鄂爾多斯盆地北緣盒2+3段儲(chǔ)層致密化機(jī)理

張占楊

（中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

近年來隨著中國天然氣的勘探與開發(fā)不斷向低滲致密儲(chǔ)層領(lǐng)域發(fā)展，在鄂爾多斯盆地和四川盆地均發(fā)現(xiàn)了豐富的致密砂巖氣資源，致密砂巖氣對國內(nèi)天然氣總產(chǎn)量具有重要的貢獻(xiàn)作用［1］。致密砂巖氣藏的主要特點(diǎn)為砂體分布面積廣、氣水界面不統(tǒng)一、源儲(chǔ)緊鄰、高含水飽和度、孔喉極小。前人的研究主要聚焦于儲(chǔ)層質(zhì)量、沉積相和成巖作用等方面，而對于致密砂巖儲(chǔ)層的成巖演化和致密化機(jī)理仍然認(rèn)識(shí)不足［2-3］。筆者以鄂爾多斯盆地北緣什股壕氣區(qū)下二疊統(tǒng)下石盒子組盒2+3段儲(chǔ)層為例，對研究區(qū)目的層沉積相、巖石學(xué)、孔隙結(jié)構(gòu)、物性等進(jìn)行了詳細(xì)分析，在此基礎(chǔ)上深入探究了成巖演化及儲(chǔ)層的致密化機(jī)理，以期為研究區(qū)后期的產(chǎn)能差異成因分析提供指導(dǎo)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部一級構(gòu)造單元伊盟隆起、伊陜斜坡及天環(huán)坳陷的結(jié)合部位，受太古界—下元古界結(jié)晶基底及區(qū)域構(gòu)造演化影響，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，地層接觸關(guān)系復(fù)雜［4］。

1.1 構(gòu)造特征

什股壕氣區(qū)南部為泊爾江海子斷裂，整體上為平緩的向西南傾斜的單斜構(gòu)造，由于古地貌的控制作用，發(fā)育小規(guī)模的披覆構(gòu)造。研究區(qū)東北部為張家塔潛山帶，地勢較高，北部至東北部多處發(fā)育北東—南西向的小規(guī)模鼻狀隆起。

1.2 氣藏特征

研究區(qū)目的層主要發(fā)育巖性—構(gòu)造復(fù)合氣藏，巖性主要為沖積扇背景下形成的中—粗粒含礫巖屑砂巖［5］，天然氣富集的主要層系為下石盒子組，其主要生烴來源為下部的太原組和山西組煤層及暗色碳質(zhì)泥巖，區(qū)域性蓋層為封閉性良好的上石盒子組大套厚層泥巖，下石盒子組氣藏具有優(yōu)質(zhì)的烴源巖和較好的遮擋條件［6］。

1.3 沉積特征

下石盒子組地層沉積期間，研究區(qū)北部物源受構(gòu)造抬升的控制作用，沉積物粒度粗且供給充足。前人研究表明該區(qū)的沉積相主要為沖積扇—辮狀河沉積體系，儲(chǔ)層主要為強(qiáng)水動(dòng)力條件下形成的粒度較大的礫巖、砂礫巖、含礫粗砂巖、粗砂巖等，垂向上砂體頻繁切割疊置，非均質(zhì)性強(qiáng)［7］241。

研究區(qū)盒2段的沉積相主要為辮狀河沉積，由于該時(shí)期水動(dòng)力條件強(qiáng)、物源供給充足，辮流水道遷移速度快且規(guī)模較大，大部分地區(qū)砂體呈現(xiàn)出交叉連片狀的分布樣式（圖1a），辮流水道沉積砂體厚度介于8～10 m，高能心灘沉積砂體厚度可超過14 m。盒3段沉積期間，由于該時(shí)期構(gòu)造活動(dòng)變?nèi)跚夜艢夂虬l(fā)生變化，研究區(qū)北部物源供給快速減少，辮流水道的分布規(guī)模較盒2段變小（圖1b），沉積砂體的寬度及厚度變小，沉積環(huán)境向曲流河轉(zhuǎn)變。盒3段沉積期間發(fā)育的近南北向主河道寬度較小，砂體厚度范圍介于2～11 m，沉積的巖石類型主要為較弱水動(dòng)力條件下形成的中—粗粒砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖等［8］。

圖1 什股壕氣區(qū)主要目的層沉積微相圖

2 儲(chǔ)層基本特征

儲(chǔ)層主要受控于沉積作用和成巖作用，其中成巖作用是影響后期儲(chǔ)層改造的主要因素之一，壓實(shí)和壓溶作用會(huì)降低儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，而溶蝕作用則會(huì)提高儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率，而沉積作用在一定程度上也影響了成巖作用的發(fā)育程度及次生孔隙的發(fā)育。

