鄂尔多斯盆地杭锦旗地区二叠系下石盒子组岩屑 发育特征及其对储层物性的影响

邱隆伟,穆相骥,李 浩,张 军,葛 君,徐 爽,周士博

[1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580； 2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与 探测技术功能实验室，山东 青岛 266071； 3.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083； 4. 中国石化 胜利油田鲁胜石油开发有限责任公司，山东 东营 257077]

致密砂岩油气是目前非常规油气勘探的重要研究对象。尽管致密砂岩孔渗性相比常规油气储层较差，但仍然可在一定条件下成为相对优质的储层，具有良好的勘探开发潜力[1-3]。目前，普遍认为骨架颗粒粒度、岩石组分和后期成岩作用等因素是影响致密砂岩储层物性的最主要因素[4-5]。前人对储层物性特征影响因素也做过相应的一些研究，如刘喜杰，马遵敬等研究认为鄂尔多斯盆地东缘临兴区块致密砂岩中长石颗粒溶蚀是优质储层发育的基础[6]；邱隆伟，徐宁宁等认为鄂尔多斯盆地大牛地地区致密砂岩中石英颗粒溶蚀的强弱决定了储集层物性的最终发育程度[7]；罗静兰，刘新社等认为岩石学组分以及源区母岩性质决定了鄂尔多斯盆地北部上古生界下石盒子组8段储集性能的优劣和产能的大小[8]。事实上，杭锦旗地区致密砂岩气资源量较为丰富，但因研究起步较晚，勘探程度较低，阻碍了对于储层物性影响因素和机制的认识，也给天然气藏有利储层评价预测造成一定障碍。

前人对低孔、低渗储层物性控制因素的研究已经较为成熟，但仅有少数学者去探讨致密砂岩中岩屑的发育会对储层物性造成的影响以及其与优质储层间存在的相关关系，而这些都是研究区在下一步勘探中需要重点解决的问题。本文在岩心观察的基础上，通过20余口取心井铸体薄片的镜下观察鉴定与定量统计，结合粒度分析、物性分析、扫描电镜、压汞测试等手段，对杭锦旗地区下石盒子组的岩屑发育特征进行了分类总结并据此研究了它们对于储层物性的影响，以达到对研究区储层物性控制因素更深入的了解，以进一步探讨优质储层形成和演变的机制，为下一步勘探部署提供启示和依据。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起构造带，这里是杭锦旗断阶和伊陕斜坡的过渡地区，属于杭锦旗地区一部分[9]；发育北东-南西向倾斜平滑斜坡，大型断裂较少，有两条近东西走向次级断裂，分别为泊尔江海子断裂和乌兰吉林庙断裂[10]。其中，泊尔江海子断裂南部以及乌兰吉林庙断裂东部区域属于十里加汗区块。区块内上古生界分布范围较广，长期以来处于相对隆起状态，具有较好的油气勘探潜力，也是致密气开发的重点研究区域(图1)。

上古生界主要包括太原组、山西组和下石盒子组。其中，下石盒子组沉积厚度相对较大，厚约100～150 m，平面展布相对稳定，岩石粒度整体较粗，主要发育有低孔低渗-特低孔特低渗的致密砂岩储层，构成区域内主力勘探目的层系。

2 岩石学特征

薄片镜下鉴定结果表明，杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩储层岩石类型以岩屑砂岩和岩屑质石英砂岩为主(图2a)。目的层段整体表现为长石含量极低、岩屑含量较高的特点，其中石英含量48%～82%，平均约62%；长石含量0～5.6%，平均约1.2%；岩屑含量18%～52%，平均约40%。粒度整体差异不大，主要发育中粒-粗粒砂岩(图2b)。孔隙中的填隙物含量3%～29%，平均10%。其中，碳酸盐胶结和粘土矿物胶结相对发育，石英次生加大边相对不发育；部分样品杂基含量较高。储层结构成熟度较低，磨圆相对较差，颗粒圆度次棱角-次圆状，以次棱角状为主；分选差-中等；颗粒间接触关系多为线接触和凹凸接触；胶结类型以颗粒支撑的孔隙式胶结和杂基支撑的基底胶结为主。

