張春林 李 劍 劉銳娥

（ 1中國石油勘探開發(fā)研究院；2中國石油天然氣集團(tuán)有限公司天然氣成藏與開發(fā)重點實驗室 ）

0 引言

致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣的主要類型，已經(jīng)成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域之一，在能源結(jié)構(gòu)中的作用日趨顯著[1]。中國在鄂爾多斯、四川、塔里木、松遼和渤海灣等盆地陸續(xù)探明了不少致密砂巖氣儲量[2-8]，總體呈現(xiàn)資源潛力大、分布廣泛的特征，其已成為中國能源保障的重要組成部分[9-12]。與常規(guī)儲層相比，由于致密砂巖氣儲層經(jīng)歷過較強(qiáng)的壓實、膠結(jié)作用，使其物性變差、孔喉結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致勘探開發(fā)難度大[13-18]。因此，對致密砂巖氣儲層的巖石學(xué)特征、微觀孔喉特征及形成機(jī)理進(jìn)行研究，對致密砂巖氣勘探開發(fā)具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

鄂爾多斯盆地二疊系下石盒子組盒8 段氣藏是國內(nèi)致密砂巖氣勘探最成功的典型[19]，盒8 段已成功勘探并探明了蘇里格、烏審旗等上萬億立方米的大型致密砂巖氣藏。前人對盒8 段致密砂巖氣儲層研究較多，主要集中在儲層特征、儲層成巖作用以及可動流體等方面[20-22]，而研究致密砂巖氣儲層成因相對很少。本文在前人對盒8 段沉積環(huán)境研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用鑄體薄片、場發(fā)射掃描電鏡、CT 掃描及恒速壓汞等多種實驗相結(jié)合的方法，對盒8 段致密砂巖的巖石學(xué)特征、微觀孔喉特征及其與物性關(guān)系進(jìn)行研究，并從影響孔喉發(fā)育的構(gòu)造環(huán)境、沉積作用、成巖作用等地質(zhì)因素出發(fā)，分析致密砂巖氣儲層的形成機(jī)理，以期為致密砂巖氣勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地包括呂梁山以西、桌子山—賀蘭山—六盤山以東、陰山以南至秦嶺北麓的廣大地區(qū)，橫跨陜、甘、寧、蒙、晉5 省區(qū)，盆地整體上呈現(xiàn)周邊隆起、內(nèi)部東高西低的區(qū)域性斜坡特征，可進(jìn)一步劃分為伊盟隆起、伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、渭北隆起、晉西撓褶帶和西緣沖斷構(gòu)造帶6 個二級構(gòu)造單元（圖1），面積為25×104km2，是中國第二大沉積盆地[23]。該盆地自晚石炭世本溪期至晚二疊世石千峰期經(jīng)歷了海相潟湖—潮坪沉積體系到陸相河流—三角洲沉積體系的演變，發(fā)育多套儲集砂體，其中二疊系下石盒子組盒8 段是盆地內(nèi)部致密砂巖氣勘探的主力層系。

受多物源、平緩古地貌、高載荷水流和強(qiáng)進(jìn)積作用等多因素控制，鄂爾多斯盆地盒8 段呈現(xiàn)出近南北向展布、多條網(wǎng)狀或交織狀分流河道沉積特征，淺水辮狀分流河道沉積占絕對優(yōu)勢，導(dǎo)致盒8 段砂體呈現(xiàn)全盆地廣覆式大面積分布的特征，具體表現(xiàn)為縱向上具有多期疊置、平面上從北向南為條帶狀—毯式大面積分布的特點[24-25]，砂體厚10～40m，寬度為10～30km，延伸距離達(dá)200km 以上。盒8 段砂體巖性為淺灰色含礫粗砂巖、灰白色中—粗砂巖、細(xì)—粉砂巖及灰綠色細(xì)—粉砂巖，砂巖整體呈現(xiàn)北粗南細(xì)，發(fā)育大型交錯層理、楔狀層理、板狀交錯層理和平行層理等沉積構(gòu)造[26]，盒8 段砂體整體呈現(xiàn)儲層致密、氣層厚度薄的特征[5]。

圖1 鄂爾多斯盆地氣田位置分布及構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 Location of gas fields and tectonic zoning in Ordos Basin

