蘇里格氣田東區(qū)二疊系盒8段致密砂巖儲(chǔ)層特征及成巖演化

毛朝瑞

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

0 引言

蘇里格氣田作為我國(guó)內(nèi)陸最大的氣田，其儲(chǔ)層為致密砂巖儲(chǔ)層，具有非均質(zhì)性強(qiáng)的特性，氣水分布復(fù)雜，表現(xiàn)為現(xiàn)今負(fù)壓的特點(diǎn)[1-3]。致密砂巖氣藏的氣水分布和產(chǎn)出與氣藏形成過(guò)程密切相關(guān)，以往對(duì)天然氣的成藏過(guò)程研究較多，但仍存在一定甚至較大分歧[4-5]。就運(yùn)移而論，存在著3種認(rèn)識(shí)：(1)非浮力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)距離側(cè)向運(yùn)移論[6-7]；(2)初期浮力驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)距離運(yùn)移，后期異常壓力驅(qū)動(dòng)近距離運(yùn)移[8]；(3)非浮力驅(qū)動(dòng)近距離運(yùn)移論[9-10]。就充注時(shí)間而言，存在著“先致密后成藏”與“先成藏后致密”的不同認(rèn)識(shí)[11-12]。就成藏機(jī)制和模式而言，先后提出過(guò)常規(guī)氣藏、深盆氣/盆地中心氣、連續(xù)聚集氣、準(zhǔn)連續(xù)聚集氣等不同觀點(diǎn)。

致密砂巖儲(chǔ)層的勘探與開(kāi)發(fā)和儲(chǔ)層物性之間密切相關(guān)，而成巖作用影響著儲(chǔ)層物性繼而影響了油氣成藏[13-14]。目前油氣勘探重點(diǎn)在非常規(guī)油氣資源，致密砂巖油氣得到越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注，在孔隙結(jié)構(gòu)、成巖演化以及成藏機(jī)理等方面都取得了進(jìn)展，但關(guān)于油氣的充注時(shí)間與儲(chǔ)層致密匹配關(guān)系的認(rèn)識(shí)尚未達(dá)成一致統(tǒng)一。且通過(guò)研究?jī)?chǔ)層致密歷程的成巖作用、成巖演化以及與油氣充注的時(shí)間順序問(wèn)題，對(duì)于致密砂巖儲(chǔ)層的勘查和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的尋找都具有重要的意義。

1 地質(zhì)背景

蘇里格氣田位于華北板塊西緣的鄂爾多斯盆地(圖1)，2020年底，蘇里格氣田作為鄂爾多斯盆地最大的產(chǎn)氣田，累計(jì)探明天然氣儲(chǔ)量(基本探明儲(chǔ)量)已達(dá)4.77×1012m3。由底到頂可將上古生界地層劃分為6個(gè)組，其中上石盒子組和下石盒子組包含8個(gè)含氣地層(盒8～盒1，自上而下)，下石盒子組的盒8段是蘇里格氣田天然氣富集的層位，由底到頂可進(jìn)一步劃分成盒8上1、盒8上2、盒8下1、盒8下2四個(gè)小層。盒8段主要屬于辮狀河三角洲沉積環(huán)境，具備分布廣泛、非均質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)[15]。

圖1 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田蘇東地區(qū)盒8段沉積地層圖

2 儲(chǔ)層巖石學(xué)特征

2.1 碎屑成分特征

對(duì)蘇東井區(qū)19口探井的126個(gè)鑄體薄片數(shù)據(jù)分析表明，盒8段碎屑礦物主要是石英、長(zhǎng)石和巖屑(圖2)?？v向上巖石類型組成差異較小，以巖屑砂巖為主，平均含量約61%；以巖屑石英砂巖為輔，平均含量約為32%；長(zhǎng)石石英砂巖(4%)和石英砂巖(3%)平均含量均較少。

