鄂尔多斯盆地大牛地气田二叠系盒1段储层特征及成岩圈闭

徐宁宁，王永诗，张守鹏，邱隆伟，张向津，林 茹

（1.中国石化胜利石油管理局博士后科研工作站，山东东营 257000；2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营 257022；3.中国石化胜利油田分公司，山东东营 257022；4.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580；5.天津方联科技发展有限公司，天津 300280；6.鲁胜石油开发有限责任公司，山东东营 257077）

0 引言

Wilson［1］于1977年首次提出成岩圈闭的地质涵义：一种已充填油气的古圈闭，这种古构造或古地层的圈闭已偏离其原来位置，其中古圈闭开启时间晚于油水界面处的成岩封闭时间，油气被现今上倾方向的非渗透性岩层遮挡而被保存，其研究关键在于分析现今优势成藏构造的演变，以确定油气充注与破坏性成岩作用发生的先后顺序。Cant［2］明确了砂岩成岩圈闭形成和分布的几个控制因素：主要包括埋藏史（受构造运动控制）、碎屑矿物颗粒大小和成分（受沉积环境控制）、早期填隙物成分（受沉积环境控制）和流体成分及其饱和度。

国内学者对碎屑岩储层成岩圈闭的研究集中在泌阳凹陷、东濮凹陷、准噶尔盆地、陕北地区和济阳坳陷等，研究方法主要是通过对比盆地上倾方向和低部位的岩石静态成岩特征的差异性，结合含油性的差异总结成岩圈闭的发育特征［3-7］，成岩圈闭的形成主要受沉积层序、岩相组构和成岩流体的影响［8-10］。部分研究也着重于对可能发育圈闭的位置的定性描述，如三角洲前缘水下分流河道微相交汇区域的砂岩，可能因分布不均衡而形成成岩圈闭［11］，水下分流河道分叉处、末端、侧翼或河道叠置处易发育低阻油层和干层而圈闭油气［12］。碎屑岩成岩圈闭的形成机制与其岩石的沉积组构特征联系紧密，广义上属于岩性圈闭，而狭义上的成岩胶结导致的圈闭无法与岩性圈闭完全分割开，现今没有十分有效的识别方法，更多的是定性地去证明其存在。针对成岩圈闭，将其置于整个盆地的成岩-孔隙演化史和油气充注史中，以动态的思维和角度去恢复成岩圈闭的形成过程是较为有效的研究方法。张刘平等［13］通过建立成岩演化史和天然气成藏时空关系发现，成藏后期形成的成岩圈闭成为鄂尔多斯榆林气田成藏的主导性因素，且低部位储层遭受油气侵入导致成岩滞缓而形成孔隙相对发育带，而上倾部位胶结作用因气水介质的存在得以继续而形成致密带。在成岩圈闭的实例解剖方面，勘探家们对准噶尔盆地玛湖凹陷三叠系百口泉组扇三角洲储层研究中提出了2 类成岩圈闭发育模式，分别为顺物源方向和垂直物源方向，前者主要是储层上倾方向压实作用和胶结作用使扇三角洲砂砾岩致密化而形成圈闭遮挡层，后者还包括湖泛泥岩所构成的圈闭顶板［14］。

鄂尔多斯盆地上古生界碎屑岩储层是致密砂岩的典型代表，关于其圈闭类型的研究，由最初的动力型圈闭、岩性圈闭为主的认识逐渐演变至“多种圈闭共存”的认识［15-21］。虽然成岩圈闭被多次提出并被融入整个圈闭体系［13，16，19］，但针对成岩圈闭的研究还只是停留在理论上的推测，缺乏典型实例的系统解剖以完善成岩圈闭的研究方法及其油气地质意义。笔者以鄂尔多斯盆地东北部大牛地气田为例，系统分析其储层成岩圈闭的形成过程，以期为该区天然气勘探提供借鉴作用。

1 地质概况

大牛地气田位于鄂尔多斯盆地北部伊陕斜坡东段，为一平缓的西倾单斜构造（图1）。鄂尔多斯盆地古生代至中生代可分为3 个演化阶段：①寒武纪—奥陶纪的浅层克拉通盆地，被北部古亚洲洋和南部古秦岭洋所包围；②石炭纪—早二叠世，华北地块同西伯利亚微大陆及蒙古岛弧相碰撞导致盆地北部阴山的隆升；③晚三叠世印支造山运动期，华南地块同华北地块碰撞发生，秦岭造山带形成。晚古生代挤压转换条件下，构造向西和向北逃逸形成六盘山褶皱冲断带和沿鄂尔多斯盆地西缘向东方向的逆冲作用［22-23］。因此，晚三叠世—早白垩世前陆盆地形成，包括形成了西部前渊（天环向斜）和东部斜坡（伊陕斜坡）。早白垩世地壳进一步减薄导致盆地发生倒转，同时晋西挠褶带在鄂尔多斯盆地东缘形成［24］。