2 致密砂巖氣儲層巖石學(xué)特征

根據(jù)鄂爾多斯盆地鉆井巖心觀察及對513 口不同類型鉆井1012 塊砂巖鑄體薄片的鏡下觀察與定量統(tǒng)計，分析認(rèn)為鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖以石英砂巖、巖屑石英砂巖為主，其次是巖屑砂巖，極少量為長石石英砂巖與長石巖屑砂巖。據(jù)圖像粒度分析，盒8 段致密砂巖粒徑多在0.25～1mm，巖石學(xué)特征總體上表現(xiàn)為中—粗粒（圖2）。致密砂巖碎屑顆粒磨圓度主要為棱角狀、次棱角狀，其次為次圓狀，呈顆粒支撐，分選中等；受壓實作用控制，顆粒間以點—線接觸為主（圖3a），少量砂巖碎屑顆粒呈凹凸—縫合接觸（圖3b），巖屑壓扁變形、假雜基化、泥鐵化現(xiàn)象非常普遍，塑性顆粒（黑云母、泥巖巖屑、千枚巖巖屑和少量火山巖巖屑等）發(fā)生定向排列、塑性變形甚至扭曲（圖3c）；碎屑顆粒成分主要以石英類（包括單晶石英、多晶石英、燧石）和巖屑為主，石英類礦物含量為19.7%～99.4%（平均83.6%），巖屑含量為0.6%～80.3%（平均15.7%），長石含量極少，盆地北部主要為堿性長石，多數(shù)已完全高嶺石化，南部見斜長石；填隙物含量在10%～20%之間，種類多樣，包括伊利石（圖4a）、綠泥石（圖4b）、蝕變凝灰質(zhì)、蝕變高嶺石等黏土礦物（圖4c），受到多期次、多類型膠結(jié)作用形成的方解石、鐵方解石、少量鐵白云石、菱鐵礦等碳酸鹽礦物（圖4d），以及石英次生加大邊（圖4e）、充填于粒間或溶孔內(nèi)的自形石英（圖4f）等硅質(zhì)膠結(jié)物。通過成巖作用分析，認(rèn)為上述填隙物主要受到壓溶作用、硅質(zhì)膠結(jié)作用、碳酸鹽膠結(jié)作用、黏土礦物膠結(jié)作用、碎屑黏土化作用和凝灰質(zhì)蝕變作用等控制，并且前述黏土礦物和方解石、白云石等碳酸鹽膠結(jié)物主要形成于早成巖階段B 期—晚成巖階段，而硅質(zhì)膠結(jié)物的大量形成主要發(fā)生在晚成巖階段，菱鐵礦主要形成于早成巖階段A 期[27]。

圖2 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖粒徑直方圖Fig.2 Particle size histogram of He 8th member tight sandstones in Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征Fig.3 Structures of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin（a）李4 井，3860.2m，次棱角狀，顆粒支撐，點—線接觸，孔隙式膠結(jié)；（b）蘇307 井，4486.82m，機(jī)械壓實及壓溶作用使碎屑顆粒間呈凹凸—縫合接觸；（c）忠3 井，3497.41m，顆粒呈現(xiàn)定向排列，軟巖屑被壓實發(fā)生變形

圖4 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層填隙物特征Fig.4 Cements in He 8th tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin（a）蘇104 井，3451.2m，伊利石；（b）蘇124 井，3606.88m，綠泥石；（c）蘇95 井，3444.57m，蝕變高嶺石；（d）榆55 井，2481.73m，連晶鐵方解石充填于顆粒之間；（e）蓮31 井，3964.27m，石英次生加大邊與高嶺石共生；（f）蘇109 井，3658.11m，溶孔中晚期生長的自形石英

3 致密砂巖氣儲層微觀孔喉特征與物性關(guān)系

3.1 孔隙類型及特征

通過對鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖鑄體薄片的觀察統(tǒng)計認(rèn)為，殘余粒間孔隙、溶蝕孔隙、微納米孔隙及裂縫構(gòu)成了致密砂巖氣儲層的主要儲集空間。

殘余粒間孔隙主要表現(xiàn)為兩種形式：①被次生石英加大、微晶石英集合體或早期成巖階段形成的微晶方解石膠結(jié)物充填之后剩余的原生粒間孔隙，形態(tài)規(guī)則，多呈三角形、四邊形及長條形，孔隙的大小和分布較均勻，孔徑一般大于50μm（圖5a）；②碎屑顆粒被綠泥石、伊利石薄膜或襯邊所包裹后的剩余原生粒間孔隙，該類孔隙形態(tài)多不規(guī)則，孔徑變化大（圖5b、c）。

溶蝕孔隙主要體現(xiàn)為粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔及鑄模孔等（圖5d—f），孔隙形態(tài)不規(guī)則，孔隙可大于骨架顆粒；孔隙大小極不均勻，孔徑從4.4μm 到2000μm不等。

