苏里格气田山1段储层致密化成因及控制因素

彭先锋, 胡笑非, 张烨毓,2, 郭俊阳, 蒋思宇, 贡一鸣, 唐 杰

( 1. 成都理工大学 能源学院，四川 成都 610059; 2. 四川省煤田地质局 页岩气评价与开采四川省重点实验室，四川 成都 610051; 3. 中国石油塔里木油田分公司 勘探开发研究院,新疆 库尔勒 841000 )

0 引言

油气勘探实践表明，致密砂岩气藏是天然气勘探的重要方向之一[1-4]。致密砂岩气藏在中国鄂尔多斯、松辽、四川、楚雄和东海等盆地广泛分布[5-8]。随着鄂尔多斯盆地及四川盆地致密砂岩气藏的成功开发[9-10]，中国内陆盆地致密砂岩气藏取得巨大进步[11-14]。目前，人们普遍认为在连续沉积或不明显间断沉积地层中，压实作用是沉积物原生孔隙降低的主要因素[14]。成岩作用在储层物性演化具有双重作用，压实和胶结作用破坏储层物性，溶蚀作用提高储层物性。构造挤压是影响储层孔隙度的重要因素。邹才能等[12-13]提出绿泥石包壳、超压泄压、热循环对流、表生期大气淡水淋滤作用，以及裂缝等在致密砂岩气藏形成中的作用。勘探开发成果显示，在深埋藏的致密砂岩中也可发育“甜点”[15]。认识成岩作用孔隙演化过程及储层致密化成因机制是预测致密砂岩气藏的基础。致密砂岩气藏的研究从成岩作用、储层物性、成藏机理等逐步演变为与周围沉积古环境相结合、微观与宏观相统一，是致密砂岩气藏的未来研究方向[15-16]。

目前，对苏59井区的研究主要集中在成藏条件和勘探潜力等方面，针对山1段储层致密化成因及控制因素的研究较少。笔者利用岩心观察、铸体薄片鉴定、流体包裹体测温及X线衍射等实验，研究苏59井区山1段储层致密化成因和控制因素；根据岩石成分组成、成岩矿物分布特征、黏土矿物组合及演化特征等，分析岩相和成岩作用对储层致密化的控制作用，阐述研究区储层砂岩致密化成因及控制因素，为山1段储层预测提供地质依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地位于中国东部稳定区和西部活动区的结合带，盆地被多条断裂限制，内部地层整体平缓，倾角小于1°，为结构简单、构造平缓、沉降稳定、断裂较少、活动微弱的构造格局。盆地可划分为6个一级构造单元，即北部伊盟隆起、西缘冲断带、西部天环坳陷、中部伊陕斜坡、南部渭北隆起和东部晋西挠褶带(见图1)。苏59区块位于苏里格气田西部，气田主力产层为石盒子组和山西组，山西组根据沉积序列及岩性组合自下而上分为山1、山2两段。其中山1段以分流河道沉积的砂泥岩为主，砂岩由中—细粒岩

图1 鄂尔多斯盆地构造划分及苏里格气田苏59井区位置Fig.1 Structural division andlocation map of Su59 well area, Sulige gas field, Ordos basin

屑砂岩、岩屑石英砂岩组成，厚度为30 m左右。山西组砂岩孔隙度为7.37%，渗透率为0.17×10-3μm2，其中山1段为研究的重点层位，属于典型的致密砂岩储层[16]。

2 储层特征

2.1 岩石学

利用在特定沉积环境中形成的特殊岩石组合，可推断沉积时期的古气候条件、古水流状况及构造运动等。特殊岩石组合即岩相，利用岩相可对古沉积环境进行模拟和恢复[16-17]。通过岩心描述将苏59井区山1段砂岩储层划分为5种岩相(见图2)。岩石类型主要为粗—中砂岩和中砂岩，细砂岩及泥质粉砂岩较少，含砾粗砂岩仅在研究区局部分布。砂岩成分主要为石英、岩屑及少量长石，杂基质量分数小于15%。根据Folk R L提出的划分方案[18]，对60组井下样品进行分类，岩屑石英砂岩、岩屑砂岩是山1段砂岩的主要岩石类型(见图3)。

2.2 物性

苏59井区山1段的孔隙度为0.45%～14.50%，孔隙度为正态分布，孔隙度集中在8.0%～10.0%之间，孔隙度峰值频率为28.0%，平均孔隙度为7.6%。渗透率为(0.5×10-6～6.5×10-3) μm2，渗透率同样具有正态分布的特点，主要集中在(0.1～1.0)×10-3μm2之间，分布频率为52.5%，平均渗透率为0.5×10-3μm2(见图4-5)。山1段储层为典型的致密储层。

