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玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，斜坡区紧邻生烃凹陷，构造位置优越，是油气从凹陷向西北缘断裂带运移的必经之地，具有丰富的油气资源，勘探潜力十分巨大[1⁃3]。中拐地区是环玛湖斜坡区油气勘探开发的重点区块，油气资源开发程度较高，其中二叠系上乌尔禾组碎屑岩储层更是近年来油气开发的热点。前人根据测井、录井、薄片和地震资料等，对研究区储层的物性、成岩作用、沉积相类型、构造等方面都进行了较为深入的研究[4⁃7]。然而上乌尔禾组碎屑岩储层厚度大、分布广、岩性复杂、非均质性强[8]，同时储层中富含大量的火山碎屑，使得储层的形成及发育复杂化，油气勘探开发面临巨大的挑战，优质储层的成因机理研究及有利储层发育区带的预测还存在许多需要解决的问题。
沉积环境及物源特征是影响沉积体系的重要因素，沉积体系又控制着石油等自然资源的生成、运移及展布，在不同的沉积环境下形成的沉积储层也具有不同的物性特征，因此沉积环境及物源特征的研究对于油气资源的勘探开发极其重要。湖泊沉积物保存了流域以及湖泊内部元素地球化学特征，其元素的组成反映了物源区源岩的元素组成特征，同时各个元素之间的相互影响和元素自身的化学性质，随着沉积环境的变化沉积物中元素的组成也会发生变化。国内外通过分析沉积物中的一些特定元素丰度及其组合特征，对源岩属性、风化程度、源区构造背景以及沉积古环境进行了大量的研究，并总结出一系列相关判别指标[9⁃15]。储层物性不仅受前期沉积相带的控制，还与后期成岩作用密切相关，沉积环境控制了储层的总体特征，其通过岩石类型、颗粒成分与特征、填隙物成分和含量等影响储层的物性，成岩作用通常在沉积后对储层进行的再改造，因此，只有将两者有机结合，才能查明优质储层成因机理，更加准确地寻找储层物性变化规律。本文通过对中拐地区上乌尔禾组碎屑岩储层中的泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积物的元素地球化学特征的系统分析，对研究区上乌尔禾组沉积环境进行了深入研究，并结合该区的岩石矿物学特征、成岩作用特征，综合研究了富火山碎屑砂砾岩储层成因机理，以期为该区油气资源的进一步勘探开发提供基础地质认识。
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玛湖凹陷是位于准噶尔盆地西北缘的一个二级构造单元，紧靠哈拉阿拉特山和扎伊尔山，西侧紧邻乌—夏断裂带和克—百断裂带，西南毗邻中拐凸起，东南为达巴松凸起、夏盐凸起以及英西凹陷，北边是石英滩凸起[15⁃18]。环玛湖凹陷二叠系沉积特征为典型的前陆盆地型，发育佳木河组、风城组、夏子街组和下乌尔禾组、上乌尔禾组五套沉积地层[19⁃21]。上乌尔禾组主要发育扇三角洲前缘水下分流河道沉积，岩性以砂砾岩为主，含少量细砂岩。杂基以凝灰岩、安山岩岩屑为主[11]；下乌尔禾组主要发育扇三角洲前缘水下分流河道沉积，岩性较为复杂，主要为灰色砂砾岩、砾岩、含砾砂岩、凝灰质砂岩及棕色泥岩[22]；夏子街组主要发育湖相扇三角洲沉积，岩性以砾岩和砂岩为主，砾岩主要为砂砾岩，砂岩主要为岩屑砂岩，偶见岩屑长石砂岩[23]。风城组是一套在海退背景下，经历海相、火山碎屑相和湖相扇三角洲相的沉积产物，岩性以碎屑岩、云质岩和火山岩为主[24]；佳木河组主要发育冲积扇中—扇缘亚相，岩性以粗砂砾岩为主，夹中细砂岩、含砾中细砂岩及泥质粉砂岩，含大量的火山碎屑[11]。叠置连片的砂砾岩储层为该区形成大型油气藏的提供了空间及物质基础。
本文研究地区位于准噶尔玛湖凹陷西环带的中拐凸起（图1a），受中—晚海西期区域挤压应力场的影响，研究区形成了独特的“两凸一凹”构造格局，其西部为石炭系古凸带，东部为佳木河断凸带；发育二叠系佳木河组（P1 j）和上乌尔禾组（P3 w）地层，风城组（P1 f）、夏子街组（P2 x）、下乌尔禾组（P2 w）地层剥蚀缺损，P3 w直接与P1 j不整合接触，自东向西削蚀尖灭；P3 w自下而上分上乌尔禾组一段（P3 w 1）、上乌尔禾组二段（P3 w 2）、上乌尔禾组三段（P3 w 3），总体发育一套大型湖相扇三角洲沉积，以扇三角洲前缘亚相沉积为主（图1b）[7,25]。
Figure 1. Geological background of the Zhongguai uplift (a); Sedimentary microfacies of the Upper Urho Formation in the study area (b)
