李進(jìn)步，劉子豪，徐振華，李 婭，王 艷

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 西安 710018;2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102200)

0 引言

致密砂巖氣藏作為非常規(guī)天然氣藏中的主要類(lèi)型之一，已在鄂爾多斯、四川、塔里木、渤海灣等盆地發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量巨大、分布廣泛的天然氣資源［1－3］。該類(lèi)儲(chǔ)層多受到較強(qiáng)成巖作用的影響，儲(chǔ)層物性差且非均質(zhì)性極強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，“甜點(diǎn)”分布預(yù)測(cè)難度大［4－6］。鄂爾多斯盆地蘇里格氣田是目前中國(guó)發(fā)現(xiàn)的最大氣田，為典型的致密砂巖氣藏氣田［7］。蘇里格氣田不同區(qū)塊的開(kāi)發(fā)效果差異較大，同一區(qū)塊內(nèi)部的鄰井產(chǎn)量的差異也較大，極大影響了開(kāi)發(fā)井網(wǎng)的部署及開(kāi)發(fā)的深入［8－10］。研究發(fā)現(xiàn)，蘇里格氣田西區(qū)南部下石盒子組的巖石相影響儲(chǔ)層質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)能差異，但巖石相控制的致密砂巖儲(chǔ)層質(zhì)量差異機(jī)理尚不明確。以蘇里格氣田中南部的3個(gè)開(kāi)發(fā)區(qū)塊為例，基于巖心、測(cè)井資料，通過(guò)薄片觀察、實(shí)驗(yàn)分析等方法，闡明不同巖石相的儲(chǔ)層質(zhì)量差異特征，探討儲(chǔ)層質(zhì)量差異機(jī)理，為該區(qū)有利儲(chǔ)層的預(yù)測(cè)及致密砂巖氣藏勘探開(kāi)發(fā)的深入提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇里格氣田位于長(zhǎng)慶靖邊氣田西北側(cè)的蘇里格廟地區(qū)，研究區(qū)位于蘇里格氣田中南部，構(gòu)造上處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡之上，構(gòu)造穩(wěn)定，地形平緩［6］，海拔約為1 200～1 500 m，總面積約為1 360 km2(圖1a)。研究區(qū)上古生界地層自下而上發(fā)育有上石炭統(tǒng)本溪組、下二疊統(tǒng)太原組、下二疊統(tǒng)山西組、中二疊統(tǒng)下石盒子組、中二疊統(tǒng)上石盒子組、上二疊統(tǒng)石千峰組，總沉積厚度為700 m左右，主要含氣層段位于山西組和下石盒子組［11］。其中，盒8段為產(chǎn)能最好的含氣層段，沉積期發(fā)育三角洲平原沉積相，沉積微相類(lèi)型主要為分流河道、溢岸及分流間灣［12－13］(圖 1b)。研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層巖性以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，粒度多為中粗粒到細(xì)粒級(jí)別，巖石組分以石英和巖屑為主，長(zhǎng)石含量極低，石英顆粒含量大于50.00%，巖屑以火山巖巖屑和變質(zhì)巖巖屑為主，砂巖結(jié)構(gòu)成熟度較低，分選中等—好。研究區(qū)總體儲(chǔ)層物性較差，平均孔隙度約為8.70%，平均滲透率約為0.64 mD，為典型的低滲致密儲(chǔ)層。從生產(chǎn)情況上看，研究區(qū)“甜點(diǎn)”區(qū)的單井射孔后日產(chǎn)氣量一般大于1×104m3/d，但“甜點(diǎn)”分布復(fù)雜，各井產(chǎn)能差異較大。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置及沉積相分布Fig.1 The tectonic location and sedimentary facies distribution in study area

2 巖石學(xué)特征

2.1 巖石組分特征

根據(jù)巖心資料，研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層的巖性主要為石英砂巖、巖屑石英砂巖及巖屑砂巖;碎屑顆粒以石英為主(平均含量約為73.00%)，巖屑次之(平均含量約為15.00%)，長(zhǎng)石含量極少，僅在巖屑石英砂巖或巖屑砂巖中零星分布。

