中国石油勘探开发研究院、中国石油天然气集团有限公司天然气成藏与开发重点实验室：鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层微观特征及形成机理

转自：中国石油勘探

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地包括吕梁山以西、桌子山—贺兰山—六盘山以东、阴山以南至秦岭北麓的广大地区，横跨陕、甘、宁、蒙、晋5 省区，盆地整体上呈现周边隆起、内部东高西低的区域性斜坡特征，可进一步划分为伊盟隆起、伊陕斜坡、天环坳陷、渭北隆起、晋西挠褶带和西缘冲断构造带6个二级构造单元（图1），面积为25×104km2，是中国第二大沉积盆地。该盆地自晚石炭世本溪期至晚二叠世石千峰期经历了海相潟湖—潮坪沉积体系到陆相河流—三角洲沉积体系的演变，发育多套储集砂体，其中二叠系下石盒子组盒8 段是盆地内部致密砂岩气勘探的主力层系。

受多物源、平缓古地貌、高载荷水流和强进积作用等多因素控制，鄂尔多斯盆地盒8 段呈现出近南北向展布、多条网状或交织状分流河道沉积特征，浅水辫状分流河道沉积占绝对优势，导致盒8 段砂体呈现全盆地广覆式大面积分布的特征，具体表现为纵向上具有多期叠置、平面上从北向南为条带状—毯式大面积分布的特点，砂体厚10～40m，宽度为10～30km，延伸距离达200km 以上。盒8 段砂体岩性为浅灰色含砾粗砂岩、灰白色中—粗砂岩、细—粉砂岩及灰绿色细—粉砂岩，砂岩整体呈现北粗南细，发育大型交错层理、楔状层理、板状交错层理和平行层理等沉积构造，盒8 段砂体整体呈现储层致密、气层厚度薄的特征。

2 致密砂岩气储层岩石学特征

根据鄂尔多斯盆地钻井岩心观察及对513 口不同类型钻井1012 块砂岩铸体薄片的镜下观察与定量统计，分析认为鄂尔多斯盆地盒8 段致密砂岩以石英砂岩、岩屑石英砂岩为主，其次是岩屑砂岩，极少量为长石石英砂岩与长石岩屑砂岩。据图像粒度分析，盒8 段致密砂岩粒径多在0.25～1mm，岩石学特征总体上表现为中—粗粒（图2）。致密砂岩碎屑颗粒磨圆度主要为棱角状、次棱角状，其次为次圆状，呈颗粒支撑，分选中等；受压实作用控制，颗粒间以点—线接触为主（图3a），少量砂岩碎屑颗粒呈凹凸—缝合接触（图3b），岩屑压扁变形、假杂基化、泥铁化现象非常普遍，塑性颗粒（黑云母、泥岩岩屑、千枚岩岩屑和少量火山岩岩屑等）发生定向排列、塑性变形甚至扭曲（图3c）；碎屑颗粒成分主要以石英类（包括单晶石英、多晶石英、燧石）和岩屑为主，石英类矿物含量为19.7％～99.4％（平均83.6％），岩屑含量为0.6％～80.3％（平均15.7％），长石含量极少，盆地北部主要为碱性长石，多数已完全高岭石化，南部见斜长石；填隙物含量在10%～20%之间，种类多样，包括伊利石（图4a）、绿泥石（图4b）、蚀变凝灰质、蚀变高岭石等黏土矿物（图4c），受到多期次、多类型胶结作用形成的方解石、铁方解石、少量铁白云石、菱铁矿等碳酸盐矿物（图4d），以及石英次生加大边（图4e）、充填于粒间或溶孔内的自形石英（图4f）等硅质胶结物。通过成岩作用分析，认为上述填隙物主要受到压溶作用、硅质胶结作用、碳酸盐胶结作用、黏土矿物胶结作用、碎屑黏土化作用和凝灰质蚀变作用等控制，并且前述黏土矿物和方解石、白云石等碳酸盐胶结物主要形成于早成岩阶段B 期—晚成岩阶段，而硅质胶结物的大量形成主要发生在晚成岩阶段，菱铁矿主要形成于早成岩阶段A 期。

3 致密砂岩气储层微观孔喉特征与物性关系

3.1 孔隙类型及特征

通过对鄂尔多斯盆地盒8 段致密砂岩铸体薄片的观察统计认为，残余粒间孔隙、溶蚀孔隙、微纳米孔隙及裂缝构成了致密砂岩气储层的主要储集空间。

残余粒间孔隙主要表现为两种形式：①被次生石英加大、微晶石英集合体或早期成岩阶段形成的微晶方解石胶结物充填之后剩余的原生粒间孔隙，形态规则，多呈三角形、四边形及长条形，孔隙的大小和分布较均匀，孔径一般大于50μm（图5a）；②碎屑颗粒被绿泥石、伊利石薄膜或衬边所包裹后的剩余原生粒间孔隙，该类孔隙形态多不规则，孔径变化大（图5b、c）。

