彭先鋒, 胡笑非, 張燁毓,2, 郭俊陽, 蔣思宇, 貢一鳴, 唐 杰

( 1. 成都理工大學(xué) 能源學(xué)院，四川 成都 610059; 2. 四川省煤田地質(zhì)局 頁巖氣評(píng)價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610051; 3. 中國石油塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院,新疆 庫爾勒 841000 )

0 引言

油氣勘探實(shí)踐表明，致密砂巖氣藏是天然氣勘探的重要方向之一[1-4]。致密砂巖氣藏在中國鄂爾多斯、松遼、四川、楚雄和東海等盆地廣泛分布[5-8]。隨著鄂爾多斯盆地及四川盆地致密砂巖氣藏的成功開發(fā)[9-10]，中國內(nèi)陸盆地致密砂巖氣藏取得巨大進(jìn)步[11-14]。目前，人們普遍認(rèn)為在連續(xù)沉積或不明顯間斷沉積地層中，壓實(shí)作用是沉積物原生孔隙降低的主要因素[14]。成巖作用在儲(chǔ)層物性演化具有雙重作用，壓實(shí)和膠結(jié)作用破壞儲(chǔ)層物性，溶蝕作用提高儲(chǔ)層物性。構(gòu)造擠壓是影響儲(chǔ)層孔隙度的重要因素。鄒才能等[12-13]提出綠泥石包殼、超壓泄壓、熱循環(huán)對(duì)流、表生期大氣淡水淋濾作用，以及裂縫等在致密砂巖氣藏形成中的作用?？碧介_發(fā)成果顯示，在深埋藏的致密砂巖中也可發(fā)育“甜點(diǎn)”[15]。認(rèn)識(shí)成巖作用孔隙演化過程及儲(chǔ)層致密化成因機(jī)制是預(yù)測(cè)致密砂巖氣藏的基礎(chǔ)。致密砂巖氣藏的研究從成巖作用、儲(chǔ)層物性、成藏機(jī)理等逐步演變?yōu)榕c周圍沉積古環(huán)境相結(jié)合、微觀與宏觀相統(tǒng)一，是致密砂巖氣藏的未來研究方向[15-16]。

目前，對(duì)蘇59井區(qū)的研究主要集中在成藏條件和勘探潛力等方面，針對(duì)山1段儲(chǔ)層致密化成因及控制因素的研究較少。筆者利用巖心觀察、鑄體薄片鑒定、流體包裹體測(cè)溫及X線衍射等實(shí)驗(yàn)，研究蘇59井區(qū)山1段儲(chǔ)層致密化成因和控制因素；根據(jù)巖石成分組成、成巖礦物分布特征、黏土礦物組合及演化特征等，分析巖相和成巖作用對(duì)儲(chǔ)層致密化的控制作用，闡述研究區(qū)儲(chǔ)層砂巖致密化成因及控制因素，為山1段儲(chǔ)層預(yù)測(cè)提供地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于中國東部穩(wěn)定區(qū)和西部活動(dòng)區(qū)的結(jié)合帶，盆地被多條斷裂限制，內(nèi)部地層整體平緩，傾角小于1°，為結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)造平緩、沉降穩(wěn)定、斷裂較少、活動(dòng)微弱的構(gòu)造格局。盆地可劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元，即北部伊盟隆起、西緣沖斷帶、西部天環(huán)坳陷、中部伊陜斜坡、南部渭北隆起和東部晉西撓褶帶(見圖1)。蘇59區(qū)塊位于蘇里格氣田西部，氣田主力產(chǎn)層為石盒子組和山西組，山西組根據(jù)沉積序列及巖性組合自下而上分為山1、山2兩段。其中山1段以分流河道沉積的砂泥巖為主，砂巖由中—細(xì)粒巖

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造劃分及蘇里格氣田蘇59井區(qū)位置Fig.1 Structural division andlocation map of Su59 well area, Sulige gas field, Ordos basin

