DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.08.034

鄂南延长组长3段致密储层特征及相对优质储层形成机理

马义权^{1, 2}，陆永潮^{1, 2}，刘树平³，胡海燕⁴，陈林^{1, 2}，胡小辉^{1, 2}，饶丹²，王泽勇²

(1. 中国地质大学(武汉) 构造与油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉，430074；

2. 中国地质大学(武汉) 资源学院，湖北 武汉，430074；

3. 中国石化集团 华北石油局勘探开发研究院，河南 郑州，450006；

4. 长江大学 地球科学学院，湖北 武汉，430100)

摘要：通过岩石普通薄片、铸体薄片、扫描电镜、物性测试以及X线衍射等分析，研究鄂南旬邑地区延长组长3段对油气富集有利的相对高效储层的发育规律和主控因素。研究结果表明：研究区长3段经历了中等强度的压实作用，大量的云母和塑性岩屑的存在以及方解石连晶式胶结导致了储层的致密化；绿泥石薄膜的发育有效地阻止了石英等碎屑颗粒的次生加大，并增强了颗粒的抗压实能力，保护了原生孔隙和喉道，自生高岭石发育的晶间孔对储层物性具有一定的改善，自生伊利石的发育对储层发育没有影响；近地表暴露时期大气淡水的淋滤作用是长石被溶蚀产生大量次生孔隙的主要原因；三角洲前缘水下分流河道和河口坝微相，较少的云母、塑性岩屑(其质量分数小于25%)和方解石(其质量分数小于6%)和相对较多的自生绿泥石以及古地貌斜坡带大气淡水淋滤的叠合是相对优质储层形成的重要条件。

关键词：鄂尔多斯盆地；旬邑地区；延长组；储层特征；成岩作用；相对优质储层

中图分类号：TE122.2             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)08-3013-12

Characteristics of tight sandstones and forming mechanism of relative high-quality reservoir in Chang 3 member of Yanchang Formation in Xunyi area, Ordos Basin

MA Yiquan^{1, 2}, LU Yongchao^{1, 2}, LIU Shuping³, HU Haiyan⁴, CHEN Lin^{1, 2},

HU Xiaohui^{1, 2}, RAO Dan², WANG Zeyong²

(1. Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources of Ministry of Education,

China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;

2. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;

3. Exploration and Development Institute, Huabei Branch Company of Sinopec, Zhengzhou 450006, China;

4. School of Geosciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China)

Abstract: The development rules and main controlling factors of reservoir for oil and gas accumulation in the Chang 3 member of Yanchang Formation in Xunyi area, Ordos Basin were studied by analyzing the thin sections, scanning electron microscopy (SEM), physical properties and X-ray diffraction. The results show that the medium intensity compaction occurs in Chang 3 member, and reservoir densification is caused by the occurrence of a large number of mica and plastic clastic, and calcite-crystal stock cementation. The development of chlorite films has effectively prevented secondary quartz enlargement and retards the compaction, which favors the preservation of primary pores. The development of intercrystalline pores in authigenic kaolinite has certain improvement on reservoir physical property, while authigenic illite development has no effect on reservoir development. The subaerial exposure of the Yanchang Formation sandstone in Early Jurassic and consequent meteoric fresh-water leaching are the main reasons for a large number generated secondary porosity caused by feldspar corrosion. Underwater distributary channel of delta front, mouth bar, fewer mica, plastic clastic (mass fraction＜25%), calcite (mass fraction＜6%), relatively more chlorite, and meteoric fresh-water leaching are important conditions in the formation of relative high-quality reservoir.

