鄂尔多斯盆地高桥地区盒8段砂岩储层致密成因①

陈大友 朱玉双 夏 勇 何 磊 何 鎏 艾庆琳 薛云龙

(1.西北大学地质学系 大陆动力学国家重点实验室(西北大学) 西安 710069;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院 西安 710018)

随着油气勘探开发的不断推进，常规油气资源逐步枯竭，而煤层气、致密油和致密气等非常规油气资源日益成为全球油气勘探开发的热点［1-4］。鄂尔多斯盆地上古生界砂岩储集层孔隙度和渗透率均较差，属于致密气藏储层。经过多年的工作，米脂、榆林、大牛地、苏里格、子洲和神木等气田相继被发现［5］，鄂尔多斯盆地上古生界致密气藏的勘探已经取得了较大的突破。盆地中部的高桥地区处于开发早期［6］，其主力产气层位是上古生界下石盒子组盒8段，区内盒8段储层物性与苏里格地区相比更差，致密的储层严重影响了该区天然气增储上产。基于这一现状，本文在各类分析测试的基础上，对高桥地区盒8段储层地质特征进行了研究，并以孔隙演化过程为线索，分析了储层致密的主要控制因素，为该区寻找相对高孔隙发育区提供指导，同时对类似储层的致密成因分析也具有一定的借鉴意义。

1 地质概况

高桥地区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部(图1)，油气勘探面积约5 000 km2，区内不发育断层，构造较平缓，倾角一般小于1°，为一西倾单斜［7-10］。该区上古生界自下而上发育的地层为:石炭系本溪组，二叠系太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组及石千峰组。其中，下石盒子组盒8段是区内的主力产气层之一，其可划分为盒8上与盒8下两个亚段。在盒8期，研究区为辫状河三角洲前缘沉积［6，11-12］，发育水下分流河道、分流间湾、河口坝及水下天然堤等沉积微相。

2 储层特征

2.1 岩石学特征

盒8段储层岩性主要为灰色、深灰色岩屑石英砂岩、石英砂岩与岩屑砂岩(图2)，其成分成熟度和结构成熟度均较高。通过74块薄片对砂岩成分进行统计，结果表明，石英含量介于28.0%～87.0%之间，均值为 67.9%;岩屑含量为 2.5%～58.0%，均值为17.8%，岩屑以石英岩、千枚岩、变质砂岩等变质岩岩屑为主，喷发岩、隐晶岩等火成岩岩屑次之，同时含少量沉积岩屑及云母等;长石含量绝大多数为0，仅有局部区域有极少量的长石存在，其含量均值约为0.2%;填隙物含量约为1.0%～32.0%，平均14.1%，填隙物种类较为多样，以自生黏土矿物和碳酸盐胶结物为主，黏土矿物为伊利石、高岭石及少量绿泥石等，碳酸盐胶结物则主要为铁方解石，其次可见方解石及铁白云石，此外还有一定量的硅质，局部可见黄铁矿和菱铁矿等。砂岩颗粒以中、粗粒为主，其次为细粒，分选性中等—好，部分分选较差;颗粒磨圆为次棱—次圆状，磨圆性较好;胶结方式以孔隙式胶结为主，孔隙—加大胶结和镶嵌状胶结次之。

图1 研究区构造位置图Fig.1 Tectonic location of the study area

图2 高桥地区盒8储层砂岩分类图Ⅰ.石英砂岩;Ⅱ.长石石英砂岩;Ⅲ.岩屑石英砂岩;Ⅳ.长石砂岩;Ⅴ.岩屑长石砂岩;Ⅵ.长石岩屑砂岩;Ⅶ.岩屑砂岩Fig.2 The classification of the He 8 sandstone in Gaoqiao area

2.2 储集空间类型及物性特征

根据常规薄片及铸体薄片观察，该区盒8主要储集空间有岩屑溶孔、晶间孔及粒间孔等。其中，岩屑溶孔含量最高，是最主要的储集空间，其余储集空间较少，对储层储集能力贡献有限。

对该区盒8段10口取芯井的633个孔隙度及640个渗透率分析资料进行统计，结果如图3所示，其孔隙度主要分布于2.0%～8.0%之间，均值为4.8%，渗透率绝大多数小于2.00×10-3μm2，主要分布在0.01×10-3～0.20×10-3μm2之间，平均值 0.17×10-3μm2，综合认为该区盒8储层应属于特低—超低孔超低渗—致密储层。

