准噶尔盆地克拉玛依油田三叠系克下组洪积砾岩特征及洪积扇演化
余宽宏1,2, 金振奎2, 李桂仔2, 何苗2, 郭秀娟2, 杨婷2
1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249

第一作者简介 余宽宏,男,1983年生,博士,中国石油大学(华东)地球科学与技术学院讲师,沉积学专业。E-mail: yukuanhong1983@126.com

摘要

通过岩心观察,将克拉玛依油田三叠系克下组砾岩分为杂基支撑角砾岩(砾石成分同基岩)、弱胶结砾岩(严格意义上未胶结成岩)、泥质杂基支撑砾岩、砂砾质支撑砾岩和分选极好的细砾岩几种类型。通过岩心岩石特征与现代洪积扇沉积物特征对比,确定了每一类砾岩的形成环境。克下组沉积早期,气候干旱,洪积扇为干旱型,可与现代扎伊尔山山麓洪积扇(堆)沉积物特征相类比。克下组沉积后期气候变得潮湿,洪积扇类型逐渐转变为以河流作用为主,可与阜康市白杨河洪积扇沉积物特征相类比。克下组洪积扇在垂向上为向扎伊尔山后退的沉积序列。

关键词: 克拉玛依油田; 三叠系; 克下组; 洪积扇; 砾岩
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2015)02-0143-17
Conglomerate characteristics and alluvial fan evolution of the Triassic Lower Karamay Formation in Karamay Oilfield,Junggar Basin
Yu Kuanhong1,2, Jin Zhenkui2, Li Guizai2, He Miao2, Guo Xiujuan2, Yang Ting2
1 School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Qingdao 266580,Shandong
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249;

About the first author Yu Kuanhong,born in 1983,doctor,is a lecturer in School of Geosciences,China University of Petroleum (East China). His academic interests are focused on sedimentology. E-mail: yukuanhong1983@126.com.

Abstract

Based on core observation,five types of conglomerates are divided in the Triassic Lower Karamay Formation,Karamay Oilfield, i.e., the matrix-supported breccias,weak-cemented conglomerates(strictly speaking,this type is still uncemented),mud-supported conglomerates,sand-supported conglomerates and well sorted granule-conglomerates. Compared to the sediments of modern alluvial fans,the depositional environment of each conglomerate in the Lower Karamay Formation can be determined as following:in the early stage,due to all arid climate,the conglomerates have similar characteristics to that of modern arid alluvial fans in Zaier Mountain area. However,in the late stage a humid climate prevailed, and the fluvial process become dominant, with the deposited conglomerates showing similar characteristics to that of Baiyanghe alluvial fans in Fukang. So,vertically,the alluvial fans showed a retrogradational sequence towards the ancient Zaier Mountain.

Key words: Karamay Oilfield; Triassic; Lower Karamay Formation; alluvial fans; conglomerates
1 概述

洪积砾岩是中国陆相沉积地层重要的储集岩类型。准噶尔盆地西北缘发育的洪积砾岩不论在层位上还是地区分布上均具有很大的规模。准噶尔盆地克拉玛依油田三叠系下克拉玛依组(下文简称克下组)发育洪积砾岩, 形成国内非常具有代表性的砾岩油藏。

洪积扇是发育在盆地边缘、造山带之前, 由阵发性洪水流出山口, 将携带的沉积物卸载、堆积形成的锥状山麓碎屑堆积物(于兴河, 2008; 鲍志东和郑秀娟, 2013), 由于外观呈以出山口为轴的扇状, 故称为洪积扇。国内不同学科的学者据此又有洪积扇及冲积扇之区分, 但国外文献均以alluvial fan称之。洪积扇之所以能在地貌上形成扇状堆积体, 这不仅包括不发育常年性河流的山前洪积物堆积形成的扇状堆积体, 也包括常年性河流在山前堆积形成的扇体。洪积扇坡度一般大于1° , 但盆地边缘低坡度河流沉积也被认为属于洪积扇沉积体系(Nichols, 2009)。具有常年径流的河流在河水流量相对稳定的时期对于洪积扇的建造是缓慢的, 而在洪水期, 携带大量沉积物的河流在出山口堆积形成洪积扇体, 因此山前洪积扇的堆积直接与洪水相关, 因此本文统称为洪积扇。

洪积扇是克拉玛依油田克下组重要的沉积相类型(张纪易, 1985; 关维东, 1992; 颜泽江等, 2008)。洪积扇的类型及沉积特征研究是储集层精细描述的基础。岩心观察表明, 克拉玛依油田三叠系克下组洪积扇在不同的阶段具有很大的差异性。现代洪积扇考察也表明, 洪积扇沉积储集层的研究很难用高度概括性的沉积模式加以指导。