Key words: Ordos Basin; Xunyi area; Yanchang formation; diagenesis; reservoir characteristic; relative high-quality reservoir

鄂尔多斯盆地是一个位于中国中西部SN方向延伸的大型克拉通内盆地，面积约25万km²。该盆地发育于华北陆块西部的太古宙麻粒岩和早元古宙绿片岩之上^[1]，并填满了古生代和新生代的沉积岩^[2]，其总厚度一般为4~6 km。根据该盆地的构造特征和演化历史将其划分为6个一级构造单元，其中伊陕斜坡位于盆地腹部作为盆地的主体，其南部为渭北隆起，北部为伊盟隆起，东部为晋西挠褶带，西部又划分为西缘断褶带和天环坳陷。旬邑地区面积约2 516 km²，位于鄂尔多斯盆地南部伊陕斜坡南部、渭北隆起的北部。鄂尔多斯盆地旬邑—宜君地区自2011年开展勘探和开发研究以来，已取得了重大的油气发现，是重要的增储上产地区。研究区延长组上部遭受了不同程度的抬升剥蚀作用，与上覆延安组呈不整合接触，延长组长3段为该地区主力含油层系，具有十分广阔的勘探前景。虽然前人在鄂尔多斯盆地三叠系延长组致密砂岩的储层特征及成因、成岩作用等方面进行了大量研究，并取得了一定的认识^[3-18]，但这仅限于一些勘探程度比较高的地区。目前旬宜地区勘探程度相对较低，且对延长组长3的储层的特征、成岩特征及优质储层(孔隙度＞11%，渗透率＞0.5×10^-3 μm²)的形成机理等方面还没有完全认识清楚。本文作者以研究区长3段为目的层，在大量岩心、薄片、扫描电镜观察的基础上，结合分析测试数据，对长3段致密砂岩沉积体系、储层特征及成岩作用类型进行深入研究，揭示了相对优质储层发育的形成机理和控制因素，为该区的有利储集相带预测和提高勘探开发效益提供新的思路。

1  沉积体系特征

研究区区域位置、研究区三叠系延长组地层及长3段沉积体系平面分布简图见图1。通过对研究区内18口井(累计厚度达430 m)长3段岩心观察，结合收集的70余口钻井和录井数据以及地震等资料综合分析，认为旬宜地区延长组长3段主要发育辫状河三角洲沉积体系(图1(b)和1(c))，且以发育辫状河三角洲前缘为特征，包括水下分流河道、河口坝和远端坝沉积微相，这与生产部门认识基本一致。其中水下分流河道，底部可见冲刷面，冲刷面之上可见撕裂状泥砾具定向性，发育槽状交错层理和楔状交错层理(图2(a)和2(b))，粒度由下至上正韵律，测井曲线形态表现为钟形和箱型；河口坝砂质较纯，主要发育块状层理(图2(e))和波纹交错层理(图2(c))，部分含内源泥砾，反韵律为特征，测井曲线形态表现为漏斗型；远端坝以砂泥薄互层，发育透镜状层理(图2(d))，波状层理，测井曲线形态表现为钟形和指型。

2  岩石学特征

由于受物源控制的影响，旬宜地区延长组长3段致密砂岩储层成分成熟度较低，结构成熟度中等—较高，主要发育岩屑长石砂岩(质量分数为61.82%)，其次是长石砂岩(质量分数为30.91%)、长石岩屑砂岩(质量分数为7.27%)。碎屑组分中石英质量分数较高，一般为35%~55%，平均为45.49%；长石和岩屑质量分数相对较低，其中长石质量分数一般为22%~42%，平均为31.31%，岩屑质量分数一般为6%~29%，平均为17.75%。研究区岩屑成分较为复杂，变质岩岩屑(千枚岩、石英岩)、岩浆岩岩屑(电气石)和沉积岩岩屑(粉砂岩、黏土岩、云岩)均有出现。此外，富含云母是研究区长3段砂岩储层的一个显著特点，云母质量分数一般为1%~13%，平均为5.45%。

图1 研究区区域位置，研究区三叠系延长组地层及长3段沉积体系平面分布简图

Fig. 1  Location map of Xunyi area, stratigraphic column of Upper Triassic Yanchang Formation in study area and sedimentary system distribution of Chang 3 member

