米偉偉，謝小飛，曹紅霞，馬 強，杜永慧，張 瓊，鄧長生，宋珈萱

（1.陜西延長石油集團研究院，西安 710065；2.陜西延長石油集團油氣勘探公司采氣一廠，陜西延安 716005）

0 引言

致密氣是目前全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的熱點，也是我國非常規(guī)天然氣產(chǎn)量的主體。鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖氣資源量為14.4×1012m3，約占全國致密氣資源量的59%，是我國致密氣的重要產(chǎn)區(qū)［1］。在鄂爾多斯盆地已發(fā)現(xiàn)多個儲量超千億方的致密砂巖大氣田，如蘇里格、米脂、子洲、大牛地及延安等［2］。這些氣田大部分集中在盆地北部，以往的研究認為盆地南部上古生界物源規(guī)模小、構(gòu)造復雜、煤層厚度小和地層埋深大等，從而形成了鄂爾多斯盆地“南油北氣”的傳統(tǒng)認識［3］。近年來，隨著對盆地東南部勘探開發(fā)的深入，該區(qū)天然氣勘探取得重大突破，截至2021 年底，探明地質(zhì)儲量約為6 013×108m3，證明鄂爾多斯盆地東南部天然氣開發(fā)前景廣闊。

鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段儲集層屬于典型的致密砂巖儲層［4-5］，具有孔喉尺度小、非均質(zhì)性強和孔喉結(jié)構(gòu)復雜等特征，制約了氣田開發(fā)的效果。為了厘清鄂爾多斯盆地東南部上古生界天然氣運移富集規(guī)律，尋找相對高滲區(qū)域成為該區(qū)致密氣勘探開發(fā)的重點和難點。近年來，中國有關(guān)學者針對致密砂巖儲層特征開展了相關(guān)研究工作，楊華等［6］、趙靖舟等［7］、姚涇利等［8］對致密儲層成因進行了大量研究，認為儲層致密化過程受沉積環(huán)境、成巖作用和構(gòu)造運動等因素的綜合控制，其中成巖作用控制儲層物性演化，是決定儲層性能優(yōu)劣的重要因素。王猛等［9］、王維斌等［10］認為隨著埋深增大，壓實作用逐漸增強，對儲層物性破壞加劇，儲層的儲集性能逐漸降低。肖暉等［11］、張玉曄等［12］認為致密砂巖儲層的差異性成巖作用是導致儲層物性和微觀孔隙結(jié)構(gòu)差異的根本原因。還有部分學者討論了鄂爾多斯盆地東南部上古生界砂巖儲層致密化的原因，王香增等［13］研究發(fā)現(xiàn)壓實作用和膠結(jié)作用是山西組山2 段儲集層致密化的主要原因。陳灼華等［14］認為上古生界儲集層致密、物性變差的主要成因是壓實作用，碳酸鹽礦物和硅質(zhì)礦物可進一步降低儲集層孔隙度。肖子亢等［15］認為成巖作用、沉積環(huán)境和物源等因素共同控制著致密砂巖儲層的發(fā)育。尚婷等［16］發(fā)現(xiàn)伊利石、高嶺石等黏土礦物充填膠結(jié)作用是影響山西組儲集層滲透率的關(guān)鍵因素。以上研究成果或涉及層位單一，或從定性向定量分析轉(zhuǎn)變不夠深入，總體缺少對鄂爾多斯盆地東南部二疊系儲層成巖作用、孔喉微觀特征及物性控制因素的深入分析。

針對鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲層，通過鑄體薄片，掃描電鏡、巖心分析測試等資料，對儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)進行直觀、定性地描述，同時利用恒速壓汞測試資料對儲集層微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征進行定量評價，并進一步探討沉積作用與成巖作用對儲集層致密化的影響，以期為該區(qū)塊上古生界致密砂巖儲集層“甜點區(qū)”優(yōu)選及合理開發(fā)方式的選擇提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通臺地西緣，面積約2.5×105km2，是中新生代和元古代—古生代的多元復合型沉積盆地。研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，按照中生代構(gòu)造特征劃分，該區(qū)主體位于伊陜斜坡區(qū)（圖1）。

圖1 鄂爾多斯盆地東南部區(qū)域構(gòu)造位置（a）及延長探區(qū)上古生界天然氣成藏組合（b）Fig.1 Structural location of southeastern Ordos Basin（a）and gas accumulation assemblages of Upper Paleozoic in Yanchang exploration area（b）

早二疊世末，受海西運動的影響，在北方西伯利亞板塊向南“推土機”機制的作用下［17］，興蒙海槽發(fā)生向南的俯沖、消減［18］，華北地臺北緣進一步抬升，南北差異升降顯著，盆地沉降中心位于吳起、富縣、宜川一帶，海水向東南方向逐漸退縮。在區(qū)域性海退陸表海沉積背景下，河流、淺水三角洲大范圍向盆地內(nèi)部遷移，自北向南發(fā)育沖積扇、河流、淺水三角洲及障壁島等沉積體［19］。山西組沉積時期研究區(qū)氣候濕潤，主要以淺水三角洲前緣亞相沉積為主，豐富的水下分流河道、河口砂壩、席狀砂等沉積砂體是研究區(qū)山2 段—山1 段的主要儲集層。