图1 鄂尔多斯盆地大牛地气田的构造位置及岩性地层综合柱状图（据文献［25］修改）Fig.1 Tectonic position and stratigraphic column of Daniudi gas field in Ordos Basin

大牛地气田钻遇地层包括下古生界奥陶系、上古生界石炭系—二叠系、中生界三叠系—侏罗系—白垩系以及新生界第四系，地层平均厚度可达3 000 m。其中石炭系太原组和二叠系下石盒子组是主要目的层段。在晚古生代，硅质碎屑岩物源主要来自于鄂尔多斯盆地北部的阴山山脉［26-27］。目的层岩性以砂岩为主，夹少量泥岩。浅灰绿色、灰白色及灰黄色块状含砾粗—中砂岩、细砂岩夹紫棕色、棕褐色及灰绿色泥岩、粉砂质泥岩和少量炭质泥岩，偶见煤线及砂质凝灰岩，整体分布特征是北粗南细，北薄南厚。下石盒子组砂岩储集性能较好，是研究区内含油气显示最普遍、最集中和最稳定的层段，自下而上可以分为3 段：盒1 段（P1x1）、盒2段（P1x2）和盒3 段（P1x3），其中盒1 段是本次研究的主要目的层段，以灰色、黄色和黄白色含砾砂岩和粗—细粒砂岩为主，其次为紫红色、棕色和灰色泥岩，炭质泥岩和煤层同样较发育。研究区石炭系的沉积环境以海相和海陆过渡相为主，二叠系以陆相沉积为主［28］，下石盒子组砂岩类型以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，为湖相和辫状河三角洲沉积［27-28］。

2 储层特征及分布

2.1 储层微观特征

通过对大牛地气田二叠系盒1 段产气段和干层段进行数据统计，发现二者在骨架颗粒、填隙物组成和孔隙类型均有显著差别。虽然岩性均为岩屑砂岩，但干层段整体岩屑含量较高，体积分数为40%～60%；而产气段岩屑含量为30%～65%，石英体积分数比前者高15%左右。二者的岩屑均以片岩、千枚岩及板岩等低级变质岩岩屑为主，但在含量上也有所差异，尤其是变质岩岩屑的含量差异较大，火成岩岩屑和沉积岩岩屑差异较小。

产气段和干层段的填隙物特征也显著不同。干层段的填隙物主要分为2 类：一类是以方解石胶结物为主［图2（a）—（b）］，呈连晶方式充填于粒间孔隙中，方解石交代长石现象普遍，以共生方式出现（图3）。另一类填隙物以少量铁氢氧化物、高岭石和硅质胶结物为主，整体上含量较低，粒间的假杂基化现象十分显著［图2（c）—（d）］。产气段填隙物包括少量泥质和方解石，孔隙发育［图2（e）—（f）］，包括岩屑和长石颗粒的粒内溶孔、铸模孔隙和粒间残余孔（图3），与其他学者［29-30］的研究成果较吻合。

图2 大牛地气田二叠系盒1 段储层微观特征（a）方解石胶结物发育，D44 井，2 515.95 m；（b）方解石胶结物发育，D18 井，2 636.00 m；（c）岩屑假杂基广泛分布，D44 井，2 423.20 m；（d）岩屑假杂基广泛分布，D18 井，2 833.00 m；（e）孔隙发育，D44 井，2 526.10 m；（f）孔隙发育，D28 井，2 549.35 mFig.2 Microscopic features of different diagenetic reservoirs of P1x1in Daniudi gas field

