柳 娜，姚宜同，南珺祥，尹 鵬

（1.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；2.中國石油長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，西安710018；3.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610500）

隨著常規(guī)油氣勘探開發(fā)難度的逐步增大，全球油氣工業(yè)已進(jìn)入常規(guī)與非常規(guī)油氣并重的時(shí)代。其中致密砂巖氣已成為全球非常規(guī)天然氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域。世界上并無統(tǒng)一的致密氣標(biāo)準(zhǔn)和界限。1978年，美國聯(lián)邦能源管理委員會（FERC）從經(jīng)濟(jì)角度將地層滲透率＜0.1×10－3μm2的氣藏（不包含裂縫）定義為致密氣藏。隨后，Spencer、Kuuakfaa等、Law 等、Holditch、加拿大非常規(guī)天然氣協(xié)會（CSUG）等學(xué)者和機(jī)構(gòu)從開發(fā)技術(shù)、地質(zhì)概念角度出發(fā)對致密砂巖進(jìn)行界定［1－6］。在中國，袁政文等、許化政、王金琪、關(guān)德師、鄒才能等、趙靖州等學(xué)者先后對致密氣藏進(jìn)行研究并定義［7－12］。本文采用GB/T 30501-2014的致密砂巖氣定義［13］，即覆壓基質(zhì)滲透率≤0.1×10－3μm2的砂巖氣層，單井一般無自然產(chǎn)能或者自然產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限，但在一定經(jīng)濟(jì)條件和技術(shù)措施下可獲得工業(yè)天然氣產(chǎn)量。

中國致密砂巖氣藏發(fā)現(xiàn)較早，勘探領(lǐng)域廣闊，近年來發(fā)展較快，發(fā)現(xiàn)了鄂爾多斯盆地和四川盆地兩大致密氣區(qū)。鄂爾多斯盆地上古生界儲層屬于河流—三角洲沉積體系，熱演化程度高，碎屑組分復(fù)雜，成巖作用強(qiáng)烈，巖性致密，屬于典型的低滲—特低滲非常規(guī)天然氣藏，孔隙度一般在10%以下，滲透率一般＜3×10－3μm2［14－16］。盆地東部二疊系下石盒子組第8段（簡稱“盒8”）、山西組、太原組是長慶油田近年來重要勘探區(qū)塊（山西組，尤其是山西組底部，以石英砂巖為主，產(chǎn)量較高，與盒8、太原組儲層差別較大，本文不做研究）。然而，由于對這類氣藏的開采技術(shù)不成熟，單井控制的儲量和可采儲量小，且供氣范圍小，產(chǎn)量低而遞減快，其中大部分處于低產(chǎn)低效的狀態(tài)［17，18］；因此急需對盆地東部盒8、太原組微觀儲層特征進(jìn)一步研究，找出單井產(chǎn)量影響因素，為氣藏有效開發(fā)提供依據(jù)。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東側(cè)的伊陜斜坡（圖1），區(qū)內(nèi)二疊系發(fā)育齊全，從下向上依次為太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組。太原組為海陸交互相沉積，當(dāng)時(shí)氣候濕潤，泥坪、含煤沼澤發(fā)育，依據(jù)沉積序列及巖性組合分為上下兩段，即太1段（七里溝砂巖）、太2段（馬蘭砂巖、橋頭砂巖）。下石盒子、上石盒子組則為河流－湖泊三角洲沉積，砂泥巖互層［19，20］。下石盒子組自下而上分為4個(gè)層段（盒8、盒7、盒6、盒5），其中盒8段是天然氣勘探的主要目的層，分為盒8下和盒8上2個(gè)亞段。

1 巖石學(xué)特征

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

研究區(qū)砂巖分為石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖3類，以巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主（圖2）。盒8組砂巖粒徑為0.65～0.75mm；太原組砂巖粒度略粗，粒徑為0.70～0.90mm。研究區(qū)砂巖以粗粒砂巖為主。片巖、千枚巖、泥板巖等軟組分含量較高，成分成熟度偏低（表1）。

研究區(qū)盒8和太原組砂巖碎屑組分、填隙物、黏土礦物以及微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖性組合等方面既有相似之處，又有較大的差別。

