鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組沉積特征

魏嘉怡，王紅偉，劉 剛，李 涵，曹 茜

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安 710018）

0 引言

鄂爾多斯盆地作為我國的大型含油氣盆地之一，蘊藏著豐富的油氣資源［1-3］。其西緣沖斷帶由于構造類型多樣、油氣成藏條件復雜［4-6］，長期以來成為油氣勘探和地質研究的焦點地區。以往研究人員對鄂爾多斯盆地西緣進行過大量的野外剖面觀察，證實了羊虎溝組地層較厚，烴源巖條件優越，具備源內致密儲層成藏潛力大的特征［7-8］。忠6 井在羊虎溝組試氣獲2 052 m3/d 的低產氣流［9］，揭示了羊虎溝組具有較大的源內致密氣成藏潛力，是未來非常規氣勘探的有利目標區帶。

油氣的分布及沉積體系與古地理環境具有密不可分的關系［10-12］，沉積相特征及環境演化的研究對于尋找油氣分布有利區、明確下一步油氣勘探的方向具有重要意義。由于研究范圍的局限性以及對沉積模式認識的差異，不同學者對鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組砂體成因與沉積體系的認識有所不同。大部分學者認為羊虎溝組主要發育潮控三角洲和障壁海岸沉積體系［13-14］，也有學者認為還發育淺海陸棚和扇三角洲沉積體系［15］。受構造運動影響，鄂爾多斯盆地西緣沉積環境變化頻繁，對羊虎溝組砂體的形成和沉積過程認識不清，從而制約著羊虎溝組未來的勘探開發進程［16］。前期對羊虎溝組沉積環境與沉積相帶的研究多限于野外地質露頭［17-18］，缺乏鉆井沉積相帶的分析資料。本次研究根據鄂爾多斯盆地西緣韋州—石溝驛向斜區忠1、忠6、韋參1 井等資料，在綜合分析羊虎溝組鉆井、錄井、測井及地震資料的基礎上，應用巖石學、微量元素、古生物、地球化學等資料，對羊虎溝組沉積相特征和展布規律進行系統研究，以期對該區羊虎溝組勘探潛力的評價提供一定依據。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶地處阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊及祁連—秦嶺褶皺帶三大構造單元交匯處［19-20］，疊置于華北克拉通西部與賀蘭山坳拉槽上（圖1a）。構造帶為一近南北向展布的狹長條帶，長約600 km，寬約50～100 km，面積約15 000 km2［21-22］。受祁連—秦嶺造山帶被動大陸邊緣與阿拉善古陸活動大陸邊緣的共同影響，羊虎溝組沉積期鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶屬于祁連海域，為一受南北擠壓、西部拉張的裂陷盆地［23-24］。韋州—石溝驛向斜分別位于韋州沖斷席、石溝驛沖斷席2 個次級構造單元（圖1b）。韋州沖斷席位于韋州—安國斷裂和青龍山—平涼斷裂之間，呈現為一復式向斜，軸向為近北北西向。石溝驛沖斷席夾持于西側的青龍山—平涼斷裂和東側的惠安堡—沙井子斷裂之間，斷距大，向斜特征為東翼緩西翼陡，軸向為北西—北北西向。本次研究的重點探井忠1、忠6 井位于石溝驛向斜西翼，韋參1井位于韋州向斜東翼。

圖1 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶構造位置（a）及井位分布（b）Fig.1 Structural location（a）and well location distribution（b）in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

研究區地質露頭及鉆井揭示，羊虎溝組地層厚度為400～600 m，發育巨厚的煤系地層，向西沉積厚度增大，巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質泥巖、灰色細砂巖為主，夾黑色煤層和灰巖。其中羊虎溝組上部暗色泥巖發育微孔、微裂縫，與煤層形成自生自儲的成藏組合（圖2），下部暗色泥巖以生油氣層為主。灰色細砂巖為儲層，泥晶灰巖、白云質灰巖及泥質灰巖為蓋層。