洪积扇特征受到很多因素的控制, 不同构造背景、气候条件、水系发育特征及物源供给量条件下形成的洪积扇差异很大, 目前尚无合适的分类方案及沉积模式(Stanistreet and McCarthy, 1993; 朱筱敏, 2001; 李新坡, 2007; 李新坡等, 2007), 可以说具有“ 千扇千面” 的沉积特征。用教科书上现成的高度概括的洪积扇沉积模式指导地下洪积扇储集层的研究具有一定的局限性。因此, 对相似沉积背景的现代洪积扇和古代洪积扇的类比研究具有重要的意义。目前, 地貌学、第四纪地质学、水文地质学等学科的研究者出于不同目的对现代洪积扇都有较为详细的研究, 如洪积扇沉积过程的实验研究(Pelletier et al., 2008; Clarke et al., 2010)、利用探地雷达对现代洪积扇内部结构的研究(Sadura et al., 2006; Hornung et al., 2010)、洪积扇发育控制因素的研究(Clarke and Parnell, 1999; Colombo et al., 2000; Tü rkmen et al., 2007; Salcher et al., 2010)、洪积扇发育规模定量参数方面的研究(Jayko, 2005; Philip, 2010)等。这些研究成果可以供石油地质工作者借鉴。笔者在岩心岩石特征识别的基础上, 对比现代洪积扇的沉积物特征来判断古代洪积扇沉积及演化特征, 以希望为准噶尔盆地西北缘洪积地层油气勘探开发提供借鉴。

2 地质背景

研究区为克拉玛依油田一、三开发区, 位于克拉玛依市东北方向约10 km(图 1), 处于准噶尔盆地西北缘, 紧邻扎伊尔山, 总面积约60 km2, 钻井近3000口, 取心井50余口, 三维地震全区覆盖, 属于新疆油田的老油区, 现有资料丰富。研究层位为三叠系克下组, 是三叠系主要的产油层系, 可分为S7、S6砂组, 又可以进一步分为6个小层。构造背景为一向东南方倾斜的单斜构造。

图1 克拉玛依油田位置及井区分区Fig.1 Location and detailed well blocks of Karamay Oilfield

研究区主要发育克拉玛依断裂、南黑油山断裂、北黑油山断裂、大侏罗沟断裂及3034断裂。北北东— 南南西的断裂为叠瓦状逆冲断裂, 上盘上推导致研究区的构造背景为台阶状向东南倾斜的单斜构造(图 2)。一区可进一步分为一东区、一中区和一西区3个井区。三区可分为三1区、三2区、三3区和三4区。一区和三区以北黑油山断裂为界(图 1)。一西区北部以黑油山逆冲断裂为界与三区相隔, 构造形态上为向东南倾的单斜。一中区位于克拉玛依断裂东段上盘前缘断块内, 克拉玛依断裂与北黑油山断裂之间。一东区和三1区位于克拉玛依断裂以北, 东北部以大侏罗沟断裂为界与六区相邻, 东南以克拉玛依断裂为界与七西区相邻(图 2)。三2区和三3区是距离扎伊尔山最近的井区, 接受正北方向物源供给的沉积物, 井区的北部以3034井断裂为界, 该断裂向东延伸并与大侏罗沟断裂相交。三2区和三3区地层均向东南倾, 倾角一般为5° ~6° 。三4区和一西区相连, 且古地势较低, 地层厚度较大。

图2 过研究区北北西— 南南东的地震剖面Fig.2 A NNW-SSE seismic profile across the study area

准噶尔盆地西北缘不仅发育北东向断裂, 构成西北缘由西北向东南倾斜的断阶带, 而且发育北西向的横向断裂, 沟通凹陷油源区与盆地边缘储集岩发育区(陶国亮等, 2006)。北东向的逆冲断裂与北西向的断裂, 共同构成了准噶尔盆地西北缘的基本构造格局, 并且控制了沉积体系的展布及油气的运聚。

三叠纪早期扎伊尔山前的沉积盆地为挤压拗陷型盆地, 控制了三叠纪的沉积物堆积方式(李玮, 2007)。造山活动强烈时期, 物源区迅速的抬升并遭受风化剥蚀, 地形的高差形成大量的物源。并且挤压构造环境容易形成山前的沉降, 可容空间迅速增大, 近物源碎屑沉积物大量沉积。随后的松弛沉降期, 研究区整体沉降, 物源供给变少, 易于发生湖侵。稳定充填期的构造沉降基本停止, 物源供给充足时易于形成向湖进积的沉积序列。三叠纪经历了盆地整体沉降— 抬升的震荡发展阶段, 形成了一系列逆冲同沉积断层, 控制了洪积扇相带边界、平面展布、沉积厚度及岩相(雷振宇等, 2005; 蔚远江等, 2007)。陈书平等(2008)对准噶尔盆地西北缘构造演化进行了研究, 山前挤压沉降拗陷为洪积扇的堆积提供了充足的可容空间。

克拉玛依油田一区和三区在三叠系克拉玛依组沉积之前为隆起的物源区, 无沉积作用。克拉玛依断裂为重要的边界断裂, 控制了盆地的沉积作用, 克拉玛依断裂以南地层为连续沉积。研究区从下至上依次发育石炭系, 三叠系克下组、克上组、白碱滩组, 侏罗系及白垩系。三叠系克下组不整合在石炭系基岩上, 且在同沉积挤压作用下呈递进不整合(蔡忠贤等, 2000)。克下组沉积背景主要为山麓洪积相(新疆油气区石油地质志编写组, 1993)(表1)。

