間帶沉積的產物，如灰?guī)r較純則為潮下帶的灰坪，由于研究區(qū)為混積型潮坪沉積，灰?guī)r層中夾有泥巖沉積，薄層泥巖(若碎屑物質供給充分)的出現(xiàn)可以造成灰?guī)r沉積的中斷。泥炭坪沉積：漲潮來的細粒物質在高潮憩水期大量地沉積下來，形成了潮上帶泥質沉積，又稱泥坪；主要發(fā)育較厚的泥質沉積，當潮流很大時，可夾有薄層狀的粉砂，潮濕氣候多為泥炭沼澤沉積；測井曲線主要是平直的泥巖基線或微齒狀。潟湖沉積：潟湖是被海岸所限制、被障壁島所遮攔的淺水盆地，水體相對安靜，可見小型波狀層理，淡化的潟湖沉積物淤積，造成植物繁多且逐漸沼澤化，常發(fā)育煤層，GR曲線呈指狀和寬大齒狀。內陸棚泥沉積：沉積物粒度細，發(fā)育水平層理及波痕等構造。以灰色及深灰色大套質純的泥巖為主，反映水體相對較深、環(huán)境相對安靜，一般鄰近最大海泛面。

圖6 研究區(qū)太原組測井沉積綜合柱狀圖Fig.6 Comprehensive histogram of well log deposition in Taiyuan formation of the study area

2.2.2 陸相湖泊—辮狀河三角洲沉積體系

主要可分為三角洲平原、三角洲前緣及前三角洲亞相，可主要識別出(水下)分流河道、(水下)分流河道間、河口壩/遠砂壩及濱淺湖等沉積微相[18](圖7)。

(水下)分流河道沉積：三角洲平原及前緣亞相的骨架單元，以厚層砂質沉積為主，粒度較粗，發(fā)育交錯層理，具有波痕及沖刷構造，底部可見礫巖，GR曲線呈箱形和鐘形；其中，粒度最粗、測井曲線呈箱形的為心灘沉積。(水下)分流河道間沉積：位于(水下)分流河道間的低洼地區(qū)，排水不暢，屬于靜水的還原環(huán)境，主要沉積黏土、泥炭、煤等，夾有紋層狀粉砂巖，GR曲線呈微齒形。河口壩/遠砂壩沉積：發(fā)育在水下分流河道前端，以細砂巖和粉砂巖為主，GR曲線呈反旋回。濱淺湖泥：為較純的泥質沉積，GR響應高值，主要發(fā)育于湖侵體系域。

圖7 研究區(qū)下石盒子組測井沉積綜合柱狀圖Fig.7 Comprehensive histogram of well log deposition in Lower Shihezi formation of the study area

3 層序沉積模式

根據區(qū)域構造背景及古地理演化資料，晚古生代沉積時期主要為陸表海、海陸過渡相及湖泊—三角洲沉積體系，研究區(qū)地形坡度平緩，發(fā)育緩坡型Ⅰ型層序發(fā)育模式，包含完整的3個體系域(LST、TST和HST)，部分海相層序不發(fā)育LST的砂巖沉積。依據前人對太原組及下石盒子組沉積模式的分析，結合研究區(qū)發(fā)育的沉積微相類型，綜合重點層段層序格架內的砂體類型及分布特點，建立了重點產層段太原組及石盒子組的層序沉積發(fā)育模式。