3  砂岩物性及孔隙和喉道类型

在对旬宜地区420多个岩心样品物性分析的基础上，发现长3段砂岩孔隙度一般为4%~15%，最小值为1.47%，平均为10.60%；砂岩渗透率主要分布于0~0.8×10^-3 μm²，最小值为0.045，平均为0.68×10^-3 μm²，属于低孔—特低孔、超低渗致密砂岩储层(5%＜孔隙度＜15%，0.1×10^-3 μm²＜渗透率＜1×10^-3 μm²)。通过观察大量铸体薄片，认为研究区长3段砂岩以粒间溶孔发育最为普遍，其次为粒内溶孔、剩余粒间孔、原生粒间孔以及少量粒间填隙物内微孔和微裂缝。通过对岩心样品的压汞分析可知，长3段致密砂岩储层的排驱压力为0.35~6.42 MPa，最大孔喉半径为0.12~2.25 μm，中值压力为4.47~41.06 MPa，中值半径为0.02~0.17 μm，其中中值半径小于0.05 μm的占29.17%，小于0.2 μm且大于0.05 μm的占70.83%，可知砂岩储层中以片状和收缩状细喉为主，其次含少量微喉。

图2  旬邑地区长3段典型岩心照片

Fig. 2  Typical core photographs of Chang 3 member in Xunyi area

通过对岩心样品进行覆压下孔隙度和渗透率分析，发现当上覆压力为2.5 MPa时，渗透率出现急剧减小的现象，最大减小64.34%，平均减小54.40%；当压力达到15 MPa时，渗透率平均减小87.06%，最大减小95.49%(图3)，而孔隙度减小幅度不大。可见很小的应力条件下便可导致长3段砂岩细小的吼道闭合，造成孔隙连通性变差。

图3  旬邑地区长3储层样品覆压下渗透率变化

Fig. 3  Variation of permeability under overburden pressure of Chang 3 sandstone in Xunyi area

4  主要成岩作用类型

研究区长3段砂岩储层现今虽然埋藏较浅，深度一般小于1 km，但是在其地质历史时期达到了较深的埋藏，深度为2 000多m，经历的成岩作用较为复杂。以常规薄片和铸体薄片等镜下微观特征观察为主，结合扫描电镜、阴极发光以及全岩和黏土矿物X衍射等分析资料，揭示长3段主要处于中期成岩A亚期，主要的成岩作用有压实作用、胶结作用和溶蚀作用。

4.1  压实作用

压实作用主要表现为云母等塑性碎屑颗粒沿长轴定向分布且受挤压弯曲变形(图4(a)和4(b))，塑性岩屑如泥岩、石英岩、千枚岩等变形，部分形成假杂基(图4(b))，少见石英和长石等刚性颗粒的裂纹和破碎，颗粒间多以点-线接触为主，也可见线接触。

4.2  胶结和交代作用

研究区长3砂岩发育碳酸盐胶结、黏土矿物胶结、硅质胶结。其中碳酸盐胶结和黏土矿物胶结最常见，前者包括早期方解石胶结和晚期铁方解石胶结，白云石和铁白云石胶结以及菱铁矿；后者包括绿泥石薄膜、伊利石、高岭石以及少量伊蒙混层。

碳酸盐胶结物广泛分布于研究区长3砂岩中，质量分数变化较大，分布于0~25%之间，平均为6.92%。成岩早期的碳酸盐胶结物晶粒一般较小，晚期碳酸盐胶结物一般含铁且晶粒相对较大^[13]。早期方解石为长3主要的碳酸盐胶结物，多为细晶结构，主要以孔隙式胶结充填于粒间孔隙中，常呈连晶形式产出，交代长石等碎屑颗粒边缘(图4(c)和4(b))，偶见白云石胶结和交代；局部可见铁方解石零星充填粒间孔隙和交代碎屑颗粒边缘(图4(b))，铁白云石胶结极少。