中二疊世早期，隨著北部興蒙海槽的逐漸關(guān)閉，北部構(gòu)造活動進一步加劇，致使盆地內(nèi)南北差異升降強烈，海域退縮于華北地臺的東南緣地區(qū)，鄂爾多斯盆地海水全部退出，完全演變?yōu)閮?nèi)陸湖盆沉積環(huán)境，盆內(nèi)形成了一套粒度相對較大的陸源碎屑巖建造［20］。下石盒子沉積期，盆內(nèi)已轉(zhuǎn)變?yōu)榘敫珊怠珊禋夂驐l件，該時期研究區(qū)盒8 段發(fā)育辮狀河三角洲前緣亞相沉積體系，水下分流河道單砂體厚度較大，連片展布性強，成為本區(qū)的主要儲層之一。

2 致密砂巖儲層特征

2.1 巖石學特征

鄂爾多斯盆地東南部山2 段、山1 段、盒8 段砂巖主要以石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖為主，不同層段砂巖類型相似（圖2）。碎屑顆粒主要為石英，其次為巖屑，少量長石。受北部物源影響［21-23］，研究區(qū)巖屑和石英的含量在各層段相差不大，其中巖屑在山2 段、山1 段、盒8 段的相對體積分數(shù)平均值分別為18.1%，4.7%和5.7%，呈遞增趨勢，而石英的相對體積分數(shù)逐漸減小，平均值分別為80.4%，72.9%和72.6%。

圖2 鄂爾多斯盆地東南部二疊系儲集層砂巖分類Fig.2 Classification of Permian reservoir sandstone in southeastern Ordos Basin

各層段石英以單晶石英為主，多具變質(zhì)母巖特征的波狀消光；巖屑成分以片巖、千枚巖、板巖等變質(zhì)巖為主，其體積占到總巖屑的38%左右，其次為沉積巖巖屑，體積占總巖屑的25%～30%，巖漿巖巖屑和鈣化巖屑的體積分數(shù)分別約為14%和12%，高嶺石化碎屑和重礦物含量較低。研究區(qū)山2 段、山1 段、盒8 段處在三角洲前緣亞相環(huán)境，水動力較強，不穩(wěn)定的巖屑成分不斷被分解和溶蝕形成次生孔隙，從而有助于提高儲層的儲集性能。山2 段、山1 段、盒8 段砂巖儲集層填隙物平均體積分數(shù)為11.87%～12.81%，各層段差異較小，主要為黏土礦物、硅質(zhì)、碳酸鹽膠結(jié)及極少量凝灰質(zhì)（表1），其中伊利石和硅質(zhì)含量相對較高，高嶺石、綠泥石及鐵方解石含量次之。

表1 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 砂巖儲集層填隙物成分表（體積分數(shù)為均值）Table 1 Interstitial composition of sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

2.2 儲層孔喉類型

研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖儲集層孔隙類型主要可劃分為4 類：①殘余粒間孔主要指經(jīng)壓實作用、膠結(jié)作用后，在顆粒、雜基及膠結(jié)物之間的孔隙。該類孔隙一般呈不規(guī)則三角形或多邊形，與其連通的喉道以彎片狀和片狀為主，孔徑大，是儲層的主要儲集空間（圖3a，3b）。②（顆粒、膠結(jié)物）溶孔主要由粒間擴大溶孔、粒內(nèi)溶孔組成，孔隙形態(tài)不規(guī)則，多呈港灣狀，喉道多呈彎片狀或管束狀。常與長石、巖屑溶孔等伴生，并被細小的溶蝕縫連通，孔隙大小不均勻（圖3c—3e）。③黏土礦物晶間孔。該類孔隙在研究區(qū)目的層段砂巖中普遍發(fā)育，主要分布在粒間殘余孔和長石、巖屑次生溶孔中。大量自生黏土礦物充填在孔喉中，如玫瑰花瓣狀綠泥石、絲絮狀伊利石和手風琴狀高嶺石等，晶間微孔發(fā)育在黏土礦物之間（圖3f，3g）。④微裂縫。在薄片和掃描電鏡下觀察，研究區(qū)微裂縫不是很發(fā)育，但不多的微裂縫為流體的運移提供了通道，為次生溶蝕孔隙的發(fā)育創(chuàng)造了潛在營力（圖3h，3i）。

圖3 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲集層微觀孔隙、喉道類型Fig.3 Microscopic pore and throat types of tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

2.3 儲層微觀孔喉特征

砂巖的儲集空間是由多種類型的孔隙及喉道連接所組成的復雜多變的孔喉系統(tǒng)［24］，是儲層微觀物理研究的核心內(nèi)容。恒速壓汞和高壓壓汞是目前獲取孔喉參數(shù)的主要手段，2 種技術(shù)的區(qū)別在于前者能夠更為直觀且定量地分析孔隙半徑、喉道半徑及孔喉半徑比的分布特征等［25］。

