2022, Vol. 34
2. 陕西延长石油集团油气勘探公司采气一厂, 陕西 延安 716005
,
XIE Xiaofei1,
CAO Hongxia1,
MA Qiang1,
DU Yonghui1,
ZHANG Qiong2,
DENG Changsheng1,
SONG Jiaxuan1
2. No. 1 Gas Production Plant, Shaanxi Yanchang Oil and Gas Exploration Company, Yan' an 716005, Shaanxi, China
致密气是目前全球非常规油气勘探开发的热点，也是我国非常规天然气产量的主体。鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩气资源量为14.4×1012 m3，约占全国致密气资源量的59%，是我国致密气的重要产区[1]。在鄂尔多斯盆地已发现多个储量超千亿方的致密砂岩大气田，如苏里格、米脂、子洲、大牛地及延安等[2]。这些气田大部分集中在盆地北部，以往的研究认为盆地南部上古生界物源规模小、构造复杂、煤层厚度小和地层埋深大等，从而形成了鄂尔多斯盆地“南油北气”的传统认识[3]。近年来，随着对盆地东南部勘探开发的深入，该区天然气勘探取得重大突破，截至2021年底，探明地质储量约为6 013×108 m3，证明鄂尔多斯盆地东南部天然气开发前景广阔。
鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段储集层属于典型的致密砂岩储层[4-5]，具有孔喉尺度小、非均质性强和孔喉结构复杂等特征，制约了气田开发的效果。为了厘清鄂尔多斯盆地东南部上古生界天然气运移富集规律，寻找相对高渗区域成为该区致密气勘探开发的重点和难点。近年来，中国有关学者针对致密砂岩储层特征开展了相关研究工作，杨华等[6]、赵靖舟等[7]、姚泾利等[8]对致密储层成因进行了大量研究，认为储层致密化过程受沉积环境、成岩作用和构造运动等因素的综合控制，其中成岩作用控制储层物性演化，是决定储层性能优劣的重要因素。王猛等[9]、王维斌等[10]认为随着埋深增大，压实作用逐渐增强，对储层物性破坏加剧，储层的储集性能逐渐降低。肖晖等[11]、张玉晔等[12]认为致密砂岩储层的差异性成岩作用是导致储层物性和微观孔隙结构差异的根本原因。还有部分学者讨论了鄂尔多斯盆地东南部上古生界砂岩储层致密化的原因，王香增等[13]研究发现压实作用和胶结作用是山西组山2段储集层致密化的主要原因。陈灼华等[14]认为上古生界储集层致密、物性变差的主要成因是压实作用，碳酸盐矿物和硅质矿物可进一步降低储集层孔隙度。肖子亢等[15]认为成岩作用、沉积环境和物源等因素共同控制着致密砂岩储层的发育。尚婷等[16]发现伊利石、高岭石等黏土矿物充填胶结作用是影响山西组储集层渗透率的关键因素。以上研究成果或涉及层位单一，或从定性向定量分析转变不够深入，总体缺少对鄂尔多斯盆地东南部二叠系储层成岩作用、孔喉微观特征及物性控制因素的深入分析。
针对鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储层，通过铸体薄片，扫描电镜、岩心分析测试等资料，对储集层微观孔喉结构进行直观、定性地描述，同时利用恒速压汞测试资料对储集层微观孔隙结构特征进行定量评价，并进一步探讨沉积作用与成岩作用对储集层致密化的影响，以期为该区块上古生界致密砂岩储集层“甜点区”优选及合理开发方式的选择提供地质依据。
1 地质概况鄂尔多斯盆地位于华北克拉通台地西缘，面积约2.5×105 km2，是中新生代和元古代—古生代的多元复合型沉积盆地。研究区位于鄂尔多斯盆地东南部，按照中生代构造特征划分，该区主体位于伊陕斜坡区（图 1）。
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下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地东南部区域构造位置（a）及延长探区上古生界天然气成藏组合（b） Fig. 1 Structural location of southeastern Ordos Basin(a)and gas accumulation assemblages of Upper Paleozoic in Yanchang exploration area(b) |
