鄂爾多斯盆地天環坳陷北段長8儲層致密成因

劉廣林, 馬 爽, 邵曉州, 周新平, 郭正權, 王亞玲

( 1. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018； 2. 中國石油長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018； 3. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 西安 710018 )

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鄂爾多斯盆地天環坳陷北段長8儲層致密成因

劉廣林1,2, 馬 爽1,3, 邵曉州1,2, 周新平1,2, 郭正權1,2, 王亞玲1,2

( 1. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西 西安 710018； 2. 中國石油長慶油田分公司 勘探開發研究院，陜西 西安 710018； 3. 中國石油長慶油田分公司 第一采油廠，陜西 西安 710018 )

鄂爾多斯盆地天環坳陷北段與姬塬地區同屬西北沉積體系，且比姬塬地區更靠近物源區，但是該區長8儲層物性較姬塬地區的差。利用薄片觀察、粒度和地層水分析、成像測井等資料，分析天環坳陷北段與姬塬地區長8儲層成巖環境的差異性。結果表明：自晚侏羅系以來，天環北段處于天環坳陷最低部位，壓實作用強烈；研究區臨近構造活動帶，裂縫發育，目的層流體封閉性差，在構造應力的作用下，砂巖和泥巖流體交換作用強，成巖反應消耗的離子不斷得到補充，導致鐵方解石、高嶺石膠結嚴重；強烈的壓實和膠結作用是導致儲層致密的主要原因。該研究結果對鄂爾多斯盆地石油勘探開發具有參考意義。

天環坳陷北段； 長8儲層； 儲層致密； 壓實作用； 膠結作用； 鄂爾多斯盆地

0 引言

鄂爾多斯盆地延長組為低孔低滲儲層，發育大型低滲—超低滲巖性油藏。致密儲層影響油藏分布，是制約石油勘探開發的關鍵因素之一。儲層致密成因是儲層研究的重點，目前人們認為沉積和成巖作用是控制儲層物性的重要因素[1-9]。沉積條件決定儲層巖石結構及空間展布特征，粒度粗、抗壓實組分多、泥質含量少、厚度大的儲層后期壓實及膠結作用相對較弱，保留較多的粒間孔[4,7]。成巖作用后期改造儲層孔隙結構，壓實作用和膠結作用是儲層致密化的重要原因。潘榮等[10]利用Houseknecht D W建立的評價壓實與膠結相對作用評價圖，對克拉蘇沖斷帶白堊系儲層成巖作用進行評價，認為壓實作用造成的平均原始孔隙度損失率為54%，膠結作用造成的平均原始孔隙度損失率為21%；羅文軍等[11]分析川西坳陷須家河組二段儲層成巖作用及孔隙演化史，認為壓實作用使該區儲層原始孔隙度減少70%；葉蘭芳等[12,16]研究姬塬地區長8儲層成巖作用，認為以孔隙環襯里和薄膜形式存在的自生綠泥石在成巖過程中抵抗上覆巖石機械壓實作用。此外，異常高壓抑制壓實作用[13]，裂縫可以改善儲層連通性[14-15]。

人們針對儲層致密成因的研究多局限于受強壓實和強膠結作用影響，導致儲層致密的表面現象和結果，缺乏成巖機理研究。根據實測物性、薄片資料及成巖環境分析，筆者明確強壓實作用和膠結作用是造成研究區長8儲層致密的主要原因，探討成巖作用強烈的成因，為研究區下一步油氣勘探提供參考依據。