表1 克拉玛依油田一区和三区克拉玛依组地层划分(据新疆油气区石油地质志编写组, 1993, 有修改) Table1 Stratigraphy scheme of the Karamay Formation in Block 1 and Block 3, Karamay Oilfield (modified from Compile Group of Petroleum Geology of Xinjiang oilfield, 1993)
3 现代洪积扇特征

准噶尔盆地周边发育很多现代洪积扇, 类型和沉积特征丰富。对现代洪积扇的研究可以为认识古代洪积扇提供类比基础。本次选取河流控制作用弱的扎伊尔山前洪积扇和辫状河沉积作用为主的阜康市白杨河洪积扇作为古代洪积扇研究的类比基础。

3.1 扎伊尔山现代洪积扇

扎伊尔山前发育一系列的现代干旱型山麓洪积扇(堆), 考察点位于克拉玛依市以北约5 km(图 1), 其主要的沉积特征如下:

1)宏观呈“ 扫帚状” , 单个扇体的宽度都在1 km以内, 长度为2~3 km, 扇体坡度较大(2° ~5° ), 展布方式以充填沟谷及地势低洼地带为主, 相邻洪积扇叠置形成靠近出山口的洪积扇群(图 3-a), 为阵发性水流携带沉积物短时间内堆积而成。

图3 扎伊尔山现代干旱型洪积扇特征Fig.3 Characteristics of modern arid alluvial fans in Zaier Mountain

2)由于形成时间短, 且无持续性水流, 扇面没有下切深度较大的辫状河道, 只有深度较浅的流沟(图 3-b), 扇面相对较为平整, 沉积单元的划分简单。

3)由于长时间的氧化暴露, 沉积物整体为红色。洪积扇扇面的绝大部分沉积物杂乱排列, 粒度较粗, 多为角砾。洪水过后, 仍有少量水流在扇面形成径流, 但水量很小, 且持续时间也不长, 故侵蚀能力微弱, 形成宽度极小的流沟。扎伊尔山现代干旱型洪积扇表面的流沟平均宽度1~1.5 m, 且下切微弱, 与两侧漫洪带高差大部分在0.5 m以内。流沟内的沉积物粒度比两侧大面积的漫洪带沉积物粒度细, 分选、磨圆较好。在干旱气候条件下, 流沟的水流也很快干涸。此种条件下形成的洪积扇外部形态及内部结构均较简单。

流沟内的沉积物一般为细砾、粗砂, 泥质含量低, 物性很好。流沟两侧的漫洪带沉积物主要为泥砂砾混杂的堆积物, 砾石主要来自近山区的石炭系火成岩或者轻微变质的基岩风化产物, 呈角砾状, 未经磨圆或者次棱角状。

4)扇体表面不利于植物生长, 只有矮小灌丛, 且都带刺, 表明其生长环境干旱缺水。

3.2 阜康市白杨河河控型洪积扇

白杨河洪积扇位于乌鲁木齐市东北方向阜康市境内, 为典型的季节性干旱型洪积扇。考察季节为9月份, 扇体表面没有径流, 但发育辫状河道(图 4)。白杨河洪积扇向博格达山方向可以追溯至雪峰, 发育长长的辫状河道。白杨河洪积扇为典型的干旱环境下辫状河控制的洪积扇。河道下切较深, 说明洪水季节径流量较大, 下蚀能力较强。下面分别介绍图4中1、2、3考察点详细特征。

图4 新疆阜康白杨河季节性干旱型洪积扇宏观特征及考察点分布Fig.4 General features of seasonal arid alluvial fan along Baiyanghe river in Fukang, Xinjiang and the location of field investigation points

考察点1:考察点位于白杨河出山口, 洪积扇扇根。白杨河在扇根未分叉, 沉积单元可分为主槽和漫洪带, 主槽又可以进一步分为主槽沟道和槽滩(图 5)。

图5 阜康市白杨河洪积扇扇根部位沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of proximal Baiyanghe alluvial fan in Fukang, Xinjiang

主槽为扇根下切带, 考察季节扇面河道干涸, 地势较周围稍低, 表面沉积物为泥质含量低的砾石沉积带与两侧高地长有植物的漫洪带相区别。河流在洪水期流量较大, 携带大量粗粒沉积物在主槽及漫洪带发生沉积。主槽可以分为主槽沟道和槽滩2种环境。主槽沟道是河道内地势相对低的区域, 在水流量较小时, 发生沉积; 槽滩是主槽内地势相对高的区域, 水流量较大时发生沉积。主槽砾石沉积物粒度差异较大, 最大有数米的砾石, 也有细砾及砂质沉积物, 但泥质沉积物含量少。漫洪带是主槽两侧相对高出的地区, 在洪水流量超出河道时发生沉积, 泥质沉积物含量高, 砾石之间充填细砾、砂质沉积物以及泥质沉积物。漫洪带比主槽沉积物泥质含量高得多, 在埋藏成岩后物性要差很多。

