鄂爾多斯盆地北部二疊系下石盒子組致密砂巖成巖作用及孔隙成因

徐寧寧，張守鵬，王永詩，邱隆偉

1.勝利石油管理局博士后科研工作站，山東東營 257000 2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東東營 257022 3.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營 257000 4.中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580

0 引言

致密砂巖氣自20 世紀(jì)70 年代在北美發(fā)現(xiàn)并大規(guī)模開采以來，已有近五十年的勘探歷史。中國近幾年在多個(gè)盆地陸續(xù)發(fā)現(xiàn)致密砂巖氣，其中鄂爾多斯盆地北部上古生界致密氣資源十分豐富。現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的氣田有東勝氣田、蘇里格氣田、榆林氣田、烏審旗氣田、大牛地氣田、米脂氣田等。鄂北地區(qū)上古生界物源主要來自于北部、東北部和西北部[1-2]，發(fā)育的河流—三角洲沉積體系自北向南展布開來[1,3-5]。其中下石盒子組平面上自東向西形成神木—綏德方向（盟8 井—榆19 井—榆11 井）、東勝—大牛地—榆林方向（陜208—陜141—麒參1井）和杭錦旗—烏審旗方向（伊6井—陜191井—陜3井—青1井）等多個(gè)方向的主砂體帶[1-2,6]，所形成的碎屑巖儲層在平面上具有強(qiáng)繼承性。

針對鄂北不同氣田的儲層特征的研究內(nèi)容很多，多集中于特定地區(qū)[7-8]。而對于盆地南北方向物源繼承性碎屑巖儲層的區(qū)域性演化方面的工作則相對較少[9]。如東勝—大牛地方向的碎屑巖儲層，平面上跨越北部的伊盟隆起和伊陜斜坡，地層溫壓條件均有顯著的差異。而這種差異性的因素會如何影響儲層，以及差異性存在的同時(shí)兩者儲層特征共性又如何。解決這些問題對于理解平面上大尺度的碎屑巖儲層的形成和演化有重要的意義?；谶@一點(diǎn)，本文以杭錦旗地區(qū)和大牛地氣田碎屑巖儲層為主要研究對象，探討繼承性砂巖儲層的差異性形成機(jī)制。

1 地質(zhì)背景

1.1 構(gòu)造位置

鄂爾多斯盆地位于中國板塊西北部、華北地臺的西部，具有比較穩(wěn)定的中、上元古界基底。盆地除邊緣變形較強(qiáng)烈外，內(nèi)部變形構(gòu)造極其微弱。經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動但均以整體升降為主，斷層不發(fā)育，是一個(gè)西傾且傾角不到1°的大型平緩斜坡[10]。盆地由六個(gè)一級構(gòu)造單元組成：伊陜斜坡、伊盟隆起、晉西撓褶帶、渭北隆起、天環(huán)坳陷和西緣沖斷帶[11]（圖1a）。

杭錦旗探區(qū)位于鄂爾多斯盆地北部，橫跨鄂爾多斯盆地兩大構(gòu)造單元—伊盟隆起與伊陜斜坡，二者以泊爾江海子斷裂為界[12]（圖1b）。自古生代至晚古生代早期，杭錦旗探區(qū)一直處于相對隆起的狀態(tài)，局部地區(qū)有太古界及下元古界變質(zhì)結(jié)晶基底出露，是一個(gè)繼承性的隆起帶和剝蝕區(qū)。現(xiàn)今構(gòu)造繼承了燕山期的構(gòu)造格局，總體表現(xiàn)為東高西低、北高南低的構(gòu)造特征。受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制，發(fā)育兩條走向近東西的次級斷裂，分別是泊爾江海子斷裂和烏蘭吉林廟斷裂，控制了下古生界的沉積和局部構(gòu)造的形成[13]。大牛地氣田位于伊陜斜坡，為一平緩的西傾單斜構(gòu)造，氣藏面積將近775 km2[14]（圖1c）。其氣源巖主要為石炭系和二疊系厚層泥巖及煤層，儲集層段主要為石炭系太原組和二疊系山西組、下石盒子組，蓋層主要為區(qū)域性分布的石炭系和二疊系泥巖，垂向上構(gòu)成自生自儲型及近源型天然氣藏[15]。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造劃分及研究區(qū)地理位置圖（據(jù)文獻(xiàn)[11]修改）Fig.1 Tectonic divisions of the Ordos Basin and the geographic location of the study areas (modified from reference [11])

