蘇里格西部致密砂巖氣藏儲層成巖作用特征及孔隙度定量演化

魏千盛，魏克穎，李楨祿，陽生國，郝軍慧，龐 強，董鑫旭，朱玉雙

(1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古鄂爾多斯 017300；2.中國石油勘探開發研究院西北分院，甘肅蘭州 730020；3.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西西安 710069)

0 引言

蘇里格氣田是迄今為止國內發現的最大的氣田，“三低”的特性使其難以用常規開采技術開采，嚴重阻礙了氣田的高效開發(王晶晶，2014；張安達等，2014；馮小龍等，2016)。因而，明確其致密特征以及成因對進一步高效開發生產具有指導意見。

大量研究表明，蘇里格氣田受構造、沉積以及多種地質作用影響，使得該地區地質情況復雜，其中成巖作用是蘇里格氣田儲層致密的主要原因，多因素共同作用形成了砂體展布多樣、非均質性強的致密儲層，嚴重制約了產能的提升。但不同地區、不同層位在物源沉積基礎有所區別，使得不同地區的不同儲層致密主控因素有所不同(陳鳳喜等，2007；路中奇等，2015；趙元元，2016；李馳，2017；雒斌等，2019)。王鳳嬌等(2017)對蘇里格東區儲層特征進行分析認為，埋深大造成強烈的壓實作用是儲層致密的主要因素。唐穎等(2015)將沉積與成巖因素相結合分析得出，辮狀河沉積下的盒8段儲層物性較好，相比較埋深大、塑性物質較多的山1儲層的抗擠壓能力較弱，物性較差。侯明才等(2009)對成巖特征進行深入分析，認為蘇北地區主要受建設性、抑制性以及保持性成巖作用三類作用，并指出保持性成巖作用對抗壓實、溶蝕具有重要意義。高星等(2009)從成巖作用及其演化的角度出發，認為位于河道沉積微相上經溶蝕作用形成的次生孔隙儲層是蘇西地區的有利儲層。

前人對蘇里格地區的沉積相、成巖作用、儲層特征做了大量研究，均表明不同區域在致密控制因素上差別較大(高星等，2009；侯明才等，2009；趙丁丁等，2019)，并且儲層致密控制因素是制約氣田合理開發的關鍵因素。因此，本文在成巖序列研究的基礎上，借助鑄體薄片、掃描電鏡、高壓壓汞等實驗測試分析手段，綜合多種因素分析儲層致密成因，進一步明確主控因素，為下一步儲層綜合評價以及有利區篩選提供理論基礎。

1 區域地質概況

本次研究選取蘇里格西部蘇48區作為研究對象，該區塊位于鄂爾多斯盆地蘇西地區的中部(圖1)，區塊面積1135 km2。研究區盒8段頂部構造形態為寬緩西傾的單斜，與區域斜坡傾向一致，每千米平均坡降為3～5 m，傾角較小，普遍小于1°，在寬緩的坡帶上分布較多的較為平緩的鼻隆。研究區在二疊紀盒8下沉積期受北部物源區抬升影響，水體能量不斷增強供給較多的陸源物質，沉積相類型為辮狀河三角洲平原亞相，演變為盒8上時水體能量逐漸減弱，沉積相過渡為辮狀河三角洲平原亞相、辮狀河三角洲前緣亞相(董越和石堅，2013；龐振宇等，2013，2014；劉毅等，2014)。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location of the study area1-構造單元分界線;2-研究區;3-地名;4-省界線；5-盆地邊界構造線；6-物探推測斷層1-tectonic unit boundary;2-study area;3-place name;4-provincial border;5-basin boundary structure line;6-fault inferred by geophysical prospecting