研究區(qū)盒8段儲(chǔ)層顆粒間的填隙物含量約為12.00%，以膠結(jié)物為主，雜基含量較少，膠結(jié)物類(lèi)型主要包括石英膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)等(圖2a—c)。其中，石英膠結(jié)是研究區(qū)盒8段最主要的膠結(jié)類(lèi)型，石英膠結(jié)物平均含量約為5.35%，最高可達(dá)22.00%，石英膠結(jié)主要以2種形式存在，一種為石英加大邊，另一種為孔隙中形成的自生石英顆粒(圖2a、b);此外，黏土礦物膠結(jié)也是重要的膠結(jié)類(lèi)型之一，其平均含量可達(dá)到6.20%，主要包括高嶺石、伊利石、綠泥石等(圖2b、c);鈣質(zhì)膠結(jié)在研究區(qū)發(fā)育相對(duì)較弱，平均含量?jī)H為1.89%，主要包括方解石和鐵方解石膠結(jié)等，以孔隙充填式膠結(jié)為主。

圖2 研究區(qū)盒8段典型的巖心礦物薄片及掃描電鏡Fig.2 The typical core mineral slice and scanning electron microscope of Member 8 of the Lower Shihezi Formation in study area

2.2 巖石組構(gòu)特征

根據(jù)巖心資料，研究區(qū)盒8段砂巖粒徑多為0.25～1.00 mm，以含礫粗砂巖、粗砂巖、中砂巖為主，碎屑顆粒多為次棱角—次圓狀，分選中—好，顆粒間主要為線接觸或凹凸接觸，少數(shù)呈點(diǎn)接觸或點(diǎn)－線接觸(圖 2a、d、e)。

根據(jù)巖心粒度特征，研究區(qū)內(nèi)砂巖可劃分為5種類(lèi)型巖石相(為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，涉及具體巖石相名稱(chēng)時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為巖相)，包括細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相(粒徑大于1.00 mm)、粗砂巖相(粒徑為 0.50～1.00 mm)、中砂巖相(粒徑為0.25～0.50 mm)、細(xì)砂巖相(粒徑為0.10～0.25 mm)、粉砂－泥巖相(粒徑小于0.10 mm)，其中，前4種為儲(chǔ)層巖石相，最后一種為非儲(chǔ)層巖石相。研究區(qū)儲(chǔ)層巖石相以中砂巖相及細(xì)砂巖相為主，分別約占12%和13%，而細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相及粗砂巖相僅約占7%與6%。由于非儲(chǔ)層巖石相含氣飽和度極低，難以形成有效儲(chǔ)層，因而不做具體研究。

3 不同巖石相儲(chǔ)層質(zhì)量差異特征

通過(guò)117塊巖心分析化驗(yàn)(物性分析、巖心薄片及壓汞實(shí)驗(yàn))資料，發(fā)現(xiàn)不同巖石相的儲(chǔ)層質(zhì)量具有明顯的差異，包括儲(chǔ)層宏觀物性差異及微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異。

3.1 不同巖石相的儲(chǔ)層宏觀物性差異

蘇里格氣田下石盒子組盒8段不同儲(chǔ)層巖石相的平均孔隙度為4.00%～10.00%，差異較小，其中，細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相及粗砂巖相孔隙度相近，均約為10.00%，孔隙度最高，而細(xì)砂巖相孔隙度最低，約為4.00%(表1)。但是，不同儲(chǔ)層巖石相的平均滲透率差異明顯，其中，細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的平均滲透率最高，為2.37 mD，粗砂巖相次之，僅為0.46 mD，而最差的細(xì)砂巖相的滲透率小于0.10 mD(表1)。

表1 不同巖石相孔隙度和滲透率特征Table 1 The porosity and permeability characteristics of different lithofacies