屑砂巖、巖屑石英砂巖組成，厚度為30 m左右。山西組砂巖孔隙度為7.37%，滲透率為0.17×10-3μm2，其中山1段為研究的重點(diǎn)層位，屬于典型的致密砂巖儲(chǔ)層[16]。

2 儲(chǔ)層特征

2.1 巖石學(xué)

利用在特定沉積環(huán)境中形成的特殊巖石組合，可推斷沉積時(shí)期的古氣候條件、古水流狀況及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等。特殊巖石組合即巖相，利用巖相可對(duì)古沉積環(huán)境進(jìn)行模擬和恢復(fù)[16-17]。通過巖心描述將蘇59井區(qū)山1段砂巖儲(chǔ)層劃分為5種巖相(見圖2)。巖石類型主要為粗—中砂巖和中砂巖，細(xì)砂巖及泥質(zhì)粉砂巖較少，含礫粗砂巖僅在研究區(qū)局部分布。砂巖成分主要為石英、巖屑及少量長(zhǎng)石，雜基質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%。根據(jù)Folk R L提出的劃分方案[18]，對(duì)60組井下樣品進(jìn)行分類，巖屑石英砂巖、巖屑砂巖是山1段砂巖的主要巖石類型(見圖3)。

2.2 物性

蘇59井區(qū)山1段的孔隙度為0.45%～14.50%，孔隙度為正態(tài)分布，孔隙度集中在8.0%～10.0%之間，孔隙度峰值頻率為28.0%，平均孔隙度為7.6%。滲透率為(0.5×10-6～6.5×10-3) μm2，滲透率同樣具有正態(tài)分布的特點(diǎn)，主要集中在(0.1～1.0)×10-3μm2之間，分布頻率為52.5%，平均滲透率為0.5×10-3μm2(見圖4-5)。山1段儲(chǔ)層為典型的致密儲(chǔ)層。

圖2 蘇59井區(qū)山1段砂巖巖相Fig.2 Sandstone lithofacies map of Shan1 formation, Su59 well area

圖3 蘇59井區(qū)山1段砂巖三角分類圖Fig.3 Sandstone triangle map of Shan1 formation, Su59 well area

山1段儲(chǔ)層孔隙類型分為原生粒間孔隙(殘余粒間孔)、次生孔隙和構(gòu)造裂縫3種類型。原生粒間孔隙在強(qiáng)壓實(shí)作用下基本消失為殘余粒間孔。儲(chǔ)層現(xiàn)今保留粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔和鑄模孔等次生孔隙，以及局部發(fā)育的構(gòu)造裂縫。碎屑顆粒外部被黏土礦物包裹，或受硅質(zhì)膠結(jié)作用而形成石英次生加大邊，占據(jù)原生孔隙而形成殘余粒間孔。殘余粒間孔比原生粒間孔隙具有體積小、形態(tài)多樣、結(jié)構(gòu)不規(guī)則的特點(diǎn)(見圖6(a-b))。山1段儲(chǔ)層內(nèi)次生孔隙比原生粒間孔隙更發(fā)育，可見多種類型的次生孔隙，如粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄?？准疤钕段飪?nèi)溶孔。

碎屑顆粒表面的綠泥石薄膜、自生綠泥石襯邊等被溶蝕而形成粒間溶孔，且常常被顆粒間細(xì)小的溶蝕裂縫連通(見圖6(c))。鑄?？自趲r屑砂巖中較多，當(dāng)長(zhǎng)石、火山巖巖屑等不穩(wěn)定碎屑被完全溶蝕且保留原來的孔隙形態(tài)時(shí)形成鑄?？?，內(nèi)部充填高嶺石和伊利石等自生礦物(見圖6(d))。填隙物內(nèi)溶孔內(nèi)部可見少量的自生石英、網(wǎng)狀伊利石和少量的高嶺石(見圖6(e))。宏觀構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)砂巖中的巖石顆粒造成微觀上的破壞而形成微裂縫，構(gòu)造裂縫為滲流提供通道，提高儲(chǔ)層的滲透率(見圖6(f))。

圖4 蘇59井區(qū)山1段孔隙度分布Fig.4 Histogram of porosity distribution of Shan1 formation, Su59 well area