1.1 碎屑組分標(biāo)型特征

顯微鏡下見二輪回石英、石英中磨圓度很好的鋯石包裹體、糜棱巖化的變質(zhì)石英砂巖、石英中針狀包裹體及蠕蟲狀綠泥石包裹體、陰極發(fā)光下發(fā)淺棕色光的石英，這些標(biāo)型特征表明：盒8、太原組源區(qū)巖性組合均以中低級副變質(zhì)巖為主，并見較為豐富的來自于熱液巖脈的石英（圖3）。

1.2 填隙物特征

研究區(qū)盒8、太原組砂巖填隙物以伊利石、高嶺石、硅質(zhì)、碳酸鹽膠結(jié)物、綠泥石及凝灰質(zhì)為主（表2）。東部盒8、太原組砂巖填隙物含量高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～17%。盒8砂巖雜基含量較低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2.5%，說明盒8沉積時(shí)經(jīng)歷充分的淘洗作用。太原組砂巖雜基含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%左右。硅質(zhì)、高嶺石在盒8含量較高，高嶺石保存完好。太原組高嶺石含量低，伊利石化強(qiáng)烈。盒8的碳酸鹽膠結(jié)物以鐵方解石為主；太原組以鐵白云石為主，并見豐富的菱鐵礦。

圖2 研究區(qū)盒8、太原組砂巖分類三角圖Fig.2 Triangle for the classification of tight sandstone of H8Formation and Taiyuan Formation in study area

表1 研究區(qū)盒8和太原組砂巖碎屑組分含量Table 1 Detrital composition content of tight sandstone of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地東部盒8、太原組致密砂巖儲層碎屑標(biāo)型特征Fig.3 Typomorphic characteristics of the minerals in H8Formation and Taiyuan Formation in the east of Ordos Basin

表2 鄂爾多斯盆地東部盒8、太原組砂巖填隙物含量（w/%）Table 2 Interstitial material content of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

2 成巖特征

X射線衍射黏土分析、鏡煤反射率、成巖礦物組合、包裹體測溫等表明，研究區(qū)已經(jīng)處于晚成巖B階段。盒8、太原組儲層成巖作用雖然均以壓實(shí)作用為主，但由于盒8、太原組砂巖不同的巖石結(jié)構(gòu)造成了成巖作用的較大差別。盒8儲層壓實(shí)后殘余原生粒間孔依次被自生他形硅質(zhì)、高嶺石、鐵方解石等完全充填，僅保留少部分高嶺石晶間孔，充填作用發(fā)育，溶蝕成巖作用弱。太原組儲層由于含較多的雜基，未保留原生粒間孔，以早成巖晚期－晚成巖早期有機(jī)酸對不穩(wěn)定組分的溶蝕形成的次生溶孔為主，充填作用極弱，溶蝕作用較強(qiáng)。

3 儲集性能

3.1 孔隙特征

研究區(qū)盒8、太原組孔隙類型總體上以巖屑溶孔（包括安山巖巖屑溶孔、流紋巖巖屑溶孔、凝灰質(zhì)溶孔、晶屑和玻屑溶孔、長石溶孔）及高嶺石晶間孔為主，并見到一些凝灰質(zhì)失水收縮形成的收縮孔，粒間孔偶見。但由于各層段沉積作用和成巖作用的差異，各氣層段孔隙組合特征差異非常明顯。盒8段雖然原生粒間孔發(fā)育，但均被自生硅質(zhì)、高嶺石和鐵方解石完全充填；而早成巖階段大氣淡水淋濾作用形成的高嶺石晶間（微）孔成為盒8的主要儲集空間之一。太原組儲層則以在早成巖晚期－晚成巖早期階段有機(jī)酸作用下不穩(wěn)定組分的溶蝕作用為主，形成的次生溶孔成為太原組的主要儲集空間。盒8儲層面孔率為1.5%～2.4%，殘余原生粒間孔少量，以晶間孔－溶孔為主，平均孔徑為10～18μm；太原組儲層面孔率為1.5%～3.5%，以長石－巖屑溶孔為主，馬蘭砂巖最好，其次為橋頭砂巖，七里溝砂巖最差，平均孔徑為30μm（圖4）。

3.2 物性特征

研究區(qū)盒8上的平均滲透率為0.48×10－3μm2，平均孔隙度為8.21%；盒8下的平均滲透率為0.53×10－3μm2，平均孔隙度為8.87%，盒8下比盒8上的物性稍好。太原組馬蘭砂巖段平均滲透率為1.08×10－3μm2，平均孔隙度為9.28%；其次是橋頭砂巖段，平均滲透率為0.58×10－3μm2，平均孔隙度為8.59%；七里溝砂巖段平均孔隙度為8.24%，平均滲透率為0.33×10－3μm2。

