鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组储层特征及差异性对比

王文川， 赵俊兴， 向　芳， 王　松， 邵晓岩， 于　航， 何佳伟

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.成都理工大学 地球科学学院，成都 610059； 3.中国石油长庆油田分公司 第三采油厂，银川 750006)

鄂尔多斯盆地是一个大型多层系含油气盆地，在近一个世纪的勘探历程中取得了举世瞩目的成就，同时作为大规模岩性油气藏的上古生界碎屑岩层系表现出了巨大的勘探潜力[1-6]。自20世纪50年代以来，随着盆地中北部大量上古生界气藏的发现，上古生界勘探研究程度得到了极大的提高[7-13]；近10年来对于在盆地东部的勘探研究中也取得了重大突破[14-15]，盆地西南部也得到了一定的重视与研究，且在下二叠统山西组第1段(简称“山1段”)和中二叠统下石盒子组第8段(简称“盒8段”)的勘探中取得较大发现和进展[16-17]。相对而言盆地东南部研究程度却比较低,同时伴随着“南油北气”的局限认识，很大程度上制约了盆地东南部天然气资源的勘探开发[18]。作为重要的生气层和含气层，山西组和下石盒子组显示出了巨大的勘探潜力[19]。因此本文结合前人研究成果，主要从储层的岩石学特征、物性特征、孔隙类型及成岩分析等方面对鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组进行深入研究，对比分析山西组和下石盒子组储层特征的差异性，并讨论影响二者差异性的控制因素，为气藏的进一步勘探开发提供地质依据。

1　地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，跨伊陕斜坡东南部和渭北隆起2个构造单元(图1)。地层整体东南部较厚，西部最薄，南北差异较小[20]。

鄂尔多斯盆地东南部山西组与下伏太原组呈区域冲刷面接触关系，与上覆的下石盒子组呈整合或冲刷面接触关系；根据岩性组合，自下而上可划分为山2段和山1段2个岩性段；主要为中-粗粒砂岩、中-细粒砂岩、粉砂岩、深灰色-灰黑色泥岩和煤层互层组合；具有东、西部厚度差异较小，而在南北方向上具有中部厚、北部与南部薄的变化特点。下石盒子组与下伏山西组为区域冲刷面接触，与上覆上石盒子组呈整合接触关系；以黄绿色和灰绿色含砾粗砂岩、中砾粗砂岩、岩屑石英砂岩和杂色泥岩的不等厚互层为主；沉积厚度的总体变化规律与山西组相似，呈现出南北薄而中间厚的特征[21](图2)。

2　储层岩石学特征及差异对比

通过对薄片鉴定资料的统计，研究区不同地层的储集砂岩中碎屑颗粒包括矿物碎屑和岩石碎屑2种，其中矿物碎屑有石英、长石和少量云母及绿泥石，岩石碎屑包括岩浆岩、变质岩、沉积岩(主要为粉砂岩和少量泥质岩)。岩石类型以石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主，次为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩，粒度以中-粗粒砂岩为主，表现出成分成熟度和结构成熟度相对较低的特征(图3)。

2.1　山西组

山西组储层砂体主要是岩屑石英砂岩，岩屑砂岩和石英砂岩次之(图4)；细-中粒为主，部分中-粗粒；分选性中-好，次棱角状-次圆状。碎屑的质量分数(w)为69%～93%，平均为85%，碎屑成分主要为石英和岩屑；其中岩屑平均质量分数为19.75%，成分为火成岩和变质岩，以变质岩为主，其中包括石英岩、片岩、千枚岩、板岩和变质砂岩。胶结物中可见高岭石、水云母、凝灰质、铁方解石、铁白云石、菱铁矿和硅质，以水云母和硅质居多(图5)。

2.2　下石盒子组

下石盒子组储层砂体主要有岩屑砂岩和岩屑石英砂岩的同时，与山西组相比还有大量的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，还可见少量石英砂岩(图4)。颗粒以中-粗粒为主，其次为细-中粒，分选性中等，棱角状-次棱角状。碎屑的质量分数为60%～85%，平均为85%，碎屑成分主要为石英和岩屑，相比山西组长石含量明显增多。岩屑平均质量分数为23.33%，成分为火成岩和变质岩，以变质岩为主，其中包括石英岩、片岩、千枚岩、板岩和变质砂岩。胶结物中可见高岭石、水云母、绿泥石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿和硅质，以水云母和硅质居多(图5)。