圖5 蘇59井區(qū)山1段滲透率分布Fig.5 Permeability distribution histogram of Shan1 formation, Su59 well area

山1段儲(chǔ)層巖石填隙物主要為微量的火山灰和大量的黏土礦物、硅質(zhì)膠結(jié)物、碳酸鹽膠結(jié)物等。填隙物以膠結(jié)物的形式存在，膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)為主(見圖7)。填隙物中的高嶺石、伊利石和硅質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別為14%、24%和37%；碳酸鹽膠結(jié)物中的鐵方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，綠泥石膜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%；火山灰中的凝灰質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%；其他成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%(見圖7-8)。

3 儲(chǔ)層致密化成因與進(jìn)程

3.1 成因

(1)壓實(shí)作用。蘇59井區(qū)山1段為深部?jī)?chǔ)集砂巖(平均埋藏深度為3 500 m)，石英巖巖屑和云母等剛性顆粒，在強(qiáng)烈壓實(shí)作用下發(fā)生破裂、位移和重新定向排列(見圖9(a))；千枚巖、泥質(zhì)巖和云母碎屑等塑性顆粒，在強(qiáng)烈壓實(shí)作用下發(fā)生變形和假雜基化(見圖9(b))。壓實(shí)作用是山1段砂巖致密化和形成致密儲(chǔ)層的重要成巖作用。

(2)膠結(jié)作用。山1段儲(chǔ)層多期次的膠結(jié)作用是儲(chǔ)層物性致密化的關(guān)鍵。薄片可見粒內(nèi)溶孔內(nèi)的伊利石單體呈絲縷狀—絲片狀(見圖9(c))，以及膠結(jié)后的自生高嶺石、石英次生加大邊、自生石英晶體等(見圖9(d))，儲(chǔ)層內(nèi)的粒內(nèi)溶孔受到破壞而使儲(chǔ)層致密化。鐵方解石主要分布在巖屑石英砂巖中，可見鐵方解石充填長(zhǎng)石或巖屑的粒內(nèi)溶孔，或呈嵌晶狀并膠結(jié)多個(gè)斑塊狀碳酸鹽膠結(jié)物，鐵方解石的充填作用同樣使孔隙受到破壞(見圖9(e))。不均勻分布的石英次生加大邊等在石英碎屑砂巖中廣泛分布，且具有含量高、分布形態(tài)多、多期次的特點(diǎn)，可改變山1段儲(chǔ)層的物性條件而使儲(chǔ)層致密化(見圖9(f))。

圖6 蘇59井區(qū)山1段砂巖孔隙類型Fig.6 Sandstone pore type of Shan1 formation, Su59 well area

圖7 蘇59井區(qū)山1段砂巖填隙物特征Fig.7 Sandstone interstitial features of Shan1 formation, Su59 well area

(3) 溶蝕作用。山1段砂巖儲(chǔ)層發(fā)育溶蝕或由溶蝕作用形成的多種類型的次生溶孔。一方面，長(zhǎng)石、火山巖屑等礦物格架顆粒被溶蝕而形成次生溶孔，薄片可見具有柱狀形態(tài)的次生溶孔，為礦物格架顆粒長(zhǎng)石溶蝕形成的次生溶孔(見圖6(c))；另一方面，顆粒間黏土雜基等被溶蝕而形成次生溶孔。薄片可見溶蝕殘余的火山巖結(jié)構(gòu)。同生期火山碎屑粒度較小且具有棱角狀形態(tài)，在溶蝕強(qiáng)烈時(shí)形成鑄?？?見圖6(d))。