考察点2:考察点位于洪积扇扇中部位, 河道开始大量分叉, 下切深度较扇根稍小。扇中可进一步分为辫流河道(宏观展布呈带状, 可将条带状分布的辫流河道带主要分布的区域称为辫流带)和漫洪带, 辫流河道又可以进一步分为辫流坝(砾石坝)和辫流沟道。

扇中河道下切深度变小, 说明沉积基准面上升。扇中辫流带展布宽度变大, 在径流量比较大的时候不仅在辫流河道内卸载沉积物, 而且洪水携带沉积物漫出辫流河道, 在宽缓的扇面沉积, 形成散流带。图6为考察点2宏观特征, 平面可见不同期次的辫流河道呈散射状分布于洪积扇表面, 但在某一时期辫流带只能覆盖洪积扇表面的一部分。详细的沉积单元可见图6(a, b, c, d)。扇中辫流河道向一边侵蚀, 致使辫流带与两侧的漫洪带高差也有一定的差别。另外, 除了辫流沟道、辫流坝、散流带等沉积单元外, 在漫洪带洪水沉积时期也会形成类似于串沟的筛状砾石沉积条带。

图6 新疆阜康市白杨河洪积扇扇中辫流河道附近沉积宏观特征(图中a、b、c、d详细特征见图7)Fig.6 General features of mid Baiyanghe alluvial fan in Fukang, Xinjiang

白杨河洪积扇为河流作用方式沉积的洪积扇, 但是河流的特征受气候和季节控制非常明显。气候干旱, 降雨量少的季节扇面没有径流; 当气候变得潮湿、而且处在雨量相对充足的季节, 白杨河洪积扇发生沉积。另外, 白杨河径流量的特征也反映了该河流在天山博格达峰的水系不是特别发育, 没有持续的积雪消融形成该河流的持续径流。因此该河流特征主要还是受气候以及季节控制。

扇面径流量比较小时, 水流只能在辫流沟道内流动, 沉积物细, 一般为细砾及砂质沉积物, 牵引流为搬运营力。沉积物分选磨圆都相对较好(图 7-a)。径流量大致能淹没整个辫流河道时, 整个辫流河道发生沉积, 河道水动力增强, 沉积大量砾石(图 7-b)。辫流河道下切, 与漫洪带具有一定的高差(图 7-c)。辫流河道宽度约100 m, 沟道一般小于5 m。洪水期径流量比较大时, 水流携带砾石、砂质、泥质等沉积物在扇面不同部位发生沉积, 漫出辫流河道在漫洪带发生沉积, 大量的砂泥混杂, 砾石之间由砂泥支撑, 物性较辫流河道差得多(图 7-d)。

图7 新疆阜康市白杨河洪积扇扇中沉积特征Fig.7 Sedimentary characteristics of mid Baiyanghe alluvial fan in Fukang, Xinjiang

考察点3:考察点位于扇中外缘至扇缘, 河道下切作用进一步减弱。辫流河道的水流除了较为主要的一部分外, 其余部分在地势相对平缓的地区易于散开形成表面小股径流, 水流的水动力也相对较弱, 以细粒沉积物为主。

4 克下组砾岩类型及环境解释

砾岩是克下组S7砂组最重要的储集岩类型, 地层厚度大, 岩石类型多样, 导致储集层类型的多样化, 对勘探预测及开发部署都造成很大的困难。根据砾石的特征、砾石之间填充物的类型及胶结程度等将克下组砾岩区分为杂基支撑火山角砾岩、弱胶结砾岩(严格意义上来说还未胶结成岩)、泥质杂基支撑砾岩、砂砾质支撑砾岩和分选极好的细砾岩几种类型。下面将各类砾岩的岩石特征结合现代沉积考察对比分析其形成环境。

4.1 杂基支撑角砾岩

砾石呈角砾状, 分选、磨圆差, 杂乱堆积, 成分为石炭系火成岩, 与扎伊尔前现代洪积扇砾石成分一样, 砾石由泥质、砂质、细砾混杂支撑(图 8-a, 8-c, 8-d), 直径最大6 cm, 大部分2~3 cm, 反映近物源杂乱堆积, 且沉积过程为阵发性的洪流沉积。这种岩石类型主要发育在S7砂组底部, 为克下组沉积早期干旱气候条件下近物源的基底风化物在古沟槽及古洼地内的充填沉积。三叠系克拉玛依组直接覆盖在石炭系基底之上, 基岩还未来得及彻底风化就以碎屑岩块的方式随阵发性洪水近物源堆积, 其形成环境及沉积方式类似于扎伊尔山现代洪积扇沉积方式。洪水期, 风化破碎的火成岩或者变质岩角砾伴随着细粒沉积物在短时间内冲出山口, 在山外低洼的沟道及坑内充填沉积, 角砾杂乱堆积, 无定向排列。