图3　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组砂岩镜下特征Fig.3　Microscopic characteristics of Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation sandstones in southeastern Ordos Basin(A)含高岭石中-细粒岩屑砂岩，碳酸盐胶结物发育，胶结作用明显，(+)，薛峰川剖面，山西组; (B)钙质中-细粒岩屑砂岩，溶蚀作用和压实作用塑性变形明显，(+)，三眼桥剖面，山西组; (C)细-中粒长石岩屑砂岩，(+)，薛峰川剖面，下石盒子组; (D)砾质粗-中粒岩屑石英砂岩，缝合线和石英次生加大边发育，(+)，薛峰川剖面，下石盒子组

图4　研究区山西组、下石盒子组砂岩三角投影图Fig.4　Triangular projection of sandstone in Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in the study area(作图方法据曾允孚[21])

3　储层物性及差异

山西组砂岩孔隙度(q)为0.51%～10.37%，平均为6.46%；渗透率(K)为(0.001 9～75.8)×10-3μm2，平均为0.37×10-3μm2(表1)。下石盒子组砂岩孔隙度为0.46%～18.73%，平均为5.87%；渗透率为(0.003 7～90.61)×10-3μm2，平均为0.45×10-3μm2(表1)。表现为低孔、低渗的储层特点[22]。

表1　研究区山西组、下石盒子组砂岩的孔隙度和渗透率Table 1　Statistics of porosity and permeability for sandstone in Shanxi Formation and Lower Shihezi Formation in the study area

从研究区的孔、渗相关图(图6)可以看出，随着孔隙度的增加,渗透率增加的趋势明显，反映盆地东南部山西组、下石盒子组储层的优劣主要取决于基质岩的孔渗性,为典型的孔隙性储层[23]。山西组较下石盒子组的孔渗相关性更高，说明其优质孔隙的比例相对更高、孔隙连通性相对更好。

图5　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组碎屑成分及含量Fig.5　Characteristics of detrital composition and content of Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin

图6　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组砂岩孔渗相关性Fig.6　Correlation of permeability and porosity for the Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation sandstones in southeastern Ordos Basin

4　储层孔隙特征及成岩分析

4.1　孔隙特征

通过常规薄片、铸体薄片和扫描电镜观察，山西组、下石盒子组的储层空间类型主要有原生孔和次生孔，以及在早期裂缝的基础上溶蚀而成的溶缝。其中原生孔主要为粒间孔，次生孔包括岩屑溶孔、长石溶孔、粒间溶孔和晶间孔(图7)。

研究区山西组、下石盒子组各种孔隙类型发育程度有所差异。山西组中主要发育岩屑溶孔和长石溶孔的粒内溶孔，大约占总孔隙的69%，面孔率为2.22%。其中岩屑溶孔最为发育，反映出岩屑的溶蚀程度远远大于长石的溶蚀；同时可见少量粒间孔和晶间孔，未见明显粒间溶孔。下石盒子组中粒间孔和粒内溶孔最为发育，占总孔隙的79%；晶间孔次之，粒间溶孔少见(表2)。

通过系列数据对比可以看出粒间孔和粒内溶孔是砂岩的主要孔隙类型，构成了研究区主要储集空间；另外结合镜下观察发现研究区主要表现为高岭石和水云母中出现的晶间孔，面孔率为0.09%～0.59%，主要集中在下石盒子组中出现，孔径较小，一般小于15 μm，对储层储集性和渗透率的贡献较低；粒间溶孔主要表现为对杂基的溶蚀，其发育程度有限，且孔径较小，一般小于10 μm，由于孔隙较小，连通性较差，对储层影响也不大。总的来看，研究区最重要的孔隙为粒内溶孔和粒间孔，其次为晶间孔；粒间溶孔对储层的贡献很小，岩石孔径较小，储集空间主要为微孔-小孔。

表2　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组主要孔隙类型和面孔率Table 2　Statistics of main pore types and face porosity of Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin

图7　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组储集砂岩孔隙类型与特征Fig.7　Characteristics of reservoir sandstone pore types in Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation, southeastern Ordos Basin(A)粒内溶孔，吉探3井，深度1 701.23 m，山西组； (B)岩屑溶孔，吉探4井，深度2 005.63 m，山西组； (C)岩屑溶孔，宜36井，深度2 189.95 m，山西组； (D)晶间孔、溶孔，宜10井，深度2 227.40 m，山西组； (E)残余粒间孔，宜6井，深度2 151.47 m，下石盒子组； (F)粒间孔，宜6井，深度2 161.22 m，下石盒子组； (G)岩屑溶孔，宜12井，深度1 818.85 m，下石盒子组； (H)长石溶孔，宜16井，深度2 078.36 m，下石盒子组； (I)中-粗粒岩屑砂岩，晶间孔，宜10井，深度2 184.86 m，下石盒子组

4.2　成岩分析

依据钻井岩心的普通薄片、铸体薄片及其他分析测试资料，通过对研究区储集砂岩的显微研究，其成岩特征如下(图8)。

a.砂岩中软性岩屑(板岩、千枚岩和片岩)和云母碎片等塑性碎屑发生了比较强烈的塑性变形，碎屑颗粒以点-线接触为主，部分可见凹凸接触关系，表明研究区储集砂岩经受了比较强的压实作用改造。

b.储集砂岩以粒内溶孔(包括少量粒间溶孔)为主，粒间孔相对较少且分布局限。

c.砂岩中自生矿物少见蒙脱石，可见伊/蒙混层和少量绿泥石，主要出现水云母，含量较为丰富，且分布广泛。碳酸盐胶结物主要以亮晶为主，主要为铁方解石和铁白云石，方解石和晶粒状自形的菱铁矿比较少见。石英的次生加大边较为发育且较厚。次生溶孔主要表现为长石和岩屑的溶蚀，在溶孔和粒间孔中可见晶体较小的自生石英和钠长石充填。

通过钻井岩心镜质体反射率分析结果发现，镜质体反射率(Ro)在1.09%～1.98%(表3)；同时从黏土矿物X射线衍射分析结果得出伊/蒙混层比在25%左右：反映研究区山西组、下石盒子组储集砂岩主要处于晚成岩阶段A期—B期。

图8　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组储层胶结物类型特征Fig.8　Characteristics of reservoir cements in the Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin(A)粒间高岭石胶结物充填极发育，宜10井，深度2 223.35 m，山西组; (B)岩屑表面绿泥石化，宜11井，深度2 029.9 m，下石盒子组; (C)粒间硅质胶结物发育，次生加大边发育，宜10井，深度2 223.35 m，山西组; (D)粒间菱铁矿胶结物发育， 宜32井， 深度2 177.50 m， 下石盒子组

在研究区钻井岩心的铸体薄片观察、扫描电镜和能谱分析结果的基础上，根据成分、胶结物类型、成岩作用特征、孔隙特征的不同，以及分析测试资料和镜下研究所获得的碎屑岩的成岩特点；同时结合前人研究成果[24]，归纳出研究区山西组、下石盒子组成岩阶段、主要的成岩作用类型及其孔隙演化特征(图9)。

5　储层特征差异性影响因素

5.1　物源及源区构造属性的影响

沉积盆地陆源碎屑成分受多种因素控制,其中物源区的构造属性决定了对陆源碎屑成分及其空间上的分配，盆内碎屑物的不同组成则主要由源区物源类型的差异以及随后的河流搬运、分异作用决定[25]。肖建新等[26]、陈安清等[27]、汪正江等[28]、任义来等[29]都认为鄂尔多斯盆地东南部地区山西组、下石盒子组物源区为再旋回造山带构造背景，屈红军等[30]还认为东南部地区主要受南部物源区控制。在前人研究资料的基础上可以看出，研究区山西组、下石盒子组物源区构造背景为再旋回造山带性质，碎屑沉积物主要由南部北秦岭隆起带物源区供给[26-30]。山西期盆地南缘的构造活动相对微弱，研究区块较为稳定，地势平缓，物源供给不充分；而在下石盒子期南缘秦岭裂谷系构造活动渐趋强烈，物源区显著隆升，研究区物源供给充足，地表径流作用活跃，沉积物搬运距离也相对较短。

