鄂爾多斯盆地東北部神木地區本溪組煤系致密砂巖儲層特征

王華，孟培龍，張博杰，等.鄂爾多斯盆地東北部神木地區本溪組煤系致密砂巖儲層特征[J].西安科技大學學報，2024，44（5）：911-923.

WANG Hua，MENG Peilong，ZHANG Bojie，et al.Tight sandstone reservoir characteristics of Benxi Formation coal "system in Shenmu area of north-eastern Ordos Basin[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2024，44（5）：911-923.

摘要：由于致密砂巖儲層發育影響因素復雜，導致對儲層進行合理、定量分類通常較困難。運用鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物X-射線衍射、高壓壓汞、核磁共振等資料，對鄂爾多斯盆地東北部神木地區石炭系本溪組煤系致密砂巖氣儲層特征進行研究，采用儲層綜合指數（CEI）建立儲層定量分類標準，預測有利儲層。結果表明：神木地區本溪組主要發育石英砂巖和巖屑石英砂巖，填隙物主要為高嶺石、綠泥石、鐵白云石和鐵方解石等膠結物；孔隙類型以原生粒間孔隙和高嶺石晶間孔隙為主，微裂隙和巖屑粒內溶孔次之，主要發育粗孔-中喉型和細孔-小喉型孔隙結構；區內壓實壓溶作用和膠結作用普遍，石英及巖屑粒內溶蝕作用發育，儲層普遍進入中成巖B期階段。神木地區本溪組發育Ⅰ類（CEIgt;0.6）、Ⅱ類（0.4lt;CEIlt;0.6）和Ⅲ類（CEIlt;0.4）儲層，Ⅰ類和Ⅱ類為有利儲層，Ⅰ類儲層分布范圍相比Ⅱ類儲層較小，但兩者縱向上均以本1段最為發育，平面上多分布在水下分支河道和砂坪微相中。

關鍵詞：儲層分類；儲層特征；致密砂巖；本溪組；鄂爾多斯盆地

中圖分類號：P 618.13

Tight sandstone reservoir characteristics of Benxi Formation coalsystem in Shenmu area of north-eastern Ordos Basin

WANG Hua1，2，MENG Peilong1，2，ZHANG Bojie1，2，GUO Yanqin3，4，

ZHANG Kaixiao3，LI Baiqiang5

（1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Petro China Changqing Oilfield Company，Xi’an "710018，China；

2.National Engineering Laboratory for Low-permeability Petroleum Exploration and Development，Xi’an 710018，China；

3.Key Laboratory of Shaanxi Province for Petroleum Accumulation Geology，

School of Earth Sciences and Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an 710065，China；

4.State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi’an 710069，China;

5.School of Earth and Environment，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China）

Abstract：Due to the complex factors affecting the development of tight sandstone reservoirs，it is usually difficult to make reasonable and quantitative classification and evaluation for tight sandstone reservoirs.

The characteristics of tight sandstone gas reservoir of Carboniferous Benxi Formation in Shenmu area of Ordos Basin were analyzed by using the data of cast thin section，scanning electron microscope，clay mineral X-ray diffraction，high pressure mercury injection and nuclear magnetic resonance.The reservoir quantitative evaluation standard was established by using reservoir comprehensive evaluation index CEI，and the distribution area of favorable reservoir was predicted.The results show that quartz sandstone and lithic quartz sandstone are dominated in Benxi Formation in Shenmu area，and the interstitial fillings are main cements such as kaolinite，chlorite，iron dolomite and iron calcite，and the pore types are primary inter-granular pores and kaolinite inter-crystalline pores，followed by micro-fracture and inner-granular solution pores of cuttings.The pore structure is dominated by coarse pore-medium throat type and fine pore-small throat type.The compaction and cementation are common in the area，and the dissolution of quartz and cuttings are developed，reflecting the reservoir generally enters the B stage of middle diagenetic period.Three types of reservoirs including Type Ⅰ（CEIgt;0.6），Type Ⅱ（0.4lt;CEIlt;0.6），and Type Ⅲ（CEIlt;0.4）are developed in Benxi Formation in the Shenmu area，and the Type Ⅰ and Type Ⅱ are favorable reservoirs in the study area.The distribution range of Type Ⅰ reservoir is smaller than that of Type Ⅱ reservoir，but the two types of reservoirs all developed more in Member 1 of Benxi Formation，and mostly distributed in underwater branch channel and sand flat micro facies in plane.