2.1 巖石學(xué)特征

巖石薄片分析結(jié)果表明，盒2段儲(chǔ)層巖石類型以中—粗粒巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主，盒3段儲(chǔ)層巖石類型主要為中—粗粒巖屑石英砂巖，巖屑砂巖次之（圖2）。盒2段儲(chǔ)層主要巖屑類型為變質(zhì)巖和沉積巖，其成分主要包括石英質(zhì)巖、燧石、泥板巖和泥質(zhì)巖；盒3段儲(chǔ)層巖屑與盒2段的不同之處在于含有較多的粉砂巖。盒2+3段儲(chǔ)層巖石整體分選差—中等，顆粒磨圓以次棱角為主，接觸關(guān)系以點(diǎn)—線接觸為主，膠結(jié)方式主要為孔隙式、接觸式。

圖2 什股壕氣區(qū)盒2+3段儲(chǔ)層巖石類型三角圖

2.2 孔隙類型

根據(jù)鑄體薄片、掃描電鏡等資料的分析總結(jié)可知，盒2+3段儲(chǔ)層的孔隙類型按成因和產(chǎn)狀可以劃分為殘余粒間孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、裂縫等4大類（圖3）。由于研究區(qū)的成巖作用強(qiáng)烈，殘余粒間孔、粒間溶孔及裂縫的發(fā)育對于儲(chǔ)層儲(chǔ)滲能力具有重要的貢獻(xiàn)作用［9］。

圖3 什股壕氣區(qū)盒2+3段砂巖儲(chǔ)層孔隙類型圖

2.3 儲(chǔ)層物性特征

由研究區(qū)盒2段155個(gè)樣品物性測試結(jié)果可知，盒2段孔隙度分布范圍介于1.60%～9.38%，平均孔隙度為8.67%，其峰值在8.00%～9.38%，其中孔隙度大于6%的樣品占比約96.13%。其滲透率主要分布在0.000 9～9.38 mD，平均滲透率為0.59 mD，呈明顯的單峰分布，峰值在1～9.38 mD，占樣品總數(shù)的40.6%。盒2段儲(chǔ)層總體屬低孔隙度、低滲透率儲(chǔ)層，其孔隙度和滲透率的相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)為0.346）表明該區(qū)成巖強(qiáng)烈且孔喉組合關(guān)系復(fù)雜［10］。盒2段以孔隙型儲(chǔ)層為主，局部區(qū)域發(fā)育裂縫—孔隙型儲(chǔ)層。盒3段109個(gè)樣品物性測試結(jié)果表明，孔隙度的分布區(qū)間介于2.8%～23.2%，平均值為11.5%，其峰值在12%～18%，其中孔隙度大于6%的樣品占比約95%。其滲透率介于0.03～16.26 mD，平均值為1.13 mD，呈明顯的單峰分布，峰值在1～10 mD，占樣品總數(shù)的57.7%，該段儲(chǔ)層整體屬中—低孔隙度、低滲透率儲(chǔ)層。盒3段儲(chǔ)層孔隙度—滲透率的相關(guān)系數(shù)為0.487，孔隙度、滲透率的相關(guān)性好于盒2段，但整體相關(guān)性仍然較差。盒3段儲(chǔ)層裂縫不發(fā)育，以孔隙型儲(chǔ)層為主。

3 儲(chǔ)層成巖演化序列

成巖作用是控制儲(chǔ)層質(zhì)量差異的重要因素，不僅會(huì)使巖石的礦物成分發(fā)生變化，還會(huì)使其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等發(fā)生改變。利用鑄體薄片、掃描電鏡、陰極發(fā)光等多種分析測試資料綜合探究了該區(qū)儲(chǔ)層的成巖作用特征，認(rèn)為在漫長的地質(zhì)歷史過程中，研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的成巖變化，最終形成了現(xiàn)今儲(chǔ)層致密的特點(diǎn)［11］。

盒2段、盒3段兩期石英次生加大比較明顯，兩期加大邊之間以黏土薄膜為界線，極少量為綠泥石；兩期硅質(zhì)膠結(jié)之后溶蝕作用開始增強(qiáng)，但此時(shí)的作用并不明顯，僅少量的加大邊被溶蝕；隨著溶蝕作用的進(jìn)行，粒間高嶺石逐漸增多，到晚期鐵方解石膠結(jié)，但部分樣品顯示此時(shí)溶蝕作用并未完全減弱，部分方解石膠結(jié)物仍然被溶蝕［12］。

