古地貌与古气候对扇三角洲中...禾组的沉积物理模拟对比实验_胡光明.pdf

收稿日期 基金项目国家自然科学基金项目“稳定构造背景下气候驱动的陆相河流层序地层模式研究”（）；中国石化重点科研项目“准噶尔探区二、三叠系油气成藏条件及目标评价”（）。第一作者胡光明（），男，博士，教授，现主要从事储层沉积学、层序地层学、沉积物理模拟等方面的教学和研究工作，。为共同第一作者胡光明，邓儒风，唐友军，等 古地貌与古气候对扇三角洲中粗碎屑沉积的影响研究 基于准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组的沉积物理模拟对比实验 长江大学学报（自然科学版），（）：，：（），（）：古地貌与古气候对扇三角洲中粗碎屑沉积的影响研究 基于准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组的沉积物理模拟对比实验胡光明，邓儒风，唐友军，徐佑德，修金磊，潘双苹长江大学地球科学学院，湖北 武汉 长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 中国石油冀东油田分公司陆上油田作业区，河北 唐山 摘要古地貌及古气候如何影响粗碎屑沉积，是准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组勘探初期面临的难题之一。结合研究区原型地质特征，利用水槽实验还原其沟槽低凸起凹槽古地貌特征，并根据气候对水动力条件的影响，开展旱扇、湿扇沉积物理模拟对比实验。结合地层层序，将实验过程分为期，共开展 轮模拟实验，结果表明：粗碎屑主要分布于期沉积的沟槽中下游以及凹槽中上游，古地貌对粗碎屑空间分布具有明显的控制作用；在相同的位置，湿扇中的粗碎屑沉积比旱扇分选更好、规模更大，古气候是影响粗碎屑沉积分选和规模的因素之一。实验分析表明，古地貌引起水动力突变，水流受低凸起的阻挡和湖水面的顶托，流速迅速降低，使得粗碎屑在负向地貌中大量沉积；古气候影响水动力稳定性，湿润气候条件下，水动力持续改造已沉积的粗碎屑，使得湿扇粗碎屑沉积分选更好。实验中粗碎屑的分布、沉积体系的展布等与实际勘探结果相符，说明实验比较可靠；实验凹槽中上游粗碎屑富集，对于在勘探程度较低的凹槽中寻找大规模的优质砂砾岩储层具有重要的启发意义。关键词粗碎屑沉积；沉积物理模拟；古地貌；古气候；水动力条件 中图分类号 ；文献标志码 文章编号 （）：，：，：，；，：；长江大学学报（自然科学版）年 第 卷 第期 （），DOI:10.16772/ki.1673-1409.20230309.002近年来，随着在玛湖凹陷发现世界上最大的砾岩油气藏，粗碎屑储层成为研究热点之一。玛湖凹陷的大量研究表明，负向地貌与粗碎屑沉积的分布有密切关系，玛湖凹陷上乌尔禾组沟槽是粗碎屑的主要堆积场所，玛南斜坡区上乌尔禾组古凹槽内粗碎屑沉积厚度较大，而凹槽以外较薄，上乌尔禾组小型水下古沟槽内充填多套数十米厚的块状砂砾岩沉积体。因此，负向地貌单元有利于粗碎屑的堆积，但粗碎屑在负向地貌单元中堆积的沉积学机制和具体的分布位置还有待明确。另一方面，百口泉组沟槽内的砂砾岩沉积物性较差，而上乌尔禾组的水下古沟槽内发育物性较好的砂砾岩储层，即相邻地层的沟槽中粗碎屑沉积物性存在明显差异。推测造成这种差异的主要原因很可能与百口泉组和上乌尔禾组的古气候不同有关，但有待深入研究。中拐地区位于玛湖凹陷西南侧，在上乌尔禾组沉积时期，中拐地区与玛湖凹陷同属于准噶尔盆地相邻的两个部分。中拐地区上乌尔禾组古地貌可以概括为沟槽低凸起凹槽地貌，中国石化在该地区沟槽内的金龙井区发现厚度较大、分选较好的砂砾岩储层，但影响该储层分布及物性的主要因素尚不明确，且越过低凸起之后的凹槽中是否也有大规模的砂砾岩储层还有待进一步研究。本文将结合中拐地区上二叠统上乌尔禾组原型地质特征，通过沉积物理模拟对比实验，分析研究区粗碎屑的沉积特征及影响因素，并建立沉积充填模式，预测有利区域，为未来的油气勘探提供参考。图中拐地区上乌尔禾组沉积前古地貌（红实线为图 中地震剖面的位置，古地貌据文献）（，）原型地质特征准噶尔盆地西部中拐地区上乌尔禾组沉积时期古地貌总体分为两个坡度较为平 缓 的一级地貌单元。