区内储集层砂岩主要为粗粒, 巨--粗粒岩屑石英砂岩, 岩屑砂岩, 见极少量石英砂岩, 不同含气层段岩石学特征差别巨大.

图2

Fig.2

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图2 鄂尔多斯盆地东北部上古生界太原组及下石盒子组碎屑岩储集层显微特征(1--双60井盒8下亚段, 2622.79 m, 中--粗粒石英砂岩及硅质充填, × 50(-); 2--双44井马兰砂岩, 2321.90 m, 粗粒岩屑石英砂岩, 发育溶孔, × 25(-); 3--双54井桥头砂岩, 2819.88 m, 粗--中粒岩屑石英砂岩, 发育溶孔, × 50(-); 4--米30井盒8上亚段, 2272.80, m, 残余原生粒间孔被硅质充填, × 50(-); 5--双11井盒8上亚段, 2266.39, m, 高岭石充填残余原生粒间孔隙, × 50(-); 6--米18井盒8下亚段, 2298.75, m, 铁方解石充填残余原生粒间孔隙, × 50(-); 7--双57井马兰砂岩, 2788.34, m, 含丰富的软组分, × 50(+); 8--双37井桥头砂岩, 2796.66, m, 充填孔隙的伊利石绢云母化, × 50(+))Fig.2 Microcharacters of clastic reservoir of the Upper Paleozoic Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin

太原组岩性以灰色, 灰白色粗粒岩屑砂岩和岩屑石英砂岩为主(图 2-2, 2-3), 石英以单晶石英为主, 多具波状消光, 其中含有丰富的针状包裹体, 碎屑组分组合表明, 其源区岩性以中低级变质岩为主, 并夹有安山质喷发岩.岩屑以千枚岩, 泥板岩, 片岩等软组分为主(图 2-7, 2-8), 因压实作用而强烈变形或呈假杂基充填孔隙, 可溶性组分如喷发岩岩屑以及长石的含量一般在5%~10%之间(表 1), 成岩阶段的压实作用及较高含量的杂基造成该层段缺少原始残余粒间孔.胶结方式以孔隙式为主, 颗粒之间以线状接触为主, 部分凸凹状或缝合线状接触, 结构成熟度, 成分成熟度均较低, 沉积水体明显混浊, 杂基含量一般在7%以上, 马兰段的成分成熟度明显较高.从下到上可分为桥头段, 马兰段和七里沟段, 马兰段和桥头砂岩石英含量高, 软组分含量相对较低, 成分成熟度较高(表 1).

表1

Table1

表1(Table1)

表1 鄂尔多斯盆地东北部太原组及下石盒子组储集层岩矿组分 Table1 Mineral components of reservoir of the Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin 地层 储集层砂岩 石英 /% 长石 /% 喷发岩 /% 片岩+泥板岩+ 千枚岩/% 变质砂岩 /% 成分成熟度 Q/(F+R) 下石盒子组 盒8段 上亚段砂岩 73.2 2.1 5.7 17.1 1.9 2.73 下亚段砂岩 78.9 1.9 5.8 12.0 1.4 3.74 太 原 组 七里沟砂岩 69.5 2.4 4.4 22.2 1.5 2.28 马兰砂岩 76.8 2.9 6.1 13.1 1.1 3.31 桥头砂岩 75.5 2.7 5.7 15.3 1.1 3.08

表1 鄂尔多斯盆地东北部太原组及下石盒子组储集层岩矿组分 Table1 Mineral components of reservoir of the Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin

下石盒子组主要为粗粒岩屑石英砂岩和岩屑砂岩(图2-1), 碎屑组分和太原组基本相似, 但石英类矿物(刚性组分)含量比太原组高, 千枚岩, 泥板岩, 片岩等软组分含量比太原组稍低.从下石盒子来说, 从下往上, 石英类矿物含量减少, 岩屑尤其是软组分含量增加明显, 杂基含量一般小于5%, 成分成熟度低, 结构成熟度高, 沉积水体清澈, 原始的粒间孔较发育, 但均被后期成岩矿物如硅质, 高岭石, 铁方解石等完全充填(图2-4, 图2-5), 喷发岩屑, 长石等高岭石化极其强烈.