3 岩屑类型及发育特征

整体来看，研究区下石盒子组几乎不含长石，岩屑含量高，储层岩屑类型多样且相对复杂，包括火成岩岩屑、沉积岩岩屑、变质岩岩屑3大类型；其中，变质岩岩屑及火成岩岩屑是最为主要的岩屑类型(图3a)。

为了明确不同岩屑对储层的影响，本文将其细分为碳酸盐岩屑、脉石英、花岗岩岩屑、泥岩岩屑、砂岩岩屑、变质石英砂岩岩屑、燧石岩屑、板岩岩屑、片岩岩屑、千枚岩岩屑、变质石英岩屑等11个小类(表1)；岩屑类型的定量统计(图3b)表明，各类岩屑类型及含量分别为千枚岩岩屑(含量约29%)、变质石英岩屑(含量约23%)、燧石岩屑(含量约12%)、脉石英岩屑(含量约11%)、砂岩岩屑(含量约9%)、片岩岩屑(含量约7%)、泥岩岩屑(含量约4%)、板岩岩屑(含量约3%)、变质石英砂岩岩屑(含量约1%)、碳酸盐岩屑(含量约0.7%)、花岗岩岩屑(含量约0.3%)。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组砂岩岩屑分类(a)及不同岩屑类型分布占比(b)Fig.3 Classification of sandstone detritus(a)and proportion of different types of detritus(b) of the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area,Ordos Basin

类型划分岩屑类型岩屑特征岩屑分类减孔型岩屑(A类)板岩岩屑基本无法看到片状矿物的晶形,矿物的质点都非常细小,但有定向构造变质岩岩屑片岩岩屑云母片结晶相对粗大,片理明显,有定向构造,粒状矿物含量相对偏高变质岩岩屑千枚岩岩屑片状矿物分布相对密集,有定向构造,粒状矿物含量相对较少变质岩岩屑泥岩岩屑表面污浊,呈土褐色,常有黑色,炭质混入物沉积岩岩屑增孔型岩屑(B类)变质石英岩屑各晶粒间普遍表现为缝合接触,缝合线弯曲复杂,石英晶体多为扁平伸长形,各晶粒伸长方向相互平行变质岩岩屑变质石英砂岩岩屑已经过变质的石英砂岩岩屑,晶粒伸长方向相互平行,具砂状结构变质岩岩屑石英砂岩岩屑未经变质,碎屑及填隙物清晰可辨,具砂状结构沉积岩岩屑碳酸盐岩屑区别于碳酸盐胶结物的是其具明显的碎屑颗粒外形,常保留原岩的组构特征沉积岩岩屑花岗岩岩屑通常由数量不多的石英、长石及个别暗色矿物晶粒构成火成岩岩屑保孔型岩屑(C类)脉石英岩屑脉石英中的晶粒常显定向伸长形,粒间界限呈细小弯曲线状火成岩岩屑燧石岩屑非常细粒的微晶质或隐晶质石英集合体,单偏光与石英颗粒相似沉积岩岩屑

通过各类岩屑的鉴定特征的分类统计为依据，建立了岩屑鉴定图版(图4)。其中，变质岩岩屑中的千枚岩岩屑和变质石英岩屑含量最高，两者可占岩屑整体含量的50%以上。前者属于塑形岩屑，抗压能力较差，难以溶蚀；后者属于刚性岩屑，抗压能力较强，且有大量粒内溶孔发育[11-12]。泥岩岩屑、板岩岩屑和片岩岩屑特征与千枚岩岩屑类似，容易发生塑性弯曲变形，因而极易被挤进孔隙之中而假杂基化。砂岩岩屑、变质石英砂岩岩屑虽然含量不高，但往往在高物性的储层中发育，且自身极易发生溶蚀。燧石岩屑、脉石英岩屑含量也相对较高，同样可为刚性岩屑，颗粒形态在强压实作用下大多依然可以保持原有的形态，但这几类岩屑内部的矿物颗粒几乎不发生溶蚀作用。