圖2 盒8段巖性三角圖解

2.2 填隙物類型

盒8段儲(chǔ)層填隙物含量占比約為5.20%～31.50%。高嶺石、伊利石和綠泥石等填隙物普遍發(fā)育，硅質(zhì)和鈣質(zhì)膠結(jié)物較為常見(jiàn)，偶見(jiàn)凝灰質(zhì)(圖3)。高嶺石含量盒8上2段較高(2.7%)；伊利石在盒8下2段分布最廣(5.5%)，向上依次遞減；綠泥石含量盒8上1段最高(5.0%)，盒8上2段最低(2.0%)；鈣質(zhì)膠結(jié)物在盒8上1段分布較廣(3.5%)；硅質(zhì)含量盒8下2段較高(1.9%)，向上逐漸減少；四個(gè)小層的凝灰質(zhì)占比普遍偏低。

3 物性特征及儲(chǔ)集空間樣式

3.1 物性特征

盒8段孔隙度平均值和中位值均小于10%，其分布區(qū)間為0.54%～18.33%；盒8下2段儲(chǔ)層孔隙度最高，盒8上1段最低，儲(chǔ)層大多致密。滲透率平均值和中位值均小于1 mD，主要分布于0.001～10.477 mD；盒8下段滲透率較好，盒8上段滲透率較差，多為低滲儲(chǔ)層(圖4)。四個(gè)小層中盒8下2段物性最好，盒8上1段物性最差，整體上表現(xiàn)為由頂?shù)降孜镄灾饾u改善。

(a)Z70井2666.74m，部分粒表具綠泥石膜，粒間高嶺石膠結(jié)充填，SEM；(b)T32井2705.06m，部分蝕變狀綠泥石粘土充填孔隙生長(zhǎng)，SEM；(c)T36井2526.13m，孔隙被高嶺石充填，SEM；(d)T36井2516.92m；碎屑顆粒溶蝕蝕變伊利石化，SEM。

圖4 蘇里格氣區(qū)蘇東井區(qū)盒8段儲(chǔ)層孔隙度(左)、滲透率(右)分布直方圖

3.2 儲(chǔ)集空間樣式

盒8段儲(chǔ)層富集溶孔(圖5a、c)和粒間孔(圖5d、f)，其次為晶間孔(圖5b)，微裂隙以及微孔均較少見(jiàn)(圖5e)。盒8上1段主要儲(chǔ)集空間為粒間孔(57%)；盒8上2段主要富集溶孔(74%)；盒8下段溶孔占比逐漸遞增，其中盒8下1段約占76%，盒8下2段約占88%(表1)。盒8段的儲(chǔ)集空間樣式相差較大，盒8上1段主要分布粒間孔，其余三個(gè)層主要分布溶孔且由上到下溶孔占比遞增，整個(gè)盒8段含有微量的微裂隙和微孔。

表1 蘇東區(qū)盒8段儲(chǔ)集空間樣式

4 成巖作用階段

儲(chǔ)層的物性受成巖作用直接或間接的影響，盒8段發(fā)育多種成巖作用，其中壓實(shí)作用破壞了孔隙間的結(jié)構(gòu)；膠結(jié)作用充填于儲(chǔ)層孔隙間且堵塞了一部分喉道；溶蝕作用產(chǎn)生的溶孔作為次生孔隙增加了孔隙度。前兩種成巖作用都降低了儲(chǔ)層的物性，后者則對(duì)儲(chǔ)層的物性起到了改善的作用。

4.1 壓實(shí)作用

砂巖整體表現(xiàn)為顆粒之間點(diǎn)接觸為主體、線接觸次之(圖5g)，表明在成巖演化作用早期，各地層在上覆地層的快速壓實(shí)下，原生孔隙結(jié)構(gòu)被快速破壞，并發(fā)生少量的壓溶現(xiàn)象(圖5h)，此外，還存在塑性碎屑，如云母顆粒的擠壓變形現(xiàn)象(圖5g)。