早二叠世末，受海西运动的影响，在北方西伯利亚板块向南“推土机”机制的作用下[17]，兴蒙海槽发生向南的俯冲、消减[18]，华北地台北缘进一步抬升，南北差异升降显著，盆地沉降中心位于吴起、富县、宜川一带，海水向东南方向逐渐退缩。在区域性海退陆表海沉积背景下，河流、浅水三角洲大范围向盆地内部迁移，自北向南发育冲积扇、河流、浅水三角洲及障壁岛等沉积体[19]。山西组沉积时期研究区气候湿润，主要以浅水三角洲前缘亚相沉积为主，丰富的水下分流河道、河口砂坝、席状砂等沉积砂体是研究区山2段—山1段的主要储集层。
中二叠世早期，随着北部兴蒙海槽的逐渐关闭，北部构造活动进一步加剧，致使盆地内南北差异升降强烈，海域退缩于华北地台的东南缘地区，鄂尔多斯盆地海水全部退出，完全演变为内陆湖盆沉积环境，盆内形成了一套粒度相对较大的陆源碎屑岩建造[20]。下石盒子沉积期，盆内已转变为半干旱—干旱气候条件，该时期研究区盒8段发育辫状河三角洲前缘亚相沉积体系，水下分流河道单砂体厚度较大，连片展布性强，成为本区的主要储层之一。
2 致密砂岩储层特征 2.1 岩石学特征鄂尔多斯盆地东南部山2段、山1段、盒8段砂岩主要以石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩为主，不同层段砂岩类型相似（图 2）。碎屑颗粒主要为石英，其次为岩屑，少量长石。受北部物源影响[21-23]，研究区岩屑和石英的含量在各层段相差不大，其中岩屑在山2段、山1段、盒8段的相对体积分数平均值分别为18.1%，4.7% 和5.7%，呈递增趋势，而石英的相对体积分数逐渐减小，平均值分别为80.4%，72.9% 和72.6%。
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下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地东南部二叠系储集层砂岩分类 Ⅰ.石英砂岩；Ⅱ.长石石英砂岩；Ⅲ.岩屑石英砂岩；Ⅳ.长石砂岩；Ⅴ.岩屑长石砂岩；Ⅵ.长石岩屑砂岩；Ⅶ.岩屑砂岩。 Fig. 2 Classification of Permian reservoir sandstone in southeastern Ordos Basin |
各层段石英以单晶石英为主，多具变质母岩特征的波状消光；岩屑成分以片岩、千枚岩、板岩等变质岩为主，其体积占到总岩屑的38% 左右，其次为沉积岩岩屑，体积占总岩屑的25%~30%，岩浆岩岩屑和钙化岩屑的体积分数分别约为14%和12%，高岭石化碎屑和重矿物含量较低。研究区山2段、山1段、盒8段处在三角洲前缘亚相环境，水动力较强，不稳定的岩屑成分不断被分解和溶蚀形成次生孔隙，从而有助于提高储层的储集性能。山2段、山1段、盒8段砂岩储集层填隙物平均体积分数为11.87%~12.81%，各层段差异较小，主要为黏土矿物、硅质、碳酸盐胶结及极少量凝灰质（表 1），其中伊利石和硅质含量相对较高，高岭石、绿泥石及铁方解石含量次之。
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下载CSV 表 1 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8砂岩储集层填隙物成分表（体积分数为均值） Table 1 Interstitial composition of sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
研究区山2—盒8段致密砂岩储集层孔隙类型主要可划分为4类：①残余粒间孔主要指经压实作用、胶结作用后，在颗粒、杂基及胶结物之间的孔隙。该类孔隙一般呈不规则三角形或多边形，与其连通的喉道以弯片状和片状为主，孔径大，是储层的主要储集空间（图 3a，3b）。②（颗粒、胶结物）溶孔主要由粒间扩大溶孔、粒内溶孔组成，孔隙形态不规则，多呈港湾状，喉道多呈弯片状或管束状。常与长石、岩屑溶孔等伴生，并被细小的溶蚀缝连通，孔隙大小不均匀（图 3c—3e）。③黏土矿物晶间孔。该类孔隙在研究区目的层段砂岩中普遍发育，主要分布在粒间残余孔和长石、岩屑次生溶孔中。大量自生黏土矿物充填在孔喉中，如玫瑰花瓣状绿泥石、丝絮状伊利石和手风琴状高岭石等，晶间微孔发育在黏土矿物之间（图 3f，3g）。④微裂缝。在薄片和扫描电镜下观察，研究区微裂缝不是很发育，但不多的微裂缝为流体的运移提供了通道，为次生溶蚀孔隙的发育创造了潜在营力（图 3h，3i）。
