鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組致密砂巖儲層特征及主控因素

摘 要

摘要：為揭示鄂爾多斯盆地東北部下二疊統下石盒子組致密砂巖儲層的發育規律及主控因素，采用巖心觀察、粒度分析、砂巖薄片鑒定、掃描電鏡、毛細管壓力分析、X衍射、有機質成熟
摘要：為揭示鄂爾多斯盆地東北部下二疊統下石盒子組致密砂巖儲層的發育規律及主控因素，采用巖心觀察、粒度分析、砂巖薄片鑒定、掃描電鏡、毛細管壓力分析、X衍射、有機質成熟度和包裹體測溫等手段，研究了儲層的巖石學特征、孔喉結構和物性特征。結果表明：該區儲層主要以中 粗粒巖屑石英砂巖為主，巖屑砂巖和石英砂巖次之；儲集空間類型包括剩余原生粒間孔、剩余原生粒間微孔、粒間溶孔、粒內溶孔和微裂縫，次生孔隙是儲集空間的主體；喉道類型以片狀型、縮頸型、管狀喉道型與粒間隙喉道型為主；儲層的平均孔隙度為6.07%，主體介于3.0%～10.0%之間，滲透率平均值為0.093mD，80%的值介于0.001～0.4mD之間，屬于以中、小孔-細、微喉組合為特征的致密砂巖儲層。在此基礎上，綜合分析了致密儲層與沉積、成巖作用的關系。結論認為：淺水三角洲砂巖是這些致密砂巖儲層的物質基礎；壓實作用和膠結作用導致儲層致密化；中成巖階段有機酸對砂巖中不穩定礦物以及碳酸鹽膠結物的溶解作用是儲層形成的關鍵。
關鍵詞：鄂爾多斯盆地；東北；早二疊世；致密砂巖；儲集層；成巖作用；淺水三角洲；溶解作用
    近年來，致密儲層成為我國油氣勘探開發的重要突破點。據統計，致密油氣資源具有含油氣多、油氣藏類型多、分布區域廣的特點，其產量已超過油氣總產量的1/3強。賈承造院士于2009年3月在北京召開的首屆中國低滲透(致密)油氣勘探開發技術研討會上表示，預計中國油氣產量中，低滲透油氣所占比例將持續增大，中國未來油氣產量穩產增產將更多地依靠低滲透油氣。特別是我國增產速度最快、為我國油氣產量快速發展作出了重大貢獻的長慶油田，在低滲透(致密)油氣勘探開發方面成功開創了“安塞模式”和“蘇里格模式”。位于蘇里格東面的榆林、子洲、米脂等氣田同蘇里格氣田一樣，屬典型的致密砂巖儲層[1]。前人研究了該地區的物源、沉積相、巖性、凝灰質、埋藏史、成巖作用、構造裂縫發育程度等與儲層的關系，認為儲集砂體具有巖性、巖相變化大，成巖作用復雜等地質特征，導致了儲層的非均質性強，勘探開發難度大[2～5]。筆者分析了鄂爾多斯盆地東北部下二疊統下石盒子組砂巖儲層的巖石學特征、孔隙類型及結構、物性特征，進一步探討了該地區致密砂巖儲層的主控因素，以期提高儲層描述的準確性，以及更好地掌握相對優質儲層的時空展布規律，并為儲層預測提供依據。
1 儲層特征
1.1 巖石學特征
    根據薄片鑒定，鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組儲層主要以灰色、淺灰色中-粗粒巖屑石英砂巖為主，巖屑砂巖和石英砂巖次之。碎屑顆粒組分含量具有高石英、高巖屑、低長石的特點。石英包括單晶石英和多晶石英，兩者的含量都相對較高，石英顆粒一般呈次棱角-次圓狀，分選中等偏好，常具次生加大邊，優質儲層往往具有較高的石英含量(石英含量大于70%)。巖屑組分含量一般為20%，巖屑主要為千枚巖巖屑、石英巖巖屑、變質砂巖巖屑、片巖巖屑、泥巖巖屑、噴出巖巖屑，具碳酸鹽化和溶蝕現象。長石含量一般小于2%，主要為微斜長石和鉀長石，鉀長石含量相對微斜長石高，具溶蝕和水云母化現象。填隙物主要包括凝灰質、高嶺石、綠泥石、硅質、方解石、鐵方解石、水云母(伊利石)等。其中凝灰質對儲層發育有重要影響。碎屑分選性中等偏好，磨圓度較差，多為磨圓次棱角-次圓狀，顆粒支撐，接觸類型有接觸式-孔隙式和孔隙式-接觸式.，接觸關系包括線接觸和點接觸。
1.2 孔喉特征