图2 苏59井区山1段砂岩岩相Fig.2 Sandstone lithofacies map of Shan1 formation, Su59 well area

图3 苏59井区山1段砂岩三角分类图Fig.3 Sandstone triangle map of Shan1 formation, Su59 well area

山1段储层孔隙类型分为原生粒间孔隙(残余粒间孔)、次生孔隙和构造裂缝3种类型。原生粒间孔隙在强压实作用下基本消失为残余粒间孔。储层现今保留粒间溶孔、粒内溶孔和铸模孔等次生孔隙，以及局部发育的构造裂缝。碎屑颗粒外部被黏土矿物包裹，或受硅质胶结作用而形成石英次生加大边，占据原生孔隙而形成残余粒间孔。残余粒间孔比原生粒间孔隙具有体积小、形态多样、结构不规则的特点(见图6(a-b))。山1段储层内次生孔隙比原生粒间孔隙更发育，可见多种类型的次生孔隙，如粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔及填隙物内溶孔。

碎屑颗粒表面的绿泥石薄膜、自生绿泥石衬边等被溶蚀而形成粒间溶孔，且常常被颗粒间细小的溶蚀裂缝连通(见图6(c))。铸模孔在岩屑砂岩中较多，当长石、火山岩岩屑等不稳定碎屑被完全溶蚀且保留原来的孔隙形态时形成铸模孔，内部充填高岭石和伊利石等自生矿物(见图6(d))。填隙物内溶孔内部可见少量的自生石英、网状伊利石和少量的高岭石(见图6(e))。宏观构造运动对砂岩中的岩石颗粒造成微观上的破坏而形成微裂缝，构造裂缝为渗流提供通道，提高储层的渗透率(见图6(f))。

图4 苏59井区山1段孔隙度分布Fig.4 Histogram of porosity distribution of Shan1 formation, Su59 well area

图5 苏59井区山1段渗透率分布Fig.5 Permeability distribution histogram of Shan1 formation, Su59 well area

山1段储层岩石填隙物主要为微量的火山灰和大量的黏土矿物、硅质胶结物、碳酸盐胶结物等。填隙物以胶结物的形式存在，胶结类型以孔隙式胶结为主(见图7)。填隙物中的高岭石、伊利石和硅质质量分数最高，分别为14%、24%和37%；碳酸盐胶结物中的铁方解石质量分数为11%，方解石质量分数为2%，绿泥石膜质量分数为5%；火山灰中的凝灰质质量分数为3%；其他成分的质量分数为4%(见图7-8)。

3 储层致密化成因与进程

3.1 成因

(1)压实作用。苏59井区山1段为深部储集砂岩(平均埋藏深度为3 500 m)，石英岩岩屑和云母等刚性颗粒，在强烈压实作用下发生破裂、位移和重新定向排列(见图9(a))；千枚岩、泥质岩和云母碎屑等塑性颗粒，在强烈压实作用下发生变形和假杂基化(见图9(b))。压实作用是山1段砂岩致密化和形成致密储层的重要成岩作用。

(2)胶结作用。山1段储层多期次的胶结作用是储层物性致密化的关键。薄片可见粒内溶孔内的伊利石单体呈丝缕状—丝片状(见图9(c))，以及胶结后的自生高岭石、石英次生加大边、自生石英晶体等(见图9(d))，储层内的粒内溶孔受到破坏而使储层致密化。铁方解石主要分布在岩屑石英砂岩中，可见铁方解石充填长石或岩屑的粒内溶孔，或呈嵌晶状并胶结多个斑块状碳酸盐胶结物，铁方解石的充填作用同样使孔隙受到破坏(见图9(e))。不均匀分布的石英次生加大边等在石英碎屑砂岩中广泛分布，且具有含量高、分布形态多、多期次的特点，可改变山1段储层的物性条件而使储层致密化(见图9(f))。

图6 苏59井区山1段砂岩孔隙类型Fig.6 Sandstone pore type of Shan1 formation, Su59 well area

图7 苏59井区山1段砂岩填隙物特征Fig.7 Sandstone interstitial features of Shan1 formation, Su59 well area

(3) 溶蚀作用。山1段砂岩储层发育溶蚀或由溶蚀作用形成的多种类型的次生溶孔。一方面，长石、火山岩屑等矿物格架颗粒被溶蚀而形成次生溶孔，薄片可见具有柱状形态的次生溶孔，为矿物格架颗粒长石溶蚀形成的次生溶孔(见图6(c))；另一方面，颗粒间黏土杂基等被溶蚀而形成次生溶孔。薄片可见溶蚀残余的火山岩结构。同生期火山碎屑粒度较小且具有棱角状形态，在溶蚀强烈时形成铸模孔(见图6(d))。

