鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组致密砂岩储层特征及主控因素

摘 要

摘要：为揭示鄂尔多斯盆地东北部下二叠统下石盒子组致密砂岩储层的发育规律及主控因素，采用岩心观察、粒度分析、砂岩薄片鉴定、扫描电镜、毛细管压力分析、X衍射、有机质成熟
摘要：为揭示鄂尔多斯盆地东北部下二叠统下石盒子组致密砂岩储层的发育规律及主控因素，采用岩心观察、粒度分析、砂岩薄片鉴定、扫描电镜、毛细管压力分析、X衍射、有机质成熟度和包裹体测温等手段，研究了储层的岩石学特征、孔喉结构和物性特征。结果表明：该区储层主要以中 粗粒岩屑石英砂岩为主，岩屑砂岩和石英砂岩次之；储集空间类型包括剩余原生粒间孔、剩余原生粒间微孔、粒间溶孔、粒内溶孔和微裂缝，次生孔隙是储集空间的主体；喉道类型以片状型、缩颈型、管状喉道型与粒间隙喉道型为主；储层的平均孔隙度为6.07%，主体介于3.0%～10.0%之间，渗透率平均值为0.093mD，80%的值介于0.001～0.4mD之间，属于以中、小孔-细、微喉组合为特征的致密砂岩储层。在此基础上，综合分析了致密储层与沉积、成岩作用的关系。结论认为：浅水三角洲砂岩是这些致密砂岩储层的物质基础；压实作用和胶结作用导致储层致密化；中成岩阶段有机酸对砂岩中不稳定矿物以及碳酸盐胶结物的溶解作用是储层形成的关键。
关键词：鄂尔多斯盆地；东北；早二叠世；致密砂岩；储集层；成岩作用；浅水三角洲；溶解作用
    近年来，致密储层成为我国油气勘探开发的重要突破点。据统计，致密油气资源具有含油气多、油气藏类型多、分布区域广的特点，其产量已超过油气总产量的1/3强。贾承造院士于2009年3月在北京召开的首届中国低渗透(致密)油气勘探开发技术研讨会上表示，预计中国油气产量中，低渗透油气所占比例将持续增大，中国未来油气产量稳产增产将更多地依靠低渗透油气。特别是我国增产速度最快、为我国油气产量快速发展作出了重大贡献的长庆油田，在低渗透(致密)油气勘探开发方面成功开创了“安塞模式”和“苏里格模式”。位于苏里格东面的榆林、子洲、米脂等气田同苏里格气田一样，属典型的致密砂岩储层[1]。前人研究了该地区的物源、沉积相、岩性、凝灰质、埋藏史、成岩作用、构造裂缝发育程度等与储层的关系，认为储集砂体具有岩性、岩相变化大，成岩作用复杂等地质特征，导致了储层的非均质性强，勘探开发难度大[2～5]。笔者分析了鄂尔多斯盆地东北部下二叠统下石盒子组砂岩储层的岩石学特征、孔隙类型及结构、物性特征，进一步探讨了该地区致密砂岩储层的主控因素，以期提高储层描述的准确性，以及更好地掌握相对优质储层的时空展布规律，并为储层预测提供依据。
1 储层特征
1.1 岩石学特征
    根据薄片鉴定，鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组储层主要以灰色、浅灰色中-粗粒岩屑石英砂岩为主，岩屑砂岩和石英砂岩次之。碎屑颗粒组分含量具有高石英、高岩屑、低长石的特点。石英包括单晶石英和多晶石英，两者的含量都相对较高，石英颗粒一般呈次棱角-次圆状，分选中等偏好，常具次生加大边，优质储层往往具有较高的石英含量(石英含量大于70%)。岩屑组分含量一般为20%，岩屑主要为千枚岩岩屑、石英岩岩屑、变质砂岩岩屑、片岩岩屑、泥岩岩屑、喷出岩岩屑，具碳酸盐化和溶蚀现象。长石含量一般小于2%，主要为微斜长石和钾长石，钾长石含量相对微斜长石高，具溶蚀和水云母化现象。填隙物主要包括凝灰质、高岭石、绿泥石、硅质、方解石、铁方解石、水云母(伊利石)等。其中凝灰质对储层发育有重要影响。碎屑分选性中等偏好，磨圆度较差，多为磨圆次棱角-次圆状，颗粒支撑，接触类型有接触式-孔隙式和孔隙式-接触式.，接触关系包括线接触和点接触。
1.2 孔喉特征