2 儲層巖石學特征

鏡下鑒定統計結果表明(圖2，表1)，研究區目的層段巖石種類大多為石英砂巖和巖屑石英砂巖，部分樣品可見長石組分存在，但其含量較少不足以構成長石石英砂巖。盒8段平均碎屑含量達85%，以石英、巖屑為主，具“高石英、低巖屑、極少見長石”的特點，其中石英平均含量盒8上為78.2%(占碎屑顆粒的90.82%)，盒8下80.9%(占碎屑顆粒的94.95%)；巖屑含量盒8上高于盒8下，分別為7.9%(占碎屑顆粒的9.18%)和4.3%(占碎屑顆粒的5.05%，表1)。區內結構成熟度屬中等級別，分選中等或中-好，顆粒邊緣較不規則，磨圓程度一般。

圖2 研究區盒8段砂巖巖石成分三角圖Fig.2 Triangle diagram of sandstone composition of He 8 member in the study area

表1 研究區盒8段儲層礦物組分相對含量統計表

研究區目的層填隙物皆占比14%左右，差別不大，種類主要為粘土礦物(水云母、高嶺石、綠泥石)、硅質和碳酸鹽膠結物(表2)。盒8段儲層粘土礦物主要是伊利石、高嶺石。硅質膠結在鏡下清晰可見，其形態和產狀各式各樣，其理化性質穩定，難以溶解，對儲層的物性影響較大；碳酸鹽類以鐵方解石為代表，盒8上、下兩段的平均含量分別為1.4%、1.8%，以交代顆粒并大面積充填孔隙的形式產出。

表2 研究區盒8儲層填隙物相對含量統計表

研究區盒8段儲層受沉積、成巖等多因素控制，使得孔隙類型復雜多樣，主要發育次生溶蝕孔，其次是粒間孔、晶間微孔。根據前人研究，局部地區存在裂縫，本次研究所采集的樣品中未見微裂縫。研究區目的層樣品孔隙組合類型主要以溶孔為主要孔隙的復合孔隙類型，整體面孔率較低，平均為1.03%。

3 成巖作用特征

區內成巖種類繁多，常見的主要有壓實、膠結、溶解以及交代作用。其中壓實、交代屬抑制性作用，溶解作用為建設性作用，膠結作用則質兼具建設與破壞性質(劉建清等，2006；宋子齊等，2006)。

3.1 壓實作用

壓實是沉積物密度變大、物性變差的主要原因。機械壓實的強度受沉積、碎屑顆粒組成、熱演化史、構造主應力方向等因素影響，其影響因素眾多造成壓實作用機理較為復雜多樣(朱春俊，2010；程衛華和邸文，2005；劉成林，2005；吳育平等，2019)。在分流河道主砂體發育的部位或河口壩砂體發育的部位水動力較強，云母等塑性組分含量較少，壓實現象主要表現為顆粒呈緊密點、線接觸(圖3a)；在河道的邊緣或水下天然堤、漫灘區域等水動力較弱的區域，塑性組分含量較多，顆粒間除呈現緊密接觸外伴隨著塑性軟組分的強烈變形(圖3b)，當云母形變后擠入粒間孔中形成假雜基，致使原生孔隙大量消失，結構更加致密。

圖3 研究區成巖作用圖版Fig.3 Photos showing varied diagenesis the study areaa-S17井,3356m,縫合線；b-S37井,3742.8 m,強烈壓實及塑性顆粒變形；c-S361井,3695 m,毛發狀伊利石；d-S61井,3611.49 m,綠泥石膜抑制石英次生加大；e-S48井,3632 m,石英次生加大；f-S301井,3646 m,方解石和鐵方解石膠結；g-S49井,3651.52 m,鐵白云石膠結；h-S109井,3658.11 m,巖屑溶孔；i-S139井,3636.83 m,晶間孔-溶孔a-well S17, 3356m, suture line；b-well S37, 3742.8m, strong compaction and plastic grain deformation；c-well S361, 3695m, hairy illite；d-well S61, 3611.49m, chlorite film inhibits quartz, secondary enlargement；e-well S48, 3632m, quartz, secondary enlargement；f-well S301, 3646m, calcite and iron calcite, cementation；g-well S49, 3651.52m, iron dolomite, cementation；h-well S109, 3658.11m, debris, dissolved pore；i-well S139, 3636.83m, intercrystalline pore-dissolved pore