图8 准噶尔盆地克拉玛依油田一区三叠系克下组杂基支撑角砾岩特征Fig.8 Sedimentary characteristics of matrix supported breccia in the Triassic Lower Karamay Formation in Block 1, Karamay Oilfield, Junggar Basin

图8-b为扎伊尔山现代干旱型洪积扇扇面沉积物堆积特征。扎伊尔山现代洪积扇为典型的阵发性水流沉积。沉积过程短, 沉积物主要为基底风化的角砾, 混杂细粒沉积物近物源堆积。扇面不发育持续性水流的河道, 沉积方式为沉积物向整个扇面铺开。此类现代洪积扇沉积物特征能够很好地类比克拉玛依油田克下组S7砂组底部杂基支撑角砾岩特征。此类扇体形成规模相对要小, 以早期地势低洼的沟道充填为主。

4.2 弱胶结砾岩

这类砾岩严格意义上还未胶结成岩, 松散堆积。这种弱胶结砾石层沉积时为洪积扇扇面筛状沉积或者为扇根槽滩及扇中辫流河道辫流坝沉积, 砾石之间没有足够的细粒物质充填。在上覆沉积物的快速沉积过程中保留了大量原始孔隙, 埋藏之后可以作为砾岩油藏的高渗通道。

图9-a为三2区克下组松散胶结砾岩的岩石特征, 岩心形态基本上为未胶结的一堆砾石。在宏观地理位置上, 三3区要比一西区更靠近物源, 因此其岩心特征更能反映扇根沉积特征。

图9 准噶尔盆地克拉玛依油田三区三叠系克下组弱胶结杂乱堆积砾岩岩心特征及新疆阜康市白杨河现代洪积扇沉积物特征Fig.9 Characteristics of unconsolidated gravels in the Triassic Lower Karamay Formation in Block 3, Karamay Oilfield, Junggar Basin and modern Baiyanghe alluvial fan sediments in Fukang, Xinjiang

图9-b为准噶尔盆地南缘阜康白杨河洪积扇扇根槽滩沉积特征, 其沉积特征和研究区地下S7砂组岩心弱胶结杂乱堆积砾岩类似。和前一类岩石类型不同, 弱胶结杂乱堆积砾岩中的砾石磨圆变好, 以次棱角— 次圆为主, 说明沉积时期水动力较强, 较大的砾石先沉积, 后期细砾沉积物沿着砾石之间的孔隙下渗并充填, 但由于量少, 未完全充填, 导致后期成岩受阻。弱胶结杂乱堆积砾岩主要形成于扇根主槽的槽滩和扇中辫流带的辫流坝环境。这类岩石具有大量的储集空间, 既是油气储集的场所, 也是油气运移的优势通道。在克下组S7砂组这类岩石中的油气储量及产量占有相当大的比重。

图9-c为阜康白杨河洪积扇扇中砾石沉积特征。中部砾石层充填程度低, 埋藏成岩后胶结弱, 可以作为很好的储集层及高渗透通道。

4.3 泥质杂基支撑砾岩

克下组S7砂组发育这种砾岩, 砾石最大粒径约4 cm, 平均1 cm左右, 次棱角至次圆状, 杂乱堆积(图 10-a)。砾石间由泥质及砂质杂基支撑, 砾石排列无序。这类岩石形成于洪水期的辫流带两侧相对高出的漫洪带, 沉积时间短。这种砾岩的物性较差, 杂基可堵塞流体流通的通道, 因此不能作为好的储集层。

图10 准噶尔盆地克拉玛依油田三叠系克下组砾岩岩心特征与现代洪积扇沉积特征对比Fig.10 Comparison between core conglomerates of the Triassic Lower Karamay Formation in Karamay Oilfield,
Junggar Basin and modern alluvial fan sediments

图10-b为扎伊尔山现代干旱型洪积扇横剖面沉积物特征, 主要为砂泥质支撑的砾岩。由于分选较差, 这类沉积物在成岩后物性也相对较差。

4.4 颗粒支撑砾岩

颗粒支撑砾岩的岩石构成以细砾为主, 分选好, 磨圆程度以次圆为主。砾石间由分选较好的中粗砂及细砾充填, 泥质含量极低, 可以作为很好的储集岩, 岩心观察可发现油侵或者油斑, 油侵的颗粒支撑砾岩也较疏松(图 10-c)。这类岩石形成于洪积扇上水动力能量较高的辫流河道, 常常呈条带状分布, 具河流沉积构造特征, 是洪积扇背景最好的储集岩体。

图10-d为准噶尔盆地南缘阜康白杨河洪积扇主槽沟道或者辫流沟道沉积物特征。沟道一般具有持续性水流, 沉积物的分选较好, 水动力强时沉积粒度粗的砾石, 而水动力减弱时沉积分选好的细粒沉积物。现代洪积扇沉积的这种特征能够很好地解释研究区克下组这类岩石的形成环境。

4.5 分选较好的细砾岩

这类砾岩分选较好, 砾石直径多数介于0.5~1.0 cm之间, 具有定向排列的特征, 颜色微红, 为干旱型洪积扇扇缘沉积, 或者辫状水道不发育的干旱型洪积扇流沟沉积物特征。

