鄂尔多斯盆地湖盆中部长7₃亚段深水砂质沉积特征及勘探前景

Characteristics and Exploration Prospects of Deep-Water Sandstone Reservoir of Chang 7₃ Sub-Member, Ordos Basin

摘要

鄂尔多斯盆地延长组长7₃亚段发育大套厚层的富有机质泥页岩夹薄层粉细砂岩，深水环境的砂质岩类受到优质烃源岩的高强度源内充注，局部具有一定规模，是盆地深水勘探的重要目标.基于湖盆中部长7₃亚段的岩心、测录井、分析测试资料，结合岭页、池页水平井风险勘探实践，对长7₃亚段深水砂质岩类的沉积储层特征进行分析.结果表明：长7₃沉积期水体较深，优质烃源岩发育，湖盆西南祁秦造山带地震火山活动频发，物源供给充足，降雨量大、湖平面上升，滑塌成因与洪水成因的重力流沉积在湖盆中部广泛发育；环绕湖盆的一级坡折带控制着深水重力流的发育范围，沉积物入湖后受古地貌与沉积微相的控制，发育滑动‒滑塌、砂质碎屑流、混合事件层、浊流、异重流等沉积类型，坡折带的坡脚、古沟道相对富砂，砂质碎屑流、浊流沉积是有利的储层类型；单砂体较薄，平均厚度1 m，孤立或叠置发育，空间上厚度、长度、宽度较小，较厚的块状单砂体和紧密连续叠置的薄层单砂体组合是期待钻遇的储层；高R _o、高TOC的泥页岩是砂质岩类充注油气的物质基础，高剩余压差下，储集性能较优的紧密叠置细砂岩薄储层与优质烃源岩互层的源储配置关系最易出现优质砂岩“甜点”.长7₃亚段深水砂质沉积勘探潜力较好，需持续攻关薄储层地球物理探测技术及砂泥一体压裂改造工艺.

关键词

深水砂质沉积 / 水平井 / 勘探潜力 / 长7₃亚段 / 鄂尔多斯盆地 / 石油地质学

Key words

deep-water sandy deposit / horizontal well / exploration potential / Chang 7₃ Sub-member / Ordos Basin / petroleum geology

2010年以来，美国、加拿大等国家在页岩油气勘探开发领域取得了较大的突破，依托水平井与水力压裂等工程技术进步，取得了革命性的快速发展，深刻改变了世界石油格局，全球能源已进入非常规时代（邹才能等，2019，2021；邱振和邹才能，2020）.目前，中国原油对外依存度已高达73.5%，页岩油作为中国油气领域的战略性接替资源，对保障国家能源安全具有重要意义，亟需增加勘探开发力度，不断寻找探索新领域、新区块.

鄂尔多斯盆地中生界延长组长7段发育典型的页岩油，资源规模巨大（付金华等，2018，2020；李士祥等，2020）.湖盆中部长7₁、长7₂亚段发育的重力流砂质储层，在勘探开发实践中探明了十亿吨级的庆城页岩油大油田，实现了规模勘探与效益开发，建成了百万吨页岩油开发示范区；长7₃亚段深水沉积的大套厚层泥页岩中，也发育重力流成因薄层砂质岩类，在风险勘探探索中实现了城页井组的突破，但在实践中遇到了砂体展布不明、储层性质复杂、钻遇率低且开采效果不佳等问题（李志明等，2019；付金华等，2020；李士祥等，2021；刘显阳等，2021；Wu et al.， 2021；徐黎明等，2021）.针对湖盆深水区的水下重力流沉积，基于岩心露头解剖、物理模拟、数值模拟以及现代河流实例对比分析等手段，学者们在成因机制、沉积模式、重力流类型以及沉积搬运过程等方面已取得了里程碑式的成果（Mulder and Alexander，2001；Felix and Peakall，2006；Cartigny et al.，2013；裴羽等，2015；谈明轩等，2016；宋明水等，2017；Cao et al.，2018； Fongngern et al.，2018；金杰华等，2019；付鑫等，2020；田洁等，2021），指导深水油气的勘探.随着深水重力流类型认识的不断深入（Shanmugam，2013），深水斜坡沉积模式被广泛接受并在鄂尔多斯盆地长7段得到较好的证实，相比于长7₁、长7₂亚段相对厚层连片的砂质夹层，长7₃亚段的薄层砂质沉积的成因机制、沉积类型及展布规律可能存在较大差异，砂岩储层的孔隙结构、成岩演化及主控因素也因沉积环境及物源等的差异、烃源岩的影响而表现出不同的特征（吴松涛等，2015；朱如凯等，2018），亟需开展机理方面的研究，以健全长7段的沉积理论体系、明确鄂尔多斯盆地页岩层系的形成机制.

