鄂尔多斯盆地天环坳陷北段长8储层致密成因

刘广林, 马 爽, 邵晓州, 周新平, 郭正权, 王亚玲

( 1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018； 2. 中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018； 3. 中国石油长庆油田分公司 第一采油厂，陕西 西安 710018 )



鄂尔多斯盆地天环坳陷北段长8储层致密成因

刘广林1,2, 马 爽1,3, 邵晓州1,2, 周新平1,2, 郭正权1,2, 王亚玲1,2

( 1. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018； 2. 中国石油长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018； 3. 中国石油长庆油田分公司 第一采油厂，陕西 西安 710018 )

鄂尔多斯盆地天环坳陷北段与姬塬地区同属西北沉积体系，且比姬塬地区更靠近物源区，但是该区长8储层物性较姬塬地区的差。利用薄片观察、粒度和地层水分析、成像测井等资料，分析天环坳陷北段与姬塬地区长8储层成岩环境的差异性。结果表明：自晚侏罗系以来，天环北段处于天环坳陷最低部位，压实作用强烈；研究区临近构造活动带，裂缝发育，目的层流体封闭性差，在构造应力的作用下，砂岩和泥岩流体交换作用强，成岩反应消耗的离子不断得到补充，导致铁方解石、高岭石胶结严重；强烈的压实和胶结作用是导致储层致密的主要原因。该研究结果对鄂尔多斯盆地石油勘探开发具有参考意义。

天环坳陷北段； 长8储层； 储层致密； 压实作用； 胶结作用； 鄂尔多斯盆地

0 引言

鄂尔多斯盆地延长组为低孔低渗储层，发育大型低渗—超低渗岩性油藏。致密储层影响油藏分布，是制约石油勘探开发的关键因素之一。储层致密成因是储层研究的重点，目前人们认为沉积和成岩作用是控制储层物性的重要因素[1-9]。沉积条件决定储层岩石结构及空间展布特征，粒度粗、抗压实组分多、泥质含量少、厚度大的储层后期压实及胶结作用相对较弱，保留较多的粒间孔[4,7]。成岩作用后期改造储层孔隙结构，压实作用和胶结作用是储层致密化的重要原因。潘荣等[10]利用Houseknecht D W建立的评价压实与胶结相对作用评价图，对克拉苏冲断带白垩系储层成岩作用进行评价，认为压实作用造成的平均原始孔隙度损失率为54%，胶结作用造成的平均原始孔隙度损失率为21%；罗文军等[11]分析川西坳陷须家河组二段储层成岩作用及孔隙演化史，认为压实作用使该区储层原始孔隙度减少70%；叶兰芳等[12,16]研究姬塬地区长8储层成岩作用，认为以孔隙环衬里和薄膜形式存在的自生绿泥石在成岩过程中抵抗上覆岩石机械压实作用。此外，异常高压抑制压实作用[13]，裂缝可以改善储层连通性[14-15]。

人们针对储层致密成因的研究多局限于受强压实和强胶结作用影响，导致储层致密的表面现象和结果，缺乏成岩机理研究。根据实测物性、薄片资料及成岩环境分析，笔者明确强压实作用和胶结作用是造成研究区长8储层致密的主要原因，探讨成岩作用强烈的成因，为研究区下一步油气勘探提供参考依据。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地是位于中国中西部的大型内陆坳陷盆地，蕴含丰富的石油、煤炭及天然气资源。盆地分为6个构造单元：陕北斜坡、渭北隆起、伊盟隆起、晋西挠褶带、西缘逆冲带和天环坳陷[17-18]。研究区位于鄂尔多斯盆地中西部，构造单元位于天环坳陷北部，临近西缘逆冲带，北起盐池县，南至红柳沟，西起郭庄子，东达波罗池(见图1)，面积为2.5×103km2。延长组为研究区主要含油层系，自下而上划分为10个油层组，对应不同沉积发育期。长10期为湖盆演化早期，湖盆范围小，发育粒度较粗的三角洲平原沉积；长9—长8期为湖盆扩张时期，发育浅水三角洲沉积；长7期为湖盆发育演化的鼎盛时期，湖水范围最大，发育深湖—半深湖烃源岩，是延长组最重要的烃源岩；长6期为湖退时期，发育大规模三角洲相砂体；长5—长4期湖盆经历短暂湖侵，泥岩较发育；长3—长1期湖盆逐渐萎缩消亡。

2 储层物性特征

研究区长8储层96口井物性资料表明，孔隙度在5.4%～10.2%之间，主要分布区间为6.0%～8.0%，占样品总数的57.30%，平均孔隙度为7.1%；姬塬地区长8储层孔隙度在5.6%～15.6%之间，主要分布区间为8.0%～10.0%，占样品总数的75.36%，平均孔隙度为8.6%(见图2(a))。研究区长8储层渗透率在(0.06～0.73)×10-3μm2之间，主要分布区间为(0.10～0.30)×10-3μm2，占样品总数的68.10%，平均渗透率为0.23×10-3μm2；姬塬地区长8储层渗透率在(0.08～22.35)×10-3μm2之间，主要分布区间为(0.30～1.00)×10-3μm2，占样品总数的71.10%，平均渗透率为0.51×10-3μm2(见图2(b))。天环坳陷北段长8储层物性整体较姬塬地区的差。