微納米孔隙（孔徑小于5μm）占到了致密砂巖氣儲層中90%以上的孔隙，主要包括碎屑顆粒微納米級溶孔、晶間孔和填隙物內(nèi)孔。在掃描電鏡下，碎屑顆粒微納米級溶孔與晶間孔的孔徑一般為1～2μm，多為孤立的微納米孔隙，孔間連通性較差（圖5g），但這類孔隙數(shù)量可觀，占據(jù)絕對優(yōu)勢；填隙物內(nèi)孔主要為高嶺石、伊利石等黏土礦物晶間孔，鑄體薄片下能夠鑒別的主要為結(jié)晶程度較好的高嶺石晶間孔（圖5h），掃描電鏡下單晶體常為不規(guī)則片狀，集合體呈雜亂堆積，成分復(fù)雜，?；煊忻稍硎⒁晾鸵?蒙間層礦物等。

盒8 段致密砂巖中裂縫主要包括構(gòu)造縫、微米級裂縫和收縮縫等（圖5i），這些裂縫在野外剖面、巖心和鏡下都有不同的顯示，雖然裂縫提供的儲集空間很少，但裂縫發(fā)育可以改善儲層的滲流條件，為氣藏提供良好的運移通道。

圖5 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層孔隙特征Fig.5 Pores in He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin(a)石英砂巖，殘余粒間孔隙，蘇109 井，3652.72m；(b)粒間孔隙被伊利石充填，蘇106 井，3492.42m；（c）中—粗粒石英砂巖，粒間孔隙發(fā)育，綠泥石包裹石英，蘇223 井，3821.05m；（d）粒間溶孔，蘇275 井，3931.89m；（e）巖屑粒內(nèi)溶孔，蓮20 井，3860.9m；（f）鑄膜孔，慶探2 井，4723.36m；（g）石英顆粒表面串珠狀微納米孔隙，蘇124 井，3606.88m；（h）雜亂堆積的高嶺石，晶間孔發(fā)育，榆36 井，2928.08m；（i）微裂縫較發(fā)育，米31 井，2301.5m

3.2 喉道類型及特征

依據(jù)鑄體薄片和掃描電鏡的鑒定，可將鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層的喉道劃分為縮頸型喉道、彎曲片狀喉道及管束狀喉道等，以彎曲片狀喉道和管束狀喉道為主。

縮頸型喉道為顆粒間可變斷面的收縮部分（圖6a）。當(dāng)顆粒被壓實時，雖然保留下來的孔隙較大，但顆粒間的喉道卻變窄，導(dǎo)致儲層孔隙度較高，滲透率較低，屬于大孔、細(xì)喉型。

彎曲片狀喉道呈片狀或彎曲狀，為顆粒之間的長條狀通道（圖6b）。當(dāng)砂巖壓實程度較強(qiáng)且晶體再生長時，喉道實際是晶體之間的晶間隙，其張開度較小，一般小于1μm，個別幾十微米。當(dāng)沿顆粒間發(fā)生溶蝕作用時，可形成較寬的片狀或?qū)捚瑺詈淼馈?/p>

對于管束狀喉道而言，其主要形成于雜基及膠結(jié)物含量較高的砂巖中，原生粒間孔隙可被完全堵塞，雜基及各種膠結(jié)物中的微孔隙（小于5μm 的孔隙）本身既是孔隙又是喉道，這些微孔隙像一支支微毛細(xì)管交叉地分布在雜基和膠結(jié)物中，組成管束狀喉道（圖6c）。

圖6 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層喉道特征Fig.6 Throats in He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin（a）孔隙間發(fā)育縮頸型喉道，陜285 井，3069.19m；（b）孔隙間發(fā)育彎曲片狀喉道，雙2 井，2627.86m；（c）孔隙間發(fā)育管束狀喉道，陜271 井，3262.01m

3.3 孔隙與喉道大小

在鑄體薄片鑒定的基礎(chǔ)上，采用高壓壓汞、場發(fā)射掃描電鏡、CT 掃描和恒速壓汞等技術(shù)對鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層的孔喉大小進(jìn)行分析。

依據(jù)93 口井高壓壓汞資料的統(tǒng)計結(jié)果，致密砂巖氣儲層孔喉特征總體上表現(xiàn)為喉道細(xì)，中值喉道半徑介于0.001～1.27μm，排驅(qū)壓力介于0.27～2.05MPa，中 值 壓 力 介 于6.37～44.53 MPa；分選系數(shù)整體較好，介于0.02～5.69，變異系數(shù)介于0.07～2.10；連通性整體好—中等，最大進(jìn)汞飽和度分布于53.36%～90.90%。

