致密砂巖儲層成因及其孔隙演化過程
——以杭錦旗十里加汗地區下石盒子組為例

曹桐生 ，羅龍 ，譚先鋒 ，譚東萍 ，孫曉 ，高照普 ，王佳 ，查小軍

（1.中國石化華北油氣分公司勘探開發研究院，河南 鄭州 450006；2.成都理工大學沉積地質研究院，四川 成都 610059；3.重慶科技學院石油與天然氣工程學院，重慶 401331；4.復雜油氣田勘探開發重慶市重點實驗室，重慶 401331）

隨著油氣勘探不斷深入，在低孔低滲致密儲層中也相繼發現了相對優質的甜點儲層［1］。低孔低滲致密儲層的形成過程受到沉積作用及成巖作用等多種因素的綜合影響，導致其演化過程復雜［2-4］。杭錦旗是鄂爾多斯盆地致密氣勘探的重點區域，下石盒子組作為其主力產氣層段，屬于典型的特低孔特低滲致密砂巖儲層，多種成巖作用導致該儲層具有強烈的非均質性及復雜的孔隙演化過程［4-6］，制約了其高效勘探開發［6］。本文運用鑄體薄片分析、掃描電鏡、X衍射及物性分析等方法，綜合解析了杭錦旗十里加汗地區下石盒子組儲層成因機制，進而明確了儲層孔隙的演化規律。

1 地質概況

杭錦旗位于鄂爾多斯盆地北部，研究區是其中南部的十里加汗地區，主要位于烏蘭吉林廟斷裂帶和泊爾江海子斷裂帶之間，是杭錦旗重點勘探區塊（見圖1）。

圖1 杭錦旗及十里加汗地區構造位置

杭錦旗二疊系自上而下分為上石盒子組、下石盒子組和山西組（見圖2）［4-5］。杭錦旗石炭系—二疊系沉積物源主要來自北部的陰山古陸，為再旋回造山帶物源區構造背景［7］。下石盒子組厚度為100 m左右，自下而上可分為盒1、盒2和盒3段，是研究區主要含氣層段［8］。其中，盒 1 段為沖積扇-辮狀河沉積，盒 3、盒2段主要為沖積平原背景下的辮狀河沉積，盒3段沉積期研究區南部開始發育三角洲平原［7-9］。山西組主要發育淺湖-三角洲沉積體系，其中分流河道之間的沼澤沉積了以暗色泥巖、碳質泥巖和煤為主的烴源巖。

2 儲層巖石學特征

杭錦旗十里加汗地區下石盒子組沉積體系中，心灘和辮流水道砂主要為含礫粗砂巖、中—粗砂巖等（見圖 2）［8］，砂巖分選中等，磨圓度中等，主要為次棱—次圓狀。

圖2 杭錦旗十里加汗地區地層綜合柱狀圖

根據Fork砂巖分類方案［10］，研究區下石盒子組砂巖主要為巖屑砂巖和少量巖屑石英砂巖等（見圖3）。巖屑以變質巖巖屑和火山巖巖屑為主，存在少量沉積巖巖屑［5］。心灘和辮流水道砂巖均以點-線和線接觸為主，少量凹凸接觸，未見點接觸。

圖3 杭錦旗十里加汗地區下石盒子組砂巖分類三角投點圖

3 儲層孔隙類型及物性特征

研究區下石盒子組砂巖儲層孔隙類型主要包括殘余原生孔隙與次生孔隙。次生孔隙主要包括粒間溶孔、粒內溶孔、鑄模孔及微裂縫（見圖4。其中：Qz為碎屑石英，Ca為方解石膠結物，Md為泥質膠結物，Chl為綠泥石包膜，EP為粒間溶孔，AP為粒內溶孔，RP為鑄模孔，Aqz為自生石英，MF為微裂縫）。該儲層次生孔隙面孔率均明顯高于原生孔隙，次生孔隙占總孔隙的44%～87%；下石盒子組不同層段孔隙類型基本一致，但其占比存在差異，總體以次生孔隙為主，其次為原生孔隙。盒2段原生孔隙占比最高，約占總孔隙的40%；盒1、盒3段原生孔隙面孔率均明顯低于次生孔隙。研究區微裂縫較多見，可改善儲集砂體滲透性［6］。

圖4 研究區下石盒子組儲層成巖作用及孔隙類型

研究區下石盒子組儲層孔滲情況見圖5。

圖5 研究區下石盒子組儲層滲透率與孔隙度交會圖

由圖5可知：樣品孔隙度最大值為24.25%，平均7.26%，孔隙度在2.00%～ 12.00%的樣品占比約85%；滲透率最大值為 13.10×10-3μm2， 平均 0.84×10-3μm2，滲透率在0.1×10-3～ 1.0×10-3μm2的樣品占比約77%。可見，研究區下石盒子組屬于典型的特低孔特低滲致密儲層，而孔隙度和滲透率相關性較差，表明儲層次生孔隙和裂縫較發育。