3.2 膠結作用

膠結作用具有雙重性質，既有建設作用也有抑制作用效果。研究區盒8段儲層膠結物主要有伊利石、高嶺石、綠泥石等膠結物質，硅質膠結物以及鐵方解石和菱鐵礦等碳酸鹽膠結物。

3.2.1 自生粘土礦物的膠結作用

實驗統計結果顯示，自生粘土礦物中水云母含量最高，在研究區盒8段儲層組中占比較高(圖3c)。自生粘土礦物對儲集層物性的影響機制較為復雜，上述成分首先使得儲層的微觀孔喉結構變得復雜，以孔隙式充填的自生粘土礦物以及碳酸鹽質和硅質通常會占據有效儲集空間破壞空隙間連通性。另一方面粘土膜可以抑制石英加大邊的生長從而保留一定的殘余粒間孔(圖3d)，孔隙內充填的高嶺石集合體為溶蝕作用的發生提供物質基礎，有利于次生孔隙的形成。

3.2.2 硅質膠結

硅質生長是蘇里格地區普遍可見的膠結類型，產出形態主要以次生加大邊以及自形晶體的形態存在于儲層的孔隙及其喉道中，平均含量在4%以上。硅質膠結對孔隙的改造同樣具有兩面性，一是次生加大的石英與自生石英均可以在壓實致密的砂巖中起到堵塞孔隙的作用(圖3e)；另一方面，硅質充填膠結后可承擔一部分骨架顆粒承擔的上覆地層荷載從而減輕了骨架顆粒上的有效應力，不僅起到保護儲層原生粒間孔隙的作用，還改良了巖石骨架顆粒強度，增加了儲層抗壓實的能力。

3.2.3 碳酸鹽礦物的膠結作用

研究區盒8段儲集層碳酸鹽類膠結物以方解石、白云石、菱鐵礦為主，且以鐵方解石含量為最高。通過薄片觀察碳酸鹽膠結物所存在的空間位置可以看出，方解石膠結物沿石英顆粒邊緣分布于石英加大邊外圍呈孔隙式膠結(圖3f)，鐵方解石的產出要晚于方解石，賦存形式為基底式和孔隙式，鐵白云石的出現應在成巖作用的后期，鐵白云石一般是通過交代鐵方解石出現，由于形成的時間與環境所限制，后期難以溶蝕(圖3g)，因而碳酸鹽膠結物的廣泛出現極大增強了層內的非均質性。

3.3 溶蝕作用

溶蝕作用對研究區盒8段儲層較大孔隙空間的發育起建設性作用，溶蝕作用產生的次生溶孔是研究區儲層的主要孔隙類型，是天然氣的主要儲集空間。根據之前統計分析，研究區目的層未見或少見長石，因而溶蝕作用主要溶蝕的是巖屑組分(圖3h)。其中溶蝕過程又可以分為兩種：一是易溶成分直接溶蝕形成粒內孔隙；另一種則是巖石成分先被碳酸鹽礦物交代后溶解，常形成粒內孔及溶蝕粒間孔(圖3i)。

4 孔隙演化的定量分析

受沉積供給的碎屑顆粒組成以及后期地質歷史時期所受的成巖作用，使得孔隙結構處于一種動態變化的過程中，通過定量表征各種成巖作用對孔隙空間大小的改變，并與埋藏史結合分析孔隙演變過程，可為優質儲層的篩選提供理論基礎。

本次對于成巖作用序列的研究是基于前人研究成果基礎之上，通過實驗分析觀察孔隙類型、膠結物種類、產出狀態、自生黏土礦物所處的空間位置及其相互關系，建立孔隙演化歷史并對其進行定量化分析。