通過場發(fā)射掃描電鏡鑒定，盒8 段致密砂巖氣儲層的孔隙半徑分布范圍大，介于0.1～10μm，并且以1～3μm 最為發(fā)育（圖7），微米—納米級孔隙組合為有效儲集空間。同時，應(yīng)用微米級CT 對致密砂巖進(jìn)行掃描，將致密砂巖氣儲層的孔隙進(jìn)行了三維重構(gòu)，并經(jīng)定量精細(xì)分析認(rèn)為孔隙半徑集中分布于0.1～0.6μm，小于0.6μm 的孔隙占總孔隙的85%左右（圖8）。

應(yīng)用恒速壓汞技術(shù)對盒8 段致密砂巖進(jìn)行測試，從喉道半徑分布曲線圖（圖9）可以看出，盒8段致密砂巖氣儲層樣品喉道半徑分布范圍較大，以0.5～2μm 為主。

3.4 孔喉分布與物性關(guān)系

圖7 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層場發(fā)射掃描電鏡識別孔隙半徑分布圖Fig.7 Pore radius distribution of He 8th member tight sandstone gas reservoirs by FESEM in Ordos Basin

圖8 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層CT 識別孔隙半徑分布圖Fig.8 Pore radius distribution of He 8th member tight sandstone gas reservoirs by CT in Ordos Basin

從鄂爾多斯盆地儲層平均孔喉半徑與物性的相關(guān)關(guān)系（圖10）可知，平均孔喉半徑與滲透率的相關(guān)性均好于其與孔隙度的相關(guān)性，而且平均喉道半徑與滲透率的相關(guān)性最好，說明盒8 段致密砂巖的滲透率對喉道變化最為敏感。隨著滲透率的增大，平均孔隙半徑的變化幅度微弱，而平均喉道半徑卻明顯增大，可見對于不同滲透率級別的樣品，其孔隙半徑差異甚微，而這一差異主要體現(xiàn)在喉道的變化上。因此，不同滲透率級別的樣品，孔喉特征差異主要體現(xiàn)在喉道大小及分布上，喉道控制著儲層品質(zhì)，決定了盒8 段致密砂巖氣儲層流體的滲流能力。

圖9 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層喉道半徑分布圖Fig.9 Distribution of throat radius of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層物性與平均孔喉半徑的相關(guān)性Fig.10 Correlation between physical properties and average throat radius of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

4 致密砂巖氣儲層形成機(jī)理

鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層的上述微觀孔喉特征與其特有的構(gòu)造環(huán)境、沉積作用、成巖作用有著密切關(guān)系。

4.1 沉積作用和沉積組構(gòu)主控原始物性差異

鄂爾多斯盆地盒8 段主要發(fā)育沖積扇—辮狀河—洪泛平原—洪泛湖沉積，河道和分流河道砂體發(fā)育，缺乏三角洲前緣河口壩砂體。根據(jù)不同沉積微相砂巖的沉積組構(gòu)分析，認(rèn)為辮狀河心灘砂體和三角洲分流河道砂體處于高能相帶，淘洗作用強(qiáng)，形成的砂巖粒度較粗，分選性、磨圓度較好，導(dǎo)致物性最好；沖積扇扇中水道砂體雖然粒度粗，但快速沉積導(dǎo)致淘洗作用弱，砂巖的分選性與磨圓度非常差、非均質(zhì)性強(qiáng)，導(dǎo)致物性差（圖11）。

圖11 鄂爾多斯盆地盒8 段不同沉積微相致密砂巖氣儲層物性對比圖Fig.11 Physical properties of He 8th member tight sandstone gas reservoirs of different sedimentary microfaciesin Ordos Basin

4.2 強(qiáng)壓實作用是形成致密砂巖氣儲層的直接原因

鄂爾多斯盆地盒8 段砂體沉積之后經(jīng)歷了晚二疊世—白堊紀(jì)較長時期的埋藏過程，導(dǎo)致巖石經(jīng)歷了較強(qiáng)、長期的壓實作用。鏡下鑒定盒8 段砂巖巖性較致密，主要為顆粒支撐，顆粒之間以點—線接觸為主，膠結(jié)類型主要為孔隙式膠結(jié)，少量砂巖呈壓嵌式膠結(jié)，表明其所受的壓實作用較強(qiáng)，主要表現(xiàn)為石英、石英巖巖屑等剛性碎屑表面的脆性微裂紋和它們之間的位移與重新排列，石英顆粒呈現(xiàn)波狀消光；塑性顆粒（黑云母、泥巖巖屑、千枚巖巖屑和少量火山巖巖屑等）的塑性變形、扭曲及其假雜基化。當(dāng)砂巖中黑云母、軟巖屑含量較高時，顆粒沿長軸方向定向排列形成明顯的壓實定向組構(gòu)；部分顆粒之間呈現(xiàn)凹凸接觸和縫合接觸（圖3b）。同時，儲層壓實作用強(qiáng)度與其埋藏深度關(guān)系明顯，儲層的孔隙度和滲透率隨著埋藏深度的增加而急劇變差（表1）。

