鄂尔多斯盆地东部山西组2 段致密砂岩储层特征

2021-12-07王永骁付斯一张成弓

岩性油气藏 2021年6期

王永骁，付斯一，张成弓，范萍

（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.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安 710018）

0 引言

鄂尔多斯盆地上古生界二叠系呈现大型岩性地层天然气成藏特点，资源丰富，勘探潜力巨大［1］。近年来，围绕该盆地山西组致密砂岩气的勘探获得了一系列突破，相继发现了苏里格、榆林、乌审旗、子洲、陇东等一批大气田［2-3］，其中山2 段的贡献度较大。多位学者对该层段的沉积储层开展了研究，叶黎明等［4-5］认为山西期为宽缓广阔的南倾古缓坡构造背景下的近海浅湖沉积环境，主体发育河流、潮汐三角洲或湖泊三角洲的沉积砂体。李君文等［6-8］认为盆地内基准面旋回、潮汐和波浪作用控制了砂体的展布和储层非均质性；刘锐娥等［9-10］提出山2 段发育以粒间孔、溶蚀孔为主要孔隙类型的石英砂岩储层，原生孔隙大量保存，进而形成了现今的天然气储集体；季汉成等［11-12］总结了储集层经历的复杂成岩作用，并分析了山2 段胶结作用、压实作用、压溶作用、溶蚀等因素对储层的影响；赵卿［13］从砂体结构特征和微观孔隙结构特征入手，对细砂岩、粉砂岩储层进行深入研究，阐述了晶间孔的重要性。总结前人研究发现，鄂尔多斯盆地东部地区山2 段砂岩储层埋深普遍小于2 500 m，而物性较差（孔隙度小于10%，渗透率小于1.5 mD［14］），属于低孔低渗储层，但并未阐明山2 段储层低孔低渗成因及其控制因素。

本次研究利用鄂尔多斯盆地东部岩心、薄片及测试资料来分析山2 段的致密砂岩储层岩石类型及储集空间特征，在此基础上，探讨构造背景、储层沉积环境及成岩相类型对储层物性的控制作用，详细讨论山2 段储层低孔低渗成因及其控制因素，进而更有效地指导油气勘探。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东部，北起神木以北，南至石楼，西跨横山，东越佳县，涉及伊陕斜坡和晋西挠褶带两大构造单元［图1（a）］。早二叠世山西期，海西运动引起的板块碰撞、挤压致使华北地块抬升，海水从鄂尔多斯盆地东西两侧开始逐渐退出，致使盆地整体由海相沉积向陆相沉积转变。因此，鄂尔多斯盆地整体处于海陆过渡相沉积，陆相发育河流、三角洲沉积［15-16］，海相发育碳酸盐岩沉积［17-18］。山西组早期以陆表海沉积为主，发育潮控浅水三角洲；山西组末期，发生大规模海退，盆地北高南低的差异沉降格局基本形成，盆地内的沉积逐渐转变为河流—三角洲沉积体系［19］。山西组的沉积厚度达100 m 左右。在地层接触关系方面，研究区内山西组与上覆下石盒子组呈整合接触或冲刷面接触，与下伏太原组呈区域冲刷面接触，岩性组合和沉积旋回自上而下划分为山1 段和山2 段，其中山2 段又可细分为山21、山22及山23等3 个小层［20-21］［图1（b）］。

2 储层岩石学特征

2.1 储层岩石类型

通过对岩心观察和薄片鉴定，认为鄂尔多斯盆地东部山西组发育岩石类型多样，分布面积大，整体为陆相碎屑岩沉积。其储层岩石类型主要为含砾粗砂岩、中砂岩、细砂岩等，但以中—细粒岩屑石英砂岩、石英砂岩为主［图2（a）—（d）］。

鄂尔多斯盆地东部山2 段岩石薄片鉴定结果显示，石英含量占据优势，其体积分数超过61.53%，岩屑含量次之，长石含量较少（图3）。其中岩屑中的泥板岩、片岩、云母碎屑、绿泥石等软塑性岩屑的含量相对较高。对于山2 段各小层岩石的岩碎屑质含量而言，致密砂岩储层的骨架颗粒组分基本一致，而含量略有差异，其中石英含量由山23至山21逐渐降低，岩屑含量山21、山22高于山23小层，说明山23小层成分成熟度最高，其次为山22小层和山21小层。

