李咪, 姚泾利, 郭英海, 李壮福, 王怀厂, 宋雪娟. (2018)鄂尔多斯盆地东部二叠系山西组23段石英砂岩砂体结构类型及成岩作用差异* [J]. 古地理学报, 20(3): 465-476
Li Mi, Yao Jing-Li, Guo Ying-Hai, Li Zhuang-Fu, Wang Huai-Chang, Song Xue-Juan. (2018)Sandbody architecture types and diagenesis differences of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation,eastern Ordos Basin [J]. Journal Of Palaeogeography, 20(3): 465-476.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.03.034
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鄂尔多斯盆地东部二叠系山西组23段石英砂岩砂体结构类型及成岩作用差异*
李咪1,2, 姚泾利3, 郭英海1,2, 李壮福1,2, 王怀厂3, 宋雪娟1,2
1 煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室,江苏徐州 221008
2 中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州 221116
3 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安 710021
通讯作者简介：郭英海,男,1963年生,教授,主要从事煤田、油气地质与勘探方面的科研与教学工作。E-mail: gyhai@163.com。

第一作者简介：李咪,女,1994年生,中国矿业大学博士研究生,研究方向为非常规油田储层地质学。E-mail: 15996944776@163.com。

收稿日期:2017-11-23
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41772130)资助;
摘要

鄂尔多斯盆地东部子洲—清涧地区二叠系山西组 23段石英砂岩区块单井产能与砂体结构类型具有一定相关性。基于单砂体垂向粒度韵律和自然伽马测井资料,将砂体结构划分出块状型砂体、正粒序型砂体和叠加型砂体 3种类型。通过铸体薄片鉴定和粒度分析实验,对 3种类型砂体储集层在成岩作用类型、特征、发育程度、产物、垂向变化及成岩孔隙演化的差异性进行表征。研究表明, 3类砂体的溶蚀作用、压实作用强度及分布特征存在较大差异,粒度及其垂向分布是制约不同结构类型砂体成岩演化的直接因素,进而影响储集层物性,决定了含气层与致密层的垂向分布规律。块状型砂体储集层原生孔隙、次生溶孔共同发育,含气层厚度较大,局部致密。正粒序型砂体垂向物性差异较大,中—下部储集层溶蚀程度较弱,以原生孔隙为主,次生孔隙少量发育,为含气层;上部储集层压实、胶结作用强烈,相对致密。叠加型砂体储集层形成于河流控制作用逐渐增强的过渡环境,兼有正粒序型、块状型砂体的特征,多层含气且厚度大。

关键词: 砂体结构; 成岩作用; 石英砂岩; 致密储集层; 山西组; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:P588.21 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)03-0465-12
Sandbody architecture types and diagenesis differences of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation,eastern Ordos Basin
Li Mi1,2, Yao Jing-Li3, Guo Ying-Hai1,2, Li Zhuang-Fu1,2, Wang Huai-Chang3, Song Xue-Juan1,2
1 Key Laboratory of CBM Resource and Reservoir-Generating Process,Xuzhou 221008,Jiangsu
2 School of Resources and Earth Science,China University of Mining & Technology,Xuzhou 221116,Jiangsu;
3 Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Changqing Oilfield Company,PetroChina,Xi’an 710021,Shaanxi;
About the corresponding author：Guo Ying-Hai,born in 1963,is a professor and mainly engaged in researches and teaching work of coalfield,petroleum geology and exploration. E-mail: gyhai@163.com.

About the first author：Li Mi,born in 1994,is a Ph.D. candidate of China University of Mining & Technology. Her research field is unconventional petroleum reservoir sedimentology. E-mail: 15996944776@163.com.