圖8 蘇59井區(qū)山1段砂巖填隙物直方圖

Fig.8 Sandstone interstitial histogram of Shan1 formation, Su59 well area

(4) 構(gòu)造破裂作用。雖然鄂爾多斯盆地的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為整體上升或下降，地層水平運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)烈，但是鄂爾多斯盆地經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，砂體中產(chǎn)生較多期次的構(gòu)造裂縫[19]，構(gòu)造裂縫連通儲(chǔ)層內(nèi)的不連通孔隙，改善儲(chǔ)層的物性。對(duì)于致密的低滲儲(chǔ)層，構(gòu)造裂縫不僅連通黏土間的微孔，增加低滲透砂體的滲透性，而且顯著提高滲透率，改善儲(chǔ)層的物性(見圖6(f))。因此，構(gòu)造裂縫不僅增加砂巖的滲透率，同時(shí)也有利于孔隙水流通，促進(jìn)溶蝕作用[20-21]。

圖9 蘇59井區(qū)山1段砂巖鏡下薄片F(xiàn)ig.9 The SEM of sandstone of Shan1 formation, Su59 well area

圖10 蘇59井區(qū)山1段砂巖包裹體均一溫度

Fig.10 Uniform temperature of inclusions of Sandstone of Shan1 formation, Su59 well area

3.2 進(jìn)程

研究區(qū)剛性顆粒發(fā)生破裂、位移甚至重新定向排列現(xiàn)象，證明山1段儲(chǔ)層經(jīng)歷強(qiáng)烈的埋深壓實(shí)作用；薄片普遍含有的鐵方解石表明儲(chǔ)層已達(dá)到中成巖期；流體包裹體中93%的樣品均一溫度為100～160 ℃(見圖10)，古地溫梯度高于140 ℃/100m，I/S(伊利石/蒙皂石混層質(zhì)量分?jǐn)?shù)比)混層中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15%(見表1)，證明儲(chǔ)層成巖作用處于中成巖期。山1段儲(chǔ)層致密化進(jìn)程為：早期形成的巖屑溶蝕孔洞被后期的硅質(zhì)膠結(jié)物、黏土膠結(jié)物、鐵方解石等充填；環(huán)邊狀綠泥石最早形成，其他黏土礦物充填于孔隙中間，鐵方解石形成時(shí)間較晚，為中成巖階段；石英次生加大邊流體包裹體均一溫度最高為180 ℃，最低為70 ℃，因此在整個(gè)中成巖階段有發(fā)育，石英次生加大邊是儲(chǔ)層致密化的主要控制因素。

表1 蘇59井區(qū)山1段黏土礦物組成

4 儲(chǔ)層致密化控制因素

4.1 巖相

圖11 蘇59井區(qū)山1段砂巖不同巖相孔滲相關(guān)關(guān)系Fig.11 Correlation diagram of porosity and permeability of different facies of Shan1 formation, Su59 well area

山1段儲(chǔ)層可劃分為5種巖相，即塊狀層理含礫粗砂巖相、交錯(cuò)層理中—粗砂巖相、粒序?qū)永碇小稚皫r相、暗色泥巖相和水平紋層粉—細(xì)砂巖相。在水動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)的河道中部，巖石普遍含有石英等剛性顆粒發(fā)育巖屑石英砂巖，為塊狀層理含礫粗砂巖相和交錯(cuò)層理中—粗砂巖相；河道邊緣水動(dòng)力相對(duì)較弱，為巖屑砂巖，發(fā)育粒序?qū)永碇小稚皫r相；分流間灣處形成水平紋層粉—細(xì)砂巖相和暗色泥巖相，不強(qiáng)的水動(dòng)力環(huán)境形成泥巖和泥質(zhì)粉砂巖。不同巖相有不同的沉積物顆粒特征，影響儲(chǔ)層的巖石學(xué)特征、孔隙特征及其物性(見圖11)。山1段儲(chǔ)層河道邊緣和分流間灣處等水動(dòng)力相對(duì)較弱的地區(qū)砂巖具有較高的巖屑含量。壓實(shí)作用下，低含量的塑性成分充填于原生粒間孔隙而發(fā)生假雜基化，有利于優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育。儲(chǔ)層只在塊狀層理含礫粗砂巖相、交錯(cuò)層理中—粗砂巖相、粒序?qū)永碇小稚皫r相中發(fā)育。因此，巖相影響砂巖巖石學(xué)特征，控制儲(chǔ)層的物性，合適的巖相是山1段致密砂巖儲(chǔ)層發(fā)育的前提條件。

