王永驍，付斯一，張成弓，范 萍

（1.油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都 610059；2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，西安 710018）

0 引言

鄂爾多斯盆地上古生界二疊系呈現(xiàn)大型巖性地層天然氣成藏特點，資源豐富，勘探潛力巨大［1］。近年來，圍繞該盆地山西組致密砂巖氣的勘探獲得了一系列突破，相繼發(fā)現(xiàn)了蘇里格、榆林、烏審旗、子洲、隴東等一批大氣田［2-3］，其中山2 段的貢獻度較大。多位學者對該層段的沉積儲層開展了研究，葉黎明等［4-5］認為山西期為寬緩廣闊的南傾古緩坡構造背景下的近海淺湖沉積環(huán)境，主體發(fā)育河流、潮汐三角洲或湖泊三角洲的沉積砂體。李君文等［6-8］認為盆地內基準面旋回、潮汐和波浪作用控制了砂體的展布和儲層非均質性；劉銳娥等［9-10］提出山2 段發(fā)育以粒間孔、溶蝕孔為主要孔隙類型的石英砂巖儲層，原生孔隙大量保存，進而形成了現(xiàn)今的天然氣儲集體；季漢成等［11-12］總結了儲集層經(jīng)歷的復雜成巖作用，并分析了山2 段膠結作用、壓實作用、壓溶作用、溶蝕等因素對儲層的影響；趙卿［13］從砂體結構特征和微觀孔隙結構特征入手，對細砂巖、粉砂巖儲層進行深入研究，闡述了晶間孔的重要性?？偨Y前人研究發(fā)現(xiàn)，鄂爾多斯盆地東部地區(qū)山2 段砂巖儲層埋深普遍小于2 500 m，而物性較差（孔隙度小于10%，滲透率小于1.5 mD［14］），屬于低孔低滲儲層，但并未闡明山2 段儲層低孔低滲成因及其控制因素。

本次研究利用鄂爾多斯盆地東部巖心、薄片及測試資料來分析山2 段的致密砂巖儲層巖石類型及儲集空間特征，在此基礎上，探討構造背景、儲層沉積環(huán)境及成巖相類型對儲層物性的控制作用，詳細討論山2 段儲層低孔低滲成因及其控制因素，進而更有效地指導油氣勘探。

1 區(qū)域地質概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東部，北起神木以北，南至石樓，西跨橫山，東越佳縣，涉及伊陜斜坡和晉西撓褶帶兩大構造單元［圖1（a）］。早二疊世山西期，海西運動引起的板塊碰撞、擠壓致使華北地塊抬升，海水從鄂爾多斯盆地東西兩側開始逐漸退出，致使盆地整體由海相沉積向陸相沉積轉變。因此，鄂爾多斯盆地整體處于海陸過渡相沉積，陸相發(fā)育河流、三角洲沉積［15-16］，海相發(fā)育碳酸鹽巖沉積［17-18］。山西組早期以陸表海沉積為主，發(fā)育潮控淺水三角洲；山西組末期，發(fā)生大規(guī)模海退，盆地北高南低的差異沉降格局基本形成，盆地內的沉積逐漸轉變?yōu)楹恿鳌侵蕹练e體系［19］。山西組的沉積厚度達100 m 左右。在地層接觸關系方面，研究區(qū)內山西組與上覆下石盒子組呈整合接觸或沖刷面接觸，與下伏太原組呈區(qū)域沖刷面接觸，巖性組合和沉積旋回自上而下劃分為山1 段和山2 段，其中山2 段又可細分為山21、山22及山23等3 個小層［20-21］［圖1（b）］。

2 儲層巖石學特征

2.1 儲層巖石類型

通過對巖心觀察和薄片鑒定，認為鄂爾多斯盆地東部山西組發(fā)育巖石類型多樣，分布面積大，整體為陸相碎屑巖沉積。其儲層巖石類型主要為含礫粗砂巖、中砂巖、細砂巖等，但以中—細粒巖屑石英砂巖、石英砂巖為主［圖2（a）—（d）］。