图3 大牛地气田二叠系盒1 段储层填隙物组成（1）D18 井，2 624.30 m；（2）D18 井，2 629.00 m；（3）D18 井，2 633.0 m；（4）D18 井，2 634.00 m；（5）D18 井，2 634.50 m；（6）D18 井，2 635.90 m；（7）D18 井，2 636.00 m；（8）D18 井，2 643.30 m；（9）D44 井，2 519.95 m；（10）D44 井，2 523.20 m；（11）D44 井，2 524.30 m；（12）D8 井，2 606.74 m；（13）D18 井，2 636.50 m；（14）D28 井，2 535.85 m；（15）D28 井，2 547.30 m；（16）D28 井，2 549.35 m；（17）D44，2 526.10 m；（18）D44 井，2 539.60 m；（19）D41 井，2 531.26 m；（20）D44 井，2 516.20 m；（21）D44 井，2 539.9 50 m；（22）D8 井，2 616.00 m；（23）D8 井，2 616.50 m；（24）D8 井，2 632.50 m；（25）D28 井，2 490.45 mFig.3 Compositions of interstitial material of P1x1 in Daniudi gas field

2.2 储层含气性

大牛地气田二叠系下石盒子组物源来自于北部及东北部，以辫状河三角洲沉积为主［31-33］，中间发育一条贯穿南北的辫状河三角洲前缘的水下分流河道，由北向南方向依次有D44 井、D8 井、D10 井（D24 井）和D49 井均钻探到厚砂岩区。下石盒子组盒1-1 段（H1-1）可分为2 个小层，自上而下分别为1 小层和2 小层，二者的含气性平面分布特征与其储层厚度和沉积中心具有较强的一致性（图4）。砂体厚度超过10 m 的储层整体含气，而沿主河道方向2 个沉积中心之间的过渡地带、横向河道边部以及较为孤立的砂岩透镜体多为干层，砂体较薄且物性差的储层较致密，天然气难以充注，通常为干层［34］。

图4 大牛地气田二叠系盒1-1 段1 小层和2 小层砂岩厚度等值线图Fig.4 Isopach map of sandstone thickness of single layers 1 and 2 of P1x1 in Daniudi gas field

研究区二叠系盒1 段沿物源方向的气藏剖面（图5）显示，气层或高产气层的分布相对集中，主要分布于D44 井和D49 井区域，其次为D8 井—D10井区域。而在D44 井、D8 井、D10 井（D24 井）和D49 井区域几乎全部为干层。盒1 段1 小层由南向北依次为气层—干层—干层—气层，盒1 段2 小层由南向北依次为干层—气层—干层—气层—干层—气层，表现为气层和干层交替出现的规律。天然气沿储层上倾方向运移时，由于干层的侧向封堵作用而成藏。因此，这种上倾方向的储集层为干层、下伏的储集层含气的特殊结构为研究区天然气成岩圈闭作用的结果。

图5 大牛地气田二叠系盒1 段气藏剖面特征Fig.5 Gas reservoir profile of P1x1in Daniudi gas field

3 圈闭成因机制

大牛地气田二叠系盒1 段沿上倾方向的干层段和下伏的含气段在岩石骨架颗粒、成岩矿物和孔隙类型等方面均存在显著差异，前者主要有压实压溶硅质胶结成岩相和钙质胶结交代成岩相，后者主要为溶蚀成岩相，上述3 种成岩相储层的成岩—孔隙定量演化过程及其与油气充注的耦合关系的确定可有效解释圈闭的类型及成因机制。

3.1 储层成岩演化序列

储层的胶结作用主要包括石英胶结和方解石胶结，显微镜下所观察到的包裹体主要赋存于石英加大边中，主要包括盐水包裹体、气态烃包裹体、液态烃包裹体和CO2包裹体，其中流体包裹体集合体一般包括2～4 个，彼此间所测定的均一温度偏差为±10 ℃，主要包括3 个温度区间，分别为90～95 ℃，115～125 ℃和135～145 ℃（图6）。

图6 大牛地气田二叠系盒1 段流体包裹体均一温度分布直方图Fig.6 Histogram of homogenesous temperature of fluid inclusion of P1x1in Daniudi gas field

利用稳定碳氧同位素可以明确碳酸盐胶结（主要为方解石）的形成温度。为避免样品污染，利用安装牙钻的显微镜从厚的岩石薄片中钻出方解石胶结物微样（0.35～0.45 mg），再通过测定其酸化过程中释放出的CO2来获取。研究区二叠系盒1段14 个方解石胶结物样品的δ13C 值为-17.28‰～-3.73‰，δ18O 值为-20.62‰～-13.35‰（图7）。

图7 大牛地气田二叠系盒1 段碳酸盐胶结物碳氧同位素投点图Fig.7 Plot of carbon and oxygen isotope of carbonate cements of P1x1in Daniudi gas field