    根據薄片鑒定及掃描電鏡分析可知鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組砂巖儲層以次生溶孔+剩余原生粒間孔組合為特征。粒間孔隙以小于0.1mm的小孔為主，少量為0.2～1.0mm的中孔和大孔，總面孔率變化大(0.2%～20%不等)，主要集中在0.5%～3%之間。具體包括以下幾類孔隙成因類型。
1.2.1原生孔隙
    由于砂巖儲層經過強烈的壓實、壓溶、膠結充填作用等致密化成巖過程，使得原始粒間孔已經保存很少。原生粒間孔隙常被水云母雜基，方解石、綠泥石、高嶺膠結物和石英次生加大充填形成剩余原生粒間孔和剩余原生粒間微孔兩種亞類型。
1.2.1.1 剩余原生粒間孔
    由世代膠結物充填之后余下的孔隙直徑大于0.01mm的粒間孔隙，這類孔隙是鄂爾多斯盆地東北部優質天然氣儲層的主要孔隙類型之一(圖1-a、b)。

1.2.1.2 剩余原生粒間微孔
    原生粒間孔或剩余原生粒間孔被雜基和自生黏土礦物等全充填，僅保存自生黏土礦物晶體或雜基間的微小孔隙，這類孔隙直徑小于0.01mm(圖1-c)。
1.2.2次生孔隙
    下石盒子組砂巖儲層的次生孔隙較發育，一般由溶蝕作用形成，主要有粒間溶孔、粒內溶孔。
    粒間溶孔：碎屑物之間的填隙物(膠結物與雜基)或碎屑物邊緣被溶形成的孔隙，分布普遍，是該地區砂巖儲層的最重要孔隙類型(圖1-d)。
    粒內溶孔：骨架顆粒中的長石、云母、碳酸鹽巖屑以及由含有鋁硅酸礦物的巖屑被不同程度溶蝕后在粒內形成溶蝕孔隙，它們在成分成熟度較低的砂巖中常見(圖1-e)。
1.2.3裂縫
    骨架顆粒在構造應力作用下破裂形成，沿破裂縫兩側經常伴隨溶蝕作用，形成裂溶縫。由于鄂爾多斯盆地構造較穩定，儲層內構造裂縫不發育，含有少量成巖破裂縫，溶蝕破裂縫，以縫寬為0.01～0.02mm的微縫為主的裂縫型組合(圖1-f)。
    砂巖儲層喉道類型以片狀型、縮頸型、管狀喉道型與粒間隙喉道型為主，而點狀喉道極少。一般的，石英砂巖和巖屑石英砂巖喉道直徑相對較大，在0.2μm左右，而巖屑砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖等，喉道直徑相對較小。
    總體上，以中、小孔-細、微喉型組合為主。由于壓實作用較強，再加上顆粒間一世代膠結的綠泥石和世代膠結的方解石、硅質充填作用形成致密化的成巖背景，致使儲層孔隙結構普遍較差。溶蝕作用和微裂縫在很大程度上增加了孔隙空間，并在局部明顯改善了喉道的連通性。
1.3 物性特征
    鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組2134個砂巖樣品的孔隙度和滲透率參數統計顯示：孔隙度范圍為0.7%～16.3%，平均值6.07%，80%的樣品介于3.0%～10.0%之間；滲透率范圍較寬，為0.001～26.347mD，平均值0.093mD，80%樣品介于0.001～0.4mD之間。通過對孔隙度與滲透率的相關分析得到相關系數為0.660，相關性一般，說明砂巖的儲集和滲流空間除了依賴于砂巖基質孔隙與喉道外，不均勻分布的溶蝕空洞、微裂縫和裂溶縫對儲集和滲流空間有一定貢獻。孔隙度和滲透率總體分布特征表明，鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組屬于典型的低孔低滲儲層。
2 致密砂巖儲層形成的主控因素
    碎屑巖儲層研究認為，有無儲層是一個沉積問題，一般情況下，只要有砂體就有儲層，但是儲層質量則更多的是一個成巖作用問題。成巖作用導致了砂巖的孔隙度從沉積時40%～50%的初始孔隙度發展到現在不足10%的孔隙度。通過綜合分析沉積作用和成巖作用與低孔低滲背景下優質儲層發育的關系，認為以下3大因素是形成該地區大面積致密儲層的關鍵。
