鄂爾多斯盆地臨興地區二疊系石盒子組儲層特征

嚴 敏，趙靖舟，曹 青，吳和源，黃延昭

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065；2.西安石油大學陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，西安 710065；3.西北大學地質學系，西安 710069）

0 引言

國外對于致密儲層的研究較早，我國對于低滲致密天然氣儲層的研究起步較晚。鄂爾多斯盆地致密砂巖氣作為非常規天然氣產量的主要貢獻者之一，對其認識仍處于初級階段［1］。致密儲層具有低孔、低滲且孔喉結構復雜等特征，儲層微觀的孔隙結構能夠直接影響儲層的儲集和滲流能力，并決定了油氣藏的產能［2-5］。

鄂爾多斯盆地東緣臨興地區近年來在非常規天然氣勘探方面取得了突破性進展，二疊系石盒子組儲層作為研究區主要開發層系之一，各小層之間物性變化大、儲層非均質性強［6-9］。在已開發的蘇里格氣田［10］、榆林氣田、神木氣田等大氣田中，下石盒子組為主力產層，上石盒子組則通常被當作區域蓋層看待，但隨著近些年的勘探開發，在臨興地區上石盒子組的盒2 段、盒4 段相繼發現致密氣藏。通過測井解釋、巖心描述、鑄體薄片與掃描電鏡觀察及壓汞資料分析等研究手段，對石盒子組儲層特征進行對比研究，分析其儲層差異性和儲層物性的影響因素，再結合生產資料，分析氣藏與儲層特征的相關關系［11-14］，以期對該區天然氣藏后期開發具有理論指導意義。

1 地質概況

臨興地區位于鄂爾多斯盆地東部的西晉撓折帶（圖1），區內發育紫金山巖體。石盒子組發育于上古生界二疊系中統，地層東高西低。區內斷層、構造、裂縫受燕山期、喜馬拉雅期構造作用和紫金山隆起的影響。下石盒子組發育辮狀河三角洲平原亞相，發育分流河道與河道間灣微相，砂體發育，具有厚度大，連通性強的特征；上石盒子組發育曲流河三角洲平原亞相，發育分流河道、分流間灣和河口壩微相，砂體在空間上展布不均，局部發育較厚砂體［15-16］。近些年來的勘探開發表明，研究區的盒2 段、盒4 段、盒6 段、盒7 段、盒8 段均有不同程度含氣，存在較大的勘探潛力。

圖1 臨興地區位置與主要含氣層位Fig.1 Location of Linxing area and main gas-bearing layers

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學特征

2.1.1 巖石類型

對鄂爾多斯盆地東緣臨興地區石盒子組9 個小層進行砂巖組分分析，其砂巖類型主要為長石巖屑砂巖，其次為巖屑長石砂巖和少量巖屑砂巖（圖2）。受大青山主物源影響，盒8 段—盒1 段長石含量明顯增高，石英與巖屑含量減少（表1），巖屑主要為變質巖巖屑和火成巖巖屑。

2.1.2 填隙物特征

表1 臨興地區巖石類型統計Table 1 Rock types in Linxing area

上石盒子組填隙物體積分數為7%～21%，平均值為12%，其中黏土礦物含量最高，體積分數為6%～18%，平均值為12%；其次為鈣質膠結，體積分數為3%～10%，平均值為2.7%，硅質膠結物含量最少，體積分數為0.8%～2.0%，平均值為1.5%［圖3（a）］；下石盒子組填隙物組分含量高于上石盒子組，體積分數為9%～37%，平均值為14%，其含量由多到少依次為：黏土礦物（體積分數為14%）、鈣質（體積分數為3%）、硅質（體積分數為1.4%）。

2.2 儲層孔隙類型與結構特征

臨興地區石盒子組孔隙類型主要包括剩余粒間孔、溶蝕粒間孔和溶蝕粒內孔，裂縫發育較少。根據各層段孔隙類型含量百分比統計顯示，除盒4 段表現為剩余粒間孔占多數外，其他各層段整體呈現溶蝕孔占主導位置的特征。除盒6 段外，上石盒子組的溶蝕孔面孔率整體大于下石盒子組［圖3（b）］。