在大量物性、鑄體薄片、掃描電鏡等常規(guī)測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，本次研究采用ASPE-730 型恒速壓汞測試裝置（實驗溫度為25 ℃，汞接觸角為140°，表面張力為480 mN/m），選取了鄂爾多斯盆地東南部山2—盒8 段致密砂巖儲層樣品21 塊進行恒速壓汞分析。測得樣品的孔隙度為4.52%～10.64%，平均值為7.12%；滲透率為0.022～4.720 mD，平均值為0.832 mD，屬于典型的致密砂巖儲集層，但整體上樣品的孔隙度差異小，而滲透率存在數(shù)量級的差異。

2.3.1 孔喉半徑分布特征

恒速壓汞測試結(jié)果表明，研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖不同滲透率級別的樣品，具有相似形態(tài)的孔隙半徑分布曲線（圖4a），均呈正態(tài)分布；相似的集中區(qū)間，主要分布在80～300 μm，且峰值接近，主峰值均為150 μm 左右。孔隙半徑平均值為140～205 μm。這說明對于低孔低滲的致密砂巖而言，不同滲透率級別的樣品，孔隙大小并非引起儲集層物性差異的主要因素。不同滲透率級別樣品的喉道半徑分布曲線（圖4b）與孔隙半徑分布曲線差異明顯，隨著樣品滲透率的增大，喉道半徑分布范圍變寬、頻率降低，呈多峰態(tài)，同時大喉道占比升高，說明巖心的滲透率受喉道影響較大，總體表現(xiàn)為喉道半徑越大，巖心滲透率越高。

圖4 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層不同滲透率（K）樣品的孔隙半徑（a）與喉道半徑（b）的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of pore radius（a）and throat radius（b）of samples with different permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

進一步對測試樣品滲透率與喉道參數(shù)的相關(guān)性進行研究，可見平均喉道半徑、主流喉道半徑與滲透率之間具有明顯的正相關(guān)性（相關(guān)系數(shù)均大于0.9），滲透率的升高與平均喉道半徑、主流喉道半徑的增大息息相關(guān)（圖5）。對比可見，平均喉道半徑與滲透率之間的相關(guān)性相較于主流喉道半徑與滲透率之間的相關(guān)性差，說明樣品滲透率受主流喉道半徑的影響更大。

圖5 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層喉道參數(shù)與滲透率的相關(guān)性Fig.5 Correlation between throat parameters and permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

2.3.2 喉道對滲透率的貢獻

研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖不同滲透率級別樣品的喉道對滲透率的貢獻存在明顯差異，分析試驗結(jié)果（圖6）顯示：滲透率級別較低的樣品F-H-20，F(xiàn)-S-6 和F-S-9，累計頻率超過90%時，喉道半徑均趨于1.2 μm，說明樣品的滲透率主要受控于半徑小于1.2 μm的喉道，并且喉道對滲透率的貢獻率分布比較集中，貢獻率峰值較小。隨著滲透率級別的提高（樣品F-S-11 和M-S-41），喉道半徑的分布區(qū)間變寬，主要為0.5～12.0 μm，樣品滲透率主要受半徑小于8.0 μm 的喉道所控制，大喉道增多，小喉道對滲透率的貢獻減小，大喉道對滲透率的貢獻明顯增大。相對滲透率級別更高的樣品M-S-8，喉道半徑分布區(qū)間更寬，半徑大于6.0 μm 的喉道約占18%，貢獻率峰值對應(yīng)的喉道半徑達12.5 μm，說明滲透率貢獻主要來自數(shù)量相對較少的大喉道，低滲透致密砂巖物性（尤其是滲透率）差的根本原因在于小喉道所占的比例較大。

圖6 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層不同滲透率（K）樣品的與喉道半徑相關(guān)的參數(shù)Fig.6 Parameters of throat radius of samples with different permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

2.3.3 孔喉比特征

孔喉半徑比即為孔隙半徑與喉道半徑的比值，也稱孔喉比，該值是衡量孔隙、喉道差異的重要指標［26］。對于孔喉結(jié)構(gòu)復雜的低滲致密砂巖儲層，孔喉比值能較好地反映儲層的滲流能力。根據(jù)研究區(qū)山2—盒8 段儲集層不同滲透率條件下的孔喉比頻率分布曲線（圖7）分析可知，隨著滲透率級別升高，孔喉比不斷減小，且主要分布范圍逐漸向低值區(qū)移動。其中滲透率小于0.1 mD 的樣品孔喉比頻率波動較大，均出現(xiàn)了多個峰值頻率點，孔喉比主要為100～340；滲透率為0.1～1.0 mD的樣品，孔喉比均小于350，呈單峰態(tài)，且在孔喉比75 左右出現(xiàn)了峰值頻率；滲透率大于1.0 mD 的樣品，孔喉比大多小于250，孔喉比為40 時出現(xiàn)了峰值頻率28.35%，分布范圍向低值區(qū)移動明顯。

圖7 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層孔喉半徑比的頻率分布曲線Fig.7 Frequency distribution curves of pore-throat radius ratio of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