表1 鄂爾多斯盆地不同地區(qū)盒8 段致密砂巖埋深與物性關(guān)系Table 1 Relationship between burial depth and physical properties of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

4.3 多類型、多期次的膠結(jié)作用對孔隙的保護(hù)和破壞作用并存

鄂爾多斯盆地盒8 段砂巖從埋藏至今，經(jīng)歷了多類型、多期次的膠結(jié)作用，形成了較為廣泛分布的硅質(zhì)、碳酸鹽礦物和黏土礦物等膠結(jié)物，對儲層物性造成了極大影響。不同類型的膠結(jié)作用對儲層的破壞程度也不盡相同。

盒8 段砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)物的生長方式多種多樣，主要包括碎屑石英的次生加大邊、充填于粒間或溶孔內(nèi)的自生及自形石英、裂隙黏補(bǔ)型自生石英、交代型自生石英等，其中，石英次生加大現(xiàn)象在砂巖中十分普遍，其對儲層物性的影響具有雙面性。石英砂巖由于在壓溶作用過程中形成較多次生加大邊而使一部分粒間孔隙喪失；但較早期形成的石英加大邊的支撐，抑制了壓實作用，對原生粒間孔起到了一定的保護(hù)作用。盒8 段砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物以鐵方解石為主，含少量鐵白云石和菱鐵礦，其主要呈細(xì)晶或中—粗晶充填于粒間孔隙中或以交代碎屑顆粒和其他自生礦物的形式產(chǎn)出，致使孔隙度降低。此外，盒8 段自生黏土礦物較為發(fā)育，主要有伊利石、伊/蒙混層、蒙脫石、綠泥石和高嶺石，它們充填于粒間孔隙中，在一定程度上造成砂巖儲層的孔隙度和滲透率進(jìn)一步減??；但一部分石英顆粒周圍綠泥石薄膜的存在阻止了石英次生加大邊的形成以及一部分粒間碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀，從而使相當(dāng)一部分原生剩余粒間孔得以保存?？傊z結(jié)作用總體上對致密砂巖氣儲層孔隙造成一定的破壞，減少了大量粒間孔隙體積，導(dǎo)致盒8 段巖石變得更加致密。

4.4 普遍、強(qiáng)烈的溶蝕作用改善了致密砂巖氣儲層的儲集性能

溶蝕作用造成的次生溶孔在盒8 段發(fā)育普遍（圖5d—f），常見的類型有在高溫條件下長石溶蝕形成的完全溶蝕型溶孔（鑄?？祝?、蜂窩狀溶蝕型溶孔[28]；巖屑中易溶組分被全部或部分溶蝕形成的蜂窩狀溶孔；沿方解石解理面因溶解作用形成的、形態(tài)較規(guī)則的方解石內(nèi)溶孔；凝灰質(zhì)等黏土礦物溶蝕形成大量的粒間溶孔、溶縫等。前述提及次生溶孔占到盒8 段儲集空間的70%，由此可見次生溶蝕作用明顯改善了砂巖的儲集性能。

5 結(jié)論

鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖為陸相分流河道沉積，主要發(fā)育石英砂巖和巖屑石英砂巖，砂體儲層普遍較為致密，孔喉總體特征表現(xiàn)為喉道細(xì)、連通性整體好—中等，孔隙類型主要為殘余粒間孔隙、溶蝕孔隙、微納米孔隙及裂縫，喉道類型為縮頸型、彎曲片狀及管束狀，并且微納米孔隙構(gòu)成了致密砂巖氣儲層的有效儲集空間。

經(jīng)分析，鄂爾多斯盆地盒8 段致密砂巖氣儲層的形成受構(gòu)造環(huán)境、沉積作用及成巖作用等多方面因素控制，其中優(yōu)勢沉積相帶和后期溶蝕作用是有利儲層形成的主控因素。因此，今后針對陸相致密砂巖氣勘探領(lǐng)域選擇“甜點區(qū)”時，應(yīng)優(yōu)先選擇辮狀河心灘砂體、三角洲分流河道砂體的發(fā)育區(qū)，兼顧后期溶蝕作用的影響。