3.2 不同巖石相的微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異特征

研究區(qū)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，根據(jù)鑄體薄片及掃描電鏡資料，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)孔隙類(lèi)型主要包括粒間孔隙(包括殘余粒間孔、粒間溶孔)、粒內(nèi)溶孔和微孔隙(微孔、晶間孔)等，喉道類(lèi)型主要包括片狀、管束狀和縮頸型喉道。其中，粒間孔及片狀喉道為研究區(qū)盒8段主要的孔隙及喉道類(lèi)型。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)砂巖樣品的孔喉配置關(guān)系進(jìn)行分析，并依據(jù)各類(lèi)孔隙占總孔隙體積的比例，確定樣品中發(fā)育的主要和次要孔隙類(lèi)型(分別占總體積的50%和30%)，同時(shí)將片狀喉道進(jìn)一步細(xì)分為寬片狀喉道(喉道半徑大于5 μm)和窄片狀喉道(喉道半徑小于5 μm)。在此基礎(chǔ)上，共將研究區(qū)砂巖劃分為6種孔喉配置關(guān)系，分別為粒間孔－縮頸型喉道、粒間孔－寬片狀喉道、粒間孔－粒內(nèi)孔－寬片狀喉道、粒間孔－微孔隙－寬片狀喉道、粒內(nèi)孔－微孔隙－窄片狀喉道、微孔隙群－管束狀喉道。其中，粒間孔－縮頸型喉道對(duì)應(yīng)的孔喉半徑最大，孔滲性最好，而微孔隙群－管束狀喉道的孔喉半徑最小，孔滲性最差。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，不同巖石相對(duì)應(yīng)的孔喉配置關(guān)系差異明顯，其中，細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相主要發(fā)育粒間孔－縮頸型喉道(圖2e)，粗砂巖相主要發(fā)育粒間孔－寬片狀喉道(圖2f)、粒間孔－粒內(nèi)孔－寬片狀喉道(圖2d)，中砂巖相主要發(fā)育粒間孔－微孔隙－寬片狀喉道(圖2g)、粒內(nèi)孔－微孔隙－窄片狀喉道(圖2h)，而細(xì)砂巖相主要發(fā)育微孔隙群－管束狀喉道(圖2i)。不同的巖石相類(lèi)型具有不同的孔喉類(lèi)型和配置關(guān)系，這也是導(dǎo)致其物性差異的根本原因。

4 儲(chǔ)層質(zhì)量差異機(jī)理

4.1 不同巖石相的差異成巖作用

研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖演化過(guò)程，主要的成巖作用包括壓實(shí)、膠結(jié)及溶解作用，由于儲(chǔ)層巖石相類(lèi)型的差異，不同巖石相經(jīng)歷的成巖作用類(lèi)型和程度均有不同。

4.1.1 不同巖石相的差異壓實(shí)作用

壓實(shí)作用是研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層致密的最主要因素，研究區(qū)壓實(shí)率普遍大于70%，最高可達(dá)到95%以上，強(qiáng)烈的壓實(shí)作用一方面可以導(dǎo)致剛性顆粒(如石英)發(fā)生破裂(圖2f)，另一方面也可以導(dǎo)致塑性礦物(如云母、火山巖巖屑等)發(fā)生塑性形變，甚至充填到孔隙中形成假雜基，從而導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙大量減少(圖2i)。

對(duì)于不同類(lèi)型的巖石相，其壓實(shí)作用強(qiáng)度也有一定差異。細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相和粗砂巖相的壓實(shí)程度較弱，壓實(shí)率多小于70%，這一方面是由于粗顆粒本身表現(xiàn)出了較強(qiáng)抗壓能力，另一方面，當(dāng)砂巖粒度較大時(shí)，塑性礦物的含量會(huì)降低，從而增強(qiáng)了粗巖相砂巖的抗壓實(shí)能力。與之相對(duì)的，中砂巖相和細(xì)砂巖相的塑性礦物含量相對(duì)較高，因此，壓實(shí)率也隨塑性礦物含量的增加而增加，其壓實(shí)率多大于75%。

4.1.2 不同巖石相的差異膠結(jié)作用

研究區(qū)膠結(jié)作用普遍較為發(fā)育，其中，以硅質(zhì)膠結(jié)作用為主，石英晶體會(huì)在石英顆粒邊緣附著然后沿顆粒邊緣向上生長(zhǎng)。在有充足石英來(lái)源的情況下，不同顆粒間的石英膠結(jié)會(huì)一直生長(zhǎng)到占據(jù)所有孔隙空間，從而使儲(chǔ)層物性降低(圖2a)。

研究區(qū)粗巖相砂巖受到的硅質(zhì)膠結(jié)作用最強(qiáng)，平均硅質(zhì)膠結(jié)含量為7.35%，這主要是由于粗巖相砂巖早期抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，保留了較多的原始粒間孔隙，為硅質(zhì)膠結(jié)的發(fā)育提供了充足的生長(zhǎng)空間。中細(xì)砂巖相中硅質(zhì)膠結(jié)平均含量為5.10%，這主要是由于壓實(shí)作用相對(duì)較強(qiáng)，缺乏石英膠結(jié)所需的生長(zhǎng)空間，而且中細(xì)砂巖相中塑性礦物含量較高，抑制了石英膠結(jié)的發(fā)育［14－15］。