圖3 臨興地區二疊系石盒子組填隙物含量與孔隙類型Fig.3 Pore-filling content and pore types of Permain Shihezi Formation in Linxing area

研究區整體表現為以微米級孔喉為主的特征，孔喉半徑中值達0.01～0.60 μm。孔喉半徑與物性之間存在較好的線性關系。下石盒子組存在極個別異常值，表現為低孔高滲的特征，體現了裂縫對致密儲層的改造作用。其中上石盒子組的排驅壓力為0.22～1.55 MPa，平均值為0.75 MPa；孔喉中值半徑為0.03～0.40 μm，平均值為0.17 μm；分選系數為1.27～3.21，平均值為1.97；退汞效率為13.65%～49.29%，平均值為32.58%。下石盒子組排驅壓力為0.11～8.75 MPa，平均值為1.50 MPa；孔喉中值半徑為0.01～0.60 μm，平均值為0.14 μm；分選系數為0.86～3.20，平均值為1.99；退汞效率為26.60%～44.57%，平均值為36.15%。根據以上參數（表2）表明，石盒子組均表現為孔隙小、分選性差、孔喉連通性差的特征，相比之下，下石盒子組儲層的孔隙更小，分選性更差，但孔喉連通性相對更好（圖4）。

表2 臨興地區二疊系石盒子組儲層孔隙結構參數Table 2 Pore structure parameters of Permian Shihezi Formation in Linxing area

圖4 臨興地區二疊系石盒子組壓汞曲線特征Fig.4 Characteristics of mercury injection curve of Permian Shihezi Formation in Linxing area

2.3 儲層物性特征

根據常規物性統計分析表明（表3），臨興地區表現為各層段整體為低孔低滲，局部層段為相對高孔高滲。根據數據統計得知，石盒子組孔隙度與滲透率具有一定的正相關關系，上石盒子組物性整體好于下石盒子組，多層段孔隙度＜10%，個別層段具有低孔高滲現象，此現象可能與裂縫的局部發育有關（圖5）。

表3 臨興地區二疊系石盒子組孔滲數據Table 3 Porosity and permeability data of Permian Shihezi Formation in Linxing area

圖5 臨興地區二疊系石盒子組砂巖孔滲相關性Fig.5 Correlation of permeability and porosity of Permian Shihezi Formation in Linxing area

3 儲層物性的影響因素

3.1 沉積相對儲層物性的影響

沉積相對儲層的發育具有明顯的控制作用［16］。下石盒子組主要發育辮狀河三角洲平原亞相，沉積微相為分流河道與分流間灣，砂體橫向連通性較強；上石盒子組發育曲流河三角洲平原亞相，沉積微相主要為分流河道、分流間灣和河口壩微相（圖6），砂體較為分散，連通性較下石盒子組差［15，17］。優質儲層主要分布于上石盒子組分流河道微相，其巖性為細砂巖、粉砂巖及少量中砂巖，孔隙度為5%～12%，滲透率＞0.3 mD；分流間灣和洪泛平原發育的砂體物性較差，巖性主要為泥質粉砂巖或粉砂質泥巖。

3.2 礦物成分對儲層物性的影響

3.2.1 碎屑顆粒含量對儲層物性的影響

臨興地區巖石類型以長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖為主，石英和巖屑含量普遍較高，分析其碎屑顆粒含量與物性參數之間的關系，發現長石含量與物性之間沒有明顯的關系，巖屑、石英含量與物性之間存在一定的正相關關系（圖7）。

3.2.2 黏土礦物對儲層物性的影響

圖7 臨興地區二疊系石盒子組碎屑顆粒含量與物性相關圖Fig.7 Relationship between clastic grain content and properties of Permian Shihezi Formation in Linxing area

