河流相沉積導向在大南湖某煤礦水文地質條件評價中的作用研究

李攀峰

(中煤地質集團有限公司，北京 100040)

0 引言

河流相是陸相和海陸交互相的主要形式，在中國中—新生界陸相沉積盆地中，河流沉積分布廣泛，例如陜甘寧盆地侏羅系、松遼盆地白堊系、渤海灣盆地新近系、準噶爾盆地侏羅系和塔里木盆地新近系等。河流沉積是石油重要儲集層，據不完全統計，河流相的石油儲量的占到了中國目前已開發油田動用儲量的一半左右[1-3]。河流相地層也是主要的含水層，我國幾乎所有井筒水害事故都發生在新生界河流相砂質含水層[4]。因此，地學界對河流沉積環境和沉積相的研究程度很高[5]，利用河流相的沉積導向指導水平井定向鉆進已經在油氣勘探閥門得到了應用，顯著地減少了鉆孔的無效進尺，提高了鉆孔的出油率和產量[6]。作者將河流相的沉積導向作用應用于新疆吐魯番大南湖煤礦井筒區的新生界水文地質條件評價中，否定了前期勘探對葡萄溝組貧水的結論，對含水層進行了精細化描述,劃分出上中下三個含水層,得出中含水層為強富水的結論，并得到了生產的驗證，筆者認為，河流相沉積導向對區域水文地質條件的分區評價具有很大的指導意義。

1 礦區地質和水文地質

1.1 地質

礦區地層屬天山-興安嶺地層區，北天山、中天山地層分區之吐魯番、覺羅塔格及卡瓦布拉克地層小區。地層由老到新為：

中生界侏羅系西山窯組(J2x)，平均厚度71m，巖性以湖沼相為主，夾河流相、三角洲相沉積的灰白色、淺灰色泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖夾砂巖、煤層，底部常見礫巖。

新生界新近系葡萄溝組(N2p)，厚度為208m，為褐紅色、紅黃色粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖，底部常見礫巖，井田內大面積出露，近水平狀產出，強氧化條件下河湖相沉積。筆者將組內地層又進一步地分為四組，其中Ⅱ段和Ⅲ段厚度最大，分別為62,45m和81.47m，為河流相地層，是本文的研究重點。

井田位于中新生代吐哈山間坳陷盆地南部隆起帶的大南湖淺凹陷東側北部。大南湖凹陷總體呈一復向斜構造，走向近東西，南緩北陡。井田總體為一向南傾的單斜構造，南部地層產狀緩，北部隱伏露頭附近產狀陡，局部發育有寬緩的次級褶曲，斷層不發育。

1.2 水文地質

由于強含水層是否存在在勘探階段沒有查明，礦區的水文地質條件存在著很大的爭議。在井田勘探報告中，認為本礦區所在的大南湖水文地質單元屬于干旱氣候，礦區既無地表水體，又缺乏降水補給，屬相對獨立、封閉、貧水的水文地質單元。在井田勘探報告中把葡萄溝組當作一個含水層處理，單位涌水量q=0.041 1～0.042 5L/(s·m)，屬弱含水層；第一次井檢水文勘查得到q=0.003 767～0.431 3L/(s·m)，為中等富水含水層。而在第二次井檢水文勘查中，把葡萄溝組含水層分為上下兩段進行抽水試驗，得到上段q=0.992 1～4.196L/(s·m)，下段為2.229L/(s·m)，為強含水層。由于歷次勘探沒有分析葡萄溝組的沉積環境，導致三次水文勘查對葡萄溝組含水層富水性結論不一，含水層充水機理不清,難以指導生產，使得開拓中的主、副、風井3個井筒嚴重突水或被淹，造成巨大經濟損失。

2 葡萄溝組沉積環境分析

2.1 層序及結構分析

井筒區域共有13個鉆孔，揭露地層平均厚度208m，總體呈現中間厚南北薄的變化規律。筆者將其自下而上劃分為四個層段，每個層段粒度總體向上由粗(礫或粗砂巖)到細(泥巖或粉砂巖)。四個巖段分別以灰白色礫巖或粗砂巖開始，以二層較厚的泥巖結束(圖1)，具有典型的二元結構。