1 地質概況

鄂爾多斯盆地是位于中國中西部的大型內陸坳陷盆地，蘊含豐富的石油、煤炭及天然氣資源。盆地分為6個構造單元：陜北斜坡、渭北隆起、伊盟隆起、晉西撓褶帶、西緣逆沖帶和天環坳陷[17-18]。研究區位于鄂爾多斯盆地中西部，構造單元位于天環坳陷北部，臨近西緣逆沖帶，北起鹽池縣，南至紅柳溝，西起郭莊子，東達波羅池(見圖1)，面積為2.5×103km2。延長組為研究區主要含油層系，自下而上劃分為10個油層組，對應不同沉積發育期。長10期為湖盆演化早期，湖盆范圍小，發育粒度較粗的三角洲平原沉積；長9—長8期為湖盆擴張時期，發育淺水三角洲沉積；長7期為湖盆發育演化的鼎盛時期，湖水范圍最大，發育深湖—半深湖烴源巖，是延長組最重要的烴源巖；長6期為湖退時期，發育大規模三角洲相砂體；長5—長4期湖盆經歷短暫湖侵，泥巖較發育；長3—長1期湖盆逐漸萎縮消亡。

2 儲層物性特征

研究區長8儲層96口井物性資料表明，孔隙度在5.4%～10.2%之間，主要分布區間為6.0%～8.0%，占樣品總數的57.30%，平均孔隙度為7.1%；姬塬地區長8儲層孔隙度在5.6%～15.6%之間，主要分布區間為8.0%～10.0%，占樣品總數的75.36%，平均孔隙度為8.6%(見圖2(a))。研究區長8儲層滲透率在(0.06～0.73)×10-3μm2之間，主要分布區間為(0.10～0.30)×10-3μm2，占樣品總數的68.10%，平均滲透率為0.23×10-3μm2；姬塬地區長8儲層滲透率在(0.08～22.35)×10-3μm2之間，主要分布區間為(0.30～1.00)×10-3μm2，占樣品總數的71.10%，平均滲透率為0.51×10-3μm2(見圖2(b))。天環坳陷北段長8儲層物性整體較姬塬地區的差。

圖1 天環坳陷北段區域構造位置

圖2 研究區與姬塬地區長8儲層物性分布直方圖Fig.2 The property and distribution of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3 儲層致密成因

3.1 沉積作用

沉積作用是儲層發育的基礎，不僅控制儲層的厚度、空間分布規律等宏觀特征，還決定儲層的巖石學特征，如巖性、成分、粒度、磨圓、結構成熟度和雜基體積分數等，影響巖石的原始物性，決定后期成巖改造作用的程度。

3.1.1 巖性特征

研究區長8儲層為淺水三角洲沉積[19-20]，發育北西—南東向分流河道與水下分流河道砂體，砂體厚度為5～15 m，寬度為(2.00～4.00)×103m。研究區與姬塬地區長8儲層巖石類型主要為巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖，石英體積分數為15.5%～49.1%，平均為29.4%；長石體積分數為14.1%～47.5%，平均為24.8%；巖屑體積分數較高，為9.3%～47.6%，平均為28.7%，以變質巖和火成巖巖屑為主。砂巖分選好至中等，呈次棱角狀磨圓。

圖3 研究區與姬塬地區長8儲層砂巖粒度統計直方圖Fig.3 The grain statistics of sandstone of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

3.1.2 粒度分析

統計粒度數據表明，研究區和姬塬地區長8儲層主要為細砂巖，其中細砂體積分數分別為73.90%、64.03%，中砂體積分數分別為15.57%、15.74%，粉砂、黏土等細粒雜基成分體積分數分別為10.53%、20.23%(見圖3)。與姬塬地區相比，研究區長8儲層粒度略占優勢，細砂和中砂成分略多，粉砂、黏土等細粒雜基成分較少。主要是因為研究區為三角洲平原亞相，水動力較強，粒度相對粗，泥質體積分數相對較少。

粒度對儲層原始孔隙度有重要影響。粗粒成分保持原始孔隙度，細粒成分充填孔隙和喉道，降低原始孔隙度和滲透率。研究區長8儲層粒度較姬塬地區的粗，原始孔隙度和滲透率比姬塬地區的高，但實際物性比姬塬地區的差。因此，推斷后期成巖作用是導致研究區長8儲層物性變差的重要原因。