Fund:Financially supported by the Natural Science Foundation of China(No.41772130)
Abstract

There exists a certain correlation between sandbody architectures and single well production of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in the Zizhou-Qingjian area in the Ordos Basin. Based on the vertical grain-size cycles of the individual sandbody and natural gamma logging data,the sandbody architectures of the study area has been divided into block,normal grading and superimposed types. The paper shows the differences of diagenesis in types,characteristics,intensity,products,vertical variation and pore evolution of the three type sandbodies by casting thin sections observation and particle size analysis. The study shows the intensity and distribution characteristics of the dissolution and compaction of the three type sandbodies are quite different. The vertical distribution of particle size is the direct factor that restricts the diagenetic evolution of the different types of sandbodies,which in turn affect physical property of sandstone reservoirs and finally determine the vertical distribution of gas-bearing layer and tight layer. The reservoir of the block type sandbodies has both primary pores and induced pores of which the gas-bearing layer is thick and tight layer is locally developed. The middle and lower part of reservoirs of normal grading type sandbodies are characterized by poor dissolution degree, which have more primary and less induced pores and are gas-bearing layer. The upper part of reservoir is tight due to strong compaction and cementation. The superimposed type sandbodies formed in the sedimentary environment of gradually strengthened fluvial influence have characteristcs of the both two former types, with the gas-bearing layers are thick and multizone.

Key words: sandbody architectures; diagenesis; quartz sandstone; tight sandstone reservoir; Shanxi Formation; Ordos Basin

岩石和沉积环境是储集层发育的物质基础和重要条件, 成岩作用对储集层的后期改造是决定储集层优劣的关键因素(吕正祥和刘四兵, 2009; 罗静兰等, 2010; 李易隆等, 2013; 李继岩等, 2015)。砂体结构可以通过测井资料和现场岩心编录进行研究, 是沉积环境的重要响应(于兴河, 2009)。近年来, 不同学者对其展开相关研究, 侧重于从沉积成因角度进行类型划分(陈飞等, 2010; 孙天皛等, 2012; 李士祥等, 2013; 赵云翔等, 2013; 李潮流等, 2015)。由于沉积环境会影响早期成岩作用及其产物, 进而影响后期成岩作用演化的路径、方式、产物及强度(罗静兰等, 2010; 李继岩等, 2015), 以砂体结构作为沉积— 成岩作用的中间载体, 研究砂体的结构对成岩演化的影响及内在机理, 将有助于探讨原始沉积结构及其矿物化学体系对后期成岩作用改造的制约机理(李忠和刘嘉庆, 2009)。

山23段是鄂尔多斯盆地上古生界气藏的主力产气层段之一, 研究区山23段砂岩具有相同的沉积背景和构造演化史, 其岩性的平面分布受物源控制较强, 岩石是各种成岩作用发生和发展的重要物质基础(朱筱敏, 2008), 文中在相同岩性的前提下进行研究。研究区试气显示为高产(> 5× 104im3/d)和工业气流(2× 104~5× 104im3/d)的钻井集中分布在以石英砂岩为主要储集层的区块内, 且产能高低与砂体结构类型具有一定的相关性。因此, 在石英砂岩区块内选取不同砂体结构类型的钻井进行成岩作用差异性分析, 研究成岩作用对不同结构类型砂体的差异性影响, 有助于明确储集层物性及含气层的垂向分布规律。

1 地质概况

鄂尔多斯盆地东部是指子洲— 清涧地区, 处于伊陕斜坡构造单元, 分布范围北起佳县, 南至清涧, 西临南塔, 东抵吴堡, 面积约9000ikm2(图1)。鄂尔多斯盆地经历了6大构造演化阶段, 晚石炭世至中三叠世处于稳定的内克拉通盆地形成阶段, 区域构造继承了早古生代的NNE向格局(王双明, 1996)。晚石炭世末期, 受到北方西伯利亚板块向南“ 推土机” 机制的作用(王东方等, 1992), 华北地台北升南降, 构造格局由南隆北倾转为北隆南倾(尚冠雄, 1997), 海水入侵方向由晚石炭世早期的NNE向变为早二叠世的SE方向, 盆地连通西部祁连海, 由受限陆表海发展为统一陆表海, 于晚石炭世至中二叠世期间经历了陆表海的形成与衰亡, 中二叠世早期至晚二叠世, 陆表海逐渐衰亡, 转化为内陆湖盆沉积(郭英海等, 1998)。