图3 鄂尔多斯盆地东部山2 段致密砂岩储层岩石组分三角图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.3 Triangular diagram of rock composition of tight sandstone reservoirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

2.2 填隙物特征

在薄片统计结果的基础上，结合黏土矿物及全岩实验分析结果，发现山2 段致密砂岩内填隙物由杂基和胶结物组成，其中杂基包括高岭石、伊利石、绿泥石、凝灰质等，胶结物包括白云石、铁白云石、铁方解石以及硅质物质，并含少量的黄铁矿、菱铁矿等［22］，山2 段填隙物总体积分数为21.09%，其中山22小层填隙物体积分数最高，为24.4%；山22伊利石体积分数最高，为13.73%；山23、山21高岭石体积分数较高，分别为2.45%和2.06%（表1）。

表1 鄂尔多斯盆地东部山2 段致密砂岩填隙物成分统计Table 1 Composition statistics of tight sandstone interstitials of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

2.3 颗粒结构

薄片镜下观察发现山2 段砂岩整体具有分选中等—好、碎屑颗粒磨圆度较好，磨圆度主要为次圆—次棱角状［图2（e）—（h）］，山23较山22、山21小层的分选和磨圆度好；同时，山23基质含量较低，结构成熟度较高，体现了碎屑颗粒搬运距离较远，受到较少的水流或波浪作用改造。

3 储集空间及成岩作用特征

3.1 储集空间特征

铸体薄片镜下鉴定认为鄂尔多斯盆地东部山2段砂岩发育多种储集空间类型，包括粒间孔、铸模孔、粒内溶孔、晶间孔以及微裂缝等［图4（a）—（h）］，以粒间孔为主，而溶孔、微裂隙、晶间孔所占比例较少（图5）。结合岩心样品压汞实验数据结果，山2段砂岩储层平均孔喉比为2.13，平均孔隙半径为150.3 μm，平均面孔率为2.87%，平均孔隙度为4.56%，平均渗透率为0.095 mD，平均分选系数为76.43，储层孔喉结构整体相对较好，微观孔喉非均质性相对较强。

图4 鄂尔多斯盆地东部山2 段致密砂岩储层孔隙镜下特征及扫描电镜照片（a）粒内溶孔，细砂岩，S393 井，山22；（b）粒内溶孔，中-细砂岩，M53 井，山23；（c）粒间孔，中-细砂岩，Y29 井，山23；（d）粒间孔，细砂岩，Y117 井，山22；（e）晶间孔，细砂岩，S248 井，山23；（f）微裂隙，巨砂质粗粒岩屑砂岩，B9 井，山23；（g）粒间孔，细砂岩，S393 井，山22；（h）晶间孔，细砂岩，M26 井，山21；（i）粒内溶孔，粉砂岩，S142 井，山22；（j）微裂隙，粉砂岩，S142 井，山22；（k）高岭石晶间孔，细砂岩，Y98 井，山23；（l）伊利石晶间孔，细砂岩，Y102 井，山22Fig.4 Microscopic characteristics of pores and scanning electron micrographs photographs of tight sandstone reservoirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地东部山2 段致密砂岩储层孔隙类型直方图Fig.5 Histogram of pore types of tight sandstone reser‐voirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

应用扫描电镜观察山2 段砂岩储层的微观孔喉结构，可以直观的发现大量的粒内溶孔、高岭石晶间孔以及微裂隙［图4（i）—（k）］，这些孔隙对改善致密砂岩的储层物性具有积极作用，特别是微裂隙的连通性可将原本储存的束缚流体变为可动流体，提高可动流体饱和度，但同时也发现孔隙中充填着不同程度的伊利石［图4（l）］，其造成孔隙堵塞，流体难以通过，降低了储层的可动流体饱和度。