因此, 上古生界太原组, 下石盒子组储集层砂岩自下而上构成一个由石英砂岩依次过渡为岩屑石英砂岩乃至岩屑砂岩的岩性变化序列, 底部水动力条件强, 向上水动力条件变弱, 千枚岩, 泥板岩等容易破碎成较小颗粒的岩屑并在水动力条件较弱的地方沉积, 形成的沉积物若粒度细, 则软组分含量高, 若粒度粗, 则软组分含量低.这一结论在苏里格地区的研究中已经得到验证.

根据石油天然气总公司2003年《碎屑岩成岩阶段划分规范》(SY/T 5477-2003), 对研究层段进行了成岩作用阶段划分.研究层段储集层成岩作用强度大, 目前已处于晚成岩阶段, 有如下几点依据:(1)干酪根镜质体反射率较高, 为1.3%~2.0%, 有机质处于高成熟阶段; (2)黏土矿物中含有伊/蒙混层矿物, 混层中蒙脱石含量小于10%, 属超点阵有序混层带; (3)石英加大强烈, 达Ⅳ 级以上, 颗粒接触紧密, 主要为线--凹凸接触; (4)孔隙类型为混合孔隙.

太原组, 石盒子组沉积之后, 一直处于持续的较匀速下沉过程, 压实作用强烈, 研究层段中软组分如千枚岩, 泥板岩, 片岩等含量较高, 经压实后变形强烈, 部分呈假杂基充填孔隙, 使孔隙度极遽降低, 据研究, 软岩屑含量高的储集层段因压实作用可使孔隙度降低程度达到原始孔隙度的80%, 是该地区孔, 渗降低的主要原因之一; 同时, 早--中成岩阶段形成的硅质, 晚成岩阶段形成的铁方解石对孔隙的充填作用也是孔, 渗降低的主要原因.当然, 沉积物中丰富的不稳定组分如喷发岩屑, 凝灰质, 晶屑, 玻屑, 长石等溶蚀, 蚀变也非常强烈.总体上来说, 这些组分的演化可分为两个途径:第一, 在中侏罗世之前, 由于煤系地层沉积之后源源不断地提供有机酸对这些组分进行溶解, 形成了大量的溶孔; 第二, 不稳定组分高岭石化强烈, 形成大量的高岭石晶间孔, 下石盒子组不稳定组分的高岭石化明显强于太原组储集层.造成这一现象的原因, 据笔者分析认为, 太原组属于煤系地层, 沉积之后孔隙水中就有较为丰富的有机酸, 使大部分颗粒溶解, 未能形成大量的高岭石.有机酸向上部地层运移时, 酸的浓度降低, 因而在下石盒子组溶蚀作用相对较弱, 岩屑, 长石以及凝灰质等高岭石化作用极其强烈, 形成高岭石晶间孔, 这也是太原组与下石盒子组在储集层成岩作用及孔隙结构特征方面的最大差别.

1)物性特征

盆地东部地区上古生界储集层孔隙度一般介于2.0%~12.0%之间, 平均8.78%; 渗透率一般在0.1× 10^-3~10.0× 10^-3μ m², 平均在1.0× 10^-3μ m²以下.储集层物性明显受控于如千枚岩, 泥板岩, 片岩等软组分岩屑含量的高低, 软组分岩屑含量越高, 孔, 渗值越低, 反之则越高.因而岩石类型不同, 其物性差异也较大, 总体上石英砂岩的物性最好, 岩屑石英砂岩次之, 岩屑砂岩最差(表 2).

