致密砂巖儲(chǔ)層成因及其孔隙演化過(guò)程
——以杭錦旗十里加汗地區(qū)下石盒子組為例

曹桐生 ，羅龍 ，譚先鋒 ，譚東萍 ，孫曉 ，高照普 ，王佳 ，查小軍

（1.中國(guó)石化華北油氣分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；2.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610059；3.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；4.復(fù)雜油氣田勘探開(kāi)發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331）

隨著油氣勘探不斷深入，在低孔低滲致密儲(chǔ)層中也相繼發(fā)現(xiàn)了相對(duì)優(yōu)質(zhì)的甜點(diǎn)儲(chǔ)層［1］。低孔低滲致密儲(chǔ)層的形成過(guò)程受到沉積作用及成巖作用等多種因素的綜合影響，導(dǎo)致其演化過(guò)程復(fù)雜［2-4］。杭錦旗是鄂爾多斯盆地致密氣勘探的重點(diǎn)區(qū)域，下石盒子組作為其主力產(chǎn)氣層段，屬于典型的特低孔特低滲致密砂巖儲(chǔ)層，多種成巖作用導(dǎo)致該儲(chǔ)層具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性及復(fù)雜的孔隙演化過(guò)程［4-6］，制約了其高效勘探開(kāi)發(fā)［6］。本文運(yùn)用鑄體薄片分析、掃描電鏡、X衍射及物性分析等方法，綜合解析了杭錦旗十里加汗地區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層成因機(jī)制，進(jìn)而明確了儲(chǔ)層孔隙的演化規(guī)律。

1 地質(zhì)概況

杭錦旗位于鄂爾多斯盆地北部，研究區(qū)是其中南部的十里加汗地區(qū)，主要位于烏蘭吉林廟斷裂帶和泊爾江海子斷裂帶之間，是杭錦旗重點(diǎn)勘探區(qū)塊（見(jiàn)圖1）。

圖1 杭錦旗及十里加汗地區(qū)構(gòu)造位置

杭錦旗二疊系自上而下分為上石盒子組、下石盒子組和山西組（見(jiàn)圖2）［4-5］。杭錦旗石炭系—二疊系沉積物源主要來(lái)自北部的陰山古陸，為再旋回造山帶物源區(qū)構(gòu)造背景［7］。下石盒子組厚度為100 m左右，自下而上可分為盒1、盒2和盒3段，是研究區(qū)主要含氣層段［8］。其中，盒 1 段為沖積扇-辮狀河沉積，盒 3、盒2段主要為沖積平原背景下的辮狀河沉積，盒3段沉積期研究區(qū)南部開(kāi)始發(fā)育三角洲平原［7-9］。山西組主要發(fā)育淺湖-三角洲沉積體系，其中分流河道之間的沼澤沉積了以暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤為主的烴源巖。

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

杭錦旗十里加汗地區(qū)下石盒子組沉積體系中，心灘和辮流水道砂主要為含礫粗砂巖、中—粗砂巖等（見(jiàn)圖 2）［8］，砂巖分選中等，磨圓度中等，主要為次棱—次圓狀。

圖2 杭錦旗十里加汗地區(qū)地層綜合柱狀圖

根據(jù)Fork砂巖分類方案［10］，研究區(qū)下石盒子組砂巖主要為巖屑砂巖和少量巖屑石英砂巖等（見(jiàn)圖3）。巖屑以變質(zhì)巖巖屑和火山巖巖屑為主，存在少量沉積巖巖屑［5］。心灘和辮流水道砂巖均以點(diǎn)-線和線接觸為主，少量凹凸接觸，未見(jiàn)點(diǎn)接觸。

圖3 杭錦旗十里加汗地區(qū)下石盒子組砂巖分類三角投點(diǎn)圖

3 儲(chǔ)層孔隙類型及物性特征

研究區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層孔隙類型主要包括殘余原生孔隙與次生孔隙。次生孔隙主要包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔及微裂縫（見(jiàn)圖4。其中：Qz為碎屑石英，Ca為方解石膠結(jié)物，Md為泥質(zhì)膠結(jié)物，Chl為綠泥石包膜，EP為粒間溶孔，AP為粒內(nèi)溶孔，RP為鑄模孔，Aqz為自生石英，MF為微裂縫）。該儲(chǔ)層次生孔隙面孔率均明顯高于原生孔隙，次生孔隙占總孔隙的44%～87%；下石盒子組不同層段孔隙類型基本一致，但其占比存在差異，總體以次生孔隙為主，其次為原生孔隙。盒2段原生孔隙占比最高，約占總孔隙的40%；盒1、盒3段原生孔隙面孔率均明顯低于次生孔隙。研究區(qū)微裂縫較多見(jiàn)，可改善儲(chǔ)集砂體滲透性［6］。

