鲁克沁地区梧桐沟组岩石类型主要为碎屑岩类, 包括泥岩、粉细砂岩、中粗砂岩及砂砾岩, 油层段岩性以砂砾岩为主, 其次是细砂岩。对82口井的储集层岩性进行统计显示: 梧桐沟组一段中粗砂岩和细砂岩共占14.3%, 砂砾岩占85.7%; 梧桐沟组三段中粗砂岩和细砂岩共占18%, 砂砾岩占82%。

梧桐沟组储集层岩石整体具有较低的结构成熟度和成分成熟度。其中一段碎屑颗粒多呈次棱角状— 次圆状, 分选差, 杂基含量均较高, 孔隙不发育, 多见杂基支撑结构。砂砾岩中可见大量泥砾, 部分泥砾在压实作用下变形, 呈假杂基分布于砂砾间(图2-A, 2-B)。岩石较低的成熟度反映了短距离搬运和高密度底流快速沉积的特征。梧桐沟组三段和二段砂砾岩单层厚度小于一段, 碎屑颗粒分选中— 差, 杂基含量明显低于梧桐沟组一段, 可见较明显的粒间孔隙, 多为颗粒支撑(图2-C, 2-D)。镜下鉴定及物性数据统计显示, 梧桐沟组三段储集层杂基含量2%~3.5%, 粒间孔含量1.5%~5%, 孔隙度12%~18%; 梧桐沟组一段储集层杂基含量2%~7%, 粒间孔含量0.1%~3%, 孔隙度8%~14%。

图2

Fig.2

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图2 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组岩心特征 A— 玉北401井, 3903.24~3903.41 m, 梧桐沟组一段, 杂色泥质砂砾岩, 砾石之间充填泥杂基; B— 玉113井, 3776.84~3777.0 m, 梧桐沟组一段, 杂色泥质砂砾岩, 砾石之间充填泥杂基; C— 玉北20-9井, 3881.55~3881.7 m, 梧桐沟组二段, 灰色砂砾岩, 砾石分选中等、泥质含量低; D— 玉北20-14井, 3818.92~3819.08 m, 梧桐沟组三段, 灰色砂砾岩, 分选中等— 差, 相对疏松, 胶结作用弱; E— 玉北7-17井, 4538.24~4538.5 m, 梧桐沟组三段, 灰色砂砾岩, 分选中等— 差, 相对疏松, 胶结作用弱; F— 玉北7-17井, 4537.89~4538.1 m, 梧桐沟组三段, 灰色含砾粗砂岩, 分选中等— 差, 相对疏松, 胶结作用弱Fig.2 Core characteristics of the Permian Wutonggou Formation in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

梧桐沟组一段以大套灰色砂砾岩夹薄层泥岩沉积为主, 由下至上泥岩颜色由灰色逐渐变为紫红色或棕色, 说明沉积时期水体由深变浅; 梧桐沟组二段和三段岩石以紫红色或棕色泥岩夹灰色砂砾岩为主, 推测沉积时期水体较浅, 整体以氧化环境为主。

碎屑岩中的沉积构造, 特别是物理成因的原生沉积构造, 最能反映沉积物形成过程中的水动力条件, 是分析和判断沉积相最重要的标志。通过对鲁克沁地区10余口取心井的岩心描述和分析, 发现鲁克沁地区梧桐沟组一段大套砂砾岩以块状构造为主(图2-A, 2-B), 大套砂砾岩顶部偶见平行层理细砂岩, 显示出沉积物重力流的沉积特征; 梧桐沟组二段和三段砂砾岩主要以块状层理(图2-C, 2-D)和槽状交错层理(图2-E)为主, 含砾砂岩以平行层理或交错层理为主(图2-F), 反映出扇三角洲前缘水下分流河道的沉积特征。

沉积岩粒度特征主要受搬运介质、搬运方式和沉积环境控制, 因此粒度分析也是确定沉积环境的一个重要指标。梧桐沟组一段的粒度概率特点突出, 多表现为斜率较缓的“ 一段式” , 沉积物分选较差, 悬浮总体含量大, 属于典型重力流沉积的粒度概率累积曲线特征(图3-A)。梧桐沟组三段的粒度概率累积曲线与一段有较大差别, 多为“ 两段式” 或“ 三段式” , 存在跳跃和滚动组分, 为牵引流沉积特征(图3-B)。

图3

Fig.3

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	图3 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组粒度概率累积曲线Fig.3 Cumulative probability curve of grain size of sandstone samples from the Permian Wutonggou Formation in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

