譚東萍，羅 龍，譚先鋒，王 佳，高儇博，曹桐生，周歡煥，查小軍

(1.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331；3.中國石化華北油氣分公司，河南 鄭州 450006)

0 引 言

致密砂巖層是指孔隙度小于10.00%、空氣滲透率小于1.00 mD的砂巖層[1-3]，已成為全球開發(fā)規(guī)模最大的非常規(guī)天然氣資源[4-5]。成藏是常規(guī)油氣研究的核心，而儲層則是非常規(guī)油氣研究的核心[6]。致密砂巖氣藏儲層的形成經(jīng)歷多種復(fù)雜的成巖作用，從而導(dǎo)致儲層孔隙度和滲透率發(fā)生變化，故致密砂巖中優(yōu)質(zhì)儲層成因的根本是成巖作用[7]。因此，深入研究致密砂巖儲層的成巖作用，厘清致密砂巖儲層致密化過程，揭示儲層的微觀特征，對孔隙成因分析、儲層綜合評價和有利儲層預(yù)測具有重要意義。

致密砂巖成巖演化對油氣儲層改造具有重要意義，而成巖作用對控制儲層形成和發(fā)育起關(guān)鍵作用。鄂爾多斯盆地東勝氣田下石盒子組作為致密砂巖氣研究的重要層位之一，許多學(xué)者對其儲層特征、成巖作用[8-11]以及沉積相[12-14]等方面進行了探討，認為該地區(qū)經(jīng)歷了多種成巖作用，孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表現(xiàn)出較強的非均質(zhì)性[9-11,13]，為河流—三角洲相致密砂巖儲層[12]，但成巖作用和成儲效應(yīng)認識還不夠深入。因此，綜合運用巖心觀察、沉積相、測井等資料，利用鑄體薄片顯微觀察、孔滲測試、碳氧同位素分析、掃描電鏡分析、包裹體均一溫度測試及高壓壓汞測試等手段，對鄂爾多斯盆地東勝氣田下石盒子組儲集層的巖石學(xué)特征、儲集空間類型、儲層物性特征、孔隙結(jié)構(gòu)特征以及成巖作用特征進行深入研究，探索研究區(qū)致密砂巖儲層成因機理、明確儲層成巖演化階段和序列，系統(tǒng)探討成巖作用對儲層物性的影響，以期為致密砂巖的有利儲層預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

東勝氣田位于伊陜斜坡北緣、伊盟隆起中南部，其主體位于伊盟隆起杭錦旗斷階帶北東段，泊爾江海子斷裂西南處，面積為572 km2(圖1)。區(qū)域構(gòu)造演化導(dǎo)致研究區(qū)地層呈現(xiàn)出北東高、南西低[15]。此次研究層位為上古生界二疊系下石盒子組，是研究區(qū)主要產(chǎn)氣層之一，為河流相沉積環(huán)境，多發(fā)育辮狀河和曲流河[16]。

圖1 鄂爾多斯盆地東勝氣田構(gòu)造位置及井位分布

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學(xué)特征

東勝氣田下石盒子組巖石類型主要為巖屑砂巖(圖2，樣品數(shù)為72)，骨架顆粒中石英含量為21.0%～62.0%，平均為44.5%；長石含量為1.0%～6.0%，平均為3.3%；巖屑含量為15.0%～63.0%，平均為39.7%(表1)。砂巖粒度以中砂、中-粗砂、粗砂和含礫粗砂巖為主。石英顆粒為次圓—次棱角狀，長石和巖屑多為次圓狀，分選主要為中等—差，部分分選較好。接觸關(guān)系多為線接觸，部分為點-線接觸和凹凸接觸。研究區(qū)砂巖多呈成分成熟度中等、結(jié)構(gòu)成熟度較低的特征。

圖2 東勝氣田下石盒子組儲層砂巖三角投點圖

碎屑組分包括砂巖骨架顆粒石英、巖屑和長石，以巖屑為主，其次為石英，長石含量低，以及少量云母、燧石和重礦物等。巖屑組分主要為變質(zhì)巖巖屑和火山巖巖屑(表1)。

表1 東勝氣田下石盒子組砂巖組分特征Table 1 The characteristics of sandstone components in the lower Shihezi Formation, Dongsheng Gasfield