表2

Table2

表2(Table2)

表2 鄂尔多斯盆地东北部太原组及下石盒子组主要砂岩类型物性特征统计 Table2 Main petrophysical properties of sandstones of the Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin 地层 岩石类型 平均孔隙度 /% 平均渗透率 /10-3μ m2 样品块数 /块 下石盒子组 岩屑砂岩 4.2 0.16 292 岩屑石英砂岩 9.2 0.92 481 太原组 岩屑砂岩 3.08 0.26 203 岩屑石英砂岩 7.49 3.08 627 石英砂岩 5.7 7.2 16

表2 鄂尔多斯盆地东北部太原组及下石盒子组主要砂岩类型物性特征统计 Table2 Main petrophysical properties of sandstones of the Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin

2)毛管压力曲线特征

根据23口井79个样品的压汞曲线分析(表 3), 储集层最大孔喉半径在0.404~6.14, μ m之间, 平均为1.67, μ m; 中值孔喉半径在0.007~1.26, μ m之间, 平均为0.267, μ m, 总体上储集层孔喉较细小.储集层孔喉分选系数在1.38~5.17之间, 平均2.55, 分选系数较大, 孔喉分选较差.储集层排驱压力和饱和度中值压力较大, 平均分别为0.61 MPa和18.53 MPa, 反映油气难于进入储集层之中.最大进汞饱和度大, 一般在70%以上, 平均为81.52%; 退出效率较低, 一般小于40%, 平均为34.1%.总体上储集层具有孔喉较小, 分选性较差和细歪度的特点, 表明其储集层孔喉结构较差.

恒速压汞是近年来发展起来的测定孔隙结构的一个非常先进的技术手段, 应用该手段, 可以在一定的进汞速度条件下, 对孔隙大小, 喉道大小, 孔隙--喉道配置情况进行测试, 能够准确地反应孔喉的分布情况.

恒速压汞实验研究表明, 太原组储集层孔径明显较大, 介于25~60, μ m之间, 而下石盒子组储集层在13~30, μ m之间, 排驱压力也明显高于太原组.从孔隙--喉道组合曲线来看, 太原组组合明显好于盒8段(图 4).

一些学者认为, 鄂尔多斯盆地上古生界储集层溶孔是以溶解同沉积期形成的火山灰, 晶屑, 玻屑等为主形成的, 但笔者认为, 虽然研究区具有较为丰富的火山物质, 但物源区搬运而来的可溶性组分如喷发岩屑, 长石, 凝灰岩岩屑等才是形成溶孔的主要物质, 同沉积期的火山物质相对次要.研究区各气层段孔隙类型总体上以溶孔(包括安山岩岩屑溶孔, 流纹岩岩屑溶孔, 凝灰质溶孔, 晶屑和玻屑溶孔, 长石溶孔)(图 2-2, 2-3, 3-1), 岩屑及蚀变高岭石晶间孔(图 3-5, 3-6, 3-8)为主, 并见到一些凝灰质失水收缩形成的收缩孔(图 3-3), 粒间孔极少量, 但由于各层段沉积作用和成岩作用的差异, 各气层段孔隙组合特征差异明显.太原组储集层以溶孔为主, 其中以马兰砂岩最好, 桥头砂岩次之, 七里沟砂岩最差.盒8段砂岩和太原组相比, 差别明显, 盒8段砂岩高岭石晶间孔相对发育, 溶孔面孔率相对较低, 一般在2.0%左右(图 5).

图3

Fig.3

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图3 鄂尔多斯盆地东北部上古生界太原组及下石盒子组碎屑岩储集层显微特征(1--双59井太原组, 2793.16, m, 常见喷发岩溶孔及长石溶孔, × 50(-); 2--米12井下石盒子组, 1944.58, m, 保存完好的斜长石, × 100(+); 3--米36井下石盒子组, 2455.84, m, 火山泥球失水收缩形成的孔隙, × 50(-); 4--双70井太原组, 2162.41, m, 微晶花岗岩岩屑, × 50(+); 5--双25井太原组, 2319.32, m, 火山作用形成的长石晶屑, × 50(-); 6--双39井下石盒子组, 2290.28, m, 蚀变高岭石, SEM; 7--双6井太原组, 2085.99, m, 颗粒因压实呈镶嵌状接触, × 50(+); 8--双11井下石盒子组, 2266.09, m, 绿泥石薄膜及充填孔隙的硅质, 高岭石, × 50(-))Fig.3 Microcharacters of clastic reservoir of the Upper Paleozoic Taiyuan and Xiashihezi Formations in northeastern Ordos Basin

