王永驍,付斯一,張成弓,范 萍
(1.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059;2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,西安 710018)
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(diǎn),資源豐富,勘探潛力巨大[1]。近年來(lái),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(xiàn)度較大。多位學(xué)者對(duì)該層段的沉積儲(chǔ)層開(kāi)展了研究,葉黎明等[4-5]認(rèn)為山西期為寬緩廣闊的南傾古緩坡構(gòu)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(rèn)為盆地內(nèi)基準(zhǔn)面旋回、潮汐和波浪作用控制了砂體的展布和儲(chǔ)層非均質(zhì)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(chǔ)層,原生孔隙大量保存,進(jìn)而形成了現(xiàn)今的天然氣儲(chǔ)集體;季漢成等[11-12]總結(jié)了儲(chǔ)集層經(jīng)歷的復(fù)雜成巖作用,并分析了山2 段膠結(jié)作用、壓實(shí)作用、壓溶作用、溶蝕等因素對(duì)儲(chǔ)層的影響;趙卿[13]從砂體結(jié)構(gòu)特征和微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征入手,對(duì)細(xì)砂巖、粉砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行深入研究,闡述了晶間孔的重要性??偨Y(jié)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(chǔ)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(chǔ)層,但并未闡明山2 段儲(chǔ)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(cè)試資料來(lái)分析山2 段的致密砂巖儲(chǔ)層巖石類型及儲(chǔ)集空間特征,在此基礎(chǔ)上,探討構(gòu)造背景、儲(chǔ)層沉積環(huán)境及成巖相類型對(duì)儲(chǔ)層物性的控制作用,詳細(xì)討論山2 段儲(chǔ)層低孔低滲成因及其控制因素,進(jìn)而更有效地指導(dǎo)油氣勘探。
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(gòu)造單元[圖1(a)]。早二疊世山西期,海西運(yùn)動(dòng)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(cè)開(kāi)始逐漸退出,致使盆地整體由海相沉積向陸相沉積轉(zhuǎn)變。因此,鄂爾多斯盆地整體處于海陸過(guò)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(nèi)的沉積逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鳌侵蕹练e體系[19]。山西組的沉積厚度達(dá)100 m 左右。在地層接觸關(guān)系方面,研究區(qū)內(nèi)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(xì)分為山21、山22及山23等3 個(gè)小層[20-21][圖1(b)]。
通過(guò)對(duì)巖心觀察和薄片鑒定,認(rèn)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(chǔ)層巖石類型主要為含礫粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖等,但以中—細(xì)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(jié)果顯示,石英含量占據(jù)優(yōu)勢(shì),其體積分?jǐn)?shù)超過(guò)61.53%,巖屑含量次之,長(zhǎng)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(duì)較高。對(duì)于山2 段各小層巖石的巖碎屑質(zhì)含量而言,致密砂巖儲(chǔ)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(shuō)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(chǔ)層巖石組分三角圖Ⅰ.石英砂巖;Ⅱ.長(zhǎng)石石英砂巖;Ⅲ.巖屑石英砂巖;Ⅳ.長(zhǎng)石砂巖;Ⅴ.巖屑長(zhǎng)石砂巖;Ⅵ.長(zhǎng)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
在薄片統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合黏土礦物及全巖實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)山2 段致密砂巖內(nèi)填隙物由雜基和膠結(jié)物組成,其中雜基包括高嶺石、伊利石、綠泥石、凝灰質(zhì)等,膠結(jié)物包括白云石、鐵白云石、鐵方解石以及硅質(zhì)物質(zhì),并含少量的黃鐵礦、菱鐵礦等[22],山2 段填隙物總體積分?jǐn)?shù)為21.09%,其中山22小層填隙物體積分?jǐn)?shù)最高,為24.4%;山22伊利石體積分?jǐn)?shù)最高,為13.73%;山23、山21高嶺石體積分?jǐn)?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(jì)Table 1 Composition statistics of tight sandstone interstitials of the second member of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin
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(shí),山23基質(zhì)含量較低,結(jié)構(gòu)成熟度較高,體現(xiàn)了碎屑顆粒搬運(yùn)距離較遠(yuǎn),受到較少的水流或波浪作用改造。
鑄體薄片鏡下鑒定認(rèn)為鄂爾多斯盆地東部山2段砂巖發(fā)育多種儲(chǔ)集空間類型,包括粒間孔、鑄??住⒘?nèi)溶孔、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(jié)合巖心樣品壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,山2段砂巖儲(chǔ)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(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)整體相對(duì)較好,微觀孔喉非均質(zhì)性相對(duì)較強(qiáng)。
圖4 鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲(chǔ)層孔隙鏡下特征及掃描電鏡照片(a)粒內(nèi)溶孔,細(xì)砂巖,S393 井,山22;(b)粒內(nèi)溶孔,中-細(xì)砂巖,M53 井,山23;(c)粒間孔,中-細(xì)砂巖,Y29 井,山23;(d)粒間孔,細(xì)砂巖,Y117 井,山22;(e)晶間孔,細(xì)砂巖,S248 井,山23;(f)微裂隙,巨砂質(zhì)粗粒巖屑砂巖,B9 井,山23;(g)粒間孔,細(xì)砂巖,S393 井,山22;(h)晶間孔,細(xì)砂巖,M26 井,山21;(i)粒內(nèi)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(xì)砂巖,Y98 井,山23;(l)伊利石晶間孔,細(xì)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(chǔ)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(yīng)用掃描電鏡觀察山2 段砂巖儲(chǔ)層的微觀孔喉結(jié)構(gòu),可以直觀的發(fā)現(xiàn)大量的粒內(nèi)溶孔、高嶺石晶間孔以及微裂隙[圖4(i)—(k)],這些孔隙對(duì)改善致密砂巖的儲(chǔ)層物性具有積極作用,特別是微裂隙的連通性可將原本儲(chǔ)存的束縛流體變?yōu)榭蓜?dòng)流體,提高可動(dòng)流體飽和度,但同時(shí)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(guò),降低了儲(chǔ)層的可動(dòng)流體飽和度。
(1)壓實(shí)-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(guò)程中發(fā)生了明顯的壓實(shí)作用,表現(xiàn)為:隨著埋藏深度的增加,碎屑顆粒多呈點(diǎn)線接觸,接觸關(guān)系由彼此分離到趨于緊密,偶爾可見(jiàn)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(zhǎng)軸沿水平方向定向排列;石英、長(zhǎng)石等硬性顆粒受應(yīng)力作用發(fā)生脆性破裂,碎屑顆粒間多見(jiàn)線接觸,凹凸接觸較少。這些表現(xiàn)說(shuō)明山2 段砂巖骨架顆粒結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定,后期很難被進(jìn)一步壓實(shí)[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(chǔ)層的重要成巖事件,是局部?jī)?chǔ)層物性改善的主要原因。其特征為:山2 段砂巖儲(chǔ)層中主要發(fā)育長(zhǎng)石和巖屑溶蝕,偶見(jiàn)硅質(zhì)碎屑溶蝕[圖6(e)—(h)],而溶蝕作用的發(fā)生主要受山2 段儲(chǔ)層中的早期有機(jī)酸充注的影響[9],致使長(zhǎng)石發(fā)生溶解形成粒內(nèi)溶孔或鑄???,巖屑發(fā)生溶蝕形成蜂窩狀孔隙等。
(3)膠結(jié)作用。鄂爾多斯盆地東部山2 段的膠結(jié)作用明顯,主要包括高嶺石膠結(jié)、伊利石膠結(jié)、菱鐵礦膠結(jié)、鐵白云石膠結(jié)和泥晶白云石膠結(jié)等[圖6(i)—(l)],大部分膠結(jié)作用為破壞性成巖作用,膠結(jié)物堵塞了孔隙,但高嶺石的發(fā)育增加了顆??箟簩?shí)性,并防止石英的次生加大現(xiàn)象極大限度地保護(hù)了孔隙;其次綠泥石對(duì)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(chǎn)出,阻礙了石英次生加大邊的生成,進(jìn)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(zhǎng)石溶蝕,S50 井,山23;(f)粒內(nèi)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(zhì)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(jié),Y117 井,山22;(j)高嶺石、伊利石膠結(jié),Y117 井,山22;(k)伊利石膠結(jié),S110 井,山23;(l)泥晶白云石膠結(jié),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(jié)粒內(nèi)溶蝕相、伊利石+高嶺石膠結(jié)晶間微孔相、伊利石+碳鹽巖膠結(jié)晶間微孔相、泥質(zhì)膠結(jié)壓實(shí)相(表2)。①高嶺石膠結(jié)粒內(nèi)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(jìn)汞率大于80%,是最有利成巖相帶;②伊利石+高嶺石膠結(jié)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(jìn)汞率為60%~80%;③伊利石+碳酸鹽膠結(jié)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(jìn)汞率為30%~50%;④泥質(zhì)膠結(jié)壓實(shí)相主要特征表現(xiàn)為強(qiáng)壓實(shí)作用及泥質(zhì)膠結(jié)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(jìn)汞率小于40%。依據(jù)盆地內(nèi)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