3.2 成巖作用

成巖作用是沉積物在埋藏過程中發生的物理、化學作用。受多種因素影響，在成巖過程中成巖條件(如溫度、壓力、酸堿度、流體溶解度等)發生變化，成巖作用的類型、進程和強度也發生相應變化，導致成巖特征在空間上表現出明顯差異性，從而影響儲層的孔隙演化與物性特征[1]。研究區構造活動強烈，成巖環境與姬塬地區相比差異大，成巖作用強度不同，導致儲層孔隙類型及物性不同。

3.2.1 壓實作用

壓實作用是沉積物顆粒被壓致密、儲層原生孔隙度降低的重要原因之一。巖心薄片觀察表明，研究區長8儲層存在大量顆粒定向排列、線接觸、凸凹接觸及塑性巖屑變形，甚至顆粒破碎的現象(見圖4(a-d))，說明研究區壓實作用強烈。

為描述研究區長8儲層的壓實強度，通過對比砂巖原始孔隙體積與壓實粒間體積，得出視壓實率[21]，從而定量化反映壓實強度。當視壓實率大于70%時，為強壓實；當視壓實率在40%～70%之間時，為中等壓實；當視壓實率小于40%時，為弱壓實。根據長8儲層粒度分析及薄片觀察數據，分別對研究區及姬塬地區長8儲層視壓實率進行恢復。研究區強壓實所占比例為25%(見圖5)，大于姬塬地區的，說明研究區壓實作用強烈。

圖4 研究區長8儲層壓實作用、鐵方解石及高嶺石膠結現象Fig.4 The characteristic of reservoir compaction and phenomenon of iron calcite and kaolinite in Chang8 reservoir in the study area

圖5 研究區與姬塬地區長8儲層視壓實率Fig.5 The similar compaction rates of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

研究區與姬塬地區長8儲層屬于同一物源，儲層礦物類型相似，抗壓實作用基本相似，其壓實作用強烈與該區的構造史及埋藏史有關。

早侏羅世，在西部構造擠壓應力下，研究區開始沉降，到早白堊世末達到最大埋深，深度為(3.00～3.30)×103m；中侏羅世末和晚侏羅世末，研究區有兩次短暫的抬升，幅度較小；后期抬升幅度也較小(見圖6)。現今長8段儲層頂部埋深為(2.55～2 85)×103m，也是盆地埋深最大部位。研究區自晚侏羅世天環坳陷形成[22]至今，經歷強烈的構造擠壓和長期深埋壓實作用，云母、巖屑等塑性組分嚴重變形，導致儲層壓實致密。

圖6 研究區延長組埋藏史Fig.6 Burial history of Yanchang formation in the study area

3.2.2 膠結作用

膠結作用是成巖流體發生化學反應后沉淀的礦物質使巖石固結的作用，是儲層致密的重要影響因素。

圖7 研究區與姬塬地區長8儲層填隙物統計Fig.7 The map of interstitial material feature of study area and Jiyuan area in Chang8 reservoir

長8儲層大量發育水云母、高嶺石及鐵方解石膠結物(見圖4(e-h))，體積分數超過3.0%，總填隙物體積分數為13.5%(見圖7)，較姬塬地區的高。

膠結作用的類型、強度與儲層自身的礦物類型及成巖環境有關。研究區與姬塬地區所處的區域構造位置不同，成巖環境有較大差異。地層水離子組分是成巖化學反應的結果，裂縫具有輸導作用，是離子交換的運移通道，影響成巖反應體系中離子濃度和成巖反應強度。