图 1 鄂尔多斯盆地东部山23段砂体厚度等值线图及采样井位分布Fig.1 Isoline of the Member 23 of Shanxi Formation and sampling well location distribution in eastern Ordos Basin

下二叠统山西组沉积期间, 随着海西褶皱带拼贴在华北地台周缘地区, 特别是地台北侧华北板块与西伯利亚板块的对接使内蒙古地轴及古生代造山带逐渐抬升, 海水向东南方向大幅度撤退, 盆地由统一陆表海向残余陆表海、近海湖盆转化(沈玉林等, 2012)。受构造背景及古地形的控制, 山西组的沉积格局自北向南展布。盆地东部山23段是上古生界天然气勘探的重点层段之一(表 1), 据研究①, 研究区山23段发育以河流— 浅水三角洲沉积相为主的含煤陆源碎屑岩沉积, 北部发育三角洲平原分流河道砂体, 南部大面积发育三角洲前缘水下分流河道砂体(图 1)。岩性分布具有明显的平面分区性, 石英砂岩主要分布在米脂以西地区。

表 1 鄂尔多斯盆地上古生界划分(据杨奕华等, 2008, 有修改) Table1 Division of the Upper Paleozoic in Ordos Basin (modified from Yang et al., 2008)
2 砂体结构类型及沉积成因

参考赵云翔等(2013)对砂体结构的定义, 即构成砂体的砂岩组构、沉积构造以及测井响应等在垂向上的变化, 文中砂体结构特指砂体的垂向沉积序列。粒度韵律是沉积水动力条件的重要响应, 以单砂体垂向粒度韵律和自然伽马曲线形态为依据, 通过对研究区石英砂岩区块18口钻井岩心的精细解剖及测井曲线分析, 将砂体结构划分出3种类型: 块状型、正粒序型和叠加型(表 2)。砂体结构的成因与地层基准面变化、陆源碎屑供给量、水动力条件密切相关(Wagoner et al., 1990)。通过对研究区砂体单井岩心和连井剖面的分析, 认为3类砂体结构是沉积微相及其组合的重要响应, 在岩性、粒度变化、岩层接触关系、沉积构造等方面具有不同的特征。

表 2 鄂尔多斯盆地东部山23段石英砂岩砂体结构类型及划分依据 Table2 Sandbody architecture types and classification basis of quartz sandstone of the Member 23 of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

图 2 鄂尔多斯盆地东部山23段石英砂岩3类砂体的自然伽马曲线和岩性柱状示意图Fig.2 Gamma curve and lithologic column of typical wells of three type sandbodies of quartz standstone of the Member 23 of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

块状型砂体(图 2-A)由1个或多个垂向粒度均一的单砂体垂向组合形成, 以粗粒、中粒石英砂岩为主, 偶见细粒石英砂岩夹层。局部发育缓倾角的板状交错层理、楔状交错层理, 顶部粒度突变, 发育细粒沉积。块状砂体是沉积过程中物源供应丰富、较强的水流条件、沉积物快速堆积的结果, 常常是在沉积环境条件基本相同情况下, 多期(水下)分流河道砂体冲刷叠置而形成(图 3)。相邻2期砂体为冲刷切割型接触, 砂体间的细粒沉积物被冲刷剥蚀或仅残余薄层, 较粗砂岩垂向叠置。

图 3 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段南北向连井剖面图Fig.3 South-North directional wells profile of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