图10-e为克下组岩心特征, 代表干旱环境, 牵引流水动力沉积形成的岩石类型。

图10-f为扎伊尔山现代干旱型洪积扇表面流沟内的沉积物特征。干旱型洪积扇不具备长期持续的水流特征, 沉积物的运移及卸载过程不是牵引流为主。因此, 该类洪积扇具有阵发性。而每次洪水过后的一段时间内, 小股水流在扇面上持续流动形成这种下切深度不超过50 cm的小流沟。流沟是在洪水期大量沉积之后, 携带分选较好的细粒沉积物在流沟内沉积, 成岩后形成此类岩石。流沟的沉积作用时间也较短, 大部分时间为暴露环境, 故岩石的颜色整体以氧化色为主。

另外, 此类岩石还可以形成于洪积扇扇缘。扇缘辫流河道的下切作用很微弱, 呈部分或者整体散开的状态发生沉积, 形成此类分选磨圆好又具有牵引流搬运性质的岩石结构。

5 洪积扇沉积演化及模式
5.1 沉积序列

单井垂向沉积序列分析表明, 克拉玛依油田三叠系克下组发育厚层砂砾岩体, 为洪积扇沉积, 垂向上呈向扎伊尔山后退的沉积序列, 洪积扇扇根演变至辫状河冲积平原。S73小层发育厚层块状砾岩, 砾石含量高, 泥质夹层少, 电测曲线也呈高幅箱型, 齿化较弱, 为洪积扇扇根至扇中沉积背景; S72小层以砂砾岩为主, 较S73小层粒度变细, 测井曲线呈钟型, 泥质夹层及隔层增多, 沉积物的颜色由氧化色转变为还原色, 洪积扇经历由干旱型向河流沉积作用为主的洪积扇演变; S63小层为扇缘与辫状河平原的过渡地带, 该井上为泛滥平原相; S62小层为河道沉积, 粒度较细, 距离洪积扇距离较远, 洪积扇较S63小层向源后退很多; S71小层及S61小层均为湖泛沉积, 发育可横向对比的泥岩(图 11)。

图11 准噶尔盆地克拉玛依油田一区5-10A井三叠系克下组地层划分及沉积相演化Fig.11 Stratigraphic divisions and evolution of sedimentary facies of the Triassic Lower Karamay Formation of Well 5-10A in Block 1, Karamay Oilfield, Junggar Basin

5.2 平面沉积相展布及演化特征

研究区克下组S73小层整体为洪积扇沉积背景, 物源来自正北方向。三3区东北部及三2区西南部为距离河流出山口最近的地方, 沉积厚度最大, 为扇根亚相(图 12)。扇根复合砂砾岩体为多期主槽、槽滩砾石体叠置而成(图 14), 宽度为3500~4000 m。三2区和三3区主槽带之外的地区为漫洪带, 为相对较高的地区, 在洪水期水流漫出主槽而沉积。漫洪带沉积物为泥、砂、砾混杂堆积, 属于片流方式沉积。当沉积物泥质含量低时, 漫洪带也可形成物性较好的片状砾石层, 但沉积构造简单。三4区及一区的广大地区为洪积扇扇中沉积, 发育辫流带及漫洪带。辫流带为多期辫流河道复合叠置。三2区东部、三1区以及一东区东部为扇间叠置带。

图12 克拉玛依油田一区和三区三叠系克下组S73小层沉积相图Fig.12 Sedimentary facies map of S73 of the Triassic Lower Karamay Formation in Block 1 and Block 3, Karamay Oilfield

图13 克拉玛依油田一区和三区三叠系克下组S63小层沉积相图Fig.13 Sedimentary facies map of S63 of the Triassic Lower Karamay Formation in Block 1 and Block 3, Karamay Oilfield

图14 克拉玛依油田三叠系克下组S7砂组内部结构(剖面位置见图12)Fig.14 Cross sections showing distribution of alluvial fan of Triassic Lower Karamay Formation in Karamay Oilfield(location of sections are shown in Fig.12)

克下组S63小层为洪积扇扇缘沉积, 河道已与正常的辫状河区别不大。三3区主要为扇缘沉积背景, 河道下切弱, 辫流带展布宽度变宽。一区和三4区为扇缘至辫状河冲积平原, 河流经过扇缘形成片状水流, 片状水流在扇缘汇聚或者主要辫流河道进入冲积平原地带形成持续的辫状河沉积。辫状河河道之外发育溢岸及冲积平原辫状河之间的泛滥平原(图 13)。

克下组从下至上平面砂砾岩体的分布及沉积相展布表明, 洪积扇向物源方向后退。

5.3 剖面结构特征

沉积地层内部结构的解剖对于油田开发中后期开发方案的调整具有重要意义。正是由于油气田开发对于储集层内部结构精细解剖的强烈诉求催生了储集层构型理论(Miall, 1985, 1988, 1996; 吴胜和, 2010), 这一储集层研究方法目前在曲流河储集层的研究中取得了很大的进展(岳大力, 2006; 徐振永等, 2007; 吴胜和等, 2008)。前人也尝试将这一研究方法运用到洪积扇储集层(DeCelles et al., 1991; 焦巧平等, 2009; 伊振林等, 2010; 吴胜和等, 2012), 但由于洪积扇沉积过程的复杂性, 洪积地层内部结构一直是个很大的难题。

