鄂尔多斯盆地东缘临兴—神府区块上古生界储层物性特征及其影响因素

孙 强，朱明君，马遵敬，朱士波

(1.中联煤层气有限责任公司，北京 100015； 2.河南省资源环境调查三院，郑州 450000；3.中海油能源发展有限公司工程技术分公司，天津 300450)

0 引言

致密砂岩气作为一种致密砂岩气是一种储集于低渗透-特低渗透致密砂岩储层中的典型的非常规天然气资源，已在我国天然气工业发展中发挥了重大作用。目前我国已在鄂尔多斯盆地、四川盆地、塔里木盆地、准噶尔盆地和松辽盆地等发现了大量致密砂岩气资源[1]。

鄂尔多斯盆地具有丰富的致密砂岩气资源[2]，但由于其具有低渗透的特征，依靠常规技术难以开采，加之其他地质因素的影响，使得致密砂岩气开发总体上处于经济效益边沿，或因没有开发价值而无法启动。

前人在致密砂岩气储层特征方面做了较多的研究，主要集中在储层特征、成岩作用、成因机质、影响因素、分区评价[3]等方面，如刘曾勤分析了龙潭组致密砂岩储层的储集空间特征和致密成因机制，确定了致密砂岩气体的充注时间和气体来源，讨论了致密砂岩气潜力[4]。马强对储层的岩石学特征、物性特征、成岩作用等进行综合研究，分析影响致密砂岩气储层的主要因素[5]。

在鄂尔多斯盆地东缘临兴—神府区块致密气的研究方面，前人的研究主要集中在开采潜力地质评价[3,6]、成藏特征[2]、气水分布特征[7]、成藏主控因素[8]等方面，还有少量学者开展储层特征方面的研究，但研究得不够全面，仅局限在对某一段进行研究[9-10]，得出得结论不具普适性。

为了更好地勘探与开发鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气气藏，通过对盆地东缘临兴—神府区块上古生界储层物性特征及其影响因素进行研究，分别从储集层岩石学特征、储层物性特征、成岩作用特征、成岩作用对储集物性的影响展开论述，旨在对临兴—神府区块致密气的储集层有全面系统的认识，为寻找盆地内致密气富集区和有利于致密气开采的地段提供依据。

1 研究区概况

鄂尔多斯盆地东缘临兴—神府区块上古生界储层以长石岩屑砂岩为主，其含量可高达78%，其成分成熟度中等，结构成熟度中等到好。物性受成岩作用改造较为强烈，成岩作用主要为压实作用、胶结作用及溶蚀作用。孔隙度变化范围为0～23.5%，主要集中于4%～10%的范围内，尤以6%～8%范围内最为发育，透率主要集中为0.1～1mD。

研究区储层的储集物性受成岩作用和构造运动的共同影响，主要表现为对孔隙度和渗透率的影响，其中压实和胶结作用使储层原生孔隙迅速减少、渗透率降低、储集物性变差，而溶解作用则是导致次生孔隙发育及改善砂岩储集性能的主要因素。压实作用主要表现为刚性颗粒发生脆性破裂、塑性颗粒挤压变形或刚性颗粒嵌入塑性颗粒中、颗粒之间呈线接触和凹凸接触、碎屑颗粒呈明显的定向排列等；溶蚀作用表现为碳酸盐矿物的溶解；胶结物主要为自生黏土矿物、碳酸盐和自生石英。交代作用主要为碳酸盐胶结物交代石英、长石及岩屑颗粒及碳酸盐胶结物之间的相互交代等。构造运动使局部的储层物性得到改善。