鄂爾多斯盆地東部山2 段巖石薄片鑒定結果顯示，石英含量占據(jù)優(yōu)勢，其體積分數(shù)超過61.53%，巖屑含量次之，長石含量較少（圖3）。其中巖屑中的泥板巖、片巖、云母碎屑、綠泥石等軟塑性巖屑的含量相對較高。對于山2 段各小層巖石的巖碎屑質含量而言，致密砂巖儲層的骨架顆粒組分基本一致，而含量略有差異，其中石英含量由山23至山21逐漸降低，巖屑含量山21、山22高于山23小層，說明山23小層成分成熟度最高，其次為山22小層和山21小層。

圖3 鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲層巖石組分三角圖Ⅰ.石英砂巖；Ⅱ.長石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長石砂巖；Ⅴ.巖屑長石砂巖；Ⅵ.長石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖Fig.3 Triangular diagram of rock composition of tight sandstone reservoirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

2.2 填隙物特征

在薄片統(tǒng)計結果的基礎上，結合黏土礦物及全巖實驗分析結果，發(fā)現(xiàn)山2 段致密砂巖內填隙物由雜基和膠結物組成，其中雜基包括高嶺石、伊利石、綠泥石、凝灰質等，膠結物包括白云石、鐵白云石、鐵方解石以及硅質物質，并含少量的黃鐵礦、菱鐵礦等［22］，山2 段填隙物總體積分數(shù)為21.09%，其中山22小層填隙物體積分數(shù)最高，為24.4%；山22伊利石體積分數(shù)最高，為13.73%；山23、山21高嶺石體積分數(shù)較高，分別為2.45%和2.06%（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖填隙物成分統(tǒng)計Table 1 Composition statistics of tight sandstone interstitials of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

2.3 顆粒結構

薄片鏡下觀察發(fā)現(xiàn)山2 段砂巖整體具有分選中等—好、碎屑顆粒磨圓度較好，磨圓度主要為次圓—次棱角狀［圖2（e）—（h）］，山23較山22、山21小層的分選和磨圓度好；同時，山23基質含量較低，結構成熟度較高，體現(xiàn)了碎屑顆粒搬運距離較遠，受到較少的水流或波浪作用改造。

3 儲集空間及成巖作用特征

3.1 儲集空間特征

鑄體薄片鏡下鑒定認為鄂爾多斯盆地東部山2段砂巖發(fā)育多種儲集空間類型，包括粒間孔、鑄?？住⒘热芸?、晶間孔以及微裂縫等［圖4（a）—（h）］，以粒間孔為主，而溶孔、微裂隙、晶間孔所占比例較少（圖5）。結合巖心樣品壓汞實驗數(shù)據(jù)結果，山2段砂巖儲層平均孔喉比為2.13，平均孔隙半徑為150.3 μm，平均面孔率為2.87%，平均孔隙度為4.56%，平均滲透率為0.095 mD，平均分選系數(shù)為76.43，儲層孔喉結構整體相對較好，微觀孔喉非均質性相對較強。

圖4 鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲層孔隙鏡下特征及掃描電鏡照片（a）粒內溶孔，細砂巖，S393 井，山22；（b）粒內溶孔，中-細砂巖，M53 井，山23；（c）粒間孔，中-細砂巖，Y29 井，山23；（d）粒間孔，細砂巖，Y117 井，山22；（e）晶間孔，細砂巖，S248 井，山23；（f）微裂隙，巨砂質粗粒巖屑砂巖，B9 井，山23；（g）粒間孔，細砂巖，S393 井，山22；（h）晶間孔，細砂巖，M26 井，山21；（i）粒內溶孔，粉砂巖，S142 井，山22；（j）微裂隙，粉砂巖，S142 井，山22；（k）高嶺石晶間孔，細砂巖，Y98 井，山23；（l）伊利石晶間孔，細砂巖，Y102 井，山22Fig.4 Microscopic characteristics of pores and scanning electron micrographs photographs of tight sandstone reservoirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲層孔隙類型直方圖Fig.5 Histogram of pore types of tight sandstone reser‐voirs of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