1.2 地層發(fā)育特征

鄂爾多斯盆地基底為太古界（Ar）及下元古界變質(zhì)巖。其上發(fā)育地層有中元古界長城系（Pt2ch），薊縣系（Pt2jx），上元古界震旦系（Pt2z）地層以及古生界、中新生界地層[10]。研究層段二疊系下石盒子組巖性以砂巖為主，夾少量泥巖，總厚度100~160 m。其中砂巖底部常含礫石，主要為淺灰綠、灰白及灰黃色塊狀含礫粗—中砂巖和細(xì)砂巖，泥巖主要呈現(xiàn)紫紅、棕褐和灰色（圖2）。另可見少量粉砂質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和煤線。

圖2 鄂北地區(qū)上古生界地層發(fā)育特征Fig.2 Stratigraphic features of the Upper Paleozoic in thenorthern part of the Ordos Basin

1.3 沉積相特征

鄂爾多斯盆地北部上古生界沉積體系具有繼承性，在大地構(gòu)造的制約下經(jīng)歷海相—海陸過渡相—陸相的發(fā)展過程[10]。二疊系下石盒子組是一個(gè)超長期層序充填旋回，主要是在地形高差顯著的古構(gòu)造—沉積背景下形成的湖泊—三角洲沉積體系[16-17]，以發(fā)育進(jìn)積型的辮狀河—辮狀河三角洲，及側(cè)向遷移為特點(diǎn)的曲流河—曲流河三角洲沉積為主，同時(shí)沉積中心繼續(xù)向南遷移[4]。

北部大牛地氣田和杭錦旗探區(qū)二疊系下石盒子組中泥巖顏色由北向南呈現(xiàn)紅色—棕紅色等氧化色到灰—灰黑色等還原色的變化，反映三角洲沉積的陸上平原亞相沉積到水下三角洲前緣的沉積轉(zhuǎn)變；同時(shí)垂向上不同小層間泥巖顏色分界線在平面上的向南部遷移，也表明整體進(jìn)積式的地層疊加模式[18-19]。物源分析表明杭錦旗—大牛地一線主要為巖屑砂巖分布區(qū)及鋯石+鐵礦物分布區(qū)[20]，亦同樣說明兩者在物源上的繼承性。

2 研究結(jié)果

2.1 骨架顆粒

偏光顯微鏡下的薄片點(diǎn)統(tǒng)計(jì)方法（point count）可定量識別儲層中各類礦物[21]。選取杭錦旗探區(qū)X1井和大牛地氣田E1井作為測試對象，統(tǒng)計(jì)上古生界二疊系下石盒子組儲層的碎屑顆粒和膠結(jié)物的含量。鑒定數(shù)據(jù)顯示二者主要差異集中于兩個(gè)方面，長石顆粒的類型和含量。錦2 井長石含量范圍為10%~15%，普遍高于10%，同時(shí)包含部分斜長石顆粒。而大1 井長石含量較小，含量范圍0.5%~3.0%，普遍3.0%，且基本不含斜長石，而以鉀長石為主。整體的巖石類型由北部杭錦旗探區(qū)的長石質(zhì)巖屑砂巖、巖屑砂巖和亞巖屑砂巖組合向南部大牛地氣田轉(zhuǎn)變?yōu)榈綆r屑砂巖和亞巖屑砂巖的組合。石英、長石和巖屑顆粒的平面分布特征顯示以泊爾江海子斷裂為界，北部長石含量突出，而南部直至大牛地氣田長石含量均極少，平面性的長石含量差異性特征更為顯著（圖3）。

