鄂尔多斯盆地东部盒8段、太原组致密砂岩储层特征及低产因素

柳 娜，姚宜同，南珺祥，尹 鹏

（1.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；2.中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，西安710018；3.西南石油大学 地球科学与技术学院，成都610500）

随着常规油气勘探开发难度的逐步增大，全球油气工业已进入常规与非常规油气并重的时代。其中致密砂岩气已成为全球非常规天然气勘探的重点领域。世界上并无统一的致密气标准和界限。1978年，美国联邦能源管理委员会（FERC）从经济角度将地层渗透率＜0.1×10－3μm2的气藏（不包含裂缝）定义为致密气藏。随后，Spencer、Kuuakfaa等、Law 等、Holditch、加拿大非常规天然气协会（CSUG）等学者和机构从开发技术、地质概念角度出发对致密砂岩进行界定［1－6］。在中国，袁政文等、许化政、王金琪、关德师、邹才能等、赵靖州等学者先后对致密气藏进行研究并定义［7－12］。本文采用GB/T 30501-2014的致密砂岩气定义［13］，即覆压基质渗透率≤0.1×10－3μm2的砂岩气层，单井一般无自然产能或者自然产能低于工业气流下限，但在一定经济条件和技术措施下可获得工业天然气产量。

中国致密砂岩气藏发现较早，勘探领域广阔，近年来发展较快，发现了鄂尔多斯盆地和四川盆地两大致密气区。鄂尔多斯盆地上古生界储层属于河流—三角洲沉积体系，热演化程度高，碎屑组分复杂，成岩作用强烈，岩性致密，属于典型的低渗—特低渗非常规天然气藏，孔隙度一般在10%以下，渗透率一般＜3×10－3μm2［14－16］。盆地东部二叠系下石盒子组第8段（简称“盒8”）、山西组、太原组是长庆油田近年来重要勘探区块（山西组，尤其是山西组底部，以石英砂岩为主，产量较高，与盒8、太原组储层差别较大，本文不做研究）。然而，由于对这类气藏的开采技术不成熟，单井控制的储量和可采储量小，且供气范围小，产量低而递减快，其中大部分处于低产低效的状态［17，18］；因此急需对盆地东部盒8、太原组微观储层特征进一步研究，找出单井产量影响因素，为气藏有效开发提供依据。研究区位于鄂尔多斯盆地东侧的伊陕斜坡（图1），区内二叠系发育齐全，从下向上依次为太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组。太原组为海陆交互相沉积，当时气候湿润，泥坪、含煤沼泽发育，依据沉积序列及岩性组合分为上下两段，即太1段（七里沟砂岩）、太2段（马兰砂岩、桥头砂岩）。下石盒子、上石盒子组则为河流－湖泊三角洲沉积，砂泥岩互层［19，20］。下石盒子组自下而上分为4个层段（盒8、盒7、盒6、盒5），其中盒8段是天然气勘探的主要目的层，分为盒8下和盒8上2个亚段。

1 岩石学特征

图1 研究区位置Fig.1 Location of the study area

研究区砂岩分为石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩3类，以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主（图2）。盒8组砂岩粒径为0.65～0.75mm；太原组砂岩粒度略粗，粒径为0.70～0.90mm。研究区砂岩以粗粒砂岩为主。片岩、千枚岩、泥板岩等软组分含量较高，成分成熟度偏低（表1）。

研究区盒8和太原组砂岩碎屑组分、填隙物、黏土矿物以及微观结构构造、岩性组合等方面既有相似之处，又有较大的差别。

1.1 碎屑组分标型特征

显微镜下见二轮回石英、石英中磨圆度很好的锆石包裹体、糜棱岩化的变质石英砂岩、石英中针状包裹体及蠕虫状绿泥石包裹体、阴极发光下发浅棕色光的石英，这些标型特征表明：盒8、太原组源区岩性组合均以中低级副变质岩为主，并见较为丰富的来自于热液岩脉的石英（图3）。

1.2 填隙物特征

研究区盒8、太原组砂岩填隙物以伊利石、高岭石、硅质、碳酸盐胶结物、绿泥石及凝灰质为主（表2）。东部盒8、太原组砂岩填隙物含量高，质量分数为14%～17%。盒8砂岩杂基含量较低，质量分数约为2.5%，说明盒8沉积时经历充分的淘洗作用。太原组砂岩杂基含量较高，质量分数在10%左右。硅质、高岭石在盒8含量较高，高岭石保存完好。太原组高岭石含量低，伊利石化强烈。盒8的碳酸盐胶结物以铁方解石为主；太原组以铁白云石为主，并见丰富的菱铁矿。

图2 研究区盒8、太原组砂岩分类三角图Fig.2 Triangle for the classification of tight sandstone of H8Formation and Taiyuan Formation in study area

表1 研究区盒8和太原组砂岩碎屑组分含量Table 1 Detrital composition content of tight sandstone of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

图3 鄂尔多斯盆地东部盒8、太原组致密砂岩储层碎屑标型特征Fig.3 Typomorphic characteristics of the minerals in H8Formation and Taiyuan Formation in the east of Ordos Basin