2 羊虎溝組沉積相標志

沉積環境不同，對應的沉積相標志也不同。正確劃分沉積相并剖析相標志是研究沉積體系演化的基礎［25-27］。

2.1 巖石學特征

鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質泥巖、煤層為主，夾薄層砂巖、泥質粉砂巖，單層砂體厚度為1～26 m，砂地比為16%～26%。深灰色泥巖有機碳含量較低，炭質泥巖、煤層的有機碳含量較高，煤巖總有機碳質量分數（TOC）平均為73.10%，暗色泥巖TOC為0.30%～31.81%，平均為4.67%。砂巖顏色以淺灰色、灰褐色為主，細—中粒，沉積構造發育類型較多，主要發育層理構造，包括水平層理、平行層理、板狀交錯層理、槽狀交錯層理、波狀交錯層理、沖洗交錯層理，局部可見波痕。水平層理反映沉積環境比較穩定，水動力較弱，指示深水地帶。與水平層理相比，平行層理的巖石顆粒較粗，砂層幾乎水平且彼此平行。交錯層理形成于水動力強、流水強弱交替出現的環境中，水流攜帶物質粒度較小且均勻，由一系列斜交于層系界面的紋層組成，層系內結構和成分均勻，各層系彼此交錯、切割、重疊或組合出現（圖3）。

圖3 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組巖石學特征Fig.3 Petrological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

自生礦物具有良好的指相性。蘇峪口、烏達、雀兒溝露頭剖面和韋參1 井巖心普遍發育黃鐵礦（圖3h）、菱鐵礦（圖3i）、鈣質結核、鐵質結核，尤其是黃鐵礦和菱鐵礦結核共生，揭示研究區及鄰區羊虎溝組泥巖可能形成于相對封閉、水流不暢和缺氧的還原環境。菱鐵礦一般呈致密塊狀、球狀、結核體，顏色多為黃白色，經風化作用后常變為褐色或褐黑色等，黃鐵礦多呈條帶狀、球狀、晶體粒狀、球狀結核體產出。

2.2 古生物化石標志

生物遺跡化石的形態、遺體化石保存的產狀和完整程度均可反映沉積時的水動力條件及環境。在忠6、韋參1 井羊虎溝組巖心和雀兒溝露頭剖面，可見植物碎片化石和炭化的植物莖稈，多與灰黑色泥巖、深黑色炭質泥巖伴生，表明當時沉積水體較淺或短時間出露地表，反映出陸相沉積環境特征。煤線在西緣沖斷帶也較為發育，手感較輕，污手，多為沼澤環境沉積產物。在呼魯斯太、烏達、雀兒溝露頭剖面見到的海相腕足類化石（海百合、貝殼化石）揭示研究區羊虎溝組形成于海陸過渡相沉積環境（圖4）。

圖4 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組古生物化石及孢粉特征Fig.4 Paleontological fossils and palynological characteristics of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

對研究區巖石樣品進行孢粉鑒定，結果表明研究區樣品中幾乎全為蕨類植物孢子，體積分數為98.19%～100.00%，平均為99.10%，裸子植物花粉貧乏，體積分數為0～1.81%，平均為0.90%。蕨類植物孢子以無環三縫孢類占優勢（圖4d—4h），主要為光面三縫孢、圓形光面孢、三角粒面孢、圓形粒面孢、圓形塊瘤孢、三角錐刺孢，其次為具環三縫孢類（圖4i，4j），常見厚角孢、套環孢。裸子植物花粉僅見零星的單氣囊類波脫尼粉（圖4k）、弗氏粉和單溝類的蘇鐵粉。孢粉植物群喜溫暖潮濕，以真蕨綱、種子蕨綱、石松綱以及楔葉綱植物為主。通過孢粉分析可知，研究區羊虎溝組沉積時的古氣候屬溫暖潮濕氣候。

2.3 地球化學標志

在推斷沉積巖演化過程和形成環境中，微量元素的靈敏性很高，各類微量元素指標是記錄沉積巖演化過程的有效參數［28-30］。

以忠6 井為例，選用元素錄井數據，對靖遠組—羊虎溝組的Sr/Ba，Sr/Cu，V/（V+Ni）值進行統計分析（表1）。結果表明，靖遠組—羊虎溝組自下而上湖盆水體鹽度逐漸增大，古氣候從早期的溫濕氣候向干熱氣候過渡，沉積環境由早期的氧化環境向中、晚期的氧化—還原環境過渡（圖5）。為了剔除巖性影響，選擇巖性一致的泥巖層進行古水深研究，采用水深計算函數［31］對研究區相對水深值進行計算，結果顯示靖遠組—羊虎溝組自下而上相對古水深由小變大，至羊虎溝組晚期發生快速水退。Th/U值顯示水體環境自下而上由早期的弱氧化向晚期的還原、強還原環境過渡。由圖5 可看出，靖遠—羊虎溝期整體水體較淺，但變化比較頻繁，屬于典型的海陸過渡相沉積。