本文利用鄂尔多斯盆地湖盆中部长7₃亚段的剖面、岩心、测井、录井及分析测试资料，结合风险勘探实践，对长7₃亚段深水砂质岩类的沉积模式及主控因素进行探讨，详细分析大套厚层泥页岩中薄层砂质储层的岩石学特征、储集性及含油性，讨论长7₃亚段深水砂质沉积的“甜点”展布规律及勘探潜力，以期为湖盆中部深水新类型页岩油的勘探开发提供借鉴.

1 地质背景

鄂尔多斯盆地处于中国东部构造域与西部构造域接合部位，古生代时属于华北盆地的一部分，晚三叠世发生的印支运动使扬子板块向北挤压碰撞华北板块，西秦岭造山带隆升，形成了东北宽缓、西南陡窄的不对称大型内陆坳陷湖盆.根据现今盆地构造形态及演化历史，划分出西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起及渭北隆起6个二级构造单元（图1a）.

三叠系延长组是一套内陆河流‒三角洲‒湖泊相碎屑沉积体系，自上而下依次划分为长1~长10共10段.受盆地构造沉降作用影响，长8~长7期盆地沉积体系由浅水三角洲转变为半深湖‒深湖相，长7期为湖盆发育鼎盛期，形成了“面广水深”的沉积格局.长7半深湖‒深湖区面积达6.5×10⁴ km²，水深60~120 m，湖相烃源岩大面积分布，为页岩油规模成藏奠定重要物质基础.长7段自下而上可细分为长7₃亚段、长7₂亚段和长7₁亚段（图1b），湖盆中部主要以半深湖‒深湖亚相沉积为主，长7₃亚段受重力流沉积作用形成一定规模深水砂质沉积，受源内优质烃源岩高强度充注，勘探前景较好.

2 深水砂质岩类沉积特征

2.1　深水砂质沉积主要类型

湖盆中部长7₃亚段深水砂质沉积主要发育滑动‒滑塌沉积、砂质碎屑流沉积、混合事件层沉积、浊流沉积和异重流沉积等（表1）.

长7₃亚段滑动‒滑塌沉积主要分布在坡折带的坡上及古地貌起伏较大的部位，平面上呈舌状或扇状，剖面上多为厚层孤立块状.滑动‒滑塌沉积主要发育灰色块状层理、变形层理细砂岩，底面可见对下伏岩层的侵蚀作用，砂泥接触面可见剪切变形构造、内部可见揉皱变形及阶梯断层构造（图2b、2f）.

长7₃亚段砂质碎屑流沉积在平面上主要呈带状或连续不规则舌状分布在盆地西南，剖面上呈孤立或叠加透镜体状.砂质碎屑流沉积主要发育浅灰色、灰色块状层理细砂岩相，以砂岩与底部和顶部泥岩突变接触为典型特征，砂岩底部具有剪切构造，上部具有不规则接触面，侧向具有突然尖灭的几何特征，块状砂岩顶部泥质碎屑集中发育，内部可含有页岩碎屑/泥岩撕裂屑，矿物颗粒分选较好（图2c）.

混合事件层沉积在长7₃亚段顺物源沉积流体转化方向条带状分布，剖面上呈互层状叠置，在湖盆中部主要为砂质、泥质碎屑流和浊流及其之间过渡流体的混合流沉积层（Talling，2013）.混合事件层沉积发育灰色块状层理粉细砂岩与泥岩突变接触的双层结构（图2h），内部见漂浮泥质碎片，泥质含量较高.