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下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储集层微观孔隙、喉道类型 （a）残余粒间孔及片状、弯片状喉道，Y330井，2 468.26 m，盒8段，铸体薄片；（b）残余粒间孔，SH32井，2 292.08 m，山2段，扫描电镜；（c）粒间溶蚀孔，C93井，2 279.45 m，山1段，铸体薄片；（d）岩屑粒内溶蚀孔发育，Y330井，2 470.63 m，盒8段，铸体薄片；（e）石英颗粒粒内溶孔，Y118井，2 637.81 m，山1段，扫描电镜；（f）高岭石晶间孔，Y365井，2 977.75 m，山2段，扫描电镜；（g）伊利石晶间孔，Y118，2 592.3 m，盒8段，扫描电镜；（h）微裂缝，C92井，2 281.90 m，山1段，铸体薄片；（i）微裂缝，Y511，3 122.58 m，盒8段，扫描电镜。 Fig. 3 Microscopic pore and throat types of tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
砂岩的储集空间是由多种类型的孔隙及喉道连接所组成的复杂多变的孔喉系统[24]，是储层微观物理研究的核心内容。恒速压汞和高压压汞是目前获取孔喉参数的主要手段，2种技术的区别在于前者能够更为直观且定量地分析孔隙半径、喉道半径及孔喉半径比的分布特征等[25]。
在大量物性、铸体薄片、扫描电镜等常规测试结果的基础上，本次研究采用ASPE-730型恒速压汞测试装置（实验温度为25 ℃，汞接触角为140°，表面张力为480 mN/m），选取了鄂尔多斯盆地东南部山2—盒8段致密砂岩储层样品21块进行恒速压汞分析。测得样品的孔隙度为4.52%~10.64%，平均值为7.12%；渗透率为0.022~4.720 mD，平均值为0.832 mD，属于典型的致密砂岩储集层，但整体上样品的孔隙度差异小，而渗透率存在数量级的差异。
2.3.1 孔喉半径分布特征恒速压汞测试结果表明，研究区山2—盒8段致密砂岩不同渗透率级别的样品，具有相似形态的孔隙半径分布曲线（图 4a），均呈正态分布；相似的集中区间，主要分布在80~300 μm，且峰值接近，主峰值均为150 μm左右。孔隙半径平均值为140~ 205 μm。这说明对于低孔低渗的致密砂岩而言，不同渗透率级别的样品，孔隙大小并非引起储集层物性差异的主要因素。不同渗透率级别样品的喉道半径分布曲线（图 4b）与孔隙半径分布曲线差异明显，随着样品渗透率的增大，喉道半径分布范围变宽、频率降低，呈多峰态，同时大喉道占比升高，说明岩心的渗透率受喉道影响较大，总体表现为喉道半径越大，岩心渗透率越高。
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下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层不同渗透率（K）样品的孔隙半径（a）与喉道半径（b）的分布特征 Fig. 4 Distribution characteristics of pore radius(a)and throat radius(b)of samples with different permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
进一步对测试样品渗透率与喉道参数的相关性进行研究，可见平均喉道半径、主流喉道半径与渗透率之间具有明显的正相关性（相关系数均大于0.9），渗透率的升高与平均喉道半径、主流喉道半径的增大息息相关（图 5）。对比可见，平均喉道半径与渗透率之间的相关性相较于主流喉道半径与渗透率之间的相关性差，说明样品渗透率受主流喉道半径的影响更大。
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下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层喉道参数与渗透率的相关性 Fig. 5 Correlation between throat parameters and permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