克拉玛依油田一区和三区属于准噶尔盆地西北缘古湖湾区的一部分, 在克下组沉积之前为抬升剥蚀区, 无沉积作用发生。随着研究区的沉降及沉积作用, 克下组不整合于石炭系基底之上。雍天寿等(1964)对克拉玛依油田克拉玛依组进行了研究, 认为低地势区地层厚度大, 具有“ 填平补齐” 的特征, 并向西北方向超覆。郎风江和焦养泉(1997)进一步论证了这种观点, 认为古地貌上发育古沟槽。这些古沟槽在克下组沉积早期为主要的沉积物通道及沉积物卸载区。下文通过洪积地层内部结构特征的研究分析克下组洪积扇沉积演化过程。

5.3.1 垂直物源剖面特征

垂直于物源的剖面横切古沟槽, 可以很好地反映克下组沉积早期洪积地层特征。AA'剖面过三3区, 垂直于物源方向(图 14-a)。克下组发育S61小层湖泛泥岩标志层和S71小层湖泛泥岩标志层, 可以横向区域对比。将克下组S6砂组顶部湖泛泥岩标志层拉平之后, S71小层也近于水平, 在此基础上对早期古地貌控制下的沉积物充填特征进行分析。

S73小层沉积时期, 首先将古沟槽及洼地充填, 充填带的宽度由古沟槽的宽度决定。在古沟槽及洼地填平的基础上, S73上部地层横向连续。扇根AA'剖面沟道充填分为2期:第1期充填宽400 m左右, 严格受古地形的控制, 堆积物主要为干旱气候阵发性水流携带卸载的角砾状洪积物。第2期沉积进一步将古沟槽充填, 并在古沟槽两侧比较平缓的高地上平铺堆积。沟道充填沉积物的测井曲线为从下至上电阻率增高的特征, 但整体上呈块状。这是因为沟道充填沉积物为泥质含量较高, 且泥质下沉, 因此电阻率曲线特征值向上增高。

洪积物“ 填平补齐” 后在平面上堆积的范围变大, 且部分地区堆积体有顶部上凸的特征, 横向上连续性好, 整体呈块状, 也即是泛连通体特征, 内部含有泥质稍高的夹层, 但总体特征为横向连续的块状堆积, 为多期主槽及槽滩砂砾岩体叠合而成, 横向上难细分。

5.3.2 顺物源方向剖面特征

BB'剖面过三3区, 顺物源方向(图 14-b)。将S71小层顶部拉平之后, 可见沉积顺序与横剖面类似。洪积物首先填充由于古地貌不平造成的古洼地及古沟槽。测井曲线特征也为向上电阻率略微变高的旋回特征, 横向连续性很好, 为横向连通的块状。古洼地及古沟槽填满之后, 发育厚层块状主槽及槽滩复合砂砾岩沉积体。顺物源方向, 块状砂砾岩体具有楔状进积的特征, 且距离山区越近, 砂砾岩体的厚度越大。三3区最北部S72小层为扇根沉积, 但分布范围有限。主槽带之外为地形相对高出的漫洪带。非洪水时期很难发生沉积, 但洪水时期, 洪水越过主槽在相对高的地区发生沉积。

5.3.3 漫洪带剖面特征

CC'剖面横切漫洪带(图14-c)。漫洪带地势较为平坦, 向西变低, 靠近三3区主槽的漫洪带为片状砾石体和泥质含量较高的漫洪沉积。片状砾石体横向上连续性较好, 沉积物之间泥质含量低, 可以作为好的储集层。当水流携带的沉积物泥质含量低且流量较大时, 在主槽两侧地势较高且较为平坦的地区沉积此类片状砾石体。当洪水期水流携带大量的泥质或者甚至载体方式为泥石流时, 在主槽两侧的漫流带沉积的沉积物泥质含量高, 通常为砂泥砾混杂的沉积物; 物性差, 作为储集层一般质量差或者不能作为储集层。扇根漫洪带片状砾石层电阻率值较高, 而砂泥砾混杂的沉积物电阻率值较低。

克下组洪积地层总体上从“ 填平补齐” 的不连续演化至横向连续。测井曲线特征从大套的厚层箱型演变为标准的钟型特征, 也即是洪积扇逐渐演化为辫状河冲积平原。

5.4 现代与古代洪积扇类比条件

现代洪积扇特征分析、古代岩石特征与现代沉积物的对比、平面砂体展布及沉积相的演化、剖面内部结构的解剖都表明, 克拉玛依油田三叠系克下组古代洪积扇的演化与现代扎伊尔山前洪积扇、白杨河现代洪积扇具有类比研究的基础。