圖4 盆地東部盒8、太原組孔隙組合特征Fig.4 Pore combination characteristics of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

3.3 孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)盒8段和太原組儲層整體上表現(xiàn)為低孔、低滲和微孔率高的特征。其中盒8儲層以溶孔－高嶺石晶間孔－微喉為主要孔喉組合，太原組則以溶孔－微細(xì)喉型為主要孔喉組合，其孔隙結(jié)構(gòu)（表3）具有排驅(qū)壓力高、平均喉道半徑和中值半徑小、有效孔隙度低的特點(diǎn)。總之，研究區(qū)儲層孔隙結(jié)構(gòu)方面馬蘭砂巖最好，橋頭砂巖次之，盒8段較差。

研究區(qū)盒8、太原組砂巖的喉道以片狀或彎曲片狀喉道為主。激光共聚焦掃描顯微鏡檢測顯示，盒8砂巖的孔喉連通性較差，太原組砂巖的孔喉連通性相對較好（圖5）。

4 低產(chǎn)影響因素

研究區(qū)盒8、太原組砂體發(fā)育，單層砂體厚度較大，分布廣泛，含氣顯示普遍，但產(chǎn)量較低，為（11.171～25.243）×103m3/d。

表3 鄂爾多斯盆地東部盒8及太原組砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征Table 3 Pore structure characteristics of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

圖5 研究區(qū)孔隙及喉道連通性（激光共聚焦顯微照片）Fig.5 Connectivity of pore and throat in the study area（determined by laser scanning confocal microscope）

4.1 巖性的影響

圖6 軟組分呈假雜基充填孔隙Fig.6 Soft components filling pore as false matrices

研究區(qū)太原組砂巖軟組分主要以千枚巖、絹云母片巖、泥板巖等為主，經(jīng)過上覆地層的壓實(shí)作用，軟組分變形強(qiáng)烈，呈假雜基充填孔隙（圖6）。雜基含量高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在10%左右，最高可達(dá)50%右。呈假雜基狀充填孔隙的軟組分，堵塞喉道，使儲層的孔隙度、滲透率急劇下降（圖7）。盒8沉積時(shí)，水流的淘洗作用強(qiáng)烈，雜基含量少，原始粒間孔雖然發(fā)育，但在成巖期被硅質(zhì)、高嶺石、鈣質(zhì)等完全充填，致使大孔隙缺少。

4.2 成巖作用的影響

研究區(qū)砂巖不穩(wěn)定組分溶蝕作用強(qiáng)烈，形成次生孔隙?？紫吨谐Ｒ娖瑺钊芪g殘余或自生的黏土礦物，以絲狀或者片狀伊利石為主，其孔徑細(xì)小，嚴(yán)重影響了孔隙的連通性。顯微鏡下觀察到的絲狀伊利石分割大孔隙（圖8），使孔隙滲流能力大幅度降低。

4.3 應(yīng)力敏感性的影響

圖7 鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖儲層軟組分含量與孔隙度、滲透率的關(guān)系Fig.7 Relation between soft component content with porosity and permeability of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

圖8 砂巖中的次生孔隙Fig.8 The secondary pore of sandstone

圖9 上古生界、中生界應(yīng)力敏感性曲線Fig.9 Curves of the stress sensitivity of Upper Paleozoic and Mesozoic reservoir

由于碎屑組分及填隙物組分的差異，上古生界儲層的應(yīng)力敏感性強(qiáng)于中生界，較大的上覆地層壓力造成滲透率顯著小于地表滲透率。應(yīng)力敏感性實(shí)驗(yàn)（圖9）表明，上古生界砂巖與中生界砂巖的應(yīng)力敏感性存在顯著差異。與延長組相比較，恢復(fù)到地層壓力下，上古生界砂巖滲透率下降幅度大，其中巖屑砂巖滲透率下降最大。上古生界巖屑石英砂巖有效應(yīng)力與滲透率關(guān)系曲線較為平緩，滲透率變化梯度為0.027 6×10－3μm2/MPa。2塊巖屑砂巖樣品滲透率分別為0.948×10－3μm2、0.053 1×10－3μm2，變化梯度明顯低于巖屑石英砂巖。強(qiáng)的應(yīng)力敏感性造成片狀喉道閉合，是造成單井產(chǎn)量較低的又一重要因素。