根據X 射線衍射分析表明，臨興地區石盒子組黏土礦物類型主要有：高嶺石、綠泥石、伊利石、蒙皂石和伊/蒙混層，其中上石盒子組綠泥石、伊/蒙混層含量較高；下石盒子組高嶺石、綠泥石占主體。對黏土礦物絕對含量與物性參數建立關系發現，當黏土礦物絕對體積分數＜5%時，其與儲層物性呈一定的正相關關系；當黏土礦物絕對體積分數＞5%時，儲層物性隨著黏土礦物含量增加而變差。進一步對單類黏土礦物進行分析，發現當綠泥石、高嶺石的絕對體積分數＜3%時，對儲層物性有改善作用；當其絕對體積分數＞3%時（圖8），與儲層物性存在負相關關系。

圖8 臨興地區二疊系石盒子組黏土礦物含量與孔滲交會圖Fig.8 Cross plot of clay mineral content and porosity and permeability of Permian Shihezi Formation in Linxing area

3.3 成巖作用對物性的影響

3.3.1 壓實作用

根據對研究區鑄體薄片鏡下觀察發現，臨興地區二疊系石盒子組具有強烈的壓實作用（圖9）。下石盒子組碎屑顆粒多呈線—凹凸或凹凸接觸［圖9（d）］，上石盒子組多呈線—凹凸接觸，少量呈點—線接觸［圖9（c）］，此外，還存在塑性碎屑，如云母顆粒的擠壓變形現象。在成巖演化早期，地層的快速壓實是導致本地區下石盒子組儲層更為致密的一個重要原因。

圖9 臨興地區二疊系石盒子組典型成巖作用（a）全貌，m 井，1 901.45 m，上石盒子組，正交偏光；（b）全貌，m 井，2 080.33 m，下石盒子組，正交偏光；（c）顆粒點—線接觸，n 井，1 558.61 m，上石盒子組，單偏光；（d）顆粒凹凸接觸，o 井，1 660.21 m，下石盒子組，單偏光；（e）長石顆粒溶蝕，p 井，1 354.66 m，上石盒子組，單偏光；（f）長石顆粒溶蝕被方解石充填，q 井，1 604.85 m，下石盒子組，單偏光；（g）溶蝕孔隙，最大直徑約74 μm，r 井，1 737.31 m，下石盒子組，SEM；（h）方解石溶蝕微孔，s 井，1 442.74 m，上石盒子組，SEM；（i）石英次生加大，t 井，1 785.42 m，下石盒子組，正交偏光；（j）長石顆粒溶蝕被綠泥石充填，u 井，1 415.43 m，上石盒子組，單偏光；（k）方解石膠結物，v 井，1403.67 m，上石盒子組，單偏光；（l）顆粒表面綠泥石化，w 井，1 368.14 m，上石盒子組，SEMFig.9 Typical diagenesis of Permian Shihezi Formation in Linxing area

3.3.2 膠結作用

研究區主要存在硅質膠結［圖9（i）］、鈣質膠結［圖9（f），（k）］和黏土礦物膠結［圖9（j），（l）］等3類。其中，石盒子組中的硅質膠結主要表現為石英的次生加大；鈣質膠結主要表現為方解石膠結。相對于整個石盒子組的硅質和鈣質膠結物，黏土礦物的含量明顯較大，且下石盒子組黏土礦物含量略大于上石盒子組，是導致研究區上石盒子組致密儲層物性好于下石盒子組的重要原因之一。掃描電鏡觀察發現，黏土礦物主要呈孔隙式充填和孔隙襯里式充填，黏土礦物的孔隙式充填會阻塞孔隙與喉道，從而使儲層的孔喉連通性變差，加劇致密化進程，而黏土礦物的襯里式充填會在顆粒表面形成一層“保護膜”，不僅可以使原生粒間孔隙得以保存，還在一定程度上減緩壓實作用帶來的影響，但當黏土礦物含量持續增加到＞5% 時，其會在孔隙之間大量充填，繼而堵塞孔隙導致儲層致密化。

3.3.3 溶蝕作用

由于山西組和太原組的煤層提供的有機酸沿著斷層向上部地層充注，從而導致石盒子組廣泛發育溶蝕孔，對研究區儲層起到一定的建設性作用。通過鑄體薄片鏡下觀察，認為石盒子組存在大量的長石顆粒溶蝕形成的粒間溶孔和粒內溶孔［圖9（e），（g），（h）］，其次為巖屑溶蝕和少量方解石顆粒溶蝕形成的粒內溶孔。如盒6 段溶蝕孔面孔率最高［參見圖3（b）］，表明臨興地區存在強烈的溶蝕作用，繼而對儲層致密化產生了一定的改善作用，亦導致儲層的非均質性加強，使得在低孔低滲的地層中存在優質儲層（關于石盒子組溶蝕作用強弱對比見本文2.2）。