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为分析研究区上乌尔禾组沉积环境，采集了研究区内JL27井、JL30井、JL33井、JL35井、JT1井、MH7井等6口钻井（井口位置如图1b红色字体所示），共33块岩芯样品进行了主微量元素分析，其中泥岩样品28块，粉砂质泥岩5块。根据新疆油田的地层划分方案，所采集的33块样品中有8块属于P3 w 1（JL30井6块，MH7井2块），21块样品属于P3 w 2（JL27井5块，JL30井4块，JL33井7块，JL35井3块，JT1井2块），4块样品属于P3 w 3（JL30井2块，JT1井2块）。测试工作均在中国科学院西北生态环境资源研究院油气中心实验室完成。
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主量元素用X射线荧光光谱法（XRF）测定，测试中使用的仪器型号为Axios（PW4400），测试方法严格遵守GB/T14506.28—2010的标准，分析误差在1%~5%，前期样品处理方法依据Potts发表的方法进行[26]。微量元素检测采用美国的Nexion300D电感耦合等离子质谱仪，执行标准为GB/T14506.28—2010，误差小于5%，前期样品处理方法依据Guo发表的方法进行[27]。
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化学风化指数Chemical Index of Alteration（CIA）通常被用来反映沉积岩源区的化学风化强度[28]，其计算方法如：
CIA = A12O3/（A12O3+K2O+Na2O+CaO*）×100%
表达式中氧化物的含量均以摩尔分数表示，CaO*表示的是硅酸盐中的CaO，也就是全岩中的CaO含量减去化学沉积的碳酸盐中的CaO的含量。但是由于在实验过程中很难准确的分离和纯化出沉积物样品中的硅酸盐矿物，因此，本文采用McLennan提出的校正方法，即依据自然界中硅酸盐矿物的Na和Ca的平均组成，根据沉积物样品中CaO/Na2O的摩尔比值计算CIA：如果CaO/Na2O>1，以Na2O的摩尔含量代替CaO*摩尔含量计算CIA；如果CaO/Na2O<1，则直接以CaO摩尔含量代替CaO*摩尔含量计算CIA[29]。
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自生硅质岩、碳酸盐、泥岩、粉砂质泥岩等细粒沉积物是地球化学元素的良好载体[30]，但是后期成岩作用会对一些易迁移元素形成较大的影响，影响数据的准确性，因此在应用元素数据之前，需要对其有效性进行检验[31]。前人研究表明，微量元素Mo、U、V等在沉积物中多为自生组份，在成岩作用过程中几乎不发生迁移，能够较好的保持古沉积记录[32⁃33]。成岩作用对主微量元素的影响可以通过元素之间的相关性间接体现，原理是成岩作用会改变沉积物中的稀土元素含量，使各稀土元素之间呈现一定的相关性。通常受成岩作用影响较大的沉积物中的稀土元素δCe与δEu呈现较好的正相关性，δCe与∑REE呈现较好的正相关性，与（Dy/Sm）N呈现较好的负相关关系[34]。研究区样品中的δCe与δEu呈正相关关系，但相关系数很低，δCe与∑REE呈负相关关系，δCe与（Dy/Sm）N呈正相关关系（图2），说明成岩作用对样品中的影响较小。理想白云石中的MgO和CaO含量为21.857%和30.411%[35]，地层成岩过程若有准同生萨布哈白云石化或者浅埋藏渗透回流白云石化，其CaO和MgO含量均呈现良好的线性相关性[36]。研究区上乌尔禾组中的MgO与CaO含量远低于理想白云石，且两者含量的线性相关性也极差（图2），表明白云石化作用对环境较敏感的Mg、Ca、Sr、Ba等元素影响较小。综上所述，本文认为样品主微量元素及稀土元素数据基本可以代表原始沉积环境的地球化学特征，可以用于沉积古环境分析。
Figure 2. δCe⁃δEu, ∑REE⁃δCe, （Dy/Sm）N⁃δCe, and MgO⁃CaO diagrams of the Upper Urho Formation in the Zhongguai area
2.1 元素测试方法
2.2 地球化学参数
2.3 数据有效性检验
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中拐地区上乌尔禾组主要发育扇三角洲沉积（图1b），岩性较为复杂，通过对1 086个样品的数据分析，研究区上乌尔禾组岩性主要是砂砾岩（71.4%），还有少量细砂岩（6.7%）、小砾岩（5.3%）、不等粒砂岩（5.1%），其他的岩性的含量在5%以下。砂砾岩粒度变化较大，以灰色、灰绿色为主，分选较差，磨圆度一般—较好，常为次圆状、次棱角状（图3a~d）。砂砾岩储层非均质性较强，剩余粒间孔、粒内溶孔等次生孔隙发育，粒间孔大都被方解石、泥质以及沸石等所充填，基质中含有大量凝灰质等火山碎屑，溶蚀孔隙较发育，多为长石和火山岩岩屑溶蚀形成（图3g~i）。砂岩主要为灰色、灰绿色含砾粗砂岩、中砂岩、含砾不等粒砂岩等，大多分选性中等，磨圆度中等，少量粗砂岩、中砂岩分选性和磨圆度较好，呈厚层块状（图3e，f）。砂岩储层非均质中等，剩余粒间孔、粒内溶孔等次生孔隙发育，粒间孔中常有大量方解石、泥质等杂基，其中也含有大量凝灰质等火山碎屑，部分长石碎屑发生较强烈的溶蚀作用，常见长石粒内溶孔（图3j~l））。上乌尔禾组碎屑岩储层总体表现为分选差，结构—成分成熟度较低，表明了近源沉积的特征。