沉积岩的微量元素和古生物特征, 在判别古环境方面已经得到了广泛应用(钱利军等, 2012)。通过对鲁克沁地区玉北401井、玉115H井和英502井梧桐沟组10块泥岩样品微量元素进行测定, 并与Hatch和Leventhal(1992)建立的V/(V+Ni)值反映氧化还原特性的指标进行比对, 发现其中5块样品的V/(V+Ni)值介于0.46~0.60之间, 另外5块样品的V/(V+Ni)值介于0.60~0.82之间, 这说明研究区梧桐沟组湖盆水体分层性中等到弱, 湖水循环较为顺畅, 不属于较强的厌氧还原环境, 反映出湖盆水体不深, 为滨浅湖— 半深湖环境。同时对近10口取心井的孢粉化石进行分析, 发现梧桐沟组沉积时期植物以蕨科和裸子科为主, 反应了当时气候由潮湿转向半干旱的特征(张代生等, 2002)。

碎屑岩中重矿物组合类型及其分布可作为物源分析依据之一。鲁克沁地区梧桐沟组重矿物以磁铁矿、赤铁矿、白钛矿、锆石、金红石、电气石、石榴石、绿帘石为主, 其中磁铁矿、赤铁矿、锆石、白钛矿和石榴石含量可达75%~95%, 金红石、电气石和绿帘石含量较低, 物源母岩成分主要为中性及基性岩浆岩和变质岩。重矿物组合分布图(图4)显示, 研究区东西两侧的重矿物组合类型有较明显的差别, 西侧玉113、玉115H等井的重矿物组合类似, 以锆石、石榴石、磁铁矿、赤铁矿和白钛矿为主, 东侧英1101井、英503等井重矿物以锆石、石榴石、磁铁矿、白钛矿、绿帘石为主。根据重矿物组合分布, 可以推测研究区东西两侧物源不同, 应是来自各自距离较近的凸起; 而英1井的重矿物组合与前两者均存在差别, 推测英1井位于2个物源的交汇区(图4)。

图4

Fig.4

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	图4 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组重矿物组合平面分布Fig.4 Distribution of heavy minerals assemblage of the Permian Wutonggou Formation in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

根据以上沉积相标志, 结合二叠纪的区域构造背景, 认为鲁克沁地区二叠系梧桐沟组主要发育水下扇相和扇三角洲相。随着水体的由深变浅, 沉积相类型由水下扇相逐渐过渡为扇三角洲相, 其中梧桐沟组一段以水下扇相为主, 扇三角洲相主要分布在梧桐沟组二段和三段。

3.2.1 水下扇

沉积物重力流理论体系建立后, 产生了水下扇的概念, 早在20世纪60年代, Jacka等(1968)就首次提出了古代水下扇的沉积模式, 随后国内地质学者们把此概念引入到陆相湖盆砂体研究中(吴崇筠, 1986; 张萌和田景春, 1999; 刘招君, 2003; 隋风贵等, 2010)。国内众多学者对水下扇沉积的描述有所差异, 主要区别在于扇体所注入水体的深浅, 如张萌和田景春(1999)提出了“ 水下扇” 和“ 近岸水下扇” 2种概念的分类, 笔者对此分类较为认同。该分类的主要观点是: “ 水下扇” 是进入相对浅水中的沉积体, 等同于吴崇筠(1986)所提出的水下冲积扇, 是指山地河流流出山口后就直接进入浅湖水体堆积, 形成全部没于水下的扇形砂砾岩体; 而“ 近岸水下扇” 一般是指发育在断陷湖盆中断层的下降盘, 呈楔形体插入深水湖相沉积中的扇体, 此时形成的砂体常与深水泥岩相伴生(Jacka et al., 1968; 张萌和田景春, 1999; 隋风贵等, 2010)。

通过对相标志的研究, 笔者认为鲁克沁地区梧桐沟组一段的沉积体符合张萌和田景春(1999)提出的“ 水下扇” 的概念, 即为注入相对浅水的扇形砂砾岩沉积体。主要的依据已在相标志部分进行了论述, 可归纳为2点: 第一, 根据微量元素、古生物特征及泥岩颜色, 梧桐沟组一段为非深水沉积环境; 第二, 根据岩石类型、沉积构造以及粒度特征等可以确定, 梧桐沟组一段的厚层砂砾岩具有重力流沉积的特征。