綜上所述，盒2段、盒3段成巖過程可以進(jìn)一步劃分為早成巖階段（A、B期）、中成巖階段（A、B期）共4個(gè)階段（圖4）：①早成巖階段A期。古地溫介于20～65℃，Ro小于0.35%，孔隙類型以原生孔隙為主，基本上無次生孔隙，機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)，并伴隨著早期膠結(jié)作用的發(fā)生，膠結(jié)物以黃鐵礦、菱鐵礦為主，出現(xiàn)第一期石英加大，但加大作用較弱，顆粒周圍出現(xiàn)綠泥石環(huán)邊，此階段綠泥石結(jié)晶作用較弱。②早成巖階段B期。古地溫介于65～85℃，Ro介于0.35%～0.50%，機(jī)械壓實(shí)作用持續(xù)進(jìn)行，原生孔隙逐漸減小，長石、巖屑開始發(fā)生溶蝕作用，次生溶蝕孔隙增多，第二期石英加大及自生高嶺石開始出現(xiàn)，但此階段無鐵方解石膠結(jié)。③中成巖階段A期。古地溫介于85～140℃，Ro介于0.50%～1.30%。巖石固結(jié)，自生礦物組合以石英加大和自生高嶺石發(fā)育為特點(diǎn)，發(fā)育大量次生孔隙，接觸類型主要為線接觸，少量呈點(diǎn)—線接觸，膠結(jié)方式主要為孔隙式膠結(jié)，少量呈鑲嵌式膠結(jié)。石英次生加大屬Ⅲ級，伊蒙混層中蒙皂石的含量小于50%。④中成巖階段B期。古地溫介于140～175℃，Ro介于1.30%～2.00%。砂巖中的自生礦物以鐵方解石、鐵白云石發(fā)育為特征，以交代作用為主，石英次生加大屬Ⅲ級；砂巖中高嶺石、I／S混層黏土礦物含量下降，伊利石、綠泥石含量升高，成為主要的黏土礦物類型；孔隙類型以裂縫為主，含少量溶孔；顆粒間呈線狀接觸、凹凸?fàn)罱佑|或縫合狀接觸。

4 儲(chǔ)層致密化機(jī)理

根據(jù)鏡下薄片鑒定、全巖X射線衍射分析等可以初步確定研究區(qū)儲(chǔ)層經(jīng)歷了快速壓實(shí)、致密化、調(diào)整期和致密后4個(gè)階段（圖5）［13-15］。

4.1 快速壓實(shí)階段

圖4 什股壕氣區(qū)下石盒子組盒2+3段成巖演化序列圖

圖5 什股壕氣區(qū)盒2+3段埋藏史與成巖演化過程圖

該階段處于沉積物埋藏后的初期，強(qiáng)壓實(shí)和弱膠結(jié)為該時(shí)期成巖作用的主要特征，顆粒間接觸方式由點(diǎn)向線轉(zhuǎn)變［16］，部分呈現(xiàn)線接觸、凹凸接觸，顯微鏡下可見到剛性顆粒的脆性破裂，塑性和軟韌性顆粒的變形使得孔隙空間變小，原生孔隙大量損失，并且形成了一些依附在巖石礦物顆粒表面的黏土膠結(jié)物，使原生孔隙進(jìn)一步減少甚至消失（圖6A、6B、6C）。

快速壓實(shí)階段在整個(gè)成巖過程中主要發(fā)生在早成巖階段A期，埋藏深度約為2 000 m（圖5）。由多種成巖礦物的種類及組合關(guān)系可以推知該階段經(jīng)歷的成巖序列為階段初期方解石、泥晶狀菱鐵礦→綠泥石包殼。初期方解石鐵離子含量較低，其在陰極發(fā)光下呈現(xiàn)出暗黃色，階段末期發(fā)生溶蝕，綠泥石薄膜主要發(fā)育在殘余粒間孔邊部，增加了巖石的抗壓實(shí)性，保護(hù)了部分原生粒間孔隙以及因溶解作用而形成的次生孔隙［17］，可見石英的次生加大附著在這種次生孔隙內(nèi)壁的綠泥石包殼上，而石英次生加大很明顯的地方綠泥石薄膜不甚發(fā)育，因此判斷綠泥石薄膜并不一定能阻止石英的自生［18］，只有在其達(dá)到一定厚度時(shí)才能對石英的加大起到抑制作用。

4.2 致密化階段

研究區(qū)儲(chǔ)層致密化階段對應(yīng)著幾期酸堿交替的流體充注，大致埋藏深度為2 300～2 800 m，溫度為60～125℃（圖5）。研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層中石英加大現(xiàn)象極為普遍，由于硅質(zhì)沉淀的階段性，鏡下可常見到兩期石英次生加大和兩期自生石英，最為常見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見，其加大邊較窄或是以自形晶面的形式產(chǎn)出，溶蝕現(xiàn)象比較明顯［19］。該階段成巖環(huán)境主要經(jīng)歷了兩期由酸性環(huán)境變?yōu)閴A性環(huán)境的完整周期，成巖作用過程復(fù)雜，是次生孔隙形成的主要時(shí)期［20］。根據(jù)成巖礦物的組合關(guān)系可以推知該階段經(jīng)歷的成巖作用演化過程為：第一酸性階段，該階段長石和巖屑發(fā)生溶解，石英出現(xiàn)第一期加大，高嶺石開始膠結(jié)；第一堿性階段，石英開始溶解，高嶺石開始溶解并轉(zhuǎn)化，形成方解石膠結(jié)物；第二酸性階段，石英出現(xiàn)第二期加大，末期高嶺石開始膠結(jié)；第二堿性階段，石英開始第二次溶解，二期鐵方解石以及少量鐵白云石開始膠結(jié)（圖6D、6E、6F）。