临兴—神府区块位于鄂尔多斯盆地东缘，构造位置为鄂尔多斯盆地伊陕斜坡和晋西挠摺带，地势上呈东高西低、北高南低。上古生界储层是目前致密砂岩气勘探的主要层位，上古生界在盆地内分布广泛，层位稳定，主要由碎屑岩系组成，仅石炭系发育少量碳酸盐岩。上古生界自下而上依次为：石炭系本溪组(C2b)，下二叠统太原组(P1t)和山西组(P1s)，中二叠统下石盒子组(P2x)、上石盒子组(P2s)，上二叠统石千峰组(P3s)。其中LX-62-2D井上石盒子组自然产能55.8×104m3/d，为研究区产能记录；神府南区块SM-02井完成压裂测试，单层产量最高的是太原组，日产气量1.37×104m3/d。这充分展示了上古生界致密砂岩气勘探具有较大前景。

2 储集层岩石学和物性特征

2.1 储层岩石学特征

临兴—神府地区上古生界岩性以细砂岩与泥岩为主，其次为中砂岩与粉砂岩，煤层与灰岩主要以夹层形式沉积于太原组与本溪组，神府区块总体上泥岩沉积厚度小于临兴区块，砂岩沉积厚度大于临兴区块。临兴—神府区块自上而下砂岩岩石类型：岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩过渡为岩屑砂岩、岩屑石英砂岩，反映长石含量逐渐减少，岩屑和石英含量逐渐增加，神府区块本溪组石英、长石含量相对比临兴高。

临兴—神府区块上古生界储层自上而下分别为石千峰组、上石盒子组、下石盒子组、山西组、太原组和本溪组。区块石千峰组储层以长石岩屑砂岩为主，其含量可高达78%，其次为岩屑长石砂岩和岩屑砂岩，其含量分别为13%和9%；上石盒子组砂岩储层以长石岩屑砂岩为主，其含量略有降低，约为73%，其次为岩屑砂岩和岩屑长石砂岩，其含量分别为15%和12%；下石盒子组砂岩储层与上石盒子组储层具有一定相似性，长石岩屑砂岩含量约为75%，岩屑砂岩含量为23%，岩屑长石含量为2%；山西组长石岩屑砂岩含量有了较大降低，含量约为57%，岩屑砂岩含量则升高到35%，岩屑长石砂岩和岩屑石英砂岩分别为6%和2%；太原组储层则以岩屑砂岩为主，其次为长石岩屑砂岩，含量分别为77%和23%，其岩石成分中的石英含量有所增加；本溪组以岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主，含量分别为41%和35%，其次为长石岩屑砂岩，含量为24%，岩石成分中石英含量进一步升高(图1)。

2.2 储层物性特征

临兴—神府区块碎屑岩储层孔隙度主要集中为4%～10%，渗透率主要集中为0.1～1mD，属于特低孔特低渗储层。其中盒4段孔渗发育最好，盒2段、盒6及盒7段次之，山西组孔渗发育最差。孔隙度变化范围为0～23.5%，主要集中于4%～10%的范围内，占总样品量的近60%.其中尤以6%～8%范围内最为发育，占总样品量的21%以上。孔隙度小于2%以及大于14%的样品量较少出现。渗透率主要集中为0.1～1mD，占总样品量的近70%。渗透率小于0.1mD的样品占总样品量的8%附近，渗透率为1～10mD的样品占总样品量的18%附近，渗透率大于10mD的样品较为少见(图2)。

孔隙度随层位时代的变老未发生明显的变化规律，由千5段到盒4段，孔隙度有增大的趋势；由盒4段到太2段，孔隙度呈减小的趋势。具体来看，石盒子组孔隙度相对最发育，尤其是盒4段孔隙度平均达10.8%，另外，盒2段、盒6段及盒7段孔隙度也均在9%附近；山西组孔隙度发育相对最差，平均孔隙度不足7%(图3)。

渗透率在各层位中的变化特征与孔隙度相似，随层位时代的变老，由千5段到盒4段，渗透率整体呈增大的趋势；由盒4段到太2段，渗透率整体呈减小的趋势。其中石千峰组和石盒子组渗透率相对最为发育，盒4段渗透率最为发育，平均达1.69mD。山西组和盒8段渗透率相对最差，平均值多在0.3mD以下(图4)。