圖1 根據巖相對葡萄溝組巖段劃分Figure 1 Putaogou Formation lithozone partitioning based on lithofacies

Ⅰ層段：厚度從8.58～50.15m。該巖段河流相沉積，河道從本區中間向東西穿過，沉積物自下而上顯示為薄層礫巖→含礫粗砂巖或厚層狀粗-中粒砂巖反復疊加的正韻律層理，每個韻律厚5～10m；砂巖中偶夾薄層灰綠色泥巖沉積，可見明顯的水蝕孔洞，空隙發育，結構疏松，泥質膠潔，反映為河道中多次洪水泛濫且水動力較強的沖刷充填沉積。河道南部從堤岸相過渡為以灰白色粗粒砂巖-粉砂巖為主的河漫灘沉積。河道北部以灰白色塊狀粉砂巖為主的河漫灘沉積，并有洪水泛濫垂向加積產物。巖段頂部普遍發育有一層泥質粉砂巖。

沉積物顯示該巖段粒度由下而上由粗-細的變化，含砂率高，在補勘1、補勘5、主檢5、補6等鉆孔中，該巖段含砂率(礫巖-中砂巖)分別達到80%、100%、70%、80%。補勘1的粒度概率曲線呈上拱弧形(如圖2a)。沉積物主要由懸浮總體組成，分選差，反映沉積時流體類型為泥石流(碎屑流)、顆粒流。該曲線在辮狀河心灘、分汊河河道砂壩及決口扇、曲流河決口扇中可見。

Ⅱ巖段：厚度從52.95～66.95m，和Ⅰ層段類似，西薄東厚，巖層中含砂率也是中部高南北低。該巖段底部為灰白色鈣泥質膠結的中礫巖-含礫中砂巖。標志著沖積扇河流攜帶的大量粗碎屑物質溢出河道沉積的板片狀砂巖-礫巖，即決口扇沉積，向上過渡為以灰白色、褐紅色粉砂巖為主的河漫沉積環境。但在補勘1、風檢6、補勘2等區西部鉆孔中，該巖段中上部含多層礫巖、含礫粗砂巖、含礫細砂巖等，為洪水泛濫泥石流沉積物，呈透鏡狀產出。本巖段頂部為全區發育的比較穩定的一層褐紅色泥巖，局部為砂質泥巖，阻隔了Ⅰ、Ⅱ巖段與Ⅲ巖段的水力聯系。

Ⅲ巖段：厚度72.52～88.85m，中部厚，南北薄。在沉積早期為近源沖積扇沉積環境。河道從區內中部自西偏北向東偏南方向。河道中充填沉積粗粒碎屑巖，以補勘1為代表，自下而上均為礫巖或粗砂→細砂或泥巖的正粒序韻律層理，不斷重疊。在平面上巖石粒度由西向東從礫巖變細為粗砂巖。河道內含砂率均較高，補勘7、補勘1、副檢2、風檢6鉆孔中達到71%、55%、48%、41%，反映了河水淺水動力強的特點。河道兩側均為河堤岸、河漫灘沉積，粒度由粗到細粒砂巖、泥巖的反復重迭的正粒序沉積。補勘1的粒度分析曲線呈過度式(圖2c)。此類粒度概率累積曲線包括含量較高、斜率較大的跳躍組分和斜率較小的懸浮總體, 具有典型的牽引流沉積特點,主要發育在分汊河及曲流河邊灘中。本巖段砂層厚度和含砂率是中部后，向南部和北部變薄，如圖3和圖4所示。

a b c圖2 補1孔葡萄溝組粒度概率曲線Figure 2 Putaogou Formation particle-size probability curve in borehole No.B1 a---Ⅰ巖段粒度概率曲線；b---Ⅲ巖段粒度概率曲線；c---Ⅵ巖段粒度概率曲線-

圖3 Ⅲ巖段等厚線Figure 3 Isopach of lithozone III

圖4 Ⅲ巖段含砂率及巖性分布Figure 4 Lithozone III sediment charge and lithologic distribution

Ⅲ巖段瀕繁發生的洪水具有較強的水動力，高于Ⅰ、Ⅱ巖段，使巖段內尤以底部和中上部的砂、礫巖為泥質接觸式膠結，膠結程度差，孔隙發育、結構疏松，巖心水泡或稍風化即散為散沙，使巖石具有較強的滲透性能。

