准噶尔盆石南地区油气勘探始于20世纪50年代, 随着1992年石西1井取得勘探重大突破、获得工业油气流, 准噶尔盆地腹部陆梁隆起油气勘探实现质的飞跃, 发现第1个亿吨级油田— — 石西油田, 含油气资源远景广阔。1996年, 在基东鼻凸中部钻遇石南4井, 该井在侏罗系三工河组首获气藏, 并在侏罗系头屯河组2582~2589, m处获得工业油流, 同年, 石南5井在侏罗系头屯河组2552~2560, m井段, 获日产油18.2, t, 日产气3691, m³的工业油气流, 随后石南6井、石南7井、石110井、石南26井、石南21井等相继在侏罗系头屯河发现油藏, 从而发现了以侏罗系为主要含油气层系的石南油气田。该油田是一个与断裂密切相关的多层系叠置的油气田, 油气藏类型以岩性— 构造型油气藏为主(张义杰和董大忠, 2007)。中侏罗统头屯河组作为石南地区主要的产油层系, 是勘探的重点和难点层位, 油气显示良好, 但其地层分布、小层划分和储集层发育情况不明确, 沉积相和储集层非均质性缺乏系统研究, 油气分布零散, 不同区块含油气性差异大。前期对于石南地区侏罗系头屯河组的研究主要集中于油气成藏(王屿涛, 1999; 徐常胜等, 2005)、构造特征(何登发等, 2007)、层序地层(谢寅符等, 2006)、盆地沉积充填模式(任朝波和岳云雷, 2014)及储集层特征(虞云岩和卢秀华, 2009)等方面, 沉积特征及沉积相也初步做了研究, 但认识分歧较大。如王屿涛等(1999)、鲍志东等(2005)和徐常胜等(2005)认为头屯河组发育辫状河沉积; 何登发等(2007)认为侏罗纪准噶尔盆地腹部发育内陆拗陷浅水湖盆, 沉积相为河湖相和湖沼相交替; 凌云等(2006)认为头屯河组为曲流河— 三角洲前缘沉积体系; 虞云岩和卢秀华(2009)通过对石南21井区储集层精细描述, 认为头屯河组二段发育三角洲前缘亚相沉积。这些研究成果多针对于准噶尔盆地腹部或者单个层位, 研究尺度和范围较大, 目标区块和层位针对性不强, 缺少系统的对头屯河组沉积相展布及其演化规律的研究。

笔者在前人研究的基础上, 根据岩心观察, 沉积构造以及砂体的空间展布, 结合测井、录井资料及区域地质背景等的综合研究, 认为该区头屯河组发育典型的辫状河三角洲沉积, 沉积旋回受湖平面升降变化的影响。本研究将为该区有利储集层预测和准噶尔盆地腹部石南地区油气藏勘探提供地质依据。

石南地区地处准噶尔腹部古尔班通古特沙漠腹地, 构造上隶属于陆梁隆起西段夏盐凸起东南部和三南凹陷, 西距克拉玛依市约130, km, 北抵三个泉凸起(图 1; 凌云等, 2005; 旷红伟等, 2008)。受早期燕山运动的改造, 陆梁隆起抬升, 中侏罗统头屯河组遭受剥蚀, 部分残留, 分布局限, 与上覆白垩系清水河组和下伏西山窑组均不整合接触(王屿涛等, 1999; 徐常胜等, 2005; 赵霞等, 2007; 张义杰和董大忠, 2007; 任朝波和岳云雷, 2014)。研究区头屯河组总体上西北较厚, 东部较薄, 厚度大致为18.85~112.73, m, 平均厚56.12, m。

图1

Fig.1

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	图1 准噶尔盆地石南地区位置Fig.1 Location of Shinan area in Junggar Basin

石南地区头屯河组由下到上发育头屯河组一段(简称头一段)、头屯河组二段(简称头二段)、头屯河组三段(简称头三段)(图2)。头一段以灰色、灰绿色中细砂岩为主, 顶部为灰色、灰黄色、灰褐色泥岩和粉砂质泥岩, 厚度变化较大, 从几米到几十米; 头二段主要以灰色、褐灰色细砂岩、中细砂岩为主, 夹杂含砾砂岩, 部分井段顶部为灰色、深灰色、杂色泥质粉砂岩和泥岩; 头三段主要为灰色、红色、红褐色及杂色泥岩和粉砂质泥岩, 发育少量灰色细砂岩。