长7₃亚段浊流沉积分布范围较大，主要分布在盆地西南坡脚区及深湖平原的深洼部位，平面上呈席状平铺展开分布，剖面上呈薄互层透镜体状.浊流沉积发育深灰色沙纹层理粉砂岩，与平行层理细砂岩构成不完整的鲍马序列，形成正粒序层理表现为粒度减小、泥质含量增多，具有明显的砂泥互层特征（图2a），粉砂岩中泥质含量一般较高（图2g），在流动过程中浊流沉积侵蚀泥质基底，多发育槽模构造.

长7₃亚段异重流沉积平面上在盆地西南部呈扇形稳定铺开，局部相对厚层为条带状，剖面上为互层状透镜体.异重流沉积发育深灰色逆‒正粒序层理粉砂岩，表现为不同尺度上的砂泥岩频繁互层（图2d），发育侧向迁移形成的牵引构造.

2.2　砂体展布特征

通过深入地质研究及测井岩性识别技术的进步（李霞等，2015），对长7₃砂质沉积进行了更为精细的刻画，长7₃砂质沉积累计厚度介于4~12 m，局部厚度大于16 m，具有一定的规模；其中细砂岩累计厚度4~8 m，孤立分布；粉砂岩累计厚度3~6 m，相对叠置连片发育.单砂体厚度较薄，对盆地15口长7₃全取心井的单砂体厚度进行统计，可以得到单个砂体在纵向上的厚度主要介于0.5~1.5 m，平均厚度1 m.

城页、岭页水平井研究区单期砂体厚度介于0.5~2.5 m，平均厚度1.89 m；长7₃亚段上砂层组累计厚度1~4 m，下砂层组相对更厚，累计厚度3~ 9 m；三维空间上多为厚度1 m左右的单砂体孤立或叠置发育，长度与宽度较小（付金华等，2020），目前的探测方法较难实现精准预测，较厚的块状单砂体和紧密连续叠置的薄层单砂体是期待钻遇的储层.

通过对湖盆中部长7₃亚段西南体系多薄层砂泥岩间互型和西北体系厚层砂岩型的不同岩性组合进行探索的LY1H井和CY1H井的钻遇情况进行统计（图3），可以发现，LY1H井水平段方向岩性变化频繁，2 000 m水平段钻遇间互的岩性段达127段，砂岩在水平段方向延伸长度较短，主要分布在5~20 m，其中细砂岩11段、粉砂岩8段.CY1H井在水平段方向岩性变化相对较小，分布较稳定，1 972 m水平段钻遇岩性间互段26段，其中细砂岩最长605 m、最短26 m，粉砂岩最长20 m、最短4.7 m，水平段钻遇岩性以细砂岩为主.

2.3　深水砂质沉积成因机制

鄂尔多斯盆地长7沉积期，西秦岭隆升导致盆地西南迅速拗陷，形成一定的地形坡度，同时提供充足的物源.长7₃亚段沉积时期气候总体温暖潮湿，水体较深，在环县‒华池、正宁北、富县、黄龙一带水体深度超过100 m，局部地区最大水深可达160 m左右，大套厚层的泥页岩发育，高生物生产力及贫氧还原的淡水湖盆保存环境促使有机质富集；强烈的板块碰撞作用使西南祁秦造山带地震火山活动频发（邱欣卫等，2011），在湖平面升高、降雨较多的有利条件下，垮塌成因、洪水成因的重力流沉积广泛发育（张家强等，2021；张倚安等，2021；周新平等，2021）.

