鄂尔多斯盆地北缘盒2+3段储层致密化机理

张占杨

（中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南 郑州 450006）

0 引言

近年来随着中国天然气的勘探与开发不断向低渗致密储层领域发展，在鄂尔多斯盆地和四川盆地均发现了丰富的致密砂岩气资源，致密砂岩气对国内天然气总产量具有重要的贡献作用［1］。致密砂岩气藏的主要特点为砂体分布面积广、气水界面不统一、源储紧邻、高含水饱和度、孔喉极小。前人的研究主要聚焦于储层质量、沉积相和成岩作用等方面，而对于致密砂岩储层的成岩演化和致密化机理仍然认识不足［2-3］。笔者以鄂尔多斯盆地北缘什股壕气区下二叠统下石盒子组盒2+3段储层为例，对研究区目的层沉积相、岩石学、孔隙结构、物性等进行了详细分析，在此基础上深入探究了成岩演化及储层的致密化机理，以期为研究区后期的产能差异成因分析提供指导。

1 研究区地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地北部一级构造单元伊盟隆起、伊陕斜坡及天环坳陷的结合部位，受太古界—下元古界结晶基底及区域构造演化影响，中上元古界及古生界不同程度缺失或超覆于基底隆起之上，地层接触关系复杂［4］。

1.1 构造特征

什股壕气区南部为泊尔江海子断裂，整体上为平缓的向西南倾斜的单斜构造，由于古地貌的控制作用，发育小规模的披覆构造。研究区东北部为张家塔潜山带，地势较高，北部至东北部多处发育北东—南西向的小规模鼻状隆起。

1.2 气藏特征

研究区目的层主要发育岩性—构造复合气藏，岩性主要为冲积扇背景下形成的中—粗粒含砾岩屑砂岩［5］，天然气富集的主要层系为下石盒子组，其主要生烃来源为下部的太原组和山西组煤层及暗色碳质泥岩，区域性盖层为封闭性良好的上石盒子组大套厚层泥岩，下石盒子组气藏具有优质的烃源岩和较好的遮挡条件［6］。

1.3 沉积特征

下石盒子组地层沉积期间，研究区北部物源受构造抬升的控制作用，沉积物粒度粗且供给充足。前人研究表明该区的沉积相主要为冲积扇—辫状河沉积体系，储层主要为强水动力条件下形成的粒度较大的砾岩、砂砾岩、含砾粗砂岩、粗砂岩等，垂向上砂体频繁切割叠置，非均质性强［7］241。

研究区盒2段的沉积相主要为辫状河沉积，由于该时期水动力条件强、物源供给充足，辫流水道迁移速度快且规模较大，大部分地区砂体呈现出交叉连片状的分布样式（图1a），辫流水道沉积砂体厚度介于8～10 m，高能心滩沉积砂体厚度可超过14 m。盒3段沉积期间，由于该时期构造活动变弱且古气候发生变化，研究区北部物源供给快速减少，辫流水道的分布规模较盒2段变小（图1b），沉积砂体的宽度及厚度变小，沉积环境向曲流河转变。盒3段沉积期间发育的近南北向主河道宽度较小，砂体厚度范围介于2～11 m，沉积的岩石类型主要为较弱水动力条件下形成的中—粗粒砂岩、中砂岩、细砂岩等［8］。

图1 什股壕气区主要目的层沉积微相图

2 储层基本特征

储层主要受控于沉积作用和成岩作用，其中成岩作用是影响后期储层改造的主要因素之一，压实和压溶作用会降低储层的孔隙度和渗透率，而溶蚀作用则会提高储层的孔隙度和渗透率，而沉积作用在一定程度上也影响了成岩作用的发育程度及次生孔隙的发育。

2.1 岩石学特征

岩石薄片分析结果表明，盒2段储层岩石类型以中—粗粒岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主，盒3段储层岩石类型主要为中—粗粒岩屑石英砂岩，岩屑砂岩次之（图2）。盒2段储层主要岩屑类型为变质岩和沉积岩，其成分主要包括石英质岩、燧石、泥板岩和泥质岩；盒3段储层岩屑与盒2段的不同之处在于含有较多的粉砂岩。盒2+3段储层岩石整体分选差—中等，颗粒磨圆以次棱角为主，接触关系以点—线接触为主，胶结方式主要为孔隙式、接触式。

图2 什股壕气区盒2+3段储层岩石类型三角图

2.2 孔隙类型

根据铸体薄片、扫描电镜等资料的分析总结可知，盒2+3段储层的孔隙类型按成因和产状可以划分为残余粒间孔、粒间溶孔、粒内溶孔、裂缝等4大类（图3）。由于研究区的成岩作用强烈，残余粒间孔、粒间溶孔及裂缝的发育对于储层储渗能力具有重要的贡献作用［9］。

