鄂爾多斯盆地麻黃山西區(qū)塊延8段成巖相特征及油氣地質(zhì)意義

呂孝威，王少飛，萬友利，朱志良，韓 翀，朱 莎

（1.成都理工大學 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 能源學院，四川 成都 610059； 3.中國石化華北油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450006； 4.中國石油川慶鉆探工程有限公司 地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051； 5.大慶油田有限責任公司 第四采油廠，黑龍江 大慶 163511）

0 引言

在我國非常規(guī)油氣勘探領(lǐng)域，低滲透致密砂巖油氣藏受到越來越多的重視，很多學者把它作為常規(guī)油氣資源接替的第一梯隊[1－4].低滲透致密砂巖油氣藏勘探突破的關(guān)鍵是在致密化儲層中預測具有較高孔滲的甜點發(fā)育帶[2－3].由于母巖物質(zhì)的不確定性、沉積環(huán)境的多樣性、成巖作用過程的多變性及構(gòu)造運動的多期次性，造成致密性砂巖儲層物性在平面上和縱向上的非均質(zhì)性較強[4－5].沉積和成巖是控制致密砂巖儲層物性特征的主要因素，沉積作用奠定儲層的物質(zhì)基礎(chǔ)，成巖作用對沉積物沉積后內(nèi)部孔隙演化起到重要控制作用[6－7].沉積作用控制沉積物的成分、粒度、分選及空間分布，而沉積物進入埋藏環(huán)境后經(jīng)歷的成巖作用對沉積物的物質(zhì)及孔隙分布進行改造，從而形成現(xiàn)今所表現(xiàn)的物質(zhì)特征——成巖相.成巖相為一定沉積和成巖環(huán)境下經(jīng)歷一定成巖演化階段的產(chǎn)物，包括巖石顆粒、膠結(jié)物、組構(gòu)和孔洞縫特征及其演化的綜合面貌和孔隙演化信息[8－11].成巖相在預測有利成巖作用發(fā)育區(qū)域方面更具有直接性和綜合性的優(yōu)點，特別是在致密儲層中預測甜點發(fā)育帶具有重要作用，正確認識成巖相和掌握有利成巖相分布規(guī)律對于低滲透致密砂巖油氣藏的勘探具有指導意義[9－10].

鄂爾多斯盆地是我國最大含油氣盆地之一，中生界延安組是重要的含油層系，為典型的低滲透儲層，同時也是中生界找油戰(zhàn)略的重點層系之一[11].前人對麻黃山西區(qū)塊延安組的研究多集中在單一的儲層特征[12]、沉積特征[13]、成巖體系[14]和成藏機理方面[15]，但缺乏從沉積環(huán)境、成巖作用等方面分析延8段甜點儲層成因的研究，目前研究的熱點集中在致密儲層中尋找優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育帶[16]，正確認識致密砂巖儲層中優(yōu)質(zhì)儲層形成的主控因素及分布規(guī)律，是實現(xiàn)研究區(qū)勘探突破的關(guān)鍵.筆者分析麻黃山西區(qū)塊延8段成巖相特征，認為成巖相的油氣地質(zhì)意義主要在于尋找對儲層發(fā)育具有建設(shè)性意義的成巖相，并研究成巖相的主控因素和分布規(guī)律，為研究區(qū)在油氣勘探中尋找優(yōu)質(zhì)儲層提供參考.

1 巖石學特征

通過巖心觀察、薄片鑒定研究表明，研究區(qū)延8段儲層砂體主要發(fā)育在三角洲平原亞相的分支河道中.粒度以細粒結(jié)構(gòu)為主，中粒結(jié)構(gòu)次之，成分成熟度較低，結(jié)構(gòu)成熟度中等.延8段儲層砂體的巖石學特征具有區(qū)域性，在研究區(qū)南部ND8、ND10井區(qū)石英體積分數(shù)占碎屑體積總量的74%～82%，平均為76%，由單晶石英和來自變質(zhì)巖、石英巖的多晶石英組成；長石體積分數(shù)占碎屑體積總量的2%～16%，平均為9%，主要為斜長石，偶見鉀長石；巖屑體積分數(shù)占碎屑體積總量的5%～11%，平均為8%，以變石英巖、千枚巖、泥板巖和云母碎屑為主，偶見流紋巖巖屑；雜基主要為水云母泥基，部分泥基高嶺石化；膠結(jié)物主要有微晶方解石、鐵白云石、淀高嶺石和菱鐵礦.在研究區(qū)東北部ND2、ND3井區(qū)石英體積分數(shù)占碎屑體積總量的55%～62%，平均為59%，含少量多晶石英；長石體積分數(shù)占碎屑體積總量的11%～18%，平均為12%，以斜長石為主，長石表面風化嚴重；巖屑體積分數(shù)占碎屑體積總量的7%～26%，平均為18%，有變石英巖、千枚巖，含大量的泥板巖和云母碎屑，在強烈壓實作用下形成假雜基；雜基主要有水云母泥基，少量高嶺石化；膠結(jié)物有菱鐵礦、微晶方解石和粉晶鐵白云石.

