臨興氣田上古生界致密砂巖儲(chǔ)層發(fā)育特征及主控因素

路媛媛

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

近幾年來(lái)，中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“中聯(lián)公司”）對(duì)鄂爾多斯東緣臨興氣田上古生界致密砂巖儲(chǔ)層勘探取得重大突破，已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)超千億方探明儲(chǔ)量，開(kāi)發(fā)潛力巨大[1]。鉆井揭示，臨興氣田不同層位均鉆遇優(yōu)質(zhì)砂巖儲(chǔ)層，壓裂測(cè)試無(wú)阻流量達(dá)到50×104m3，同時(shí)，還有局部地區(qū)單一發(fā)現(xiàn)自然高產(chǎn)“甜點(diǎn)”區(qū)，射孔后即獲得超10×104m3無(wú)阻流量，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。但也有很多地區(qū)未鉆遇優(yōu)質(zhì)氣層，儲(chǔ)層以致密層為主，測(cè)試產(chǎn)量很低[2]。體現(xiàn)出非常規(guī)致密砂巖儲(chǔ)層縱橫向非均質(zhì)性強(qiáng)，造成不同層位不同地區(qū)氣層發(fā)育及試氣產(chǎn)量差異巨大，制約氣田進(jìn)一步開(kāi)發(fā)上產(chǎn)。經(jīng)過(guò)多年研究，已經(jīng)在臨興氣田形成了“微相控儲(chǔ)、物性控藏”為指導(dǎo)的成藏理論，但對(duì)非均質(zhì)性致密砂巖精細(xì)儲(chǔ)層發(fā)育特征研究還十分缺乏。通過(guò)對(duì)臨興氣田上古生界致密砂巖儲(chǔ)層巖石學(xué)特征、物性特征、儲(chǔ)集空間類型及孔吼結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究，揭示影響非均質(zhì)性砂巖儲(chǔ)層物性的主控因素，為后期氣田滾動(dòng)開(kāi)發(fā)及增儲(chǔ)上產(chǎn)提供依據(jù)。

圖1 研究區(qū)地理位置及地層發(fā)育特征圖Fig.1 Geographical location and stratigraphic characteristics of the study area

1 區(qū)域背景介紹

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西緣，為一大型多旋回克拉通盆地[3]，可劃分為西緣逆沖斷帶、天環(huán)坳陷、伊盟隆起、渭北隆起、伊陜斜坡和晉西撓褶帶6 個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[4-5]。臨興氣田位于鄂爾多斯東緣晉西撓褶帶上，面積740 km2，主要發(fā)育上古生界致密砂巖氣層，為典型的巖性氣藏[6-8]，地層自下而上可分為本溪組、太原組、山西組、石盒子組及石千峰組，如圖1 所示。共分為3 個(gè)成藏組合，源內(nèi)成藏組合主要為本溪—太原組，以發(fā)育海相潮坪-瀉湖沉積體系為特征，主力儲(chǔ)層類型為潮道及砂坪砂巖[9]，頂?shù)滓曰規(guī)r及煤層為界，其中太原組是研究區(qū)源內(nèi)成藏組合主力勘探層系。近源及遠(yuǎn)源成藏組合主要發(fā)育陸相淺水三角洲沉積體系[10-11]，頻繁交錯(cuò)切割的分流/水下分流河道是優(yōu)勢(shì)沉積微相發(fā)育區(qū)，主力勘探層系為石盒子組地層，呈現(xiàn)典型的砂泥互層的疊置樣式。