    根据薄片鉴定及扫描电镜分析可知鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组砂岩储层以次生溶孔+剩余原生粒间孔组合为特征。粒间孔隙以小于0.1mm的小孔为主，少量为0.2～1.0mm的中孔和大孔，总面孔率变化大(0.2%～20%不等)，主要集中在0.5%～3%之间。具体包括以下几类孔隙成因类型。
1.2.1原生孔隙
    由于砂岩储层经过强烈的压实、压溶、胶结充填作用等致密化成岩过程，使得原始粒间孔已经保存很少。原生粒间孔隙常被水云母杂基，方解石、绿泥石、高岭胶结物和石英次生加大充填形成剩余原生粒间孔和剩余原生粒间微孔两种亚类型。
1.2.1.1 剩余原生粒间孔
    由世代胶结物充填之后余下的孔隙直径大于0.01mm的粒间孔隙，这类孔隙是鄂尔多斯盆地东北部优质天然气储层的主要孔隙类型之一(图1-a、b)。

1.2.1.2 剩余原生粒间微孔
    原生粒间孔或剩余原生粒间孔被杂基和自生黏土矿物等全充填，仅保存自生黏土矿物晶体或杂基间的微小孔隙，这类孔隙直径小于0.01mm(图1-c)。
1.2.2次生孔隙
    下石盒子组砂岩储层的次生孔隙较发育，一般由溶蚀作用形成，主要有粒间溶孔、粒内溶孔。
    粒间溶孔：碎屑物之间的填隙物(胶结物与杂基)或碎屑物边缘被溶形成的孔隙，分布普遍，是该地区砂岩储层的最重要孔隙类型(图1-d)。
    粒内溶孔：骨架颗粒中的长石、云母、碳酸盐岩屑以及由含有铝硅酸矿物的岩屑被不同程度溶蚀后在粒内形成溶蚀孔隙，它们在成分成熟度较低的砂岩中常见(图1-e)。
1.2.3裂缝
    骨架颗粒在构造应力作用下破裂形成，沿破裂缝两侧经常伴随溶蚀作用，形成裂溶缝。由于鄂尔多斯盆地构造较稳定，储层内构造裂缝不发育，含有少量成岩破裂缝，溶蚀破裂缝，以缝宽为0.01～0.02mm的微缝为主的裂缝型组合(图1-f)。
    砂岩储层喉道类型以片状型、缩颈型、管状喉道型与粒间隙喉道型为主，而点状喉道极少。一般的，石英砂岩和岩屑石英砂岩喉道直径相对较大，在0.2μm左右，而岩屑砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩等，喉道直径相对较小。
    总体上，以中、小孔-细、微喉型组合为主。由于压实作用较强，再加上颗粒间一世代胶结的绿泥石和世代胶结的方解石、硅质充填作用形成致密化的成岩背景，致使储层孔隙结构普遍较差。溶蚀作用和微裂缝在很大程度上增加了孔隙空间，并在局部明显改善了喉道的连通性。
1.3 物性特征
    鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组2134个砂岩样品的孔隙度和渗透率参数统计显示：孔隙度范围为0.7%～16.3%，平均值6.07%，80%的样品介于3.0%～10.0%之间；渗透率范围较宽，为0.001～26.347mD，平均值0.093mD，80%样品介于0.001～0.4mD之间。通过对孔隙度与渗透率的相关分析得到相关系数为0.660，相关性一般，说明砂岩的储集和渗流空间除了依赖于砂岩基质孔隙与喉道外，不均匀分布的溶蚀空洞、微裂缝和裂溶缝对储集和渗流空间有一定贡献。孔隙度和渗透率总体分布特征表明，鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组属于典型的低孔低渗储层。
2 致密砂岩储层形成的主控因素
    碎屑岩储层研究认为，有无储层是一个沉积问题，一般情况下，只要有砂体就有储层，但是储层质量则更多的是一个成岩作用问题。成岩作用导致了砂岩的孔隙度从沉积时40%～50%的初始孔隙度发展到现在不足10%的孔隙度。通过综合分析沉积作用和成岩作用与低孔低渗背景下优质储层发育的关系，认为以下3大因素是形成该地区大面积致密储层的关键。
2.1 浅水三角洲为大面积砂岩储层奠定基础