硅质胶结在研究区发育较少，主要以石英次生加大和自生石英充填于粒间孔隙2种形式出现(图4(e)和4(f))，其形成主要来源于酸性环境下钾长石溶蚀作用产生的SiO₂^[19]。后者在绿泥石薄膜发育的粒间孔隙中较多见，当自生石英晶体较多时可将粒间孔隙改造成晶间孔(图4(f))。

研究区黏土矿物胶结以绿泥石胶结为主(平均质量分数为35.30%)，其次是高岭石(平均质量分数为32.96%)和伊利石(平均质量分数为13.74%)胶结。绿泥石胶结主要以薄膜结构附于颗粒表面(图5(b)和5(c))，镜下观察为黑色^[17]。毛发状、丝状伊利石和书页状高岭石充填于粒间孔隙中(图5(d)和(e))，以及少量伊利石薄膜与绿泥石薄膜一同附着于碎屑颗粒表面(图5(c))。

4.3  溶蚀作用

溶蚀作用在研究区长3段砂岩中较为发育，多见于长石颗粒的表面及内部的溶蚀(图5(a)，5(g)和5(h))，其次为岩屑的溶蚀(图5(g))，碳酸盐胶结物的溶蚀较少。

图4  长3段砂岩的压实作用及碳酸盐与硅质胶结作用

Fig. 4  Compaction and carbonate and siliceous cemetation of Chang 3 member

图5  长3段砂岩的黏土胶结及矿物溶蚀特征

Fig. 5  Characteristics of clay mineral and dissolution of Chang 3 member

5  相对优质储层的形成机理

5.1  河口坝和水下分流河道是优质储层的发育基础

沉积微相有效地控制着储层的初始储集性和储层的发育状况^[20-24]。因此，通过分析研究区X1井和X2井沉积微相和储层物性的关系(图6)可知：河口坝微相孔隙度和渗透率除顶底孔渗值较低外，其主体砂岩段孔渗值较稳定，均呈“箱型”分布，孔隙度平均为12.48%，渗透率平均为0.72×10^-3 μm²；水下分流河道孔隙度呈“箱型”分布，渗透率由下至上略有减小，总体上孔隙度与河口坝相当，渗透率均比河口坝略低，为0.65×10^-3 μm²；远端坝孔隙度和渗透率均呈“钟型”分布，孔隙度和渗透率均低于河口坝和水下分流河道，平均孔隙度为10.88%，平均渗透率为0.19×10^-3 μm² (图7)，结果表明：沉积微相对储层物性具有明显的控制作用，水下分流河道和河口坝形成于较高能的环境中，较强的水动力将砂岩颗粒不断筛选，其分选和磨圆相对较好，填隙物含量相对较少，多为纯净的细砂岩，具有较好的初始储集条件，有利于后期溶蚀作用的发生；远端坝形成于水动力较弱的三角洲远端地区，夹有较多的粉砂和泥质，孔喉连通性较差，易在压实和胶结作用下造成初始较低的孔隙度和渗透率再次变差。

图6  旬邑地区X1井和X2井不同沉积微相对储层孔隙度和渗透率的控制

Fig. 6  Variation of porosity and permeability in different sedimentary microfacies of X1 and X2 wells in Xunyi area

5.2  压实和胶结作用对储层发育的控制

压实作用发生于早成岩阶段是导致研究区储层物性变差的首要原因，研究区抗压实强度较弱的云母和岩屑含量较高，在受到压实作用时易发生变形(图4(b))，造成原生孔隙被大量破坏，并且岩屑含量与储层孔隙度和渗透率具有明显的反相关，同时当岩屑质量分数大于25%时，储层物性明显变差(图8)。通过定量计算，得出由机械压实作用造成的减孔率分布于50%~75%之间，平均减孔率为68.58%，处于中等压实强度^[25]。