4 岩屑对储层物性的影响

在碎屑岩中最常见的造岩矿物石英和长石在稳定条件下有着明显的差别，总体来看碱性地层水的背景更有利于石英的溶蚀和长石的自生加大，而酸性的流体更易使长石发生溶蚀以及石英自生加大，这些成岩现象对储层的物性有着较为深远的影响[13-15]。由于不同岩屑类型在矿物成分上的差异性，以及在内部结构上的多颗粒属性，在孔隙水作用下的活跃程度(变形、溶解)也会存在很大的差异性，从而都对储层物性造成较明显的影响。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组储层岩屑镜下特征Fig.4 Microscopic characteristics of the detritus of the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area,Ordos Basina.花岗岩岩屑，锦51井，埋深2 733.44 m，铸体薄片(+)；b.碳酸盐岩屑，锦122井，埋深2 710.22 m，铸体薄片(-)；c.泥岩岩屑，锦122井，埋深2 709.4 m，铸体薄片(-)；d.燧石岩屑，锦95井，埋深3 087.78 m，铸体薄片(+)；e.片岩岩屑，锦103井，埋深3 090.67 m，铸体薄片(+)；f.板岩岩屑，锦51井，埋深2 721.84 m，铸体薄片(-)；g.千枚岩岩屑，锦112井，埋深3 029 m，铸体薄片(-)；h.变质石英砂岩岩屑， 锦116井，埋深2 972.96 m，铸体薄片(+)；i.变质石英岩屑，锦103井，埋深3 095.72 m，铸体薄片(+)

研究区储层中岩屑种类复杂且多样，成分成熟度低，对储层的物性影响不可忽视。下石盒子组岩屑发育对储层物性的影响是多方面的，既有破坏储层物性的岩屑类型，也有改善储层物性的岩屑类型[16]。确定岩屑类型及其对物性的影响，有助于我们对储层的孔隙发育类型和分布规律有着更清晰的认识，也能够为优质储层的评价和预测提供新的研究思路。

根据各类岩屑的发育特征以及对储层物性的影响，将其划分为A，B，C三类。其中A类岩屑为减孔型岩屑；B类为增孔型岩屑；C类为保孔型岩屑(表1)。

4.1 减孔型岩屑

主要由浅变质岩岩屑如板岩岩屑、片岩岩屑、千枚岩岩屑和泥岩岩屑(图5a—c)等组成，平均含量约37%。

4.1.1 减孔型岩屑特征及机制

该类岩屑成分主要为粘土矿物、长英质矿物及绢云母、云母等层状构造硅酸盐矿物，岩屑组构细密，岩屑本身难以溶蚀，但是在压实作用的改造下极易发生变形甚至假杂基化充填骨架颗粒之间。该类岩屑的减孔机制为岩屑的压实变形，其含量与储层物性呈明显负相关关系(图6)。

4.1.2 减孔型岩屑对储层物性的影响

减孔型岩屑是研究区中最主要的岩屑类型之一。

该类岩屑中千枚岩岩屑含量较高，平均含量约29%，在减孔型岩屑中的相对含量约85%，因此千枚岩岩屑的含量在成岩作用过程中对储层孔隙度的损害程度最大。千枚岩中的粘土矿物已经全部重结晶形成绢云母，呈细小片状定向排列，片状矿物分布相对密集，粒状矿物较少，具显微鳞片变晶结构或显微粒状鳞片变晶结构。其往往与储层物性呈负相关关系，且抗压实能力较差，在强压实作用下易受周围刚性颗粒挤压而变形，直至完全被挤压至周围多个颗粒间的缝隙中从而形成假杂基化现象，占据了颗粒间大量空间且自身的组分难以直接溶解，使得成岩过程中溶解作用难以进行，粒间次生孔隙大量减少，因而破坏储层的物性(图7)。

4.2 增孔型岩屑

增孔型岩屑主要由变质石英岩、变质石英砂岩岩屑、石英砂岩岩屑(图5d—f)，以及碳酸盐岩屑，少量花岗岩岩屑和酸性喷出岩等岩性组成。

4.2.1 增孔型岩屑特征及机制

岩屑在矿物成分上主要包括石英、长石；矿物颗粒间接触较为紧密，但由于颗粒间的接触缝并没有完全闭合，这种接触缝在一定程度上有利于孔隙水活动，易发生内部溶蚀现象。岩屑的成孔机制主要表现为岩屑内部沿接触缝的溶解，有时可形成岩屑颗粒内部的蜂窝状溶孔(图5d)或因岩屑的广泛溶解后形成残余岩屑(图5f)。此外，岩屑颗粒边部也能发生一定的溶解现象；含量与储层物性呈明显正相关关系(图6)。