图1 临兴—神府区块上古生界砂岩岩石类型三角图Figure 1 Triangular plot of upper Paleozoic sandstone rock types in Linxing-Shenfu block

图2 临兴—神府区块上古生界砂岩孔隙度、渗透率直方图Figure 2 Histogram of upper Paleozoic sandstone porosity,permeability in Linxing-Shanfu block

图3 临兴—神府区块各层段砂岩平均孔隙度直方图Figure 3 Histogram of sandstone sectors average porosityin Linxing-Shanfu block

3 储层成岩作用特征

3.1 压实作用

储层岩性、胶结程度和流体压力等因素均会影响储层的压实作用[11]。临兴—神府区块上古生界砂岩经历了强烈的压实作用，主要表现为，泥质含量少的情况下，砂岩碎屑颗粒接触关系主要为线接触。受强烈压实作用影响，长石刚性颗粒表面出现破裂纹，塑性颗粒如千枚岩岩屑、云母碎片挤压变形(图5)，泥质等呈假杂基充填粒间孔隙。早期压实作用使砂岩碎屑组分致密接触，大大降低砂岩原生粒间孔隙，是导致研究区砂岩储层致密化的一大成因。随着埋深的增加，研究区太原组-本溪组砂岩受压实作用影响更为强烈，致密性更强，石英含量的增高，在一定程度上减弱了压实作用的影响。

图4 临兴—神府区块各层段砂岩平均渗透率直方图Figure 4 Histogram of sandstone sectors average porosityin Linxing-Shanfu block

3.2 胶结作用

松散沉积颗粒被孔隙流体中析出的矿物质所固结的作用称为胶结作用[12]。研究区上古生界砂岩胶结作用包括：硅质胶结、碳酸盐矿物胶结以及自生黏土矿物胶结。胶结作用以自生黏土矿物和碳酸盐胶结为主，硅质胶结发育相对较弱，自生黏土矿物和碳酸盐胶结作用对储层物性影响相对较大。

1)硅质胶结。砂岩少量或部分石英颗粒出现次生加大现象(图5)，次生加大方式包括两种，即石英次生加大边和自生石英充填，在上石盒子砂岩中见到两期石英次生加大边。

2)碳酸盐矿物胶结。砂岩碳酸盐矿物包括泥晶菱铁矿、方解石和铁方解石、白云石和铁白云石(图5)，泥晶菱铁矿、方解石和白云石主要分布在石千峰组—上、下石盒子组，且含量较低，只在少数样品中出现，并呈星斑状胶结碎屑颗粒。在山西组—本溪组，因沉积环境由陆相转为海相，砂岩中含铁碳酸盐矿物含量增高，部分样品中可见粉晶-细晶状铁方解石和铁白云石呈嵌晶状胶结碎屑颗粒。

3)自生黏土矿物。砂岩自生黏土矿物含量整体较高，自生黏土矿物种类主要为鳞片状、蠕虫状高岭石、针叶状绿泥石及丝片状伊/蒙混层，少量丝缕状、丝片状伊利石和绿/蒙混层，偶见蜂窝状蒙脱石(图5)。扫描镜下观察，自生黏土矿物在砂岩一般呈孔隙衬里式或孔隙充填式分布，往往以两种或者两种以上组合形式产出。受成岩介质和环境的影响，研究区地层自上而下自生黏土矿物的种类和含量相应发生变化。石千峰组—上、下石盒子组，自生黏土矿物以伊/蒙混层、高岭石、绿泥石和绿/蒙混层为主，伊利石含量偏低，山西组-本溪组，自生黏土矿物中高岭石、伊/蒙混层向伊利石转变，原因是海相沉积环境丰富的K+促进了伊利石的大量发育。