方解石中δ18O 的分馏公式［35-36］为

式中：α方解石-水=［1+（δ18O方解石/1 000）］/［1+（δ18O水/1 000）］，T为温度，℃。

δ18O水确定之后可利用上述公式计算碳酸盐胶结物的形成温度。与大牛地气田邻近的苏里格气田下石盒子组的现今地层水的δ18O 值为-6.3‰～-3.39‰，平均为-4.7‰［37］。假定研究区方解石的形成时的δ18O水值为-3‰，可以计算出盒1 段方解石胶结的沉淀温度为74.9～150.0 ℃，主体温度区间为90～100 ℃，与其他学者对研究区方解石中流体包裹体测温获得的均一温度数据（105～130 ℃）相一致［38］。

研究区石英胶结物的形成温度主要包括3 个区间：88～96 ℃，100～108 ℃和112～120 ℃［39］（图8）。早成岩期煤系地层导致弱酸性成岩环境，基性斜长石发生溶解，成岩序列为绿泥石薄膜/菱铁矿胶结—早期石英加大/自生高岭石。中成岩A1期，成岩序列为长石溶解—石英次生加大/高岭石胶结—方解石胶结，长石的酸性溶解和方解石胶结因成岩微系统的差异可在不同的储层部位同时发生。中成岩A2期，流体逐渐呈现弱碱性—碱性，成岩序列为方解石胶结溶蚀—石英及部分岩屑溶蚀。中成岩B期，储层发生铁白云石胶结和黄铁矿胶结。

图8 大牛地气田下盒子组储层成岩演化序列（据文献［39］修改）Fig.8 Diagenetic evolutional sequence of P1x1 in Daniudi gas field

3.2 储层成岩与孔隙演化

选取成岩演化过程中多个特殊的时间节点，获取储层原始孔隙度、早期压实后但没有胶结物产生时的孔隙度、中成岩期溶蚀作用发生之后的孔隙度等，明确纵向上伴随着深度变化及成岩阶段变化的储层孔隙度变化特征。结合前期对储层成岩演化序列的研究及不同成岩矿物和孔隙类型的量化表征，得出3 种成岩相储层的成岩-孔隙演化过程（图9）。

图9 大牛地气田二叠系盒1 段不同成岩相储层成岩与孔隙演化Fig.9 Evolution of diagenesis and porosity of different diagenetic reservoirs of P1x1 in Daniudi gas field

现今一般将孔隙度12%作为判断储层致密与否的标准［40］。大牛地气田二叠系下石盒子组成藏期主要为中晚侏罗世—早白垩世，其中早白垩世受燕山期构造热事件影响，烃源岩大量生气，成为气藏形成的关键时期［41］。钙质胶结交代成岩相储层经历了早成岩期的机械压实减孔（减孔量约17.55%）和中成岩A1期的方解石胶结减孔（减孔量约11.20%），虽然有少量的溶蚀孔隙（增孔量约1.95%）产生，但储层仍在中成岩A1末期由最初的原始态（孔隙度为33.85%）减少至致密态（孔隙度为1.65%），在早侏罗世储层已经成为致密层。而压实压溶成岩相储层经历了早成岩期的机械压实减孔（减孔量约22.65%）和中成岩A1期和中成岩A2早期的硅质胶结减孔（减孔量约5.43%），虽然有溶蚀孔隙（增孔量约5.79%）产生，但仍在中成岩A1末期由最初的原始孔隙度33.85%减至5.51%，成为致密层。溶解成岩相储层经历了早成岩期的机械压实减孔（减孔量约20.63%）和中成岩A1期和中成岩A2早期的胶结减孔（减孔量约8.66%），但溶蚀孔隙大量产生（增孔量约11.33%），储层由中成岩A1末期最初的原始孔隙度33.42%减少至14.45%，之后虽经历晚期压实作用，其孔隙度仍始终保持在12%以上。

3.3 圈闭成因机制讨论

鄂尔多斯伊陕斜坡二叠系下石盒子组均是岩性油气藏，圈闭主要来自于砂岩段岩性的变化或侧向—顶部泥岩层的遮挡［15-16］。在顺物源方向，压实或成岩胶结所致的上倾岩性物性变差为储集层提供遮挡；在垂直物源方向，除了岩性变化外，还有侧向和顶部泥岩层的遮挡，从而形成了成岩圈闭［14］。因此，储层沿上倾方向岩性的变化是圈闭形成的关键。研究区岩性变化可归结为强胶结作用或强压实作用等因素，分别表现为钙质胶结交代成岩相和压实压溶硅质胶结成岩相。