在水下扇扇根、扇中和扇端3个亚相中, 以扇中亚相的分布面积最大(吴崇筠, 1986), 而研究区主要发育扇中亚相。扇中水下辫状水道左右摆动频繁, 多期水道纵向上叠置冲刷, 形成了厚层的砂砾岩; 在每一期水道的顶部, 由于水动力的减弱可以沉积薄层的中细砂岩或者含砾砂岩(图5)。玉北20-9井梧桐沟组一段物性统计表明, 薄层的(含砾)砂岩孔隙度一般为10%~14%, 厚层砂砾岩孔隙度为6%~10%, (含砾)砂岩物性明显好于砂砾岩(图5)。对研究区梧桐沟组一段(含砾)砂岩和砂砾岩含油性进行统计, 发现油迹以上的储集层中, (含砾)砂岩厚度占59%, 砂砾岩厚度占41%, 其中能达到油浸级别的只有(含砾)砂岩储集层(图5)。可见, 梧桐沟组一段的油层主要分布在这些薄层的砂岩中。

图5

Fig.5

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	图5 吐哈盆地鲁克沁地区玉北20-9井二叠系梧桐沟组一段取心段沉积序列Fig.5 Depostional sequence of the Member 1 of Permian Wutonggou Formation from Well Yubei 20-9 in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

3.2.2 扇三角洲

鲁克沁地区梧桐沟组二段和三段的泥岩颜色以棕红色为主, 说明梧桐沟组中后期湖盆水体变浅。砂砾岩层厚度明显比梧桐沟组一段薄, 泥砾、泥屑的含量也有所减少, 说明碎屑物质经过了一定距离的搬运, 分选性要好于梧桐沟组一段。分析认为, 梧桐沟组沉积中后期湖盆边缘地形趋于平缓, 鲁克沁地区整体沉积特征, 符合扇三角洲的沉积特征。

扇三角洲包含扇三角洲平原、扇三角洲前缘和前三角洲3个亚相。地层展布和钻井显示, 扇三角洲平原亚相应位于研究区西南侧和东南侧, 目前残留较少。研究区平面上发育东西2个扇三角洲沉积体系: 西部以鲁西凸起为物源区, 水流自西南方向注入湖盆, 在吐玉克区块沉积; 东部以库木凸起为物源区, 水流自东南方向注入湖盆, 在英也尔区块沉积。目前来看, 这2个区块主要发育扇三角洲前缘亚相, 主要包括水下分流河道、河口砂坝、水下分流间湾等微相。

水下分流河道总体岩性较粗, 以砂砾岩和中粗砂岩为主。砂体底面常见冲刷界面, 底部常见块状层理、平行层理至大中型交错层理, 单一向上变细的层厚一般几十厘米至几米; 另外, 在砂层之间常夹薄层泥岩, 多个砂岩层、砂砾岩层叠置可达十米厚, 厚层砂体的自然电位曲线多为齿化箱状和顶部渐变的箱状(图6)。梧桐沟组二段和三段扇三角洲规模较小, 水下分流河道厚度也有限, 其中梧桐沟组二段扇三角洲规模和厚度略大于梧桐沟组三段, 纵向上可以看到多个期次的扇三角洲发育, 而梧桐沟组三段底部扇三角洲前缘叠置水下分流河道砂体, 厚度15 m左右(图6)。河口砂坝位于水下分流河道向盆地方向, 其岩性构成以中粗粒砂岩、细砂岩等为主, 常与滨浅湖相的泥岩、粉砂质泥岩交互。研究区河口砂坝沉积不明显, 主要是扇三角洲前缘水下分流河道横向摆动比较频繁, 每一期的水下分流河道很容易把前期的河口砂坝冲刷掉。

图6

Fig.6

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	图6 吐哈盆地鲁克沁地区玉北7-17井二叠系梧桐沟组三段取心段扇三角洲前缘沉积特征Fig.6 Depostional sequence of fan delta front in the Member 3 of Permian Wutonggou Formation of Well Yubei 7-17 in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