图9　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组储层成岩共生序列及孔隙演化Fig.9　Diagenetic paragenesis and pore evolution of sandstone from the Shanxi Formation to the Lower Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin

砂岩中岩屑类型可以有效直观地反映物源区母岩性质。通过对研究区的岩屑进行分析统计的岩屑类型综合分区图(图10)可以看出，对于山西组而言，其岩屑类型以沉积岩碎屑为主(图10-A)；下石盒子组的岩屑类型以沉积岩+岩浆岩+变质岩碎屑为主(图10-B)。结合研究区岩石学特征来看，由于搬运距离较远，以远源沉积为主，山西组碎屑颗粒以细-中粒为主，分选性和磨圆度相对较好，石英平均含量相对较高，长石少见。近源快速沉积的下石盒子组碎屑颗粒表现为中-粗粒为主，分选性、磨圆度中等，岩屑平均含量高于山西组，相比山西组长石含量明显增多，质量分数最高可达34%。因此受物源及源区构造属性的影响，山西组较下石盒子组表现出更高的矿物成分成熟度和结构成熟度。

图10　鄂尔多斯盆地南部山西组和下石盒子组岩屑类型综合分区图Fig.10　Distribution of rock fragments of Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in southern Ordos Basin

5.2　沉积环境的影响

砂岩的沉积特征是影响砂岩储层物性的重要因素，受控于沉积环境的沉积特征为砂岩储层的发育提供了物质基础，因此不同沉积环境下碎屑岩储层物性也表现出不同的差异性[31-32]。结合研究区范围内野外露头测量、岩心描述、测井资料等综合分析，研究区山西组主要发育曲流河三角洲沉积(图2)。白水三眼桥剖面中，在山西组可见双向交错层理，表明山西组时期为海陆过渡相沉积环境。山西组中广泛发育的煤层和煤线代表有大量植物生长、潮湿气候下的还原环境；岩性主要为中-细粒砂岩、粉砂岩、深灰色-灰黑色泥岩组合，同时还伴随着煤层互层。研究区的下石盒子组主要是辫状河三角洲沉积(图2)，其中的砂岩主要为深、浅灰绿色，深灰色为主，泥岩主要为灰黑色和黑色，表明下石盒子组沉积期既有水上环境又有水下环境，与下部山西组存在明显的沉积间断和气候条件的显著差异，气候变得干旱炎热；岩性以黄绿色和灰绿色含砾粗砂岩、中砾粗砂岩、岩屑石英砂岩和杂色泥岩的不等厚互层为主。从已经识别的沉积构造特征来看(图11)， 山西组发育有块状层理、板状交错层理、水平层理、平行层理等多种沉积构造，下石盒子组中还可见沙纹层理、含泥砾的冲刷面、递变层理等沉积构造。总的来看下石盒子沉积期表现出更强的水动力条件，相应的沉积物表现出颗粒更粗、分选相对更差的特点。

5.3　成岩作用的影响

成岩作用对砂岩储层的影响具有建设和破坏双重性作用，因此决定了现今储层的好坏和储层的分布状况。研究区成岩作用对山西组、下石盒子组储集体起到了明显的改造和影响，其中压实作用、溶蚀作用和胶结作用对砂岩储集体物性起主导作用(图9)。

图11　鄂尔多斯盆地东南部山西组、下石盒子组主要沉积构造类型Fig.11　Main sedimentary structures of Shanxi Formation-Lower Shihezi Formation in southeastern Ordos Basin(A)灰色中砂岩，块状层理，宜22井，深度1 507.54 m，山1段； (B)平行层理，洛4井，深度2 782.42 m，山西组； (C)板状交错层理，宜25井，深度2 118.61 m，山1段； (D)灰色粉砂岩，水平层理，深度1 515.6 m，宜22井，山1段； (E)羽状交错层理，白水三眼桥剖面，山2底部； (F)沙纹层理，宜22井，深度1 402.35 m，盒8段； (G)冲刷面，宜32井，深度2 178.65 m，下石盒子组； (H)泥砾，洛3井， 深度2 537.36 m， 盒8段； (I)逆递变层理， 河口坝微相，宜10井， 深度2 210.4 m，下石盒子组