從平均孔喉比與物性的相關(guān)性可以看出，研究區(qū)樣品的平均孔喉比與孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.657，隨著孔隙度的增大，孔喉比平均值增大，則孔喉差異更大（圖8a）。平均孔喉比與滲透率之間的相關(guān)性非常強（相關(guān)系數(shù)為0.923），滲透率小于1.0 mD 時，平均孔喉比值下降較快（曲線斜率較大）（圖8b），低滲透砂巖儲層敏感的根本原因在于喉道特征的變化。不同滲透率級別的樣品，平均孔喉比分布范圍存在分異性，而對應(yīng)的孔隙度則分異性不明顯。滲透率小于0.1 mD 的樣品，孔喉比平均值為190～240；滲透率為0.1～1.0 mD 的樣品，孔喉比平均值為120～140。綜合上述分析可見，相同滲透率級別的樣品，孔喉比分布范圍具有相似性，且對應(yīng)的峰值頻率相近；隨著滲透率級別的增大，孔喉比向低值區(qū)移動，平均孔喉比減小，即孔喉差異性縮小，流體在巖石孔喉系統(tǒng)中流動時遇到的阻力相對變小，有利于流體的滲流，從而降低了油氣開采的難度。

圖8 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層平均孔喉比與孔隙度（a）及滲透率（b）的相關(guān)性Fig.8 Correlation between average pore-throat ratio and porosity（a）and permeability（b）of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

2.3.4 毛管壓力曲線特征

恒速壓汞測試不僅能測得總的毛管壓力，而且通過檢測汞注入過程中壓力的升降，可將巖石內(nèi)部的孔隙和喉道區(qū)分開，能夠分別得到孔隙、喉道的進汞壓力。通過測試結(jié)果可以直觀、定量地分析儲集層樣品的有效喉道體積及其控制的有效孔隙體積的分布特征。

根據(jù)研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖儲集層不同滲透率樣品恒速壓汞毛細管壓力曲線（圖9）分析可見：滲透率低的樣品，孔隙進汞量少甚至為零，而總進汞飽和度和喉道進汞飽和度相等（F-H-20 和F-S-6），并且進汞壓力閥值高，喉道毛管壓力曲線與總毛管壓力曲線近乎全程重合，即總毛管壓力曲線主要受喉道毛管壓力曲線影響和控制，說明滲透率低的儲層主要發(fā)育微細喉道，大喉道及孔隙相對不發(fā)育。滲透率相對高的樣品（F-S-11，M-S-41 和M-S-8），孔隙、喉道、總體3 條毛管壓力曲線不存在疊合現(xiàn)象，說明該滲透率條件下喉道對總孔喉系統(tǒng)的影響較弱，而孔隙對總孔喉系統(tǒng)的影響和控制作用較強，即孔隙占有效儲集空間的比例增大。

圖9 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段不同滲透率（K）樣品的恒速壓汞毛管壓力曲線Fig.9 Constant-rate mercury intrusion capillary pressure curves of samples with different permeability of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

對滲透率相對較高樣品（F-S-11和M-S-8）的恒速壓汞毛管壓力曲線（圖10）分析可知，隨著進汞壓力的增加，曲線形態(tài)可劃分為3 個階段：第Ⅰ階段，當毛管壓力超過排驅(qū)壓力時，汞首先進入半徑相對較大的喉道及與其連通的孔隙內(nèi)，并且喉道和孔隙進汞量的多少取決于喉道和孔隙有效儲集空間的大小，不存在孔隙進汞量一定大于喉道進汞量的關(guān)系（M-S-8），此時總毛管壓力曲線和其他2 條毛管圧力曲線不存在重合關(guān)系。由此說明，進汞壓力較低時，流體先充填半徑大的相對較粗的喉道及與其連通的孔隙，該階段相對較粗的喉道在流體運移中起主要作用。第Ⅱ階段，隨著進汞壓力的持續(xù)增大，孔隙和喉道的進汞量都在不斷增加，此時孔隙毛管壓力曲線開始上翹，隨著進汞壓力的增大，孔隙進汞量增加緩慢，說明汞主要充注于相對較細喉道的有效儲集空間。第Ⅲ階段，隨著孔隙被進汞充注滿以后，繼續(xù)增大進汞壓力，汞開始進入微細喉道，此時只剩下喉道毛管壓力曲線控制著總毛管圧力曲線繼續(xù)增長，說明進汞壓力較高時，微細喉道是流體儲集的主要空間。

圖10 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段滲透率大于0.1 mD 典型樣品的毛管壓力曲線對比Fig.10 Comparison of capillary pressure curves of typical samples with permeability greater than 0.1 mD of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

對比樣品F-S-11 和M-S-8 的毛管壓力等信息（表2）可知：樣品F-S-11的進汞飽和度比樣品M-S-8高，顯示為第Ⅰ階段孔隙毛管壓力曲線段較長，說明樣品的孔隙有效儲集空間較大，而樣品F-S-11 在第Ⅱ和Ⅲ階段喉道進汞量快速增加，反映相對小的喉道較發(fā)育；樣品M-S-8 的喉道毛管壓力曲線在第Ⅲ階段上翹加快，說明相對應(yīng)的微細喉道不發(fā)育，總進汞飽和度主要來自第Ⅰ和Ⅱ階段的孔隙、喉道貢獻，這說明進汞飽和度受控于儲集層的有效儲集空間，與滲透率的高低沒有關(guān)系，但較大喉道的發(fā)育是儲集層滲透率較高的主要影響因素。