Key words：reservoir classification；reservoir characteristics；tight sandstone；Benxi Formation；Ordos Basin

0引言

鄂爾多斯盆地是中國第二大陸內沉積盆地，盆內油氣資源多樣、油氣成藏規模大，隨著油氣勘探的不斷深入，盆地內顯示出南油北氣的油氣分布格局[1-3]。盆地上古生界致密砂巖氣資源豐富，約占全國致密氣資源量的61%，尤其是位于盆地中東部地區的蘇里格氣田、大牛地氣田、榆林氣田、烏審旗氣田和子洲氣田儲量超1×1011m3[4-9]。目前，在盆地上古生界山西組和石盒子組不斷取得天然氣勘探發現的同時，在神木、米脂、高橋和宜川等盆地中東部地區的本溪組中也陸續發現了高產氣藏[10-13]。

針對鄂爾多斯盆地本溪組，已有研究重點關注其沉積體系、烴源巖以及天然氣成藏特征。研究認為晚石炭世本溪期，在海西構造運動的影響下，整體構造格局南隆北傾[12-13]，華北海主要從東側和北東側進入盆地內部，北部水體較淺，物源供給充分，以潮汐-三角洲復合沉積體系為主[13-15]，南部水體較深且受潮流影響更明顯，障壁海岸沉積體系較為發育[16-18]。本溪組天然氣主要來源于上古生界的煤層[19-22]，晚侏羅至早白堊世為其主要生烴成藏時期，并且具有廣覆式生烴、大面積成藏特點[23-25]。而關于氣藏特征目前尚存在爭議，部分學者認為為超低孔、超低滲巖性氣藏[25-26]，也有學者認為是準連續型致密氣藏[22-27]。

與儲層孔隙度、滲透率、微觀孔隙結構有關的儲層非均質性以及與源、儲配置等有關的含氣非均質性是致密砂巖氣藏分布具有明顯差異的要素。研究認為，鄂爾多斯盆地本溪組的煤系地層中8#、9#煤層發育[28-29]，烴源巖分布范圍廣、厚度大，與障壁海岸沉積-三角洲沉積的碎屑巖儲集層具有良好的配置關系。可見致密砂巖儲層特征及類別也是天然氣關鍵成藏要素[30-32]。以往關于盆地本溪組致密砂巖儲層的分類，多采用多參數定性或半定量方法，致使分類操作相對復雜且儲層類別劃分界限較模糊[33-34]，文中在致密砂巖儲層的巖石學、物性、微觀孔隙結構和儲層成巖作用特征詳細研究的基礎上，通過致密砂巖儲層表征參數進行優選、各參數權重系數賦值以及儲層綜合指數（CEI）計算，確立神木地區本溪組致密砂巖儲層的定量化分類標準，從而實現對神木地區致密砂巖儲層的縱、橫向相對準確、連續、定量化分類，為區內本溪組天然氣成藏規律研究及天然氣勘探開發提供理論依據。

1區域地質概況

神木地區位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東北部，北部到神木北，南部至佳縣南，西至榆林以西，東部以神木—佳縣一帶為界，面積約為1.33×104 km2（圖1）。本溪組自下而上發育3套巖性地層單元，底部為鋁土礦、褐鐵礦沉積，與下伏馬家溝組不整合接觸，中部為海相砂巖和灰巖沉積，頂部發育一套海退背景下的煤系地層沉積（主要發育8#、9#煤層，俗稱“臭煤”）。本溪組自下而上發育的鐵鋁層、畔溝灰巖、晉祠砂巖、吳家峪灰巖及8#、9#煤層是主要巖性標志層，在全區發育較穩定，巖電特征差異明顯。據此，將本溪組自下而上依次劃分為本3段（即湖田段）、本2段（即畔溝段）和本1段（即晉祠段）（表1）。