4.1.3 不同巖石相的差異溶解作用

溶解作用是研究區(qū)次生孔隙形成的主要原因，研究區(qū)溶解孔隙類(lèi)型主要包括巖屑溶孔和長(zhǎng)石溶孔，溶蝕孔隙的發(fā)育對(duì)于儲(chǔ)層質(zhì)量的提升有極其重要作用。

大氣中的CO2和烴源巖熱解中產(chǎn)生的有機(jī)酸是溶蝕孔隙形成的重要因素［16－17］。由于粗巖相的抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，殘余粒間孔比較發(fā)育，酸性流體更容易進(jìn)入，從而形成大量的溶蝕孔隙，擴(kuò)寬喉道半徑(圖2e)，進(jìn)而改善儲(chǔ)層質(zhì)量;中細(xì)砂巖相由于塑性礦物含量較高，壓實(shí)相對(duì)致密，溶蝕孔隙相對(duì)不發(fā)育。

4.2 不同巖石相的差異成巖序列與孔隙演化

不同類(lèi)型的巖石相在成巖作用過(guò)程中發(fā)生不同變化，從而對(duì)孔隙演化產(chǎn)生不同的影響，最終導(dǎo)致砂巖的儲(chǔ)集性能的差異［17－22］。綜合巖石相類(lèi)型及塑性礦物含量，研究了4種巖石相的成巖和孔隙演化過(guò)程(圖3)。

4.2.1 粗巖相

粗巖相主要為細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相、粗砂巖相，石英含量大于70.00%，巖屑中塑性成分小于10.00%，主要經(jīng)歷了弱壓實(shí)—強(qiáng)膠結(jié)—強(qiáng)溶解的成巖序列，形成低孔低滲儲(chǔ)層(圖3)。

粗巖相的粒度較粗，原始孔隙度較高，約為40.00%。在早期壓實(shí)過(guò)程中，粗顆粒及較低的塑性礦物含量使其抗壓能力較強(qiáng)，壓實(shí)后仍存留大量殘余粒間孔隙，孔隙度約為20.00%;隨后，殘余粒間孔隙為膠結(jié)作用提供了充足的空間，發(fā)生了強(qiáng)膠結(jié)作用，孔隙度約為10.00%;最后，殘余孔隙中的酸性流體促進(jìn)了強(qiáng)溶解作用，孔隙度最終大于10.00%。該類(lèi)巖石相經(jīng)過(guò)成巖作用后，仍能保留較好的孔滲性，為研究區(qū)最好的儲(chǔ)層。

4.2.2 富含剛性顆粒的中砂巖相

該類(lèi)巖石相主要為中砂巖相，石英含量大于70.00%，塑性成分小于10.00%，主要經(jīng)歷了中等壓實(shí)—中等膠結(jié)—中等溶解的成巖序列，形成低孔低滲儲(chǔ)層(圖3)。

該類(lèi)巖相的粒度中等，原始孔隙度約為35.00%。早期，中等粒度的顆粒及較低的塑性礦物含量使其發(fā)生了中等強(qiáng)度的壓實(shí)作用，壓實(shí)后的孔隙度約為15.00%;隨后，部分殘余粒間孔隙中發(fā)生了中等強(qiáng)度的膠結(jié)作用，孔隙度約為5.00%;最后，殘余孔隙中的酸性流體發(fā)生了一定強(qiáng)度的溶解作用，孔隙度最終約為8.00%。

4.2.3 富含塑性顆粒的中砂巖相

該類(lèi)巖相仍為中砂巖相，但石英含量小于70.00%，塑性成分大于10.00%，主要經(jīng)歷了強(qiáng)壓實(shí)—中等膠結(jié)—中等溶解的成巖序列，形成特低孔特低滲儲(chǔ)層(圖3)。

圖3 4種巖相的成巖序列及孔隙演化模式及典型薄片F(xiàn)ig.3 The diagenetic sequence and pore evolution model of the four lithofacies and typical mineral slices

該類(lèi)巖相的粒度中等，原始孔隙度約為35.00%。早期，中等粒度的顆粒及較高的塑性礦物含量使其發(fā)生了強(qiáng)壓實(shí)作用，壓實(shí)后的孔隙度約為10.00%;隨后，部分殘余粒內(nèi)孔隙發(fā)生了中等強(qiáng)度的膠結(jié)及溶解作用，孔隙度最終約為5.00%。