3.2 成岩作用特征

（1）压实-压溶作用。依据镜下薄片观察判断，鄂尔多斯盆地东部山2 段砂岩在成岩过程中发生了明显的压实作用，表现为：随着埋藏深度的增加，碎屑颗粒多呈点线接触，接触关系由彼此分离到趋于紧密，偶尔可见凹凸缝合线接触；火山岩岩屑、泥岩屑、云母等塑性颗粒在压力作用下发生弯曲形变，少量挤入粒间孔隙，并成为假杂基，云母等碎屑颗粒长轴沿水平方向定向排列；石英、长石等硬性颗粒受应力作用发生脆性破裂，碎屑颗粒间多见线接触，凹凸接触较少。这些表现说明山2 段砂岩骨架颗粒结构较为稳定，后期很难被进一步压实［图6（a）—（d）］。

（2）溶蚀作用。镜下薄片鉴定发现，溶蚀作用是改造鄂尔多斯盆地东部山2 段致密砂岩储层的重要成岩事件，是局部储层物性改善的主要原因。其特征为：山2 段砂岩储层中主要发育长石和岩屑溶蚀，偶见硅质碎屑溶蚀［图6（e）—（h）］，而溶蚀作用的发生主要受山2 段储层中的早期有机酸充注的影响［9］，致使长石发生溶解形成粒内溶孔或铸模孔，岩屑发生溶蚀形成蜂窝状孔隙等。

（3）胶结作用。鄂尔多斯盆地东部山2 段的胶结作用明显，主要包括高岭石胶结、伊利石胶结、菱铁矿胶结、铁白云石胶结和泥晶白云石胶结等［图6（i）—（l）］，大部分胶结作用为破坏性成岩作用，胶结物堵塞了孔隙，但高岭石的发育增加了颗粒抗压实性，并防止石英的次生加大现象极大限度地保护了孔隙；其次绿泥石对孔隙的充填造成部分孔隙堵塞，又能够以孔隙薄膜或孔隙衬边形式产出，阻碍了石英次生加大边的生成，进而保存了部分粒间孔隙。

图6 鄂尔多斯盆地东部山2 段成岩作用镜下特征（a）塑性岩屑形变，M33 井，山23；（b）颗粒定向排列，S14 井，山22；（c）颗粒线接触，S13 井，山22；（d）凹凸缝合线接触，Y102 井，山21；（e）岩屑、长石溶蚀，S50 井，山23；（f）粒内溶孔，B9 井，山23；（g）碎屑溶蚀形成次生孔、裂纹缝，绢云母化，M38 井，山22；（h）硅质碎屑发生溶蚀，Y117 井，山23；（i）自生黏土、铁白云石及菱铁矿胶结，Y117 井，山22；（j）高岭石、伊利石胶结，Y117 井，山22；（k）伊利石胶结，S110 井，山23；（l）泥晶白云石胶结，T15 井，山22Fig.6 Microscopic characteristics of diagenesis of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

（4）成岩相特征。依据成岩作用特征、孔渗数据、压汞数据等多方面因素，将盆地东部山2 段划分为4 种成岩相类型：高岭石胶结粒内溶蚀相、伊利石+高岭石胶结晶间微孔相、伊利石+碳盐岩胶结晶间微孔相、泥质胶结压实相（表2）。①高岭石胶结粒内溶蚀相主要特征为次生溶孔较发育，填隙物主要为高岭石，孔隙度为4%～10%，渗透率为0.8～1.5 mD，中值孔喉半径大于0.6 mm，最大进汞率大于80%，是最有利成岩相带；②伊利石+高岭石胶结晶间微孔相主要特征为伊利石、高岭石充填原有孔隙，孔隙度为4%～7%，渗透率为0.1～0.5 mD，中值孔喉半径为0.03～0.1 mm，最大进汞率为60%～80%；③伊利石+碳酸盐胶结晶间微孔相主要特征为自生伊利石、方解石呈连晶式充填于孔隙中，孔隙度小于5%，渗透率小于0.3 mD，中值孔喉半径为0.05～0.1 mm，最大进汞率为30%～50%；④泥质胶结压实相主要特征表现为强压实作用及泥质胶结作用，孔隙度小于3%，渗透率小于0.1 mD，中值孔喉半径小于0.03 mm，最大进汞率小于40%。依据盆地内20余口井山2 段的成岩相类型编制了成岩相平面图（图7）。由图可知，Ⅰ类成岩相带主要分布在乌拉庙—榆林—子洲—清涧以及府谷—佳县—柳林—石楼一带。