應用掃描電鏡觀察山2 段砂巖儲層的微觀孔喉結構，可以直觀的發(fā)現(xiàn)大量的粒內溶孔、高嶺石晶間孔以及微裂隙［圖4（i）—（k）］，這些孔隙對改善致密砂巖的儲層物性具有積極作用，特別是微裂隙的連通性可將原本儲存的束縛流體變?yōu)榭蓜恿黧w，提高可動流體飽和度，但同時也發(fā)現(xiàn)孔隙中充填著不同程度的伊利石［圖4（l）］，其造成孔隙堵塞，流體難以通過，降低了儲層的可動流體飽和度。

3.2 成巖作用特征

（1）壓實-壓溶作用。依據(jù)鏡下薄片觀察判斷，鄂爾多斯盆地東部山2 段砂巖在成巖過程中發(fā)生了明顯的壓實作用，表現(xiàn)為：隨著埋藏深度的增加，碎屑顆粒多呈點線接觸，接觸關系由彼此分離到趨于緊密，偶爾可見凹凸縫合線接觸；火山巖巖屑、泥巖屑、云母等塑性顆粒在壓力作用下發(fā)生彎曲形變，少量擠入粒間孔隙，并成為假雜基，云母等碎屑顆粒長軸沿水平方向定向排列；石英、長石等硬性顆粒受應力作用發(fā)生脆性破裂，碎屑顆粒間多見線接觸，凹凸接觸較少。這些表現(xiàn)說明山2 段砂巖骨架顆粒結構較為穩(wěn)定，后期很難被進一步壓實［圖6（a）—（d）］。

（2）溶蝕作用。鏡下薄片鑒定發(fā)現(xiàn)，溶蝕作用是改造鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲層的重要成巖事件，是局部儲層物性改善的主要原因。其特征為：山2 段砂巖儲層中主要發(fā)育長石和巖屑溶蝕，偶見硅質碎屑溶蝕［圖6（e）—（h）］，而溶蝕作用的發(fā)生主要受山2 段儲層中的早期有機酸充注的影響［9］，致使長石發(fā)生溶解形成粒內溶孔或鑄?？?，巖屑發(fā)生溶蝕形成蜂窩狀孔隙等。

（3）膠結作用。鄂爾多斯盆地東部山2 段的膠結作用明顯，主要包括高嶺石膠結、伊利石膠結、菱鐵礦膠結、鐵白云石膠結和泥晶白云石膠結等［圖6（i）—（l）］，大部分膠結作用為破壞性成巖作用，膠結物堵塞了孔隙，但高嶺石的發(fā)育增加了顆粒抗壓實性，并防止石英的次生加大現(xiàn)象極大限度地保護了孔隙；其次綠泥石對孔隙的充填造成部分孔隙堵塞，又能夠以孔隙薄膜或孔隙襯邊形式產出，阻礙了石英次生加大邊的生成，進而保存了部分粒間孔隙。

圖6 鄂爾多斯盆地東部山2 段成巖作用鏡下特征（a）塑性巖屑形變，M33 井，山23；（b）顆粒定向排列，S14 井，山22；（c）顆粒線接觸，S13 井，山22；（d）凹凸縫合線接觸，Y102 井，山21；（e）巖屑、長石溶蝕，S50 井，山23；（f）粒內溶孔，B9 井，山23；（g）碎屑溶蝕形成次生孔、裂紋縫，絹云母化，M38 井，山22；（h）硅質碎屑發(fā)生溶蝕，Y117 井，山23；（i）自生黏土、鐵白云石及菱鐵礦膠結，Y117 井，山22；（j）高嶺石、伊利石膠結，Y117 井，山22；（k）伊利石膠結，S110 井，山23；（l）泥晶白云石膠結，T15 井，山22Fig.6 Microscopic characteristics of diagenesis of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

