引用本文
张昌民, 宋新民, 王小军, 王绪龙, 赵康, 双棋, 李少华. 支撑砾岩的成因类型及其沉积特征[J]. 石油勘探与开发, 2020,47(2): 272-285.
ZHANG Changmin, SONG Xinmin, WANG Xiaojun, WANG Xulong, ZHAO Kang, SHUANG Qi, LI Shaohua. Origin and depositional characteristics of supported conglomerates[J]. Petroleum Exploration & Development, 2020,47(2): 272-285.  
Doi: 10.11698/PED.2020.02.06
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支撑砾岩的成因类型及其沉积特征
张昌民1, 宋新民2, 王小军3, 王绪龙3, 赵康1, 双棋1, 李少华1
1. 长江大学地球科学学院,武汉 430100
2. 中国石油勘探开发研究院,北京 100083
3. 中国石油新疆油田公司,新疆克拉玛依 834000

第一作者简介：张昌民（1963-）,男,河南灵宝人,长江大学地球科学学院教授,主要从事沉积学与石油地质学方面的科研和教学工作。地址：湖北省武汉市蔡甸区大学路111号长江大学地球科学学院,邮政编码：430100。E-mail：zcm@yangtzeu.edu.cn

收稿日期: 2019-04-21
基金项目: 国家自然科学基金“中国西部主要盆地周缘及邻区分支河流体系分布与沉积模式”（41772094）国家科技重大专项“深层优势储集层沉积成因机制及地质预测技术”（2016ZX05027-002-007）
摘要

以准噶尔盆地玛湖凹陷砾岩为重点,研究支撑砾岩的成因类型及其沉积特征。通过对相关术语的比较分析、现代沉积考察和岩心描述,研究了支撑砾岩的这一概念的初始内涵与其他相似概念的异同,分析发育支撑砾石的现代沉积环境,描述了准噶尔盆地玛湖砾岩油田钻井岩心揭示的不同沉积环境中形成的支撑砾岩的沉积学特征。认为支撑砾岩与颗粒支撑砾岩、开放结构砾岩具有相似的结构但也存在一定的差异,倡议使用“支撑砾岩”这一术语,但需要重新认识支撑砾岩的形成机理。通过对新疆白杨河冲积扇、黄羊泉冲积扇、乌伦古湖等地区的现代沉积考察,发现支撑砾石并非仅仅由洪水形成,也可以发育在山间河流、山麓塌积扇、冲积扇砾质河床、冲积扇表面戈壁滩、砾质湖滩、砾质三角洲前缘、泥石流和水下颗粒流等沉积环境中。支撑砾石被埋藏后有可能形成支撑砾岩。在新疆准噶尔盆地玛湖凹陷三叠系和二叠系钻井岩心中,识别出砾质河床沉积支撑砾岩、风对干河床沉积改造形成的支撑砾岩、砾质滩坝沉积的支撑砾岩、三角洲前缘受波浪改造形成的支撑砾岩、河口坝沉积的支撑砾岩、颗粒流沉积的支撑砾岩和泥石流沉积的支撑砾岩等7种不同成因的支撑砾岩。研究认为支撑砾石结构既可能是一次沉积形成的,也可能经过多次沉积甚至经成岩改造形成。通过水槽实验、数值解析、经验模型和现代沉积调查,可以重建砾质河床的渗滤过程,预测支撑砾石的孔隙结构特征。对新疆玛湖油田三叠系百口泉组各类储集层物性统计发现,细砾岩和小中砾岩具有较高的孔隙度和渗透率,粗砾岩和大中砾岩的渗透率较低,说明支撑砾石结构容易遭受沉积后渗滤和成岩作用改造,导致孔隙度和渗透率变小。图13参52

关键词: 支撑砾岩; 开放结构砾岩; 颗粒支撑砾岩; 岩石结构; 沉积环境和相; 储集岩; 砾岩油气藏; 玛湖凹陷
中图分类号:TE122 文献标志码:A
Origin and depositional characteristics of supported conglomerates
ZHANG Changmin1, SONG Xinmin2, WANG Xiaojun3, WANG Xulong3, ZHAO Kang1, SHUANG Qi1, LI Shaohua1
1. School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China
2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China;
3. PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, China
Abstract

