致密砂岩储层成因及其孔隙演化过程——以杭锦旗十里加汗地区下石盒子组为例

曹桐生 ，罗龙 ，谭先锋 ，谭东萍 ，孙晓 ，高照普 ，王佳 ，查小军

（1.中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南 郑州 450006；2.成都理工大学沉积地质研究院，四川 成都 610059；3.重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；4.复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331）

随着油气勘探不断深入，在低孔低渗致密储层中也相继发现了相对优质的甜点储层［1］。低孔低渗致密储层的形成过程受到沉积作用及成岩作用等多种因素的综合影响，导致其演化过程复杂［2-4］。杭锦旗是鄂尔多斯盆地致密气勘探的重点区域，下石盒子组作为其主力产气层段，属于典型的特低孔特低渗致密砂岩储层，多种成岩作用导致该储层具有强烈的非均质性及复杂的孔隙演化过程［4-6］，制约了其高效勘探开发［6］。本文运用铸体薄片分析、扫描电镜、X衍射及物性分析等方法，综合解析了杭锦旗十里加汗地区下石盒子组储层成因机制，进而明确了储层孔隙的演化规律。

1 地质概况

杭锦旗位于鄂尔多斯盆地北部，研究区是其中南部的十里加汗地区，主要位于乌兰吉林庙断裂带和泊尔江海子断裂带之间，是杭锦旗重点勘探区块（见图1）。

图1 杭锦旗及十里加汗地区构造位置

杭锦旗二叠系自上而下分为上石盒子组、下石盒子组和山西组（见图2）［4-5］。杭锦旗石炭系—二叠系沉积物源主要来自北部的阴山古陆，为再旋回造山带物源区构造背景［7］。下石盒子组厚度为100 m左右，自下而上可分为盒1、盒2和盒3段，是研究区主要含气层段［8］。其中，盒 1 段为冲积扇-辫状河沉积，盒 3、盒2段主要为冲积平原背景下的辫状河沉积，盒3段沉积期研究区南部开始发育三角洲平原［7-9］。山西组主要发育浅湖-三角洲沉积体系，其中分流河道之间的沼泽沉积了以暗色泥岩、碳质泥岩和煤为主的烃源岩。

2 储层岩石学特征

杭锦旗十里加汗地区下石盒子组沉积体系中，心滩和辫流水道砂主要为含砾粗砂岩、中—粗砂岩等（见图 2）［8］，砂岩分选中等，磨圆度中等，主要为次棱—次圆状。

图2 杭锦旗十里加汗地区地层综合柱状图

根据Fork砂岩分类方案［10］，研究区下石盒子组砂岩主要为岩屑砂岩和少量岩屑石英砂岩等（见图3）。岩屑以变质岩岩屑和火山岩岩屑为主，存在少量沉积岩岩屑［5］。心滩和辫流水道砂岩均以点-线和线接触为主，少量凹凸接触，未见点接触。

图3 杭锦旗十里加汗地区下石盒子组砂岩分类三角投点图

3 储层孔隙类型及物性特征

研究区下石盒子组砂岩储层孔隙类型主要包括残余原生孔隙与次生孔隙。次生孔隙主要包括粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔及微裂缝（见图4。其中：Qz为碎屑石英，Ca为方解石胶结物，Md为泥质胶结物，Chl为绿泥石包膜，EP为粒间溶孔，AP为粒内溶孔，RP为铸模孔，Aqz为自生石英，MF为微裂缝）。该储层次生孔隙面孔率均明显高于原生孔隙，次生孔隙占总孔隙的44%～87%；下石盒子组不同层段孔隙类型基本一致，但其占比存在差异，总体以次生孔隙为主，其次为原生孔隙。盒2段原生孔隙占比最高，约占总孔隙的40%；盒1、盒3段原生孔隙面孔率均明显低于次生孔隙。研究区微裂缝较多见，可改善储集砂体渗透性［6］。

图4 研究区下石盒子组储层成岩作用及孔隙类型

研究区下石盒子组储层孔渗情况见图5。

图5 研究区下石盒子组储层渗透率与孔隙度交会图

由图5可知：样品孔隙度最大值为24.25%，平均7.26%，孔隙度在2.00%～ 12.00%的样品占比约85%；渗透率最大值为 13.10×10-3μm2， 平均 0.84×10-3μm2，渗透率在0.1×10-3～ 1.0×10-3μm2的样品占比约77%。可见，研究区下石盒子组属于典型的特低孔特低渗致密储层，而孔隙度和渗透率相关性较差，表明储层次生孔隙和裂缝较发育。