（4）成巖相特征。依據(jù)成巖作用特征、孔滲數(shù)據(jù)、壓汞數(shù)據(jù)等多方面因素，將盆地東部山2 段劃分為4 種成巖相類型：高嶺石膠結粒內溶蝕相、伊利石+高嶺石膠結晶間微孔相、伊利石+碳鹽巖膠結晶間微孔相、泥質膠結壓實相（表2）。①高嶺石膠結粒內溶蝕相主要特征為次生溶孔較發(fā)育，填隙物主要為高嶺石，孔隙度為4%～10%，滲透率為0.8～1.5 mD，中值孔喉半徑大于0.6 mm，最大進汞率大于80%，是最有利成巖相帶；②伊利石+高嶺石膠結晶間微孔相主要特征為伊利石、高嶺石充填原有孔隙，孔隙度為4%～7%，滲透率為0.1～0.5 mD，中值孔喉半徑為0.03～0.1 mm，最大進汞率為60%～80%；③伊利石+碳酸鹽膠結晶間微孔相主要特征為自生伊利石、方解石呈連晶式充填于孔隙中，孔隙度小于5%，滲透率小于0.3 mD，中值孔喉半徑為0.05～0.1 mm，最大進汞率為30%～50%；④泥質膠結壓實相主要特征表現(xiàn)為強壓實作用及泥質膠結作用，孔隙度小于3%，滲透率小于0.1 mD，中值孔喉半徑小于0.03 mm，最大進汞率小于40%。依據(jù)盆地內20余口井山2 段的成巖相類型編制了成巖相平面圖（圖7）。由圖可知，Ⅰ類成巖相帶主要分布在烏拉廟—榆林—子洲—清澗以及府谷—佳縣—柳林—石樓一帶。

表2 鄂爾多斯盆地東部山2 段成巖相類型及特征Table 2 Types and characteristics of diagenetic facies of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

圖7 鄂爾多斯盆地東部山2 段成巖相平面圖Fig.7 Map of the diagenetic facies of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

4 低孔低滲儲層成因及相對優(yōu)質儲層分布預測

任何一個地區(qū)儲層的發(fā)育受控于構造、物源、沉積、成巖和油氣充注等多種因素［23］。對于鄂爾多斯盆地東部山2 段而言，其主要受沉積環(huán)境與成巖作用的影響。

4.1 低孔低滲儲層的成因機理

（1）塑性顆粒和巖屑加劇壓實作用，物性變差。鄂爾多斯盆地東部山2 期的沉積環(huán)境為河流—三角洲沉積體系，沉積物主要為中—細粒巖屑石英砂巖、石英砂巖，具有高石英含量、高成分成熟度的特性，但山2 段地層中的軟塑性巖屑含量高，主要包括泥板巖、片巖、云母、綠泥石、泥巖屑等。由于這些軟塑性巖屑在埋藏過程中抗壓性弱，受壓易變形，在研究區(qū)內塑性成分含量高的地方，壓實作用較強烈，極大地降低了儲層的孔隙度和滲透率。

（2）膠結物類型多樣，膠結作用強烈，加劇物性變差。膠結作用是沉積物轉化為沉積巖的重要作用，在成巖作用各階段均可發(fā)生，也是沉積地層中孔隙度和滲透率下降的主要原因之一。山2 段地層具有多種膠結作用類型，主要有高嶺石膠結、伊利石膠結、白云石膠結、方解石膠結和菱鐵礦膠結等，膠結物類型多樣，彼此之間的關系錯綜復雜，同時大量的膠結物充填于顆粒之間的孔隙，進一步降低了山2 段砂巖的物性。

（3）含煤的沉積環(huán)境不利于原生孔隙的保存。鉆井巖心觀察揭示出鄂爾多斯盆地東部山2 段三角洲平原地區(qū)發(fā)育大量炭屑、植物莖干，偶爾可見完整的植物葉片化石和碳化植物碎屑（圖8），反映出該地區(qū)整體處于含煤沉積環(huán)境，因此該地區(qū)的早期成巖環(huán)境應是酸性環(huán)境。在酸性環(huán)境下，早期的碳酸鹽膠結物難以在碎屑顆粒之間的原生孔隙內形成，無法充填孔隙，導致壓實作用過程中原生孔隙更容易受到破壞。