The origin and depositional characteristics of supported conglomerates in the Mahu Sag, Junggar Basin, Xinjiang, China, are examined. Based on the terminological comparison, modern sedimentary survey and core description, the initial connotation and similarities and differences in definition between supported conglomerates and other similar concepts are discussed, the modern sedimentary environment in which supported conglomerates develop is analyzed, and the sedimentological characteristics of supported conglomerates formed in different depositional environments revealed by the cores description of Mahu conglomerate oil field in the Junggar Basin are described. The supported conglomerate is similar in texture to grain supported conglomerate and openwork conglomerate but has differences from them, so it is suggested to keep the term “supported conglomerate”, but the formation mechanism of supported conglomerate needs to be re-examined. Through field survey of modern sediments in Baiyanghe alluvial fan, Huangyangquan alluvial fan, and Wulungu Lake in Xinjiang, it is found that supported gravels not only formed by flooding events but also by sieving, avalanching, fluvial sorting as well as wind and wave reworking in the depositional environments such as inter-mountain creek, colluvium fan, gravel channel on gobi and the fan surface, lake beach, delta front, subaerial debris flow and subwater grain-flow etc. Supported gravels could form supported conglomerate after being buried. Supported conglomerates of seven different origins have been recognized in the cores of the Triassic and Permian stratum of Mahu Depression, Junggar Basin, namely, supported conglomerates in gravel channel deposits, in wind reworked channel deposits, in gravel beach bar deposits, in wave reworked delta front deposits, in mouth bar deposits and in debris flow deposits respectly. The study shows the supported conglomerates may be formed by a single depositional event or by multi-events during the post-depositional sedimentary reworking and even in diagenesis stage. Through flume experiment, numerical simulation, empirical model and modern sediment survey, infiltration process of gravelly channel can be reconstructed and the primary pore structure of supported gravel can be estimated. Statistics on physical properties of various types of reservoirs in Triassic Baikouquan Formation of Mahu oilfield show that granule conglomerate and pebbly conglomerate have higher porosity and permeability, while the cobble and coarse pebble conglomerate have lower permeability, which indicates that the supported gravels are easy to be reworked by post depositional filtration and diagenesis, and thus decrease in porosity and permeability.

Keyword: supported conglomerate; openwork conglomerate; grain supported conglomerate; rock texture; sedimentary environment and facies; reservoir rock; conglomerate reservoir; Mahu depression
0 引言

准噶尔盆地玛湖凹陷特大型砾岩油田的发现再次激发了工业界和学术界对砾岩储集层的兴趣[1, 2, 3, 4, 5], “ 支撑砾岩” 被认为是玛湖砾岩油藏的重要储集层[6, 7]。“ 支撑砾岩” 一词是张纪易通过对新疆粗碎屑洪积扇现代沉积考察和对克拉玛依油田粗碎屑岩心的观察后提出的专门术语[8, 9], 这一术语在新疆油田勘探开发中得到广泛接受, 为砾岩油气藏的勘探开发做出了重要的贡献, 但是被学术界引用的不多。分析认为存在以下几方面的原因：①对支撑砾岩的形成机理分析仍然停留在最初定义的基础上, 缺乏更深入的理论研究; ②支撑砾岩与颗粒支撑砾岩、杂基支撑砾岩等具有相似性, 其特殊性没有引起足够的重视; ③将洪水沉积作为支撑砾岩的唯一成因, 限制了对其成因多样性的探讨; ④支撑砾岩与国际上常用的开放结构砾岩相似, 也影响了这一概念的推广。

本文通过对支撑砾岩、颗粒支撑砾岩、开放结构砾岩等相近术语的比较分析, 结合对新疆乌伦古湖、白杨河扇、黄羊泉扇等地的现代沉积考察和对新疆玛湖凹陷三叠系和二叠系钻井岩心描述, 分析支撑砾岩与颗粒支撑砾岩、开放结构砾岩的相似性和差异性, 研究支撑砾石的形成环境和沉积机理, 分析不同沉积微相发育的支撑砾岩的沉积特征。在上述基础上, 探讨支撑砾岩的形成机制及其对储集层孔隙发育的影响, 为研究玛湖特大型砾岩油田砾岩储集层的沉积成因和储集层非均质性、实现油田的经济有效开发提供参考。

1 基本概念、内涵

支撑砾岩、颗粒支撑砾岩和开放结构砾岩是不同时期、由不同学者提出的岩石学术语, 三者的内涵有相似性, 但也具有一定的差异性。

1980年, 张纪易在《新疆石油地质》撰文指出, 洪积扇碎屑沉积物中有一种特殊的岩石类型— — 支撑砾岩。这种砾岩泥质含量很少, 砾石棱角发育, 互相支撑架空, 具有很大的孔隙和很高的渗透性, 其沉积厚度仅数公分到十几公分, 且不稳定[8]。1985年, 张纪易又在《沉积学报》发表了《粗碎屑洪积扇的某些沉积特征和微相划分》一文, 指出：“ 支撑砾岩系指洪积扇中的松散砾石层, 特点是分选较好的砾石相互支撑接触, 孔隙中无或极少泥质填集物” 。他认为支撑砾岩是发育在洪积层理中的的特殊岩石结构, 而且特别强调“ 支撑砾石和筛积物不是同一种成因” [9]。