圖3 鄂北地區(qū)二疊系下石盒子組致密砂巖巖石骨架顆粒發(fā)育及分布特征①長石砂巖；②巖屑質(zhì)長石砂巖；③長石質(zhì)巖屑砂巖；④巖屑砂巖；⑤亞長石砂巖；⑥亞巖屑砂巖；⑦石英砂巖Fig.3 Development features and distribution of framework grains of tight sandstones of the Permian XiashiheziFormation in the northern part of the Ordos Basin

2.2 成巖礦物

杭錦旗探區(qū)砂巖以普遍發(fā)育的石英次生加大、長石顆粒的高強(qiáng)度溶蝕、分布廣泛的高嶺石膠結(jié)以及局部發(fā)育的方解石膠結(jié)為主要特征（圖4）。壓實(shí)作用明顯，顆粒間以線和凸凹—線接觸方式為主。早期成巖作用以綠泥石膜的形成、石英的次生加大以及方解石膠結(jié)為主。綠泥石膜常形成于顆粒表面，在顆粒點(diǎn)對點(diǎn)接觸位置仍可見其之附著說明其形成于同沉積期，是發(fā)生較早的成巖作用類型（圖4a）。石英的次生加大發(fā)育普遍，以塵線與顆粒相接。一般厚度在3~30 μm 之間，常堵塞顆粒間的三角區(qū)域而降低儲層孔隙度（圖4b）。而方解石膠結(jié)則特征突出，顆粒間分布方解石膠結(jié)而使顆粒呈現(xiàn)“似漂浮”的形態(tài)（圖4c），且其中可看出長石顆粒發(fā)生普遍溶蝕，所形成的鑄?？紫侗４嫱旰靡嗾f明方解石形成時(shí)間較早。而且其在成巖后期發(fā)生了交代石英顆粒的現(xiàn)象。

圖4 杭錦旗地區(qū)二疊系下石盒子組儲層微觀特征（a）顆粒表面綠泥石膜及粒間硅質(zhì)膠結(jié)，錦91井，3 001.91 m；（b）長石溶蝕殘骸及石英次生加大，錦33井，2 387.3 m；（c）形成于早期的粒間方解石膠結(jié)及長石顆粒的粒內(nèi)溶蝕孔隙，X1井，2 368.8 m；（d）長石等顆粒形成的鑄?？紫都伴L石的高嶺石化現(xiàn)象，錦14井，1 957.71 m；（e）鑄?？字凶孕问⒕w發(fā)育，錦76井，2 694.3 m；（f）高嶺石六邊形晶體呈書頁狀分布的形態(tài)，錦77井，2 708.3 m；（g）多種溶蝕孔隙發(fā)育，錦33井，2 313.4 m；（h）長石粒內(nèi)溶孔及裂縫發(fā)育，錦27井，2 317.7 m；（i）石英粒內(nèi)裂縫發(fā)育，錦11井，2 173.98 m。Qo.石英次生加大邊；Qa.自生石英晶體；Cal.方解石；Chl.綠泥石；Kao.高嶺石膠結(jié)；Kao-r.交代長石型高嶺石；F.長石；Rfdp.巖屑溶蝕孔隙；Fdp.長石溶蝕孔隙；IEGV.粒間孔隙；IAGV.粒內(nèi)孔隙；MOD.鑄模孔隙；Mic.微孔隙；Fra.裂縫。Fig.4 Microscopic characteristics of the reservoir of the Permian Xiashihezi Formation in the Hangjinqi area

長石溶蝕特征明顯，常見現(xiàn)象為完全溶蝕后形成的鑄?？紫叮▓D4d）、完全交代形成的高嶺石集合體（圖4d，f）、不完全溶蝕雙晶及解理特征可見的長石殘?。▓D4c）以及部分顆粒邊界不清的溶蝕孔隙。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)殘留長石中以正長石、條紋長石和微斜長石等鉀長石最為常見，而斜長石大多被完全溶蝕或完全被交代。另外在成巖中后期亦發(fā)生硅質(zhì)膠結(jié)，在長石鑄?？紫吨行纬审w積較大的自形石英晶體（圖4e）。