Figure 3. Rock types and characteristics of sand conglomerate and sandstone from the Upper Urho Formation in the Zhongguai area
砂砾岩中碎屑颗粒种类多样，以火山岩为主，包括凝灰岩（平均体积分数：58.39%，下同）、安山岩（6.74%）、玄武岩（6.06%）、流纹岩（6.92%）、霏细岩（3.47%）等均可见。杂基主要有火山尘（平均含量：1.75%，下同）、绿泥石（1.5%）、水云母（2.2%）、水云母化泥质（2.25%）、铁质泥（1.2%）等。胶结物类型主要有白云石（平均含量：5.2%，下同）、方解石（4.8%）、浊沸石（4.5%）、片沸石（4.1%）、方沸石（3.9%）、铁I方解石（3.9%）、绿泥石（3.8%）、钠长石（2.7%）等，此外还有少量铁II方解石、自生石英、硅质等。
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中拐地区上乌尔禾组主量元素测试结果显示，P3 w 1和P3 w 2样品中的SiO2含量较稳定，平均值都略高于澳大利亚后太古宙页岩平均值（PAAS，Si2O=62.80%）[12]，同时也高于上地壳平均值（UCC，Si2O=66.62%）[37]。P3 w 3的SiO2含量变化略大，平均值略低于PAAS与UCC。所有样品中的Al2O3、TFe2O3含量高于PAAS、UCC，而MgO、K2O、Na2O、TiO含量则明显低于PAAS与UCC（表1）。样品中CaO的含量变化较大，P3 w 1和P3 w 2样品的含量明显低于PAAS与UCC，但P3 w 3的含量则较高，这可能与上乌尔禾组时期沉积环境的波动有关。较低的MgO含量可能是由于上乌尔禾组在成岩作用白云石化作用较弱。Ti作为惰性元素，其化学性质较为稳定，并且在风化后不易形成可容性络合物，相关性分析发现研究区所有样品中的TiO2与Al2O3显著正相关关系（R 2 = 0.757），与其他元素相关性差，反映陆源特征。上乌尔禾组各段主量元素含量总体波动不大，表明硅酸盐、铝硅酸盐等陆源碎屑矿物的稳定输入。
层位 P3 w 1 P3 w 2 P3 w 3 名称 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 SiO2/% 61.65 81.43 68.95 56.37 78.22 66.83 54.49 70.73 64.19 Al2O3/% 12.03 21.33 17.54 12.15 25.60 18.17 10.02 21.75 17.81 BaO/% 0.02 0.06 0.04 0.03 0.11 0.05 0.03 0.05 0.04 CaO/% 0.29 5.71 1.66 0.37 5.10 1.47 0.52 21.43 7.49 TFe2O3/% 3.88 9.22 6.11 3.61 11.67 6.55 3.00 6.75 5.38 K2O/% 1.14 2.54 2.02 1.56 3.26 2.32 1.86 1.96 1.91 MgO/% 0.60 2.95 1.44 0.75 3.40 1.78 0.75 3.10 1.63 MnO/% 0.06 0.25 0.11 0.06 0.25 0.11 0.07 0.22 0.12 Na2O/% 0.05 5.97 1.34 0.15 17.87 1.88 0.11 1.68 0.66 TiO2/% 0.50 1.10 0.80 0.49 1.17 0.85 0.41 0.97 0.75 K2O/Al2O3 0.09 0.16 0.12 0.07 0.20 0.13 0.09 0.19 0.12 Sc/×10-6 9.65 31.14 17.77 10.82 33.50 19.79 9.01 19.79 15.86 V/×10-6 90.91 229.18 132.01 72.11 423.13 146.31 66.03 143.50 109.96 Cr/×10-6 35.30 136.73 63.42 33.52 109.07 70.90 36.12 104.14 61.34 Co/×10-6 8.59 32.67 16.30 6.82 44.09 18.74 10.36 15.56 13.32 Cu/×10-6 21.93 104.36 58.17 35.44 177.39 65.99 24.18 61.64 46.27 Rb/×10-6 38.98 71.10 55.74 37.02 86.22 64.16 53.45 67.09 