4 成岩作用及其控储意义

碎屑岩的成岩作用分为破坏性成岩作用和建设性成岩作用［5，11-13］。破坏性成岩作用，主要破坏储层孔隙结构和储层物性，如压实、胶结、交代等作用；建设性成岩作用，主要改善储层物性，如溶蚀和破裂作用等。明确储层成岩作用及其对储层物性的影响，有助于认识储层孔隙演化特征，揭示优质储层的形成机理，为有利储层预测提供理论指导［1，4，11］。

4.1 破坏性成岩作用

4.1.1 压实作用

研究区下石盒子组砂岩塑性碎屑岩质量分数较高，且埋藏深度（2 900～ 3 300 m）较大，上覆岩层的压力较大。研究区下石盒子组砂岩压实作用特征为：颗粒接触关系以点-线接触和线接触为主（见图4a）；长条形矿物颗粒呈定向排列（见图4a）；塑性矿物挤压变形，甚至形成假杂基（见图4a）；部分刚性矿物受挤压产生裂缝，又具建设性作用（见图4h）。研究区下石盒子组砂岩总体上压实作用普遍较强，挤压破坏了大量原生孔隙。

4.1.2 胶结作用

胶结物占据储层孔隙空间，胶结作用是储层孔隙度降低的重要因素之一［9］。研究区下石盒子组砂岩胶结物主要包括自生黏土矿物胶结物、碳酸盐胶结物及少量铁质胶结物，赋存状态主要为孔隙充填，部分交代颗粒（见图4b，4c，4e）。自生黏土矿物平均质量分数约为23.6%，主要包括自生高岭石、自生伊利石、自生绿泥石及伊/蒙混层等。其中：自生高岭石平均相对质量分数为20.4%；自生伊利石和自生绿泥石平均相对质量分数分别为19.2%，37.3%；伊/蒙混层平均相对质量分数为23.1%。

碳酸盐胶结物主要为方解石和铁方解石，平均质量分数为5.8%。方解石胶结物多呈基底式胶结充填孔隙（见图4b），主要形成于早成岩阶段，且在石英胶结和绿泥石包膜之后。早期方解石胶结物充填孔隙对储层具有降低孔隙度和保留孔隙空间的双重作用。

4.2 建设性成岩作用

4.2.1 溶蚀作用

地层流体对岩石组分具有溶蚀作用，通常形成岩石（砂岩）的次生孔隙。研究区下石盒子组砂岩溶蚀作用的对象主要包括粒间填隙物、岩屑和长石。其中：被溶蚀的填隙物主要为泥质和少量方解石胶结物，被溶蚀的岩屑主要为火山岩和变质岩岩屑（见图4d—4g）。有机酸溶液对长石等硅铝酸盐的选择性溶蚀，通常伴随碳酸盐矿物交代长石（见图 4e，4f）［14］。溶蚀作用是研究区储层孔隙空间来源的最主要影响因素。

4.2.2 破裂作用

随着埋藏深度的增加，岩石遭受强烈挤压而破裂。岩石因破裂作用产生的裂缝虽不能明显增加储集空间，但可明显提高岩石渗透性，改善储层物性（见图4h）。

4.3 成岩阶段及演化序列

研究区下石盒子组自生矿物包括自生方解石、次生石英加大及自生黏土矿物。自生黏土矿物组分构成见图6。自生伊利石和绿泥石随深度增加，质量分数逐渐增加，而伊/蒙混层质量分数则逐渐降低，蒙皂石逐渐向伊利石转化。自生高岭石主要为长石溶解的产物，存在多个高质量分数发育带。下石盒子组伊/蒙混层层间比主要在10.0%～ 50.0%，平均约为20.7%。参照中国石油天然气行业标准《碎屑岩成岩阶段划分》（SY/T 5477—2003），可以确定研究区下石盒子组主要处于中成岩阶段A期，少量达到中成岩阶段B期。综合分析岩石学特征、成岩特征、成岩相互关系及前人研究成果等，可以得出研究区主要成岩演化序列（见图7。其中绿色形状及大小表示强度，绿色虚线表示强度很弱）。

图6 研究区下石盒子组自生黏土矿物组分构成

图7 研究区下石盒子组储层成岩序列、埋藏史及孔隙演化特征

5 储层成因及孔隙演化规律

5.1 储层成因

研究区下石盒子组砂岩储层次生孔隙占比高，且溶蚀作用是其形成的主要因素。研究区发育上石炭统太原组、下二叠统山西组煤系地层（见图2）。在早成岩阶段，印支期的大气降水和半成熟的太原组、山西组煤层排出有机酸，为下石盒子组的溶蚀提供了重要酸性流体。研究区储层异常高孔带基本对应着高岭石发育带，表明异常高孔带与溶蚀作用有关（见图6、图8）。另外，自生伊利石和伊/蒙混层质量分数均与自生高岭石质量分数存在一定的正相关性（见图6），表明自生伊利石与溶蚀作用提供的K+有关。