大牛地氣田儲集層中綠泥石常見（圖5a），多以顆粒包膜為主，系早成巖的產(chǎn)物，掃描電鏡下呈玫瑰花狀或絨球狀（圖5b）。碳酸鹽礦物的膠結(jié)和交代作用發(fā)育廣泛。碳酸鹽膠結(jié)以方解石為主，多以填充粒間孔隙的形式產(chǎn)出，碎屑顆粒呈漂浮狀分布（圖5c，d）。方解石交代碎屑顆粒如石英等現(xiàn)象顯著（圖5c~e）。高嶺石根據(jù)顆粒形態(tài)、結(jié)晶程度等可分兩類，自生高嶺石和蝕變高嶺石。前者呈典型的書頁狀充填粒間孔隙，晶形較好，堆積松散，保留有良好的微孔隙（圖5e，f）；后者一般由長石蝕變而來，受限于晶體生長空間，原位堆積，微孔隙發(fā)育程度弱，形成時(shí)間比較早（圖5g，h）。硅質(zhì)膠結(jié)普遍發(fā)育，主要有石英次生加大邊和自生石英晶體兩種形式，其常與高嶺石膠結(jié)相鄰發(fā)育。顯微鏡下可見明顯的多期次石英次生加大邊，其常呈等厚環(huán)邊狀半包裹或全包裹碎屑石英顆粒，與原生石英顆粒之間可看到黏土質(zhì)成分的塵線（圖5a，d）。自生石英晶體主要發(fā)育于粒間孔或溶蝕孔內(nèi)，呈零星狀分布，單體呈柱狀（圖5b）。其形成時(shí)間最晚，經(jīng)包裹體分析其均一溫度可達(dá)160 ℃[22]。巖屑、長石等顆粒的溶蝕作用顯著，形成鑄?？紫叮▓D5a，d，h，i）。

圖5 大牛地氣田二疊系下石盒子組儲層微觀特征（a）綠泥石薄膜，石英次生加大和發(fā)育微孔的高嶺石膠結(jié)，長石溶孔，大28井，2 490.45 m；（b）掃描電鏡照片，自形自生石英晶體和綠泥石膠結(jié)，大28井，2 532.9 m；（c）石英次生加大邊，方解石膠結(jié)，及方解石交代斜長石及其他顆粒，大44井，2 519.95 m；（d）綠泥石包膜，石英次生加大，方解石交代及膠結(jié)，巖屑溶蝕形成的鑄?？?，大50井，2 662.6 m；（e）綠泥石包膜，高嶺石膠結(jié)及對長石顆粒的交代，大50井，2 662.6 m；（f）沿碎屑石英顆粒邊部分布的綠泥石膠結(jié)，發(fā)育微孔隙的假六邊形狀高嶺石膠結(jié)，大43井，2 426.35 m；（g）方解石膠結(jié)，及被高嶺石交代的長石，大50井，2 662.6 m；（h）高嶺石膠結(jié)及其交代長石，巖屑被溶蝕，大23井，2 648.5 m；（i）巖屑及長石溶孔，大44井，2 526.1 m。Qa.自生石英晶體；Qo.石英次生加大邊；Cal.方解石；Chl.綠泥石；Kao.高嶺石；Kao-r.交代長石型高嶺石；F.長石；I.伊利石；I∕S.伊蒙間層礦物；Rfdp.巖屑溶蝕孔隙；Fdp.長石溶蝕孔隙；Mod.鑄?？紫叮籑ic.微孔隙Fig.5 Microscopic characteristics of the reservoir of the Permian Xiashihezi Formation in the Daniudi gas field