表1 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶靖遠組—羊虎溝組微量元素判別指標及樣品數據Table 1 Discrimination indexes of trace elements and sample data of Jingyuan-Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井石炭系靖遠組—羊虎溝組沉積環境判別指標垂向變化Fig.5 Vertical variation of sedimentary environment discrimination index of Carboniferous Jingyuan-Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

2.4 測井相特征

砂體形成時的沉積環境不同，對應的測井曲線形態則不同［32-35］。在區域沉積背景和忠1、忠6、韋參1 井巖心觀察以及單井相分析的基礎上，依據自然伽馬曲線的形態、幅度、光滑程度、組合特征，對韋州—石溝驛地區羊虎溝組測井相進行分析，識別出箱形、鐘形、指形、尖峰形+鐘形、漏斗形、指形+漏斗形等6 種測井相類型（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組典型沉積相測井響應特征Fig.6 Log response characteristics of typical sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

障壁砂壩自然伽馬曲線表現為箱形特征，曲線平緩、低幅、局部齒化，頂、底均為突變接觸；澙湖相自然伽馬曲線以低幅的尖峰形+鐘形組合為特征；砂坪表現為低—中幅齒化鐘形；泥坪以低—中幅齒化漏斗形為主；砂泥混合坪呈高幅指形+漏斗形；泥炭沼澤相自然伽馬曲線以中—高幅微齒化或光滑的指形為特征。

2.5 地震相特征

根據鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組地層發育特征，研究羊虎溝組主要沉積相的地震相特征。海灣相在地震剖面上表現為中—強振幅平行反射特征（圖7）；障壁島相在地震剖面上表現為中等—不連續振幅丘狀反射特征；澙湖相在地震剖面上表現為大時差強振幅連續平行狀反射特征；河口灣相在地震剖面上表現為向陸方向平行反射、向海方向可見前積反射特征；沼澤相在地震剖面上表現為強振幅較連續反射特征。五大沉積相組形成有利的“堡—島”體系，其中沼澤相、澙湖相是良好的生油氣相帶，障壁島、潮坪及河口灣相發育不同類型的砂體，有利于油氣儲集，澙湖、潮坪相廣泛發育的泥質巖類可成為良好的蓋層。海灣相三面為古陸或潮坪所限，一側與淺海相通，水體相對較深，循環處于半開放—開放狀態，是以澙湖為主的港灣狀沉積環境。

圖7 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井石炭系羊虎溝組沉積相地震反射特征（地震測線位置見圖1b）Fig.7 Seismic reflection characteristics of sedimentary facies of Carboniferous Yanghugou Formation of well Zhong 6 in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3 沉積相類型

3.1 沉積相類型及分布特征

通過巖石學、古生物學、地球化學指標、測井響應、地震反射5 種相標志綜合分析，對鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶沉積相發育類型進行研究，將羊虎溝組劃分出3種沉積相及若干微相類型（表2）。三角洲相僅發育三角洲平原亞相和三角洲前緣亞相，主要分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶北部和南部；障壁海岸相主要發育潮坪亞相、澙湖亞相、沼澤微相以及障壁砂壩微相，分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中部地區；濱淺海相發育濱岸平原亞相、濱海亞相、淺海亞相，主要分布在鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶西部。羊虎溝組以混合沉積為主，發育三角洲—障壁海岸—濱淺海沉積體系，屬于典型的海陸過渡相沉積。

表2 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組沉積相劃分方案Table 2 Sedimentary facies division scheme of Carboniferous Yanghugou Formation in thrust belt on the western margin of Ordos Basin

3.2 單井沉積相劃分

在綜合分析相標志、錄井、測井等資料的基礎上，結合鉆井巖心的精細觀察與描述，對忠6 井進行單井沉積相劃分（圖8），明確了忠6 井羊虎溝期早期海進、晚期海退的反旋回沉積特征，總體表現為障壁島沉積體系。

圖8 鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石溝驛地區忠6 井沉積相劃分柱狀圖Fig.8 Histogram of sedimentary facies division of well Zhong 6 in Shigouyi area on the western margin of Ordos Basin

羊虎溝組早期海進，發育箱狀砂體及潮間粉細砂體，厚度較大，巖性以中—細粒砂巖為主，見植物碎片，屬于典型的障壁島相。向上相變為澙湖相，巖性以粉砂巖、粉砂質泥巖為主，偶夾薄層泥晶灰巖，水體較安靜，自然伽馬曲線變為尖峰形和鐘形。晚期海退，水體變淺，由澙湖相過渡為沼澤相，沉積厚煤層夾潮上灰黑色泥巖，表現為高自然伽馬特征，含氣顯示活躍。