表2 鄂尔多斯盆地东部山2 段成岩相类型及特征Table 2 Types and characteristics of diagenetic facies of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地东部山2 段成岩相平面图Fig.7 Map of the diagenetic facies of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

4 低孔低渗储层成因及相对优质储层分布预测

任何一个地区储层的发育受控于构造、物源、沉积、成岩和油气充注等多种因素［23］。对于鄂尔多斯盆地东部山2 段而言，其主要受沉积环境与成岩作用的影响。

4.1 低孔低渗储层的成因机理

（1）塑性颗粒和岩屑加剧压实作用，物性变差。鄂尔多斯盆地东部山2 期的沉积环境为河流—三角洲沉积体系，沉积物主要为中—细粒岩屑石英砂岩、石英砂岩，具有高石英含量、高成分成熟度的特性，但山2 段地层中的软塑性岩屑含量高，主要包括泥板岩、片岩、云母、绿泥石、泥岩屑等。由于这些软塑性岩屑在埋藏过程中抗压性弱，受压易变形，在研究区内塑性成分含量高的地方，压实作用较强烈，极大地降低了储层的孔隙度和渗透率。

（2）胶结物类型多样，胶结作用强烈，加剧物性变差。胶结作用是沉积物转化为沉积岩的重要作用，在成岩作用各阶段均可发生，也是沉积地层中孔隙度和渗透率下降的主要原因之一。山2 段地层具有多种胶结作用类型，主要有高岭石胶结、伊利石胶结、白云石胶结、方解石胶结和菱铁矿胶结等，胶结物类型多样，彼此之间的关系错综复杂，同时大量的胶结物充填于颗粒之间的孔隙，进一步降低了山2 段砂岩的物性。

（3）含煤的沉积环境不利于原生孔隙的保存。钻井岩心观察揭示出鄂尔多斯盆地东部山2 段三角洲平原地区发育大量炭屑、植物茎干，偶尔可见完整的植物叶片化石和碳化植物碎屑（图8），反映出该地区整体处于含煤沉积环境，因此该地区的早期成岩环境应是酸性环境。在酸性环境下，早期的碳酸盐胶结物难以在碎屑颗粒之间的原生孔隙内形成，无法充填孔隙，导致压实作用过程中原生孔隙更容易受到破坏。

图8 鄂尔多斯盆地东部山2 段沉积构造特征（a）炭线，T25#，山21，2 863.3 m；（b）植物碎屑，S19#，山22，2 717.1 m；（c）炭线，B9 井，山23，2911.5 m；（d）植物碎屑，T25 井，山23，2 905.1 mFig.8 Sedimentary structure characteristics of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

（4）多种因素导致溶蚀作用较弱无法改善储层物性。溶蚀作用是砂岩次生孔隙形成的主要因素，但是研究区内溶蚀作用弱，未见到大量铸模孔和粒间溶蚀扩大孔，仅在长石和岩屑颗粒内部可见部分粒内溶孔、岩屑溶孔，而其主要受控于两方面因素：①溶蚀流体的活动性不强，早期快速埋藏压实作用减小了原生孔隙，导致储层物性较差，连通性不好，地层中溶蚀流体难以大面积流动；同时，前人研究认为该地区大地构造背景稳定［23］，也不利于储层溶蚀流体的活跃性，导致溶蚀作用普遍较弱。②可溶蚀对象少，岩石类型以石英砂岩为主，长石和可溶性岩屑含量较低，难以发生大规模的溶蚀作用。

（5）快速埋藏过程不利于原生孔隙的保存。虽然山2 段的埋藏深度浅，但是山2 段沉积后，在近50 Ma 的时间内埋藏深度达到了最大埋深，因此埋藏速度非常快（图9）。加之塑性岩屑含量较高，并且早期碳酸盐胶结物未有效充填孔隙，导致该地区砂岩的抗压强度较小，在压实过程中，原生孔隙几乎损失殆尽。压实作用导致储层物性变差，埋藏越深，孔渗越小。