任何一個(gè)地區(qū)儲(chǔ)層的發(fā)育受控于構(gòu)造、物源、沉積、成巖和油氣充注等多種因素[23]。對(duì)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。
(1)塑性顆粒和巖屑加劇壓實(shí)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(xì)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(guò)程中抗壓性弱,受壓易變形,在研究區(qū)內(nèi)塑性成分含量高的地方,壓實(shí)作用較強(qiáng)烈,極大地降低了儲(chǔ)層的孔隙度和滲透率。
(2)膠結(jié)物類型多樣,膠結(jié)作用強(qiáng)烈,加劇物性變差。膠結(jié)作用是沉積物轉(zhuǎn)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(jié)作用類型,主要有高嶺石膠結(jié)、伊利石膠結(jié)、白云石膠結(jié)、方解石膠結(jié)和菱鐵礦膠結(jié)等,膠結(jié)物類型多樣,彼此之間的關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜,同時(shí)大量的膠結(jié)物充填于顆粒之間的孔隙,進(jìn)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(jiàn)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(yīng)是酸性環(huán)境。在酸性環(huán)境下,早期的碳酸鹽膠結(jié)物難以在碎屑顆粒之間的原生孔隙內(nèi)形成,無(wú)法充填孔隙,導(dǎo)致壓實(shí)作用過(guò)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(gòu)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(dǎo)致溶蝕作用較弱無(wú)法改善儲(chǔ)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(nèi)溶蝕作用弱,未見(jiàn)到大量鑄??缀土ig溶蝕擴(kuò)大孔,僅在長(zhǎng)石和巖屑顆粒內(nèi)部可見(jiàn)部分粒內(nèi)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(dòng)性不強(qiáng),早期快速埋藏壓實(shí)作用減小了原生孔隙,導(dǎo)致儲(chǔ)層物性較差,連通性不好,地層中溶蝕流體難以大面積流動(dòng);同時(shí),前人研究認(rèn)為該地區(qū)大地構(gòu)造背景穩(wěn)定[23],也不利于儲(chǔ)層溶蝕流體的活躍性,導(dǎo)致溶蝕作用普遍較弱。②可溶蝕對(duì)象少,巖石類型以石英砂巖為主,長(zhǎng)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(guò)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(shí)間內(nèi)埋藏深度達(dá)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(jié)物未有效充填孔隙,導(dǎo)致該地區(qū)砂巖的抗壓強(qiáng)度較小,在壓實(shí)過(guò)程中,原生孔隙幾乎損失殆盡。壓實(shí)作用導(dǎo)致儲(chǔ)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
基于上述分析,認(rèn)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(xì)微的差異壓實(shí)作用。膠結(jié)作用和溶蝕作用才是該區(qū)有利儲(chǔ)層分布主要控制因素。同時(shí),儲(chǔ)層孔隙類型以粒間孔為主,長(zhǎng)石和巖屑的差異溶蝕是導(dǎo)致儲(chǔ)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(jié)粒內(nèi)溶蝕成巖相可形成相對(duì)有利的儲(chǔ)層,其次為伊利石+高嶺石膠結(jié)晶間微孔相,而成巖相的平面展布特征揭示出發(fā)育2 個(gè)相對(duì)有利儲(chǔ)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(jiàn)圖7)。
(1)鄂爾多斯盆地東部山2 段致密砂巖儲(chǔ)層巖石類型主要為中—細(xì)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(chǔ)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(shí)作用、膠結(jié)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(chǔ)層的成因可以歸納為塑性顆粒和巖屑加劇壓實(shí)作用,降低物性;膠結(jié)物類型多樣、膠結(jié)作用強(qiáng)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(wú)法改善儲(chǔ)層物性;快速埋藏過(guò)程不利于原生孔隙的保存,從而形成現(xiàn)今的低孔低滲儲(chǔ)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(gè)相對(duì)有利儲(chǔ)層分布區(qū)。
致謝:在本文的撰寫(xiě)過(guò)程中,感謝成都理工大學(xué)張成弓老師、付斯一老師給予的幫助。