    浅水三角洲一般形成于水体较浅、构造稳定的台地、陆表海等环境。我国学者在研究我国陆相盆地过程中，认为松辽盆地、鄂尔多斯盆地等大型坳陷湖泊由于具有地形平缓、整体缓慢沉降的特点，有利于浅水三角洲的形成，且油气勘探证实了浅水三角洲有利于大型油气田的形成[6]。
    沉积特征及构造背景研究认为鄂尔多斯盆地晚古生代的充填演化过程中，北缘隆起带缓慢持续抬升，物源供给稳定，碎屑物通过多个水系充填到盆地中，形成几个近于平行的相互交织的浅水三角洲，主要有以下几个方面的证据：①众多研究成果表明鄂尔多斯盆地晚古生代早石盒子期为大型陆内坳陷盆地，其北部为一个由北向南的大型缓坡地貌，湖盆水体浅，有利于浅水三角洲的形成；②发育典型的弱进积或加积型浅水三角洲的层序结构(图2)，这也与浅水三角洲形成于物源供给稳定、盆地整体缓慢沉降的构造背景相符；③不发育吉尔伯特三角洲特有的顶积层、前积层、底积层三褶结构，而是以平行、亚平行结构为特征；④以发育高能分流河道砂为特征，不大发育河口坝，这是由浅水三角洲具有水浅流急、可容纳空间小的特点所致；⑤野外露头及大量钻井揭示砂体呈席状大面积展布。

    由于浅水三角洲长距离的均衡卸载作用，没有一般三角洲快速卸载形成的沉积中心，同时湖平面的频繁波动，造成湖岸线大范围的进退，因而形成了大面积网状分布的分流河道。虽然这些大面积分布的分流河道砂体杂基含量较高，在成岩演化过程中经历了复杂的致密化过程，但是在三维空间上形成的网状岩性疏导体系，为成岩流体的进入并改善储层奠定了基础。
2.2 压实作用和胶结作用导致储层致密化
2.2.1压实作用
    指松散沉积物在上覆水体和沉积物负荷压力作用下发生总体积缩小和孔隙度降低的一种成岩作用方式，是储层形成过程中一种主要的破坏性成岩作用。鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组砂岩储层的埋藏深度大，机械压实作用强，埋藏史模拟得出的最大古埋深介于3000～4100m之间(早白垩世末)[7]，当前埋藏深度介于2000～3300m之间。显微镜下砂岩呈颗粒支撑，颗粒间以线接触为主，部分呈点-线接触或凹凸状接触；石英或岩屑等刚性碎屑发育压实作用形成的脆性微裂纹和压溶现象(图3-a)；云母碎屑、千枚岩、泥岩岩屑等塑性颗粒被压实变形(图3-b)，甚至呈假杂基充填颗粒间。这些现象表明砂岩储层经历了较强的压实作用。强烈的压实作用不但丧失了大部分的原生孔隙，也不利于次生孔隙孔隙的保存，是研究区砂岩储层致密化的一个重要因素。

2.2.2胶结作用
    砂岩中的胶结物类型多、含量高，通常超过10%。胶结物除了杂基外，还有较多的自生矿物，如自生高岭石、自生伊利石、绿泥石、硅质、方解石、铁白云石、含铁方解石等碳酸盐矿物，其中尤以高岭石和方解石分布最为广泛(图3-c、d、e)。它们将松散的沉积物固结起来的同时，堵塞了大量的粒间孔甚至次生孔，对储层起到明显的破坏作用，成为导致该地区砂岩储层致密化的又一重要因素。值得注意的是，有些胶结作用对孔隙的保存起到了积极的作用，如早期绿泥石包壳可以抑制石英次生加大、增强岩石抗压实能力，有利于一部分原生孔隙的保存(图1-a)；方解石、铁方解石等碳酸盐胶结物，呈凝块状胶结颗粒，除占据砂岩原生、次生孔隙外，提高了岩石的抗压实能力，又为后期溶解作用提供了物质基础，后期方解石胶结物的部分溶蚀作用，可以再次释放出一部分粒间孔。
2.3 有机酸的溶解作用是优质储层形成的关键
    前面的研究显示，次生孔隙是鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组砂岩储层的重要孔隙类型之一。薄片显微特征和扫描电镜特征分析认为，砂岩中含有丰富的长石颗粒、花岗岩岩屑、安山岩岩屑、英安岩岩屑、凝灰岩岩屑、火山凝灰质杂基和碳酸盐胶结物等易溶组分。成岩机理研究证实，有机质转化过程中产生的有机酸是长石等铝硅酸盐矿物和其他易溶组分溶解的重要成岩流体。下石盒子组的下伏地层为海陆过渡相的煤系地层，有机质成熟度高，以腐殖型为主，部分为混合型[8～9]，具备产生大量有机酸的条件，为不稳定矿物的溶解提供了充足的酸性介质来源。