2 儲層特征

2.1 儲集空間類型

通過薄片觀察和掃描電鏡分析，研究區(qū)延8段儲層儲集空間類型主要有粒間孔、粒內(nèi)溶孔及微孔隙.

粒間孔包括剩余原生粒間孔和溶蝕孔隙，在研究區(qū)南西部ND5、ND10井區(qū)石英、長石等剛性顆粒含量較高的地區(qū)，剩余原生粒間孔較為發(fā)育（見圖1（a）），而在東北部云母、巖屑等塑性物質(zhì)含量高的井段，原生粒間孔在強壓實作用過程中被破壞殆盡.溶蝕孔主要有粒間溶孔（見圖1（b））、粒內(nèi)溶孔（見圖1（c））及溶蝕微孔隙（見圖1（d）），長石、巖屑經(jīng)受強烈溶蝕甚至可發(fā)育成溶蝕縫（見圖1（e））.長石及巖屑的蝕變使得微孔隙較為發(fā)育，巖屑及基質(zhì)內(nèi)的溶蝕可發(fā)育成微孔隙，特別是長石蝕變?yōu)楦邘X石時，若高嶺石不能被及時帶出，往往以書頁狀分布在孔隙空間內(nèi)，形成微孔隙（見圖1（f））.掃描電鏡顯示，長石的伊利石化過程發(fā)育纖維狀、絲發(fā)狀伊利石能夠切割孔隙結(jié)構(gòu)，也能形成微孔隙.

圖1 延8段儲層孔隙類型Fig.1 Types of sandstone reservior pores of the 8th member of the Yanan formation

2.2 物性特征

薄片鑒定表明，在研究區(qū)南西部ND5、ND10井區(qū)剛性顆粒含量高的層段，孔隙以剩余原生粒間孔為主，溶蝕孔隙較剛性顆粒含量低的井段更為發(fā)育；在北東部ND2、ND3井區(qū)以溶蝕孔隙為主，特別是微孔隙含量較南西部高的多（見表1）.物性資料統(tǒng)計表明，南西部延8段儲層砂體孔隙度最大為19.6%，有65%的分析樣品孔隙度分布為12%～20%，屬于中低孔儲層，在研究區(qū)南西部局部地區(qū)發(fā)育中等孔隙儲層，滲透率主要分布在（0.01～1.00）×10－3μm2和大于10.00×10－3μm2范圍內(nèi)（見圖2）.北東部儲層砂體有62%的分析樣品孔隙度為6%～12%，滲透率主要為（0.01～1.00）×10－3μm2（見圖2）.

圖2 延8段南西部地區(qū)和北東部地區(qū)實測孔隙度及滲透率分布Fig.2 Distribution map of porosity and permeability of the 8th member of the Yanan formation

表1 麻黃山西區(qū)塊延8段砂巖儲層鏡下觀察各次生孔隙統(tǒng)計Table 1 The pore statistics by microscope of reservoir sandstone chip of the 8th member of the Yanan formation in the west of Mahuangshan %