表2 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲集層典型樣品恒速壓汞測試參數(shù)Table 2 Constant-rate mercury intrusion parameters of typical samples of tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

3 儲層致密成因

致密砂巖儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)是在沉積作用的基礎(chǔ)上，經(jīng)過漫長且復雜的成巖作用形成的［27］。因此沉積作用決定了致密砂巖儲集層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，而成巖作用控制了致密砂巖儲集層的演化過程［28］。

3.1 沉積作用

沉積作用對孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性的影響表現(xiàn)在礦物成分、粒度變化等方面，是影響儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征的決定性地質(zhì)因素［29］。諸多資料顯示［26-32］：鄂爾多斯盆地南部山2 段—盒8 段沉積期處于淺水三角洲—海相沉積體系，沉積物的供應(yīng)穩(wěn)定，物源來自北、南2 個方向，交匯區(qū)在吳起—甘泉—宜川一線［23］。

鄂爾多斯盆地東南部山2—盒8 段儲集層沉積期，物源主要來自北邊陰山，為一套遠物源的曲流河三角洲前緣向辮狀河三角洲前緣轉(zhuǎn)變的沉積體系（圖11），主要發(fā)育強牽引流水下分流河道中的中—細砂巖和遞變懸浮成因的細—粉砂巖?？紫督Y(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性首先受沉積微相的物質(zhì)條件控制，通過對研究區(qū)砂體厚度、粒度、物性、礦物組分等特征分析，認為三角洲前緣水下分流河道砂體的儲層物性最好，因為其處在高能相帶，強水動力使得淘洗作用強烈，形成的砂體具有粒度相對較大（平均粒徑為0.31 mm），磨圓分選較好，雜基含量較低、原生粒間孔隙發(fā)育等特點。研究區(qū)孔隙度主要為4%～10%，滲透率主要為0.02～1.00 mD，亦顯示屬于致密砂巖儲集層。遠沙壩、三角洲前緣席狀砂沉積微相控制的砂體更靠近湖盆深水區(qū)，水動力較弱，淘洗作用較差，形成的砂體具有分選性更差、雜基含量相對更高，砂巖粒度更小，原生粒間孔隙發(fā)育差等特點，導致儲層物性較水下分流河道砂體的物性差。

圖11 鄂爾多斯盆地南部二疊系山2、山1 及盒8 段沉積模式Fig.11 Sedimentary model of Permian Shan 2，Shan 1 and He 8 members in southern Ordos Basin

研究區(qū)山2—盒8 段自下而上隨著沉積體系的轉(zhuǎn)變，物源供應(yīng)量增大，沉積速率加大，水下分流河道砂體淘洗作用變?nèi)?，形成的砂巖儲集層中巖屑含量逐漸增加，而石英等剛性顆粒含量相對減少、雜基含量相對升高、分選和磨圓變差，物性逐漸變差。石英顆粒含量減少，巖屑顆粒增加且多為塑性巖石組分（如云母、千枚巖、板巖等巖屑），且極易變形和破碎，在后期成巖過程中易被壓扁、伸長等，影響了顆粒骨架的支撐結(jié)構(gòu)。儲集層中雜基含量升高對原生粒間孔隙有一定的填充作用，降低了半徑較大孔喉的占比，因此儲層總體孔喉連通性變差，微觀孔隙結(jié)構(gòu)復雜化。

3.2 成巖作用

沉積作用決定了孔隙結(jié)構(gòu)的原始面貌，而沉積物經(jīng)歷的壓實、壓溶、膠結(jié)等破壞性成巖作用是儲集層致密化的重要影響因素［29，33］，沉積作用使得孔喉變細、微觀結(jié)構(gòu)復雜化、連通性變差。研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖成巖序列主要為：早期壓實→早期少量膠結(jié)→壓溶作用→Ⅰ期硅質(zhì)膠結(jié)→Ⅰ期（長石、巖屑和早期方解石）溶蝕→Ⅱ期硅質(zhì)膠結(jié)→高嶺石膠結(jié)→Ⅱ期溶蝕→片狀伊利石→晚期方解石膠結(jié)、交代→晚期綠泥石→絲狀伊利石→鐵白云石、鐵方解石膠結(jié)、交代?，F(xiàn)今目的層段砂巖成巖階段處于中成巖B 期（圖12）。

圖12 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段地層埋藏史及孔隙演化史Fig.12 Burial history and pore evolution history of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

3.2.1 壓實作用

壓實作用是導致儲集層孔隙減少的最主要的成巖作用。依據(jù)埋藏史和構(gòu)造演化史分析，自早二疊世山西組沉積時期一直到中侏羅世安定組沉積時期，鄂爾多斯盆地整體處于持續(xù)沉降狀態(tài)；晚侏羅世芬芳河組沉積時期受燕山運動的影響，地層發(fā)生了短暫抬升，之后再次進入穩(wěn)定沉降期，且持續(xù)至早白堊世末，鄂爾多斯盆地上古生界達到了地質(zhì)歷史時期最大埋深4.5～5.0 km；接著盆地轉(zhuǎn)化為全面抬升階段并持續(xù)至今?？傮w上，研究區(qū)上古生界在地質(zhì)歷史時期長期處于沉降狀態(tài)，雖然后期發(fā)生地層抬升，但其埋深依然超過2.2 km。