2 儲(chǔ)層發(fā)育特征

2.1 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

對(duì)臨興地區(qū)4 個(gè)層組13 個(gè)層位261 個(gè)樣品進(jìn)行砂巖成分統(tǒng)計(jì)分析。研究區(qū)不同層組間砂巖主礦物成分差異顯著，形成了與沉積環(huán)境相對(duì)應(yīng)的砂巖類型，如圖2 所示。底部太原組由于發(fā)育海相潮坪-瀉湖沉積體系，儲(chǔ)層以潮道砂巖、砂坪砂巖為主，因此以高石英含量的石英砂巖為主，石英平均含量大于80%，成分成熟度高；向上過(guò)渡為石盒子組陸相淺水三角洲沉積體系，石英含量明顯降低，長(zhǎng)石與巖屑含量升高，形成以巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖為主體、巖屑砂巖次之的砂巖類型；到石千峰組，石英含量降到最低，長(zhǎng)石含量最高，平均含量大于20%，砂巖類型以長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖為主。綜合來(lái)看，由下至上太原組到石千峰組穩(wěn)定礦物石英含量逐漸降低，不穩(wěn)定礦物長(zhǎng)石、巖屑成分逐漸升高，不穩(wěn)定塑性礦物含量高，為后期溶蝕作用改善儲(chǔ)層物性提供了基礎(chǔ)。填細(xì)物成分以雜基為主，平均含量大于45%，鈣質(zhì)膠結(jié)及泥質(zhì)膠結(jié)次之，平均含量分別為23.5%及18.3%。

圖2 研究區(qū)砂巖巖性三角圖Fig.2 Lithological triangular chart of sandstone in the study area

2.2 儲(chǔ)層物性特征

通過(guò)大量砂巖樣品分析統(tǒng)計(jì)表明，臨興地區(qū)整體物性條件較差，多數(shù)層段呈現(xiàn)低滲低孔的特點(diǎn)，且孔隙度與滲透率隨著埋深增加階段性地增加與降低，局部層段局部分區(qū)見(jiàn)相對(duì)高孔高滲區(qū)，孔隙度大于10%，滲透率大于1 mD，暗示了局部溶孔大量發(fā)育及局部微裂隙的存在可能在儲(chǔ)集物性改善方面發(fā)揮了一定的作用，如圖3 所示。

圖3 研究區(qū)砂巖平均覆壓孔滲特征分布圖Fig.3 Distribution diagram of average porosity and permeability under confining pressure in the study area

2.3 儲(chǔ)集空間類型

綜合利用偏光顯微鏡、掃描電鏡等手段對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)集空間類型進(jìn)行研究。研究區(qū)儲(chǔ)集空間類型主要為發(fā)育殘余原生粒間孔、次生孔隙（粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔）、晶間孔以及微裂隙[12]。研究區(qū)壓實(shí)作用強(qiáng)烈，原生粒間孔基本消失殆盡，僅在上部層位埋藏較淺的石千峰組及上石盒子組發(fā)育少量殘余原生粒間孔，下部地層埋深大，幾乎不發(fā)育殘余原生粒間孔，后期溶蝕作用導(dǎo)致次生粒間溶孔和次生粒內(nèi)溶孔較發(fā)育。實(shí)際薄片觀察中，研究區(qū)上古生界砂巖儲(chǔ)層孔隙主要以組合形式出現(xiàn)，表現(xiàn)為粒間孔+溶蝕孔+晶間孔型、粒間+粒內(nèi)溶蝕型、溶蝕孔+晶間孔型和晶間孔型。圖4 所示為研究區(qū)砂巖典型儲(chǔ)集空間類型。

圖4 研究區(qū)砂巖典型儲(chǔ)集空間類型Fig.4 Typical reservoir space characteristics of sandstone in the study area

2.3.1 殘余原生粒間孔

指巖石骨架顆粒在上覆地層壓力作用保存下來(lái)的原始孔隙剩余空間，且未被雜基及膠結(jié)物完全充填，鏡下形態(tài)相對(duì)規(guī)則，填充孔隙的多為泥質(zhì)雜基和碳酸鹽膠結(jié)物等（如圖4a 和圖4b 所示），碎屑邊緣沒(méi)有明顯的溶蝕痕跡，顆粒間呈點(diǎn)-線接觸。殘余原生粒間孔發(fā)育，儲(chǔ)層一般孔隙大，喉道粗，連通性好，物性好。

2.3.1 次生孔隙

次生孔隙是砂巖在埋藏過(guò)程中經(jīng)歷各種次生成巖作用而產(chǎn)生的孔隙，其中溶蝕作用是形成次生孔隙的主導(dǎo)作用。研究區(qū)有機(jī)質(zhì)生烴釋放酸性流體，導(dǎo)致巖屑及長(zhǎng)石等不穩(wěn)定組分被溶蝕，形成次生孔隙，主要表現(xiàn)為粒間溶孔及粒內(nèi)溶孔。