正粒序型砂体(图 2-B)由1个或多个粒度向上变细的单砂体垂向组合形成, 单砂体常呈现出(含砾)粗粒— 中粒— 细粒石英砂岩的粒度变化, 顶部常过渡为泥质粉砂岩或粉砂质泥岩。层理变化直观反映了水动力条件的强弱交替, 在粗— 中砂岩常发育板状交错层理, 局部发育楔状交错层理、正粒序层理, 而细砂岩、泥质粉砂岩中则常发育脉状、透镜状、波状层理。正粒序型砂体是多期水流能量逐渐减弱和物质供应越来越少的反映, 单砂体由(水下)分流河道与天然堤或分流间湾垂向叠置形成, 砂体与上覆细粒沉积物之间为连续过渡型接触。多个正粒序单砂体垂向叠置时, 砂体之间为冲刷接触型接触, 保留一定厚度的细粒沉积物夹层(图 3)。由底至顶具有旋回规模变小、单砂体厚度减薄、细粒组分增加及岩屑含量增高的规律。

叠加型砂体(图 2-C)是指厚层的块状型砂体冲刷叠置在正粒序型砂体之上, 它由块状型砂体和正粒序型砂体2个基本单元组成, 下部的正粒序型砂体粒度向上变细, 顶部过渡为细砂岩、粉砂岩、泥岩薄层; 上部的块状型砂体岩性相对均质, 粒度变化不大, 顶部突变为泥岩。研究区叠加型结构砂体发育在三角洲前缘— 三角洲平原亚相的过渡带, 海水影响逐渐减弱, 河流提供的陆源碎屑供给量逐渐增强, 水动力条件由频繁的强弱交替逐渐变得强而稳定(图 3)。

3 成岩作用差异及成因

笔者在石英砂岩区块内采集82块砂岩样品, 磨制铸体薄片进行镜下鉴定, 并统计胶结物含量、粒间孔体积、溶蚀面孔率、总面孔率等参数。研究表明, 山23段石英砂岩主要经历了压实、胶结、交代— 蚀变、溶蚀作用, 3类砂体储集层在沉积期后的成岩改造存在差异, 主要表现在改造强弱和分布特征方面, 即各类成岩作用发育程度、产物类型及含量、孔隙类型及含量存在差异, 且具有不同的垂向变化规律和分布特征。

3.1 原始孔隙度分布

对41个样品进行粒度分析, 根据Beard等(1973)的经验公式恢复原始孔隙度:

Φo=20.91+22.9/So(1)So=P25/P75(2)

式中: Φ o为原始孔隙度, So为特拉斯克分选系数, P25和P75分别为概率累积曲线中颗粒含量为25%和75%时所对应的颗粒直径。

3类砂体的原始孔隙度与粒度的垂向变化具有较好的一致性(图 4), 块状型砂体的原始孔隙度相对均质, 介于32.6%~33.85%之间; 正粒序型砂体的原始孔隙度在垂向上随着粒度变细而逐渐减小, 介于28.54%~38.56%之间; 叠加型砂体的原始孔隙度介于27.99%~36.28%之间, 在下部的正粒序型砂体中呈现正韵律, 在上部的块状型砂体中差异较小。

图 4 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩原始孔隙度垂向分布Fig.4 Vertical distribution of original porosity of quartz standstone of the Member 23of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

砂岩的原始孔隙度主要取决于分选(Beard and Weyl, 1973), 研究表明, 粒径也是制约研究区石英砂岩原始孔隙度的关键因素。粗粒石英砂岩的分选性最好, 具有较高的结构成熟度, 原始孔隙度最大; 含砾粗粒石英砂岩虽然粒径较粗, 但多发育于冲刷面之上, 分选性比粗粒砂岩差, 原始孔隙度次之; 中粒石英砂岩的原始孔隙度最小, 分选性较差(图 5)。

图 5 鄂尔多斯盆地东部山23段不同粒径石英砂岩的原始孔隙度、分选系数分布Fig.5 Original porosity and sorting coefficient of quartz sandstones with different particle sizes of the Member 23 of Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