3 成巖作用

通過薄片鑒定、掃描電鏡觀察、電子探針分析表明，延8段儲層成巖演化階段已達到中成巖（B）期至晚成巖早期.結(jié)合成巖作用對儲層物性的影響，延8段儲層砂體經(jīng)歷的破壞性成巖作用包括壓實作用、膠結(jié)作用，其中壓實作用在塑性顆粒含量高的地區(qū)及層段表現(xiàn)強烈，北東部ND2、ND3井區(qū)巖屑體積分數(shù)高達26%，平均為18%，云母碎屑等塑性物質(zhì)在上覆地層壓力下被壓彎變形，填充粒間孔隙，使孔隙度大幅度降低（見圖3（a））.膠結(jié)作用主要有碳酸鹽膠結(jié)（見圖3（b））、硅質(zhì)膠結(jié)（見圖3（c））及黏土膠結(jié)（見圖3（d）），早期發(fā)育的黏土環(huán)邊雖然占據(jù)一定的孔隙空間，但在后期硅質(zhì)膠結(jié)過程中能夠阻止石英的次生加大.碳酸鹽膠結(jié)有2期，早期的碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石，晚期的碳酸鹽膠結(jié)物為鐵方解石和鐵白云石，硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育在第二世代膠結(jié)時期.建設(shè)性成巖作用主要包括埋藏期溶蝕和表生期溶蝕，埋藏期溶蝕發(fā)育在早期方解石膠結(jié)后，沉積物進入埋藏狀態(tài)后，隨著有機質(zhì)的熱演化釋放出有機酸，對長石巖屑等鋁硅酸鹽進行選擇性溶蝕（見圖3（e）、（f）），但盆地地溫梯度較低，有機質(zhì)生烴演化時間較晚，從而造成溶蝕程度較低；并且由于壓實作用較強，先存的原生孔隙保留程度較低，在剛性顆粒含量高的層段才能保存更高的連通孔隙，方便酸性水的溶蝕.同時，埋藏條件下的溶蝕作用發(fā)生在封閉的成巖系統(tǒng)中，有溶蝕就會有沉淀，從而造成儲層砂體更強的非均質(zhì)性.延8段部分樣品的褐鐵礦化現(xiàn)象表明儲層經(jīng)歷表生作用.受燕山運動影響，延安組地層被抬升出露，遭受剝蝕，接受大氣淡水淋濾改造，同時受到西緣逆沖推覆的作用，發(fā)育斜交裂縫和網(wǎng)狀縫，為大氣淡水淋濾提供通道，使延8段局部接受大氣淡水溶蝕，從而造成局部溶蝕孔隙度更高.

圖3 延8段儲層成巖特征Fig.3 Diagenetic characteristic of the 8th member of the Yanan formation

4 成巖相的類型和特征

目前，對于成巖相類型的劃分尚無統(tǒng)一標準[8－14]，結(jié)合研究區(qū)成巖作用對儲層物性的影響，把延8段儲層劃分為4類成巖相：強烈壓實致密相、膠結(jié)致密相、弱壓實弱膠結(jié)相和強烈溶蝕相.

4.1 強烈壓實致密相

強烈壓實致密相主要發(fā)育在天然堤和分流間灣沉積微相中，砂巖中巖屑等塑性顆粒和雜基含量較高，石英、長石等剛性顆粒含量低，受上覆地層壓力作用，極易被壓實.此外，西緣逆沖斷裂帶的發(fā)育使研究區(qū)延安組地層裂縫較為發(fā)育，裂縫對地層超壓起到消散效應[17]，延8段在埋藏過程中沒有出現(xiàn)超壓環(huán)境，也是造成強烈壓實的一個因素.研究區(qū)北東部ND2、ND3井區(qū)塑性顆粒含量較高，壓實作用表現(xiàn)較為強烈.南西部ND5、ND10井區(qū)長石、石英等剛性顆粒含量較高，壓實作用沒有北東部井區(qū)表現(xiàn)強烈.強烈壓實致密相使儲層儲集空間大幅度減小，對儲層物性具有較大破壞作用.

4.2 膠結(jié)致密相

膠結(jié)致密相主要發(fā)育在決口扇和天然堤等沉積微相中，膠結(jié)物主要有方解石、鐵白云石和鐵方解石，膠結(jié)物體積分數(shù)為13%～25%，膠結(jié)方式多為孔隙式膠結(jié).膠結(jié)物具有多期性，早期膠結(jié)物多為方解石，地層埋藏較深時，隨著溫度升高和壓力增大，形成的膠結(jié)物一般為鐵方解石和鐵白云石.膠結(jié)致密相造成儲層致密化，是破壞性成巖相.如果膠結(jié)物后期遭受外來酸性水的溶蝕，則可形成較多次生溶蝕孔隙，部分層位可發(fā)育較好的儲層.