图1 天环坳陷北段区域构造位置

图2 研究区与姬塬地区长8储层物性分布直方图Fig.2 The property and distribution of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3 储层致密成因

3.1 沉积作用

沉积作用是储层发育的基础，不仅控制储层的厚度、空间分布规律等宏观特征，还决定储层的岩石学特征，如岩性、成分、粒度、磨圆、结构成熟度和杂基体积分数等，影响岩石的原始物性，决定后期成岩改造作用的程度。

3.1.1 岩性特征

研究区长8储层为浅水三角洲沉积[19-20]，发育北西—南东向分流河道与水下分流河道砂体，砂体厚度为5～15 m，宽度为(2.00～4.00)×103m。研究区与姬塬地区长8储层岩石类型主要为岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩，石英体积分数为15.5%～49.1%，平均为29.4%；长石体积分数为14.1%～47.5%，平均为24.8%；岩屑体积分数较高，为9.3%～47.6%，平均为28.7%，以变质岩和火成岩岩屑为主。砂岩分选好至中等，呈次棱角状磨圆。

图3 研究区与姬塬地区长8储层砂岩粒度统计直方图Fig.3 The grain statistics of sandstone of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3.1.2 粒度分析

统计粒度数据表明，研究区和姬塬地区长8储层主要为细砂岩，其中细砂体积分数分别为73.90%、64.03%，中砂体积分数分别为15.57%、15.74%，粉砂、黏土等细粒杂基成分体积分数分别为10.53%、20.23%(见图3)。与姬塬地区相比，研究区长8储层粒度略占优势，细砂和中砂成分略多，粉砂、黏土等细粒杂基成分较少。主要是因为研究区为三角洲平原亚相，水动力较强，粒度相对粗，泥质体积分数相对较少。

粒度对储层原始孔隙度有重要影响。粗粒成分保持原始孔隙度，细粒成分充填孔隙和喉道，降低原始孔隙度和渗透率。研究区长8储层粒度较姬塬地区的粗，原始孔隙度和渗透率比姬塬地区的高，但实际物性比姬塬地区的差。因此，推断后期成岩作用是导致研究区长8储层物性变差的重要原因。

3.2 成岩作用

成岩作用是沉积物在埋藏过程中发生的物理、化学作用。受多种因素影响，在成岩过程中成岩条件(如温度、压力、酸碱度、流体溶解度等)发生变化，成岩作用的类型、进程和强度也发生相应变化，导致成岩特征在空间上表现出明显差异性，从而影响储层的孔隙演化与物性特征[1]。研究区构造活动强烈，成岩环境与姬塬地区相比差异大，成岩作用强度不同，导致储层孔隙类型及物性不同。

3.2.1 压实作用

压实作用是沉积物颗粒被压致密、储层原生孔隙度降低的重要原因之一。岩心薄片观察表明，研究区长8储层存在大量颗粒定向排列、线接触、凸凹接触及塑性岩屑变形，甚至颗粒破碎的现象(见图4(a-d))，说明研究区压实作用强烈。

为描述研究区长8储层的压实强度，通过对比砂岩原始孔隙体积与压实粒间体积，得出视压实率[21]，从而定量化反映压实强度。当视压实率大于70%时，为强压实；当视压实率在40%～70%之间时，为中等压实；当视压实率小于40%时，为弱压实。根据长8储层粒度分析及薄片观察数据，分别对研究区及姬塬地区长8储层视压实率进行恢复。研究区强压实所占比例为25%(见图5)，大于姬塬地区的，说明研究区压实作用强烈。

图4 研究区长8储层压实作用、铁方解石及高岭石胶结现象Fig.4 The characteristic of reservoir compaction and phenomenon of iron calcite and kaolinite in Chang8 reservoir in the study area

图5 研究区与姬塬地区长8储层视压实率Fig.5 The similar compaction rates of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

研究区与姬塬地区长8储层属于同一物源，储层矿物类型相似，抗压实作用基本相似，其压实作用强烈与该区的构造史及埋藏史有关。

早侏罗世，在西部构造挤压应力下，研究区开始沉降，到早白垩世末达到最大埋深，深度为(3.00～3.30)×103m；中侏罗世末和晚侏罗世末，研究区有两次短暂的抬升，幅度较小；后期抬升幅度也较小(见图6)。现今长8段储层顶部埋深为(2.55～2 85)×103m，也是盆地埋深最大部位。研究区自晚侏罗世天环坳陷形成[22]至今，经历强烈的构造挤压和长期深埋压实作用，云母、岩屑等塑性组分严重变形，导致储层压实致密。