图2

Fig.2

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	图2 准噶尔盆地石南地区中侏统头屯河组沉积相及测井响应特征Fig.2 Sedimentary facies and logging response characteristics of the Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area of Junggar Basin

本研究搜集了准噶尔盆地石南地区头屯河组60多口探井的录井资料、测井资料、试油资料、岩心扫描图及地震资料, 对研究区10口典型取心井的岩心进行了现场详细观察和精细描述。根据头屯河组岩石类型、岩石结构、沉积构造、粒序特征、泥岩颜色、沉积旋回、沉积序列及砂体厚度, 结合准噶尔盆地腹部陆梁隆起沉积构造背景及物源供给, 识别沉积类型, 并结合岩相组合以及测井和地震资料, 准确把握研究区沉积相发育特征。最后根据单井砂体的垂向沉积序列和砂岩厚度的详细统计, 勾画出不同层段的沉积相平面分布图。

通过准噶尔盆地石南地区头屯河组取心井岩心的详细观察, 结合测井和录井资料, 可知石南地区头屯河组以辫状河三角洲沉积为主, 其主要依据为: (1)石南地区头屯河组主要发育灰色、褐灰色细砂岩、中砂岩(图 3-a)、中粗砂岩(图 3-b)和灰色、褐红色含砾粗砂岩、不等粒砂岩以及灰色、灰绿色粉砂岩、泥质粉砂岩夹褐色、灰色粉砂质泥岩、泥岩(图 3-c, 3-d, 3-e), 偶见薄煤层或炭屑(图 3-f), 反映沉积时水体浅且动荡。(2)研究区碎屑岩岩石类型以长石岩屑砂岩(图 3-g)、岩屑砂岩(图 3-h)为主, 碎屑颗粒呈次棱角状— 次圆状(图 3-g, 3-h), 分选中等— 差; 统计分析可知:石英/(长石+岩屑)值约为0.34, 碎屑颗粒中岩屑平均体积分数为54.25%, 长石平均体积分数为20.12%, 石英的平均体积分数为25.62%, 岩石的成分成熟度较差, 表明河流搬运距离较短, 符合辫状河三角洲短流程的特点(周洪瑞等, 2006)。(3)岩石杂基以泥质、高岭石和绿泥石为主, 泥质平均体积分数为1.64%, 胶结物以铁方解石、方解石、铁白云石以及高岭石、绿泥石(图 3-i)等为主, 少见次生石英, 结构成熟度较好, 符合辫状河三角洲水动力条件较强、岩石受流水冲刷和淘洗较为充分的特点。(4)发育板状交错层理、平行层理等较强水动力标志性构造。石南地区头屯河组辫状河三角洲相, 进一步划分为辫状河三角洲平原亚相和辫状河三角洲前缘亚相。

图3

Fig.3

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图3 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组岩石特征和沉积构造特征 a— 石108井, 2520.5, m, 灰色中砂岩, 发育板状交错层理, 辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积物; b— 石108井, 2521.4, m, 灰色中粗粒砂岩, 发育板状交错层理; c— 石108井, 2522.8, m, 灰色泥岩夹粉砂岩, 三角洲前缘水下分流河道间沉积物, 发育水平层理; d— 石108井, 2522.5, m, 灰色泥岩, 三角洲前缘水下分流河道间沉积物, 发育波纹层理; e— 石南30井, 2366.7, m, 褐色泥岩, 三角洲平原分流河道间沉积物; f— 石南26井, 2425.5, m, 灰色细砂岩夹炭屑, 三角洲前缘水下分流河道间沉积物; g— 石南4井, 2573.05, m, 长石岩屑砂岩, 分选中等, 磨圆度以次圆状为主, 单偏光; h— 石南34井, 2579.44, m, 岩屑砂岩, 线接触为主, 分选差, 磨圆度为次圆状— 次棱角状, 单偏光; i— 石南31井, 2713.73, m, 颗粒表面绿泥石发育, 粒间自生高岭石和伊蒙混层胶结, 扫描电镜Fig.3 Petrology and sedimentary structures of the Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area of Junggar Basin