颗粒支撑是指一种由岩石颗粒相互支撑、颗粒间被较细组分充填的岩石结构[10, 11, 12], 具有这种结构的砂砾岩称为颗粒支撑砂岩或颗粒支撑砾岩, 如果岩石中存在多个粒级的岩石颗粒, 这种岩石称为多级颗粒支撑砂岩或多级颗粒支撑砾岩。颗粒支撑是相对于杂基支撑而言的, 颗粒支撑砾岩也可能含有杂基, 但其杂基总是填充在颗粒之间, 而杂基支撑表现为颗粒漂浮在杂基之中。

Wadell研究认为[13], Erdmann于1868年首先在瑞典Folkoping市北部的冰碛岩中描述了开放结构砾石的特征, 其原文翻译后意思为：人们可以看到长12~15 m, 厚3.0~3.6 m的透镜状或者板状沉积物, 完全由砾石组成, 颗粒之间的细小砾石很少, 沉积体周围被砾质或者砂质层包围[13]; 而Davis于1892年首次将这种砾石间中空的砾石层称为开放结构砾石[13], 开放结构砾石一词广泛应用于与河床演变有关河流工程[14, 15, 16, 17, 18]和沉积学研究文献中[13, 19, 20, 21]。

图1显示了在没有考虑成岩作用和胶结物充填的情况下沉积物结构随着砾石含量减少、细粒沉积物含量增加发生的变化[22]。第①种结构显示砾石间无沉积物充填, 属于开放结构砾石, 也符合颗粒支撑砾岩和支撑砾岩的特征; 第②种结构显示砾石间含有一定的细颗粒组份, 无杂基组分, 具有支撑砾石结构和颗粒支撑结构的特征, 但严格意义上已不属于开放结构砾岩; 第③种结构显示有两组不同粒径的砾石, 砾石间填充更细小的颗粒, 杂基仍然较少, 称为多级颗粒支撑, 仍然具有支撑砾石结构, 但不属于开放结构; 第④种结构依然显示颗粒支撑, 但杂基含量高, 称为杂基颗粒支撑, 已不符合支撑砾石结构要求的杂基极少的定义; 第⑤种结构显示颗粒漂浮在杂基之中, 为杂基支撑砾岩; 第⑥种已不属于砾岩结构。由此可见, 开放砾石结构是砾石组构的极端特征; 杂基支撑虽然是砾质沉积物的支撑方式之一, 但不属于颗粒支撑, 更不符合支撑砾石结构的特征。支撑砾石结构包括开放结构、颗粒支撑和多级颗粒支撑结构, 即图1左侧的3种结构方式。

图1 不同岩石组构图（据文献[25]修改）

从提出术语的时间看, 开放结构砾石一词提出的较早, 根据时间优先的原则理应使用这一术语, 但开放结构砾石的概念在国内应用较少。颗粒支撑和多级颗粒支撑的概念在国内广泛应用, 但牵涉到两种岩石结构, 而且与之相关还存在杂基颗粒支撑结构, 因此不能将3者合并统称为颗粒支撑。另一方面, 支撑砾岩这一术语已经在中国新疆砾岩油田勘探开发中长期使用, 并发挥了重要的作用, 建议继续使用这一术语。但是, 将支撑砾岩定义为由洪水沉积作用形成的一种特殊砾岩, 限制了对支撑砾岩成因多样性的认识, 具有一定的局限性, 容易误导人们将具有支撑砾岩结构的岩石都解释为洪水成因, 导致沉积相分析的错误。现代沉积考察表明, 具有“ 分选较好的砾石相互支撑接触, 孔隙中无或极少泥质填集物” 特征的支撑砾石可以形成于多种沉积环境, 支撑砾岩可能发现于多种沉积相带。因此, 研究现代沉积环境中支撑砾石的特征及其形成过程对分析支撑砾岩的形成和分布具有重要的借鉴作用。

2 支撑砾石的成因类型

国内外学者对支撑砾石和开放结构砾石的成因进行了深入的研究。1951年, Cary研究了太平洋西北部河流中的开放结构砾石, 认为开放结构砾石是由砾石之间的涡流造成的[19]; 1955年, Braden认为明尼苏达北部河流中的开放结构砾石是因为河床梯度较陡、细粒沉积物难以保存造成的[20]; 余宽宏等将发育于冲积扇的支撑砾岩称为弱胶结砾岩, 认为弱胶结砾岩是洪积扇扇面筛状沉积或者为扇根槽滩以及扇中辫流河道辫流坝沉积[23]。通过对新疆现代白杨河冲积扇、黄羊泉冲积扇、乌伦古湖等地区的现代沉积考察发现, 支撑砾石可能形成于山区河流、山麓塌积扇、戈壁滩和冲积扇上的辫状河道等环境, 支撑砾石的沉积机理有筛积, 塌积、重力沉积、河流沉积、风和波浪作用等。受考察条件限制以及支撑砾石发育的规模有限, 本次研究没有挖掘探槽研究支撑砾石的沉积特征, 仅依靠地表和河岸出露的沉积物特征考察支撑砾石的沉积过程和形成机理。