湖田段主要為偏紫色的含鐵鋁巖層的泥巖、頁巖和“山西式鐵礦”，厚度介于0～9 m，平均4 m。測井曲線為低聲波時差（AC）、高自然伽瑪（GR）、高自然電位（SP）。畔溝段主要為一套由砂巖、泥巖、粉砂巖、煤層和灰巖組成的海陸交互相沉積層段，屬于障壁海岸沉積環境中的潟湖—潮坪沉積，厚度6～47 m，平均20 m，底部發育畔溝砂巖，穩定性較差，常呈透鏡狀分布；中部發育畔溝灰巖；頂部偶見薄煤層。晉祠段為一套由海相砂巖、泥巖、灰巖和煤層組成的煤系地層，厚度11～56 m，平均29 m，晉祠砂巖發育在底部，吳家裕灰巖發育在中部，頂部為8#、9#煤層，而吳家峪灰巖與9#煤之間局部地區發育一套細砂巖，俗稱“西銘砂巖”，9#煤與8#煤之間局部地區發育一套粉細砂巖，稱“屯蘭砂巖”，這2套細、粉細砂巖厚度小，分布不穩定（圖2）。本溪組主要含氣層為本1和本2段，即晉祠段和畔溝段。

2儲層巖石學特征

2.1巖石類型及碎屑組分

據神木地區25口井248塊樣品統計，本溪組砂巖以灰色、灰綠色石英砂巖和巖屑石英砂巖為主（圖3）。本1段和本2段碎屑組分體積分數表現出相似特征，即石英體積分數最高，平均占比分別為86.05%和81.35%，巖屑體積分數次之，平均占比分別為13.87%和18.46%，長石體積分數極低，平均占比分別為0.08%和0.19%。巖屑類型主要為變質巖巖屑，本1段和本2段變質巖巖屑平均體積分數分別為10.12%和12.30%，其中以石英巖巖屑為主，體積分數平均分別為9.30%和11.72%，此外含少量千枚巖和變質砂巖巖屑；巖漿巖巖屑含量較少，主要為噴發巖和隱晶巖，本1段和本2段噴發巖巖屑體積分數平均分別為0.27%和0.36%，隱晶巖巖屑體積分數平均分別為0.22%和0.76%。

2.2填隙物組分

本1段填隙物的總體積分數介于5%～28%，平均為11.07%，本2段填隙物的體積分數為10%～38%，平均為18.24%。本1段和本2段砂巖中填隙物主要為膠結物，雜基相對較少。其中，本1段主要發育以高嶺石和伊利石為代表的黏土礦物膠結物，以鐵方解石、鐵白云石和白云石為代表的碳酸鹽礦物膠結物以及硅質膠結物；本2段填隙物組分主要為高嶺石及方解石膠結物，平均體積分數分別為5.81%和4.09%，其次為鐵白云石、鐵方解石膠結物。

2.3巖石結構特征

本溪組巖石粒度整體以粗砂、中砂和細砂為主。其中，粗砂占比26%，中砂含量最高，平均33%，細砂占比為22%（圖4（a）），反映本溪組的水動力條件變化較為明顯。本1段顆粒分選以中等為主（占比52%），其次為好（占比為35%）；本2段分選以好為主（占比51%），其次為中等（占比為33%）（圖4（b））。顆粒磨圓，本1段以次棱—次圓狀的樣品為主（占比52%），其次為次圓狀（占比25%）和次棱狀（占比21%）；本2段同樣以次棱—次圓狀為主（占比61%），其次為次圓狀（占比22%）和次圓—次棱狀（占比11%）（圖4（c））。本溪組膠結方式以孔隙式為主（占比65%），其次是加大式（占比12%）和孔隙—次生加大式（占比為9%）（圖4（d））。