粒間溶孔：孔隙間不穩(wěn)定的雜基及膠結(jié)物（如方解石、白云石、高嶺石等）經(jīng)過(guò)次生溶蝕作用后形成的溶蝕孔（如圖4c 和圖4d 所示）。粒間溶孔形態(tài)常不規(guī)則，呈港灣狀，大小和分布不均，常與巖屑、長(zhǎng)石等溶孔伴生。粒間溶孔溶蝕程度與物性呈正相關(guān)性，若雜基及膠結(jié)物全部被溶蝕可形成高孔高滲儲(chǔ)層。

粒內(nèi)溶孔：巖屑及長(zhǎng)石等不穩(wěn)定顆粒內(nèi)被部分溶蝕產(chǎn)生的孔隙，多沿礦物解理或裂縫發(fā)育，當(dāng)顆粒被全部溶解而保留其原晶體假象時(shí)，則為鑄模孔。研究區(qū)內(nèi)砂巖礦物成分總體表現(xiàn)為高巖屑、長(zhǎng)石、低石英含量的特征，礦物成分中易溶組分易遭溶蝕，形成長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔及巖屑粒內(nèi)溶孔（如圖4e 所示）。石英顆粒在堿性流體作用下也可發(fā)生溶解，溶蝕作用導(dǎo)致石英顆粒表面凹凸不平，邊緣不規(guī)則狀或呈現(xiàn)港灣狀（如圖4f 所示）。粒內(nèi)溶孔多為孤立孔隙，連通性較差，一般以粒內(nèi)溶孔為主的儲(chǔ)層滲透率較低，若同時(shí)發(fā)育粒間孔或者微裂縫溝通，可形成較好儲(chǔ)層。

2.3.3 晶間孔

為早期形成的各類孔隙在成巖過(guò)程中被自生及交代型黏土礦物（如高嶺石）、碳酸鹽礦物及石英微晶等充填形成的晶體間孔隙（如圖4g 和圖4h 所示），一般為微-納米級(jí)。晶間孔隙一般出現(xiàn)于中-晚成巖階段中，孔隙結(jié)構(gòu)具有微孔、微喉的特征，其發(fā)育程度受原始孔隙度大小及重結(jié)晶、膠結(jié)等成巖作用強(qiáng)弱的綜合控制，以晶間孔為主的儲(chǔ)層孔滲物性相對(duì)較差。

2.3.4 微裂隙

研究區(qū)微裂隙較少發(fā)育，主要表現(xiàn)為在壓實(shí)作用、顆粒收縮及各種構(gòu)造應(yīng)力作用下形成的微小縫隙（如圖4i 所示），不包括溶蝕作用形成的微裂縫。鏡下可見(jiàn)裂隙沿著顆粒邊緣延伸或切割礦物顆粒。微裂隙可以作為各種流體的滲濾通道，溝通孤立的孔隙，儲(chǔ)層中天然裂隙較發(fā)育時(shí)，可以顯著提高儲(chǔ)層滲透率，形成裂隙性儲(chǔ)層。

2.4 儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)特征

利用毛管壓力曲線可以表征儲(chǔ)層孔隙喉道分布規(guī)律，從而可以定性評(píng)價(jià)儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同樣品排驅(qū)壓力、中值半徑及毛管壓力曲線形態(tài)，將研究區(qū)儲(chǔ)層毛管壓力曲線分為4 類，如圖5 所示。I 類毛管壓力曲線排驅(qū)壓力低（低于0.5 MPa），進(jìn)汞飽和度高（高于90%），中值半徑大于0.2 μm，毛管壓力曲線呈“下凹狀”，粗歪度，儲(chǔ)層主要為殘余粒間孔，孔隙結(jié)構(gòu)以大孔為主，連通性強(qiáng)，分選性好，滲流能力強(qiáng)；II 類毛管壓力曲線排驅(qū)壓力為0.5～1.0 MPa，中值半徑為0.1～0.2 μm，毛管壓力曲線呈“平緩斜線”狀，略粗歪度，儲(chǔ)層滲透性中等，儲(chǔ)層主要以粒間溶孔為主；III 類毛管壓力曲線排驅(qū)壓力為1.0～1.5 MPa，中值半徑為0.05～0.10 μm，毛管壓力曲線呈“斜直狀”，這一類儲(chǔ)層孔隙與喉道分選較差，主要發(fā)育粒內(nèi)溶孔，連通性差；Ⅳ類毛管壓力曲線排驅(qū)壓力高（大于1.5 MPa），進(jìn)汞飽和度低（低于20%），中值半徑小于0.05 μm，毛管壓力曲線呈“上凸”形態(tài)，這一類儲(chǔ)層孔隙類型以細(xì)小喉道為主，細(xì)歪度，儲(chǔ)層滲透性差，主要發(fā)育黏土晶間孔。