4.2 壓實(shí)與膠結(jié)作用

山1段儲(chǔ)層原始孔隙度為35.6%，致密化進(jìn)程后剩余孔隙度為6.1%，原始孔隙度損失率為83.0%；其中，壓實(shí)作用損失孔隙度為23.0%，損失率為64.5%，膠結(jié)作用使孔隙度減少6.5%，損失率為18.1%，壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層致密化影響最大，其次為膠結(jié)作用；后期的溶蝕和裂隙作用使儲(chǔ)層孔隙度提高2.9%，少量改善儲(chǔ)層的物性，進(jìn)而改善儲(chǔ)層的滲透能力(見表2)。

壓實(shí)和膠結(jié)作用是控制山1段儲(chǔ)層致密化進(jìn)程的主要因素。研究區(qū)儲(chǔ)層經(jīng)歷淺埋藏壓實(shí)和深埋藏壓實(shí)2個(gè)階段。在淺埋藏壓實(shí)階段，機(jī)械壓實(shí)為主要的壓實(shí)作用，塑性顆粒大幅形變、顆粒被彎曲或被撕裂等，石英等巖石顆粒產(chǎn)生脆性破壞；儲(chǔ)層在深埋藏階段的壓實(shí)作用主要為化學(xué)壓實(shí)，碎屑顆粒和早期形成的膠結(jié)物壓實(shí)壓溶，碎屑顆粒發(fā)生定向排列，薄片可見巖石云母顆粒的定向排列現(xiàn)象(見圖9(a))。山1段儲(chǔ)層的膠結(jié)作用非常發(fā)育，硅質(zhì)和黏土礦物膠結(jié)物充填孔隙空間，使壓實(shí)作用形成的原生孔隙降低、儲(chǔ)層物性變差和儲(chǔ)層致密化。儲(chǔ)層中石英次生加大邊的顆粒表面被自形晶面包裹覆蓋，同時(shí)自生晶體向儲(chǔ)層孔隙空間內(nèi)發(fā)育而堵塞孔隙，導(dǎo)致儲(chǔ)層致密化。同時(shí)，山1段儲(chǔ)層黏土膜在充填有效孔隙、致密化儲(chǔ)層的同時(shí)也保護(hù)殘余粒間孔，但這種保護(hù)作用較小，膠結(jié)作用是山1段儲(chǔ)層致密化的關(guān)鍵因素。

表2 蘇59井區(qū)山1段儲(chǔ)層砂巖孔隙度

5 結(jié)論

(1)蘇格里氣田59井區(qū)山1段為典型的致密砂巖儲(chǔ)層，可劃分為5種巖相，即塊狀層理含礫粗砂巖相、交錯(cuò)層理中—粗砂巖相、粒序?qū)永碇小稚皫r相、暗色泥巖相和水平紋層粉—細(xì)砂巖相。儲(chǔ)層巖石組分以石英、巖屑為主，巖石類型主要為巖屑石英砂巖和巖屑砂巖，膠結(jié)類型為孔隙式膠結(jié)?，F(xiàn)今孔隙類型主要有殘余粒間孔、次生孔隙和構(gòu)造裂縫等，次生溶孔是山1段儲(chǔ)層的主要儲(chǔ)集空間。

(2)山1段儲(chǔ)層原始孔隙度損失率為83.0%，其中壓實(shí)作用損失率為64.5%，膠結(jié)作用損失率為18.1%；壓實(shí)作用是儲(chǔ)層致密化的重要控制因素，其次是石英次生加大邊等膠結(jié)作用。

(3)山1段儲(chǔ)層黏土膜在充填有效孔隙、致密化儲(chǔ)層的同時(shí)也保護(hù)殘余粒間孔，但這種保護(hù)作用較小，壓實(shí)和膠結(jié)作用是山1段儲(chǔ)層致密化的關(guān)鍵因素，后期的溶蝕和裂隙作用僅提高儲(chǔ)層滲透率。

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