圖8 鄂爾多斯盆地東部山2 段沉積構造特征（a）炭線，T25#，山21，2 863.3 m；（b）植物碎屑，S19#，山22，2 717.1 m；（c）炭線，B9 井，山23，2911.5 m；（d）植物碎屑，T25 井，山23，2 905.1 mFig.8 Sedimentary structure characteristics of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

（4）多種因素導致溶蝕作用較弱無法改善儲層物性。溶蝕作用是砂巖次生孔隙形成的主要因素，但是研究區(qū)內溶蝕作用弱，未見到大量鑄?？缀土ｉg溶蝕擴大孔，僅在長石和巖屑顆粒內部可見部分粒內溶孔、巖屑溶孔，而其主要受控于兩方面因素：①溶蝕流體的活動性不強，早期快速埋藏壓實作用減小了原生孔隙，導致儲層物性較差，連通性不好，地層中溶蝕流體難以大面積流動；同時，前人研究認為該地區(qū)大地構造背景穩(wěn)定［23］，也不利于儲層溶蝕流體的活躍性，導致溶蝕作用普遍較弱。②可溶蝕對象少，巖石類型以石英砂巖為主，長石和可溶性巖屑含量較低，難以發(fā)生大規(guī)模的溶蝕作用。

（5）快速埋藏過程不利于原生孔隙的保存。雖然山2 段的埋藏深度淺，但是山2 段沉積后，在近50 Ma 的時間內埋藏深度達到了最大埋深，因此埋藏速度非?？欤▓D9）。加之塑性巖屑含量較高，并且早期碳酸鹽膠結物未有效充填孔隙，導致該地區(qū)砂巖的抗壓強度較小，在壓實過程中，原生孔隙幾乎損失殆盡。壓實作用導致儲層物性變差，埋藏越深，孔滲越小。

圖9 Y20 井二疊系（山西組）埋藏演化史Fig.9 Burial evolution history of Permian Shanxi Formation in well Y20

4.2 相對優(yōu)質儲層有利區(qū)預測

基于上述分析，認為鄂爾多斯盆地東部山2 段的沉積環(huán)境類似，屬于河流—三角洲沉積體系，并且埋深差異不大，很難區(qū)分細微的差異壓實作用。膠結作用和溶蝕作用才是該區(qū)有利儲層分布主要控制因素。同時，儲層孔隙類型以粒間孔為主，長石和巖屑的差異溶蝕是導致儲層差異的主控因素。

最終，基于成巖相的劃分，鄂爾多斯盆地東部的高嶺石膠結粒內溶蝕成巖相可形成相對有利的儲層，其次為伊利石+高嶺石膠結晶間微孔相，而成巖相的平面展布特征揭示出發(fā)育2 個相對有利儲層分布區(qū)，分別為烏拉廟—榆林—清澗地區(qū)和府谷—佳縣—吳堡地區(qū)（參見圖7）。

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲層巖石類型主要為中—細粒巖屑石英砂巖、石英砂巖，分選中等—好、碎屑顆粒磨圓度較好；儲集層孔隙類型主要以粒間孔為主；成巖作用主要體現(xiàn)在壓實作用、膠結作用和溶蝕作用。

（2）鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖低孔低滲儲層的成因可以歸納為塑性顆粒和巖屑加劇壓實作用，降低物性；膠結物類型多樣、膠結作用強烈，加劇物性變差；含煤的酸性沉積環(huán)境不利于原生孔隙的保存；較弱溶蝕作用無法改善儲層物性；快速埋藏過程不利于原生孔隙的保存，從而形成現(xiàn)今的低孔低滲儲層。

（3）鄂爾多斯盆地東部山2 段發(fā)育烏拉廟-榆林-清澗地和府谷-佳縣-吳堡地區(qū)2 個相對有利儲層分布區(qū)。

致謝：在本文的撰寫過程中，感謝成都理工大學張成弓老師、付斯一老師給予的幫助。