2.3 孔隙结构特征

恒速压汞技术是近年来发展起来的孔隙结构测试手段，能够定量反映孔隙和喉道的分布情况［13-15］。选取研究区盒8段10块有代表性的样品进行恒速压汞测试，结果表明，平均孔隙半径介于116.0～158.1 μm之间，均值为138.1 μm，平均喉道半径介于0.29～4.5 μm 之间，均值为1.0 μm，孔喉较小。典型样品的喉道分布及毛管压力曲线如图4所示。

3 储层致密成因

砂体沉积以后，形成了最初的孔隙空间，此后，随着成岩作用的进行，部分原生孔隙被破坏，并有一些次生孔隙被生成，最终形成了现今的孔隙分布状况。本次研究通过追索孔隙形成和演化过程及其主要的影响因素，分析储层致密的成因。

3.1 沉积期初始孔隙度及其影响因素

在砂体沉积以后，形成了大量孔隙空间，通常称之为初始孔隙，为了分析砂岩初始孔隙的多寡及后期孔隙的演化，首先对初始孔隙度进行了恢复。

前人研究表明［16-17］，未固结砂岩初始孔隙度和分选系数具有如下关系:

式中:Φ1为初始孔隙度，S0为特拉斯克(Trask)分选系数，S0=P25/P75，P25和 P75分别代表概率累积曲线上25%和75%处的粒径大小。

对研究区33个样品进行粒度分析，结果表明，其分选系数介于1.3～2.0之间，平均值为1.7，分选性好。根据公式1恢复的研究区盒8段砂岩初始孔隙度为32.4%～37.1%，平均值34.7%，初始孔隙度整体较高。

砂岩初始孔隙度主要受碎屑颗粒的分选性控制，而碎屑颗粒的分选性与搬运距离和沉积环境密切相关。该区盒8期物源主要来自于鄂尔多斯盆地北部的阴山一带［18-19］，经过了相对较长的搬运距离，有利于提高碎屑颗粒的分选程度。此外，沉积环境对于碎屑颗粒的分选性也有显著的影响，河道区域砂体的分选性往往较天然堤和河口坝砂体的分选性要好，这是

由于在天然堤及河口坝等部位砂体多以堆积为主，颗粒大小相差较大，而河道沉积在同一沉积部位的水动力条件相同，沉积的砂体粒度接近，导致其分选性较好。结合前人研究成果［6，11-12］，对研究区沉积微相进行分析，结果表明，该区为辫状河三角洲前缘沉积，水下分流河道微相广泛发育，而天然堤及河口坝等微相较少发育。正是在较长搬运距离和大面积发育的有利沉积环境的共同影响下，该区砂岩整体分选性好，初始孔隙度较高。

图3 高桥地区盒8段储层孔隙度与渗透率分布直方图Fig.3 Histogram of porosity and permeability of the He 8 reservoir in Gaoqiao area

图4 高桥地区盒8段储层典型样品喉道分布及毛管压力曲线Fig.4 The distribution of throats and capillary pressure curve of the typical sample from the He 8 reservoir in Gaoqiao area

3.2 成岩期原生孔隙的破坏及其影响因素

在成岩期，受成岩作用的影响，大量的原生孔隙空间被破坏，主要的破坏性成岩作用包括压实作用和胶结作用。

3.2.1 压实作用

根据镜下观察，区内盒8段砂岩发生了强烈的压实作用，主要表现为:塑性颗粒(云母及泥质岩类等)产生塑性变形(图5a)，颗粒被挤入孔隙，阻塞孔隙空间;刚性颗粒紧密接触或产生破裂;颗粒间以线接触为主，局部可见镶嵌状接触;石英次生加大较为发育。

压实作用对原生孔隙造成了破坏，显著降低了孔隙度，其对孔隙度的减少量可利用下式进行计算:

式中，Φ3为压实作用减少的孔隙度;Φ1为初始孔隙度;Φ2为压实作用后剩余粒间孔隙度;Ct为胶结物含量;Φr为剩余粒间孔面孔率;Φt为总面孔率;Φp为实测孔隙度。

压实作用的减孔率可用下式进行计算:

式中，P1为压实作用减孔率。

经过计算，研究区盒8段砂岩经压实作用以后，原生孔隙度的减少量最大为34.7%，最小为6.2%，平均值20.4%。压实作用的减孔率为17.9%～100.0%，平均为58.7%(表1)。由此可见，压实作用大大降低了储层孔隙度，是储层致密的重要因素。