图8 苏59井区山1段砂岩填隙物直方图

Fig.8 Sandstone interstitial histogram of Shan1 formation, Su59 well area

(4) 构造破裂作用。虽然鄂尔多斯盆地的构造运动为整体上升或下降，地层水平运动不强烈，但是鄂尔多斯盆地经历多期构造运动，砂体中产生较多期次的构造裂缝[19]，构造裂缝连通储层内的不连通孔隙，改善储层的物性。对于致密的低渗储层，构造裂缝不仅连通黏土间的微孔，增加低渗透砂体的渗透性，而且显著提高渗透率，改善储层的物性(见图6(f))。因此，构造裂缝不仅增加砂岩的渗透率，同时也有利于孔隙水流通，促进溶蚀作用[20-21]。

图9 苏59井区山1段砂岩镜下薄片Fig.9 The SEM of sandstone of Shan1 formation, Su59 well area

图10 苏59井区山1段砂岩包裹体均一温度

Fig.10 Uniform temperature of inclusions of Sandstone of Shan1 formation, Su59 well area

3.2 进程

研究区刚性颗粒发生破裂、位移甚至重新定向排列现象，证明山1段储层经历强烈的埋深压实作用；薄片普遍含有的铁方解石表明储层已达到中成岩期；流体包裹体中93%的样品均一温度为100～160 ℃(见图10)，古地温梯度高于140 ℃/100m，I/S(伊利石/蒙皂石混层质量分数比)混层中蒙脱石质量分数低于15%(见表1)，证明储层成岩作用处于中成岩期。山1段储层致密化进程为：早期形成的岩屑溶蚀孔洞被后期的硅质胶结物、黏土胶结物、铁方解石等充填；环边状绿泥石最早形成，其他黏土矿物充填于孔隙中间，铁方解石形成时间较晚，为中成岩阶段；石英次生加大边流体包裹体均一温度最高为180 ℃，最低为70 ℃，因此在整个中成岩阶段有发育，石英次生加大边是储层致密化的主要控制因素。

表1 苏59井区山1段黏土矿物组成

4 储层致密化控制因素

4.1 岩相

图11 苏59井区山1段砂岩不同岩相孔渗相关关系Fig.11 Correlation diagram of porosity and permeability of different facies of Shan1 formation, Su59 well area

山1段储层可划分为5种岩相，即块状层理含砾粗砂岩相、交错层理中—粗砂岩相、粒序层理中—粗砂岩相、暗色泥岩相和水平纹层粉—细砂岩相。在水动力相对较强的河道中部，岩石普遍含有石英等刚性颗粒发育岩屑石英砂岩，为块状层理含砾粗砂岩相和交错层理中—粗砂岩相；河道边缘水动力相对较弱，为岩屑砂岩，发育粒序层理中—粗砂岩相；分流间湾处形成水平纹层粉—细砂岩相和暗色泥岩相，不强的水动力环境形成泥岩和泥质粉砂岩。不同岩相有不同的沉积物颗粒特征，影响储层的岩石学特征、孔隙特征及其物性(见图11)。山1段储层河道边缘和分流间湾处等水动力相对较弱的地区砂岩具有较高的岩屑含量。压实作用下，低含量的塑性成分充填于原生粒间孔隙而发生假杂基化，有利于优质储层的发育。储层只在块状层理含砾粗砂岩相、交错层理中—粗砂岩相、粒序层理中—粗砂岩相中发育。因此，岩相影响砂岩岩石学特征，控制储层的物性，合适的岩相是山1段致密砂岩储层发育的前提条件。

4.2 压实与胶结作用

山1段储层原始孔隙度为35.6%，致密化进程后剩余孔隙度为6.1%，原始孔隙度损失率为83.0%；其中，压实作用损失孔隙度为23.0%，损失率为64.5%，胶结作用使孔隙度减少6.5%，损失率为18.1%，压实作用对储层致密化影响最大，其次为胶结作用；后期的溶蚀和裂隙作用使储层孔隙度提高2.9%，少量改善储层的物性，进而改善储层的渗透能力(见表2)。