2.1 山区河流筛积物中的支撑砾石

筛积物发育典型的支撑砾石结构[23, 24, 25]。据《牛津地球科学词典》所述, “ 筛积物是一种分选好、杂基含量少的砾岩, 形成于所搬运的沉积物只含有砾石的沉积场所” [26]。1967年, Hooke通过实验发现筛积物发育在扇端和扇中部位, 扇中筛积物是由于水流呈地下水流方式流动发生渗滤作用形成的, 扇端筛积物是由于坡折附近的颗粒滚落形成的, 二者都具有典型的开放砾石结构[27]。这一机理与张纪易“ 支撑砾岩则是扇体顶部细密沟槽中先期沉积的洪积物中的泥沙被后续洪水带走剩下砾石骨架形成的” 的机理相似。准噶尔盆地南缘将军沟中筛积物漂砾最大直径超过1 m, 砾石间形成特大孔隙, 流水以及细粒沉积物从漂砾孔隙中通过, 形成漂砾状筛积物（见图2a）, 筛积物发育明显的支撑砾石结构。

图2 支撑砾石形成环境及其特征
（a）准噶尔盆地南缘将军沟中的筛积物形成支撑砾石, 砾石最大直径超过1 m; （b）白杨河扇近端发育的塌积扇, 沉积物主要是山体风化破碎形成的岩块, 岩块滚落堆积形成塌积扇; （c）砂堆显示塌积扇上的砾石呈线状沿沟槽分布, 形成支撑砾石, 小图为砂场位置; （d）白杨河河床上的支撑砾石, 直径为5~30 cm, 向上游倾斜

2.2 塌积扇上的支撑砾石

塌积扇也是支撑砾石发育的场所之一。塌积扇一般分布在盆地边缘老山附近, 是由老山风化形成的粗大颗粒在重力驱动下顺斜坡滚落形成的扇状堆积体[28]。克拉玛依白杨河扇扇根老山边缘发育塌积扇, 沉积物来自紧邻扇体的基岩山地, 主要由山体风化破碎形成的岩块组成, 以砾石为主, 砂质和泥质沉积物极少。沉积物颗粒呈棱角状, 砾径最大为15 cm, 一般为3~8 cm, 形成支撑砾石。最粗的砾石分布在塌积扇的最下部, 砾径向扇顶变细, 塌积扇表面发育一些径向沟槽, 沿沟槽分布较粗粒的支撑砾石（见图2b）。这种现象在砂石场堆放的砂堆上非常常见（见图2c）。

2.3 冲积扇砾质河床上的支撑砾石

支撑砾石广泛发育在现代砾质河道沉积物中[29, 30, 31]。季节性河流汛期流量大流速快, 水动力强, 砂泥质被带向下游, 粗粒砾石滞留在河床上形成支撑砾石。在现代白杨河冲积扇扇中地区, 白杨河主河道河床砾石直径为5~30 cm, 呈叠瓦状排列（见图2d）。在剖面上可见支撑砾石层和多级颗粒支撑砾石层交替出现, 支撑砾石直径一般为5~10 cm, 砾石间缺乏细粒沉积物, 有明显的定向排列和叠瓦状构造特征（见图3a）。

图3 支撑砾石形成环境及其特征
（a）白杨河现代沉积剖面的支撑砾石层（尺子上方）; （b）克拉玛依城郊干河床上, 风对沉积物改造形成的砾石波痕; （c）精河河床表面的风成砾质沙波, 波长约20 cm, 波高约1~5 cm。沙波由直径为2~5 mm的细砾组成; （d）新疆乌尔禾地区黄羊泉冲积扇, 分流河道间发育分选较好的砾石层; （e）白杨河扇扇中地区, 分流河道间地区发育长数十到数百米的戈壁滩; （f）白杨河扇的扇中地区砾石滩发育支撑砾石