图6 研究区延长组埋藏史Fig.6 Burial history of Yanchang formation in the study area

3.2.2 胶结作用

胶结作用是成岩流体发生化学反应后沉淀的矿物质使岩石固结的作用，是储层致密的重要影响因素。

图7 研究区与姬塬地区长8储层填隙物统计Fig.7 The map of interstitial material feature of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

长8储层大量发育水云母、高岭石及铁方解石胶结物(见图4(e-h))，体积分数超过3.0%，总填隙物体积分数为13.5%(见图7)，较姬塬地区的高。

胶结作用的类型、强度与储层自身的矿物类型及成岩环境有关。研究区与姬塬地区所处的区域构造位置不同，成岩环境有较大差异。地层水离子组分是成岩化学反应的结果，裂缝具有输导作用，是离子交换的运移通道，影响成岩反应体系中离子浓度和成岩反应强度。

3.2.2.1 地层水分析

地层水化学成分反映沉积、成岩或成藏过程中流体与围岩相互作用的结果[23]。研究区试油出水井地层水分析资料表明，水型以CaCl2型为主，存在少数MgCl2和Na2SO4型，说明未混入地表水，属于地层水范畴。研究区地层水中各种离子浓度较低，总矿化度在10～20 g/L之间(见表1)；姬塬地区地层水总矿化度在30～90 g/L之间，明显高于研究区的。矿化度低，即成岩反应后整个体系的剩余离子质量浓度低，多数离子参加反应并生成胶结物沉淀。研究区成岩反应强烈，与它所处的特殊构造位置有关。计算Na+/Cl-因数，根据博尔雅斯基氯化钙型地层水分类表对研究区地层水进行归类[24]，当Na+/Cl-因数大于0.85时，属于Ⅰ类水型，表示水的运动速度相当大，水动力活跃；当Na+/Cl-因数在0.75～0.85之间时，属于Ⅱ类水型，表示积极水动力带和较稳定的静水带之间过渡带的特点。研究区有75%的地层水Na+/Cl-因数大于0.75，属于Ⅰ、Ⅱ类水型，表明地层水较活跃，流体封闭性差。

表1 研究区地层水分析结果

3.2.2.2 裂缝特征

研究区在延长组地层中发育大量高角度裂缝。研究区25口井成像测井资料表明，主要发育两组裂缝，裂缝倾角在70°～90°之间，主方位为60°～75°，呈北东—南西向展布(见图8)，裂缝主要形成于晚侏罗世燕山期构造活动。

侏罗纪末期，受古太平洋板块与欧亚板块斜向碰撞的区域构造效应影响，鄂尔多斯盆地西缘发生强烈的挤压冲断作用和抬升剥蚀[25-26]，在研究区形成大量的构造裂缝。新生代喜马拉雅运动时期，研究区处于伸展状态，断裂系统不发育。研究区在三叠系及侏罗系地层中发育裂缝和小断层，在上部新生代地层中不发育，并没有延伸到地表而沟通地表水，后期形成的铁方解石没有被溶蚀的现象也印证这一点。

研究区处于构造活动强烈带，流体在地应力作用下呈周期性、脉动的特点流动[27]，以断层和裂缝为通道[28-29]，在砂泥岩中交换作用频繁。先期有机酸形成的CO2、钙长石溶蚀产生的Ca2+及泥岩成岩过程中产生的Ca2+、Fe3+、Mg2+等为胶结作用提供物质基础。在一定的温度、压力及酸碱度条件下，阴、阳离子不断发生化学反应，通过裂缝输导得到补偿；在不同时期，形成大量高岭石、伊利石及铁方解石沉淀，导致胶结作用强烈。姬塬地区远离构造活动带，裂缝发育较少，流体交换速度慢，成岩作用到某种程度后，消耗的离子未得到补充而系统达到化学平衡，胶结作用相对较弱。

图8 天环坳陷北段裂缝分布Fig.8 The fracture distribution in the north of Tianhuan depression

4 结论

(1)自晚侏罗世天环坳陷形成至今，鄂尔多斯盆地天环坳陷北段长8储层经历强烈的构造挤压和长期深埋压实，压实作用强烈，持续时间长。

(2)研究区与姬塬地区同属西北沉积体系，两个地区的长8储层岩性特征类似；研究区粒度较姬塬地区的粗，但实际物性比姬塬地区的差。

(3)研究区邻近构造断裂带，裂缝发育，地层封闭性差，流体活跃，使成岩反应体系中离子很难达到平衡。因胶结作用持续发生，形成大量高岭石、伊利石及铁方解石沉淀，导致胶结作用强烈，造成储层物性差。

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2015-09-11；编辑：朱秀杰

国家科技重大专项(2011ZX05044,2011ZX05001-004)

刘广林(1982-)，男，硕士，工程师，主要从事油气勘探及综合地质方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0038-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.005