圖4 研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層成巖作用及孔隙類型

研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層孔滲情況見(jiàn)圖5。

圖5 研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層滲透率與孔隙度交會(huì)圖

由圖5可知：樣品孔隙度最大值為24.25%，平均7.26%，孔隙度在2.00%～ 12.00%的樣品占比約85%；滲透率最大值為 13.10×10-3μm2， 平均 0.84×10-3μm2，滲透率在0.1×10-3～ 1.0×10-3μm2的樣品占比約77%。可見(jiàn)，研究區(qū)下石盒子組屬于典型的特低孔特低滲致密儲(chǔ)層，而孔隙度和滲透率相關(guān)性較差，表明儲(chǔ)層次生孔隙和裂縫較發(fā)育。

4 成巖作用及其控儲(chǔ)意義

碎屑巖的成巖作用分為破壞性成巖作用和建設(shè)性成巖作用［5，11-13］。破壞性成巖作用，主要破壞儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)層物性，如壓實(shí)、膠結(jié)、交代等作用；建設(shè)性成巖作用，主要改善儲(chǔ)層物性，如溶蝕和破裂作用等。明確儲(chǔ)層成巖作用及其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響，有助于認(rèn)識(shí)儲(chǔ)層孔隙演化特征，揭示優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成機(jī)理，為有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供理論指導(dǎo)［1，4，11］。

4.1 破壞性成巖作用

4.1.1 壓實(shí)作用

研究區(qū)下石盒子組砂巖塑性碎屑巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且埋藏深度（2 900～ 3 300 m）較大，上覆巖層的壓力較大。研究區(qū)下石盒子組砂巖壓實(shí)作用特征為：顆粒接觸關(guān)系以點(diǎn)-線接觸和線接觸為主（見(jiàn)圖4a）；長(zhǎng)條形礦物顆粒呈定向排列（見(jiàn)圖4a）；塑性礦物擠壓變形，甚至形成假雜基（見(jiàn)圖4a）；部分剛性礦物受擠壓產(chǎn)生裂縫，又具建設(shè)性作用（見(jiàn)圖4h）。研究區(qū)下石盒子組砂巖總體上壓實(shí)作用普遍較強(qiáng)，擠壓破壞了大量原生孔隙。

4.1.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)物占據(jù)儲(chǔ)層孔隙空間，膠結(jié)作用是儲(chǔ)層孔隙度降低的重要因素之一［9］。研究區(qū)下石盒子組砂巖膠結(jié)物主要包括自生黏土礦物膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物及少量鐵質(zhì)膠結(jié)物，賦存狀態(tài)主要為孔隙充填，部分交代顆粒（見(jiàn)圖4b，4c，4e）。自生黏土礦物平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為23.6%，主要包括自生高嶺石、自生伊利石、自生綠泥石及伊/蒙混層等。其中：自生高嶺石平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20.4%；自生伊利石和自生綠泥石平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為19.2%，37.3%；伊/蒙混層平均相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.1%。

碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石和鐵方解石，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%。方解石膠結(jié)物多呈基底式膠結(jié)充填孔隙（見(jiàn)圖4b），主要形成于早成巖階段，且在石英膠結(jié)和綠泥石包膜之后。早期方解石膠結(jié)物充填孔隙對(duì)儲(chǔ)層具有降低孔隙度和保留孔隙空間的雙重作用。