2.4 风力改造形成的支撑砾石

在冲积扇表面和戈壁滩上, 持续风的作用将沉积物中的细粒组分带走, 留下分选良好的砾石, 形成砾石质波痕, 发育支撑砾石。在克拉玛依西郊的干河床上, 风对沉积物改造形成宽为10~20 cm的砾石质波痕, 波痕间隔0.5~1.5 m不等, 波痕高约为3~5个砾石直径, 砾石呈棱角状, 砾径为0.5~3.0 cm不等（见图3b）, 砾石分选良好, 具有支撑砾石特征。在新疆精河下游干河床上发育类似的砾石质波痕, 砾石直径一般为2~5 mm, 波高为1~5 cm, 波长为10~20 cm, 波痕间隔50~70 cm不等（见图3c）。新疆乌尔禾地区黄羊泉冲积扇暂时性河道沉积物受风的改造形成分选良好的砾石滩, 砾石呈次圆状, 直径为2~5 mm, 分选好, 缺乏细粒沉积物, 发育支撑砾石结构, 砾石滩单片面积小于100 m2, 厚度不大于5个砾石直径（见图3d）。白杨河冲积扇中扇分流河道间发育的戈壁滩长达数十到数百米（见图3e）, 砾石为棱角状和次棱角状（见图3f）, 发育支撑砾石。

2.5 基岩湖岸砾质湖滩沉积的支撑砾石

现代乌伦古湖西岸发育基岩湖岸, 基岩受湖浪的侵蚀形成弧形陡崖, 在陡崖下发育砾质湖滩（见图4a）, 湖滩宽2~10 m不等。湖滩砾石直径为5~15 cm为主, 分选较差, 次棱到次圆状, 颗粒支撑, 砾石间缺少砂质和泥质沉积物, 发育支撑砾石。

图4 湖泊滨岸和小型泥石流扇发育的支撑砾
（a）乌伦古湖西部地区发育砾质湖滩, 湖滩宽为2~10 m不等; （b）乌伦古湖西岸风浪对三角洲前缘的砂砾质沉积进行改造, 形成砾质湖滩; （c）砾质湖滩沉积物由直径为5~20 cm不等的砾石构成; （d）新疆四棵树沟小型泥石流扇顶部被改造形成支撑砾石

2.6 砾质三角洲前缘沉积受改造形成的支撑砾石

在乌伦古湖西岸, 阵发性洪水将砾石从附近山地搬运到滨湖地区堆积形成砾质辫状河三角洲。滨湖波浪对三角洲前缘持续改造, 形成砾质滩坝。砾质滩坝沿湖岸延伸可达数百米以上, 相带宽度为3~20 m（见图4b）。滩坝沉积物直径为5~20 cm不等, 呈圆到次圆状, 分选较好, 球度中等, 发育支撑砾石（见图4c）。类似的现象前人在青海湖研究中也有报道[32]。

2.7 泥石流沉积被改造形成的支撑砾石

泥石流是一种阵发性的高含泥重力流, 一次泥石流事件从启动到结束要经过多个阶段[33, 34]。泥石流沉积早期形成粗砾岩, 流动阶段形成杂基支撑的泥质砾岩, 晚期水流变清, 泥石流转变为牵引流。流水将泥石流表层沉积物中的细粒泥质和砂质组分带向下游, 在泥石流沉积层序顶部形成支撑砾石沉积, 这种现象在小型泥石流堆积体中表现明显（见图4d）。

3 玛湖凹陷岩心支撑砾岩沉积特征

支撑砾石间的孔隙, 在成岩作用过程中有些可能没有被胶结物充填呈现无胶结特征, 有些可能被部分充填或者全部充填, 表现为弱胶结或强胶结特征。由于他们都具有支撑砾石结构, 都可以称为支撑砾岩。同一环境形成的支撑砾岩的胶结程度也可能存在差异。通过对玛湖凹陷三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组砾岩的岩心观察, 发现在砾质河床沉积、受风改造的河床沉积、砾质滩坝沉积、受波浪改造的三角洲前缘沉积、河口坝沉积、颗粒流沉积和泥石流沉积中都可能发育不同厚度不同特征的支撑砾岩。

3.1 砾质河床沉积的支撑砾岩

玛湖油田夏10井第13— 16次取心段（2 250~2 391 m）钻遇百口泉组红褐色砾岩夹含砾砂岩, 砾石磨圆度较高, 呈次圆到圆状, 定向排列显著, 发育多个明显的向上变细旋回。其中第15次取心（2 341.2~2 344.0 m）可划分出5个向上变细旋回（见图5）, 旋回厚度为十厘米到数十厘米, 旋回底部粒度较粗, 一般发育杂基颗粒支撑砾岩; 旋回中上部粒度稍细, 发育支撑砾岩。

图5 砾质河床沉积支撑砾岩的发育部位及其岩心特征

3.2 风力改造形成的支撑砾岩

准噶尔盆地玛湖凹陷玛18井在3 850.3~3 866.4 m钻遇灰色砾岩和紫红色泥岩（见图6a）, 推测灰色砾岩为干旱气候条件下的辫状河道沉积, 紫红色泥岩为河道间沉积。河道沉积主体为灰色小中砾岩, 显示块状层理和粗糙的交错层理, 顶部为细砾岩, 发育平行层理和块状层理。细砾岩砾径为2~4 mm, 最大为5 mm左右, 颗粒呈次棱到次圆状, 分选良好, 缺少细粒杂基, 具有支撑砾石结构, 但砾石间被泥质胶结物充填（见图6b— 图6d）。推测为河道干涸期间风对沉积物改造形成的支撑砾石在成岩期遭受胶结物充填而形成支撑砾岩。