Ⅵ巖段：厚度18.20～49m，為沖積扇平原河流沉積。河道位于井筒區域中部，河道南北部以河漫沉積為主，河道充填淤積后過渡為河漫灘。河道中充填沉積細礫巖、粗砂巖為主，向上過渡為中砂巖、細砂巖。河漫灘沉積主要為粉砂巖、砂質泥巖、泥巖或砂泥巖互層夾細砂巖，粒度概率曲線呈兩段式(圖2c)，本巖段頂部沿古河道方向再次河道沖刷充填，沉積礫巖、粗砂巖。

2.2 沉積環境的測井曲線效應

圖5 “鈣刺”曲線Figure 5 Logging traces “calcium spine”

圖6 巖段Ⅱ與巖段Ⅰ自然r曲線的對比Figure 1 Comparison of natural gamma-ray traces in lithozones II and I

圖7 礦區古河道位置Figure 7 Mine area paleochannel position

Ⅱ巖段的視電阻率曲線測井曲線顯示高低突變的刺狀。反演了位于沖積扇前端的沉積物中的地下水在干旱氣候下，向下滲移的同時又高速蒸發，水中鈣等的碳酸鹽很快達到飽和析出于砂巖、礫巖、粉砂巖中，或成為膠結物，使該層中下部巖層鈣含量較高，在視電阻率曲線上表現為突出“鈣刺”，見圖5，佐證了前面對沉積環境的分析。本巖段頂部的自然電位、密度、視電阻率、聲波等測井曲線近乎一直線(圖6)，反映了該泥巖的成份比較均一。巖心顯示為褐紅色泥巖，局部為砂質泥巖，偶夾細、粉砂巖薄層。該層位為高水位體系域沉積，距源區較遠，為干旱氣候下地質運動比較穩定時的河漫湖泊沉積，偶受洪水泛濫沖溝沉積。厚度12.87～35.6m，該層泥巖阻隔了Ⅰ、Ⅱ巖段與Ⅲ巖段的水力聯系。

Ⅲ巖段頂部巖層的視電阻率值平均值高于Ⅱ巖段頂部泥巖近20M·Ω,且曲線有小波狀起伏，說明了泥巖中砂質含量高且分布不均，局部隔水性能比較差，為Ⅲ巖段與Ⅵ巖段的水力聯系提供了通道。在井筒區域內發育一層相對穩定的褐紅、塊狀泥巖-粉砂巖層河漫沉積。厚度變化大，為3.55～22.85m，結合視電阻率測井曲線，再次表明Ⅲ巖段與Ⅵ巖段具備水力聯系的條件。

綜上所述，研究區的葡萄溝組為山間盆地邊緣的沖積扇內的辮狀河沉積環境，層序分析顯示多循環的沉積建造，每一個循環都具有由粗到細典型的河流相二元結構。層序分析還顯示，盡管河道有所擺動，但井筒區在葡萄溝組的四段中都有發育，是主河道的疊加沉積區域。河道的位置如圖7所示。粒度分析顯示在Ⅰ和Ⅱ巖段，河流的水動力最強，粗砂級含量最高，泥質含量最低。

3 沉積導向對井筒區水文地質條件評價的意義

3.1 含水層劃分

葡萄溝組山間盆地邊緣的沖積扇沉積環境決定了該沉積單元不論發育有辮狀、鳥足狀還是網狀河流，該區域都存在著多條古河床。沉積相分析顯示葡萄溝組在井田北部、中部和南部由西向東發育有3條古河流，中部河流流經井筒區。河流沉積相和展布規律便可成為評價井田區水文地質條件的導向。

根據沉積導向可以把葡萄溝組劃分為上、中、下三個含水層。

上部含水層(上含)包括Ⅵ巖段。平均厚度35.48m左右，分布穩定。水位深度為25.83m，水位標高為699.04m，泥質膠結，結構疏松沖洗液消耗量較小，富水性強等。