學者們對機械壓實與埋藏深度之間的關(guān)系做了大量研究［34-35］，分析認為埋深小于2.0 km 時，壓實作用對砂巖孔隙的影響最大，儲集層減孔效應(yīng)最強烈。研究區(qū)山2—盒8 段在地質(zhì)歷史時期埋深大，機械壓實作用強烈，大量碎屑顆粒發(fā)生擠壓錯位，再分配，造成粒間孔隙大量損失。隨著上覆壓力的增大及壓實作用持續(xù)增強，地層壓力超過顆粒抗壓強度，石英、長石等剛性顆粒局部或整體破裂，形成裂紋。持續(xù)的壓實作用進一步轉(zhuǎn)變?yōu)閴喝茏饔脮r，碎屑顆粒逐漸由點接觸演變?yōu)榫€接觸甚至凹凸接觸為主（圖13a，13b），使顆粒接觸更加緊密，導致孔隙變小、喉道變窄，形成縮頸形喉道、片狀喉道、彎片狀喉道，儲集層連通性變差，滲透率急劇下降。同時在強烈壓實作用下，軟組分如千枚巖、泥板巖以及云母等塑性顆粒強烈變形，部分呈假雜基充填孔隙，或完全堵塞喉道，進而在一定程度上影響成巖后期地層流體在儲層內(nèi)的流動，導致儲層孔隙度、滲透率的下降（圖13c）。因此，儲集層埋深大且壓實作用強烈是研究區(qū)山2—盒8 段儲層致密化的主控因素之一。

圖13 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層壓實作用特征Fig.13 Compaction characteristics of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

3.2.2 膠結(jié)作用

當埋藏深度大于2.5 km 時，砂巖儲集層的減孔效應(yīng)主要受控于膠結(jié)物、雜基等對殘余孔隙的充填［33，35-36］。研究區(qū)東部山2—盒8 段埋深普遍大于2.3 km，隨著伊陜斜坡的坡降方向向西埋深逐步增大，至甘泉區(qū)域埋深已大于3.1 km。整個研究區(qū)目的層段膠結(jié)作用普遍發(fā)育，膠結(jié)物平均體積分數(shù)為12.24%，其中硅質(zhì)膠結(jié)以石英加大為主；碳酸鹽類膠結(jié)主要以鐵方解石為主，鐵白云石、菱鐵礦次之；黏土礦物膠結(jié)以伊利石、高嶺石為主（參見表1）。

3.2.2.1 硅質(zhì)膠結(jié)

研究區(qū)山2—盒8 段發(fā)育3 期硅質(zhì)膠結(jié)作用，以Ⅰ—Ⅱ級為主，少部分達到Ⅲ級，體積分數(shù)主要為0～6.0%，平均值為2.4%，表現(xiàn)為早期以石英雛晶加大為主，晚期以充填粒間、粒內(nèi)孔隙自形程度高的石英晶體為主，不同時期發(fā)育特征存在顯著差異。早期硅質(zhì)膠結(jié)以石英次生加大形式出現(xiàn)，發(fā)育多不完全，少見環(huán)邊狀，時間早于綠泥石環(huán)邊膠結(jié)，主要圍繞碎屑石英顆粒邊緣生長，加大邊石英與碎屑石英呈貼面結(jié)合或鑲嵌緊密凹凸接觸，它們之間常?？梢娪绅ね恋V物組成的灰塵線，容易出現(xiàn)在剛性石英顆粒骨架聚集區(qū)（圖14a，14b）。較晚期硅質(zhì)膠結(jié)物多以自生石英顆粒充填于殘余粒間孔隙、粒內(nèi)溶孔和粒間溶蝕孔中，晶體大小不一，自形程度高，晶面潔凈、完整，晶棱清晰，呈六方雙錐狀（圖14c）。李艷霞等［37］研究認為，盆地東部山西組砂巖中巖屑、長石等不穩(wěn)定礦物遭受有機酸溶蝕，可溶的SiO2使孔隙水中Si4+的濃度升高，提供了石英次生加大的硅質(zhì)物源。部分硅質(zhì)膠結(jié)物的形成，可以增強砂巖成巖后期的抗壓實性，而大量的硅質(zhì)膠結(jié)物占據(jù)孔隙空間，甚至完全堵塞孔喉，使巖石孔隙度降低，喉道連通性變差，增大了儲集層的滲流阻力，這也是研究區(qū)砂巖儲集層致密化的重要成因之一。

圖14 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密儲集層硅質(zhì)膠結(jié)物發(fā)育特征Fig.14 Development characteristics of siliceous cements in tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

3.2.2.2 黏土礦物膠結(jié)

掃描電鏡、巖石薄片和X 射線衍射分析表明，研究區(qū)山2—盒8 段黏土礦物膠結(jié)（主要為伊利石、高嶺石和綠泥石）最為發(fā)育，其中伊利石絕對含量最高（平均質(zhì)量分數(shù)為3.40%）其次為高嶺石（平均質(zhì)量分數(shù)為1.99%）、綠泥石（平均質(zhì)量分數(shù)為1.37%），導致了儲集層微觀結(jié)構(gòu)的復雜化。