61.48 Sr/×10-6 55.88 227.06 126.39 67.42 754.97 197.83 98.64 695.02 301.41 Ba/×10-6 238.26 569.69 329.63 235.39 1 050.18 412.56 229.08 392.19 306.58 Th/×10-6 4.06 8.62 6.17 1.64 7.99 4.63 6.46 8.23 7.47 U/×10-6 0.66 2.61 1.82 0.41 2.25 1.41 1.19 2.33 1.95 Mg/Ca 0.17 2.10 1.45 0.35 2.67 1.52 0.14 2.03 1.19 CIA/% 59 91 82 31 92 79 66 91 82 Sr/Cu 1.17 7.27 2.61 0.66 8.14 3.25 1.60 6.74 313 Sr/Ba 0.23 0.62 0.38 0.37 1.77 0.86 0.20 0.72 0.45 U/Th 0.13 0.38 0.29 0.20 0.75 0.32 0.18 0.30 0.26 ∑LREE 187.61 674.91 444.07 127.57 610.49 278.29 455.07 548.50 510.35 ∑HREE 86.33 240.80 170.02 44.82 178.36 113.82 175.83 195.26 182.31 ∑REE 72.32 243.48 161.80 50.01 219.36 103.74 167.57 197.98 186.08 ∑LREE/∑HREE 1.75 3.13 2.51 1.26 3.07 2.47 2.59 3.00 2.80 （La/Yb）N 3.85 8.07 6.12 2.84 11.41 6.74 6.67 6.79 6.73 δCe 1.00 1.14 1.06 0.90 1.34 1.13 1.01 1.13 1.06 δEu 0.62 0.80 0.73 0.69 0.90 0.77 0.59 0.71 0.67 （Dy/Sm）N 0.39 0.79 0.54 0.42 0.86 0.61 0.45 0.54 0.49 Table 1.
Oxide, trace element, and rare earth element contents of the Upper Urho Formation in the Zhongguai area 中拐地区上乌尔禾组各段的沉积物微量元素，包含高场强元素HFSEs，大离子亲石元素LILEs和过渡元素。高场强元素（HFSE）（例如Sc、Th、U）在长英质岩石中的浓度高于镁铁质岩石，与PAAS和UCC相比，研究区高场强元素总体表现为相对亏损的特征。大离子亲石元素（LILEs）（例如Rb、Ba、Sr、V）易在岩浆期后蚀变过程发生迁移，与PAAS和UCC相比，研究区大离子亲石元素总体表现为相对亏损的特征。过渡元素（例如Cr、Co）通常在镁铁质岩石中的含量高于长英质岩石，与PAAS和UCC相比，研究区总体表现为相对亏损的特征，V相对于UCC略富集的特征（表1）。总体来看，研究区上乌尔禾组物源较为稳定，主微量元素含量与UCC较为接近，表明其物质成分可能来源于上地壳，化学组分以硅酸盐、铝硅酸盐和碳酸盐为主。同时较高的SiO2、Al2O3、TFe2O3含量，较低的碱土金属Mg、Ca含量，表明上乌尔禾组为温暖、湿润的古气候，外部表生环境较为稳定[32]。
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沉积岩中的稀土元素配分模式、组合特征以及其比值的变化能很好的反映物源区源岩的稀土元素配分模式和母岩性质。为直观表现稀土元素变化特征，采用了球粒陨石标准值对稀土元素进行标准化[38]，并绘制了配分模式图（图4）。从该图可以看到，所有样品的REE配分模式基本一致，且与UCC、NASC对球粒陨石标准化稀土元素配分模式吻合度较高，说明上乌尔禾组沉积物来源是一致的，沉积环境也较稳定。在REE配分模式图中，轻稀土元素段（La⁃Eu）较陡，而重稀土元素段（Eu⁃Lu）较缓，表明轻稀土元素间分馏程度较高，重稀土元素间分馏程度较低；配分模式曲线在Eu处出现轻微的凹陷，P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3的δEu平均值分别为0.73、0.77、0.67，显示了Eu轻微负异常（表1、图4）。在低温碱性环境中，Eu3+易被还原为易溶的Eu2+，从而使得Eu迁移贫化，形成Eu负异常；而在高温环境中，Eu3+易被氧化为难溶的Eu4+，形成Eu正异常，这说明研究区上乌尔禾组的沉积水体为低温碱性环境，热液未大规模参与成岩蚀变。研究区上乌尔禾组稀土元素总量（∑REE）变化较大，P3 w 1、P3 w 2平均值低于北美页岩（NASC）∑REE值（173.21×10-6），P3 w 3平均值略高于北美页岩（NASC）∑REE值，整体表现出明显的轻稀土（LREE）富集，重稀土元素（HREE）含量稳定的特征（1）。