4.3 調(diào)整階段

研究區(qū)儲(chǔ)層在經(jīng)歷快速壓實(shí)并致密化后直接進(jìn)入調(diào)整階段。該階段的典型特征為石英的第三期次生加大，形成大量的自生石英。該時(shí)期少量的方解石、鐵白云石及鐵方解石仍發(fā)生溶蝕作用，由于這些物質(zhì)相對含量較低，所以對儲(chǔ)層物性的影響很小［7］243。除此之外，該時(shí)期還可見明顯的泥鐵質(zhì)充填、交代作用形成的碎屑顆粒和膠結(jié)物，最終儲(chǔ)層由于強(qiáng)烈的硅質(zhì)膠結(jié)已經(jīng)基本上形成了致密儲(chǔ)層（圖6G、6H、6I）。

圖6 什股壕氣區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層微觀特征圖

4.4 致密后階段

該階段處于儲(chǔ)層成巖演化的后期，下石盒子組儲(chǔ)層由于受到構(gòu)造抬升作用的控制［21］，地層壓力急劇減小，使得儲(chǔ)層產(chǎn)生較多的微裂縫，但微裂縫的規(guī)模較小，其形成之后已經(jīng)幾乎沒有了流體充注（圖6J、6K、6L）。

通過對研究區(qū)成巖演化過程及砂巖薄片的分析，總結(jié)出該區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層的致密化模式（圖7）：①快速壓實(shí)階段。顆粒之間不接觸或呈點(diǎn)接觸，原生孔隙發(fā)育，受到壓實(shí)作用后，顆粒之間以點(diǎn)接觸為主，自生礦物開始形成，原生孔隙開始減少。②致密化階段。主要表現(xiàn)為巖石顆粒進(jìn)一步壓實(shí)，顆粒之間以點(diǎn)接觸為主，部分呈線接觸，出現(xiàn)石英次生加大，自生礦物大量形成，原生孔隙急劇減少，有機(jī)酸開始進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層，次生溶蝕孔開始形成。③調(diào)整階段。大量有機(jī)酸進(jìn)入砂巖儲(chǔ)層，對長石、巖屑等顆粒以及填隙物進(jìn)行強(qiáng)烈溶蝕，同時(shí)伴隨著石英與碳酸鹽的沉淀，該時(shí)期是次生溶蝕孔形成的重要階段。④致密后階段。出現(xiàn)石英次生加大與方解石膠結(jié)物，殘余原生粒間孔隙得以保存。

圖7 什股壕氣區(qū)盒2+3段儲(chǔ)層致密化模式圖

5 結(jié)論

1）研究區(qū)盒2+3段儲(chǔ)層以辮狀河沉積為主，發(fā)育的主要沉積微相類型為心灘、辮流水道、河漫沉積，由盒2段到盒3段河道展布規(guī)模逐漸變小；儲(chǔ)層巖石類型以巖屑石英砂巖、巖屑砂巖為主，對儲(chǔ)層儲(chǔ)滲性能起主要貢獻(xiàn)作用的孔隙類型為殘余粒間孔、粒間溶孔及裂縫，孔隙度、滲透率相關(guān)性整體較差。

2）盒2+3段儲(chǔ)層成巖演化過程可以概括為：中等機(jī)械壓實(shí)→第一期石英弱加大→弱綠泥石顆粒包膜→第二期石英中等加大→長石、巖屑的溶蝕→自生高嶺石→方解石膠結(jié)逐漸形成→粒間出現(xiàn)弱自生微晶石英→中等鐵方解石膠結(jié)。

3）研究區(qū)盒2+3段儲(chǔ)層經(jīng)歷了快速壓實(shí)階段、致密化階段、調(diào)整階段和致密后階段。快速壓實(shí)階段形成于早成巖階段A期，該階段以壓實(shí)作用、早期方解石、泥晶菱鐵礦和綠泥石薄膜為特征；致密化階段經(jīng)歷了復(fù)雜的酸→堿→酸→堿交替過程，有兩期流體充注高峰；調(diào)整階段的典型特征為第三期硅質(zhì)膠結(jié)，伴隨第三期流體充注高峰；致密后階段發(fā)生在演化晚期，應(yīng)力釋放形成小規(guī)模裂縫。