伊利石主要以絲絮狀、搭橋狀和變形片狀等形態(tài)分布在原生孔隙邊緣或殘余粒間孔喉中，常與高嶺石、自生石英等礦物共生。其中卷曲葉片狀、殘片狀伊利石在目的層段最為發(fā)育（圖15a），既有呈鱗片狀卷曲貼附于顆粒表面排列，也有近垂直顆粒表面向孔喉空間生長充填粒間殘余孔，這類伊利石占據(jù)孔喉空間的同時，增加巖石喉道的彎曲度，直接降低了儲集層的滲流能力。而絲絮狀、搭橋狀伊利石主要呈粒間孔、溶孔充填狀產(chǎn)出（圖15b），這種伊利石形態(tài)對流體運移具有一定的阻擋作用，當流體流速較大時，容易沖斷孔隙中的絲發(fā)狀伊利石，運移后堵塞在喉道處，直接減少了儲集層的有效孔喉個數(shù)和有效孔喉半徑，使儲集層滲透率降低。此外還有一部分晶體形態(tài)不明顯的伊利石充填在粒間孔隙中，同樣對儲集層滲透性具有一定的影響（圖15c）。因此，不同形態(tài)和產(chǎn)狀的伊利石膠結(jié)物均會增加儲集層微觀孔喉結(jié)構(gòu)的復雜性，降低流體的滲流能力，致使儲集層滲透率降低。

高嶺石在研究區(qū)山2—盒8 段黏土礦物膠結(jié)中含量僅次于伊利石，占黏土礦物總量的29.4%，在區(qū)內(nèi)分布較普遍。高嶺石在偏光顯微鏡下呈質(zhì)點狀分散分布，在掃描電鏡下呈不規(guī)則板狀或假六邊形（直徑小于5 μm），聚合體以書頁狀、蠕蟲狀、手風琴狀填隙物的方式充填在殘余粒間孔和長石溶蝕孔隙中（圖15d），發(fā)育微小的晶間孔（孔徑一般小于3 μm）。少量自生高嶺石晶體表面出現(xiàn)卷曲絲絮化的現(xiàn)象，表明可能存在自生高嶺石向伊利石的轉(zhuǎn)化（圖15e）。自生高嶺石成因主要與長石、巖屑的熱液溶蝕作用有關(guān)，是熱液蝕變的副產(chǎn)物。自生高嶺石的出現(xiàn)具有兩面性，好的一面反映存在熱液溶蝕作用，對儲層改善有利；不好的一面為充填孔隙的自生高嶺石在流體剪切力作用下極易從巖石顆粒上脫落和破碎，并隨流體在孔隙中遷移，造成高嶺石微粒堵塞巖石孔隙喉道，致使儲層滲透率急劇下降，但是對孔隙度影響不大，所以自生高嶺石的遷移堵塞作用也是導致山2—盒8 段儲集層致密化的重要成因之一。

綠泥石在研究區(qū)山2—盒8 段主要以孔隙襯里的形式出現(xiàn)，少部分以玫瑰花瓣狀集合體產(chǎn)出，常與伊利石、自生石英晶體共生，平均厚度為3～7 μm。早期綠泥石以孔隙襯里的形式出現(xiàn)，呈櫛殼狀直接附著于孔隙周圍的顆粒表面，晶形較小，但隨著向孔喉中心方向生長其自形程度變好，晶形變大。這種孔隙襯里綠泥石既縮小孔隙又堵塞喉道，致使大喉道的數(shù)量減少，導致砂巖儲集層物性變差，尤其是滲透率變差。較晚期形成的綠泥石主要以玫瑰花瓣狀集合體的形式分布在大孔隙中，自形程度高，但含量并不高，通常直接覆蓋在顆粒表面或襯里綠泥石表面向孔隙空間生長（圖15f）。這種玫瑰花瓣狀綠泥石主要對孔喉中的偏堿性流體產(chǎn)生阻擋作用，尤其在喉道位置這種作用更明顯，使得流體流速降低或者被完全阻擋，造成砂巖儲集層滲透率下降，滲流能力減弱。

圖15 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲集層黏土礦物發(fā)育特征Fig.15 Development characteristics of clay minerals in tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

已有研究成果表明，成巖早期形成的綠泥石黏土膜均勻地分布于顆粒表面，隔斷了孔隙水與石英顆粒表面的直接接觸，從而阻止自生石英膠結(jié)物在碎屑石英表面成核，致使綠泥石發(fā)育的孔隙少見石英自生加大現(xiàn)象，從而保存了一部分殘余粒間孔。據(jù)此認為綠泥石黏土膜具有抑制其他成巖作用，保存原生粒間孔隙的意義［38］。在研究區(qū)山2—盒8 段砂巖中，黏土礦物綠泥石的絕對含量較低，平均質(zhì)量分數(shù)為1.37%。李陽等［39］認為當綠泥石絕對質(zhì)量分數(shù)小于5%時，形成的綠泥石膜較薄且分布不均勻，不足以阻止石英和長石的次生加大，也無法抑制壓實作用。掃描電鏡下觀察到，研究區(qū)部分綠泥石黏土膜發(fā)育的部位，亦可見石英次生加大的現(xiàn)象（圖15g），并且少量綠泥石呈片狀嵌入石英自形晶體中（圖15h），還存在綠泥石黏土膜與自生長石、碳酸鹽膠結(jié)物相伴生的現(xiàn)象（圖15i），這些現(xiàn)象均說明綠泥石含量較低時不能完全抑制硅質(zhì)加大和長石等膠結(jié)物的發(fā)育。