3.1 海相障壁海岸潮坪—潟湖—淺海陸棚層序沉積發(fā)育模式

以太原組為代表，發(fā)育海相障壁海岸潮坪—潟湖—淺海陸棚沉積模式(圖8、圖9)。主要由潮下帶潮道、砂坪，潮間帶砂泥巖混合坪及泥灰坪，潟湖炭質泥巖、煤層，潮上帶泥炭沼澤以及內陸棚泥為主。海相層序(SQ1～SQ4)發(fā)育于克拉通陸表海環(huán)境，該沉積時期地形坡度平緩，因此不發(fā)育濱岸地形坡折，不發(fā)育低位體系域(圖9)。海水深度較淺且頻繁漲退，發(fā)育大范圍潟湖、潮坪環(huán)境。太2段海侵體系域發(fā)育潮道及潮下帶潮坪砂巖，向上至最大海泛面發(fā)育陸棚泥巖，水體不斷上漲，形成退積序列；高位體系域逐漸海退，發(fā)育潟湖砂泥巖及煤層，呈進積序列。太1段底部以分布范圍廣泛的泥灰?guī)r開始，為海侵體系域，向上海侵至最大發(fā)育陸棚泥巖沉積，呈退積序列；高位體系域逐漸海退，發(fā)育潟湖煤層及潮上帶泥炭坪沉積，呈進積序列。一般而言，灰?guī)r反映出大規(guī)模新一期海侵的開始，分布穩(wěn)定且廣泛，其上的碎屑巖及煤層反映海平面降低，發(fā)生陸源碎屑物質進積的同時并伴有沼澤化事件。

圖8 研究區(qū)太原組沉積模式Fig.8 Sedimentary model in Taiyuan formation of the study area

3.2 陸相湖泊—辮狀河三角洲層序沉積發(fā)育模式

以石盒子組為代表，發(fā)育典型陸相湖泊—三角洲層序地層模式(圖10、圖11)。陸相層序(SQ7～SQ14)發(fā)育完整的低位、湖侵及高位體系域(圖3)。低位體系域發(fā)育辮狀河三角洲平原沉積，以心灘、分流河道砂巖為主，為進積序列；湖侵體系域發(fā)育濱淺湖泥巖，為退積序列；高位體系域水體下降，發(fā)育辮狀河三角洲前緣沉積，以水下分流河道、河口壩/遠砂壩砂體及水下分流河道間沉積為主。

圖9 研究區(qū)太原組層序地層發(fā)育模式Fig.9 Sequence stratigraphic development model in Taiyuan formation of the study area

圖10 研究區(qū)石盒子組沉積模式Fig.10 Sedimentary model in Shihezi formation of the study area

圖11 研究區(qū)石盒子組層序地層發(fā)育模式Fig.11 Sequence stratigraphic development model in Shihezi formation of the study area

4 結論

(1)本文對地震、鉆測井、巖心等資料開展研究，總結各級層序界面識別特征，結合地震反射特征及測井曲線的變化，參考區(qū)內周邊區(qū)塊典型實例，確定層序界面識別標志。在分析沉積地層旋回組合關系的基礎上，通過點(關鍵井分析)—線(井震及連井剖面)—面(全區(qū)地震層序解釋)，建立了研究區(qū)上古生界精細等時層序地層劃分、對比格架，共劃分出5個二級層序、14個三級層序、38個四級層序(體系域)以及65個五級層序(準層序)，實現(xiàn)了地質—層序—地震分層的一致性。初步形成了適用于研究區(qū)的小層劃分標準(五級層序精度)。

(2)在層序格架內，通過識別相標志及測井相分析，確定了研究區(qū)發(fā)育的沉積微相類型?？偨Y了研究區(qū)主力產層太原組發(fā)育海相障壁海岸潮坪—潟湖—淺海陸棚沉積模式，石盒子組發(fā)育陸相湖泊—辮狀河三角洲層序地層發(fā)育模式，并分析了層序內沉積演化規(guī)律。

(3)綜合層序格架及沉積模式，海相層序的海侵體系域發(fā)育了研究區(qū)重要的海相儲集體——潮道砂巖及潮坪砂巖，高位體系域發(fā)育重要的烴源巖煤層及泥巖蓋層，形成了自生自儲的成藏模式。陸相層序低位體系域及高位體系域發(fā)育重要的陸相儲集體——(水下)分流河道砂體，海侵體系域發(fā)育了巨厚的上古生界區(qū)域性的泥巖蓋層，形成了下生上儲的成藏模式。