（1）钙质胶结交代型成岩圈闭，从时间上看，储层致密在前，油气成藏在后。钙质胶结交代型成岩圈闭封堵层的形成得益于以下2 个方面：①沉积—成岩作用控制的方解石胶结型致密岩石，粒度较粗使得成岩流体在其中迁移，活动性更强，易形成大规模的粒间胶结，且长期持续埋深的地层条件达到了其胶结所需的温度-压力条件。②良好的致密化-成藏耦合关系，致密化过程使得岩石孔隙度＜12%，这一过程发生于主要成藏期之前，利于油气在圈闭中的聚集。晚期成因的方解石胶结多源于有机酸脱羧过程提供的充足碳源［42-43］，钙长石溶解和泥页岩黏土矿物中层间金属离子的析出均为胶结物提供了充足的钙源［44-45］。砂岩透镜体、三角洲前缘水下分流河道底部因中成岩期砂泥岩之间的大规模流体传递而成为方解石胶结物大量发育的理想场所［46-49］。大牛地气田下石盒子组垂向上为多期河道砂体和泥岩叠置而成，沿河道方向单期砂体展布范围较局限。砂泥岩接触部位如砂体底部或砂体尖灭部位均是晚期方解石胶结物的潜在发育区，尤其是沿河道方向的主砂体间的过渡地带，砂泥岩接触更为频繁，部分独立形成成岩圈闭，部分与致密压实型细砂岩等共同构成成岩圈闭。砂体内部的部分中—粗粒砂岩条带也存在方解石胶结区，分布零星且规律性不明显，不易形成封堵油气的成岩圈闭。

（2）压实压溶硅质胶结型成岩圈闭，从时间上看，储层致密化和成藏同时发生。压实压溶硅质胶结型成岩圈闭封堵层的形成主要包括2 个方面因素：①储集层物源区主要为活动性造山物源区。母岩来源于盆地北部阴山古陆前寒武系的古老变质岩岩系［50］，储层中含有较多低级变质岩岩屑［51-54］。细粒组分和低级变质岩岩屑在后期埋藏过程中易被压实而形成假杂基，从而易造成储层物性变差。②岩石成岩致密-成藏耦合关系。较细粒的储层多表现为压实压溶硅质胶结成岩相，该成岩相的成岩-孔隙演化与主成藏期的耦合关系表明，储层在成藏期发生的致密化呈现“边充注边致密”的现象，在油气充注过程中实现了由储层到圈闭的转化。

浅水三角洲的沉积背景下，由于河道变迁频繁，河道边部成为相对细粒岩石的分布区，且岩屑颗粒、石英颗粒含量和粒度之间分别呈负相关和正相关关系，表明岩石早期搬运和沉积过程对颗粒具有一定的分异作用，砂体沉积中心的石英颗粒含量更高，而砂体边部的岩屑颗粒含量更高。沿河道方向的主砂体间的过渡地带，砂体粒度较细、岩屑含量高均使得砂体更易被压实而致密，且该区域是油气沿地层上倾方向运移的必经之路，使得其成为压实压溶硅质胶结型成岩圈闭发育的有利区。

4 结论

（1）大牛地气田二叠系盒1 段储层的含气性沿物源方向具明显的“厚度控”特征，即主砂体含气性良好而主砂体之间的过渡地带含气性明显变差，沿上倾方向出现干层和气层交替的现象。与气层相比，干层的岩石表现为岩屑含量高、石英颗粒含量低、方解石胶结物较发育和假杂基化明显的特征。

（2）大牛地气田二叠系盒1 段成岩圈闭的封堵层按照成因差异可划分为钙质胶结交代型和压实压溶硅质胶结型。前者方解石胶结特征显著，在成藏期前（中晚侏罗世—白垩世）已致密；后者颗粒间紧密接触，假杂基化特征显著，表现为“边成藏边致密”，储层致密化和油气充注同时发生。中成岩A1期的大规模方解石胶结作用和塑性岩屑的高含量特征所导致的持续性压实减孔效应均为研究区成岩圈闭形成的关键因素。

（3）大牛地气田二叠系盒1 段沿辫状河三角洲前缘水下分流河道的河道方向上，主砂体间的过渡地带的砂体粒度较细，岩屑含量高，使得砂体更易被压实而致密，且砂泥岩接触更为频繁而更易形成大规模方解石胶结现象，该区域又是油气沿地层上倾方向运移的必经之路，使得其成为成岩圈闭发育的有利区。