表2 鄂尔多斯盆地东部盒8、太原组砂岩填隙物含量（w/%）Table 2 Interstitial material content of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

2 成岩特征

X射线衍射黏土分析、镜煤反射率、成岩矿物组合、包裹体测温等表明，研究区已经处于晚成岩B阶段。盒8、太原组储层成岩作用虽然均以压实作用为主，但由于盒8、太原组砂岩不同的岩石结构造成了成岩作用的较大差别。盒8储层压实后残余原生粒间孔依次被自生他形硅质、高岭石、铁方解石等完全充填，仅保留少部分高岭石晶间孔，充填作用发育，溶蚀成岩作用弱。太原组储层由于含较多的杂基，未保留原生粒间孔，以早成岩晚期－晚成岩早期有机酸对不稳定组分的溶蚀形成的次生溶孔为主，充填作用极弱，溶蚀作用较强。

3 储集性能

3.1 孔隙特征

研究区盒8、太原组孔隙类型总体上以岩屑溶孔（包括安山岩岩屑溶孔、流纹岩岩屑溶孔、凝灰质溶孔、晶屑和玻屑溶孔、长石溶孔）及高岭石晶间孔为主，并见到一些凝灰质失水收缩形成的收缩孔，粒间孔偶见。但由于各层段沉积作用和成岩作用的差异，各气层段孔隙组合特征差异非常明显。盒8段虽然原生粒间孔发育，但均被自生硅质、高岭石和铁方解石完全充填；而早成岩阶段大气淡水淋滤作用形成的高岭石晶间（微）孔成为盒8的主要储集空间之一。太原组储层则以在早成岩晚期－晚成岩早期阶段有机酸作用下不稳定组分的溶蚀作用为主，形成的次生溶孔成为太原组的主要储集空间。盒8储层面孔率为1.5%～2.4%，残余原生粒间孔少量，以晶间孔－溶孔为主，平均孔径为10～18μm；太原组储层面孔率为1.5%～3.5%，以长石－岩屑溶孔为主，马兰砂岩最好，其次为桥头砂岩，七里沟砂岩最差，平均孔径为30μm（图4）。

3.2 物性特征

研究区盒8上的平均渗透率为0.48×10－3μm2，平均孔隙度为8.21%；盒8下的平均渗透率为0.53×10－3μm2，平均孔隙度为8.87%，盒8下比盒8上的物性稍好。太原组马兰砂岩段平均渗透率为1.08×10－3μm2，平均孔隙度为9.28%；其次是桥头砂岩段，平均渗透率为0.58×10－3μm2，平均孔隙度为8.59%；七里沟砂岩段平均孔隙度为8.24%，平均渗透率为0.33×10－3μm2。

图4 盆地东部盒8、太原组孔隙组合特征Fig.4 Pore combination characteristics of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

3.3 孔隙结构特征

研究区盒8段和太原组储层整体上表现为低孔、低渗和微孔率高的特征。其中盒8储层以溶孔－高岭石晶间孔－微喉为主要孔喉组合，太原组则以溶孔－微细喉型为主要孔喉组合，其孔隙结构（表3）具有排驱压力高、平均喉道半径和中值半径小、有效孔隙度低的特点。总之，研究区储层孔隙结构方面马兰砂岩最好，桥头砂岩次之，盒8段较差。

研究区盒8、太原组砂岩的喉道以片状或弯曲片状喉道为主。激光共聚焦扫描显微镜检测显示，盒8砂岩的孔喉连通性较差，太原组砂岩的孔喉连通性相对较好（图5）。

4 低产影响因素

研究区盒8、太原组砂体发育，单层砂体厚度较大，分布广泛，含气显示普遍，但产量较低，为（11.171～25.243）×103m3/d。

表3 鄂尔多斯盆地东部盒8及太原组砂岩孔隙结构特征Table 3 Pore structure characteristics of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

图5 研究区孔隙及喉道连通性（激光共聚焦显微照片）Fig.5 Connectivity of pore and throat in the study area（determined by laser scanning confocal microscope）

4.1 岩性的影响

图6 软组分呈假杂基充填孔隙Fig.6 Soft components filling pore as false matrices

研究区太原组砂岩软组分主要以千枚岩、绢云母片岩、泥板岩等为主，经过上覆地层的压实作用，软组分变形强烈，呈假杂基充填孔隙（图6）。杂基含量高，质量分数一般在10%左右，最高可达50%右。呈假杂基状充填孔隙的软组分，堵塞喉道，使储层的孔隙度、渗透率急剧下降（图7）。盒8沉积时，水流的淘洗作用强烈，杂基含量少，原始粒间孔虽然发育，但在成岩期被硅质、高岭石、钙质等完全充填，致使大孔隙缺少。

4.2 成岩作用的影响

研究区砂岩不稳定组分溶蚀作用强烈，形成次生孔隙。孔隙中常见片状溶蚀残余或自生的黏土矿物，以丝状或者片状伊利石为主，其孔径细小，严重影响了孔隙的连通性。显微镜下观察到的丝状伊利石分割大孔隙（图8），使孔隙渗流能力大幅度降低。