图4

Fig.4

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	图4 鄂尔多斯盆地东北部下石盒子组及太原组储集层恒速毛管压力曲线Fig.4 Curves of constant-speed mercury penetration of the Taiyuan and Xiashihezi Formations reservoir in northeastern Ordos Basin

图5

Fig.5

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	图5 鄂尔多斯盆地东北部各气层段孔隙组合特征Fig.5 Pore assemblage characteristics of gas-bearing intervals in northeastern Ordos Basin

研究区太原组和下石盒子组具有丰富的岩屑, 长石及凝灰质等不稳定组分.在显微镜下, 可以见到较为丰富的长石(包括钾长石, 斜长石等)(图 3-2), 微晶花岗岩岩屑(图 3-4)等浅成岩以及中酸性安山质流纹岩, 安山岩等, 这些均为从陆源区搬运而来.当然, 研究区储集层也含有丰富的火山成因的组分, 包括岩屑, 晶屑(图 3-5), 玻屑以及细粒(粒径小于3.0, μ m)的以填隙物产状为主的凝灰质, 不同的人对这些凝灰质的成因具有不同的看法, 从目前公开发表的资料来看, 部分研究者认为同时期盆地周缘具有丰富的火山活动, 研究区二叠系储集层中的喷发岩, 长石等属于同沉积期形成的火山物质沉降或搬运而形成(周安朝, 2002; 杨华等, 2007; 包洪平等, 2007), 但据笔者显微镜下观察, 研究区具有两种不同产状的火山物质, 第1种属于同沉积期火山活动形成的火山灰(图 3-3)或者火山晶屑(图 3-5), 呈充填孔隙产状, 结构均匀, 显微镜下颜色一般呈褐色, 同时伴随有少量的鸡肋状, 尖刀状晶屑, 玻屑等组分; 第2种属于源区已经成岩的火山岩经过破碎搬运而来, 粒度粗, 磨圆好, 具有明显的磨蚀和搬运痕迹, 这也是研究区重要的可溶性组分来源.该地区物源区岩性从碎屑组合来看属于典型的浅变质岩系, 浅变质岩中常见的一些矿物如角闪石, 凝灰石以及部分长石等也是研究区重要的可溶性组分.总之, 研究区可溶性组分含量可达到7%~8%, 最高可达到10%以上.

鄂尔多斯盆地二叠系太原组--山西组是典型的海陆交互相沉积, 煤系地层极其发育, 从菱铁矿等成岩矿物的产状来看, 同沉积期形成的显示强还原环境的大量菱铁矿等均表明, 沉积期后该套地层就处于非常明显的酸性成岩环境, 经过长期的有机酸溶蚀作用, 石英类矿物含量高的砂体中, 可溶性组分基本溶蚀殆尽, 仅保存了可溶性岩屑的原始轮廓, 局部地区溶蚀面孔率可达到7%~10%(府1井, 府2井, 双7井太原组等).当然软组分含量相对较高的砂岩中, 溶蚀作用普遍受到限制, 是由于较强的压实作用导致酸性流体在其中难于流动, 因而保存的不稳定组分较多.

研究区盒8段储集层具有较为丰富的高岭石及晶间孔(图 2-5, 3-8), 从成岩矿物的组合关系来看, 自生石英加大边中包裹有丰富的高岭石包体, 前人研究认为这些高岭石包体是由于同沉积期孔隙中的大气淡水蚀变不稳定组分而形成(黄思静等, 2003), 因此, 下石盒子组在早成岩阶段形成了大量的高岭石, 可溶性组分相对减少.当然, 在中晚成岩阶段, 有机酸向上运移, 不稳定组分一部分高岭石化, 另一部分被溶蚀, 但溶蚀的量和太原组相比明显较少, 最高一般不超过2.0%, 因此, 溶蚀的多少不但与向上运移的有机酸的量有关, 而且与溶蚀时可溶性组分的含量有关, 以笔者来看, 盒8段溶蚀较弱的原因应属于后者.