3儲層物性

砂巖儲層實測物性數據顯示，神木地區本溪組孔隙度為3.4%～10.5%，平均6.3%，峰值區間為4.3%～8.7%的占比為64%；滲透率介于0.07～2.34×10-3 μm2，平均0.43×10-3 μm2，滲透率峰值區間為0.11～2.01×10-3 μm2。

測井解釋物性數據顯示，孔隙度整體介于3.2%～13.5%，平均值為6.7%，峰值區間為4.3%～10.5%；滲透率整體介于0.03～ 5.41×10-3 μm2，平均值0.49×10-3 μm2，峰值區間為0.06～2.82×10-3 μm2。儲層實測物性數據與測井解釋物性數據相關性程度較高。

依據石油天然氣總公司碎屑巖儲層物性分級標準（SY/T 6285—1997），神木地區本溪組儲層為低孔-特低孔特低滲砂巖儲層。

4儲層孔隙結構特征

4.1孔隙類型

鑄體薄片鑒定和掃描電鏡觀察結果顯示，粒間孔隙和晶間孔隙為研究區本溪組主要的孔隙類型，其次為微裂隙和巖屑溶孔。總面孔率為0～16%，平均為3.84%，本1段總面孔率為0～12%，平均為3.88%，本2段總面孔率為0～16%，平均為3.80%。其中，本1段及本2段粒間孔含量均為最高，分別為0～5%和0～8%，平均值分別為1.69%和3.49%；本1段和本2段晶間孔含量均為0～2%，平均值分別為1.07%和1.04%；巖屑溶孔和微裂隙本1段較本2段發育（表2）。

4.2孔喉分類及孔隙結構特征

本溪組砂巖孔徑特征表現為以粗孔、細孔和微孔為主，喉道則以小喉和中喉為主。孔喉類型可劃分為粗孔-中喉型（CP-MEDT）、細孔-小喉型（SP-MINT）、微孔-微喉型（MP-MIRT）等3種類型，并且以CP-MEDT和SP-MINT為主要類型。

排驅壓力（Pd）、中值壓力（Pmed）、中值半徑（Rmed）、最大進汞飽和度（Smax）和退汞效率（Emw）等毛管壓力關鍵參數統計結果顯示，神木地區本溪組砂巖儲集層的Pd為0.2～1.35 MPa；Pmed為0.74～61.44 MPa；Rmax介于0.54～3.64 μm；Rmed介于0.01～0.65 μm；Smax介于62.62%～90.92%；Emw介于6.52%～45.76%。孔隙結構參數整體變化較大、儲層非均質性較強。

依據毛管壓力曲線形態和關鍵參數分布特征，砂巖孔隙結構可分為3類：Ⅰ類（Pd小于0.2 MPa，a大于9.14%，Ka大于0.9× 10-3 μm2，Smax大于82%，Pmed小于4 MPa，Rmed大于0.3 μm）、Ⅱ類（Pd介于0.2～0.8 MPa，a為6.6%，K介于0.3～0.9×10-3 μm2，Smax介于72%～82%，Pmed為4～11 MPa，Rmed為0.04～0.3 μm）、Ⅲ類（Pd大于0.8 MPa，a為2.9%，K小于4×10-3 μm2，Smax小于72%，Pmed大于11 MPa，Rmed小于0.04 μm）（表3，圖5），本1段和本2段主要發育Ⅰ類和Ⅱ類孔隙結構。

核磁共振試驗分析結果顯示總體上可動流體飽和度與物性呈正相關，即物性好，孔隙度較大，可動流體飽和度（Smf）高；相反，物性差，孔隙度較小，Smf低。本1段可動流體飽和度分布范圍為21.30%～82.62%，平均為57.97%；本2段可動流體飽和度相對較低，分布范圍為29.97%～75.04%，平均值為52.11%（表4）。