虽然成岩早期方解石可以增强砂岩的抗压实能力，保护原生孔隙，但是研究区长3段砂岩中大量的方解石胶结物占据孔隙空间并堵塞喉道，造成原生孔隙损失殆尽(图4(c)和4(d))。并且方解石胶结物在成岩早期的溶蚀作用中仅有少数被溶蚀，还有大部分残留于粒间孔隙中。研究区方解石含量与孔隙度和渗透率均呈较高的负相关，并且当方解石质量分数大于6%时，孔隙度和渗透率减小更为明显(图9)。

绿泥石薄膜的发育对保护储集空间具有建设性的作用^{[24, 26-31]}。早期自生绿泥石垂直于石英、长石等颗粒表面以孔隙衬里的形式呈叶片状杂乱且密集生长，形成一层黏土膜并包裹整个颗粒(图5(b))，使得颗粒表面与孔隙流体分隔，从而抑制了石英以及长石的次生加大对储集空间的破坏，保护了原生孔隙。从岩石薄片和扫描电镜可以看到：石英和长石次生加大的地方基本不发育绿泥石薄膜或者绿泥石薄膜发育很少(图5(f))；同时，绿泥石薄膜的发育增强了颗粒的抗压实能力，使得绿泥石薄膜发育区颗粒接触关系较低，原生孔隙发育，并且成岩过程中厚度不断增加的绿泥石薄膜可以抵消一部分埋藏过程中上部地层产生的压实作用，使在溶蚀作用中岩屑、长石等形成的次生孔隙得以保存。大量薄片观察发现，绿泥石薄膜形成于压实作用早期，且绿泥石发育区颗粒多以点接触为主，原生孔隙保存较好，机械压实作用相对较弱，而没有绿泥石发育的区域颗粒常以线接触为主(图5(a))。此外，自生绿泥石包含约51% 的晶间微孔为后期酸性流体的溶蚀提供了良好的运移通道^[9]，具有改善储层储集物性的作用。典型钻井长3段砂岩中自生绿泥石的含量与孔隙度和渗透率之间均具有很高的相关性(图10)，说明研究区长3段中自生绿泥石的发育不仅保护了原生孔隙，同时也保护了孔隙间发育的吼道。

图7  不同沉积微相孔渗分布直方图

Fig. 7  Permeability and porosity histogram of different sedimentary micro-facies

图8  X井长3段岩屑质量分数与储层物性的关系

Fig. 8  Relationship between content of rock debris and reservoir physical property of X well in Chang 3 member

图9  方解石质量分数与储层物性的关系

Fig. 9  Relationship between calcite and reservoir physical property

研究区高岭石含量与孔隙度和渗透率均呈较弱的正相关(图10)。这是因为高岭石的发育虽然充填了粒间孔隙(图5(d))，但是以书页状产出的高岭石具有大量晶间孔^[30]，对储层有一定的改善作用。

研究区伊利石主要以孔隙充填式产出(图5(e))、其次是薄膜式产出(图5(c))，但是无论是哪一种产出方式对孔隙的发育都是正面的^[32-33]。而研究区典型井伊利石含量与孔隙度和渗透率均具有不明显的相关性(图10)，这是由于研究区伊利石含量相对较少，其产生的额外孔隙仅仅抵消了充填孔隙所占据的空间，并未对储集空间的发育产生影响。