压实和胶结作用是控制山1段储层致密化进程的主要因素。研究区储层经历浅埋藏压实和深埋藏压实2个阶段。在浅埋藏压实阶段，机械压实为主要的压实作用，塑性颗粒大幅形变、颗粒被弯曲或被撕裂等，石英等岩石颗粒产生脆性破坏；储层在深埋藏阶段的压实作用主要为化学压实，碎屑颗粒和早期形成的胶结物压实压溶，碎屑颗粒发生定向排列，薄片可见岩石云母颗粒的定向排列现象(见图9(a))。山1段储层的胶结作用非常发育，硅质和黏土矿物胶结物充填孔隙空间，使压实作用形成的原生孔隙降低、储层物性变差和储层致密化。储层中石英次生加大边的颗粒表面被自形晶面包裹覆盖，同时自生晶体向储层孔隙空间内发育而堵塞孔隙，导致储层致密化。同时，山1段储层黏土膜在充填有效孔隙、致密化储层的同时也保护残余粒间孔，但这种保护作用较小，胶结作用是山1段储层致密化的关键因素。

表2 苏59井区山1段储层砂岩孔隙度

5 结论

(1)苏格里气田59井区山1段为典型的致密砂岩储层，可划分为5种岩相，即块状层理含砾粗砂岩相、交错层理中—粗砂岩相、粒序层理中—粗砂岩相、暗色泥岩相和水平纹层粉—细砂岩相。储层岩石组分以石英、岩屑为主，岩石类型主要为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，胶结类型为孔隙式胶结。现今孔隙类型主要有残余粒间孔、次生孔隙和构造裂缝等，次生溶孔是山1段储层的主要储集空间。

(2)山1段储层原始孔隙度损失率为83.0%，其中压实作用损失率为64.5%，胶结作用损失率为18.1%；压实作用是储层致密化的重要控制因素，其次是石英次生加大边等胶结作用。

(3)山1段储层黏土膜在充填有效孔隙、致密化储层的同时也保护残余粒间孔，但这种保护作用较小，压实和胶结作用是山1段储层致密化的关键因素，后期的溶蚀和裂隙作用仅提高储层渗透率。

[1] 张园园,蒋有录,刘景东,等.东濮凹陷杜寨地区深层砂岩储层致密化与油气充注关系[J].东北石油大学学报,2016,40(3):70-79.

Zhang Yuanyuan, Jiang Youlu, Liu Jingdong, et al. Coupling relationship between deep sandstone reservoir densification and hedrocarbon injection of Duzhai area, Dongpu depression [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2016,40(3):70-79.

[2] 古娜,田景春,张翔,等.蜀南低陡构造区须家河组储层砂岩致密化成因机制分析[J].东北石油大学学报,2014,38(5):7-14.

Gu Na, Tian Jingchun, Zhang Xiang, et al. Densification mechanism analysis of sandstone densification within Xujiahe formation in low-steep structure in southern Sichuan basin [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2014,38(5):7-14.

[3] 孙靖,薛晶晶,曾德龙,等.准噶尔盆地腹部深层八道湾组致密储层特征及主控因素[J].东北石油大学学报,2017,41(1):1-10.

Sun Jing, Xue Jingjing, Zeng Delong, et al. Deep tight reservoir characteristics and main controlling factors of Badaowan formation in the central Junggar basin [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2017,41(1):1-10.

[4] 陈旋,司学强,刘书强,等.马朗凹陷沉凝灰岩致密储集层特征及主控因素[J].特种油气藏,2015,22(6):40-44.

Chen Xuan, Si Xueqiang, Liu Shuqiang, et al. Characteristics and main control factors of sedimentary tuff tight reservoirs in Malang sag [J]. Special Oil& Gas Reservoirs, 2015,22(6):40-44.

[5] Elkins L E. The technology and economics of gas recovery from tight sands [R]. New Mexico: SPE Production Technology Symposium, 1978.

[6] 张金川,唐玄,边瑞康,等.塔河地区奥陶系油田水分布与运动学特征研究[J].地质学报,2007,81(8):1135-1142.

Zhang Jinchuan, Tang Xuan, Bian Ruikang, et al. Distribution and kinetic characteristics of hydrothermal fluid from Ordovician oilfield in the Tahe area [J]. Acta Geologica Sinica, 2007,81(8):1135-1142.

[7] 邢恩袁,庞雄奇,肖中尧,等.塔里木盆地库车坳陷依南2气藏类型的判别[J].中国石油大学学报:自然科学版,2011,35(6):21-27.

Xing Enyuan, Pang Xiongqi, Xiao Zhongyao, et al. Type discrim-ination of Yinan2 gas reservoir in Kuqa depression, Tarim basin [J]. Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science, 2011,35(6):21-27.

[8] 魏国齐,张春林,张福东,等.中国大气田勘探领域与前景[J].天然气工业,2013,33(1):25-34.