3.2 建设性成岩作用

石英砂岩主要发育残余粒间孔、次生溶孔、晶间孔3类孔隙, 溶蚀作用是主要的建设性成岩作用, 溶蚀增孔量可由次生溶孔的面孔率来表征(楚美娟等, 2013; 赖锦等, 2015), 次生溶孔面孔率越高, 溶蚀作用越强。研究表明, 3类砂体中次生溶孔面孔率的垂向分布与砂体结构类型具有较强的相关性(图 6): 块状型砂体溶蚀增孔量平均为2.76%, 局部高达7%; 正粒序砂体储集层的溶蚀程度较弱, 溶蚀增孔量介于0.2%~4%之间, 且具有自旋回底部至顶部降低的趋势; 叠加型砂体溶蚀增孔量垂向差异显著, 介于0.1%~4%之间, 上部的块状型砂体储集层溶蚀程度较高, 次生溶孔增孔量(0.5%~4%)较下部的正粒序砂体储集层(0.1%~3%)更为发育。

图 6 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩溶蚀增孔量垂向分布图Fig.6 Vertical distribution of dissolution increasing porosity of quartz standstone of the Member 23of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

铸体薄片鉴定结果显示, 该区砂岩中主要发育粒间溶孔、粒内溶孔和火山灰杂基溶孔3类次生溶孔, 不同粒度砂岩中发育的主要孔隙类型不同, 溶孔总面孔率随着粒度变粗而增大(图 7)。显微镜下可观察到粒度较粗处溶孔较为发育, 粒度较细处相对致密(图 8-a)。粗砂— 细砾岩以粒间溶孔为主, 中砂岩以粒内溶孔为主(图 7), 前者的连通性较好(图 8-b, 8-c)。此外, 火山灰的溶蚀程度具有较强的非均质性, 部分溶蚀时可形成大小不一的次生溶孔, 孔隙边缘残余未溶蚀的火山灰, 完全溶蚀形成的溶孔与残余粒间孔难以区分(图 8-d)。除火山灰类型的内在因素之外, 石英砂岩的粒度是引起火山灰溶蚀程度差异的主要外因, 在垂向连通性好的块状型砂体、分选好的粗砂岩中, 原始孔渗性好, 活动流体可以与沉积物充分接触并不断交替循环, 使火山灰物质充分的溶解, 形成良好的次生溶孔(包洪平等, 2007; 杨华等, 2007)。

图 7 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段不同粒径石英砂岩的孔隙类型及面孔率分布图Fig.7 Pore types and thin-section porosity of quartz sandstone with different particle sizes of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

图 8 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩的溶蚀作用现象Fig.8 Dissolution diagenesis of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

由上可知, 在粒度较粗的砂岩中, 次生溶孔更发育, 且由于粒间溶孔、火山灰溶孔更发育, 溶蚀作用对储集层孔隙度和孔隙连通性具有更大的贡献。这是由于在不稳定矿物溶蚀过程中, 溶蚀产物能部分或全部被传输带离溶蚀部位, 才能形成孔隙度的净增加(Giles and De Bore, 1990)。在深埋成岩阶段, 物质的传输依赖于扩散作用, 依据Fick定律, 传输的速度取决于浓度梯度及扩散系数, 而扩散系数与岩石的孔隙度呈正相关(Giles, 1987; Thyne, 2001; Bjø rlykke and Jahren, 2012)。粗粒石英砂岩有较高的原始孔隙度, 有机酸在运移过程中与不稳定碎屑反应, 溶蚀部位的溶蚀产物具有较高的浓度, 在较大的扩散系数下可以有效地输出溶蚀产物, 使溶蚀作用持续进行, 形成次生溶孔。随着粒度的变细, 原始孔隙度减小, 扩散作用减弱, 溶蚀产物难以及时输出, 在靠近溶蚀部位处沉淀, 溶蚀作用增孔效果微弱。因而, 沉积时期3类砂体的垂向粒度特征决定了砂岩原始孔隙度的垂向分布规律, 造成次生溶孔垂向发育特征的差异。