图5 成岩作用典型照片Figure 5 Diagenesis typical photos

3.3 溶蚀作用

溶蚀作用是改善砂岩储层物性的主要因素[13]。研究区长石岩屑砂岩中长石颗粒、方解石及火山岩屑进行溶蚀形成大量次生孔隙，以长石颗粒溶蚀最为强烈，长石颗粒大多沿解理缝强烈形成溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔等溶蚀孔隙(图6)。另外，少量方解石和火山岩岩屑也发生一定程度的溶蚀，形成溶蚀粒内孔。长石溶蚀作用在石千峰组-本溪组均较为强烈，由于地层自下而上长石含量不同，导致长石次生溶孔面孔率存在差异。

图6 成岩作用典型照片Figure 6 Diagenesis typicalphotos

4 成岩阶段及其演化模式

研究区上古生界砂岩成岩阶段为中成岩阶段A期—B期，以中成岩阶段A期为主。大致经历了压实作用—石英次生加大—绿泥石薄膜形成—早期方解石胶结—长石溶蚀—自生高岭石形成—方解石弱溶解—烃类充注—晚期含铁方解石胶结—晚期含铁白云石胶结，成岩阶段总体处于中成岩阶段A-B期。

研究区上古生界有机质Ro值主要分布在0.5%～1.3%，少数样品有机质Ro值分布在1.3%～2.0%(图7)。Ro值对应的成岩阶段主要为中成岩阶段A期，中成岩阶段B期次之。

图7 临兴—神府区块Ro值与井深散点图Figure 7 Scatter diagram of Ro values and well depth in Linxing-Shenfu block

泥岩中I/S混层中S值可作为一项重要的成岩阶段判断指标[14]。由于临兴—神府区块泥岩未做黏土矿物相对含量检测，研究区主要目的层位自下而上由泥岩和砂岩互层构成，砂岩中I/S混层中S值可间接反映上下泥岩层中对应值。砂岩中I/S混层中S值分布较为广泛，山西组-本溪组I/S混层中S值主要<15%，成岩阶段为中成岩阶段B期，石千峰组-下石盒子组I/S混层中S值分布较广，主要区间为0～50%，成岩阶段为中成岩阶段A期和B期(图8)。

图8 临兴—神府区块I/S混层中S%值与井深散点图Figure 8 Scatter diagram of I/S mixed layer S% and well depth in Linxing-Shenfu block

砂岩中自生黏土矿物种类包括高岭石、绿泥石、伊/蒙混层、绿/蒙混层，石英颗粒加大级别为II级，碳酸盐矿物方解石、铁白云石等为亮晶，部分为含铁碳酸盐矿物，部分长石颗粒发生钠长石化，由于有机质成熟过程中释放出大量的有机酸，研究区长石颗粒溶解作用强烈，次生孔隙较为发育。

5 成岩作用对储集物性的影响

5.1 压实作用降低或破坏储层储集性能

研究区砂岩经历了强烈的压实作用，主要表现为，泥质含量少的情况下，砂岩碎屑颗粒接触关系主要为线接触。受强烈压实作用影响，长石刚性颗粒表面出现破裂纹，塑性颗粒如千枚岩岩屑、云母碎片挤压变形(图9、表1)，泥质等呈假杂基充填粒间孔隙。早期压实作用使砂岩碎屑组分致密接触，大大降低砂岩原生粒间孔隙，是导致研究区砂岩储层致密化的一大成因。随着埋深的增加，研究区太原组—本溪组砂岩受压实作用影响更为强烈，致密性更强，石英含量的增高，在一定程度上减弱了压实作用的影响(图10)。

图9 临兴—神府区块部分探井层段压实作用图Figure 9 Compaction of part exploratory well sectors in Linxing-Shenfu block

表1 临兴—神府区块上古生界颗粒接触关系统计表

图10 临兴区块上古生界砂岩压实作用-胶结作用与粒间体积相关Figure 10 Correlation between upper Paleozoic sandstone compaction-cementation and intergranular volume in Linxing block