研究区压实作用强的原因主要包括四个方面。其一是砂岩组分的影响，该区砂岩发育千枚岩岩屑及云母等塑性成分，这些塑性成分抗压实能力弱，在压力作用下易于被挤入颗粒之间的孔隙之中，堵塞孔隙空间;其二是埋深的影响，该区盒8段现今埋深大约处于3 000～3 600 m之间，参考任战利等人［20］对邻区陕参1井埋藏史的研究成果，研究区盒8段在早白垩纪末期埋深最大，应接近或大于4 000 m，较大的埋深大大增加了岩石围压，从而导致该区压实作用强烈发育;其三是成岩早期易溶组分的溶蚀对压实产生的影响，区内发育山西组及本溪组等煤系烃源岩，煤层在早成岩阶段便可产生大量有机酸，这些有机酸在盒8段砂岩成岩早期便可进入其中，使砂岩中易溶组分被溶蚀，产生较多次生孔隙，但此类次生孔隙难以保存，相反，正是由于次生孔隙的形成，降低了砂岩的抗压实能力，导致尚未压实的砂岩产生“垮塌”，进一步加剧了压实作用的进行，同时，易溶组分在成岩早期大量被溶蚀，不利于晚期溶蚀作用的进行;其四是煤系烃源岩产生的酸性流体的影响，在酸性流体的影响下，成岩早期难以形成较多的碳酸盐胶结物，由于缺少碳酸盐胶结物的支撑，压实作用更易于进行。

3.2.2 胶结作用

图5 高桥地区盒8储层铸体薄片和扫描电镜照片a.压实强烈，软组分被挤压变形，陕338井，3 598.24 m;b.鳞片状伊利石，陕251井，2 832.63 m;c.高岭石充填孔隙，产生晶间孔，陕251井，2 832.63 m;d.高岭石充填孔隙，陕302井，3 048.49 m;e.蜂窝状产出的伊蒙混层，G68-12井，3 163.94 m;f.石英次生加大，颗粒呈镶嵌式接触，陕315井，3 511.19 m;g.铁方解石充填于孔隙之中，莲8井，3 700.43 m;h.岩屑局部溶蚀，产生次生孔隙，陕315井，3 511.19 m;i.岩屑整体被溶蚀，产生次生孔隙，G68-12井，3 163.94 m。Fig.5 Photos of cast section and SEM of the He 8 reservoir in Gaoqiao area

胶结作用是一系列自生矿物在岩石孔隙中沉淀的过程。分析表明，研究区胶结物类型主要包括黏土矿物、硅质及碳酸盐胶结物等，胶结物含量介于0.0%～26.0%，平均含量为13.9%。黏土矿物主要有伊利石、高岭石及绿泥石。伊利石平均含量达4.2%，其往往呈丝发状或鳞片状充填于孔隙之间，堵塞孔隙空间(图5b);高岭石平均含量为2.3%，多以书页状集合体的形式充填于孔隙空间，堵塞较大的孔隙空间，同时可产生较小的晶间孔(图5c，d);绿泥石含量较低，主要以孔隙充填的形式存在，使储层更为致密;此外，区内可见少量蜂窝状伊蒙混层(图5e)。硅质胶结物平均含量为4.0%，主要表现为石英次生加大(图5f)，次生加大使石英颗粒紧密接触，显著减少颗粒之间的原生孔隙。碳酸盐胶结物相对较少，多为呈连晶状分布的方解石及含铁方解石，其不仅存在于原生孔隙，而且在次生孔隙中也有分布，局部可见碳酸盐胶结完全堵塞原生孔隙(图5g)，对储层物性破坏严重。

表1 孔隙演化定量计算结果(平均值)Table 1 The quantitative evaluation of porosity evolution(Average value)

胶结作用对储层物性的影响具有双重性［21-22］，碳酸盐胶结物在堵塞孔隙的同时，可起到抵抗压实的作用，并可为后期溶蚀提供物质基础，而黏土矿物随着产状和成因的不同，对物性的影响也不尽相同。就该区而言，由于现今储层中原生孔隙几乎丧失殆尽，而存在少量原生孔隙的区域与胶结物含量关系不明显，碳酸盐胶结物溶解也难以见到，可见胶结作用的建设性影响较为微弱，对储层的影响多为破坏性的一面，其堵塞大量原生孔隙，对物性破坏明显。胶结作用减少的孔隙度大致等于胶结物含量，具体计算公式如下。