3.2.2.1 地層水分析

地層水化學成分反映沉積、成巖或成藏過程中流體與圍巖相互作用的結果[23]。研究區試油出水井地層水分析資料表明，水型以CaCl2型為主，存在少數MgCl2和Na2SO4型，說明未混入地表水，屬于地層水范疇。研究區地層水中各種離子濃度較低，總礦化度在10～20 g/L之間(見表1)；姬塬地區地層水總礦化度在30～90 g/L之間，明顯高于研究區的。礦化度低，即成巖反應后整個體系的剩余離子質量濃度低，多數離子參加反應并生成膠結物沉淀。研究區成巖反應強烈，與它所處的特殊構造位置有關。計算Na+/Cl-因數，根據博爾雅斯基氯化鈣型地層水分類表對研究區地層水進行歸類[24]，當Na+/Cl-因數大于0.85時，屬于Ⅰ類水型，表示水的運動速度相當大，水動力活躍；當Na+/Cl-因數在0.75～0.85之間時，屬于Ⅱ類水型，表示積極水動力帶和較穩定的靜水帶之間過渡帶的特點。研究區有75%的地層水Na+/Cl-因數大于0.75，屬于Ⅰ、Ⅱ類水型，表明地層水較活躍，流體封閉性差。

表1 研究區地層水分析結果

3.2.2.2 裂縫特征

研究區在延長組地層中發育大量高角度裂縫。研究區25口井成像測井資料表明，主要發育兩組裂縫，裂縫傾角在70°～90°之間，主方位為60°～75°，呈北東—南西向展布(見圖8)，裂縫主要形成于晚侏羅世燕山期構造活動。

侏羅紀末期，受古太平洋板塊與歐亞板塊斜向碰撞的區域構造效應影響，鄂爾多斯盆地西緣發生強烈的擠壓沖斷作用和抬升剝蝕[25-26]，在研究區形成大量的構造裂縫。新生代喜馬拉雅運動時期，研究區處于伸展狀態，斷裂系統不發育。研究區在三疊系及侏羅系地層中發育裂縫和小斷層，在上部新生代地層中不發育，并沒有延伸到地表而溝通地表水，后期形成的鐵方解石沒有被溶蝕的現象也印證這一點。

研究區處于構造活動強烈帶，流體在地應力作用下呈周期性、脈動的特點流動[27]，以斷層和裂縫為通道[28-29]，在砂泥巖中交換作用頻繁。先期有機酸形成的CO2、鈣長石溶蝕產生的Ca2+及泥巖成巖過程中產生的Ca2+、Fe3+、Mg2+等為膠結作用提供物質基礎。在一定的溫度、壓力及酸堿度條件下，陰、陽離子不斷發生化學反應，通過裂縫輸導得到補償；在不同時期，形成大量高嶺石、伊利石及鐵方解石沉淀，導致膠結作用強烈。姬塬地區遠離構造活動帶，裂縫發育較少，流體交換速度慢，成巖作用到某種程度后，消耗的離子未得到補充而系統達到化學平衡，膠結作用相對較弱。

圖8 天環坳陷北段裂縫分布Fig.8 The fracture distribution in the north of Tianhuan depression

4 結論

(1)自晚侏羅世天環坳陷形成至今，鄂爾多斯盆地天環坳陷北段長8儲層經歷強烈的構造擠壓和長期深埋壓實，壓實作用強烈，持續時間長。

(2)研究區與姬塬地區同屬西北沉積體系，兩個地區的長8儲層巖性特征類似；研究區粒度較姬塬地區的粗，但實際物性比姬塬地區的差。

(3)研究區鄰近構造斷裂帶，裂縫發育，地層封閉性差，流體活躍，使成巖反應體系中離子很難達到平衡。因膠結作用持續發生，形成大量高嶺石、伊利石及鐵方解石沉淀，導致膠結作用強烈，造成儲層物性差。

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2015-09-11；編輯：朱秀杰

國家科技重大專項(2011ZX05044,2011ZX05001-004)

劉廣林(1982-)，男，碩士，工程師，主要從事油氣勘探及綜合地質方面的研究。

TE122.2

A

2095-4107(2016)05-0038-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2016.05.005