图3 什股壕气区盒2+3段砂岩储层孔隙类型图

2.3 储层物性特征

由研究区盒2段155个样品物性测试结果可知，盒2段孔隙度分布范围介于1.60%～9.38%，平均孔隙度为8.67%，其峰值在8.00%～9.38%，其中孔隙度大于6%的样品占比约96.13%。其渗透率主要分布在0.000 9～9.38 mD，平均渗透率为0.59 mD，呈明显的单峰分布，峰值在1～9.38 mD，占样品总数的40.6%。盒2段储层总体属低孔隙度、低渗透率储层，其孔隙度和渗透率的相关性（相关系数为0.346）表明该区成岩强烈且孔喉组合关系复杂［10］。盒2段以孔隙型储层为主，局部区域发育裂缝—孔隙型储层。盒3段109个样品物性测试结果表明，孔隙度的分布区间介于2.8%～23.2%，平均值为11.5%，其峰值在12%～18%，其中孔隙度大于6%的样品占比约95%。其渗透率介于0.03～16.26 mD，平均值为1.13 mD，呈明显的单峰分布，峰值在1～10 mD，占样品总数的57.7%，该段储层整体属中—低孔隙度、低渗透率储层。盒3段储层孔隙度—渗透率的相关系数为0.487，孔隙度、渗透率的相关性好于盒2段，但整体相关性仍然较差。盒3段储层裂缝不发育，以孔隙型储层为主。

3 储层成岩演化序列

成岩作用是控制储层质量差异的重要因素，不仅会使岩石的矿物成分发生变化，还会使其内部孔隙结构、构造等发生改变。利用铸体薄片、扫描电镜、阴极发光等多种分析测试资料综合探究了该区储层的成岩作用特征，认为在漫长的地质历史过程中，研究区下石盒子组储层经历了一系列复杂的成岩变化，最终形成了现今储层致密的特点［11］。

盒2段、盒3段两期石英次生加大比较明显，两期加大边之间以黏土薄膜为界线，极少量为绿泥石；两期硅质胶结之后溶蚀作用开始增强，但此时的作用并不明显，仅少量的加大边被溶蚀；随着溶蚀作用的进行，粒间高岭石逐渐增多，到晚期铁方解石胶结，但部分样品显示此时溶蚀作用并未完全减弱，部分方解石胶结物仍然被溶蚀［12］。

综上所述，盒2段、盒3段成岩过程可以进一步划分为早成岩阶段（A、B期）、中成岩阶段（A、B期）共4个阶段（图4）：①早成岩阶段A期。古地温介于20～65℃，Ro小于0.35%，孔隙类型以原生孔隙为主，基本上无次生孔隙，机械压实作用强，并伴随着早期胶结作用的发生，胶结物以黄铁矿、菱铁矿为主，出现第一期石英加大，但加大作用较弱，颗粒周围出现绿泥石环边，此阶段绿泥石结晶作用较弱。②早成岩阶段B期。古地温介于65～85℃，Ro介于0.35%～0.50%，机械压实作用持续进行，原生孔隙逐渐减小，长石、岩屑开始发生溶蚀作用，次生溶蚀孔隙增多，第二期石英加大及自生高岭石开始出现，但此阶段无铁方解石胶结。③中成岩阶段A期。古地温介于85～140℃，Ro介于0.50%～1.30%。岩石固结，自生矿物组合以石英加大和自生高岭石发育为特点，发育大量次生孔隙，接触类型主要为线接触，少量呈点—线接触，胶结方式主要为孔隙式胶结，少量呈镶嵌式胶结。石英次生加大属Ⅲ级，伊蒙混层中蒙皂石的含量小于50%。④中成岩阶段B期。古地温介于140～175℃，Ro介于1.30%～2.00%。砂岩中的自生矿物以铁方解石、铁白云石发育为特征，以交代作用为主，石英次生加大属Ⅲ级；砂岩中高岭石、I／S混层黏土矿物含量下降，伊利石、绿泥石含量升高，成为主要的黏土矿物类型；孔隙类型以裂缝为主，含少量溶孔；颗粒间呈线状接触、凹凸状接触或缝合状接触。

4 储层致密化机理

根据镜下薄片鉴定、全岩X射线衍射分析等可以初步确定研究区储层经历了快速压实、致密化、调整期和致密后4个阶段（图5）［13-15］。

4.1 快速压实阶段

图4 什股壕气区下石盒子组盒2+3段成岩演化序列图

图5 什股壕气区盒2+3段埋藏史与成岩演化过程图

该阶段处于沉积物埋藏后的初期，强压实和弱胶结为该时期成岩作用的主要特征，颗粒间接触方式由点向线转变［16］，部分呈现线接触、凹凸接触，显微镜下可见到刚性颗粒的脆性破裂，塑性和软韧性颗粒的变形使得孔隙空间变小，原生孔隙大量损失，并且形成了一些依附在岩石矿物颗粒表面的黏土胶结物，使原生孔隙进一步减少甚至消失（图6A、6B、6C）。