研究區(qū)方解石膠結(jié)較為普遍，利用碳氧同位素可以判定其形成溫度。利用安裝牙鉆的顯微鏡從厚的巖石薄片中鉆出不同類型的膠結(jié)物微樣（0.35~0.45 mg）。碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)主要通過測定其酸化過程中釋放出的二氧化碳來獲取。樣品主要在弗吉尼亞理工學(xué)院地球科學(xué)系同位素設(shè)備中搭配多相流體地質(zhì)頂空取樣器的Isoprime 穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀（IRMS）中完成。數(shù)據(jù)顯示杭錦旗探區(qū)儲層中方解石 膠 結(jié) 物δ13CPDB的 范 圍 為-14.44‰~ -6.31‰，δ18OPDB的范圍為-17.55‰~-14.18‰。這與前人研究結(jié)果相一致。而大牛地氣田儲層中方解石膠結(jié)物的δ13CPDB的 范 圍 為-18.39‰~-3.73‰，δ18OPDB的 范 圍為-20.62‰~-13.35‰，整體范圍與杭錦旗探區(qū)相一致。其中氧同位素的分布區(qū)間相對集中，說明是一次性成因。按照前人總結(jié)的的不同來源的碳氧同位素的分布范圍[23]，杭錦旗探區(qū)和大牛地氣田的方解石膠結(jié)物均為與有機(jī)質(zhì)脫羧作用有關(guān)的碳酸鹽礦物（δ13CPDB＜0且δ18OPDB＜-10‰）。

用Epstein公式[24]：t∕℃=14.8-5.4×δ18OPDB對方解石形成溫度進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果顯示杭錦旗探區(qū)和大牛地氣田儲層中方解石膠結(jié)形成的溫度分別為102.9 ℃和101.6 ℃，相差無幾。利用Z值來討論方解石膠結(jié)形成時(shí)的相對流體鹽度。其中Z=2.048（δ13CPDB+50）+0.498（δ18OPDB+50）[25]，當(dāng)Z＞120 時(shí)為海水成因，Z＜120時(shí)為淡水成因。計(jì)算表明（表1），研究區(qū)方解石膠結(jié)的Z值范圍為89.36~106.83（杭錦旗探區(qū)）[26-27]和95.84~112.88（大牛地氣田），說明其形成時(shí)的古流體均為礦化度較高的淡水。

2.3 孔隙發(fā)育類型

鄂北地區(qū)儲層發(fā)育的主要孔隙類型有包含巖屑溶孔（圖4g、圖5i）、長石溶孔（圖4b，h、圖5a）和石英溶孔的粒內(nèi)溶孔（圖4g）；粒間溶孔（凝灰質(zhì)等雜基溶蝕形成；圖4g、圖5i）；鑄模孔隙（多為長石顆粒的溶蝕；圖4d、圖5d）；微孔隙（高嶺石等黏土礦物間孔隙；圖4f、圖5f）和裂縫性孔隙（圖4h，i）。對于大牛地氣田，儲層總面孔率逐漸變大，儲層質(zhì)量逐漸提高，其相應(yīng)地表現(xiàn)為長石溶孔的增多和粒間溶孔及巖屑溶孔的減少（圖6a），而在杭錦旗探區(qū)這一過程中表現(xiàn)為巖屑溶孔的增多和粒間溶孔的減少（圖6b）。大牛地氣田相對優(yōu)質(zhì)儲層（總面孔率＞6%）中長石溶孔、粒間溶孔和微孔隙是貢獻(xiàn)最大的三類孔隙（圖6a）。而在杭錦旗探區(qū)（總面孔率＞6%）則表現(xiàn)不一致，其主要以巖屑溶孔和微孔隙為主（圖6b）。同時(shí)，杭錦旗探區(qū)儲層中微裂縫較為發(fā)育，大牛地氣田儲層中鑄?？紫遁^為發(fā)育。

圖6 大牛地氣田和杭錦旗探區(qū)二疊系下石盒子組儲層孔隙類型及含量分布直方圖（a）大牛地氣田；（b）杭錦旗探區(qū)。QDP.石英溶孔；FDP.長石溶孔；RDP.巖屑溶孔；IEGV.粒間溶孔；MOD.鑄模孔；MIC.微孔隙；FRA.裂縫性孔隙Fig.6 Pore types and distribution histogram of reservoir of the Permian Xiashihezi Formationin the Daniudi gas field and Hangjinqi area