孔喉結構差異通常導致主峰的分布位置和幅度發生明顯變化，研究區T2譜圖單峰和雙峰態均有發育，如米9井及米38井呈單峰態，峰值位于T2弛豫時間左邊，反映了巖石以小孔喉為主（圖6（a）～（b））；米121井及雙107井樣品呈雙峰態，右峰高左峰低且峰值均位于T2弛豫時間右邊，反映巖石以較大孔喉為主（圖6（c）～（d））。離心試驗前后的測試顯示，米38井T2譜分布形態未發生明顯變化（圖6（a）），表明樣品中可動流體的含量在孔隙內很低，大部分孔隙為死孔隙，孔隙連通差，在物性上表現為滲透率低；其 余樣品的T2譜峰形均具較明顯的變化（圖6（b）～（d）），表明樣品孔隙中可動流體含量較高，在物性上表現為具較高滲透率值。

5成巖作用特征

5.1成巖作用類型

壓實及壓溶作用在神木地區本溪組較常見，單偏光顯微鏡下可見云母發生彎曲變形，以及粒間孔隙被石英次生加大邊充填（圖7（a）～（b））。膠結作用是破壞儲層物性的另一個重要因素，主要表現為石英次生加大、鐵白云石、鐵方解石、方解石、高嶺石、伊利石等膠結（圖7（b）～（g））。溶蝕作用是神木地區本溪組最常見的改善儲層物性的因素，通常表現為巖屑的粒內溶蝕、石英粒內溶蝕及顆粒粒間溶蝕（圖7（h）～（i））。

5.2成巖階段劃分

鄂爾多斯盆地本溪組最大古地溫為150～240 ℃[35-36]，鏡質體反射率（Ro）值分布于2.53%～3.11%，平均值為2.80%，本溪組煤層、暗色泥巖及炭質泥巖樣品最高熱解峰溫Tmax值分布于558～563 ℃，平均值為560 ℃。神木地區本溪組樣品在鑄體薄片及掃描電鏡下可觀察到除普遍存在鐵方解石充填和鐵白云石膠結現象外，還發育以高嶺石為主的黏土礦物膠結現象，其次還可觀察到呈發絲狀的伊利石和伊/蒙混層，且伊/蒙混層間層比主要小于15（表5）。孔隙類型除原生粒間孔隙外，還包括裂縫及少量次生溶蝕孔隙。綜合本溪組樣品的上述各類特征，并依據2003年石油行業《碎屑巖成巖階段劃分標準》，認為研究區本溪組砂巖儲層已普遍進入中成巖B期階段。

6儲層分類及其分布特征

6.1儲層分類標準

由于致密砂巖儲層發育影響因素較復雜，導致對儲層進行準確、合理、定量的分類通常比較困難。用于常規砂巖儲層分類的參數一般包括巖石學參數、孔隙度和滲透率，以及表征儲層孔隙結構的相關參數。但將這些參數同時運用到致密砂巖儲層分類時通常較為繁瑣且分類結果有時會有重疊。在定量獲取上述參數后，通過交會分析法從上述眾多參數中優選能夠綜合評判儲層的關鍵地質參數，將這些參數值進行標準化，再通過衡量標準化后的關鍵參數在不同質量儲層中的變異程度，對各儲層參數的權重系數進行賦值，采用綜合評判函數法，計算儲層綜合分類指數（CEI），從而結合本溪組儲層綜合分類指數整體分布特征及地質情況，確立儲層綜合分類評判標準（圖8）。

結合地質參數的優選原則，分析各參數對儲層性質的影響程度、可定量化程度及各參數間的內在關聯性，保證各參數之間具有相對獨立性，最終優選出最能反映儲層性質變化的評判參數：砂體厚度、孔隙度、滲透率及層內滲透率極差。