4.3 弱壓實弱膠結(jié)相

弱壓實弱膠結(jié)相是延8段有利成巖相，對于原生孔隙的保存具有重要意義.通過鑄體薄片觀察和掃描電鏡分析，部分樣品中石英和長石顆粒表面存在有黏土環(huán)邊，同時石英次生加大現(xiàn)象發(fā)育較弱，碳酸鹽膠結(jié)物較少，剩余原生粒間孔較為發(fā)育，對于儲層物性具有建設(shè)性作用，并為溶蝕作用中所需的酸性水提供良好的運移通道.此類成巖相的成因多與黏土礦物環(huán)邊有關(guān)，綠泥石環(huán)邊一方面具有抗壓實作用，另一方面可以包裹在石英顆粒的表面阻止石英次生加大，從而有利于原生粒間孔隙的保存[18].

4.4 強烈溶蝕相

強烈溶蝕相主要發(fā)育在分支河道沉積微相中，主要為長石砂巖和巖屑長石砂巖，碎屑顆粒和膠結(jié)物遭受不同程度的溶蝕.溶蝕作用一方面可以擴大儲集空間，另一方面可以增大孔喉半徑，對儲層物性有較大改善作用，形成深部砂巖儲層異常高孔隙發(fā)育帶.延8段儲層強烈溶蝕相的因素有2個：一是與地層中酸性水有關(guān)，當儲層處于開放環(huán)境時，若有酸性水進入，酸性水和碎屑顆粒發(fā)生溶蝕后產(chǎn)物被及時帶出而形成溶蝕孔隙，溶蝕作用的程度與酸性水的性質(zhì)和碎屑顆粒的成分有關(guān)[19]；二是在ND3井、ND5井和ND4井樣品中存在黃鐵礦、菱鐵礦、鐵白云石和含鐵方解石的褐鐵礦化現(xiàn)象，說明延8段儲層經(jīng)歷表生成巖作用.儲層在表生作用時受到富含CO2大氣淡水的淋濾作用和潛流帶淡水的溶蝕，可以產(chǎn)生較多的次生溶孔[20].

5 油氣地質(zhì)意義

5.1 弱壓實弱膠結(jié)相

弱壓實作用對砂巖儲層的原生孔隙具有較好的保護作用，殘留原生孔隙是油氣的主要儲集空間和運移通道，對油氣聚集成藏起到重要促進作用.早期殘留原生孔隙對地層中酸性水的運移起到較好的通道作用，可以促進后期溶蝕作用[21].砂巖儲層中石英、長石等剛性顆粒含量較高時可以有效增強巖石的抗壓實能力，從而保護較多原生粒間孔隙.沈揚等在研究庫車拗陷時發(fā)現(xiàn)，在5 200m深度的地層，由于剛性顆粒含量較高，孔隙度接近20%[21].黎華繼等在研究川西拗陷須二段儲層物性時發(fā)現(xiàn)，物性與石英長石含量呈正相關(guān)關(guān)系，與塑性巖屑含量呈明顯負相關(guān)關(guān)系[22].另外，當?shù)貙訅毫Τ^剛性顆粒的抗壓強度時，剛性顆粒沿解理面和雙晶面發(fā)生破裂產(chǎn)生微裂縫，微裂縫對低滲儲層儲集性能的改造具有重要意義[23].早期膠結(jié)物在占據(jù)部分孔隙的同時，如果形成在顆粒相對位置完全固定之前的早期成巖階段，則具有較好的支撐作用，從而起到抗壓實效果，使砂巖中原生孔隙得到較多保留，是深部砂巖儲層原生孔隙發(fā)育的重要原因[24－25].研究區(qū)南西部區(qū)域的分流河道微相中石英、長石等剛性顆粒含量較高，是弱壓實作用發(fā)育的有利區(qū).

弱膠結(jié)作用使得砂巖儲層中膠結(jié)物含量較少，儲層的滲透率未受到膠結(jié)物造成的破壞性影響.丁曉琪等研究表明，綠泥石包膜阻止含有SiO2的孔隙水在石英顆粒表面成核，從而抑制石英次生加大，使較多原生孔隙得以保存[26]；Billault V、伏美燕等研究表明，綠泥石包膜使碳酸鹽巖膠結(jié)物生成的空間縮小，從而抑制碳酸鹽巖膠結(jié)物發(fā)育，同時綠泥石包膜的晶間孔為酸性水的流動提供通道，為后期溶蝕作用提供良好條件.此外，烴類流體占據(jù)孔隙，使孔隙水排出，可以阻止膠結(jié)物生成，形成弱膠結(jié)現(xiàn)象[27－28].