以下几方面的证据表明成岩作用达到中成岩B期，部分已达到晚成岩阶段：①石英次生加大边中包裹体的平均均一温度为89.7～143.2℃；②有机质低成熟-成熟，镜质组反射率(Ro)大致为0.5%～1.4%；③岩石碎屑颗粒常为线或点-线接触，总体上压实作用中等偏强，有一定的原生孔隙发育；④黏土矿物组合主要为伊/蒙混层+伊利石+高岭石，缺少蒙脱石，蒙皂石(S)层在I/S混层中所占比例常在15%～35%之间；⑤大部分石英颗粒具有Ⅱ-Ⅲ级的次生加大边(图3-e)；⑥有白云石、含铁方解石等自生矿物(图3-f)。
    通过不稳定组分的溶蚀现象、自生矿物、胶结物、有机质成熟、沉积埋藏史与孔隙演化的关系研究认为：压实作用、碳酸盐胶结、自生矿物沉淀作用是孔隙损失的重要因素，有机酸对易溶组分的溶解作用是研究区储层次生孔隙的主要形成机制。
    早成岩作用B期，腐殖质在相对浅的埋藏地点因氧化反应，在埋藏压实过程中释放出少量有机酸，形成酸性环境，长石等硅质盐矿物部分溶蚀形成次生孔，少量方解石胶结物溶解，释放出部分粒间孔形成次生粒间溶孔，溶蚀作用释放出的硅质，或者在同生-早成岩阶段火山作用提供的硅质，沉淀形成Ⅰ级石英次生加大，同时有蒙皂石或伊蒙混层生成充填于原生空隙中。
    中成岩作用阶段，由于有机质的成熟释放出大量的有机酸进入砂岩储层中，长石、岩屑和凝灰质等进一步溶蚀形成次生孔隙。如长石溶解形成的粒间扩大孔(图1-d)、网状粒内孔溶孔(图1-e)，同时有Ⅱ-Ⅲ级石英加大(图3-e)、自生石英晶体以及大量黏土矿物矿物生成并转化充填于原生孔和次生孔中，形成次生微孔。在这个阶段，另一种重要的溶解作用是方解石胶结物溶解释放出部分次生粒间溶孔(图3-c)，连晶方解石胶结物几乎完全被溶蚀形成的粒间溶孔较难与粒间孔相区别。这也是为什么在几乎相同的沉积成岩环境下形成的砂岩中，好储层极少有方解石胶结物，而差储层和非储层的粒间孔往往被方解石胶结物所占据。部分达到晚成岩作用阶段的地方，可见钾长石次生加大，含铁方解石的生成，长石颗粒的碳酸盐化(图3-f)。
    由此可见，溶解作用对研究区内致密砂岩中优质储层的形成起着至关重要的作用。该阶段形成的次生溶孔(包括长石、岩屑等不稳定矿物溶解和碳酸盐胶结物溶解作用所形成的)与原生剩余粒间孔共同组成了下石盒子组储层的储集空间，并且次生溶孔占主导。
3 结论
    1) 鄂尔多斯盆地东北部下石盒子储层主要以灰色、浅灰色中-粗粒岩屑石英砂岩为主，岩屑砂岩和石英砂岩次之。储集空间类型包括剩余原生粒间孔、剩余原生粒间微孔、粒间溶孔、粒内溶孔和微裂缝，次生孔隙是储集空间的主体。喉道类型以片状型、缩颈型、管状喉道型与粒间隙喉道型为主。
    2) 砂岩储层的平均孔隙度为6.07%，总体位于3.0%～10.0%之间；渗透率平均值为0.13mD，总体位于0.001～0.4mD之间。孔隙度和渗透率总体分布特征表明，鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组属于以中、小孔-细、微喉型组合为特征的低孔低渗储层。
    3) 砂岩储层的主控因素分析表明：浅水三角洲为大面积砂岩储层的发育奠定了基础；压实作用和胶结作用导致储层致密化；有机酸对砂岩中不稳定矿物以及碳酸盐胶结物的溶解作用是优质储层的关键。
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(本文作者：张晓峰1 侯明才1，2 陈安清1 1.成都理工大学沉积地质研究院；2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学)