4.4 束縛水飽和度的影響

鄂爾多斯盆地東部太原組砂巖的密閉取心資料表明，該段砂巖的原始含水飽和度為20%左右，而室內(nèi)測到的束縛水飽和度為21.81%～79.71%，平均為31.5%，束縛水飽和度明顯高于地層條件下的含水飽和度。太原組氣藏為超低含水飽和度氣藏，氣藏壓力系數(shù)為0.6～0.8，在鉆井、壓裂等施工過程中容易吸水。盒8的束縛水飽和度明顯高于太原組的束縛水飽和度，在束縛水飽和度條件下，盒8滲透率低于干巖樣滲透率的80%以上，太原組滲透率低于干巖樣滲透率的60%以上（表4）。

與巖屑石英砂巖相比，巖屑砂巖束縛水飽和度明顯偏高，滲透率降低幅度也較大。石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖在含水飽和度＜20%時(shí)，氣相滲透率隨著含水飽和度的增加急劇降低。但石英砂巖氣相滲透率降低的幅度較小，后兩種砂巖下降幅度較大。在含水飽和度接近90%時(shí)，氣相滲透率為0×10－3μm2（圖10），在兩相流體條件下，氣相相對滲透率明顯較低（圖11）。可動流體飽和度低，束縛水飽和度高，從而導(dǎo)致水鎖傷害率高，外來水侵入儲層后氣相滲透率降低幅度大，是造成單井產(chǎn)量低的另一個(gè)重要原因。

表4 盆地東部盒8及太原組砂巖不同巖性干樣和束縛水飽和度下氣測滲透率對比Table 4 Comparison of gas log and permeability about dry sample and saturated by irreducible water sample of H8Formation and Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

圖10 不同含水飽和度條件下氣相滲透率變化特征Fig.10 Curves of gas phase permeability at different water saturation conditions

圖11 鄂爾多斯盆地東部太原組砂巖兩相滲透率Fig.11 Curves of two phase permeability of Taiyuan Formation sandstone in the east of Ordos Basin

5 結(jié)論

a.研究區(qū)盒8、太原組砂巖以巖屑砂巖和巖屑石英砂巖為主，片巖、千枚巖、泥板巖等軟組分含量較高，成分成熟度低。二者在巖碎屑組分、填隙物、黏土礦物以及微觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖性組合等方面既有相似之處，又有較大的差別。

b.碎屑巖X射線衍射黏土分析、鏡煤反射率、包裹體測溫等研究結(jié)果顯示，研究區(qū)已經(jīng)處于晚成巖B階段。盒8、太原組儲層成巖作用以壓實(shí)作用為主。盒8段雖然原生粒間孔發(fā)育，但均被自生硅質(zhì)、高嶺石和鐵方解石完全充填，而早成巖階段大氣淡水淋濾作用形成的高嶺石晶間（微）孔成為盒8的主要儲集空間之一；太原組儲層則以早成巖晚期－晚成巖早期有機(jī)酸對不穩(wěn)定組分的溶蝕作用為主，形成的次生溶孔成為太原組的主要儲集空間。

c.盒8下比盒8上的物性稍好。太原組馬蘭砂巖段的物性最好，其次是橋頭砂巖段。盒8段和太原組儲層整體上表現(xiàn)為低孔、低滲和微孔率高的特征，其中盒8儲層以溶孔－高嶺石晶間孔－微喉為主要孔喉組合，太原組則以溶孔－微細(xì)喉為主要孔喉組合。

d.盒8儲層沉積時(shí)，水流的淘洗作用強(qiáng)烈，雜基含量少，原始粒間孔發(fā)育，但在成巖期硅質(zhì)、高嶺石、鈣質(zhì)等完全充填了粒間孔；太原組中噴發(fā)巖巖屑、長石、火山灰的溶解為儲層提供了較為豐富的儲集空間，但晚成巖高溫階段形成的絲狀、網(wǎng)狀伊利石礦物充填孔隙，堵塞喉道，影響儲層滲流能力，是造成儲集性能較差的主要原因之一。盒8、太原組砂巖片狀喉道為主，有效上覆壓力大，軟組分含量高，應(yīng)力敏感性強(qiáng)，造成片狀喉道閉合，是研究區(qū)低產(chǎn)的另一重要因素；低壓氣藏的超低的原始含水飽和度致使儲層容易吸水，造成在鉆井、壓裂、酸化過程中的水鎖效應(yīng)，也是研究區(qū)低產(chǎn)的又一主要原因。

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