Wei Guoqi, Zhang Chunlin, Zhang Fudong, et al. Exploration domain and prospect of giant gas fields in China [J]. Natural Gas Industry, 2013,33(1):25-34.

[9] 郭迎春,庞雄奇,陈冬霞,等.致密砂岩气成藏研究进展及值得关注的几个问题[J].石油与天然气地质,2013,34(6):717-724.

Guo Yingchun, Pang Xiongqi, Chen Dongxia, et al. Progress of research on hydrocarbon accumulation of tight sand gas several issues for concerns [J]. Oil & Gas Geology, 2013,34(6):717-724.

[10] 谢佳彤,李斌,彭军,等.塔中地区柯坪塔格组储层致密化成因[J].特种油气藏,2016,23(2):59-62.

Xie Jiatong, Li Bin, Peng Jun, et al. Densification genesis of kepingtage reservoirs in Tazhong [J]. Special Oil & Gas Reservoirs, 2016,23(2):59-62.

[11] 雷群,王红岩,赵群,等.国内外非常规油气资源勘探开发现状及建议[J].天然气工业,2008,28(12):7-10.

Lei Qun, Wang Hongyan, Zhao Qun, et al. Status analysis and advices on exploration and development of unconventional hydrocarbon resources [J]. Natural Gas Industry, 2008,28(12):7-10.

[12] 邹才能,陶士振,侯连华,等.非常规油气地质学[M].北京:地质出版社,2014.

Zou Caineng, Tao Shizhen, Hou Lianhua, et al. Unconventional petroleum geology [M]. Beijing: Geological Publishing House, 2014.

[13] 邹才能,陶士振,袁选俊,等.“连续型”油气藏及其在全球的重要性:成藏、分布与评价[J].石油勘探与开发,2009,36(6):669-682.

Zou Caineng, Tao Shizhen, Yuan Xuanjun, et al. Global importance of continuous petroleum reservoirs: Accumulation, distribution and evaluation [J]. Petroleum Exploration and Development, 2009,36(6):669-682.

[14] 邹才能,朱如凯,吴松涛,等.常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望:以中国致密油和致密气为例[J].石油学报,2012,33(2):173-187.

Zou Caineng, Zhu Rukai, Wu Songtao, et al. Types, characteristics, genesis and prospects of conventional and unconventional hydrocarbon accumulations: Taking tight oil and tight gas in China as an instance [J]. Acta Petrolei Sinica, 2012,33(2):173-187.

[15] 贡一鸣.苏里格气田苏59井区山西组致密砂岩储层特征[D].成都:成都理工大学,2016.

Gong Yiming. Tight sandstone reservoir characteristics of Shanxi formation in Su59 well block, Sulige gas field [D]. Chengdu: Chengdu University of Technology, 2016.

[16] 何东博,王丽娟,冀光,等.苏里格致密砂岩气田开发井距优化[J].石油勘探与开发,2012,39(4):458-464.

He Dongbo, Wang Lijuan, Ji Guang, et al. Well spacing optimization for Sulige tight sand gas field [J]. Petroleum Exploration and Development, 2012,39(4):458-464.

[17] 吴崇筠,薛叔浩.中国含油气盆地沉积学[M].北京:石油工业出版社,1992.

Wu Chongyun, Xue Shuhao. Petroliferous basin sedimentology [M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 1992.

[18] Folk R L. Petrology of sedimentary rocks [M]. Austin Texas: Hemphill Publishing Company, 1968.

[19] 朱颖,丁晓琪,胡鑫.龙凤山地区营城组储层绿泥石黏土的形成机制及分布规律[J].东北石油大学学报,2017,41(5):62-69.

Zhu Ying, Ding Xiaoqi, Hu Xin. Occurrence, growth mechanism and distribution law of chlorite clay in Yingcheng formation of Longfengshan gas field [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2017,41(5):62-69.

[20] 卢杰河,王香增,贺永红,等.鄂尔多斯盆地富县地区长7油层组致密砂岩成岩作用及孔隙演化[J].东北石油大学学报,2017,41(3):9-20.

Lu Jiehe, Wang Xiangzeng, He Yonghong, et al. Diagenesis and porosity evolution of Chang7 tight sandstones in Fuxian area, Ordos basin [J]. Journal of Northeast Petroleum University, 2017,41(3):9-20.

[21] 付斌,李进步,陈龙,等.苏里格气田西区致密砂岩气水识别方法与应用[J].特种油气藏,2014,21(3):66-69.

Fu Bin, Li Jinbu, Chen Long, et al. The gas/water identification method and its application in tight sandstone reservoir in the west of Sulige gas field [J]. Special Oil& Gas Reservoirs, 2014,21(3):66-69.