研究区山2—盒8段致密砂岩不同渗透率级别样品的喉道对渗透率的贡献存在明显差异，分析试验结果（图 6）显示：渗透率级别较低的样品F-H-20，F-S-6和F-S-9，累计频率超过90% 时，喉道半径均趋于1.2 μm，说明样品的渗透率主要受控于半径小于1.2 μm的喉道，并且喉道对渗透率的贡献率分布比较集中，贡献率峰值较小。随着渗透率级别的提高（样品F-S-11和M-S-41），喉道半径的分布区间变宽，主要为0.5~12.0 μm，样品渗透率主要受半径小于8.0 μm的喉道所控制，大喉道增多，小喉道对渗透率的贡献减小，大喉道对渗透率的贡献明显增大。相对渗透率级别更高的样品M-S-8，喉道半径分布区间更宽，半径大于6.0 μm的喉道约占18%，贡献率峰值对应的喉道半径达12.5 μm，说明渗透率贡献主要来自数量相对较少的大喉道，低渗透致密砂岩物性（尤其是渗透率）差的根本原因在于小喉道所占的比例较大。
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下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层不同渗透率（K）样品的与喉道半径相关的参数 Fig. 6 Parameters of throat radius of samples with different permeability of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
孔喉半径比即为孔隙半径与喉道半径的比值，也称孔喉比，该值是衡量孔隙、喉道差异的重要指标[26]。对于孔喉结构复杂的低渗致密砂岩储层，孔喉比值能较好地反映储层的渗流能力。根据研究区山2—盒8段储集层不同渗透率条件下的孔喉比频率分布曲线（图 7）分析可知，随着渗透率级别升高，孔喉比不断减小，且主要分布范围逐渐向低值区移动。其中渗透率小于0.1 mD的样品孔喉比频率波动较大，均出现了多个峰值频率点，孔喉比主要为100~340；渗透率为0.1~1.0 mD的样品，孔喉比均小于350，呈单峰态，且在孔喉比75左右出现了峰值频率；渗透率大于1.0 mD的样品，孔喉比大多小于250，孔喉比为40时出现了峰值频率28.35%，分布范围向低值区移动明显。
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下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层孔喉半径比的频率分布曲线 Fig. 7 Frequency distribution curves of pore-throat radius ratio of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
从平均孔喉比与物性的相关性可以看出，研究区样品的平均孔喉比与孔隙度呈正相关关系，相关系数为0.657，随着孔隙度的增大，孔喉比平均值增大，则孔喉差异更大（图 8a）。平均孔喉比与渗透率之间的相关性非常强（相关系数为0.923），渗透率小于1.0 mD时，平均孔喉比值下降较快（曲线斜率较大）（图 8b），低渗透砂岩储层敏感的根本原因在于喉道特征的变化。不同渗透率级别的样品，平均孔喉比分布范围存在分异性，而对应的孔隙度则分异性不明显。渗透率小于0.1 mD的样品，孔喉比平均值为190~240；渗透率为0.1~1.0 mD的样品，孔喉比平均值为120~140。综合上述分析可见，相同渗透率级别的样品，孔喉比分布范围具有相似性，且对应的峰值频率相近；随着渗透率级别的增大，孔喉比向低值区移动，平均孔喉比减小，即孔喉差异性缩小，流体在岩石孔喉系统中流动时遇到的阻力相对变小，有利于流体的渗流，从而降低了油气开采的难度。
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下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层平均孔喉比与孔隙度（a）及渗透率（b）的相关性 Fig. 8 Correlation between average pore-throat ratio and porosity(a)and permeability(b)of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