压实作用导致原始孔隙减少，并且这种作用的过程是不可逆的。通过薄片和扫描电镜观察，研究区内砂岩的主要接触关系以线接触为主，局部可见凹凸接触，其次为点接触。薄片中软性岩屑和云母具有强烈的变形，表明压实作用强烈，这些都导致储集物性变差。砂岩碎屑颗粒抗压效果各有不同，石英颗粒抗压实能力最强，软性矿物岩屑最弱[33]。研究区山西组较下石盒子组石英含量相对较高，岩屑含量相对较低，因此山西组抗压性要好于下石盒子组，这与孔隙统计中山西组的粒间孔多于下石盒子组相一致。

胶结作用使原生粒间孔隙缩小并造成一定的破坏，结合薄片和扫描电镜观察分析，研究区砂岩中的胶结物类型主要有碳酸盐、硅质和黏土矿物(图8)。早期形成的碳酸盐胶结物对储集层的影响具有双重性，它既可以造成原生孔隙的大量减少，同时也可有效增强岩石的抗压实能力；晚期形成的铁方解石和铁白云石，主要表现为对储层的破坏作用。硅质胶结物主要通过石英次生加大边、硅质胶结物和自形晶体形式来减少粒间孔和粒内溶孔。黏土矿物中高岭石的形成对晶间孔的形成有利，但不利于粒间孔的保存和溶孔的形成；水云母和绿泥石的形成对溶孔和晶间孔的形成不利。结合镜下观察发现研究区主要表现为高岭石和水云母中出现的晶间孔，且主要集中在下石盒子组中出现，这与下石盒子组沉积组分为晶间孔发育提供了更多物质基础密切相关。

溶蚀作用产生次生粒内溶孔和极少量粒间溶孔，对整体孔隙度有积极的建设性作用。研究区砂岩中的溶蚀作用主要为岩屑和长石的溶蚀，形成的溶孔主要为岩屑和长石粒内溶孔。从薄片中所观察到的现象来看，溶蚀作用主要发生在岩屑中。前述分析中发现，研究区砂岩中主要的孔隙类型为粒内溶孔，因此岩屑的溶蚀作用是形成次生孔隙最重要的作用。山西组时期丰富的煤层提供了充足的酸性流体，可溶性组分含量虽然相对较少，但在煤系地层提供的有机酸形成的弱酸性环境下溶蚀作用更明显。这可能就是导致不稳定岩屑和长石等可溶性组分较少的山西组，却表现出比下石盒子组溶蚀孔隙更为发育的原因。

6　结 论

a.鄂尔多斯盆地东南部山西组储集砂体主要为岩屑石英砂岩，石英含量较高，粒度以细-中粒为主，分选性、磨圆度中-好，次棱角状-次圆状为主；下石盒子组储集砂体以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，与山西组相比还有大量的长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，颗粒以中-粗粒为主，分选性、磨圆度中等。从储层岩石学特征来看，山西组表现出更高的成分成熟度和结构成熟度。

b.研究区砂岩储集体表现为微孔-细微喉型储层，总体属于低孔、低渗的致密储层特征，主要储集孔隙为粒内溶孔和粒间孔，其次为晶间孔。山西组孔渗相关性更高，粒内溶孔和粒间孔等优质孔隙的比例相对更高、孔隙连通性相对更好。下石盒子组砂岩中的孔隙类型较多，孔隙分选性不好，与山西组相比晶间孔更为发育。

c.山西组和下石盒子组储层特征因受物源、沉积环境及成岩作用多种因素控制而存在不同的差异性。近源快速沉积以辫状河三角洲沉积环境为主的下石盒子组表现出更低的成分成熟度和结构成熟度，曲流河沉积环境下的山西组由于优质孔隙的比例更高、孔隙连通性更好的原因，表现出更好的物性特征。成岩时期，石英含量更高、酸性流体更为充足的山西组粒间孔和溶蚀孔隙发育得更好，高岭石和水云母中出现的晶间孔主要集中在下石盒子组中出现。

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