研究區(qū)下石盒子組儲層砂巖的填隙物包括膠結(jié)物和雜基。膠結(jié)物以方解石為主，局部可見石英次生加大和綠泥石膠結(jié)物，方解石膠結(jié)物含量差異大，局部為連晶基底式膠結(jié)，非均質(zhì)性較強。此外，砂巖雜基主要為泥質(zhì)、絹云母和水云母等，部分千枚巖巖屑形成假雜基。

2.2 儲層物性特征

東勝氣田下石盒子組顆粒較粗，儲層物性總體較差。儲層孔隙度為2.00%～16.00%，平均約為9.58%；滲透率為0.01～10.00 mD，為低孔低滲致密儲層，孔滲相關(guān)性較差(圖3a)，且儲層物性分布范圍較大，具有較強的非均質(zhì)性，與儲層儲集空間有關(guān)。儲層孔隙度垂向分布顯示，砂巖儲層孔隙度在2 680.00～2 980.00 m內(nèi)隨著深度增加而逐漸減小，但是在3 000.00 m以深隨著深度增加孔隙度略微升高，在2 700.00 m和3 050.00 m附近出現(xiàn)2個異常高孔隙帶(圖3b)。因此，在整體致密背景下，研究區(qū)下石盒子組砂巖發(fā)育相對優(yōu)質(zhì)儲層，主要為低孔低滲儲層。根據(jù)巖心鑄體薄片、陰極發(fā)光和掃描電鏡等觀察，研究區(qū)下石盒子組儲層儲集空間主要為次生溶孔，偶見微裂縫，原生孔隙幾乎全被破壞(圖4)。次生孔隙主要為粒內(nèi)溶孔(圖4a、c—f、h—k)、鑄?？?圖4a、b、g)及少量粒間溶孔(圖4k)和微裂縫(圖4e、l)，次生溶孔平均面孔率最高可達9%，主要由長石和少量火山巖巖屑溶蝕(圖4d、i、k)形成，部分長石溶蝕孔隙被方解石膠結(jié)物充填(圖4b-f、h)。鑄體薄片分析顯示，次生孔隙中粒內(nèi)溶孔和鑄模孔約占75%，粒間溶孔約占20%，微裂縫約為5%。

圖3 研究區(qū)下石盒子組物性關(guān)系

圖4 研究區(qū)儲層儲集空間類型

2.3 成巖作用特征

2.3.1 壓實作用

研究區(qū)下石盒子組砂巖主要為巖屑砂巖，巖屑含量高，其中，巖屑以千枚巖和石英巖為主(表1)。顆粒間以線接觸為主，部分為凹凸接觸。云母和軟巖屑塑性變形嚴重，其中部分千枚巖巖屑形成假雜基(圖5a—c)?？傮w而言，研究區(qū)下石盒子組砂巖壓實作用強烈，原生孔隙幾乎被全部破壞，面孔率低。

圖5 東勝氣田下石盒子組砂巖成巖作用特征

2.3.2 膠結(jié)作用

研究區(qū)下石盒子組砂巖膠結(jié)物普遍發(fā)育，主要包括碳酸鹽巖膠結(jié)物、自生黏土礦物及少量硅質(zhì)膠結(jié)物。

(1) 碳酸鹽巖礦物。薄片鑒定和X-衍射分析顯示，碳酸鹽巖礦物以方解石為主(圖5d、f—h)，儲層中方解石普遍存在，含量變化很大。研究區(qū)下石盒子組砂巖中方解石含量為0.50%～20.00%，平均為4.86%。方解石膠結(jié)物的賦存狀態(tài)主要為孔隙充填(圖5d)，部分交代長石等顆粒(圖5d、f—h)。下石盒子組砂巖中孔隙充填方解石含量為2.00%～18.00%，平均為6.55%，交代形式的方解石含量為0.50%～7.00%，平均為2.40%。孔隙充填方解石的粒間體積百分比最高約為18%，表明方解石膠結(jié)物開始于成巖早期，同時部分方解石局部或完全交代長石顆粒?？紫冻涮罘浇馐纬蓵r間早于交代方解石，但陰極發(fā)光顯示兩者組分無明顯差異(圖5g、h)，由于晚期方解石膠結(jié)包括顆粒交代和部分孔隙充填，孔隙充填和交代2種方解石成因具有一定的相似性。

(2) 硅質(zhì)膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)物主要包括孔隙充填自生石英(圖5m)和石英次生加大邊(圖5g、h、n)。自生石英與長石溶解作用常伴生出現(xiàn)，表明自生石英主要來自于長石溶解。