古地貌形态与沉积微相主要控制了长7₃亚段砂质沉积的发育特征.通过对盆地中部湖盆底型的定量恢复，结合岩心、测井资料进行标定，更为精细地刻画了长7₃期湖盆中部发育的多个微地貌单元.从湖盆东北志丹‒吴起‒定边一带绕过环县一直延伸到湖盆西南镇原‒崇信‒宁县的坡折带是长7₃期古地貌的一级构造单元，在坡折带之上，是鄂尔多斯盆地北‒东北缘、西南缘的古沉积高地，主要发育曲流河、辫状河三角洲等沉积，坡折带之下则发育多种类型的半深湖‒深湖深水重力流沉积；在湖盆中部又发育次一级的坡折带、古沟道、湖底古脊、湖底深洼、湖底古隆以及湖底平原等微古地貌单元，进一步控制长7₃期深水远端重力流的分布与类型（图4）.

盆地西南缘三角洲前缘沉积物在构造运动触发及自身重力作用下失稳向湖盆中部搬运，形成滑塌型重力流沉积.在坡折带的顶端至斜坡区，发育滑动‒滑塌沉积；搬运过程中，随着环境水体的卷入稀释转化为砂质碎屑流，具有块状构造及稳定的厚度；砂质碎屑流继续向湖盆中心运输推进，运动过程中压力、速度变小，动力不足，同时吸卷湖底泥质，流体由碎屑流转化为浊流，向湖盆远端继续转化为砂质朵体沉积；砂质沉积在向深水远端搬运的过程中，泥质含量变多、粒度变细，发育不同类型重力流沉积的单一或纵向叠置组合分布.盆地南‒西南缘，受长7₃期洪水演化作用及物源供给的控制以及坡度的影响，形成广泛分布的异重流沉积，受洪水能量强弱的控制.在宁县‒庆城和正宁‒华池东区带，受到南‒西南物源与坡折带、古沟道的控制，砂体较为发育，发育水道沉积的砂质碎屑流、浊流沉积；庆阳一带受湖底古隆地形的影响主要发育浊流沉积，砂体分散分布；湖底深洼主要发育在环县西北，主要发育深湖‒半深湖泥，砂体极少发育.

3 砂质岩类储层特征

3.1　储层岩石学特征

长7₃亚段砂质储层主要发育细砂岩和粉砂岩，粉砂岩泥质含量一般较高，通过岩心观察，多为泥质粉砂岩.

长7₃亚段细砂岩多为浅灰色长石岩屑细砂岩和岩屑长石细砂岩（图5a），层理面多见云母碎片，矿物颗粒呈次圆‒次棱角状，分选中等‒较好，主要粒径介于0.1~0.3 mm，常见钙质胶结（图5d）.细砂岩矿物成分以长石为主，石英次之，石英含量平均值为32.6%，长石矿物平均含量48.2%；岩屑含量较多，成分以变质岩屑为主；碳酸盐矿物平均含量3.8%；黏土矿物平均含量10.5%，以绿泥石和伊利石为主（图5e）.

长7₃亚段粉砂岩多为灰色‒深灰色含泥、含泥含钙、泥质长石岩屑粉砂岩、岩屑长石粉砂岩、长石粉砂岩（图5b），泥质胶结使岩石致密，内部常见不均匀分布的泥质条带及水平层理泥质纹层（图5c），与泥质接触面易断开，断面常见白云母碎片及碳化植物碎片（图2e），矿物颗粒呈次棱角状，分选差‒中等，主要粒径介于0.05~0.20 mm，部分钙质胶结程度较大.粉砂岩矿物成分以长石为主，石英次之，石英含量平均值为32.8%，长石矿物平均含量40.7%；岩屑含量较多，成分以变质岩屑、火成岩屑为主；碳酸盐矿物含量占到10.8%；黏土矿物平均含量12.6%，以绿泥石和伊利石为主（图5f）.

3.2　储层储集性特征

长7₃亚段细砂岩主要发育残余粒间孔、长石溶孔和岩屑溶孔等（图6a、6b），粒径较大的石英长石碎屑颗粒支撑起来的粒间孔隙占到一定的比例，粒间自生石英的生长以及黏土矿物的充填作用使得残余粒间孔的空间减小，成岩作用过程中流体的溶蚀作用使得长石溶孔、岩屑溶孔的贡献成为最主要的后期增孔机制，以及微裂缝的发育可以增加储层的孔渗性能.细砂岩孔隙度主要介于4%~9%，平均值为5%，渗透率主要介于0.03×10^-3~0.07×10^-3 μm²，平均值为0.05× 10^-3 μm²；孔隙半径主要介于0.1~4.0 μm，吼道半径主要介于20~100 nm；平均面孔率0.43%.