4 儲層特征與天然氣產量的相關性

鄂爾多斯盆地東緣地區石盒子組主要產氣層物性差異較大，孔隙度集中在5%～16%，滲透率集中在0.1～12.0 mD，部分屬于致密氣藏。對于孔隙度＞10%，滲透率＞1 mD 的常規氣藏，隨著物性變好天然氣產量明顯增加。臨興地區輸導體系復雜，儲層非均質性強，結合砂體厚度、砂地比、儲層品質指數分析其對天然氣產量的影響。

整體上看，臨興地區氣藏主要分布在盒2 段、盒4 段、盒6 段、盒7 段和盒8 段，在紫金山隆起處，產氣井數量明顯少于研究區西部與中部，上石盒子組產量大于下石盒子組（圖10）。研究發現上石盒子組單砂體厚度與產量呈一定的正相關性，但下石盒子組卻無此特征，而下石盒子組整體含氣單砂體厚度也大于上石盒子組。導致這一現象的原因可能是由于上石盒子組長石含量高，有機酸的充注使儲層發育大量溶孔，再加上壓實作用較弱，使其儲集物性優于下石盒子組；亦可能是由于下石盒子組裂縫發育程度較上石盒子組高，導致儲層封存條件較差，使得下部天然氣通過裂縫等運移通道向上逸散［18-20］。

石盒子組砂地比值與含氣量呈弱正相關關系，但存在低砂地比值-高產量的異常點，其位于lx-9 井處，此處上石盒子組裂縫不發育，但局部發育斷層，可視為烴源巖與儲層間的運移通道，從而使得天然氣富集成藏［21-27］。其儲層品質指數為

式中：K為滲透率，mD；φ為孔隙度，%。

RQI可作為反映微觀孔隙結構與巖石物理性質的參數，其與產量呈正相關關系（圖10），說明孔喉半徑大、分選性好、滲透率高的儲層有利于天然氣聚集。整體上，上石盒子組的儲層品質指數大于下石盒子組，這與區內上石盒子組天然氣無阻流量高于下石盒子組的情況相吻合。

圖10 臨興地區二疊系石盒子組RQI 與無阻流量交會圖Fig.10 Cross plot of open flow and RQI of Permian Shihezi Formation in Linxing area

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地東緣地區石盒子組的巖石類型以長石巖屑砂巖為主；巖屑含量較高，其類型以火山巖巖屑為主；填隙物以黏土礦物為主。石盒子組孔隙類型以微米級溶蝕孔為主，孔喉連通性和分選性較差。下石盒子組砂體橫向連通性與含氣單砂體厚度好于上石盒子組，但上石盒子組儲層物性更好。石盒子組儲層物性整體較差，但個別層段由于裂縫發育使得儲集物性變好。

（2）鄂爾多斯盆地東緣地區儲層致密化的主要成因為壓實作用與膠結作用，而上石盒子組長石顆粒及巖屑的溶蝕作用是使其儲集物性好于下石盒子組的關鍵。進一步研究發現，當黏土礦物體積分數＜5%時，如綠泥石含量較少時，在碎屑顆粒表面形成的綠泥石膜，對儲層物性起到保護作用，而當黏土礦物體積分數持續增加至＞5% 時，便會大量充填于孔隙內，導致其含量與物性呈負相關關系。

（3）就儲層特征而言，鄂爾多斯盆地東緣地區上石盒子組的砂體厚度、物性影響氣藏的整體分布；下石盒子組氣藏除了砂體、物性、孔喉連通性、分選性的影響外，還受裂縫、斷層、構造多方面因素的影響。儲層品質指數（RQI）可以作為評價儲層的一個重要參數，其中上石盒子組的儲層品質指數大于下石盒子組，這與上石盒子組天然氣產量較高相吻合。