中部含水層(中含)為Ⅲ巖段。含水層平均厚度65.13m，分布穩定；水位深度為25.87～28.10m，含水層多為粗-礫粒組成，分選差，中上部砂、礫巖為泥質接觸式膠結，孔隙發育、結構疏松，沖洗液消耗量最大，富水性強。

下部含水層(下含)包括Ⅱ巖段與Ⅰ巖段。含水層總平均厚度72.87m；水位深度35.74～39.40m，Ⅰ巖段和Ⅱ巖段砂巖、礫巖為鈣質或鈣泥質膠結，巖性完整，比較致密，為半成巖狀。沖洗液消耗小，抽水試驗顯示Ⅱ巖段與Ⅰ巖段含水層水位一致。富水性弱。

3.2 抽水試驗對井筒區域含水層的富水性的驗證

通過井筒區域內8個水文鉆孔，分別對上含、中含、下含三個含水層進行了12層次的抽水試驗。抽水成果如表7所示。上部含水層單位涌水量3.28 L/(s·m)、滲透系數為17.37m/d。中部含水層單位涌水量1.18～2.94 L/(s·m)、滲透系數為7.81～23.97m/d；下部含水層單位涌水量0.008～0.072 L/(s·m)、滲透系數為0.04～0.77m/d，顯示富水性弱，水位恢復較慢。驗證了沉積相分析結果。

沉積相分析和抽水試驗都顯示中部含水層(Ⅲ巖段)的砂層厚度比例最大，弱膠結，富水性最強，是井筒防治水的重點。

3.3 井筒施工的驗證

大南湖某礦礦建中主、副、風井全部發生了突水淹井災害，其中主井突水位置在古河床中偏北的補勘5與補4中間，垂深110m的中部含水層下部。突水水文地質原因分析主要有二點：一是在突水前6d，距離出水點水平距離160.6m的水文補勘補5孔，開始對95～135m層段即中含下部進行了為期6d的抽水試驗，共抽出水量3 595m3，影響半徑R=320m，抽水試驗使得中含地下水流速加快，造成凍結失敗。二是澆灌混凝土時產生水化熱，迎頭井幫溫度急劇上升，達13℃，導致凍結段融化。上述綜合因素使得已澆灌完成的井壁后形成導水通道，地下水涌出，最高涌水量達475 m3/h。風井集中出水點11處，主要在井壁垂深100～140m即中部含水層的中、下部，涌水量最大為58m3/h。副井開拓進入上含后見水，以后水量逐漸增大至128.4 m3/h，進入凍結段之后涌水量基本在98～50m3/h，2013年12月在剛開拓進入中含時，停止施工時涌水量75.3m3/h。

3個井筒的突水淹井印證了河流相的沉積導向對井筒區水文地質條件評價的正確性。

4 結論

在新疆大南湖某礦區共進行過地質勘探、第一次和第二次井筒檢查孔勘探共3次勘探仍然無法對井筒區水文地質條件做出正確評價導致3個井筒被淹后，筆者根據巖心和測井資料，對葡萄溝組進行了沉積環境分析，得出如下結論：

1)大南湖某礦區的葡萄溝組屬于沖積扇的沉積環境。

2)葡萄溝組存在著3次明顯的沉積旋回，每一個旋回沉積物都體現著顆粒從粗變細的正韻律，為典型的河流相二元結構，粒度分析曲線和測井曲線都顯示為沖積扇河流相沉積模式。

3)河流相沉積為礦區的水文地質評價提供了導向，認為礦區存在著3條古河道，其中一條通過井筒地區；粒度分析顯示中部含水層(Ⅲ巖段)砂層占比高，砂層厚度大，結構松散，為良好的含水層；下部含水層膠結較好，為半成巖狀態，為較差的含水層。抽水試驗證實了沉積分析的結論。

4)水文地質勘探和井筒的突水災害證明沉積導向分析對礦區水文地質條件的精細化劃分具有重要指導作用。

5)沉積環境分析是厚-巨厚含水層精細化探查和研究的重要方法，應成為水文地質工作重要的基礎手段，具有應用推廣的價值。