(3) 黏土礦物膠結(jié)。自生黏土礦物主要包括自生高嶺石(圖5g、h、j、l)、自生綠泥石(圖5f、k、m)和自生伊利石(圖5i、k、l)，黏土礦物轉(zhuǎn)化主要包括長石高嶺石化、高嶺石伊利石化及綠泥石化等(圖5o)。高嶺石主要分布于顆粒之間或顆粒溶蝕孔內(nèi)，表明高嶺石主要來自長石溶解或者長石高嶺石化。自生綠泥石主要為孔隙充填(圖5k)和顆粒包膜(圖5f、m)，在早成巖階段，綠泥石一般不直接沉淀，幾乎所有綠泥石包膜都是顆粒包膜?？紫冻涮顮罹G泥石形成于較晚的成巖階段，表現(xiàn)為自形的玫瑰花狀、葉片狀，并與自生石英共生?？紫冻涮顮罹G泥石主要由蒙脫石等轉(zhuǎn)化而來，受砂巖結(jié)構(gòu)控制，分布在水動力較強的環(huán)境。高嶺石伊利石化現(xiàn)象普遍存在，表明自生伊利石多為高嶺石轉(zhuǎn)化形成，其中長石溶蝕可以提供高嶺石和K+。

2.3.3 溶蝕作用

研究區(qū)目的層溶蝕作用非常普遍，是導(dǎo)致次生孔隙形成的最主要成巖事件，對改善儲層的孔滲特性意義重大。長石和火山噴發(fā)巖巖屑部分或全部溶蝕形成粒內(nèi)溶孔、鑄?？缀蜕倭苛ｉg溶孔(圖5e、f、l)。

次生孔隙的鑒定主要依賴于薄片和SEM觀察，早期方解石與溶蝕作用的關(guān)系顯示溶蝕作用大致開始于早成巖作用B期。

3 成巖演化及成儲過程

3.1 成巖演化階段劃分

黏土礦物的X-射線衍射分析結(jié)果表明，東勝氣田下石盒子組砂巖自生黏土礦物主要分為伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層，且伊蒙混層中蒙脫石混層比為15%～20%(表2)。自生伊利石呈絲發(fā)狀(圖5i,k)，自生綠泥石呈葉片狀(圖5k)，石英次生加大屬于II級(圖5n)。埋藏深度分布為2 000.00～3 000.00 m，反映出東勝氣田二疊系下石盒子組處于中成巖A期。

表2 東勝氣田下石盒子組X-衍射黏土礦物分析Table 2 The X-ray diffraction analysis of clay minerals in the lower Shihezi Formation, Dongsheng Gasfield

3.2 成巖-孔隙演化過程

據(jù)2014年的中國地層表，盆地北部中下二疊統(tǒng)(下石盒子組與山西組主力產(chǎn)層)平均地質(zhì)年齡約為280.0 Ma(260.4～299.0 Ma)。結(jié)合前人研究成果[14]，通過研究區(qū)埋藏史和膠結(jié)物含量綜合分析表明，早成巖A期以機械壓實和綠泥石環(huán)邊作用為主，開始形成早期大規(guī)模方解石膠結(jié)作用，孔隙驟然減少，碎屑之間呈線-凹凸接觸，顆粒的接觸強度相對較低(圖6)。隨著下石盒子組儲層繼續(xù)埋藏，受印支運動影響，早成巖B期主要成巖事件為早期孔隙充填方解石、石英次生加大，原生粒間孔含量繼續(xù)減小。早成巖晚期—中成巖A期早期，烴源巖開始生烴，排出大量有機酸，酸性流體攜帶物質(zhì)進入，加快早期長石、巖屑和方解石等的溶蝕溶解，形成次生孔隙。與此同時，自生高嶺石、自生石英以及石英次生加大開始形成，成巖系統(tǒng)基本封閉，存在物質(zhì)平衡。隨埋藏加深，燕山晚期—喜山期盆地整體抬升。中成巖B期，儲層成巖流體由酸性變?yōu)閴A性，主要成巖事件為晚期方解石膠結(jié)作用和伊利石的形成。