在成巖演化的早期階段，地層快速的沉降壓實(shí)是導(dǎo)致儲(chǔ)層致密的重要原因之一[16]。壓實(shí)作用使得研究區(qū)孔隙度急劇下降。

4.2 膠結(jié)作用

盒8段主要表現(xiàn)為三種主要的膠結(jié)充填類型，鈣質(zhì)膠結(jié)，硅質(zhì)膠結(jié)以及粘土雜基充填。膠結(jié)作用表現(xiàn)為兩種形式：一方面為綠泥石膜附著在碎屑顆粒表面，減少了持續(xù)壓實(shí)作用對(duì)孔隙的破壞；另一方面，晚期的粘土礦物發(fā)生膠結(jié)作用產(chǎn)生的各類膠結(jié)物導(dǎo)致一部分孔隙被堵塞，儲(chǔ)層物性整體下降[15]。研究區(qū)至少存在三期自身黏土礦物充填特征，早期表現(xiàn)為黏土雜基充填，掃描電鏡下高嶺石致密堆積區(qū)可能為該部分黏土礦物的沉積區(qū)(圖5i)。第二期黏土礦物為早期的自生綠泥石以及長(zhǎng)石溶蝕之后形成的高嶺石。第三期的自生黏土礦物以綠泥石為主體。方解石以兩種方式進(jìn)行充填膠結(jié)，其一，充填原生粒間孔，其二，充填于長(zhǎng)石溶蝕孔或顆粒溶孔中(圖5a)。

4.3 溶蝕作用

溶蝕作用是砂巖增孔的主要途徑，盒8段砂巖發(fā)育各種溶蝕現(xiàn)象，其中最普遍的為長(zhǎng)石顆粒溶蝕(圖5a)；巖屑顆粒由于不太穩(wěn)定也易被溶蝕；此外，膠結(jié)物以及顆粒間粘土中某些易溶礦物也經(jīng)常發(fā)生溶蝕。研究區(qū)普遍發(fā)育長(zhǎng)石溶蝕，即鉀長(zhǎng)石與鈉長(zhǎng)石受到溶蝕作用轉(zhuǎn)化為伊利石和綠泥石。盒8段存在兩期溶蝕作用，第一期溶蝕作用產(chǎn)物為高嶺石，形成的晶間孔提高了儲(chǔ)層的物性，經(jīng)過(guò)兩期膠結(jié)作用孔隙度大幅減退；第二期溶蝕作用于長(zhǎng)石，經(jīng)過(guò)持續(xù)的壓實(shí)和多期的膠結(jié)作用，溶蝕的增孔作用有所下降，但仍小幅度改善了儲(chǔ)層的物性。

(a)T32井2684.44m，長(zhǎng)石溶蝕，單偏光；(b)T32井3739.79m，晶間孔中充填高嶺石，單偏光；(c)T36井2464.64m，粒間孔、顆粒溶蝕產(chǎn)生溶孔，單偏光；(d)Z53井2671.3m，長(zhǎng)石顆粒發(fā)生溶蝕，伊利石充填殘余粒間孔，SEM；(e)Z51井，2847.69m，方解石膠結(jié)物溶蝕產(chǎn)生微孔及微裂縫，SEM；(f)Z67井，2697.17m，殘余孔隙中石英膠結(jié)充填，SEM；(g)Z52井2700.90m，云母被擠壓變形，單偏光；(h)Z53井2696.7m，愈合裂隙，壓溶愈合現(xiàn)象，陰極發(fā)光；(i)T30井，2787.35m，高嶺石及伊利石粘土充填生長(zhǎng)，SEM

4.4 次生孔隙再充填作用

砂巖中黏土礦物充填含量較高，除少部分存在凝灰質(zhì)雜基以及鐵泥質(zhì)以外，多數(shù)表現(xiàn)為蒙皂石的綠泥石、伊利石轉(zhuǎn)化，以及長(zhǎng)石溶蝕高嶺石化等。次生孔隙充填物類型多樣，主要表現(xiàn)為綠泥石、伊利石、方解石、自生石英對(duì)早期溶蝕孔隙以及原生粒間孔的充填膠結(jié)。