2.1 淺水三角洲為大面積砂巖儲層奠定基礎
    淺水三角洲一般形成于水體較淺、構造穩定的臺地、陸表海等環境。我國學者在研究我國陸相盆地過程中，認為松遼盆地、鄂爾多斯盆地等大型坳陷湖泊由于具有地形平緩、整體緩慢沉降的特點，有利于淺水三角洲的形成，且油氣勘探證實了淺水三角洲有利于大型油氣田的形成[6]。
    沉積特征及構造背景研究認為鄂爾多斯盆地晚古生代的充填演化過程中，北緣隆起帶緩慢持續抬升，物源供給穩定，碎屑物通過多個水系充填到盆地中，形成幾個近于平行的相互交織的淺水三角洲，主要有以下幾個方面的證據：①眾多研究成果表明鄂爾多斯盆地晚古生代早石盒子期為大型陸內坳陷盆地，其北部為一個由北向南的大型緩坡地貌，湖盆水體淺，有利于淺水三角洲的形成；②發育典型的弱進積或加積型淺水三角洲的層序結構(圖2)，這也與淺水三角洲形成于物源供給穩定、盆地整體緩慢沉降的構造背景相符；③不發育吉爾伯特三角洲特有的頂積層、前積層、底積層三褶結構，而是以平行、亞平行結構為特征；④以發育高能分流河道砂為特征，不大發育河口壩，這是由淺水三角洲具有水淺流急、可容納空間小的特點所致；⑤野外露頭及大量鉆井揭示砂體呈席狀大面積展布。

    由于淺水三角洲長距離的均衡卸載作用，沒有一般三角洲快速卸載形成的沉積中心，同時湖平面的頻繁波動，造成湖岸線大范圍的進退，因而形成了大面積網狀分布的分流河道。雖然這些大面積分布的分流河道砂體雜基含量較高，在成巖演化過程中經歷了復雜的致密化過程，但是在三維空間上形成的網狀巖性疏導體系，為成巖流體的進入并改善儲層奠定了基礎。
2.2 壓實作用和膠結作用導致儲層致密化
2.2.1壓實作用
    指松散沉積物在上覆水體和沉積物負荷壓力作用下發生總體積縮小和孔隙度降低的一種成巖作用方式，是儲層形成過程中一種主要的破壞性成巖作用。鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組砂巖儲層的埋藏深度大，機械壓實作用強，埋藏史模擬得出的最大古埋深介于3000～4100m之間(早白堊世末)[7]，當前埋藏深度介于2000～3300m之間。顯微鏡下砂巖呈顆粒支撐，顆粒間以線接觸為主，部分呈點-線接觸或凹凸狀接觸；石英或巖屑等剛性碎屑發育壓實作用形成的脆性微裂紋和壓溶現象(圖3-a)；云母碎屑、千枚巖、泥巖巖屑等塑性顆粒被壓實變形(圖3-b)，甚至呈假雜基充填顆粒間。這些現象表明砂巖儲層經歷了較強的壓實作用。強烈的壓實作用不但喪失了大部分的原生孔隙，也不利于次生孔隙孔隙的保存，是研究區砂巖儲層致密化的一個重要因素。

2.2.2膠結作用
    砂巖中的膠結物類型多、含量高，通常超過10%。膠結物除了雜基外，還有較多的自生礦物，如自生高嶺石、自生伊利石、綠泥石、硅質、方解石、鐵白云石、含鐵方解石等碳酸鹽礦物，其中尤以高嶺石和方解石分布最為廣泛(圖3-c、d、e)。它們將松散的沉積物固結起來的同時，堵塞了大量的粒間孔甚至次生孔，對儲層起到明顯的破壞作用，成為導致該地區砂巖儲層致密化的又一重要因素。值得注意的是，有些膠結作用對孔隙的保存起到了積極的作用，如早期綠泥石包殼可以抑制石英次生加大、增強巖石抗壓實能力，有利于一部分原生孔隙的保存(圖1-a)；方解石、鐵方解石等碳酸鹽膠結物，呈凝塊狀膠結顆粒，除占據砂巖原生、次生孔隙外，提高了巖石的抗壓實能力，又為后期溶解作用提供了物質基礎，后期方解石膠結物的部分溶蝕作用，可以再次釋放出一部分粒間孔。
2.3 有機酸的溶解作用是優質儲層形成的關鍵