1)岩石特征可以类比。每一类岩石具有特定的形成环境, 现代洪积扇沉积物与古代洪积扇岩石特征的对比表明成因上具有可对比性。

2)发育规模可以类比。现代干旱型、受河流作用小的洪积扇宽度一般都在1 km以内。克下组古代洪积地层内部结构分析表明, 早期的沟道充填宽度也都在几百米的范围。古地貌对早期山麓型洪积扇规模具有相似的控制作用。克下组S7砂组中后期古代洪积扇的宽度为12~15 km, 与辫状河沉积作用为主的阜康市白杨河洪积扇在规模上具有可类比性。

3)构造背景可类比。克下组古代洪积扇沉积时期的构造背景为挤压推覆形成的前陆盆地边缘。这种构造背景为洪积扇的堆积提供了足够的可容空间。阜康市白杨河洪积扇形成的构造背景也为博格达山造山运动形成的具有强烈高差对比的前陆盆地边缘。

4)沉积作用方式可类比。克下组沉积早期古代洪积扇表现为洪水堆积, 岩心特征表现为砾石无分选、无磨圆, 与扎伊尔山前现代洪积扇堆积方式一样。克下组沉积晚期古代洪积扇从岩心韵律、沉积构造、测井曲线特征都表现为辫状河沉积特征, 与白杨河辫状河型洪积扇在沉积作用方式方面可类比。

5)气候条件可类比。克下组不同阶段的岩石氧化特征、还原特征明显, 与干旱气候条件下扎伊尔山前洪积扇沉积物颜色及气候转潮湿以后的白杨河洪积扇沉积物颜色具有很好的对应关系。

5.5 古代洪积扇沉积演化模式

随着三叠纪克下期的构造活动强弱变化、古气候及古水系的变化, 克下组洪积扇在不同的阶段可以用不同的沉积模式进行描述。

5.5.1 克下组沉积早期沉积模式

克下组S73小层直接覆盖在石炭系基底上, 呈不整合接触。凹凸不平的古地貌对早期沉积物的分流具有重要的引导作用。沉积物首先选择性地堆积在古沟槽内, 逐渐将凹凸不平的古地貌“ 填平补齐” 。早期的地层横向上不连续, 超覆在两侧的古凸起上。因此, 早期的充填沉积时期, 古凸起上存在地层缺失(图 15-a)。

图15 克拉玛依油田三叠系克下组洪积扇沉积模式Fig.15 Sedimentary models of alluvial fans of the Triassic Lower Karamay Formation in Karamay Oilfield

克下组沉积时期构造活动逐渐减弱, 这也直接控制沉积物的堆积方式。逆冲推覆构造运动使得扎伊尔山隆升, 山体坡度较大, 阵发性洪水期形成的洪积物就近堆积, 或者充填在古沟槽内。

该时期的气候干燥, 这一特征可以从前文岩心特征描述得到证实。克下组下部岩石不仅氧化色特征明显, 而且沉积物多未经分选磨圆, 呈典型的坡积物特征。因此, 这一阶段沉积物分布规模有限。

5.5.2 克下组沉积中期沉积模式

克下组沉积早期的“ 填平补齐” 将石炭系古地貌之上的古沟槽及古洼地逐渐填平。另外, 克下组沉积中期气候开始向潮湿气候转变, 沉积地层开始在研究区连续发育, 地层在横向上为多期洪积扇的叠加(图 15-b)。

这一时期的构造活动较之前减弱, 阵发性洪水沉积作用减少。

伴随着气候的变化, 洪积扇类型及特征也开始变化。之前的干旱型洪积扇为洪积物在古沟槽及洼地内的简单堆积, 内部结构简单, 以杂乱充填方式为主。因此, 早期的洪积扇宏观形态受到古地形的控制, 空间形态不是严格意义上的“ 扇形” , 克下组沉积中期洪积扇类型发生转变, 沉积物分选磨圆变好, 且河道充填冲刷构造特征明显, 砾石具有定向排列, 为典型的河道充填方式为主的洪积扇。

5.5.3 克下组沉积晚期沉积模式

克下组沉积晚期的构造活动相对平静, 扎伊尔山与山前盆地的高差减小, 洪积扇也逐渐向物源方向迁移。这一时期气候湿润, 洪积扇为具有常年河流作用的辫状河型洪积扇, 随着洪积扇的向源迁移, 研究区以辫状河冲积平原为主(图 15-c)。

6 结论

1)通过岩心观察, 将克拉玛依油田克下组砾岩分为杂基支撑角砾岩、弱胶结砾岩、泥质杂基支撑砾岩、砂砾质支撑砾岩和分选极好的细砾岩几种类型。

2)通过对比岩心和现代洪积扇沉积物的特征, 确定了每一类砾岩的形成环境。通过现代洪积扇的考察, 为砾岩的形成环境分析提供分析依据。

3)克下组洪积扇整体上为退积过程, 且气候环境由干旱变得潮湿。扎伊尔山前现代洪积扇和阜康市白杨河现代洪积扇可以与克下组古代不同阶段洪积扇进行类比研究。

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