恒速压汞测试不仅能测得总的毛管压力，而且通过检测汞注入过程中压力的升降，可将岩石内部的孔隙和喉道区分开，能够分别得到孔隙、喉道的进汞压力。通过测试结果可以直观、定量地分析储集层样品的有效喉道体积及其控制的有效孔隙体积的分布特征。
根据研究区山2—盒8段致密砂岩储集层不同渗透率样品恒速压汞毛细管压力曲线（图 9）分析可见：渗透率低的样品，孔隙进汞量少甚至为零，而总进汞饱和度和喉道进汞饱和度相等（F-H-20和F-S-6），并且进汞压力阀值高，喉道毛管压力曲线与总毛管压力曲线近乎全程重合，即总毛管压力曲线主要受喉道毛管压力曲线影响和控制，说明渗透率低的储层主要发育微细喉道，大喉道及孔隙相对不发育。渗透率相对高的样品（F-S-11，M-S-41和M-S-8），孔隙、喉道、总体3条毛管压力曲线不存在叠合现象，说明该渗透率条件下喉道对总孔喉系统的影响较弱，而孔隙对总孔喉系统的影响和控制作用较强，即孔隙占有效储集空间的比例增大。
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下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段不同渗透率（K）样品的恒速压汞毛管压力曲线 注：实线为总毛管压力曲线；虚线为孔隙毛管圧力曲线；点划线为喉道毛管压力曲线。 Fig. 9 Constant-rate mercury intrusion capillary pressure curves of samples with different permeability of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
对渗透率相对较高样品（F-S-11和M-S-8）的恒速压汞毛管压力曲线（图 10）分析可知，随着进汞压力的增加，曲线形态可划分为3个阶段：第Ⅰ阶段，当毛管压力超过排驱压力时，汞首先进入半径相对较大的喉道及与其连通的孔隙内，并且喉道和孔隙进汞量的多少取决于喉道和孔隙有效储集空间的大小，不存在孔隙进汞量一定大于喉道进汞量的关系（M-S-8），此时总毛管压力曲线和其他2条毛管圧力曲线不存在重合关系。由此说明，进汞压力较低时，流体先充填半径大的相对较粗的喉道及与其连通的孔隙，该阶段相对较粗的喉道在流体运移中起主要作用。第Ⅱ阶段，随着进汞压力的持续增大，孔隙和喉道的进汞量都在不断增加，此时孔隙毛管压力曲线开始上翘，随着进汞压力的增大，孔隙进汞量增加缓慢，说明汞主要充注于相对较细喉道的有效储集空间。第Ⅲ阶段，随着孔隙被进汞充注满以后，继续增大进汞压力，汞开始进入微细喉道，此时只剩下喉道毛管压力曲线控制着总毛管圧力曲线继续增长，说明进汞压力较高时，微细喉道是流体储集的主要空间。
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下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段渗透率大于0.1 mD典型样品的毛管压力曲线对比 Fig. 10 Comparison of capillary pressure curves of typical samples with permeability greater than 0.1 mD of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
对比样品F-S-11和M-S-8的毛管压力等信息（表 2）可知：样品F-S-11的进汞饱和度比样品M-S-8高，显示为第Ⅰ阶段孔隙毛管压力曲线段较长，说明样品的孔隙有效储集空间较大，而样品F-S-11在第Ⅱ和Ⅲ阶段喉道进汞量快速增加，反映相对小的喉道较发育；样品M-S-8的喉道毛管压力曲线在第Ⅲ阶段上翘加快，说明相对应的微细喉道不发育，总进汞饱和度主要来自第Ⅰ和Ⅱ阶段的孔隙、喉道贡献，这说明进汞饱和度受控于储集层的有效储集空间，与渗透率的高低没有关系，但较大喉道的发育是储集层渗透率较高的主要影响因素。
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下载CSV 表 2 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储集层典型样品恒速压汞测试参数 Table 2 Constant-rate mercury intrusion parameters of typical samples of tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