Figure 4. REE (rare earth element) distribution patterns of the Upper Urho Formation sedimentary rocks from the Zhongguai area
4.1 主量微量元素
4.2 稀土元素特征
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沉积物中的一些元素丰度及其组合特征对源岩属性、风化程度、源区构造背景以及沉积古环境等都有重要的指示意义。国内外学者对此做了大量的研究工作，并总结出一系列相关判别指标[9⁃15,39]。
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Sr/Cu是古气候研究中的重要参数，通常Sr/Cu在1.3~5之间指示温暖湿润的气候，Sr/Cu>5则指示干旱气候[40]。P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3的Sr/Cu平均值分别为2.62、3.25、4.13（表1），表明上乌尔禾组沉积期间总体为温暖湿润的气候。在温暖湿润的气候条件下，风化作用和生物作用会使重稀土元素比轻土元素更易在溶液中被溶解迁移，从而造成轻稀土元素的相对富集，因此∑LREE /∑HREE的比值对气候也具有一定的指示意义，即∑LREE/∑HREE越大表示越具温暖湿润的气候条件[41⁃43]。P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3的∑LREE/∑HREE平均值分别为2.51、2.47、2.80，显示出明显的轻稀土元素富集特征，证实了Sr/Cu指标判断结果，进一步说明上乌尔禾组温暖湿润的古气候特征。
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Mg/Ca常用来区分淡水环境和咸水环境，通常Mg/Ca>1指示高盐环境；0.5>Mg/Ca>1指示咸水环境；0.25>Mg/Ca>0.50指示半咸水环境；Mg/Ca<0.25指示微咸水环境[44]。通过对样品的Mg/Ca分析，发现P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3 的Mg/Ca平均值分别为1.45、1.52、1.19（表1），表明上乌尔禾组沉积时期的流体环境总体为高盐环境。微量元素Sr和Ba的化学性质较为相似，但在不同的沉积环境中，两者的含量会差异化[45]，两者的比值（Sr/Ba）通常与水体盐度表现为正相关关系，且Sr/Ba值>1指示咸水环境；0.5>Sr/Ba>1指示半咸水环境；Sr/Ba<0.5指示微咸水环境[18,44]。P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3的Sr/Ba平均值分别为0.38、0.45、0.86（表1），表明上乌尔禾组为咸水相—半咸水的流体环境。
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微量元素Mo、U、V等具有多种价态，受氧化还原影响十分明显，并且这些氧化还原敏感元素在沉积岩中的富集受古氧化还原条件的控制，因此常被作为重建氧化—还原环境的重要参数。但是在利用它们重建氧化还原环境时，必须排除陆源碎屑、热液流体等的影响[46]。其中热液活动会表现出显著的Eu正异常，而样品Eu元素呈现轻微负异常，说明其属于正常沉积，受热液影响极小。此外，Webb et al.[47]于2000年曾提出用PAAS的稀土元素含量（∑REE=184.8×10-6）作为参考标准来检验沉积物中稀土元素受陆源碎屑影响的大小，当沉积物样品中的Yb/Ho 比值满足（Y/Ho）PAAS = 27<（Y/Ho）样品<（Y/Ho）现代海水=44，则表明其受陆源碎屑影响较小。样品的Y/Ho值介于26.13~31.21，平均值为28.35（表1），说明样品的微量元素受陆源碎屑影响较小。综上，选取受陆源碎屑及热液影响最小的微量元素U、Th作为水体氧化还原状态的判别指标，U/Th<0.75，指示水体为富氧环境[48]。通过统计分析发现样品的U/Th值介于0.13~0.75（表1），表明上乌尔禾组沉积期间水体总体处于为氧化环境。