图6 风力改造干涸辫状河道形成的支撑砾岩特征（岩性列简化仅表达粒径）
GR— 自然伽马; Rt— 原状地层电阻率; RI— 过渡带地层电阻率; RXO— 冲洗带地层电阻率

3.3 砾质滩坝沉积的支撑砾岩

有关砂质滩坝沉积的报道很多[35, 36, 37, 38, 39], 对砾质滩坝沉积研究的较少[32]。克拉玛依油田金206井二叠系上乌尔禾组（第8次取心, 4 071.16~4 078.18 m）钻遇一套厚层砾岩夹中薄层粉砂岩和砂岩, 根据所夹砂岩中发育低角度交错层理和浪成沙纹层理, 推测本段地层为砾质滩坝沉积（见图7）。砾岩岩心断面显示砾石分选良好, 磨圆度高, 颗粒呈圆状, 砾石间杂基极少, 具有支撑砾岩的特征（见图7c、图7d）。类似特征在玛湖凹陷玛中2井第2次取心百口泉组中也有发现。

图7 砾质滩坝沉积支撑砾岩发育的部位及其岩心特征（岩性列简化仅表达粒径）

3.4 三角洲前缘受波浪改造形成的支撑砾岩

玛湖凹陷风南401井百口泉组（2 527.10~2 540.70 m）为灰色、深灰色砾岩夹灰色、紫红色泥岩和泥质粉砂岩, 发育块状层理和粗糙的交错层理（见图8a）, 为砾质辫状河三角洲前缘沉积。当湖泊水位较高时, 发育水下分流河道, 沉积物呈灰色和深灰色, 粗粒段发育多级颗粒支撑结构（见图8d）, 部分砾岩受波浪淘洗形成颗粒支撑砾岩。当湖泊水位较低时, 三角洲前缘地带露出水面, 细粒段发育紫红色和褐红色的泥岩和粉砂岩, 粗粒段发育褐红色细砾岩（见图8c）, 部分沉积物受波浪淘洗, 颗粒间充填的杂基较少, 呈支撑砾岩结构（见图8b）。

图8 波浪改造三角洲前缘形成的支撑砾岩的岩心特征（岩性列简化仅表达粒径）

3.5 河口坝沉积的支撑砾岩

河口坝是三角洲前缘的重要沉积体。克拉玛依油田金211井上乌尔禾组（第4次取心, 3 752.06~3 755.66 m）钻遇三角洲前缘河口坝沉积, 岩性为砾岩和粉细砂岩互层。粉细砂岩包括极细砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩, 呈灰色、深灰色, 发育平行层理、块状层理和小型沙纹层理。砾岩为灰色细砾岩, 显示总体向上变细和总体向上变粗两种旋回（见图9）。河口坝旋回顶部砾石集中发育, 杂基含量较低, 显示支撑砾岩结构, 沸石胶结物较为发育（见图9a红框范围, 图9b— 图9c）, 在杂基含量较高的部位, 砾岩表现为杂基颗粒支撑结构, 沸石胶结物较少（见图9d）。

图9 河口坝沉积的支撑砾岩的岩心特征

3.6 颗粒流沉积的支撑砾岩

克拉玛依油田金205井可能发育颗粒流沉积的支撑砾岩。该井上乌尔禾组（第4次取心, 3 839.85~3 844.05 m; 第5次取心, 3 919.11~3 922.31 m）钻遇一套灰色、灰绿色砂岩、粉砂岩和泥岩, 夹有薄层细砾岩。细砾岩与砂岩和粉砂岩之间既有渐变接触, 也有突变接触关系（见图10）。砂岩发育块状层理、递变层理和变形层理, 具有浊流沉积的特点（见图10）。砾岩段呈现颗粒支撑和多级颗粒支撑结构, 发育块状层理、水平层理和低角度交错层理, 分选良好, 泥质含量低, 岩心胶结松散, 可能为颗粒流沉积（见图10）。颗粒流沉积岩心表面和断面皆显示杂基含量低（见图10a— 图10c）, 具有支撑砾岩特征。

图10 颗粒流沉积发育的支撑砾岩的岩心特征

3.7 泥石流沉积的支撑砾岩

玛湖凹陷风南16井百口泉组（第5— 6次取心, 2 805.02~2 817.7 m）为一套以泥石流为主的沉积（见图11）, 岩性为红褐色、灰色小中砾岩、细砾岩夹红褐色泥岩和粉砂岩。泥岩呈块状, 其中散布零星细小砾石, 砾岩发育块状层理和模糊的平行层理, 砾石呈棱角状和次棱角状, 部分次圆状, 无定向或弱定向排列。泥石流砾岩整体呈杂基支撑和杂基颗粒支撑结构（见图11a、图11b）, 局部杂基较少显示支撑砾岩（见图11c）特征。