5 成巖演化特征

5.1 成巖作用序列分析

對(duì)照成巖演化階段劃分標(biāo)志表(表2)，蘇東井區(qū)成巖演化時(shí)期為早成巖A-中成巖B期[17]，盒8段砂巖整體致密，具有多種成巖作用疊加發(fā)育，高壓實(shí)減孔與強(qiáng)膠結(jié)充填致密的特點(diǎn)。

早成巖A期階段，早期的碎屑顆粒沉積之后發(fā)生了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，孔隙度急劇減小并形成以原生粒間孔為主體的階段孔隙類型。與此同時(shí)，早期的易溶火山巖碎屑或基性類長(zhǎng)石廣泛溶蝕為原生孔隙中的孔隙水提供了大量的堿土金屬離子，形成了早期少量的綠泥石膜以及部分的次生石英加大。

表2 成巖演化階段劃分標(biāo)志[15]

早成巖B期-中成巖A期隨著埋深加大，烴源巖熱演化程度逐漸增加，開(kāi)始排酸，早期二氧化碳分壓較高的碳酸對(duì)儲(chǔ)層進(jìn)行第一次充注溶蝕，長(zhǎng)石類等易溶類礦物遭受了大量的溶蝕，由于儲(chǔ)層連通性差異，砂泥互層，溶蝕物質(zhì)不易被大量交換，鋁硅酸類離子大量聚集，且早期碳酸提供大量的碳酸根離子，因此形成了多種類型的膠結(jié)物：第二期的高嶺石、綠泥石，第二期的硅質(zhì)石英加大，以及第一期鈣質(zhì)膠結(jié)物；隨著烴源巖熱演化程度的持續(xù)增高，大量的烴類有機(jī)酸排出形成了長(zhǎng)石類的廣泛溶蝕現(xiàn)象，該時(shí)期的溶蝕也是導(dǎo)致長(zhǎng)石類含量在蘇東地區(qū)盒8段普遍較低的主要原因。大量長(zhǎng)石的溶蝕也為后期硅質(zhì)膠結(jié)物的持續(xù)生長(zhǎng)以及后期黏土礦物充填提供物質(zhì)，這也是在蘇東地區(qū)能廣泛觀察到3期石英次生加大、2期方解石膠結(jié)，多期自生黏土礦物充填的重要原因。中成巖B期，封閉的成巖環(huán)境變?yōu)槿鯄A性，蒙脫石轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?，伊利石多呈絲狀，油氣開(kāi)始充注。綜上，蘇東地區(qū)盒8段儲(chǔ)層的成巖演化序列為：壓實(shí)作用-石英加大Ⅰ-綠泥石膜Ⅰ-長(zhǎng)石溶蝕Ⅰ-高嶺石-綠泥石膜Ⅱ-石英加大Ⅱ-方解石-石英加大Ⅲ-長(zhǎng)石溶蝕Ⅱ-伊利石-油氣充注(圖6)。

5.2 成巖-成藏耦合關(guān)系探討

烴類流體的捕獲溫度與同一時(shí)期烴類包裹體的鹽水包裹體的均一溫度相似，應(yīng)用投影法結(jié)合流體包裹體均一溫度與埋藏史，將蘇東井區(qū)主要油氣充注期次以及同一時(shí)期的鹽水包裹體均一溫度與埋藏史圖對(duì)比分析，可進(jìn)一步估算出研究區(qū)的油氣充注時(shí)間即成藏時(shí)間[18]。

蘇東井區(qū)均一溫度為單峰，主要成藏期次位于早白堊世，均一溫度在100℃～150℃發(fā)生大規(guī)模成藏，距今約140～100 Ma，蘇東區(qū)油氣成藏是一期漫長(zhǎng)的連續(xù)成藏過(guò)程。