4 成巖作用及其控儲意義

碎屑巖的成巖作用分為破壞性成巖作用和建設性成巖作用［5，11-13］。破壞性成巖作用，主要破壞儲層孔隙結構和儲層物性，如壓實、膠結、交代等作用；建設性成巖作用，主要改善儲層物性，如溶蝕和破裂作用等。明確儲層成巖作用及其對儲層物性的影響，有助于認識儲層孔隙演化特征，揭示優質儲層的形成機理，為有利儲層預測提供理論指導［1，4，11］。

4.1 破壞性成巖作用

4.1.1 壓實作用

研究區下石盒子組砂巖塑性碎屑巖質量分數較高，且埋藏深度（2 900～ 3 300 m）較大，上覆巖層的壓力較大。研究區下石盒子組砂巖壓實作用特征為：顆粒接觸關系以點-線接觸和線接觸為主（見圖4a）；長條形礦物顆粒呈定向排列（見圖4a）；塑性礦物擠壓變形，甚至形成假雜基（見圖4a）；部分剛性礦物受擠壓產生裂縫，又具建設性作用（見圖4h）。研究區下石盒子組砂巖總體上壓實作用普遍較強，擠壓破壞了大量原生孔隙。

4.1.2 膠結作用

膠結物占據儲層孔隙空間，膠結作用是儲層孔隙度降低的重要因素之一［9］。研究區下石盒子組砂巖膠結物主要包括自生黏土礦物膠結物、碳酸鹽膠結物及少量鐵質膠結物，賦存狀態主要為孔隙充填，部分交代顆粒（見圖4b，4c，4e）。自生黏土礦物平均質量分數約為23.6%，主要包括自生高嶺石、自生伊利石、自生綠泥石及伊/蒙混層等。其中：自生高嶺石平均相對質量分數為20.4%；自生伊利石和自生綠泥石平均相對質量分數分別為19.2%，37.3%；伊/蒙混層平均相對質量分數為23.1%。

碳酸鹽膠結物主要為方解石和鐵方解石，平均質量分數為5.8%。方解石膠結物多呈基底式膠結充填孔隙（見圖4b），主要形成于早成巖階段，且在石英膠結和綠泥石包膜之后。早期方解石膠結物充填孔隙對儲層具有降低孔隙度和保留孔隙空間的雙重作用。

4.2 建設性成巖作用

4.2.1 溶蝕作用

地層流體對巖石組分具有溶蝕作用，通常形成巖石（砂巖）的次生孔隙。研究區下石盒子組砂巖溶蝕作用的對象主要包括粒間填隙物、巖屑和長石。其中：被溶蝕的填隙物主要為泥質和少量方解石膠結物，被溶蝕的巖屑主要為火山巖和變質巖巖屑（見圖4d—4g）。有機酸溶液對長石等硅鋁酸鹽的選擇性溶蝕，通常伴隨碳酸鹽礦物交代長石（見圖 4e，4f）［14］。溶蝕作用是研究區儲層孔隙空間來源的最主要影響因素。

4.2.2 破裂作用

隨著埋藏深度的增加，巖石遭受強烈擠壓而破裂。巖石因破裂作用產生的裂縫雖不能明顯增加儲集空間，但可明顯提高巖石滲透性，改善儲層物性（見圖4h）。

4.3 成巖階段及演化序列

研究區下石盒子組自生礦物包括自生方解石、次生石英加大及自生黏土礦物。自生黏土礦物組分構成見圖6。自生伊利石和綠泥石隨深度增加，質量分數逐漸增加，而伊/蒙混層質量分數則逐漸降低，蒙皂石逐漸向伊利石轉化。自生高嶺石主要為長石溶解的產物，存在多個高質量分數發育帶。下石盒子組伊/蒙混層層間比主要在10.0%～ 50.0%，平均約為20.7%。參照中國石油天然氣行業標準《碎屑巖成巖階段劃分》（SY/T 5477—2003），可以確定研究區下石盒子組主要處于中成巖階段A期，少量達到中成巖階段B期。綜合分析巖石學特征、成巖特征、成巖相互關系及前人研究成果等，可以得出研究區主要成巖演化序列（見圖7。其中綠色形狀及大小表示強度，綠色虛線表示強度很弱）。

圖6 研究區下石盒子組自生黏土礦物組分構成

圖7 研究區下石盒子組儲層成巖序列、埋藏史及孔隙演化特征

5 儲層成因及孔隙演化規律

5.1 儲層成因

研究區下石盒子組砂巖儲層次生孔隙占比高，且溶蝕作用是其形成的主要因素。研究區發育上石炭統太原組、下二疊統山西組煤系地層（見圖2）。在早成巖階段，印支期的大氣降水和半成熟的太原組、山西組煤層排出有機酸，為下石盒子組的溶蝕提供了重要酸性流體。研究區儲層異常高孔帶基本對應著高嶺石發育帶，表明異常高孔帶與溶蝕作用有關（見圖6、圖8）。另外，自生伊利石和伊/蒙混層質量分數均與自生高嶺石質量分數存在一定的正相關性（見圖6），表明自生伊利石與溶蝕作用提供的K+有關。