图11 泥石流沉积中支撑砾岩发育部位及其岩心特征（岩性列简化仅表达粒径）

4 支撑砾岩的形成机理与石油地质意义

砾石间缺乏细粒沉积物充填是支撑砾岩最典型的特征。造成砾石“ 空腔” 的机理非常复杂, 既可能是一次沉积形成的, 也可能经过多次沉积改造甚至在成岩阶段形成。支撑砾石结构形成之后既可能保持长久不变, 也可能被后续沉积或成岩作用改造形成多级颗粒支撑结构、颗粒-杂基支撑结构甚至杂基支撑结构。沉积作用是形成支撑砾岩的主要因素。按照沉积成岩的先后顺序, 分为沉积阶段、沉积改造阶段和成岩阶段对支撑砾岩的形成机理进行讨论。

4.1 沉积阶段

筛积物、塌积物和砾质河床沉积的支撑砾石是在沉积阶段形成的。塌积物搬运距离短, 缺乏细小砾石和砂泥质杂基, 本身就可能形成支撑砾石结构。山间溪流和水石流也可能搬运不同大小的砾石形成支撑砾石。砾质河床上的支撑砾石是砾石受水流驱动沿河床滚动堆积而形成的, 在其运动的过程中没有或者极少有细粒杂基的参与[40]（见图12a）。

图12 砾质床面上细粒沉积物渗滤与侵蚀原理图（据文献[43]修改）
（a）砾质河床形成开放结构砾石; （b）细粒沉积物向支撑砾石的孔隙中渗漏, 形成颗粒支撑和多级颗粒支撑结构砾石; （c）细粒物质在砾石层表面形成结壳, 阻碍渗漏的继续发生, 砾石层下部保留了颗粒支撑砾石结构, 上部形成多级颗粒支撑结构和杂基颗粒支撑结构; （d）水体中含沙量减低, 水流对河床产生侵蚀, 砾石表层的细粒沉积被侵蚀; （e）水位下降到河床表面之下, 砾石间的细粒沉积物被搬运到下游地区, 再次形成支撑砾石结构

早期形成的支撑砾石之间的孔隙可能被细小砾石或者砂泥质沉积物充填形成多级颗粒支撑结构或杂基颗粒支撑结构（见图12b、图12c）, 如果发生沉积物液化或者滑塌可能被改造成杂基支撑结构, 没有被充填的支撑砾石在成岩期间可能被胶结物充填形成基底式胶结结构。因此, 原始沉积的支撑砾石结构可能比在岩心和露头上所看到的要多一些, 这一点对重建砾岩的沉积水动力过程非常重要。

4.2 沉积改造阶段

沉积之初形成的杂基颗粒支撑和杂基支撑结构砾石在沉积后也可能被改造形成支撑砾石（见图12d、图12e）, 沉积后改造对支撑砾岩孔隙的形成和保存具有正负两方面作用。支撑砾石形成之后, 受风、流水、泥石流等改造, 细粒沉积物可能会渗入到砾石之间, 导致砾石间孔隙被完全或者部分填充, 从而被改造成为杂基颗粒支撑结构或者颗粒杂基支撑结构[14, 15]。支撑砾石的粒度不同, 砾石间的原始孔隙大小不同, 允许渗滤的沉积物的粒度和渗入颗粒的数量不同, 这种过程对河床沉积物原始孔隙度的影响极大[22, 41]。通过水槽实验、数值解析、经验模型和现代沉积调查, 可以估计砾石质河床的渗滤程度, 重建支撑砾石的原始结构和渗滤后河床沉积物的孔隙结构特征[40, 42, 43, 44, 45, 46, 47]。

沉积后改造作用也可能有利于支撑砾岩的形成。泥石流衰退期水流将细粒泥沙带走, 有可能形成支撑砾岩; 风将戈壁滩和暂时性河流河床上的细粒组分带走, 可以形成支撑砾石结构; 洪水水位下降有可能将河床两侧和河漫滩砾岩之间的细粒沉积物带走形成支撑砾岩; 波浪对湖泊滨岸、河口地区的砂砾质沉积进行改造, 在沿岸地带形成支撑砾石。因此, 支撑砾岩的成因具有多样性, 仅用单一的沉积动力机制难以做出全面的解释。