圖5 研究區(qū)砂巖毛管壓力曲線特征Fig.5 Characteristics of capillary pressure curve of sandstone in the study area

3 儲(chǔ)層發(fā)育主控因素

3.1 沉積微相對(duì)儲(chǔ)集物性的控制作用

研究區(qū)上古生界地層發(fā)育海相潮坪-瀉湖沉積體系、淺水三角洲沉積體系。沉積體系控制儲(chǔ)層的礦物組成，在一定程度上影響后期儲(chǔ)層的成巖作用及孔喉類型，進(jìn)而控制著儲(chǔ)層的宏觀物性。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢(shì)沉積微相與儲(chǔ)層物性具有正相關(guān)關(guān)系，海相潮坪-瀉湖沉積體系中，潮道儲(chǔ)層物性最好，孔隙度多為6%～15%，滲透率為0.1～10.0 mD；砂坪儲(chǔ)層物性中等，孔隙度變化范圍較大（3%～10%），滲透率基本為0.01～1.00 mD；混合坪與泥炭坪儲(chǔ)層物性較差，孔隙度多數(shù)小于5%，滲透率基本小于0.1 mD，如圖6 所示。陸相淺水三角洲沉積體系中，分流河道、水下分流河道等的儲(chǔ)層具有較好的物性，孔隙度多大于10%，滲透率基本大于1 mD；河口壩儲(chǔ)層物性一般，孔隙度多為5%～10%，滲透率多為0.01～1.00 mD；分流間灣發(fā)育的儲(chǔ)層物性較差，孔隙度基本小于5%，滲透率基本小于0.1 mD。

圖6 研究區(qū)不同沉積微相砂體儲(chǔ)層物性關(guān)系圖Fig.6 Porosity-Permeability plot displaying different sedimentary microfacies in the study area

3.2 巖性特征對(duì)儲(chǔ)集物性的控制作用

研究區(qū)儲(chǔ)層巖性主要為礫巖、粗砂巖、中砂巖及細(xì)砂巖?？傮w來(lái)說(shuō)，礫巖與粗砂巖儲(chǔ)層物性最好，礫巖平均孔隙度9.96%，以8%～10%為主，粗砂巖平均孔隙度10.23%，以4%～8%為主，其次為＞10%孔隙度。千5 段可能由于其沉積環(huán)境水動(dòng)力強(qiáng)，砂巖巖性粗，保留了大量殘余原生粒間孔，儲(chǔ)層物性較好；其次為中砂巖與細(xì)砂巖，平均孔隙度7.47%，以4%～8%區(qū)間為主，如圖7 所示。除細(xì)砂巖外，各巖性儲(chǔ)層滲透率多為0.1～0.5 mD，細(xì)砂巖儲(chǔ)層滲透率相比其他巖性更低。對(duì)應(yīng)氣層發(fā)育情況及沉積微相來(lái)說(shuō)，80%的氣層分布于粗粒砂巖中及優(yōu)勢(shì)沉積微相中（如辮狀河道、河口壩、潮道、砂坪等高能沉積微相環(huán)境）。

圖7 研究區(qū)不同巖性砂體粒度儲(chǔ)層物性關(guān)系圖Fig.7 Porosity-Permeability plot displaying grainsize of different lithology in the study area