    前面的研究顯示，次生孔隙是鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組砂巖儲層的重要孔隙類型之一。薄片顯微特征和掃描電鏡特征分析認為，砂巖中含有豐富的長石顆粒、花崗巖巖屑、安山巖巖屑、英安巖巖屑、凝灰巖巖屑、火山凝灰質雜基和碳酸鹽膠結物等易溶組分。成巖機理研究證實，有機質轉化過程中產生的有機酸是長石等鋁硅酸鹽礦物和其他易溶組分溶解的重要成巖流體。下石盒子組的下伏地層為海陸過渡相的煤系地層，有機質成熟度高，以腐殖型為主，部分為混合型[8～9]，具備產生大量有機酸的條件，為不穩定礦物的溶解提供了充足的酸性介質來源。
以下幾方面的證據表明成巖作用達到中成巖B期，部分已達到晚成巖階段：①石英次生加大邊中包裹體的平均均一溫度為89.7～143.2℃；②有機質低成熟-成熟，鏡質組反射率(Ro)大致為0.5%～1.4%；③巖石碎屑顆粒常為線或點-線接觸，總體上壓實作用中等偏強，有一定的原生孔隙發育；④黏土礦物組合主要為伊/蒙混層+伊利石+高嶺石，缺少蒙脫石，蒙皂石(S)層在I/S混層中所占比例常在15%～35%之間；⑤大部分石英顆粒具有Ⅱ-Ⅲ級的次生加大邊(圖3-e)；⑥有白云石、含鐵方解石等自生礦物(圖3-f)。
    通過不穩定組分的溶蝕現象、自生礦物、膠結物、有機質成熟、沉積埋藏史與孔隙演化的關系研究認為：壓實作用、碳酸鹽膠結、自生礦物沉淀作用是孔隙損失的重要因素，有機酸對易溶組分的溶解作用是研究區儲層次生孔隙的主要形成機制。
    早成巖作用B期，腐殖質在相對淺的埋藏地點因氧化反應，在埋藏壓實過程中釋放出少量有機酸，形成酸性環境，長石等硅質鹽礦物部分溶蝕形成次生孔，少量方解石膠結物溶解，釋放出部分粒間孔形成次生粒間溶孔，溶蝕作用釋放出的硅質，或者在同生-早成巖階段火山作用提供的硅質，沉淀形成Ⅰ級石英次生加大，同時有蒙皂石或伊蒙混層生成充填于原生空隙中。
    中成巖作用階段，由于有機質的成熟釋放出大量的有機酸進入砂巖儲層中，長石、巖屑和凝灰質等進一步溶蝕形成次生孔隙。如長石溶解形成的粒間擴大孔(圖1-d)、網狀粒內孔溶孔(圖1-e)，同時有Ⅱ-Ⅲ級石英加大(圖3-e)、自生石英晶體以及大量黏土礦物礦物生成并轉化充填于原生孔和次生孔中，形成次生微孔。在這個階段，另一種重要的溶解作用是方解石膠結物溶解釋放出部分次生粒間溶孔(圖3-c)，連晶方解石膠結物幾乎完全被溶蝕形成的粒間溶孔較難與粒間孔相區別。這也是為什么在幾乎相同的沉積成巖環境下形成的砂巖中，好儲層極少有方解石膠結物，而差儲層和非儲層的粒間孔往往被方解石膠結物所占據。部分達到晚成巖作用階段的地方，可見鉀長石次生加大，含鐵方解石的生成，長石顆粒的碳酸鹽化(圖3-f)。
    由此可見，溶解作用對研究區內致密砂巖中優質儲層的形成起著至關重要的作用。該階段形成的次生溶孔(包括長石、巖屑等不穩定礦物溶解和碳酸鹽膠結物溶解作用所形成的)與原生剩余粒間孔共同組成了下石盒子組儲層的儲集空間，并且次生溶孔占主導。
3 結論
    1) 鄂爾多斯盆地東北部下石盒子儲層主要以灰色、淺灰色中-粗粒巖屑石英砂巖為主，巖屑砂巖和石英砂巖次之。儲集空間類型包括剩余原生粒間孔、剩余原生粒間微孔、粒間溶孔、粒內溶孔和微裂縫，次生孔隙是儲集空間的主體。喉道類型以片狀型、縮頸型、管狀喉道型與粒間隙喉道型為主。
    2) 砂巖儲層的平均孔隙度為6.07%，總體位于3.0%～10.0%之間；滲透率平均值為0.13mD，總體位于0.001～0.4mD之間?？紫抖群蜐B透率總體分布特征表明，鄂爾多斯盆地東北部下石盒子組屬于以中、小孔-細、微喉型組合為特征的低孔低滲儲層。
    3) 砂巖儲層的主控因素分析表明：淺水三角洲為大面積砂巖儲層的發育奠定了基礎；壓實作用和膠結作用導致儲層致密化；有機酸對砂巖中不穩定礦物以及碳酸鹽膠結物的溶解作用是優質儲層的關鍵。
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(本文作者：張曉峰1 侯明才1，2 陳安清1 1.成都理工大學沉積地質研究院；2.“油氣藏地質及開發工程”國家重點實驗室·成都理工大學)