4.3 成岩阶段

成岩作用对支撑砾岩的孔隙度变化一般产生负面的影响。虽然高温高压可能造成砾石颗粒发生一定的形变, 改变砾石间的孔隙形态, 但一般压实作用对砾石颗粒的形态影响不大。胶结作用对支撑砾岩孔隙度的影响较大, 成岩过程中地下流体在砾石之间沉淀形成胶结物减少支撑砾岩的粒间孔隙。成岩过程中也可能有微细固体颗粒进入砾石之间。溶蚀作用对砾石颗粒形态变化有一定影响, 但作用微弱。

4.4 支撑砾岩的石油地质意义

砾岩油气藏广泛分布在中国准噶尔盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、珠江口盆地等含油气盆地中[48, 49, 50, 51, 52], 大多数支撑砾岩发育良好的孔隙空间, 为储存油气创造了优越的条件。但是, 良好的孔隙空间也为其他地下流体的运移提供了优势通道, 导致支撑砾石可能较早较多地遭受泥质和其他类型胶结物的胶结。塌积物和筛积物的初始孔隙尺寸较大容易遭受后期改造, 难以保存很高的孔隙度; 泥石流、颗粒流、滩坝和风成砾石滩等经过沉积改造后形成的支撑砾石有可能保存较高的孔隙度。从岩石结构来分析, 开放结构和颗粒支撑砾石容易被胶结, 多级颗粒支撑砾岩更有可能保存大量微小孔隙。对新疆玛湖油田百口泉组各类储集层物性统计发现, 粗砂岩的孔隙度最高, 小中砾岩、细砾岩和中细砂岩具有较好的孔隙度, 大中砾岩和粗砾岩孔隙度相对较低（见图13）。对不同岩性储集层的渗透率统计显示, 细砾岩和小中砾岩的渗透率最高, 粗砾岩和大中砾岩的渗透率较低。说明支撑砾石结构容易遭受沉积后渗滤和成岩作用改造, 导致孔隙度和渗透率减小。

图13 玛湖凹陷百口泉组不同岩性物性统计直方图

5 结论

支撑砾岩与开放结构砾岩、颗粒支撑砾岩等概念在内涵上有一定的相似性, 也存在一定的差异。综合分析各术语初始定义, 认为支撑砾岩的主要特征是分选较好的砾石相互支撑接触, 孔隙中无或极少泥质填集物, 因此开放结构砾岩, 颗粒支撑砾岩和多级颗粒支撑砾岩都属于支撑砾岩的范畴。鉴于支撑砾岩这一术语多年来在砾岩油田勘探和开发中发挥的作用, 建议继续使用这一术语。但是最初将支撑砾岩定义为由洪水沉积作用形成的一种特殊砾岩, 限制了对支撑砾岩成因多样性的认识, 容易导致沉积相分析的错误。支撑砾岩是支撑砾石经过埋藏和成岩作用形成的。研究现代沉积环境中支撑砾石的特征及其成因对分析支撑砾岩的形成和分布具有重要的参考价值。对新疆现代白杨河冲积扇、黄羊泉冲积扇、乌伦古湖等现代沉积环境考察发现发育支撑砾石的现代沉积环境非常广泛, 已发现支撑砾石可以形成于山间河流、山麓塌积扇、冲积扇砾质河床、冲积扇表面戈壁滩、砾质湖滩、砾质三角洲前缘和泥石流等沉积环境, 其形成机理包括筛积, 塌积、重力沉积、河流沉积、风和波浪作用等。

岩心观察发现在准噶尔盆地玛湖凹陷三叠系百口泉组和二叠系上乌尔禾组砾岩中发育砾质河床沉积的支撑砾岩、风力改造形成的支撑砾岩、砾质滩坝沉积的支撑砾岩、三角洲前缘受波浪改造形成的支撑砾岩、河口坝沉积的支撑砾岩、颗粒流沉积的支撑砾岩和泥石流沉积的支撑砾岩等7种成因的支撑砾岩。支撑砾岩既可能是一次沉积形成, 也可能经过多次沉积改造甚至在成岩阶段形成。沉积后改造对支撑砾岩孔隙的形成和保存具有正负两方面作用, 成岩作用对支撑砾岩的孔隙度变化一般产生负面的影响。支撑砾岩的成因具有多样性, 仅用单一的沉积动力机制难以做出全面的解释。

砾岩油气藏广泛分布在中国含油气盆地中。原始的支撑砾石结构发育良好的孔隙空间, 为油气储存创造了优越的条件。对新疆玛湖油田百口泉组各类储集层物性统计发现, 小中砾岩、细砾岩和中细砂岩具有较好的孔隙度, 大中砾岩和粗砾岩孔隙度相对较低。细砾岩和小中砾岩的渗透率最高, 粗砾岩和大中砾岩的渗透率较低。表明支撑砾石结构容易遭受沉积后渗滤和成岩作用改造, 导致孔隙度和渗透率减小。

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