3.3 成巖作用對(duì)儲(chǔ)集物性的控制作用

研究區(qū)經(jīng)歷多種成巖作用類型，具有多成巖作用疊加發(fā)育的特點(diǎn)，主要為壓實(shí)作用、膠結(jié)作用及溶解作用。

圖8 所示為研究區(qū)砂巖典型成巖作用。研究區(qū)各層位均呈現(xiàn)強(qiáng)壓實(shí)作用的特點(diǎn)（如圖8a 和圖8b所示），表現(xiàn)為顆粒之間凹凸-線接觸，原生孔隙被快速破壞，壓實(shí)程度高的地方可能發(fā)生壓溶作用。膠結(jié)作用主要表現(xiàn)為鈣質(zhì)膠結(jié)及泥質(zhì)膠結(jié)，與前述砂巖填細(xì)物類型有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖8c 所示）。鈣質(zhì)膠結(jié)多表現(xiàn)為方解石膠結(jié)及少量白云石膠結(jié)，泥質(zhì)膠結(jié)多大于10%，且對(duì)礦物類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，泥質(zhì)膠結(jié)礦物類型表現(xiàn)為伊利石、高嶺石、綠泥石、伊/蒙混層等。研究區(qū)還發(fā)育石英次生加大現(xiàn)象（如圖8d 所示）。早期的強(qiáng)壓實(shí)作用和持續(xù)的膠結(jié)作用是主要的破壞性成巖作用，減孔率可達(dá)60%～70%，是造成儲(chǔ)層致密化的主要因素。

研究區(qū)不同程度發(fā)育溶蝕現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為易溶礦物長(zhǎng)石、巖屑、鈣質(zhì)膠結(jié)物以及黏土礦物的溶蝕（如圖8e 和圖8f 所示）。長(zhǎng)石溶蝕是最常見(jiàn)的溶蝕現(xiàn)象，表現(xiàn)為鉀/鈉長(zhǎng)石溶蝕向伊利石/綠泥石轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。各層位溶蝕差異較為顯著，垂向上，盒4、盒6 段發(fā)育異常高孔高滲段，溶蝕作用可能最高，其他層位如盒2、盒7、太1 段可能也暗示其溶蝕程度相較其他層位強(qiáng)，物性較好。臨興氣田紫金山火山活動(dòng)加快水巖作用，溶蝕孔大量發(fā)育，增孔率可達(dá)10%～30%，極大改善了儲(chǔ)層物性（主要孔隙度）。

圖8 研究區(qū)砂巖典型成巖作用Fig.8 Thin sections and electron image displaying patterns of classic sandstone diagenesis in the study area

4 結(jié)論

1）研究區(qū)內(nèi)砂巖主礦物成分與沉積環(huán)境相對(duì)應(yīng)，底部太原組以海相石英砂巖為主，向上石盒子組、石千峰組以陸相巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖為主體，巖屑砂巖次之。由下至上穩(wěn)定礦物石英含量逐漸降低，不穩(wěn)定礦物長(zhǎng)石、巖屑成分逐漸升高，為后期溶蝕作用改善儲(chǔ)層物性提供了基礎(chǔ)。

2）研究區(qū)整體物性條件較差，表現(xiàn)為低滲低孔的特點(diǎn)，局部層段發(fā)育相對(duì)高孔高滲區(qū)，孔隙度大于10%，滲透率大于1 mD。儲(chǔ)集空間類型多樣，多發(fā)育次生改造孔隙，如粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔，殘余原生粒間孔、晶間孔及微裂隙僅在部分層位可見(jiàn)。其中，殘余原生粒間孔、粒間溶孔大量發(fā)育的儲(chǔ)層以I 類、II 類毛管壓力曲線為特征，儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)以大孔為主，連通性強(qiáng)，分選性好，滲流能力強(qiáng)，是有利的“甜點(diǎn)”發(fā)育區(qū)。

3）研究區(qū)儲(chǔ)集物性主要受控于沉積微相、砂巖巖性及成巖作用。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢(shì)沉積微相與儲(chǔ)層物性具有正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)辮狀河道、河口壩、潮道、砂坪等優(yōu)勢(shì)高能沉積微相環(huán)境形成的砂巖巖性粗，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)層物性好。強(qiáng)壓實(shí)及貫穿儲(chǔ)層成巖作用始終的廣泛膠結(jié)作用是造成儲(chǔ)層致密化的主因，造成60%～70%的減孔率，但部分層位發(fā)育的強(qiáng)溶蝕作用增孔率達(dá)到10%～30%，是儲(chǔ)層物性極大改善的關(guān)鍵發(fā)育“甜點(diǎn)”區(qū)。