4.2 建設(shè)性成巖作用

4.2.1 溶蝕作用

地層流體對(duì)巖石組分具有溶蝕作用，通常形成巖石（砂巖）的次生孔隙。研究區(qū)下石盒子組砂巖溶蝕作用的對(duì)象主要包括粒間填隙物、巖屑和長(zhǎng)石。其中：被溶蝕的填隙物主要為泥質(zhì)和少量方解石膠結(jié)物，被溶蝕的巖屑主要為火山巖和變質(zhì)巖巖屑（見(jiàn)圖4d—4g）。有機(jī)酸溶液對(duì)長(zhǎng)石等硅鋁酸鹽的選擇性溶蝕，通常伴隨碳酸鹽礦物交代長(zhǎng)石（見(jiàn)圖 4e，4f）［14］。溶蝕作用是研究區(qū)儲(chǔ)層孔隙空間來(lái)源的最主要影響因素。

4.2.2 破裂作用

隨著埋藏深度的增加，巖石遭受強(qiáng)烈擠壓而破裂。巖石因破裂作用產(chǎn)生的裂縫雖不能明顯增加儲(chǔ)集空間，但可明顯提高巖石滲透性，改善儲(chǔ)層物性（見(jiàn)圖4h）。

4.3 成巖階段及演化序列

研究區(qū)下石盒子組自生礦物包括自生方解石、次生石英加大及自生黏土礦物。自生黏土礦物組分構(gòu)成見(jiàn)圖6。自生伊利石和綠泥石隨深度增加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，而伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)則逐漸降低，蒙皂石逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。自生高嶺石主要為長(zhǎng)石溶解的產(chǎn)物，存在多個(gè)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)育帶。下石盒子組伊/蒙混層層間比主要在10.0%～ 50.0%，平均約為20.7%。參照中國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《碎屑巖成巖階段劃分》（SY/T 5477—2003），可以確定研究區(qū)下石盒子組主要處于中成巖階段A期，少量達(dá)到中成巖階段B期。綜合分析巖石學(xué)特征、成巖特征、成巖相互關(guān)系及前人研究成果等，可以得出研究區(qū)主要成巖演化序列（見(jiàn)圖7。其中綠色形狀及大小表示強(qiáng)度，綠色虛線表示強(qiáng)度很弱）。

圖6 研究區(qū)下石盒子組自生黏土礦物組分構(gòu)成

圖7 研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層成巖序列、埋藏史及孔隙演化特征

5 儲(chǔ)層成因及孔隙演化規(guī)律

5.1 儲(chǔ)層成因

研究區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層次生孔隙占比高，且溶蝕作用是其形成的主要因素。研究區(qū)發(fā)育上石炭統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組煤系地層（見(jiàn)圖2）。在早成巖階段，印支期的大氣降水和半成熟的太原組、山西組煤層排出有機(jī)酸，為下石盒子組的溶蝕提供了重要酸性流體。研究區(qū)儲(chǔ)層異常高孔帶基本對(duì)應(yīng)著高嶺石發(fā)育帶，表明異常高孔帶與溶蝕作用有關(guān)（見(jiàn)圖6、圖8）。另外，自生伊利石和伊/蒙混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)均與自生高嶺石質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的正相關(guān)性（見(jiàn)圖6），表明自生伊利石與溶蝕作用提供的K+有關(guān)。

圖8 研究區(qū)下石盒子組儲(chǔ)層孔隙發(fā)育情況

下石盒子組沉積期，研究區(qū)物源區(qū)富含長(zhǎng)石和火山巖，早期孔隙流體存在大量Ca2+，而且下石盒子組砂巖中長(zhǎng)石（尤其是鈣長(zhǎng)石）、火山碎屑及黏土礦物等在早期酸性流體作用下亦可溶解形成大量Ca2+和CO32-；因此，早成巖階段，隨著埋藏深度增加和溶蝕作用消減，地層流體的pH值升高，方解石的溶解度降低，從而引起大量早期方解石的沉淀（見(jiàn)圖4b、圖7）。早期方解石膠結(jié)雖然導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙度急劇下降，但適量早期方解石膠結(jié)物可以抑制壓實(shí)作用、保護(hù)原生孔隙空間［10］，后期方解石膠結(jié)物被溶解后可以釋放部分粒間孔隙，提高儲(chǔ)層的孔隙度（見(jiàn)圖7）。