4.1 辫状河三角洲平原亚相

辫状河三角洲平原由众多的辫状分流河道或平原分流河道组成, 分流河道是辫状河三角洲平原亚相的主要部分, 其次为分流河道间, 在气候潮湿区可发育沼泽洼地。

1)分流河道微相。分流河道是辫状河三角洲平原亚相的主体部分, 继承了辫状河道牵引流的沉积特点, 在沉积过程中频繁改道侧向加积, 形成具有较大宽厚比的砂岩带, 由若干个向上粒度变细的透镜体叠置连片, 横向上延伸数米变薄尖灭(图 4)。研究区分流河道以厚层块状灰褐色细砂岩、中砂岩为主, 顶部沉积绿灰色、杂色及深灰色粉砂岩或粉砂质泥岩(图 2)。岩石的碎屑颗粒以次圆状、次棱角状为主(图 3-h), 分选较差, 具有由粗变细的正粒序沉积序列。河道底部常发育板状交错层理、波纹层理, 上部发育平行层理或波纹层理, 说明辫状河三角洲平原的分流河道继承辫状河河道较强的水动力, 以单向底流作用为主, 向上水动力逐步减弱(付金华等, 2012)。刘艳蓉等(2005)通过地层倾角测井解释研究区头屯河组存在明显的冲刷面, 据岩心观察, 未见明显的底冲刷构造, 但在砂泥界面处可见小型的底冲刷面, 并在底部冲刷面可见薄层含砾砂岩或含泥砾不等粒砂岩。该微相粒度概率曲线主要为三段式(图 5-a)和二段式(图 5-b), 其中三段式斜率小, 粒级分布广, 悬浮次总体含量8%~15%, 说明水动力条件介于牵引流和重力流交替的环境下, 沉积物分选差; 而二段式具明显的河道沉积特点, 以跳跃总体为主, 含量为50%~70%, 跳跃和悬浮次总体的截点较大, 悬浮总体含量较小, 分选中等到好。测井曲线为中低幅顶底突变接触的箱型(图 2, 图4), 反映物源供应足。但研究区辫状河三角洲平原分流河道发育较少, 常见单一厚层河道砂体。

图4

Fig.4

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	图4 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组辫状河三角洲各微相沉积序列Fig.4 Sedimentary sequence of braided delta microfacies of the Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area, Junggar Basin

图5

Fig.5

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图5 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组辫状河三角洲沉积物粒度概率曲线 a— 石123井, 2429.54 m, 头二段, 褐灰色含砾粗砂岩, 辫状河三角洲平原分流河道; b— 石131井, 2446.42 m, 头二段, 灰色中细砂岩, 辫状河三角洲平原分流河道; c— 石306井, 2669.55 m, 头一段, 中砂岩, 辫状河三角洲前缘水下分流河道; d— 石202井, 2440.92 m, 头二段, 灰色中砂岩, 辫状河三角洲前缘水下分流河道; e— 石南33井, 2826.28 m, 头二段, 灰色粗砂岩, 河口坝; f— 石南32井, 2764.39 m, 头二段, 灰色细砂岩, 河口坝Fig.5 Grain size cumulative probability curves of braided delta deposits of the Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area, Junggar Basin

2)分流河道间微相。该微相主要指分流河道之间的沼泽洼地, 包括废弃河道和辫状河道迁移漫越在河道两侧形成的积水洼地, 其沉积物常呈下凸上平的透镜状, 岩层向两端收敛变薄、尖灭(图 4)。研究区分流河道主要发育棕红色、红色、灰色粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩(图 3-e)及煤层和植物炭屑, 发育水平层理和波纹层理, 测井曲线表现为低幅指状(图 2, 图4), 而煤层具有典型高电阻率和自然伽马曲线负异常的特征。

由于燕山运动的影响, 头屯河组沉积时期古地势为东北高西南低、西北高东南低, 所以砂体展布整体上从北东到西南连续性较好, 厚度增大。凌云等(2000)根据石南21井区头屯河组碎屑岩重矿物ZTR指数(锆石+电气石+金红石在重矿物中的百分含量)从东北到西南逐渐增大的现象, 认为研究区物源应来自盆地的东北方向。刘艳蓉等(2005)依据地层倾角测井砂层蓝模式推断出研究区古水流方向为西北向东南方向流动和东北向西南方向流动, 认为物源来自盆地西北和东北方向。通过统计研究区64口井头屯河组各段砂岩厚度, 发现头一段和头二段砂体厚度的平面展布由西北向东南方向和东北向西南方向减小, 并且东北向西南方向的砂体由于辫状河三角洲河道迁移分叉。河道砂体的展布受物源方向的影响, 故研究区主河道应从东北向西南和西北向东南方向延伸(图 6)。其中纵向上, 头一段砂体厚度略大于头二段, 其砂岩厚度大部分约20, m, 顺主河道方向砂体的展布范围和连续性较好, 而头二段砂岩的平均厚度为15, m, 最厚可达35, m, 砂体呈朵状体叠置连片分布, 砂体连续性较好。