圖8 研究區下石盒子組儲層孔隙發育情況

下石盒子組沉積期，研究區物源區富含長石和火山巖，早期孔隙流體存在大量Ca2+，而且下石盒子組砂巖中長石（尤其是鈣長石）、火山碎屑及黏土礦物等在早期酸性流體作用下亦可溶解形成大量Ca2+和CO32-；因此，早成巖階段，隨著埋藏深度增加和溶蝕作用消減，地層流體的pH值升高，方解石的溶解度降低，從而引起大量早期方解石的沉淀（見圖4b、圖7）。早期方解石膠結雖然導致儲層孔隙度急劇下降，但適量早期方解石膠結物可以抑制壓實作用、保護原生孔隙空間［10］，后期方解石膠結物被溶解后可以釋放部分粒間孔隙，提高儲層的孔隙度（見圖7）。

研究區位于斷裂帶附近，流體通道發育，鄰近山西組煤系地層，酸性流體充足。下石盒子組砂巖長石和火山巖屑質量分數較高，容易被有機酸溶蝕形成次生孔隙。如果巖石儲層物性保護較好，長石和火山巖屑被有機酸溶解的產物（例如高嶺石）就會隨著地層水循環而轉移，從而產生大量次生溶蝕孔隙，形成有效的儲集空間。因此，斷裂帶、烴源巖（煤系地層）、有利沉積相帶（有利于儲層物性保護）是研究區下石盒子組優質儲層形成的關鍵要素（見圖7、圖8）。

5.2 孔隙演化規律

研究區下石盒子組砂巖自上向下分別發育Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ異常高孔帶（見圖8）。

Ⅰ異常高孔帶主要發育在下石盒子組盒2段、盒3段辮狀河砂體，埋藏深度在2 930～ 2 950 m，孔隙度最大值約為25%（見圖8），以次生孔隙和原生孔隙為主。長石和巖屑溶蝕形成粒內溶孔，碳酸鹽礦物和黏土礦物溶蝕形成粒間溶孔，總次生孔隙占比約為87%，導致孔隙度異常增大。Ⅱ異常高孔帶主要發育在下石盒子組盒1段北部沖積扇砂體，埋藏深度在3 060～ 3 090 m，孔隙度最大值約為20%（見圖8），以原生粒間孔和次生溶孔為主，次生溶蝕孔隙占比約為55%。由于埋藏深度增加，壓實作用增強，殘余原生孔隙較少，因此，Ⅱ異常高孔帶的孔隙度明顯低于上部的Ⅰ異常高孔帶。Ⅲ異常高孔帶主要發育在下石盒子組盒1—3段辮狀河砂體，埋藏深度在3 110～ 3 130 m，孔隙度最大值約為16%（見圖8）。隨著埋藏深度繼續增加，壓實作用繼續增強，膠結物繼續沉淀，導致殘余原生孔隙和次生孔隙均明顯減少。

孔隙發育特征表明，埋藏壓實作用是儲層主要破壞機制，隨著埋藏深度增加，儲層孔隙度總體逐漸減小（見圖8）。Ⅰ異常高孔帶總孔隙度和次生孔隙占比均明顯大于Ⅱ異常高孔帶，表明辮狀河砂體比沖積扇砂體更有利于儲層孔隙發育。另外，研究區高嶺石發育帶與異常高孔帶基本對應，進一步表明溶蝕作用是儲層孔隙來源的最主要影響因素，次生溶蝕孔隙是異常高孔帶主要孔隙類型（見圖6、圖8）。

6 結論

1）研究區下石盒子組砂巖儲層孔隙類型主要是殘余原生孔隙與次生孔隙，次生孔隙主要包括粒間溶孔、粒內溶孔、鑄模孔及裂縫，占比在44%～87%。儲層次生孔隙數量和面孔率均明顯高于原生孔隙，屬于典型的特低孔特低滲致密儲層。

2）研究區下石盒子組砂巖儲層的壓實和膠結作用主要為破壞性成巖作用，其中早期方解石膠結起到雙重作用；溶蝕作用和破裂作用為建設性成巖作用，其中溶蝕作用為儲層孔隙空間來源的最主要影響因素。

3）研究區下石盒子組主要處于中成巖階段A期，少量達到中成巖階段B期。溶蝕作用主要發生在中成巖階段A期，溶蝕形成的次生孔隙易于保存，是優質儲層形成的重要因素。

4）研究區下石盒子組低滲致密儲層中的優質儲層發育主要受控于斷裂帶、煤系地層、沉積相、埋藏深度及溶蝕作用強度。辮狀河比沖積扇更有利于儲層孔隙發育，斷裂帶有利于儲層次生孔隙發育。