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由于CIA值排除了沉积物中碳酸盐矿物的影响，主要反映了广泛分布于硅酸盐中的化学风化作用的情况，因此，CIA值可以作为判别物源区化学风化作用强度的有效指标，CIA值与源区的化学风化程度和长石风化成黏土矿物的程度成正比，也就是CIA值越大，源区的化学风化作用越强[28]。当CIA值介于50%~65%时，为初级化学风化强度，反映了流域内寒冷、干燥的气候环境；当CIA值介于65%~85%时，为中等化学风化强度，反映了流域内温暖、湿润的气候环境；当CIA值介于85%~100%时，为强烈的化学风化强度，反映流域内炎热、潮湿的热带亚热带气候环境[28]。根据研究区上乌尔禾组各段的元素地球化学特征，计算出其化学分化指数（CIA）。P3 w 1、P3 w 2、P3 w 3的CIA平均值分别为82%、79%、82%（表1），表明中拐地区上乌尔禾组时期化学风化强度较强，处于中等—强烈风化，反映了流域内温暖、湿润的气候环境。
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本文综合运用元素地球化学的多个代用指标，结合研究区靠近物源区的MH7井上乌尔禾组录井及测井资料，系统研究中拐地区上乌尔禾组沉积环境及沉积模式演化规律。研究区乌尔禾组古气候总体较为稳定，为温暖湿润的气候，丰富的降水使上乌尔禾组发育多套厚层砂砾岩扇三角洲沉积体系。上乌尔禾组地层中含有大量的凝灰岩、安山岩、玄武岩等火山碎屑，在流域内湿润的气候条件下，区域化学风化强度较强，这些易溶火山碎屑被河流携带入湖，水解释放大量的阳离子，导致上乌尔禾组时期湖盆水体为咸水特征。同时，淡水输入时携带大量氧离子进入水体，使得湖水为氧化条件。P3 w 1沉积时期，研究区气候整体较为湿润，区域化学风化强烈，湖盆水体总体较深且水动力条件呈振荡型变化，在丰富的物源供给下沉积了一套厚层深灰色细粒沉积物夹多套砂砾岩沉积物，沉积水体总体为氧化环境下的微咸水；至P3 w 2沉积时期，气候相较于P3 w 1变干，区域化学风化减弱，降雨量减小，湖岸线后退，湖盆水体变浅，以沉积一套分选差的厚层深灰色、棕褐色砂砾岩夹薄层褐色泥岩为特征，由于古气候变干，河流径流量减少造成湖盆淡水输入减少，使得水体绝对盐度逐渐变大；至P3 w 3沉积时期，气候相较于P3 w 2再次变湿，区域化学风化加强，湿润气候使河流淡水输入量增加，从而湖盆盐度降低，湖岸线向岸推移明显，沉积了一套稳定发育的湖泛泥岩标志层，夹厚层的含砾砂岩层。研究表明中拐地区二叠系晚期已经进入构造活动稳定期[15⁃18]，随着前期大量的陆源碎屑近源搬运并入湖沉积，至P3 w 3时期湖盆的可容空间逐渐变小，因此即便区域气候变湿，但湖盆水体深度相较于P3 w 1、P3 w 2较浅，因而沉积物显现出褐色、棕褐色为主，这与P3 w 3时期沉积水体总体为氧化环境下的微咸水环境相匹配（图5）。
Figure 5. Vertical distribution of major, trace, and REE eigenvalues of the Upper Urho Formation in the Zhongguai Uplift
5.1 古气候
5.2 古盐度
5.3 氧化还原条件
5.4 化学风化指数（CIA）
5.5 上乌尔禾组沉积环境演化规律
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通过对研究区26口钻井共计1 658块上乌尔禾组水下分流河道砂砾岩及含砾砂岩样品的物性统计，研究区储层总体表现为低孔特低渗储层，不同层段略有区别，P3 w 1孔隙度平均值为7.94%，主要的分布区间为3%~12%，P3 w 2孔隙度平均值为8.97%，主要的分布区间为3%~12%，P3 w 3孔隙度平均值为9.63%，主要的分布区间为6%~15%。P3 w 1渗透率平均值为3.03×10-3 μm2，主要的分布区间为1×10-3 μm2~16×10-3 μm2，P3 w 2渗透率平均值为1.77×10-3 μm2，主要的分布区间为0.25×10-3 μm2~16×10-3 μm2，P3 w 3渗透率平均值为7.32×10-3 μm2，主要的分布区间为1×10-3 μm2~64×10-3 μm2，物性统计表明研究区埋深较浅的P3 w 1储层的物性略好于埋深较深的P3 w 2和P3 w 3储层的物性（图6）。
Figure 6. Histogram of reservoir space types in glutenite reservoirs from the Upper Urho Formation in the Zhongguai area
铸体薄片鉴定和扫描电镜分析表明，研究区储层的储集空间类型多样，主要以剩余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔和微裂缝为主，基质溶孔、方沸石溶孔、方解石溶孔、晶间孔、界面缝的含量较少（图7）。
Figure 7. Physical property histogram of the Upper Urho Formation in the Zhongguai area