研究區(qū)位于斷裂帶附近，流體通道發(fā)育，鄰近山西組煤系地層，酸性流體充足。下石盒子組砂巖長(zhǎng)石和火山巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，容易被有機(jī)酸溶蝕形成次生孔隙。如果巖石儲(chǔ)層物性保護(hù)較好，長(zhǎng)石和火山巖屑被有機(jī)酸溶解的產(chǎn)物（例如高嶺石）就會(huì)隨著地層水循環(huán)而轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生大量次生溶蝕孔隙，形成有效的儲(chǔ)集空間。因此，斷裂帶、烴源巖（煤系地層）、有利沉積相帶（有利于儲(chǔ)層物性保護(hù)）是研究區(qū)下石盒子組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的關(guān)鍵要素（見(jiàn)圖7、圖8）。

5.2 孔隙演化規(guī)律

研究區(qū)下石盒子組砂巖自上向下分別發(fā)育Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ異常高孔帶（見(jiàn)圖8）。

Ⅰ異常高孔帶主要發(fā)育在下石盒子組盒2段、盒3段辮狀河砂體，埋藏深度在2 930～ 2 950 m，孔隙度最大值約為25%（見(jiàn)圖8），以次生孔隙和原生孔隙為主。長(zhǎng)石和巖屑溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，碳酸鹽礦物和黏土礦物溶蝕形成粒間溶孔，總次生孔隙占比約為87%，導(dǎo)致孔隙度異常增大。Ⅱ異常高孔帶主要發(fā)育在下石盒子組盒1段北部沖積扇砂體，埋藏深度在3 060～ 3 090 m，孔隙度最大值約為20%（見(jiàn)圖8），以原生粒間孔和次生溶孔為主，次生溶蝕孔隙占比約為55%。由于埋藏深度增加，壓實(shí)作用增強(qiáng)，殘余原生孔隙較少，因此，Ⅱ異常高孔帶的孔隙度明顯低于上部的Ⅰ異常高孔帶。Ⅲ異常高孔帶主要發(fā)育在下石盒子組盒1—3段辮狀河砂體，埋藏深度在3 110～ 3 130 m，孔隙度最大值約為16%（見(jiàn)圖8）。隨著埋藏深度繼續(xù)增加，壓實(shí)作用繼續(xù)增強(qiáng)，膠結(jié)物繼續(xù)沉淀，導(dǎo)致殘余原生孔隙和次生孔隙均明顯減少。

孔隙發(fā)育特征表明，埋藏壓實(shí)作用是儲(chǔ)層主要破壞機(jī)制，隨著埋藏深度增加，儲(chǔ)層孔隙度總體逐漸減小（見(jiàn)圖8）。Ⅰ異常高孔帶總孔隙度和次生孔隙占比均明顯大于Ⅱ異常高孔帶，表明辮狀河砂體比沖積扇砂體更有利于儲(chǔ)層孔隙發(fā)育。另外，研究區(qū)高嶺石發(fā)育帶與異常高孔帶基本對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步表明溶蝕作用是儲(chǔ)層孔隙來(lái)源的最主要影響因素，次生溶蝕孔隙是異常高孔帶主要孔隙類型（見(jiàn)圖6、圖8）。

6 結(jié)論

1）研究區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層孔隙類型主要是殘余原生孔隙與次生孔隙，次生孔隙主要包括粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔及裂縫，占比在44%～87%。儲(chǔ)層次生孔隙數(shù)量和面孔率均明顯高于原生孔隙，屬于典型的特低孔特低滲致密儲(chǔ)層。

2）研究區(qū)下石盒子組砂巖儲(chǔ)層的壓實(shí)和膠結(jié)作用主要為破壞性成巖作用，其中早期方解石膠結(jié)起到雙重作用；溶蝕作用和破裂作用為建設(shè)性成巖作用，其中溶蝕作用為儲(chǔ)層孔隙空間來(lái)源的最主要影響因素。

3）研究區(qū)下石盒子組主要處于中成巖階段A期，少量達(dá)到中成巖階段B期。溶蝕作用主要發(fā)生在中成巖階段A期，溶蝕形成的次生孔隙易于保存，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的重要因素。

4）研究區(qū)下石盒子組低滲致密儲(chǔ)層中的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育主要受控于斷裂帶、煤系地層、沉積相、埋藏深度及溶蝕作用強(qiáng)度。辮狀河比沖積扇更有利于儲(chǔ)層孔隙發(fā)育，斷裂帶有利于儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育。