抗压矿物(例如石英)含量增加，会导致地层的岩石密度略有降低[15]。随着埋藏深度的增加，临兴区块岩石密度具有减弱的趋势，原因主要是后期抗压矿物石英含量随着深度增大而增加，深部地层溶蚀作用加强，碎屑岩储层中部分易溶矿物溶蚀形成溶蚀孔隙，使岩石密度下降。而神府区块，由于不均一溶蚀作用，最终形成岩石密度数据随埋深增加，整体增加趋势，局部呈现密度较弱段(图11)。

图11 临兴(左)—神府(右)区块上古生界砂岩岩石密度随井深变化图Figure 11 Variation of upper Paleozoic sandstone densitieswith well depth in Linxing (upper) and Shenfu (right) blocks

5.2 胶结作用对储层的性能起到双重影响

胶结物(主要是钙质、硅质和自生黏土矿物)一旦形成具有一定抗压能力的支撑格架，对压实作用可起一定的抑制或妨碍作用，从而对未被胶结物充填部分的粒间孔隙起保护作用[16-17]。所以，胶结作用一方面由于胶结物的沉淀析出直接减少粒间孔隙体积，引起孔隙度降低；另一方面，胶结物的不均匀分布，可以迟滞或延缓压实作用对孔隙的破坏，对孔隙起有限的保护作用。

研究区胶结作用以自生黏土矿物和碳酸盐胶结为主，硅质胶结发育相对较弱，自生黏土矿物和碳酸盐胶结作用对储层物性影响相对较大。

1)硅质胶结成岩作用过程中，长石、石英等不稳定硅铝酸盐矿物溶蚀或黏土矿物转化形成大量的SiO2，进入到砂岩孔隙体系中，当其含量在孔隙流体中达到过饱和时，将在颗粒边缘或孔隙中沉淀下来，使岩石发生固结，并形成各种硅质胶结物。

2)碳酸盐胶结物对储层物性的双重性影响。

在成岩早期，方解石的形成导致一部分原生粒间孔消失，但有利的是方解石的存在又增强了岩石的抗压实能力；在成岩晚期，碳酸盐通过交代骨架颗粒和填隙物，充填岩石中早期形成的部分孔隙，使砂岩孔隙度减小、渗透率降低，属于破坏性成岩作用(图12)。

图12 临兴区块上古生界储层碳酸盐矿物与孔渗相关图Figure 12 Correlation between upper Paleozoic carbonate minerals and pore permeability in Linxing block

5.3 溶蚀作用是改善砂岩储层物性的主要因素

成岩阶段富含有机酸和无机酸的酸性孔隙流体是导致研究区储层碎屑组分发生溶解的主要动力和介质，同时这些酸性孔隙流体也是部分反应产物溶解迁移的载体。砂岩在有机质成岩演化成熟期，发生了较强的溶解作用，该期烃源岩中有机质在较高的温压条件下分解产生的CO2和有机酸进入砂岩储集层后，使得孔隙介质中pH值降低，由碱性变为酸性。在这些酸性介质的作用下，砂岩中长石颗粒、方解石及火山岩屑进行溶蚀形成大量次生孔隙。

研究区以长石颗粒溶蚀最为强烈，长石溶解产生A12Si2O5(OH)4在一定条件会结晶生成自生高岭石集合体，且长石的溶解往往首先以自生高岭石的形式沉淀在粒间孔隙中，随成岩强度的增加，长石、岩屑也可直接或间接形成其他自生勃土矿物，而高岭石在120～150℃温度下变得不稳定，转变成伊利石或与长石反应生成伊利石和石英。长石颗粒大多沿解理缝强烈形成溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔等溶蚀孔隙(图6)。