4 沉積演化

4.1 平面展布特征

在單井沉積相研究的基礎上，結合相控及砂體厚度平面分布特征，認為鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組呈現出障壁海岸背景下的障壁砂壩—澙湖—潮坪—邊緣小型三角洲的古地理格局（圖9）。研究區北部、西南部臨近古陸區發育小范圍的河流—三角洲相沉積，水下分流河道向淺海延伸。

鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶中段地區羊虎溝組沉積以障壁海岸沉積體系為主，其中澙湖—潮坪沉積范圍最廣，其次是障壁砂壩。障壁砂壩長軸多平行于海岸線，呈條帶狀、橢圓狀分布于澙湖—潮坪相內，連續性較差。障壁砂壩受潮汐和海浪作用改造，發育沖洗交錯層理、浪成波痕，顆粒分選性較好、磨圓度較大，是羊虎溝組的主要儲集體。澙湖是以潮汐通道與廣海呈半隔絕狀態的、分布在障壁島背后的淺水盆地，澙湖中水動力低下，水體安靜，波浪作用弱，以化學沉積物和陸源細粒沉積物為主，巖性主要為灰黑色泥巖、粉砂質泥巖夾泥晶灰巖。潮坪是隨潮水升降被交替淹沒或露出的沼澤化平地，按發育的巖石類型可分為泥坪、砂坪、混合坪，在鄂爾多斯盆地西緣中段分布范圍廣泛，巖性為灰色泥質粉砂巖、細砂巖與灰黑色泥巖、粉砂質泥巖互層。

4.2 沉積相演化特征與勘探意義

以忠1、忠6、韋參1 井羊虎溝組柱狀沉積相剖面劃分為依據，結合研究區內的砂體平面展布特征，對沉積相橫向展布特征進行綜合分析。以韋參1—忠6—忠1 井靖遠組—羊虎溝組沉積相連井剖面為例，該沉積相剖面為近南北走向。自南向北，羊虎溝組地層厚度變化較小，靖遠組地層厚度逐漸增大，靖遠組—羊虎溝組在縱向上發育海灣—潮坪—障壁島—澙湖—沼澤相的海進—海退旋回變化（圖10）。

近年來，鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶忠6 井分別在靖遠組、羊虎溝組中部的潮道砂巖、障壁砂壩砂體鉆遇天然氣，但因儲層致密未取得理想的試氣效果。借鑒煤層氣、頁巖氣儲層改造思路，忠6 井在羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段試氣獲2 052 m3/d低產氣流，突破沖斷帶上盤出氣關；韋參1 井在相應層段顯示含氣。由此揭示，羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段分布連續且穩定，含氣異常明顯，煤巖、暗色泥巖有機質豐度較高，生烴條件優越，同時泥巖發育微孔、微裂縫，形成自生自儲的有利成藏組合，具有源內致密氣的規模成藏潛力。隨著勘探的進一步深入，鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶上盤石炭系有望成為未來非常規氣勘探的有利層系。

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶石炭系羊虎溝組巖性以深灰色泥巖、灰黑色炭質泥巖、煤層為主，夾薄層泥質粉砂巖、砂巖。羊虎溝組形成于海陸過渡相沉積環境，沉積時的古氣候屬于溫暖潮濕氣候。靖遠組—羊虎溝組湖盆水體鹽度自下而上逐漸增大，古氣候從早期的溫濕氣候向干熱氣候過渡，沉積環境由早期的氧化環境向中、晚期的氧化—還原環境演變，相對古水深由小變大，至羊虎溝組晚期沼澤沉積時發生快速水退。

（2）鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝組以混合沉積為主，發育三角洲—障壁海岸—濱淺海沉積體系，屬于典型的海陸過渡相。韋州—石溝驛地區發育澙湖—障壁島沉積相帶，總體可分為兩大區域性海進、海退旋回，下部海進旋回以海灣—潮坪沉積為主，上部海退旋回以三角洲沉積為主。

（3）鄂爾多斯盆地西緣羊虎溝期沉積水體較淺，周邊發育三角洲，內部障壁砂壩較發育，形成有利沉積相帶，垂向上靖遠—羊虎溝期發育海灣—潮坪—障壁島—澙湖—沼澤相的區域海進—海退旋回變化。忠6、韋參1 井勘探發現證實，羊虎溝組上部沼澤相煤系泥巖段分布連續且穩定，含氣異常明顯，發育自生自儲成藏組合，具備源內致密氣規模成藏潛力，沖斷帶上盤向斜區石炭系有望成為未來非常規氣勘探的有利層系。