总之, 煤系地层中的有机酸是形成该地区储集空间的主要因素.

对于碎屑岩, 沉积作用对储集层的影响比碳酸盐岩显著(李凌等, 2002).碳酸盐岩作为化学活动性强的岩石更容易受后期成岩作用的控制而影响储集层物性, 而碎屑岩在沉积过程中沉积物的成分, 粒度, 成熟度决定了原生孔隙的多少以及后期溶蚀作用的进行.通过对太原组, 下石盒子组储集层不同岩石样品孔, 渗性能的比较发现, 粒度大小和储集层的物性好坏有着直接关系, 粗粒岩石具有更好的孔, 渗性能, 已有的研究表明粒度是影响砂岩孔, 渗性能, 尤其是渗透率高低的一个重要因素, 粗粒岩石的形成往往是在水动力条件比较强的高能环境下泥质充填物不易沉积, 而粗粒碎屑格架支撑的岩石也具有较高的原始孔隙空间.神木--双山地区储集岩一般以粗砂岩或巨--粗砂岩为主.沉积作用对储集层影响的第2个因素表现在成熟度对物性的控制, 石英含量越高, 储集层的物性越好, 研究区石英砂岩, 岩屑石英砂岩物性普遍较好(表 2).

成岩作用对该区储集层的影响起着决定性作用, 它最终刻画出该区低孔低渗, 以溶孔为主的储集层特征, 影响储集层的主要成岩作用有压实作用, 胶结充填作用和溶蚀作用.

1)压实作用

机械压实作用是储集层孔隙减少的主要因素(朱宏权和张哨楠, 2004), 在压实作用下碎屑颗粒以线接触为主, 部分凹凸--线接触(图 3-7), 缝合线接触和点接触均少见, 表明压实程度较强.主要表现为软性岩屑(如喷发岩岩屑, 千枚岩, 泥板岩等)压扁变形或呈假杂基(图 2-7, 2-8); 刚性颗粒嵌入塑性颗粒(图 3-7), 从而减少了孔隙空间.压实作用对岩屑砂岩, 岩屑石英砂岩的影响比对石英砂岩大.

2)胶结充填作用

胶结充填作用是使储集层物性变差的一个重要因素.主要的胶结充填作用形式有以下3种:(1)硅质胶结:硅质胶结有两种形式, 一种是以次生加大边的形式出现(图 2-6, 2-8), 一种是以自生石英的形式出现(图 2-1, 2-4; 图3-8).硅质胶结在石英砂岩中普遍发育, 石英次生加大级别可达Ⅳ 级, 强烈的硅质胶结使部分石英砂岩颗粒成假压实紧密接触, 硅质胶结作用使原生孔隙损失30%~40%; (2)绿泥石胶结(图 2-1, 2-4; 图3-8):绿泥石围绕颗粒呈近等厚环边胶结, 环边一般厚5~10, μ m, 这种胶结对孔隙的保存具有积极的意义; (3)高岭石胶结充填(图 2-5; 图3-6, 3-8):高岭石充填残余粒间孔和溶蚀铸模孔, 使得孔隙空间减少, 把一个大孔隙分割成无数小孔隙.

3)溶蚀作用

溶蚀作用是区内具有积极意义的建设性成岩作用, 极大地提高了储集层的储集性能(图 2-2, 2-3; 图3-1, 3-3, 3-5).可溶性物质如喷发岩岩屑, 凝灰质, 长石以及其他的一些矿物如角闪石等在煤系地层提供的有机酸作用下的溶蚀作用, 极大地提高了储集层的储集性能, 以太原组为代表.

当然, 不稳定组分的高岭石化作用形成的高岭石晶间孔也是研究区主要的储集空间之一, 如下石盒子组储集层(图3-6).

此外, 构造破裂作用产生的微细裂缝, 对本区储集层的渗透性有一定的提高.