地势 较 低 的 一 级 平 台 平 均 坡 度 约为，其中包含一个开放、宽缓的负向地貌单元，即凹槽；地势较高的二级平台平均坡度约为，其中包含一个中间地势低、周围地势高、四周受限的长 条形负向地貌单元，即沟槽；沟槽与凹槽以低凸起相隔，低凸起中部较低，具有浅开口，连通沟槽与凹槽。将该古地貌概括为沟槽低凸起凹槽（见图）。上乌尔禾组地层超覆在石炭系基底和佳木河组地层之上，地层岩性以砂砾岩、砂岩和泥岩为主。通过研究区岩心资料、测井曲线和地震资料解释等分析，上乌尔禾组自下而上分为三段：上乌尔禾组一段（）、上乌尔禾组二段（）和上乌尔禾组三段（）。晚二叠世，上乌尔禾组发育一套扇三角洲沉积体系，只在负向地貌内发育扇三角洲沉积，负向地貌被填满，发育广泛的扇三角洲沉积（见图），且沉积相的垂向分布具有明显的持续湖侵特征（见图）。前人根据上乌尔禾组 值（化学蚀变指数，）为 、值为 、值为 以及岩心中的植物化石等，认为中拐地区上乌尔禾组沉积时期为温暖湿润气候 ，发育湿扇，与上乌尔禾组砂砾岩沉积分选差异较大的百口泉组沉积时期为干旱半干旱气候 ，发育旱扇。周建升等通过古地貌恢复、重矿物分布特征分析及砂体厚度第 卷 第期胡光明 等：古地貌与古气候对扇三角洲中粗碎屑沉积的影响研究 基于准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组的沉积物理模拟对比实验展布刻画，确定物源主要来自北偏西方向。图中拐地区上乌尔禾组一段、二段沉积相与沉积体系分布平面图 注：为百口泉组一段。图克 井沙 井连井相图 沉积物理模拟实验原型地质特征是沉积物理模拟实验的基础，在分析研究区原型地质特征的基础上，依托长江大学湖盆沉积模拟实验室，分别设计了实验底形、水动力条件、物源以及实验过程，并记录实验过程中的扇体几何参数，实验结束后对扇体进行剖面划分，研究上乌尔禾组沉积时期古地貌和古气候对于扇三角洲粗碎屑沉积的影响。实验设计 底形设计根据研究区一级平台坡度约为，二级平台坡度约为，且具有沟槽低凸起凹槽的古地貌特征，设计了一个两级平台的底形。较低的一级平台坡度为，其上具有向下游敞开的凹槽（长 ，宽长江大学学报（自然科学版）年月图沉积物理模拟实验底形（沟槽两侧的三棱尺为比例尺，长 ，下同）（，），深 ）；较高的二级平台坡度为，其上具有相对封闭的沟槽（长，宽 ，深 ）；沟槽与凹槽之间以低凸起相隔，低凸起设置有浅开口，将沟槽与凹槽连通（见图）。水动力条件设计李兵、施小荣等在对中拐地区二叠系的岩心、测井等资料综合分析后认为，中拐地区扇三角洲中的泥石流沉积为典型的重力流沉积，分流河道沉积相中的砂砾岩为典型的牵引流沉积 ，即该区扇三角洲中既发育重力流沉积也发育牵引流沉积。等认为干旱和湿润气候条件下形成的冲积扇，其水动力条件分别具有间歇性水流和稳定水流的特点；邹志文等认为干旱气候条件下，雨后经常发生阵发性洪水泥石流，而潮湿气候条件下，扇上河道内水流长期稳定。考虑到研究区在上乌尔禾组时期气候湿润，其水动力条件应是相对稳定的常流水。因此，实验中每一轮设置一次 的重力流，外加 持续的牵引流，重力流由高浓度的粗细碎屑及泥浆组成，在不断搅拌的同时一次性释放，牵引流流速 ，稳定而持续（见表）。另外为开展对比实验，设置在干旱气候条件下模拟扇三角洲沉积，实验中重力流的设计与湿扇相同，牵引流则设计为洪水稳定牵引流枯水循环交替，其稳定性和连续性均较差（见表）。表湿扇与旱扇对比实验中重力流的组成与牵引流水动力参数设置 流体性质旱扇湿扇重力流沉积物（含 砾 粗 砂 ，中 细 砂 ，粉 砂 ，泥浆 ）（含 砾 粗 砂 ，中 细 砂 ，粉 砂 ，泥浆 ）水 牵引流 次牵引流（每次洪水 、稳定牵引流 、枯水 ）稳定牵引流注：枯水流速 ，稳定牵引流流速 ，洪水流速 。供源设计对于研究区上乌尔禾组岩心等资料的分析表明，该区上乌尔禾组碎屑岩以砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩以及泥岩为主，含少量中、细砂岩，平均组成为砂砾岩、中砾岩占，细砾岩占，砂岩占 ，泥岩、粉砂岩占 （由于泥岩的压实作用比较明显，其体积按照放大 倍计算）。