长7₃亚段粉砂岩主要发育长石溶孔、残余粒间微孔以及黏土矿物晶间孔等，碎屑矿物粒度细、磨圆差，沉积时期泥质含量多使得塑性成分大大增加，通过成岩压实作用留下的粒间孔一般呈不规则多边形，粒间、颗粒边缘多发育黏土矿物和蚀变杂基充填孔隙（图6e），使得残余粒间孔较小、吼道形态复杂细小（图6h、6i），碳酸盐矿物胶结作用强烈，多见方解石、铁方解石交代碎屑矿物，铁白云石胶结充填孔隙，使得岩石致密，长石溶孔的发育增加了储层的孔隙空间，但只有部分具有较好的连通性（图6f、6g）.粉砂岩孔隙度主要介于2%~4%，平均值为3%，渗透率主要介于0.01×10^-3~0.04×10^-3 μm²，平均值为0.02×10^-3 μm²；孔隙半径主要介于0.1~2.0 μm，吼道半径主要介于10~60 nm；平均面孔率0.12%.

3.3　储层含油性特征

湖盆中部长7₃亚段大套厚层泥页岩为长7段最优质的生烃源岩，黑色页岩生油母质类型好，TOC平均含量13.81%，暗色泥岩有机质类型次之，TOC平均含量3.75%，夹于其中的长7₃砂质储层受源内烃类高强度充注，含油饱和度高达80%~90%.成熟度高的高TOC优质泥页岩是长7₃砂质储层含油的物质基础，对比池页水平井与岭页水平井含油层段可以发现，由于西北体系处于生烃中心边部，烃源岩本身品质及充注条件略差，因此出现大段无见油显示的干层.研究发现，含油饱和度和可动流体饱和度与砂质岩孔隙度和渗透率成正相关关系（图7）；在荧光薄片中，较大尺度的碎屑矿物粒间孔及微裂缝含油面积最大，粒内溶蚀孔常见含油，颗粒边缘可见包裹油质，油质多发亮蓝色荧光，轻质组分含量高（图8d~8i）；以上说明长7₃亚段砂质储层的含油性主要受物性的控制，通过实验也可证实，长7₃亚段砂质岩类中由于细砂岩物性更优，其可动流体饱和度与含油率都高于粉砂岩（图9）.另外，在生烃充注条件较好的岭页水平井区，也出现大套砂岩为差油层的情况，盆地中长7₃亚段直井段也见大套砂岩干层的情况；目前可以初步得出，长7₃亚段物性较好的紧密叠置细砂岩薄储层与高R _o、高TOC优质烃源岩互层的源储配置关系可能最容易出现优质砂岩含油储层.

4 勘探进展及前景

4.1　岭页、池页水平井勘探进展

在城页水平井取得突破的基础上，针对长7₃亚段湖盆中部西南体系多薄层砂泥间互和西北体系厚层砂岩源储配置关系进行甩开部署的岭页、池页两口风险探井都已顺利完钻并获得较好的钻遇率，LY1H井水平段长2 000 m，砂岩钻遇率73.94%，油层钻遇率60.02%.CY1H井水平段长 1 972 m，砂岩钻遇率91.57%，油层钻遇率57.02%，LY1H井、CY1H井试油分别获116.80 t/d、36.64 t/d的高产油流.截至目前，LY1H井已投产49天，试采平均日产油16.7 t，累计产油 1 258.04 t.岭页、池页水平井风险勘探攻关的突破进一步证实了长7₃亚段砂质储层的勘探潜力.