3 討論

3.1 成巖階段及成巖序列

鄂爾多斯盆地上古生界系煤系地層，可參考石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（SY∕T 5477—2003）中對酸性水介質(zhì)（含煤地層）碎屑巖各成巖階段所發(fā)育現(xiàn)象的總結(jié)。泊爾江海子斷裂北部上古生界致密儲層成巖階段劃分依據(jù)有：1）埋藏深度大約為2 100~3 100 m。2）薄片觀察發(fā)現(xiàn)儲層有較多的鉀長石和斜長石的溶蝕殘余，說明長石還未溶蝕殆盡。3）黏土礦物的組合為高嶺石、伊利石、蒙皂石和綠泥石，其中高嶺石含量較高。4）伊蒙混層比為20%~35%。這說明蒙皂石向伊利石演化正處于有序混層帶。5）鏡質(zhì)體反射率范圍為小于0.8%[28]，有機(jī)質(zhì)演化處于低成熟階段。按照碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，其現(xiàn)今主要處于中成巖A1期（圖7）。

圖7 鄂北地區(qū)二疊系下石盒子組儲層成巖演化序列圖中勝1井和E1井地層埋藏史及熱史曲線據(jù)文獻(xiàn)[28-29]Fig.7 Diagenetic evolutional sequence of the reservoir of the Permian Xiashihezi Formationin the northern part of the Ordos Basin

大牛地氣田上古生界埋藏深度為2 300~3 000 m。薄片觀察發(fā)現(xiàn)儲層中長石含量極低，具有長石輪廓的高嶺石集合體及鑄?？紫兜拇嬖谡f明長石經(jīng)歷大規(guī)模的高強(qiáng)度溶蝕。最大古地溫為150 ℃左右，其所處的伊陜斜坡地層鏡質(zhì)體反射率Ro值集中于1.35%~1.8%[14,30]。伊蒙混層比一般小于30%[17]。按照碎屑巖成巖階段劃分標(biāo)準(zhǔn)，其現(xiàn)今主要處于中成巖B期（圖7）。其中杭錦旗探區(qū)地層鏡質(zhì)體反射率Ro值集中于1.2%~1.5%[31]，和大牛地氣田的油氣充注期次相似，集中于中—晚侏羅世和早白堊世，但持續(xù)時(shí)間有差異[14,32]。前文述及，方解石膠結(jié)在杭錦旗探區(qū)和大牛地氣田的形成溫度相近（表1），均發(fā)生于中成巖A1期。但因?yàn)閮蓚€(gè)地區(qū)埋藏史和熱演化史的差異，方解石膠結(jié)的形成時(shí)間有差異。杭錦旗探區(qū)勝1 井埋藏史和熱史（圖7）顯示其整體最大埋深淺于大牛地氣田，地溫演化相對滯后，同一地質(zhì)時(shí)間，其地溫低于大牛地氣田20 ℃左右。這就意味著方解石膠結(jié)在大牛地氣田中形成時(shí)間早于杭錦旗探區(qū)。方解石膠結(jié)形成溫度相對固定，所處的成巖階段相對統(tǒng)一，這也說明兩個(gè)地區(qū)成巖演化階段的相似性和遞進(jìn)性。

表1 鄂北地區(qū)二疊系下石盒子組方解石碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)及估算溫度Table 1 Data of carbon (C) and oxygen (O) stable isotopes and the estimated temperature of calcite cement fromthe Permian Xiashihezi Formation in the northern part of the Ordos Basin

按照成巖階段性演化的順序，不同自生礦物組合和表現(xiàn)特征具有階段性特征。其中早成巖B期早期的煤系地層導(dǎo)致弱酸性—酸性的成巖環(huán)境，基性斜長石發(fā)生早期溶解，隨后由于長期而緩慢的成巖消耗，酸性減弱而堿性增強(qiáng)。成巖序列為為綠泥石薄膜—早期石英加大∕自生高嶺石（圖4a，b，g），此階段為強(qiáng)機(jī)械壓實(shí)期；而至中成巖A1期則成巖表現(xiàn)較為復(fù)雜?，F(xiàn)今的高成分成熟度的儲層巖石特征是成巖期長石大量溶解殆盡的結(jié)果[33-34]。部分粗碎屑以及絕大部分細(xì)粒高雜基含量碎屑巖中仍可觀察到殘余長石的形態(tài)。高嶺石的主要成因?yàn)殚L石類礦物的酸性溶蝕的產(chǎn)物。成巖序列表現(xiàn)為長石溶解—石英次生加大∕高嶺石膠結(jié)—方解石膠結(jié)—硅質(zhì)部分溶蝕（圖4d，f），多期膠結(jié)和溶蝕作用對儲層改造作用明顯；至中成巖A2期，長時(shí)間成巖消耗導(dǎo)致流體逐漸呈現(xiàn)弱堿性—堿性，發(fā)生石英及部分巖屑顆粒的溶蝕。堿性流體的消耗亦會使環(huán)境呈現(xiàn)短暫的酸性而發(fā)生方解石的部分溶蝕。成巖序列為晚期方解石膠結(jié)—石英∕巖屑溶蝕—方解石部分溶蝕（圖4f），儲層地質(zhì)特征已趨于穩(wěn)定；至中成巖B期，成巖特征已無明顯改變，因抬升而形成的微裂縫較為顯著，此為抬升—弱構(gòu)造階段。