對評判參數進行標準化處理的具體過程如下，針對那些數值越大越能體現優質儲層的參數，

如砂體厚度、孔隙度和滲透率等，采用特定的標準化公式進行計算

Si=PiPmax

（1）圖8儲層分類方法流程

Fig.8Flow of comprehensive reservoir evaluation method

對于值越大，反映儲層質量越差的參數，如層內滲透率極差，其標準化公式為

Si=Pmax— PiPmax

（2）

式中Si為地質參數的標準化值；Pi則為某一井點的地質參數值，而Pmax為該地質參數在所有井點中的最大值。

某一地質參數的權重系數即為該地質參數的變異系數除以四項參數變異系數之和（表6）。

采用綜合函數法計算CEI，計算公式為

CEI=∑ni=0Si×Wi

（3）

式中Si為地質參數的標準化值；Wi為各關鍵地質參數的權重值（表7）。

根據計算得到的CEI，建立儲層分類評判標準，每個分類對應一個綜合指數值區間。本次儲層分類對應的綜合指數值區間如下：CEI≥0.6，Ⅰ類儲層；0.4≤CEIlt;0.6，Ⅱ類儲層；CEIlt;0.4，Ⅲ類儲層（表8）。

6.2儲層分布特征

通過神木地區1 500余口井的砂體厚度、孔隙度、滲透率及層內滲透率極差數據計算得出每口井的CEI指數，綜合神木地區本1、本2段沉積相研究成果及上述儲層分類方案標準，進行本1、本2段儲層分類平面分布特征研究。

Ⅰ類儲層主要呈條帶狀展布，分布面積相對較少，多發育在水下分流河道微相與砂坪微相中厚砂體部位，縱向上在本1段更發育，平面上主要位于區內東北部、中部神81井區以及南部雙107-雙124井區、雙61-63井區、雙62-62井區、米7-62井區、雙64-46井區、雙136井區、米14-16井區、米114井區；Ⅱ類儲層在沉積微相分布趨勢與I類儲層相似，砂體厚度略有減小，在平面上分布較廣，縱向上本1段、本2段均有分布，但本1段最為發育；Ⅲ類儲層同樣分布在水下分支河道與砂坪沉積微相中，但砂厚最小，相對在本2段廣泛分布（圖9（a）～（b））。

7結論

1）神木地區本溪組巖石類型主要為石英砂巖和巖屑石英砂巖，填隙物主要為高嶺石、伊利石、鐵白云石和鐵方解石等膠結物；巖石粒度整體以粗砂、中砂和細砂為主，分選以中等-好為主，磨圓以次棱-次圓狀為主，成分成熟度及結構成熟度較高。

2）孔隙類型以原生粒間孔隙和高嶺石晶間孔隙為主，微裂隙和巖屑粒內溶孔次之，主要發育粗孔-中喉型和細孔-小喉型孔隙結構；區內壓實壓溶作用和膠結作用普遍，石英及巖屑粒內溶蝕作用發育，儲層普遍進入中成巖B期階段。

3）采用儲層綜合指數（CEI）將神木地區本溪組儲層劃分為3種類型，分別為Ⅰ類（CEIgt;0.6）、Ⅱ類（0.4lt;CEIlt;0.6）和Ⅲ類（CEIlt;0.4），其中Ⅰ類和Ⅱ類為有利儲層，Ⅰ類儲層分布范圍相比Ⅱ類儲層較小，但2類儲層縱向上均以本1段最為發育，平面上多分布在水下分支河道、砂坪微相及障壁島沙壩中。

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（責任編輯：李克永）

收稿日期：2024-05-15

基金項目：國家自然科學基金項目（41702117）；陜西省重點研發計劃一般項目（2023-YBGY-079）；西北大學大陸動力學國家重點實驗室開放課題基金項目（22LCD04）；陜西省技術創新引導專項基金項目（2023-YD-CGZH-02）；陜西省科協青年人才托舉計劃項目（20240701）

第一作者：王華，男，寧夏永寧人，正高級工程師，E-mail：wh3_cq@petrochina.com.cn

通信作者：郭艷琴，女，陜西佳縣人，博士，教授，E-mail：guoyanqin@xsyu.edu.cn