研究发现, 溶蚀作用对块状型砂体储集层的贡献大于正粒序型砂体储集层: 块状型砂体中次生溶孔占总面孔率比值平均达62.72%, 而正粒序型砂体中原生孔隙和晶间孔是主要的孔隙类型, 次生溶孔占总面孔率的比值平均为31.94%。通过对研究区不同结构砂体的溶蚀作用分析, 认为紧邻泥岩的砂层的孔渗性能会影响有机酸输入及运移, 进一步影响溶蚀作用对储集层物性的改造强度。泥岩中的流体是砂岩成岩反应的物质来源和基础(Barth and Bjø rlykke, 1993), 泥岩— 潜在储集层之间要具有流体流通运移的通道(裂隙、不整合面及原有的孔、渗通道)是Surdam等(1989)及Bartha 和 Bjø rlykke(1993)提出的次生溶孔形成和保存的5个最佳条件之一。研究区山23段(水下)分流河道砂体紧邻暗色分流间湾泥岩, 山2段致密储集层的形成时间(晚三叠世末— 晚侏罗世末)早于气藏形成时间(早白垩世)(刘新社等, 2007), 在致密储集层形成期间, 有机质处于未成熟— 低成熟阶段, 烃源岩没有或仅有少量气体生成, 流体以压实水流为主, 携带着有机质产生的大量腐殖酸(郑浚茂和应凤祥, 1997)从泥岩向邻近砂岩中运移。

正粒序型砂体与上覆泥岩邻近的砂层粒度较细, 孔隙水流动通道较少、细小且连通性差, 孔渗性能较差, 有机酸的输入受限。一方面, 细粒砂层的溶蚀作用消耗有机酸, 但物性的改善效果微弱; 另一方面, 溶蚀产物的近距离沉淀胶结使向下部输送的酸性流体有限, 造成粗粒砂层溶蚀作用的强度和规模受限。多个正粒序单砂体垂向叠置时, 单砂体顶部细粒砂层的发育使该效应尤为明显。块状型砂体顶部与泥岩突变接触, 紧邻泥岩的砂层粒度较粗, 孔隙水的流动通道较多、较粗且连通性较好, 孔渗性能较好, 有利于有机酸的输入。多期砂体的粗粒砂岩呈冲刷切割接触, 砂体的垂向连通性较好, 有机酸向下部运移通畅, 砂体中次生溶孔较为发育且垂向差异较小。

3.3 破坏性成岩作用

压实、胶结作用是导致研究区石英砂岩储集层孔隙度降低的主要破坏性成岩作用, 可根据Houseknecht(1987)计算公式求取压实减孔量和胶结减孔量:

Copl/%=(OP-IGV)×100%(3)　Cepl/%=(OP-Copl)×CEG/IGV×100%(4)

表 3 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段不同粒径石英砂岩的压实、胶结减孔量 Table3 Compaction and cementation reducing porosity of quartz sandstones with different particle sizes of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

式中: Copl为压实减孔量, OP为原始孔隙度, IGV为粒间体积, Cepl为胶结减孔量, CEG为粒间胶结物总量。

不同粒径的石英砂岩的压实、胶结减孔量(表 3)与3类砂体的压实、胶结减孔量垂向分布(图 10)均表明, 研究区山23段石英砂岩的胶结减孔量与粒度的相关性不明显, 而压实减孔量随着粒度变细呈现增加趋势, 含砾粗砂岩由于分选较差, 压实减孔量较高。寿建峰(2005)认为随着砂岩的粒径变细, 岩石自身的抗压性变差和塑性岩屑的趋于富集会导致砂岩的压实效应增强。砂岩中含有的塑性矿物在压实作用下发生的变形会造成孔隙度在较浅的深度范围便发生大幅度的衰减(Rittenhouse, 1971; Pittman and Larese, 1991), 而研究区石英砂岩含有的塑性矿物含量最高为2.5%, 具有贫塑性矿物的特征, 对压实作用的影响可以忽略不计。