3.2 孔隙成因機(jī)制

3.2.1 孔隙類型差異性機(jī)制

杭錦旗探區(qū)和大牛地氣田儲層中孔隙發(fā)育類型的差異主要體現(xiàn)在長石溶孔、粒間溶孔和巖屑溶孔。長石顆粒的成巖變化主要有四種：不完全溶蝕后形成殘骸、完全溶蝕殆盡形成鑄?？紫?、原位被高嶺石交代和原位被方解石交代。大牛地氣田經(jīng)歷比杭錦旗探區(qū)更高程度的成巖演化，而且是封閉的成巖環(huán)境（圖7）。中成巖階段的長石顆粒大規(guī)模溶蝕，或原位轉(zhuǎn)化為高嶺石，或被方解石交代，作用強(qiáng)度均較深。加之后續(xù)高嶺石伊利石化對殘存鉀長石溶蝕的促進(jìn)作用，使得長石進(jìn)一步被溶蝕。長石被完全溶蝕后形成鑄?？紫?，這在巖石組分的統(tǒng)計(jì)（圖3）和微觀特征（圖5a，d）中均可證實(shí)，大牛地氣田儲層中鑄模孔隙比重也相對高于杭錦旗探區(qū)（圖6）。統(tǒng)計(jì)顯示高嶺石作為成巖產(chǎn)物，在大牛地氣田表現(xiàn)是原位交代長石的高嶺石為主（圖8a），而在杭錦旗探區(qū)則是以高嶺石交代和高嶺石膠結(jié)為主（圖8b）。這說明在大牛地氣田儲層中長石顆粒更多地被高嶺石原位交代，從而造成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中長石碎屑顆粒組分含量較低。而杭錦旗探區(qū)成巖演化程度相對低，長石大部分得以保存，所以其儲層中長石溶孔含量高于大牛地氣田。

圖8 鄂北地區(qū)二疊系下石盒子儲層中高嶺石類型及分布直方圖（a）大牛地氣田；（b）杭錦旗探區(qū)Fig.8 Kaolinite types and distribution histograms of the Permian Xiashihezi Formation in the Daniudi gas field and Hangjinqi area

大牛地氣田巖屑顆粒成分相對復(fù)雜，不似長石顆?？杀煌耆芪g，僅發(fā)生部分易溶成分的溶解，形成粒內(nèi)溶蝕孔隙，這使得巖屑溶孔的比重較大。而杭錦旗探區(qū)尤其是泊爾江海子斷裂以北地區(qū)的儲層中粒間溶孔的比重較大，主要原因是后期抬升，大氣淡水滲入，成巖系統(tǒng)相對開放，碎屑顆粒和雜基的溶蝕產(chǎn)物得以流出，形成粒間溶孔并得以保存。