溶蚀孔隙主要体现为粒间溶孔、粒内溶孔及铸模孔等（图5d—f），孔隙形态不规则，孔隙可大于骨架颗粒；孔隙大小极不均匀，孔径从4.4μm 到2000μm不等。

微纳米孔隙（孔径小于5μm）占到了致密砂岩气储层中90% 以上的孔隙，主要包括碎屑颗粒微纳米级溶孔、晶间孔和填隙物内孔。在扫描电镜下，碎屑颗粒微纳米级溶孔与晶间孔的孔径一般为1～2μm，多为孤立的微纳米孔隙，孔间连通性较差（图5g），但这类孔隙数量可观，占据绝对优势；填隙物内孔主要为高岭石、伊利石等黏土矿物晶间孔，铸体薄片下能够鉴别的主要为结晶程度较好的高岭石晶间孔（图5h），扫描电镜下单晶体常为不规则片状，集合体呈杂乱堆积，成分复杂，常混有蒙皂石、伊利石和伊/ 蒙间层矿物等。

盒8段致密砂岩中裂缝主要包括构造缝、微米级裂缝和收缩缝等（图5i），这些裂缝在野外剖面、岩心和镜下都有不同的显示，虽然裂缝提供的储集空间很少，但裂缝发育可以改善储层的渗流条件，为气藏提供良好的运移通道。

3.2 喉道类型及特征

依据铸体薄片和扫描电镜的鉴定，可将鄂尔多斯盆地盒8 段致密砂岩气储层的喉道划分为缩颈型喉道、弯曲片状喉道及管束状喉道等，以弯曲片状喉道和管束状喉道为主。

缩颈型喉道为颗粒间可变断面的收缩部分（图6a）。当颗粒被压实时，虽然保留下来的孔隙较大，但颗粒间的喉道却变窄，导致储层孔隙度较高，渗透率较低，属于大孔、细喉型。

弯曲片状喉道呈片状或弯曲状，为颗粒之间的长条状通道（图6b）。当砂岩压实程度较强且晶体再生长时，喉道实际是晶体之间的晶间隙，其张开度较小，一般小于1μm，个别几十微米。当沿颗粒间发生溶蚀作用时，可形成较宽的片状或宽片状喉道。

对于管束状喉道而言，其主要形成于杂基及胶结物含量较高的砂岩中，原生粒间孔隙可被完全堵塞，杂基及各种胶结物中的微孔隙（小于5μm 的孔隙）本身既是孔隙又是喉道，这些微孔隙像一支支微毛细管交叉地分布在杂基和胶结物中，组成管束状喉道（图6c）。

3.3 孔隙与喉道大小

在铸体薄片鉴定的基础上，采用高压压汞、场发射扫描电镜、CT扫描和恒速压汞等技术对鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层的孔喉大小进行分析。

依据93口井高压压汞资料的统计结果， 致密砂岩气储层孔喉特征总体上表现为喉道细，中值喉道半径介于0.001～1.27μm， 排驱压力介于0.27～2.05MPa，中值压力介于6.37～44.53MPa；分选系数整体较好，介于0.02～5.69，变异系数介于0.07～2.10；连通性整体好—中等，最大进汞饱和度分布于53.36%～90.90%。

通过场发射扫描电镜鉴定，盒8段致密砂岩气储层的孔隙半径分布范围大，介于0.1～10μm，并且以1～3μm 最为发育（图7），微米—纳米级孔隙组合为有效储集空间。同时，应用微米级CT对致密砂岩进行扫描，将致密砂岩气储层的孔隙进行了三维重构，并经定量精细分析认为孔隙半径集中分布于0.1～0.6μm，小于0.6μm 的孔隙占总孔隙的85%左右（图8）。

应用恒速压汞技术对盒8 段致密砂岩进行测试，从喉道半径分布曲线图（图9）可以看出，盒8段致密砂岩气储层样品喉道半径分布范围较大，以0.5～2μm 为主。

3.4 孔喉分布与物性关系

从鄂尔多斯盆地储层平均孔喉半径与物性的相关关系（图10）可知，平均孔喉半径与渗透率的相关性均好于其与孔隙度的相关性，而且平均喉道半径与渗透率的相关性最好，说明盒8 段致密砂岩的渗透率对喉道变化最为敏感。随着渗透率的增大，平均孔隙半径的变化幅度微弱，而平均喉道半径却明显增大，可见对于不同渗透率级别的样品，其孔隙半径差异甚微，而这一差异主要体现在喉道的变化上。因此，不同渗透率级别的样品，孔喉特征差异主要体现在喉道大小及分布上，喉道控制着储层品质，决定了盒8 段致密砂岩气储层流体的渗流能力。