石英质岩屑的内部都存在颗粒与颗粒之间的接触缝，在碱性流体的作用下，这些接触缝比较颗粒更容易被溶解而开启，从而在颗粒间形成蜂窝状的内部溶蚀孔(图8a)。对于研究区来说，增孔型岩屑的成孔机制主要为碱性溶解作用下，石英质岩屑的部分溶解。溶解特征表明该类岩屑内部的溶蚀不是由于碳酸盐矿物对石英质岩屑的先交代后溶解作用，即便有部分接触缝被碳酸盐矿物交代，也不可能出现如此之多的接触缝同时发生这样的交代作用，甚至形成蜂窝状的溶蚀结构，更不可能再经过后期的溶解作用将这些细微的交代成因的空间完全溶解释放，因而由于碱性流体直接溶解颗粒与颗粒之间的接触缝从而形成这种比较特殊的溶解孔形态是最合理的解释。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组A,B,C三类岩屑含量与物性关系交汇图Fig.6 Crossplot of the content of the three detritus types vs. the physical properties of the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area,Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组千枚岩岩屑镜下特征及千枚岩岩屑含量与孔隙度交汇图Fig.7 Microscopic characteristics of phyllite detritus(a)and crossplot of the content of phyllite detritus vs.porosity(b)in the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area,Ordos Basina.千枚岩岩屑中的粘土矿物，锦95井，埋深3 208.48 m，铸体薄片(-)；b.千枚岩岩屑受挤压变形，锦116井，埋深2 982.26 m，铸体薄片(-)；c.千枚岩岩屑中高含量片状矿物，锦93井，埋深3 022.65 m，铸体薄片(+)；d.千枚岩岩屑绢云母定向排列，锦110井，埋深3 015.74 m，铸体薄 片(+);e.千枚岩岩屑含量与孔隙度交汇图

图8 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组石英质岩屑镜下特征及石英质岩屑含量与孔隙度交汇图Fig.8 Microscopic characteristics of quartzite detritus(a)and crossplot of the content of quartzite detritus vs. porosity(b)of the Lower Shihezi Formation in Hangjinqi area,Ordos Basina.变质石英砂岩沿裂缝溶蚀，锦108井，埋深3 087.2 m，铸体薄片(-)；b.变质石英岩内部强烈溶蚀，锦110井，埋深3 026.6 m，铸体薄片(-)；c.变质石英岩内部弱溶蚀，锦116井，埋深2 990.09 m，铸体薄片(-)；d.变质石英砂岩内部溶蚀，锦116井，埋深2 987.61 m，铸体薄片(-); e.石英质岩屑含量与孔隙度交汇图

4.2.2 增孔型岩屑对储层物性的影响

从含量及其实际贡献看，石英质岩屑是增孔型岩屑中最为主要的岩屑类型。研究区中石英质岩屑(包括变质石英岩屑、变质石英砂岩岩屑和砂岩岩屑)含量很高，其对储层物性影响最为关键且对溶液环境有着重要的指示意义[17]。石英质岩屑在碱性地层水的作用常不稳定，容易发生溶解作用而形成次生孔。

石英质岩屑的发育对储层物性有着明显的改善(图8b)，它们不仅有着较强的抗压实能力，而且也能保存部分粒间孔，还能在成岩过程中通过内部的溶蚀作用来改善储层的物性。

4.3 保孔型岩屑

保孔型岩屑也以石英质岩屑为主，主要为燧石、脉石英两大类。

4.3.1 保孔型岩屑特征及机制

这些岩屑本身抗压实能力较强，尽管组成岩屑的颗粒可以很细(燧石)，也可以较粗(脉石英)，但由于颗粒间镶嵌紧密，不利于孔隙流体的渗流，因此一般较难溶蚀。偏光显微镜下的观察表明，这类岩屑的溶蚀特征多数较弱，甚至不明显(图5g—i)，这表明其发育对孔隙本身贡献不大，但同时石英质岩屑属于刚型岩屑，抗压实能力较强，对原有孔隙又有一定的保护作用。