同時(shí)，杭錦旗探區(qū)儲層中微裂縫相對發(fā)育。泊爾江海子斷裂作用造成上盤地層出現(xiàn)小幅度的構(gòu)造褶皺和變形[35]。斷層逆沖作用會對儲層形成擠壓而形成構(gòu)造裂縫。根據(jù)裂縫充填物同位素測試結(jié)果，其平均形成溫度約為92 ℃，屬燕山晚幕—喜山早幕構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)物[36]。裂縫長約120~357 μm（圖9a），寬約9~16 μm（圖9b）。主要分布于泊爾江海子斷裂北部杭錦旗斷階帶中低幅度構(gòu)造褶皺發(fā)育的位置（圖9）。裂縫多屬于擠壓張裂縫，在長石等脆性顆粒中表現(xiàn)突出。大部分發(fā)育裂縫的儲層其碎屑顆粒的溶蝕特征更明顯，易形成具網(wǎng)狀特征的孔—縫儲集空間體系。而大牛地氣田下石盒子組儲層中裂縫則主要以層間縫和泥巖收縮縫為主，對儲層貢獻(xiàn)較小。

圖9 杭錦旗探區(qū)二疊系下石盒子組儲層構(gòu)造裂縫微觀特征Fig.9 Microscopic characteristics of tectonic fissures from the reservoir of the Permian Xiashihezi Formation in the Hangjinqi area

3.2.2 孔隙形成的流體作用

鄂爾多斯盆地石炭系太原組和二疊系山西組發(fā)育廣泛煤層。煤層埋藏演化前期（Ro=0.3%~0.5%），即早成巖階段，水生及陸生植物的連續(xù)分解會產(chǎn)生腐殖酸，導(dǎo)致長石等不穩(wěn)定礦物的第一次溶蝕；至演化后期（Ro=0.5%~1.0%），溫壓升高，腐殖型干酪根開始成熟，熱降解作用為羧基脫落而形成大量短鏈羧酸，造成長石等不穩(wěn)定礦物的再次溶解而形成大量孔隙[37-38]。這是鄂北地區(qū)儲層中長石、巖屑等顆粒粒內(nèi)溶蝕孔隙、鑄?？紫逗土ｉg溶孔的主要形成機(jī)制。此外，前人研究發(fā)現(xiàn)圍繞泊爾江海子基底大斷裂的地層礦化度具明顯高值。這有效說明斷裂可溝通深部偏酸性熱流體并與上古生界地層水發(fā)生混合作用[39]，并進(jìn)而促進(jìn)斷裂周圍碎屑顆粒的溶蝕增孔作用。同時(shí)，泊爾江海子斷裂以北地層水當(dāng)中含有不等量的SO2-4離子，而且離子濃度往北增加的趨勢明顯，這說明斷裂帶北部受后期構(gòu)造抬升地表水滲入影響[39]。所以斷裂以北的杭錦旗探區(qū)儲層具有相對開放的成巖環(huán)境，使得粒間高嶺石膠結(jié)和大規(guī)模的粒間孔隙發(fā)育。

4 結(jié)論

（1）鄂北杭錦旗探區(qū)和大牛地氣田，因埋深差異、斷裂作用和后期抬升作用導(dǎo)致兩者儲層的成巖階段有差異，分別為中成巖A1期和中成巖B 期。烴類演化過程形成的有機(jī)酸對兩者儲層長石溶蝕增孔貢獻(xiàn)明顯，而斷裂作用溝通深部偏酸性高溫流體和暴露環(huán)境溝通的大氣淡水同時(shí)對杭錦旗探區(qū)儲層溶蝕增孔有明顯作用。

（2）杭錦旗斷裂以北杭錦旗探區(qū)儲層中發(fā)育廣泛的高嶺石膠結(jié)?？紫兑蚤L石溶孔、鑄模孔和粒間溶孔為主，加之構(gòu)造張裂縫的溝通作用，孔隙保存較好，屬“隆起區(qū)長石溶蝕增孔—張裂縫溝通孔隙”的形成機(jī)制。斷裂以南的杭錦旗探區(qū)儲層和大牛地氣田相似。大牛地氣田儲層持續(xù)埋深，成巖演化程度高，長石溶蝕殆盡，高嶺石以原位交代長石的形式存在，硅質(zhì)膠結(jié)發(fā)育廣泛。孔隙主要以巖屑溶孔和微孔隙為主，孔隙條件較差，屬“斜坡深埋區(qū)巖屑溶蝕增孔”的形成機(jī)制。