4.3 应力敏感性的影响

图7 鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩储层软组分含量与孔隙度、渗透率的关系Fig.7 Relation between soft component content with porosity and permeability of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

图8 砂岩中的次生孔隙Fig.8 The secondary pore of sandstone

图9 上古生界、中生界应力敏感性曲线Fig.9 Curves of the stress sensitivity of Upper Paleozoic and Mesozoic reservoir

由于碎屑组分及填隙物组分的差异，上古生界储层的应力敏感性强于中生界，较大的上覆地层压力造成渗透率显著小于地表渗透率。应力敏感性实验（图9）表明，上古生界砂岩与中生界砂岩的应力敏感性存在显著差异。与延长组相比较，恢复到地层压力下，上古生界砂岩渗透率下降幅度大，其中岩屑砂岩渗透率下降最大。上古生界岩屑石英砂岩有效应力与渗透率关系曲线较为平缓，渗透率变化梯度为0.027 6×10－3μm2/MPa。2块岩屑砂岩样品渗透率分别为0.948×10－3μm2、0.053 1×10－3μm2，变化梯度明显低于岩屑石英砂岩。强的应力敏感性造成片状喉道闭合，是造成单井产量较低的又一重要因素。

4.4 束缚水饱和度的影响

鄂尔多斯盆地东部太原组砂岩的密闭取心资料表明，该段砂岩的原始含水饱和度为20%左右，而室内测到的束缚水饱和度为21.81%～79.71%，平均为31.5%，束缚水饱和度明显高于地层条件下的含水饱和度。太原组气藏为超低含水饱和度气藏，气藏压力系数为0.6～0.8，在钻井、压裂等施工过程中容易吸水。盒8的束缚水饱和度明显高于太原组的束缚水饱和度，在束缚水饱和度条件下，盒8渗透率低于干岩样渗透率的80%以上，太原组渗透率低于干岩样渗透率的60%以上（表4）。

与岩屑石英砂岩相比，岩屑砂岩束缚水饱和度明显偏高，渗透率降低幅度也较大。石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩在含水饱和度＜20%时，气相渗透率随着含水饱和度的增加急剧降低。但石英砂岩气相渗透率降低的幅度较小，后两种砂岩下降幅度较大。在含水饱和度接近90%时，气相渗透率为0×10－3μm2（图10），在两相流体条件下，气相相对渗透率明显较低（图11）。可动流体饱和度低，束缚水饱和度高，从而导致水锁伤害率高，外来水侵入储层后气相渗透率降低幅度大，是造成单井产量低的另一个重要原因。

表4 盆地东部盒8及太原组砂岩不同岩性干样和束缚水饱和度下气测渗透率对比Table 4 Comparison of gas log and permeability about dry sample and saturated by irreducible water sample of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

图10 不同含水饱和度条件下气相渗透率变化特征Fig.10 Curves of gas phase permeability at different water saturation conditions

图11 鄂尔多斯盆地东部太原组砂岩两相渗透率Fig.11 Curves of two phase permeability of Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

5 结论

a.研究区盒8、太原组砂岩以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，片岩、千枚岩、泥板岩等软组分含量较高，成分成熟度低。二者在岩碎屑组分、填隙物、黏土矿物以及微观结构构造、岩性组合等方面既有相似之处，又有较大的差别。

b.碎屑岩X射线衍射黏土分析、镜煤反射率、包裹体测温等研究结果显示，研究区已经处于晚成岩B阶段。盒8、太原组储层成岩作用以压实作用为主。盒8段虽然原生粒间孔发育，但均被自生硅质、高岭石和铁方解石完全充填，而早成岩阶段大气淡水淋滤作用形成的高岭石晶间（微）孔成为盒8的主要储集空间之一；太原组储层则以早成岩晚期－晚成岩早期有机酸对不稳定组分的溶蚀作用为主，形成的次生溶孔成为太原组的主要储集空间。

c.盒8下比盒8上的物性稍好。太原组马兰砂岩段的物性最好，其次是桥头砂岩段。盒8段和太原组储层整体上表现为低孔、低渗和微孔率高的特征，其中盒8储层以溶孔－高岭石晶间孔－微喉为主要孔喉组合，太原组则以溶孔－微细喉为主要孔喉组合。

d.盒8储层沉积时，水流的淘洗作用强烈，杂基含量少，原始粒间孔发育，但在成岩期硅质、高岭石、钙质等完全充填了粒间孔；太原组中喷发岩岩屑、长石、火山灰的溶解为储层提供了较为丰富的储集空间，但晚成岩高温阶段形成的丝状、网状伊利石矿物充填孔隙，堵塞喉道，影响储层渗流能力，是造成储集性能较差的主要原因之一。盒8、太原组砂岩片状喉道为主，有效上覆压力大，软组分含量高，应力敏感性强，造成片状喉道闭合，是研究区低产的另一重要因素；低压气藏的超低的原始含水饱和度致使储层容易吸水，造成在钻井、压裂、酸化过程中的水锁效应，也是研究区低产的又一主要原因。

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