临兴区块长石含量低于15% 、神府区块长石含量低于10%时，溶蚀作用较强，含量较高时，则溶蚀作用相对较弱，孔渗呈下降趋势。

随埋藏深度的增加，温度升高，泥岩中的干酪根在80～120℃时含氧官能团因热裂解形成梭酸等有机酸，使得碳酸盐矿物的溶解度增加，并发生溶蚀作用的原因(Surdam，1989)，该溶蚀提供了部分次生孔隙，对储层物性起到了一定贡献作用。

少量火山岩岩屑也可以发生一定程度的溶蚀，形成溶蚀粒内孔。长石溶蚀作用在石千峰组-本溪组均较为强烈，由于地层自下而上长石含量不同，导致长石次生溶孔面孔率存在差异。

5.4 裂缝发育对储层物性的改造

工区裂缝的成因比较复杂，构造运动、紫金山岩体侵入、岩石自身性质以及在成岩作用期间，由于压实作用、矿物的结晶作用，导致收缩和膨胀以及矿物间的重新组合与排列，也可以产生微裂缝。构造运动和紫金山隆起对研究区储层的改造非常明显，其产生的裂缝有时可以使致密储层的渗透性呈指数级增长。临兴与神府区块勘探表明，测试效果比较好的探井层段除溶蚀强烈外，裂缝都比较发育，而裂缝不发育的层段和区域(例如神府区块)一般勘探效果较差；有的层段岩心测试吼道很低，但测试产能很高，与裂缝的作用不无关系(图13)。

图13 临兴区块P1s底与蔡家会区C2b—T1l断裂体系叠合图Figure 13 Linxing block P1s bottom and Caijiahui area C2b—T1l faulted systems overlapping diagram

6 结论

1)适量的刚性矿物成分对优质储层的形成起建设作用，储层中形成起建设作用的刚性矿物主要为石英(含石英岩屑)和碳酸盐。在沉积过程中，刚性矿物一定程度上可以减少压实作用对储层的破坏，进而减缓砂岩储层的致密化进程，使得储层中部分原生孔隙得以继续发育和保存；同时残余原生孔隙可以作为有效运移通道促进了地层中流体的流动，加大了可溶性组分溶蚀几率；同时，成岩中期含有较多石英的岩石易产生产生裂缝，可以很好的改善储层的物性，并且由于裂缝的存在也有利于地层流体的运移进而促进溶蚀作用的进行，从而产生一些次生孔隙达到改善储层物性的目的。

2)绿泥石薄膜的形成对保存粒间孔具有重要的意义。早成岩阶段形成的绿泥石薄膜，一般厚度5～8μm，较均匀地分布于颗粒表面，垂直颗粒表面生长，使得溶解于水的二氧化硅缺少结晶核心，未能形成硅质加大，从而保存了一部分残余粒间孔。在研究区上古生界碎屑岩储集层中，绿泥石薄膜不均匀分布，但凡有绿泥石薄膜发育的地区和层段，均具有残余粒间孔，储集层物性较好。

3)适量的可溶性组分是形成溶孔的必要条件。研究区上古生界碎屑岩储集层中可溶性组分主要为长石，其次为碳酸盐、火山岩岩屑和凝灰质，这次物质的溶蚀是优质储层发育的主要控制因素。研究表明，溶蚀作用与易溶蚀矿物含量关系密切。临兴区块长石含量低于15%，神府区块长石含量低于10%，溶蚀作用较强，含量较高时，则溶蚀作用相对较弱，孔渗呈下降趋势。临兴区块储层火山碎屑含量低于10%，神府区块储层火山碎屑含量低于8%，储层物性随火山碎屑含量增加而升高；临兴火山碎屑含量大于10%、神府大于8%，物性反而变差。

4)区域和局部构造应力场产生的断裂和裂缝，残余的粒间孔为可溶性组分溶蚀提供了重要的渗流通道。从储层成因演化上看，低渗透储层的形成与沉积作用、成岩作用和构造作用密切相关，这三者在致密砂岩储层形成过程中所起到的控制作用，既有区别又存在有机的联系。