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碎屑岩储层物性的好坏会受到沉积物的岩石学特征、沉积环境、成岩作用等多种因素的影响，通常沉积环境控制了储层的总体特征，其通过岩石类型、颗粒成分与特征、填隙物成分和含量等影响储层的物性，成岩作用通常在沉积后对储层进行的再改造，本文从成岩作用和沉积环境两个方面对研究区储层的形成机理进行探讨。
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研究区上乌尔禾组砂砾岩储层埋藏普遍较深，因此受到的压实作用较强，碎屑颗粒为颗粒间为线接触，甚至凹凸接触，压实作用对储层造成巨大的破坏作用，同时研究区上乌尔禾组砂砾岩中含有大量的火山岩岩屑（特别是凝灰岩岩屑），其中半塑性的凝灰岩等火山碎屑在随着地层埋深的增加，上覆压力增大导致这些火山岩岩屑发生塑性变形，填充砂砾岩中的粒间孔隙，导致储层物性急剧变差，加剧了压实对储层物性的破坏力（图8a，b）。电阻率通常与富含金属离子的火山碎屑含量呈正相关关系，测井曲线表明研究区上乌尔禾组地层的电阻率从深到浅有逐渐变小的趋势（图5），表明地层火山碎屑从下到上逐渐减少，从而影响压实作用对储层的破坏强度。
Figure 8. Micro characteristics of diagenesis in the Upper Urho Formation component rocks in the Zhongguai area
研究区上乌尔禾组砂砾岩储层发育多种自生矿物胶结物，铸体薄片及扫描电镜显示胶结物包括碳酸盐类、沸石类、硅质、自生黏土矿物和石膏等自生矿物。碳酸盐类胶结物对物性影响往往具有两面性，一方面早期胶结的碳酸盐类胶结物可增强储层的抗压实强度，阻止压实作用对剩余原生粒间孔的破坏（图8c~e），同时适量的碳酸盐岩可以为后期溶蚀作用的发育提供物质基础，为改善储层物性起到积极的作用，另一方面，部分储层中碳酸盐胶结物含量过高，充填了大量粒间孔隙，造成储层物性急剧变差。硅质胶结物除了少量的以石英次生加大的形式发育外，主要呈自形石英小晶体产出于碎屑颗粒边缘的粒间孔隙内、粒间孔壁或粒内溶孔中。硅质胶结物通常会减小储层的孔隙度，但一定数量硅质胶结物的形成，可增强砂岩的抗压实强度，阻止压实作用对剩余原生粒间孔的破坏，对储层具有一定的积极意义（图8f，g）。上乌尔禾组砂砾岩储层主要为近源沉积的扇三角洲相沉积，碎屑岩中往往含有大量的岩屑，在成岩作用过程中，这些岩屑往往发生水解形成黏土矿物胶结并充填孔隙，从而破坏储层的物性（图8h~j）。上乌尔禾组发育少量的沸石类胶结物，主要包括浊沸石和片沸石，方沸石的含量较低，沸石类胶结物形成特征与早期碳酸岩盐胶结物的形成机理类似（图8k~m）。上乌尔禾组碱性自生矿物的大量发育表明上乌尔禾组在成岩早—中期，成岩流体为碱性条件，流体中含有大量的碱金属离子，以及硅铝酸盐，碳酸盐岩等矿物，这与地层中富含大量的凝灰岩、安山岩、玄武岩等火山碎屑密切相关。在沉积时期，易溶火山碎屑被河流携带入湖并水解释放大量的阳离子，并保存在碎屑颗粒之间的孔隙中，造成了碱性的成岩流体特征，同时一些火山碎屑在成岩过程中进一步水解，其产物为成岩过程中自生矿物的形成提供物质基础。
研究区砂砾岩储层中发育大量的溶蚀孔隙，显微观察和扫描电镜分析显示该区的溶蚀作用主要是长石颗粒的溶蚀、碳酸盐类胶结物的溶蚀、以及火山岩岩屑的溶蚀。上乌尔禾组目前已发现多个油藏，前期研究工作表明该区经历了多期次的油气充注。在成岩中—晚期，随着富含有机酸孔隙水的侵入，储层孔隙水逐渐变成弱酸性，会导致长石颗粒发生强烈的溶蚀，明显的改善储层的物性，是研究区主要的建设性成岩作用（图8n）。此外，碳酸盐胶结物在上乌尔禾组砂砾岩中含量非常丰富，但其溶蚀作用较弱（图8o），形成的次生溶蚀孔隙较少，对改善储层物性的作用有限。研究区沸石类胶结物的溶蚀作用不明显，含量相对较高的浊沸石和片沸石几乎不发生溶蚀，仅含量很低的方沸石发生溶蚀作用，因此对储层的改造作用有限（图8p）。
压实作用和胶结作用对储层物性的影响作用分析结果表明，对于中拐地区二叠系上乌尔禾组的储层来说，压实作用造成了储层孔隙50%~80%的损失，胶结作用造成的储层孔隙损失大多数在5%以下，个别样品较高，达到20%~30%（图9）。压实作用是造成研究区储层物性降低的最主要成岩作用，胶结作用造成储层物性的降低相对较弱。
Figure 9. Impact of compaction and cementation on the Upper Urho Formation reservoir in the Zhongguai area
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沉积微相与碎屑岩储层的关系非常密切，本文依据储层物性分析化验数据，结合研究区单井沉积相划分方案，对每口井中有分析化验数据的岩芯段的沉积微相进行了精细划分，并在此基础上，对不同沉积微相的物性特征进行了研究。研究区上乌尔禾组绝大多数区域属于扇三角洲前缘亚相沉积（图1b），包括水下分流河道微相和水下分流河道间微相，扇三角洲平原亚相的数据非常少，仅有少量的平原分流河道微相物性数据。