快速压实阶段在整个成岩过程中主要发生在早成岩阶段A期，埋藏深度约为2 000 m（图5）。由多种成岩矿物的种类及组合关系可以推知该阶段经历的成岩序列为阶段初期方解石、泥晶状菱铁矿→绿泥石包壳。初期方解石铁离子含量较低，其在阴极发光下呈现出暗黄色，阶段末期发生溶蚀，绿泥石薄膜主要发育在残余粒间孔边部，增加了岩石的抗压实性，保护了部分原生粒间孔隙以及因溶解作用而形成的次生孔隙［17］，可见石英的次生加大附着在这种次生孔隙内壁的绿泥石包壳上，而石英次生加大很明显的地方绿泥石薄膜不甚发育，因此判断绿泥石薄膜并不一定能阻止石英的自生［18］，只有在其达到一定厚度时才能对石英的加大起到抑制作用。

4.2 致密化阶段

研究区储层致密化阶段对应着几期酸碱交替的流体充注，大致埋藏深度为2 300～2 800 m，温度为60～125℃（图5）。研究区致密砂岩储层中石英加大现象极为普遍，由于硅质沉淀的阶段性，镜下可常见到两期石英次生加大和两期自生石英，最为常见的是第一期和第二期石英次生加大，而第三期石英次生加大不常见，其加大边较窄或是以自形晶面的形式产出，溶蚀现象比较明显［19］。该阶段成岩环境主要经历了两期由酸性环境变为碱性环境的完整周期，成岩作用过程复杂，是次生孔隙形成的主要时期［20］。根据成岩矿物的组合关系可以推知该阶段经历的成岩作用演化过程为：第一酸性阶段，该阶段长石和岩屑发生溶解，石英出现第一期加大，高岭石开始胶结；第一碱性阶段，石英开始溶解，高岭石开始溶解并转化，形成方解石胶结物；第二酸性阶段，石英出现第二期加大，末期高岭石开始胶结；第二碱性阶段，石英开始第二次溶解，二期铁方解石以及少量铁白云石开始胶结（图6D、6E、6F）。

4.3 调整阶段

研究区储层在经历快速压实并致密化后直接进入调整阶段。该阶段的典型特征为石英的第三期次生加大，形成大量的自生石英。该时期少量的方解石、铁白云石及铁方解石仍发生溶蚀作用，由于这些物质相对含量较低，所以对储层物性的影响很小［7］243。除此之外，该时期还可见明显的泥铁质充填、交代作用形成的碎屑颗粒和胶结物，最终储层由于强烈的硅质胶结已经基本上形成了致密储层（图6G、6H、6I）。

图6 什股壕气区下石盒子组砂岩储层微观特征图

4.4 致密后阶段

该阶段处于储层成岩演化的后期，下石盒子组储层由于受到构造抬升作用的控制［21］，地层压力急剧减小，使得储层产生较多的微裂缝，但微裂缝的规模较小，其形成之后已经几乎没有了流体充注（图6J、6K、6L）。

通过对研究区成岩演化过程及砂岩薄片的分析，总结出该区下石盒子组砂岩储层的致密化模式（图7）：①快速压实阶段。颗粒之间不接触或呈点接触，原生孔隙发育，受到压实作用后，颗粒之间以点接触为主，自生矿物开始形成，原生孔隙开始减少。②致密化阶段。主要表现为岩石颗粒进一步压实，颗粒之间以点接触为主，部分呈线接触，出现石英次生加大，自生矿物大量形成，原生孔隙急剧减少，有机酸开始进入砂岩储层，次生溶蚀孔开始形成。③调整阶段。大量有机酸进入砂岩储层，对长石、岩屑等颗粒以及填隙物进行强烈溶蚀，同时伴随着石英与碳酸盐的沉淀，该时期是次生溶蚀孔形成的重要阶段。④致密后阶段。出现石英次生加大与方解石胶结物，残余原生粒间孔隙得以保存。

图7 什股壕气区盒2+3段储层致密化模式图

5 结论

1）研究区盒2+3段储层以辫状河沉积为主，发育的主要沉积微相类型为心滩、辫流水道、河漫沉积，由盒2段到盒3段河道展布规模逐渐变小；储层岩石类型以岩屑石英砂岩、岩屑砂岩为主，对储层储渗性能起主要贡献作用的孔隙类型为残余粒间孔、粒间溶孔及裂缝，孔隙度、渗透率相关性整体较差。

2）盒2+3段储层成岩演化过程可以概括为：中等机械压实→第一期石英弱加大→弱绿泥石颗粒包膜→第二期石英中等加大→长石、岩屑的溶蚀→自生高岭石→方解石胶结逐渐形成→粒间出现弱自生微晶石英→中等铁方解石胶结。

3）研究区盒2+3段储层经历了快速压实阶段、致密化阶段、调整阶段和致密后阶段。快速压实阶段形成于早成岩阶段A期，该阶段以压实作用、早期方解石、泥晶菱铁矿和绿泥石薄膜为特征；致密化阶段经历了复杂的酸→碱→酸→碱交替过程，有两期流体充注高峰；调整阶段的典型特征为第三期硅质胶结，伴随第三期流体充注高峰；致密后阶段发生在演化晚期，应力释放形成小规模裂缝。