圖6 蘇里格氣區(qū)蘇東井區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層成巖演化與成藏的耦合關(guān)系

蘇東井區(qū)盒8段原始孔隙度為36.60%，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用分別降低了孔隙度21.70%和14.00%，溶蝕作用與晶間孔均提高了儲(chǔ)層孔隙度，分別增長(zhǎng)了2.50%和6.30%的孔隙度，使物性有所改善，當(dāng)今測(cè)得的孔隙度為10.55%。作為砂巖致密的主要作用，壓實(shí)作用和膠結(jié)作用減孔率分別是58.90%和38.40%；作為儲(chǔ)集空間改善的主要因素，溶蝕作用(增孔率17.50%)和晶間孔(增孔率6.90%)提高了儲(chǔ)層物性。按巖石類別區(qū)分，相比較巖屑石英砂巖(減孔率59.40%)，巖屑砂巖(減孔率56.10%)更容易受到壓實(shí)作用的影響；膠結(jié)作用對(duì)巖屑砂巖的影響較巖屑石英砂巖弱，減孔率分別為37.20%和43.90%。

強(qiáng)烈的壓實(shí)作用在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)中期結(jié)束時(shí)，蘇東地區(qū)盒8段儲(chǔ)層孔隙度已經(jīng)達(dá)到了16%，盡管當(dāng)時(shí)儲(chǔ)層沒(méi)有達(dá)到致密儲(chǔ)層，仍存在一定的儲(chǔ)集空間，但骨架顆粒與顆粒之間的接觸關(guān)系已經(jīng)趨于緊密，孔隙之間的連通性也變差，已經(jīng)初步形成了致密化的背景，侏羅紀(jì)初期—中期經(jīng)歷了粘土膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)，孔隙度下降至11.5%，儲(chǔ)層致密。此后雖然經(jīng)歷了溶蝕孔隙度略有增加，但儲(chǔ)層整體處于致密狀態(tài)。通過(guò)分析烴源巖生排烴史以及對(duì)儲(chǔ)層流體包裹體的觀察，在早白堊世早中期才開(kāi)始天然氣的充注，早白堊世早晚期為主要充注期。因此，蘇東井區(qū)儲(chǔ)層致密后才開(kāi)始天然氣的充注。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)蘇里格氣田東部地區(qū)盒8段儲(chǔ)集層主要為低成分成熟度的巖屑石英砂巖和巖屑砂巖，孔隙受到壓實(shí)作用時(shí)減孔率更?。惶钕段镏泻孔罡叩臑楦邘X石、綠泥石、伊利石，碳酸鹽和硅質(zhì)發(fā)育較少，偶見(jiàn)凝灰質(zhì)；盒8段物性整體從上到下逐漸改善；盒8上1段以粒間孔為主要儲(chǔ)集空間，其余三個(gè)層主要分布溶孔且由上到下溶孔占比遞增。

(2)蘇里格氣田東部井區(qū)盒8段儲(chǔ)層的成巖演化分為三個(gè)階段：第一階段是早成巖A期主要發(fā)生壓實(shí)作用的弱酸性溶蝕階段；第二階段是早成巖B期-中成巖A期發(fā)生多期溶蝕作用和膠結(jié)作用的酸性溶蝕階段；第三階段是中成巖B期發(fā)生油氣充注的弱堿性交代、膠結(jié)階段。

(3)結(jié)合致密儲(chǔ)層孔隙度演化史和油氣充注時(shí)間判別出蘇東地區(qū)致密砂巖儲(chǔ)層的致密-成藏耦合關(guān)系為“先致密后成藏”：天然氣主成藏期約在140～100 Ma，儲(chǔ)層約于150 Ma致密，儲(chǔ)層致密先于油氣充注發(fā)生，形成了“先致密后成藏”型的油氣藏。