研究区上乌尔禾组的地层埋深变化大，顶部最浅的深度在2 500 m左右，底部埋深较深，最深达到了4 800 m。从孔隙度、渗透率随深度变化的散点图可以看出，随着地层埋深的增加，储层物性总体上逐渐减小。不同的沉积微相，包括水下分流河道、水下分流河道间、平原分流河道，在同一深度段储层的孔隙度区别不是很大，但水下分流河道储层的渗透率明显高于水下分流河道间的渗透率（图10）。研究区上乌尔禾组时期主要发育扇三角洲前缘亚相，沉积物近源快速搬运沉积，分选差，磨圆度一般，不论是水下分流河道、水下分流河道间，还是平原分流河道，碎屑颗粒间的空间都被大量的细粒沉积物所填充（图3g~l），这是导致上乌尔禾组储层物性总体很差的根本原因，不同沉积微相的孔隙度并没有明显的区别。但水下分流河道微相对应的岩性相通常为粒度较粗的砾岩、砂砾岩及含砾砂岩，这些粗颗粒的碎屑在成岩过程中相互接触，能有效抵抗压实作用对储层孔隙及喉道的破坏，同时水下分流河道的水动力较强，碎屑经过了河流与湖水的淘洗作用，碎屑中的细粒物质被带走，杂基含量减少，孔隙连通性较高。水下分流河道间微相的粒度相对于水下分流河道较细，高含量的杂基，尤其是泥质杂基，会堵塞孔隙喉道，导致储层的孔隙连通性较差，同时后期压实作用对水下分流河道间储层物性的破坏作用也强于水下分流河道，造成了在同一深度段储层的孔隙度区别不是很大，但水下分流河道储层的渗透率明显高于水下分流河道间的渗透率。
Figure 10. Relationship between porosity and permeability with the depth of different sedimentary microfacies reservoirs in the Upper Urho Formation in the Zhongguai area
研究区上乌尔禾组各段储层物性特征，以及储层孔隙度与渗透率随深度变化特征表明，埋深较浅的P3 w 3的储层物性最好，随着埋藏深度的增加，研究区储层的孔隙度逐渐降低，这是由于随着埋藏深度增加，上覆压力增强，储层粒间孔隙损失增大，因此压实作用的研究区最主要的破坏性成岩作用，造成了储层物性不可逆的降低。研究区砂砾岩储层普遍含有大量的凝灰岩、安山岩等火山碎屑物质，这些半塑性的火山碎屑在压实作用下会发生塑性变形填充储层孔隙，导致储层物性急剧变差，P3 w 3的火山碎屑含量相对较少，导致其压实作用较弱。元素地球化学参数指示P3 w 3时期属于温暖湿润的古气候，风化作用强烈，源区易溶的火山碎屑发生大量水解，丰富的降水使得湖盆水体区域呈微咸水的特征，在后期成岩作用过程中，自生碱性矿物胶结物对储层的破坏作用有限，早期适量的胶结物抵抗压实作用，保留了储层的原始储集空间。
综合以上分析，中拐地区上乌尔禾组储层物性受到沉积环境和成岩作用的双重控制：扇三角洲前缘水下分流河道微相的砂砾岩由于受到湖水不间断的淘洗作用，泥质杂基含量较低，储层物性最好，储集空间以剩余粒间孔为主，沉积相带的分布特征是控制优质储层分布的主要控制因素之一。储层孔隙度和渗透率随着埋藏深度的增加而逐渐减小，因此压实作用是研究区储层最主要的破坏因素。成岩作用早期，杂基含量较少的砂砾岩粒间孔隙中，孔隙水容易流动，碳酸盐类、沸石类胶结物比较发育，抵御了压实作用对储层孔隙的破坏，成岩中期随着富含有机酸孔隙水的侵入，长石颗粒及含量适中的碳酸盐类胶结物发生溶蚀作用，明显的改善了储层物性。
6.1 储层的物性及储集空间特征
6.2 储层发育机理研究
6.2.1 成岩作用对储层物性的控制
6.2.2 沉积环境对储层物性的控制
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（1） 中拐地区上乌尔禾组碎屑岩储层分选差，结构—成分成熟度较低，杂基中普遍含有凝灰岩、安山岩等火山碎屑物。研究区上乌尔禾组物源较为稳定，物质成分可能来源于上地壳，化学组分以硅酸盐、铝硅酸盐和碳酸盐为主。
（2） 研究区上乌尔禾组为温暖湿润的古气候，沉积水体古为微咸的富氧环境，湿润气候使得河流携带大量的火山碎屑入湖并发生水解，导致沉积水体的盐度普遍偏高，区域古气候在此期间经历了湿—干—湿的变化旋回。
（3） 研究区P3 w 3储层的物性相对最好，储集空间以剩余粒间孔为主，以及少量的溶蚀孔隙。富火山岩屑砂砾岩储层的物性受到沉积环境和成岩作用的双重控制，优质储层主要是发育于埋深较浅的扇三角洲前缘水下分流河道微相的砂砾岩，压实作用对储层造成巨大的破坏作用，成岩作用早期适量的碳酸盐类、沸石类胶结物抵御了压实作用对储层孔隙的破坏，同时储层中含有大量的长石和易溶火山碎屑的溶蚀作用改善了储层的物性。
（4） 研究区砂砾岩中富含大量的凝灰岩、安山岩、玄武岩等火山碎屑，深刻影响着沉积环境及储层后期的成岩作用。
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