5.2 強烈溶蝕相

溶蝕作用在研究區(qū)延8段部分層位較為發(fā)育，是砂巖儲層中次生孔隙的主要成因，對儲層物性具有較強的改造能力，是研究區(qū)甜點儲層發(fā)育的重要控制因素.Surdam R C、周廣勝等研究發(fā)現(xiàn)，深部溶蝕作用與顆粒間的碳酸鹽巖膠結(jié)物溶蝕關(guān)系密切，孔隙度與碳酸鹽巖膠結(jié)物之間呈負相關(guān)關(guān)系[19，25].鐘大康等認為深部地層優(yōu)質(zhì)碎屑巖儲層的形成與溶蝕作用有關(guān)，溶蝕作用是深部異?？紫栋l(fā)育帶存在的普遍機理[29].溶蝕的主要原因是有機質(zhì)熱演化生成的有機酸和CO2形成酸性水介質(zhì)對長石和巖屑及膠結(jié)物的溶蝕.顧家裕等在研究塔里木盆地東河砂巖時發(fā)現(xiàn)，東河2井侏羅系與石炭系之間不整合面處有機酸濃度較高，為873μg／g[30]；蘭朝利等在研究蘇里格氣田時得出裂縫帶附近溶蝕作用較強，說明通道對酸性流體運移的重要性[31].研究區(qū)延安組部分層位發(fā)育富含有機質(zhì)的黑色泥巖，并且煤系地層分布廣泛，在成巖演化過程中產(chǎn)生大量有機酸和CO2，研究區(qū)處于鄂爾多斯盆地西緣沖斷帶上[18]，裂縫的發(fā)育給酸性水溶液的運移和交換提供良好的通道[32].因此，裂縫發(fā)育帶附近是溶蝕次生孔隙較有利發(fā)育帶.

巖層表生作用中大氣淡水淋濾也是儲層次生溶孔的重要成因[33]；砂巖中不穩(wěn)定組分，如長石、火山巖巖屑和碳酸鹽巖膠結(jié)物遭受大氣淡水的淋濾發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生較多次生溶孔，從而對儲層產(chǎn)生較有利影響[34]；研究區(qū)部分層位發(fā)現(xiàn)的褐鐵礦化現(xiàn)象說明部分區(qū)域經(jīng)歷表生作用，受燕山運動影響，西緣逆沖推覆構(gòu)造活動強烈，構(gòu)造高部位是大氣淡水淋濾較為發(fā)育部位.

南西部弱壓實弱膠結(jié)相和北部強烈溶蝕相與三角洲平原分流河道沉積微相相關(guān)；強壓實致密相和強膠結(jié)致密相與分流間、天然堤、決口扇等微相相關(guān).沉積微相為后期成巖改造、優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育、勘探中的物性甜點提供天然的物質(zhì)基礎(chǔ).在優(yōu)質(zhì)儲層形成過程中，沉積微相是基礎(chǔ)，成巖改造是關(guān)鍵.

6 結(jié)論

（1）研究區(qū)砂巖儲層主要發(fā)育在三角洲平原分流河道中，為低孔低滲儲層.北東部井區(qū)巖屑和黑云母等塑性顆粒含量較高，南西部石英和長石等剛性顆粒含量較高，對儲層成巖作用具有重要影響.研究區(qū)延8段的成巖作用有壓實作用、膠結(jié)作用、交代作用、溶蝕作用和表生成巖作用.

（2）結(jié)合成巖作用對儲層物性的影響，研究區(qū)破壞性的成巖相有強烈壓實相和膠結(jié)致密相，對儲層物性具有較強破壞作用；弱壓實弱膠結(jié)相和強烈溶蝕相為有利成巖相，弱壓實弱膠結(jié)相保存較多原生孔隙，強烈溶蝕相形成大量次生溶孔，對儲層物性的改善起到積極作用.

（3）在致密砂巖儲層中，研究區(qū)的有利成巖相對預測有利孔隙發(fā)育帶具有重要地質(zhì)參考意義.弱壓實弱膠結(jié)成巖相保存的原生孔隙對儲層物性有較大貢獻，為油氣運移和聚集提供良好的運移通道；強烈溶蝕成巖相生成較多次生溶孔，對致密砂巖儲層的物性具有較強改善作用.弱壓實弱膠結(jié)相中保留的殘留原生孔為后期溶蝕作用中所需的酸性水提供重要運移通道，從而促進強烈溶蝕相的發(fā)育.

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