4.1 成巖序列

研究區影響砂巖儲層孔隙演變的主要成巖方式是壓實作用、膠結作用和溶蝕溶解作用。地層下降接受沉積時，最初所受的作用類型為壓實作用，隨著埋深逐漸增大、載荷增加，顆粒間間距縮小。顆粒接觸部位可以觀察到石英、高嶺石、水云母等自生礦物的加大作用。緊鄰顆粒的周圍首先出現石英次生加大，部分加大邊外圍可見綠泥石膜抑制加大的擴展，向綠泥石外延伸在顆粒間孔隙中可見早期碳酸鹽及粘土礦物沉淀。之后隨著埋深逐漸增大，生氣母質熱演化程度不斷提高，達成熟階段并伴隨著有機酸的析出，產出的有機酸進入孔隙將儲層中的不穩定組分溶蝕形成次生溶孔，與此同時，部分次生溶孔中充填有鐵方解石和鐵白云石，證明溶蝕過程中伴隨著碳酸鹽的膠結(圖4)。

4.2 孔隙度演化定量表征

根據常規薄片數據統計和鏡下物質產出先后順序鑒定，研究區膠結物與自生礦物共生序列為：綠泥石/次生加大石英/高嶺石/自生石英/伊利石/鐵方解石/鐵白云石。在成巖作用類型、膠結物與自生礦物共生序列研究的基礎上，結合成巖階段劃分標準，認為研究區所處的成巖階段位于中成巖A期、B期，部分達到晚成巖期。根據主成巖期成巖事件的先后順序，可依次劃分為：壓實作用-硅質膠結-綠泥石膠結-黏土礦物膠結-溶蝕溶解作用-碳酸鹽膠結作用。明確成巖序列之后，在對原始孔隙度進行恢復的基礎之上考慮不同成巖作用對孔隙度影響，從而對孔隙度演化進行定量表征(穆曙光和張以明，1994；畢明威等，2015；樊愛萍等，2016；尤麗等，2019)。

4.2.1 原始孔隙度恢復

目前對于原始孔隙度的恢復主要是根據Beard和Weyl提出的未固結砂巖濕法填充實驗來確定(Beard and Weyl，1973)，依據未固結砂巖濕法填充實驗得出擬合后的經驗公式(1)：

φ0=20.91+22.9/S0

(1)

式(1)中φ0為砂巖的原始孔隙度；S0為Trask分選系數，該分選系數是粒度累計曲線上75%與25%處粒徑的開根號之比，表征顆粒大小的均勻程度。利用區內5口井50個樣品的粒度資料，對研究區沉積初始孔隙度進行計算，研究區盒8段儲層特拉斯克分選系數(S0)介于1.41～1.83，平均值為1.62，求得目的層段初始孔隙度在33.42%～37.15%，平均值為35.04%。

圖4 蘇里格西部盒8段儲層成巖作用與孔隙度演化模式圖Fig.4 Model of reservoir diagenesis and porosity evolution of He 8 member in western Sulige area

4.2.2 定量分析成巖作用對孔隙度演化

(1)壓實作用

壓實作用是致密砂巖氣致密化的主要因素。儲層下降接受壓實后，顆粒間緊密交接之外的區域一部分保留至今形成殘余粒間孔，另一部則被早期膠結形成的膠結物和膠結物之間的晶間孔充填。因而壓實作用的恢復是利用上述兩部分進行反推，其中膠結物使用膠結物含量，殘留空隙則用粒間孔面孔率加上晶間孔面孔率與總的面孔率的比值表征，兩部分之和則為壓實后的孔隙空間，見式(2)；通過對壓實后孔隙度與原始孔隙度對比可以評價壓實作用對孔隙度演化的壓實率，見式(3)。

φ1=C+(P1+P2)×φave/Pt

(2)

Rcomp=(φ0-φ1)×100/φ0

(3)