3.3.1 纵向演化特征

二叠纪梧桐沟组沉积时期, 研究区呈现出水体逐渐变浅、地形逐渐变缓的演化过程。

图7为1条近东西向贯穿研究区的连井剖面, 可见梧桐沟组一段沉积初期, 整个研究区形成了大套砂砾岩沉积, 厚层砂砾岩间发育少量薄层的泥岩, 泥岩颜色以灰色为主, 反映出当时碎屑物质快速进入湖盆, 形成了一套近源、分选较差的粗碎屑沉积, 即水下扇沉积。砂砾岩单层厚约20~50 m, 最厚可达150 m, 说明当时湖盆边界较陡, 具有一定规模的可容纳空间。在被大量粗碎屑物质充填后, 控盆断层活动减弱, 湖盆地形逐渐变缓, 水体变浅, 泥岩颜色逐渐变为紫色或棕红色。梧桐沟组一段沉积末期, 研究区由断陷湖盆演化为坳陷湖盆, 物源供给有所减弱, 碎屑物质的分选性有所提高, 厚层的砂砾岩层顶部常出现含砾砂岩、细砂岩沉积, 这种含砾砂岩、细砂岩油气富集程度高于下部厚层砂砾岩。

图7

Fig.7

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	图7 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组东西向沉积相剖面图(剖面线位置见图1)Fig.7 Sedimentary facies profile along the east-west direction of the Permian Wutonggou Formation in Lukqun area of Turpan-Hami Basin(profile location shown in Fig.1)

梧桐沟组二段、三段泥岩颜色以紫色或棕红色为主, 反映出沉积时水体较浅; 岩性为厚层泥岩夹薄层的砂砾岩、含砾砂岩, 而厚层的块状砂砾岩较少发育。此时湖盆边缘坡度较缓, 湖平面向外扩张, 物源区逐渐后退。由于水体较浅, 碎屑沉积物分布于水上和水下, 形成了扇三角洲沉积。研究区沉积的含砾砂岩、砂砾岩都经过了一定距离的搬运, 泥质含量低, 分选性也好于梧桐沟组一段沉积时期的砂砾岩。此时期形成的扇三角洲前缘砂体含油丰度较高, 取心常见油浸级岩心。

3.3.2 平面展布特征

综合沉积相标志、纵向演化特征、主要钻井资料和区域沉积背景分析, 采用优势相原则绘制2个主要油层段梧桐沟组一段和三段的沉积相平面图。

梧桐沟组一段沉积时期, 鲁克沁地区具有断陷湖盆特征, 但水体不深, 属半深湖环境, 此时湖盆位于两大凸起区之间的区域, 形成的湖岸较陡, 大量碎屑物质顺势而下快速注入湖盆, 形成了大面积分布的水下扇。研究区西侧吐玉克地区发育1个大型水下扇体, 该扇体由来自鲁西凸起的主水道向北东方向注入吐玉克区域的湖盆, 形成的砂砾岩厚度100~140 m; 水下扇发育区砂地比值较高, 最高可达70%。该水下扇向东北方延伸可达玉北8井以北区域。东侧英也尔地区发育2支水下扇, 来自库木凸起的主河道向北西方向注入湖盆, 其中北侧一支位于连23井、连28井区, 南侧一支位于英11井、英17井、英6井区域, 后者向西可以延伸至英1井以东区域。这2支水下扇形成的砂砾岩厚度大于100 m, 砂地比值较高, 最高可达70%。东西两侧的水下扇波及范围较大, 在英1井区附近形成交汇(图8)。梧桐沟组一段沉积时期, 水下扇的充填作用使得整个湖盆地势变缓, 控凹断层活动性减弱, 湖盆逐渐向坳陷湖盆转变。

图8

Fig.8

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	图8 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组一段沉积相Fig.8 Planar distribution of sedimentary facies of the Member 1 of Permian Wutonggou Formation in Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin

梧桐沟组二段、三段沉积时期, 湖面有所扩张, 但整体水体较浅, 物源区有所后退, 研究区砂岩分布面积有所减小, 形成的砂砾岩厚度也相应减小。梧桐沟组三段沉积时期, 研究区西侧吐玉克区块发育3个扇三角洲沉积体, 彼此孤立存在。玉北1井— 玉北6井区域, 扇三角洲规模较大, 形成的砂砾岩厚度为5~30 m, 砂地比值最大可达40%, 该扇三角洲砂体是目前梧桐沟组主力产层。东侧英也尔区块, 在连23井、连28井区域发育1支扇三角洲, 砂体厚度5~15 m, 砂地比值较小, 最大为30%(图9)。

图9

Fig.9

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	图9 吐哈盆地鲁克沁地区二叠系梧桐沟组三段沉积相Fig.9 Planar distribution of sedimentary facies of the Member 3 of Permian Wutonggou Formationin Lü kqü n area of Turpan-Hami Basin