4.2.4 細(xì)砂巖相

該類(lèi)巖相主要為細(xì)砂巖相，石英含量一般小于60.00%，塑性成分含量大于15.00%，主要經(jīng)歷了強(qiáng)壓實(shí)—弱膠結(jié)—弱溶解的成巖序列，形成致密儲(chǔ)層(圖3)。

該類(lèi)巖相的砂巖顆粒較細(xì)，原始孔隙度僅約為30.00%。早期，細(xì)粒度的顆粒及較高的塑性礦物含量使其發(fā)生了強(qiáng)壓實(shí)作用，塑性礦物(云母、火山巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑等)發(fā)生強(qiáng)烈變形，并充填粒間孔隙。砂巖中主要的孔隙類(lèi)型為黏土礦物的晶間孔及微孔隙，壓實(shí)后的孔隙度僅約為5.00%;隨后，低孔隙空間導(dǎo)致了膠結(jié)與溶解作用程度較弱，孔隙度最終小于5.00%。

5 有利儲(chǔ)層分布規(guī)律

通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)粗巖相(細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相與粗砂巖相)的儲(chǔ)層物性最好，滲透率多大于0.40 mD，單井射孔后的日產(chǎn)氣量一般大于2 000 m3/d。其中，細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相滲透率多大于1.00 mD，其單井射孔后的日產(chǎn)氣量一般大于1×104m3/d，為研究區(qū)的有利“甜點(diǎn)”。

利用巖心標(biāo)定測(cè)井，對(duì)研究區(qū)單井進(jìn)行了巖石相測(cè)井解釋(圖4)，并以此為條件數(shù)據(jù)，進(jìn)行了單層的巖石相分布研究(圖5)。由圖5可知，研究區(qū)粗巖相多呈孤立透鏡狀分布于條帶狀分流河道砂體之中，而粗巖相中的細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的分布范圍更小，分布更離散，這一分布特征是導(dǎo)致研究區(qū)單井之間產(chǎn)能差異明顯的主要原因。因此，為了高效地開(kāi)采此類(lèi)致密砂巖儲(chǔ)層，有必要進(jìn)行精細(xì)的巖石相分布研究，確定粗巖相，尤其是細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的分布。

圖4 巖石相單井測(cè)井解釋模板Fig.4 The single－well logging interpretation of lithofacies

圖5 盒8下段1～3層巖石相分布Fig.5 The lithofacies distribution of 1～3 layer in the lower Member of He8

6 結(jié)論

(1)巖石相類(lèi)型控制砂巖儲(chǔ)層成巖差異，砂巖粒度越大，塑性礦物含量越少，則壓實(shí)強(qiáng)度越低，溶解程度增大，即使膠結(jié)程度偏高，也能形成良好的儲(chǔ)層。

(2)根據(jù)巖石相及塑性巖屑含量，研究區(qū)儲(chǔ)層成巖演化序列可以分為4類(lèi)，包括粗巖相(細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相與粗砂巖相的統(tǒng)稱(chēng))、富含剛性顆粒的中砂巖相、富含塑性顆粒的中砂巖相及細(xì)砂巖相。其中，粗巖相經(jīng)歷了弱壓實(shí)作用—強(qiáng)膠結(jié)—強(qiáng)溶解的成巖序列，最終孔隙度多大于10.00%，物性最好。

(3)研究區(qū)粗巖相多呈孤立透鏡狀分布于條帶狀分流河道砂體之中，而單一細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的分布范圍更小，分布更離散，這一分布特征是導(dǎo)致井間產(chǎn)能差異明顯的主要原因。確定粗巖相，尤其是細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的分布是研究區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層高效開(kāi)發(fā)的前提。

(4)不同的巖石相儲(chǔ)層質(zhì)量具有明顯的差異，研究區(qū)細(xì)礫巖－含礫粗砂巖相的儲(chǔ)層質(zhì)量最好，滲透率大于1.00 mD，主要發(fā)育粒間孔－縮頸型喉道，其單井射孔后的日產(chǎn)氣量一般大于1×104m3/d;粗砂巖相的儲(chǔ)層質(zhì)量次之，而細(xì)砂巖相最差。