4.2　长7₃亚段砂质储层勘探潜力

长7₃亚段湖盆中部深水环境沉积厚层泥页岩夹持的薄层粉细砂岩，受到优质烃源岩高强度充注，成藏条件有利，储集性较好的砂质储层局部规模发育，是有利的“甜点”.长7₃亚段砂质储层页岩油富集的物质基础是高R _o、高TOC的优质烃源岩在高剩余压差的有利充注条件下进行供烃，砂体向湖盆中心搬运及演化的过程中，岩石粒度、泥质含量、成岩作用及沉积构造等性质都发生变化，具备较优储集空间的细砂岩及部分泥质含量较少的粉砂岩多形成于砂质碎屑流、浊流以及滑动‒滑塌沉积中，部分异重流及混合事件层沉积中局部也发育优质砂岩储层，坡折带的坡脚及湖盆中部的古沟道处优势沉积相砂体更为发育，优质烃源岩与紧密叠置的薄砂岩储层在空间上充分接触，有利的源储配置关系与有利的充注条件的时空耦合形成长7₃亚段含油砂质“甜点”.根据长7₃亚段优质烃源岩与有利深水重力流沉积相带的分布叠合，初步划分出最为有利的勘探区带（图10）.通过城页井组所在的城80井区精细解剖，估算其资源量为75×10⁶ t，资源丰度为34×10⁴ t/km²，整个盆地中高成熟度（R _o>0.9%）烃源岩面积约20 000 km²，远景资源量60×10⁸ t.

目前测井在精细识别岩性、定量计算泥质含量技术上取得了创新突破，进一步识别了盆地直井长7₃亚段的高伽玛背景下的砂质储层；高精度三维地震采集在陇东地区也全面铺开，在剖面上对长7₃亚段砂质岩振幅响应较为明显（图11），结合反演资料与各类关键参数属性预测技术，可以较好预测其厚度和物性，已在盆地多地局部探测刻画出长7₃亚段砂质的陀状平面展布特征，多顺物源搬运分布在坡脚富砂区带及深湖平原.对比长7₃亚段泥页岩储层，砂质储层具有明显优越的储集性，且具有现实的试采效果，在一定的成本控制下具有投资回报率，不仅是目前，也是中远期长7₃亚段泥页岩储层开采技术突破后重要的产能贡献储层类型，具有重大的勘探意义及前景.

5 结论

（1）长7₃亚段沉积时期水体较深，大套厚层富有机质泥页岩发育，西南物源带地震火山活动频发，洪水持续作用，多种类型的重力流沉积广泛发育；古地貌形态与沉积微相主要控制了砂质沉积的展布特征与成因类型，坡折带以下的坡角处、古沟道等相对富砂，砂质碎屑流、浊流沉积是有利的储层类型.

（2）长7₃亚段砂质岩类单砂体厚度较薄，平均厚度1 m，累计厚度介于4~12 m，具有一定规模；纵向上长7₃亚段下砂层组砂体相对更厚，累计厚度3~9 m，孤立或叠置组合发育的砂体三维空间上厚度、长度、宽度较小，水平井追踪难度大，较厚的块状单砂体和紧密连续叠置的薄层单砂体组合是期待钻遇的储层.

（3）长7₃亚段砂质储层主要发育长石岩屑细、粉砂岩，储集空间以残余粒间孔、溶孔和粒内孔为主，粉砂岩钙质、泥质含量一般较高，细砂岩的孔渗性能及含油性都优于粉砂岩，高剩余压差下，储集性能较优的紧密叠置细砂岩薄储层与高R _o、高TOC优质烃源岩互层的源储配置关系最易出现优质砂岩“甜点”.

（4）长7₃亚段深水环境厚层泥页岩夹持的薄层粉细砂岩，受到优质烃源岩高强度充注，储集性较好的砂质储层局部规模发育，具有较好的勘探潜力，远景资源量60×10⁸ t.随着长7₃亚段砂体成因展布与储层非均质性研究的进一步深入，测井地震探测技术的持续攻关以及压裂开采工艺制度的优化突破，长7₃亚段深水砂质岩类将成为重要的产能贡献储层类型.

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基金资助

中国石油集团公司前瞻性基础性研究重大科技项目(2021DJ1806)

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2014CB239003)