图6

Fig.6

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	图6 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组一段沉积相平面展布Fig.6 Planar distribution of sedimentary facies of the Member 1 of Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area of Junggar Basin

基于石南地区头屯河组3段纵向上岩性变化快, 层厚差别大, 同时准噶尔盆地腹部侏罗系末到白垩纪初古气候由半干旱— 干旱转变为湿润(谢寅符等, 2006)。综合分析研究区岩性特征、岩相组合和沉积微相特征, 可知研究区从头一段到头三段总体上经历了湖平面下降和大规模的湖侵的旋回演化过程(图6至图8):

图7

Fig.7

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	图7 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组二段沉积相平面展布Fig.7 Planar distribution of sedimentary facies of the Member 2 of Middle Jurrassic Toutunhe Formation in Shinan area of Junggar Basin

图8

Fig.8

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	图8 准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组三段沉积相平面展布Fig.8 Planar distribution of sedimentary facies of the Member 3 of Middle Jurassic Toutunhe Formation in Shinan area of Junggar Basin

1)头一段沉积时期。整个石南地区发育辫状河三角洲前缘亚相, 水下分流河道微相是发育最广、厚度最大的沉积单元。北东向和西北向的物源供应充足, 砂体厚度大, 主河道砂体分别沿着石南19井— 石南7井— 基003井— 基001井— 石南16井、石南47井— 石南22井— 石116井— 石109井— 石南50井及石南56井— 石南41井— 石南36井展布, 基008井、基006井等一带属于2个物源砂体的交汇地区, 但河道侧缘的砂体较薄, 河道间砂体部分叠加(图 6)。

2)头二段沉积时期。湖平面下降, 湖岸线向湖盆推进, 辫状河三角洲发生进积, 夏盐4井— 石南10井— 石南22井— 石南27井一线以北主要发育辫状河三角洲平原亚相, 以南则发育辫状河三角洲前缘亚相。石南19井— 石南7井— 石南16井一线、石南60井— 石南58井— 石南21井一线、石南56井— 石南41井— 石南36井分别发育3个主要的河道, 主河道砂体较厚, 侧向变薄, 砂体主要以河道垂向叠置而主, 侧向加积为辅。不同方向物源的砂体在石南4井、石南45井一带交汇。其中平原分流河道砂体最厚可达35, m, 但平原分流河道间发育, 将平原河道砂封隔成孤立砂体, 横向连续性差; 而辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体呈朵状体叠置连片分布, 由于距离物源较远, 河道砂体的厚度相较平原河道砂体减薄5, m左右, 但前缘水下分流河道砂体和席状砂体大面积叠置连片, 平面上砂体厚度差异不大, 可形成大规模优质储集层(图 7)。

3)头三段沉积时期。湖平面急剧上升, 辫状河三角洲衰退, 研究区以滨浅湖沉积为主(图 8)。由于湖侵范围大, 湖水较浅, 加上构造抬升, 气候相较干燥, 头三段发育的泥岩大部分为灰褐色和棕红色, 少部分为杂色、灰色和灰绿色, 该时期的细粒沉积物往往成为头屯河组有利的区域性沉积盖层, 对油气保存具有重要意义。

1)准噶尔盆地石南地区中侏罗统头屯河组以辫状河三角洲前缘沉积为主, 仅在头二段零星出现辫状河三角洲平原沉积的特征, 沉积物搬运距离较短, 岩石的成分成熟度较低, 结构成熟度较高。岩性以灰色细粒砂岩为主, 常见板状交错层理、平行层理和波纹层理。

2)头一段发育辫状河三角洲前缘沉积, 河道砂体厚度大; 头二段沉积时期北部靠近物源区发育辫状河三角洲平原沉积, 南部继承发展多期河道叠置的辫状河三角洲前缘沉积; 头三段由于大规模的湖侵发育滨浅湖沉积。