图8 研究区下石盒子组储层孔隙发育情况

下石盒子组沉积期，研究区物源区富含长石和火山岩，早期孔隙流体存在大量Ca2+，而且下石盒子组砂岩中长石（尤其是钙长石）、火山碎屑及黏土矿物等在早期酸性流体作用下亦可溶解形成大量Ca2+和CO32-；因此，早成岩阶段，随着埋藏深度增加和溶蚀作用消减，地层流体的pH值升高，方解石的溶解度降低，从而引起大量早期方解石的沉淀（见图4b、图7）。早期方解石胶结虽然导致储层孔隙度急剧下降，但适量早期方解石胶结物可以抑制压实作用、保护原生孔隙空间［10］，后期方解石胶结物被溶解后可以释放部分粒间孔隙，提高储层的孔隙度（见图7）。

研究区位于断裂带附近，流体通道发育，邻近山西组煤系地层，酸性流体充足。下石盒子组砂岩长石和火山岩屑质量分数较高，容易被有机酸溶蚀形成次生孔隙。如果岩石储层物性保护较好，长石和火山岩屑被有机酸溶解的产物（例如高岭石）就会随着地层水循环而转移，从而产生大量次生溶蚀孔隙，形成有效的储集空间。因此，断裂带、烃源岩（煤系地层）、有利沉积相带（有利于储层物性保护）是研究区下石盒子组优质储层形成的关键要素（见图7、图8）。

5.2 孔隙演化规律

研究区下石盒子组砂岩自上向下分别发育Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ异常高孔带（见图8）。

Ⅰ异常高孔带主要发育在下石盒子组盒2段、盒3段辫状河砂体，埋藏深度在2 930～ 2 950 m，孔隙度最大值约为25%（见图8），以次生孔隙和原生孔隙为主。长石和岩屑溶蚀形成粒内溶孔，碳酸盐矿物和黏土矿物溶蚀形成粒间溶孔，总次生孔隙占比约为87%，导致孔隙度异常增大。Ⅱ异常高孔带主要发育在下石盒子组盒1段北部冲积扇砂体，埋藏深度在3 060～ 3 090 m，孔隙度最大值约为20%（见图8），以原生粒间孔和次生溶孔为主，次生溶蚀孔隙占比约为55%。由于埋藏深度增加，压实作用增强，残余原生孔隙较少，因此，Ⅱ异常高孔带的孔隙度明显低于上部的Ⅰ异常高孔带。Ⅲ异常高孔带主要发育在下石盒子组盒1—3段辫状河砂体，埋藏深度在3 110～ 3 130 m，孔隙度最大值约为16%（见图8）。随着埋藏深度继续增加，压实作用继续增强，胶结物继续沉淀，导致残余原生孔隙和次生孔隙均明显减少。

孔隙发育特征表明，埋藏压实作用是储层主要破坏机制，随着埋藏深度增加，储层孔隙度总体逐渐减小（见图8）。Ⅰ异常高孔带总孔隙度和次生孔隙占比均明显大于Ⅱ异常高孔带，表明辫状河砂体比冲积扇砂体更有利于储层孔隙发育。另外，研究区高岭石发育带与异常高孔带基本对应，进一步表明溶蚀作用是储层孔隙来源的最主要影响因素，次生溶蚀孔隙是异常高孔带主要孔隙类型（见图6、图8）。

6 结论

1）研究区下石盒子组砂岩储层孔隙类型主要是残余原生孔隙与次生孔隙，次生孔隙主要包括粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔及裂缝，占比在44%～87%。储层次生孔隙数量和面孔率均明显高于原生孔隙，属于典型的特低孔特低渗致密储层。

2）研究区下石盒子组砂岩储层的压实和胶结作用主要为破坏性成岩作用，其中早期方解石胶结起到双重作用；溶蚀作用和破裂作用为建设性成岩作用，其中溶蚀作用为储层孔隙空间来源的最主要影响因素。

3）研究区下石盒子组主要处于中成岩阶段A期，少量达到中成岩阶段B期。溶蚀作用主要发生在中成岩阶段A期，溶蚀形成的次生孔隙易于保存，是优质储层形成的重要因素。

4）研究区下石盒子组低渗致密储层中的优质储层发育主要受控于断裂带、煤系地层、沉积相、埋藏深度及溶蚀作用强度。辫状河比冲积扇更有利于储层孔隙发育，断裂带有利于储层次生孔隙发育。