圖6 研究區(qū)下石盒子組儲層成巖序列與儲層孔隙演化特征

綜合分析表明，研究區(qū)下石盒子組砂巖主要處于中成巖階段A期，部分為中成巖B期(圖6)。根據(jù)成巖特征及相互關(guān)系，結(jié)合前人研究成果，研究區(qū)下石盒子組主要成巖序列為壓實作用—早期綠泥石包膜—早期方解石孔隙膠結(jié)、溶蝕作用—高嶺石化、石英次生加大—晚期方解石膠結(jié)、伊利石化(圖6)。

4 成巖作用對儲層的影響

4.1 機械壓實作用的減孔效應(yīng)

埋藏過程中由于上覆應(yīng)力增加導(dǎo)致沉積物機械壓實，石英、長石等顆粒排列重組，顆粒多呈線接觸。巖屑、云母等塑性顆粒經(jīng)壓實發(fā)生彎曲變形并擠入粒間孔，使原生粒間孔隙體積減小，孔喉結(jié)構(gòu)變差。研究表明，壓實作用造成東勝氣田早期成巖作用孔隙的大量減少，隨著成巖演化的加強，壓實作用的影響減弱(圖6)。

4.2 膠結(jié)作用對致密砂巖儲層的影響

早期孔隙方解石膠結(jié)和少量石英膠結(jié)物的形成可以抵抗機械壓實作用，從而保存部分孔隙[15](圖6)；晚期碳酸鹽巖膠結(jié)和石英次生加大占據(jù)了孔隙的位置，是導(dǎo)致東勝氣田下石盒子組儲層物性變差的主要因素(圖6)。此外，早期形成的環(huán)邊綠泥石薄膜可以有效地抑制石英次生加大的形成以及部分粒間碳酸鹽巖膠結(jié)物的沉淀，增強碎屑顆粒間的抗壓實能力，有利于孔隙的保存(圖6)。自生黏土礦物充填孔隙，并且可以形成黏土礦物邊，沿碎屑顆粒表面垂直生長，從而降低儲層滲透率和孔隙度。

4.3 溶解作用是改善儲層物性的主要因素

研究區(qū)山西組煤系烴源巖一般在成巖早期就開始產(chǎn)生有機酸[15]，在80～140 ℃(相當(dāng)于中期成巖階段A期)時達到高峰[16]。研究區(qū)下石盒子組儲層主要發(fā)育在底部盒一段，煤系地層埋藏后提供的酸性孔隙流體造成早期長石和方解石的溶蝕溶解，形成大量次生孔隙，且該孔隙與粒間孔隙相連接,有效地改善了孔隙的連通性和滲流條件，提高了儲層的儲集性能(圖6)。

5 結(jié) 論

(1) 東勝氣田下石盒子組儲層主要為巖屑砂巖，砂巖粒度較粗，呈成分成熟度中等、結(jié)構(gòu)成熟度較低的特征。儲集空間主要為次生溶孔，偶見微裂縫，原生孔隙幾乎全部被破壞。次生孔隙主要為粒內(nèi)溶孔、鑄模孔及少量粒間溶孔和晶間孔。儲層致密化程度高，物性極差，表現(xiàn)出低孔低滲的特征。

(2) 東勝氣田下石盒子組砂巖主要成巖作用類型為機械壓實作用、方解石膠結(jié)及溶蝕作用，其次為黏土礦物膠結(jié)及硅質(zhì)膠結(jié)作用。其中，早期方解石膠結(jié)主要分為早期孔隙充填膠結(jié)，晚期膠結(jié)包括顆粒交代和部分孔隙充填膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)主要為石英次生加大邊和部分孔隙自生石英。黏土礦物轉(zhuǎn)化主要包括長石高嶺石化、高嶺石伊利石化及綠泥石化等。溶蝕作用對象主要為長石及部分火山巖巖屑，為儲層孔隙主要來源。

(3) 研究區(qū)下石盒子組砂巖主要處于中成巖階段A期，部分處于中成巖階段B期。孔隙充填方解石主要形成于早成巖階段B期末至中成巖階段A期，早期物質(zhì)來源于相鄰泥巖和山西組煤系地層，中、后期方解石膠結(jié)(交代方解石為主)形成與有機酸溶蝕作用有關(guān)。中成巖階段，研究區(qū)下石盒子組砂巖溶蝕作用雖明顯增強，但強烈壓實和膠結(jié)作用導(dǎo)致儲層物性明顯降低，物質(zhì)運移能力明顯受限，成巖系統(tǒng)存在物質(zhì)平衡，總體處于封閉成巖系統(tǒng)。