其中，C為膠結物含量(質量分數)，φ1為壓實后孔隙度，φave實測孔隙度的平均值，P1為鑄體薄片所測得粒間孔面孔率，P2為鑄體薄片所測得晶間孔面孔率，Pt為鑄體薄片所測得總孔面孔率，Rcomp為壓實作用的壓實率。

結果顯示，區內儲層受壓實作用后殘余孔隙度分布在6.4%～15%，平均12.32%，壓實作用造成孔隙度下降22%左右，損失率達到55%，因而可以看出壓實作用是孔隙結構致密化的最突出因素。

(2)膠結作用

膠結作用發生后儲集空間被膠結物所充填，儲集空間的孔隙類型為殘余的粒間孔以及未被膠結形成的晶間微孔，膠結引起的孔隙度丟失主要用膠結物的質量分數表示。因此膠結作用后的孔隙度(φ2)下降使用殘余孔隙類型的面孔率之和與總的面孔率之比來計算，見式(4)，膠結產生的孔隙度下降可以用膠結率來表征，見式(5)即：

φ2=(P1-P2)×φave/Pt

(4)

Rc=C/(C+φ2)

(5)

其中，φ2為膠結作用減少的孔隙度，Rc為膠結作用的膠結率。經計算，研究區膠結作用后的孔隙度分布在0.73%～3.25%，平均2.18%，通過減孔率計算公式可以得出膠結作用使得儲層孔隙減少了9.81%，與壓實作用產生的下降率相比，膠結作用造成的孔隙度下降程度較低。

(3)溶蝕作用

溶蝕作用對孔隙度演化具有建設作用，組成巖石的顆粒成分和填隙物皆可被溶蝕。研究區常見的溶蝕孔隙類型有巖屑溶孔和雜基溶孔，可以用總溶蝕孔隙占總面孔率的比值代表溶蝕作用對孔隙度演化的貢獻值，見式(6)，溶蝕體積與總孔隙體積之比可以代表溶蝕率，見式(7)(馮旭等，2017)。

φ3=Ptd×φave/Pt

(6)

R3=φ3/φ0

(7)

其中φ3為溶蝕作用增加的孔隙度，Ptd為溶蝕孔隙(包括粒間溶孔、長石溶孔、巖屑溶孔和雜基溶孔)的面孔率之和，R3為溶蝕作用的溶蝕率。

使用上述公式對溶蝕現象進行定量計算可以得出，溶蝕增加的孔隙空間占比介于2.12%～5.13%之間，平均3.88%。

5 孔隙度演化結果分析及應用

綜合孔隙度成巖演化規律，儲層原始未固結孔隙度為35.4%，在壓實作用下降低22%，膠結作用又使得孔隙度下降9.81%，溶蝕作用使得儲集空間有所改善，增加了3.88%的空間，最終形成了平均孔隙度為7.47%的致密砂巖儲層(圖4)。基于成巖序列對各種成巖作用的孔隙度演化程度進行了量化，將量化結果與所取樣品的實際物性分析測試相對比，相對誤差在3%以內，由于鑄體薄片鑒定存在人為認識上的差異性因而存在一定的誤差。綜合結果來看，理論計算結果與實測物性的差值在可接受范圍內，可為蘇里格地區儲層評價以及勘探開發提供理論依據。

通過成巖作用程度與面孔率散點圖可以看出，研究區普遍接受壓實作用影響，面孔率隨壓實作用的增強有下降的趨勢，但下降幅度并不明顯，大面孔率的樣品同樣受高壓實率的影響(圖5)；由于膠結作用對孔隙發育具有雙重性，使得其相關關系并不明顯，但總體來看減孔作用程度大于抑制壓實的能力，面孔率隨膠結作用增強而減小(圖6)；溶蝕溶解作用則明顯增強了巖石的儲集空間，面孔率隨溶解率的增大而增加，相關程度較高(圖7)。基于定性觀察判定成巖序列與定量計算各成巖類型作用程度，以壓實率、膠結率和溶解率三種作用程度指標的分布對各類作用強度進行區分(表3)。