实验中将沉积物粒度大致按比例缩小，在重力流的组成中，用含砾粗砂（）替代砂砾岩及中砾岩，中细砂（）替代细砾岩，粉砂（）替代砂岩，用 的泥浆替代粉砂和泥岩，其比例为 。另外牵引流过程中需少量添加细砂以保持输砂平衡。实验过程及湖平面变化设计由于上乌尔禾组发育期沉积，所以将旱扇与湿扇的实验过程分为期，分别开展、轮模拟第 卷 第期胡光明 等：古地貌与古气候对扇三角洲中粗碎屑沉积的影响研究 基于准噶尔盆地中拐地区上乌尔禾组的沉积物理模拟对比实验实验（后文中以 代表旱扇期轮，以 代表湿扇期轮，依此类推），湿扇的每一轮由一次 的重力流及 稳定的牵引流组成，旱扇的每一轮由一次 的重力流及 洪水稳定牵引流枯水循环的牵引流组成。每一轮实验中每 水位下降，每两期之间水位下降。实验结果经过期 轮实验后形成湿扇与旱扇的沉积物理模型，其中期的沉积延伸最远，随着水位的上升，以退积的方式依次叠覆形成、期扇体（见图）。图旱扇与湿扇实验各期沉积结果 实验初始阶段，沉积物主要在沟槽内沉积，在沟槽未被填满时，扇三角洲只在沟槽范围内发育，且湿扇沟槽先被填满，时沉积物顺着水流进入凹槽，凹槽开始发育沉积体。期结束后旱扇沟槽两侧砂体只在物源处发育，宽度明显小于湿扇；低凸起处，湿扇已经完全将底形填平（见图（），而旱扇能见到明显的低凸起轮廓（见图（）；凹槽处都发育出沉积体，沉积体边缘发育众多朵体，沉积体表面有明显水道，湿扇相比旱扇沉积体宽度较大。期开始时，水位升高淹没一半的沟槽，原本沿水道流动的水流重新变为片流，湿扇沉积体展布范围较大，沟槽处沉积体不断增厚，前缘沿水位线向前延伸，旱扇延伸距离及展布范围较小。期结束后，湿扇沉积体前缘发育一定数量的小朵体（见图（），边缘较规则；旱扇展布范围大，沉积体右侧较左侧延伸远（见图（）。期开始时，实验水位继续升高，水流为片流，湿扇及旱扇主要沿水位线向前延伸，向侧方延伸较少（见图（）、（），但由于水动力条件的区别，湿扇扇体前端延伸达到低图旱扇与湿扇沉积模型及剖面位置 凸起区。在旱扇、湿扇上各划分条纵剖面、条横剖面，共计 条剖面（见图）。其中，旱扇横剖面以 表示，纵剖面以 表示；湿扇横剖面以 表示，纵剖面以 表示。其中，和 横穿凹槽，和 横穿低凸起，和 横穿沟槽，和 位于沉积体中间位置，与物源方向一致，穿过沟槽低凸起凹槽种地貌。相似性对比金龙油田位于研究区内，其地震剖面与钻井、生产资料综合分析表明，研究区砂砾岩储层主要分布于上乌尔禾组的沟槽中下游（见图），而实验旱扇 和湿扇 剖面中，粗碎屑沉积主要分布于期沉积中的沟槽中下游（见图），证明实验中粗碎屑沉积分布位置与研究区实际情况具有相似性；本次实验平面图中显示，期沉积体主要在沟槽和凹槽中发育，期沉积结束后，负向地貌被填满，沉积体在负向地貌以外发育（见图），其展布特点与研究区实际沉积体系相似（见图）；期沉积体具有明显的湖侵特征，且期沉积扇三角洲前缘未超过低凸起（见图（）、（），与研究区沉积相垂向分布特点相似（见图）。长江大学学报（自然科学版）年月因此，实验中粗碎屑沉积分布位置、沉积体展布特征等与研究区实际情况具有很大程度的相似性，在一定程度上说明本次实验结果比较可靠，与研究区实际情况具有可比性。据此可以推测，对于勘探程度较低的凹槽（金探井东南方向）而言，后续的勘探工作可以从本次实验结果中得到启示。图中拐地区上乌尔禾组地震剖面图（地震剖面位置见图（）（）图旱扇 与湿扇 纵剖面特征 分析与讨论 粗碎屑沉积特征粗碎屑沉积主要分布于负向地貌中。无论湿扇还是旱扇，粗碎屑沉积主要分布于期的沟槽和凹槽中，期填平补齐后，期和期沉积前的底形没有负向地貌，粗碎屑沉积发育较差，远不及期沟槽和凹槽中的粗碎屑沉积规模（见表，图）。湿扇与旱扇中粗碎屑沉积的分布位置相同。将旱扇 剖面与湿扇 剖面进行对比，发现无论是旱扇还是湿扇，粗碎屑沉积主要分布于期的沟槽的中下游以及凹槽的中上游（见图）。相同位置，湿扇中粗碎屑沉积的规模大于旱扇。旱扇沟槽中下游粗碎屑沉积最大厚度为 ，湿扇沟槽中下游粗碎屑沉积最大厚度为 ；旱扇凹槽中上游粗碎屑沉积最大厚度为 ，湿扇凹槽中上游粗碎