块状型砂体的碎屑颗粒以线、线— 凹凸式接触为主, 局部为缝合线式接触(图 9-a), 压实减孔量介于18.45%~20.86%之间, 垂向变化不大, 粒度变细处压实减孔量增大(图 10-a); 正粒序型砂体的碎屑颗粒以点— 线、线接触为主(图 9-b), 线— 凹凸式接触较少, 压实减孔量介于13.84%~23.35%之间, 随着粒度的变细, 压实减孔量增大(图 10-b)。叠加型砂体压实减孔量介于16.41%~24.08%之间, 在下部的正粒序型砂体中, 压实程度由旋回底部至顶部增强, 表现为碎屑颗粒接触方式由点— 线、线接触发展为线— 凹凸式接触, 上覆块状型砂体的压实作用相对较强, 碎屑颗粒以线、线— 凹凸式接触为主(图 10-c)。

图 9 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩的压实作用现象Fig.9 Compaction diagenesis of quartz sandstone of the Member 23of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

图 10 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩压实、胶结减孔量垂向分布Fig.10 Vertical distribution of compaction and cementation reducing porosity of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

碎屑颗粒接触类型、压实作用减孔量均表明块状型砂体的压实作用强度整体大于正粒序型砂体, 研究认为是不同结构类型砂体酸性流体的溶蚀作用强弱对砂岩抗压能力影响大小不同导致了压实作用强度的差异。煤系致密砂岩储集层具有其特殊性, 早成岩期煤系地层丰富的酸性流体对砂岩碎屑产生的溶蚀作用会降低砂岩的抗压性(寿建峰等, 2006)。块状型砂体的粒度较粗, 但由于酸性流体的输入较强, 溶蚀作用较强, 对岩石抗压性的影响较大; 正粒序型砂体下部的粗粒砂岩由于酸性流体输入有限, 溶蚀作用对岩石抗压性的影响较小, 压实作用强度弱于块状型砂体。

3类砂体储集层不同的成岩孔隙演化规律决定了现今储集层物性的优劣分布(图 11): 块状型砂体储集层原生孔隙、次生孔隙共同发育, 孔隙度较大且垂向变化较小, 次生溶孔对储集层渗透率影响较大, 具有含气层厚度大, 局部致密的特征; 正粒序型砂体的储集空间类型以原生孔隙为主, 次生孔隙少量发育, 原生粒间孔对渗透率的影响较大, 孔隙度随着粒度变细而减小, 具有中、下部物性较好, 为含气层, 上部相对致密的特征; 多个正粒序单砂体垂向叠置时, 含气层多处发育且厚度较小, 含气层之间被致密层分隔, 连通性较差; 叠加型砂体储集层兼有正粒序型和块状型砂体的特征, 多层含气且厚度大。

图 11 鄂尔多斯盆地东部二叠系山23段石英砂岩储集层物性及含气层分布图Fig.11 Distribution of physical property and gas-bearing layers of reservoir of quartz sandstone of the Member 23 of Permian Shanxi Formation in eastern Ordos Basin

4 结论

1)以单砂体垂向粒度韵律和自然伽马曲线形态为依据, 将鄂尔多斯东部二叠系山西组23段石英砂岩的砂体结构划分为块状型、正粒序型、叠加型3种类型, 3类砂体结构是沉积微相及其组合的重要响应: 块状型砂体为多期(水下)分流河道砂体冲刷叠置而形成; 正粒序型砂体由(水下)分流河道与天然堤或分流间湾垂向叠置形成; 叠加型砂体储集层形成于三角洲前缘— 平原亚相的过渡带, 河流控制作用逐渐增强。

2)3类砂体的成岩作用研究表明, 石英砂岩的粒度是储集层原始孔渗性能、岩石抗压性的直接控制因素, 进而影响成岩期活动流体与碎屑的作用强度及成岩产物的输排程度; 粒度的垂向分布规律影响酸性流体输入及垂向运移能力, 且早成岩期的酸性流体削弱煤系致密砂岩岩石抗压性, 以上因素共同作用, 最终造成3类砂体在溶蚀作用、压实作用的改造强弱和分布特征方面存在较大差异。

3)不同结构类型砂体储集层后期成岩作用改造的强度和规模, 进一步影响储集空间类型、含量及分布, 决定了现今储集层物性的优劣分布, 进而影响含气层和致密层的垂向分布规律。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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