4.3.2 保孔型岩屑对储层物性的影响

统计结果表明，保孔型岩屑的含量与物性呈正相关关系(图6)，由于该类岩屑通常与增孔类岩屑同时发育且二者在岩屑矿物成分上也近似一致，因此该类岩屑和孔隙度之间的正相关关系实际上属于间接性正相关。但此类岩屑自身难以溶蚀，因而无法改善储层的物性，以此区别于增孔类岩屑。

4.4 讨论

对于致密砂岩储层，原生孔隙在强烈的成岩改造作用下已经基本消失殆尽，因而在成岩过程中的溶蚀作用是决定储层物性的决定性因素[18-19]。通常认为，致密砂岩储层中岩屑的存在尤其是塑性岩屑的大量发育，将会导致岩石抗压性和抗热性减弱，不利于后期地下成岩流体对储集层的溶蚀改造，使得总岩屑含量与物性呈负相关关系[20-21]。实际上，储层中岩屑的存在对储层物性的影响可以是多方面的，既有因压实变形而造成的负面影响，也有因溶蚀作用的发育而造成的正面影响。

研究区的储层中由于岩屑含量较高，且岩屑类型多，不同类型的岩屑由于组构上的差异性，在储层形成过程中的成岩响应特征也存在较大的差异，有的岩屑非常容易溶解，并形成大量的次生孔隙；有些则因为压实变形而对孔隙和储层物性造成损害。因此，详细探究其差异性，是把握储层成孔机制的关键因素之一。

研究区储层中所发育了减孔型、增孔型和保孔型3类岩屑。减孔型岩屑因其成岩压实变形而使孔隙空间变小，孔隙度降低。增孔型岩屑除碳酸盐岩屑之外，多数和保孔型岩屑在成分上是一致的，但是由于其在成岩作用过程中的溶解能力并不相同，前者较强，而后者基本溶蚀特征不明显，因此对于储层物性发育的贡献是不同的。增孔型岩屑和孔隙度之间存在的是直接的正相关关系，而保孔型岩屑和孔隙度之间存在间接正相关关系。如前所述，这种正相关关系是该类岩屑和增孔型岩屑在储层中相伴出现的，且在含量上也具有正相关关系。但由于这两类岩屑对于储层物性的贡献实际上存在非常大的区别，因此在储层发育控制因素的研究以及优质储层预测中，需要把它们区分开来进行统计与研究，这样才能真正从实质上把握储层的成孔机制，为储层发育主控因素的研究提供有益的参考，进而为深层致密砂岩储层的研究与油气勘探开发提供借鉴意义。

5 结论

1) 杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩储层岩石类型以岩屑砂岩和岩屑质石英砂岩为主，在岩石组分中石英及岩屑含量高，几乎不含长石。岩屑含量18%～52%，平均约40%，岩屑类型发育多样且相对复杂，具体分为碳酸盐岩屑、脉石英、花岗岩岩屑、泥岩岩屑、砂岩岩屑、变质石英砂岩岩屑、燧石岩屑、板岩岩屑、片岩岩屑、千枚岩岩屑、变质石英岩屑等11小类。

2) 下石盒子组岩屑发育对储层物性的影响是多方面的，既有破坏储层物性的岩屑类型，也有改善储层物性的岩屑类型。根据岩屑的发育对储层物性的影响，将岩屑分为减孔型岩屑、增孔型岩屑、保孔型岩屑3类。减孔型岩屑主要由板岩岩屑、片岩岩屑和千枚岩岩屑和泥岩岩屑所组成；增孔型岩屑主要有变质石英岩、变质石英砂岩岩屑、石英砂岩岩屑，以及碳酸盐岩屑，少量花岗岩岩屑和酸性喷出岩等；保孔型岩屑主要为燧石及脉石英。

3) 保孔型岩屑尽管和许多增孔型岩屑一样，主要由石英矿物组成，但由于存在结构上的差异，两类岩屑对于储层物性的贡献并不相同。增孔型岩屑和储层物性之间存在正相关关系，保孔型岩屑和储层物性之间存在的正相关关系属于间接性正相关。

4) 由于保孔型岩屑和增孔型岩屑在溶蚀孔隙形成中的贡献度存在差异，在储层精细研究中，有必要把这两类岩屑分开来进行研究和统计。