3.2.2.3 碳酸鹽膠結(jié)

研究區(qū)山2—盒8 段碳酸鹽膠結(jié)物普遍發(fā)育，其主要類型為鐵方解石、鐵白云石和菱鐵礦，同時含有少量方解石。王琪等［40］根據(jù)碳酸鹽膠結(jié)物成分、產(chǎn)狀和賦存狀態(tài)等特征的不同，從礦物學和成巖序列的角度劃分出3 期膠結(jié)物類型，即早期方解石（含菱鐵礦）、中期鐵方解石和晚期鐵白云石。研究區(qū)目的層段方解石膠結(jié)物很少，形成時間主要在早成巖期，是直接從沉積物孔隙水中沉淀形成的，絕對質(zhì)量分數(shù)均值小于0.1%，可能為后期溶蝕和交代作用的殘余，對儲層的影響較?。▓D16a）。同樣，菱鐵礦膠結(jié)物也主要形成于原生孔隙發(fā)育的早成巖期［41］，且沉積水體還原性較強，通常以假雜基形態(tài)充填原生粒間孔隙，部分呈團塊狀，其發(fā)育位置的碎屑顆粒，主要以點接觸為主，對孔喉形成一定的堵塞作用（圖16b）。鐵方解石在研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)礦物中較為多見，常呈斑塊狀充填于殘余粒間孔、溶蝕孔內(nèi)，碎屑顆粒之間以線接觸為主，說明砂巖儲集層已經(jīng)歷過強烈壓實作用，表明該類膠結(jié)物形成時間較晚，大致形成于中成巖階段A 期，鐵方解石對孔喉的填充作用引起孔隙度和滲透率下降，致使儲集層致密化（圖16c）。鐵白云石主要發(fā)育在研究區(qū)山2 段地層中，其形成與富含F(xiàn)e2+和Mg2+的地層水流體活動有關(guān)，當CO2分壓降低時，這些離子強烈交代早期、中期碳酸鹽膠結(jié)物［42］，形成晚期鐵白云石膠結(jié)物（圖16d，16e），并且部分呈自形晶充填于剩余粒間孔或顆粒溶孔中（圖16f），因此這類膠結(jié)物的形成時間最晚，對孔喉的進一步填充引起孔喉堵塞，使得儲集層滲流能力進一步降低。

圖16 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲集層碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)育特征Fig.16 Development characteristics of carbonate cements in tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

總之，研究區(qū)砂巖儲集層隨著碳酸鹽膠結(jié)物體積分數(shù)的升高，孔隙度和滲透率均不斷降低，呈現(xiàn)出負相關(guān)性（圖17）。因此，不同類型和賦存狀態(tài)的碳酸鹽膠結(jié)物不僅造成了儲集層孔喉微觀變化的復雜化，而且是儲集層孔滲降低的關(guān)鍵因素之一。

圖17 鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段儲集層碳酸鹽膠結(jié)物含量與物性的相關(guān)關(guān)系Fig.17 Correlation between physical properties and carbonate cement content of reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin

4 結(jié)論

（1）鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖儲集層主要以石英砂巖、巖屑石英砂巖、巖屑砂巖為主，不同層段砂巖類型相似；儲集空間類型主要分為殘余粒間孔、（顆粒、膠結(jié)物）溶孔、自生黏土礦物晶間孔和少量微裂縫。

（2）鄂爾多斯盆地東南部二疊系山2—盒8 段致密砂巖不同滲透率級別砂巖孔隙半徑分布相似，但喉道半徑分布差異較大；隨著巖石滲透率的升高，喉道半徑分布范圍變寬，大喉道所占比例明顯增大，對滲透率升高的影響作用增強；孔喉半徑比越小，特別是平均孔喉比越小，反映孔隙與喉道半徑的差異性較小，對應(yīng)的總孔喉連通性越好。

（3）沉積作用是決定研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖儲集層形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。孔隙結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性受沉積微相的物質(zhì)條件控制，三角洲前緣水下分流河道砂體具有粒度相對較大、雜基含量低、原生粒間孔隙最發(fā)育等特點，屬于致密砂巖儲集層，其他沉積微相控制的砂體物性較差。山2—盒8 段砂巖自下而上具有（塑性）巖屑含量升高、石英等剛性顆粒減少、雜基含量升高的特征，沉積組分的差異為后期儲集層致密化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

（4）成巖作用是研究區(qū)山2—盒8 段致密砂巖微觀孔隙結(jié)構(gòu)復雜化的重要成因，長期持續(xù)的埋藏壓實作用造成顆粒接觸緊密，部分在壓溶作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榫€狀—凹凸接觸，大量減孔；同時，多期硅質(zhì)加大，不同類型及形式的黏土礦物和碳酸鹽膠結(jié)物充填堵塞孔喉，進一步加劇了目的層段砂巖滲透率降低及儲集層致密化。