式中:Φ4为胶结作用减少的孔隙度。

胶结作用的减孔率P2为:

计算结果表明，胶结作用使得原生孔隙度的减少量介于0.0%～26.0%之间，平均为13.9%。胶结作用的平均减孔率为40.0%，是仅次于压实作用的破坏性成岩作用。在压实作用和胶结作用的共同影响下，区内砂岩原生孔隙大约丧失了98.7%，剩余原生孔隙度平均约为0.4%(表1)，可见原生孔隙几乎被破坏殆尽。

胶结作用的影响因素较为复杂，就该区而言，胶结作用特征与煤系烃源岩所产生的酸性流体息息相关。地层水中的有机酸大量溶蚀长石颗粒，产生较多SiO2，强烈的压溶作用可使石英溶蚀产生SiO2，同时，黏土矿物的转化也可以生成一些SiO2，在酸性环境下，各种来源的SiO2极易就近沉淀于颗粒之间，以石英加大的形式产出，大量的硅质胶结物严重堵塞原生孔隙。受煤系烃源岩酸性流体的影响，盒8段砂岩在成岩早期难以形成较多的碳酸盐胶结，在成岩后期，酸性流体相对减少，同时储层受储层致密化的影响，流体流动性较差，从而形成了部分碳酸盐胶结物，使储层更为致密。此外，在酸性流体的影响下，形成大量高岭石，使原生孔隙进一步丧失。

3.3 成岩期次生孔隙的形成及其影响因素

大量原生孔隙被破坏的同时，在建设性成岩作用的影响下，可形成部分次生孔隙，对储层物性有所改善。区内发育的建设性成岩作用主要是溶蚀作用。根据镜下观察，该区盒8段现存的溶蚀作用多发生于岩屑之中(图5h，i)，其中部分溶蚀孔隙被碳酸盐胶结物所充填，但仍有部分溶蚀孔隙保存下来，对储层物性起到一定的改善作用。

溶蚀作用增加的孔隙度可用下式进行计算:

式中:Φ5为溶蚀作用增加的孔隙度，Φd为溶蚀孔面孔率。

溶蚀作用的增孔率P3为:

通过计算发现，溶蚀作用增加的次生孔隙度介于0.0%～20.0%之间，平均值为3.4%，溶蚀作用的增孔率为9.8%(表1)。可以看出，溶蚀作用增加的次生孔隙有限，难以大幅度改善储层物性。

造成溶蚀作用增孔率有限的原因主要有两个方面:第一，早期溶蚀作用产生的次生孔隙被压实作用所破坏，难以保存下来，保存下来的次生孔隙大多为成岩后期所形成的溶蚀孔，同时成岩早期易溶组分大量溶蚀，导致成岩后期易溶组分较少，从而使成岩后期难以产生大规模的溶蚀作用;第二，受压实作用与胶结作用的影响，在成岩后期储层物性已经十分致密，致使酸性流体难以在岩石中流动，阻碍了成岩后期溶蚀作用的进行。

4 结论

(1)研究区盒8段储层主要为岩屑石英砂岩、石英砂岩与岩屑砂岩，成分成熟度和结构成熟度均较高。储层储集空间有岩屑溶孔、粒间孔及晶间孔，孔喉较小，储层物性差。

(2)在沉积初期，受搬运距离及沉积相带的影响，研究区盒8储层砂岩分选性好，初始孔隙度整体较高，平均可达34.7%。

(3)成岩期原生孔隙被严重破坏及次生孔隙形成较少，共同导致该区储层致密。受岩石组分、埋深及煤系烃源岩酸性流体的影响，压实作用强烈，大约20.4%的原生孔隙度被压实作用破坏，同时，胶结作用使约13.9%的原生孔隙度被破坏，经过压实作用和胶结作用后，原生孔隙度剩余为0.4%，原生孔隙几乎被破坏殆尽。早期溶蚀作用产生的次生孔隙被压实作用所破坏，而晚期溶蚀作用较弱，大约增加了3.4%的孔隙度，难以大幅度改善储层物性。

致谢 西北大学刘林玉教授在成文过程中给予了指导，两位评审专家提出了建设性的修改意见，在此一并致以诚挚的感谢。

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