圖5 面孔率-壓實率相關關系Fig.5 Correlation between porosity and compaction ratio

圖6 面孔率-膠結率相關關系Fig.6 Correlation between porosity and cementation ratio

圖7 面孔率-溶蝕率相關關系Fig.7 Correlation between porosity and dissolution ratio

表3 研究區盒8段不同類型作用強度劃分表

根據以上劃分的作用強度，結合巖石特征分析可將研究區盒8段儲層成巖相劃分出4種，即弱-中膠結強溶蝕相、中膠結中溶蝕相、中溶蝕強膠結相和強壓實致密相。其中，弱膠結-強溶蝕相(較優質儲層)：該成巖相以石英砂巖為主，巖石受壓實作用影響相對較小，顆粒表面粘土薄膜阻止了石英的次生加大，保留了部分粒間孔隙；巖石中的巖屑、基質等易溶組分的溶解進一步改善了儲層的物性。中膠結-中溶蝕相：該成巖相以含巖屑石英砂巖為主，受壓實作用、自生粘土、石英次生加大的影響，粒間孔隙消失；但易溶的巖屑、基質溶解形成的孔隙為天然氣存儲提供了可能。中壓實-強膠結相：該成巖相以巖屑質石英砂巖為主，受壓實作用的影響大，粒間孔隙消失；但部分巖屑蝕變，形成高嶺石晶間孔。強壓實致密成巖相：該成巖相巖石泥質含量高，受壓實作用影響儲層致密。在沉積相研究基礎上，依據成強度劃分的成巖相類型，采用“優勢相”分析法繪制區內成巖相分布圖(圖8)。從圖8可以看出中部和中南部成巖相類型較好，以弱-中膠結強溶蝕相為主，北部區域則以中溶蝕強膠結相和強壓實致密相為主要成巖相類型。結合試氣成果可以看出，弱-中膠結強溶蝕相區域試氣結果較為可觀(圖8)，后續生產有較為穩定的工業油氣流，因此可將弱-中膠結強溶蝕相區域作為天然氣持續上產的主要研究對象。

圖8 蘇里格西部蘇48區盒8段成巖相分布圖Fig.8 Distribution of diagenetic facies of He 8 member in Su 48 area,western Sulige1-井位；2-強壓實致密相；3-中溶蝕強膠結相；4-中膠結中溶蝕相；5-弱-中膠結強溶蝕相；6-產氣量；7-產水量1-well;2-strong compaction tight facies;3-medium dissolution strong cementation facies;4-medium cementation medium dissolution facies;5-weak-medium cementation strong dissolution facies;6-gas production;7-water production

6 結論

(1)蘇里格西部盒8段巖石成分具“高石英、低巖屑、極少見長石”的特點，巖石類型多為石英砂巖，含有部分的巖屑石英砂巖。受沉積、成巖等多因素控制,其孔隙類型復雜多樣，整體面孔率較低。

(2)區內成巖階段屬中成巖A期、B期，部分達到晚成巖期。壓實、膠結是儲層孔隙度下降的主要成巖作用，其中壓實使得原始孔隙度下降22%，膠結作用使孔隙度下降9.81%，加重了致密化。溶蝕作用下儲集空間有所改善，增加了3.88%的孔隙，最終形成了現今平均孔隙度為7.47%的致密砂巖儲層。

(3)根據理論計算模型與實測物性數據進行對比，計算結果與實測結果基本吻合，存在人為因素造成的誤差，誤差程度在3%以內，表明該方法具有一定的實用性。

(4)根據成巖作用的作用強度，結合巖石特征分析可將研究區盒8段儲層成巖相劃分出4種，即弱-中膠結強溶蝕相、中膠結中溶蝕相、中溶蝕強膠結相和強壓實致密相。綜合試氣成果可知弱-中膠結強溶蝕相區域氣產量較為可觀，可將弱-中膠結強溶蝕相區域作為天然氣持續上產的主要研究區域。