5.3  溶蚀作用对储层发育的控制

前人研究表明^{[30, 34]}，不整合面之下的砂岩储层中长石溶蚀产生的次生孔隙(包括粒间孔隙和粒内孔隙)主要形成于近地表暴露时期大气淡水的淋滤作用。据此，本文选取典型钻井对长3和长6进行对比(表1)，发现靠近不整合面的长3段砂岩长石平均质量分数比长6段砂岩少近10%，高岭石平均质量分数和面孔率远比长6段砂岩的高，平均孔隙度和渗透率均比长6段砂岩的高。表明靠近不整合面的长3段砂岩因大气淡水作用而受到了更强的溶蚀作用，在此过程中因长石被溶蚀而产生大量次生孔隙以及高岭石沉淀，导致其面孔率和高岭石含量远高于靠近提供有机酸的主力烃源岩的长6段砂岩，最终储层物性因长石溶孔和高岭石晶间孔的大量发育而高于远离不整合面的长6段砂岩。因此，研究区长3段砂岩中次生孔隙主要形成于大气淡水的溶蚀作用(表2)。此外，古地貌对大气淡水的溶蚀作用强度有一定的控制，张哨楠等^[6]研究表明：古地貌斜坡地形坡度大，大气淡水能快速渗流且与砂岩有较大的接触面积，同时将溶蚀产物带入古地貌平缓或低凹区沉淀，促进了斜坡带溶蚀作用的进一步进行。因此，古地貌斜坡带与大气淡水淋滤的叠合区是次生孔隙的有利发育带。

图10  主要黏土矿物与储层物性的关系

Fig. 10  Relationship between clay and reservoir physical property

中成岩阶段早期(温度＞85 ℃)时，烃源岩中有机质成熟产生的有机酸可将早期方解石溶蚀，其产生的Ca²⁺有利于晚期含铁方解石的形成^[11]。大量薄片观察发现，研究区长3段砂岩中早期方解石有少部分被溶蚀，且绿泥石薄膜和被溶蚀方解石表面吸附了黑色沥青质，同时晚期碳酸盐胶结物质量分数为1.08%，说明研究区长3段砂岩发生过油气充注并对溶蚀作用有一定的贡献。研究区因溶蚀作用产生的大量的次生孔隙有效的改善了储层的储集性，对相对优质储层的形成有重大意义。

综上所述，研究区长3段成岩作用对优质储层的发育有明显的控制(表2)。

表1  旬邑地区C井长3段和长6段砂岩长石、高岭石平均质量分数和储层物性对比

Table 1  Comparison of average content of feldspar and kaolinite and reservoir physical property in Chang 3 and Chang 6 members

表2  研究区长3段成岩作用对储层的控制

Table 2  Diagenesis for control of reservoir in Chang 3 members

6  结论

1) 研究区长3段主要发育辫状河三角洲前缘，进一步可识别出水下分流河道、河口坝和远端坝等沉积微相；岩石类型主要以岩屑长石砂岩为主，长石砂岩次之，储层物性较差，属于低孔-特低孔超低渗致密砂岩储层。富含云母和塑性岩屑使喉道对应力极为敏感，在很小的应力条件下便可导致喉道闭合，孔隙连通性变差。

2) 压实作用是造成研究区长3砂岩储层物性变差的首要原因，其次是方解石胶结物；绿泥石薄膜的发育使得原生孔隙和喉道得以保存，自生高岭石的发育对储层物性具有一定的改善，自生伊利石的发育对改善储层没有实际意义；近地表暴露时期大气淡水的淋滤作用溶蚀长石产生大量次生孔隙，改善了储层物性，同时成岩过程中的油气充注对次生孔隙形成有一定的贡献。

3) 研究区长3砂岩相对优质储层的形成主要受沉积微相、塑性碎屑含量、成岩作用以及古地貌等因素控制，其主要分布在：水下分流河道和河口坝发育带；云母和塑性岩屑相对较少，且岩屑质量分数小于25%；方解石胶结物质量分数小于6%；自生绿泥石含量相对较高；有利于大气淡水淋滤作用进行从而产生大量次生孔隙的古地貌斜坡带。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2014-08-10；修回日期：2014-10-25

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(SQ2013CB021013)；国家自然科学基金资助项目(41002045, 41202086)(Project (SQ2013CB021013) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Projects (41002045, 41202086) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：胡海燕，教授，从事石油地质学研究；E-mail：hyhucom@163.com