致密砂岩储集层微观孔喉结构是在沉积作用的基础上，经过漫长且复杂的成岩作用形成的[27]。因此沉积作用决定了致密砂岩储集层形成的物质基础，而成岩作用控制了致密砂岩储集层的演化过程[28]。
3.1 沉积作用沉积作用对孔隙结构非均质性的影响表现在矿物成分、粒度变化等方面，是影响储层孔隙结构特征的决定性地质因素[29]。诸多资料显示[26-32]：鄂尔多斯盆地南部山2段—盒8段沉积期处于浅水三角洲—海相沉积体系，沉积物的供应稳定，物源来自北、南2个方向，交汇区在吴起—甘泉—宜川一线[23]。
鄂尔多斯盆地东南部山2—盒8段储集层沉积期，物源主要来自北边阴山，为一套远物源的曲流河三角洲前缘向辫状河三角洲前缘转变的沉积体系（图 11），主要发育强牵引流水下分流河道中的中—细砂岩和递变悬浮成因的细—粉砂岩。孔隙结构的非均质性首先受沉积微相的物质条件控制，通过对研究区砂体厚度、粒度、物性、矿物组分等特征分析，认为三角洲前缘水下分流河道砂体的储层物性最好，因为其处在高能相带，强水动力使得淘洗作用强烈，形成的砂体具有粒度相对较大（平均粒径为0.31 mm），磨圆分选较好，杂基含量较低、原生粒间孔隙发育等特点。研究区孔隙度主要为4%~ 10%，渗透率主要为0.02~1.00 mD，亦显示属于致密砂岩储集层。远沙坝、三角洲前缘席状砂沉积微相控制的砂体更靠近湖盆深水区，水动力较弱，淘洗作用较差，形成的砂体具有分选性更差、杂基含量相对更高，砂岩粒度更小，原生粒间孔隙发育差等特点，导致储层物性较水下分流河道砂体的物性差。
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下载原图 图 11 鄂尔多斯盆地南部二叠系山2、山1及盒8段沉积模式 Fig. 11 Sedimentary model of Permian Shan 2, Shan 1 and He 8 members in southern Ordos Basin |
研究区山2—盒8段自下而上随着沉积体系的转变，物源供应量增大，沉积速率加大，水下分流河道砂体淘洗作用变弱，形成的砂岩储集层中岩屑含量逐渐增加，而石英等刚性颗粒含量相对减少、杂基含量相对升高、分选和磨圆变差，物性逐渐变差。石英颗粒含量减少，岩屑颗粒增加且多为塑性岩石组分（如云母、千枚岩、板岩等岩屑），且极易变形和破碎，在后期成岩过程中易被压扁、伸长等，影响了颗粒骨架的支撑结构。储集层中杂基含量升高对原生粒间孔隙有一定的填充作用，降低了半径较大孔喉的占比，因此储层总体孔喉连通性变差，微观孔隙结构复杂化。
3.2 成岩作用沉积作用决定了孔隙结构的原始面貌，而沉积物经历的压实、压溶、胶结等破坏性成岩作用是储集层致密化的重要影响因素[29, 33]，沉积作用使得孔喉变细、微观结构复杂化、连通性变差。研究区山2—盒8段致密砂岩成岩序列主要为：早期压实→早期少量胶结→压溶作用→Ⅰ期硅质胶结→Ⅰ期（长石、岩屑和早期方解石）溶蚀→Ⅱ期硅质胶结→高岭石胶结→Ⅱ期溶蚀→片状伊利石→晚期方解石胶结、交代→晚期绿泥石→丝状伊利石→铁白云石、铁方解石胶结、交代。现今目的层段砂岩成岩阶段处于中成岩B期（图 12）。
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下载原图 图 12 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段地层埋藏史及孔隙演化史 Fig. 12 Burial history and pore evolution history of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
压实作用是导致储集层孔隙减少的最主要的成岩作用。依据埋藏史和构造演化史分析，自早二叠世山西组沉积时期一直到中侏罗世安定组沉积时期，鄂尔多斯盆地整体处于持续沉降状态；晚侏罗世芬芳河组沉积时期受燕山运动的影响，地层发生了短暂抬升，之后再次进入稳定沉降期，且持续至早白垩世末，鄂尔多斯盆地上古生界达到了地质历史时期最大埋深4.5~5.0 km；接着盆地转化为全面抬升阶段并持续至今。总体上，研究区上古生界在地质历史时期长期处于沉降状态，虽然后期发生地层抬升，但其埋深依然超过2.2 km。
学者们对机械压实与埋藏深度之间的关系做了大量研究[34-35]，分析认为埋深小于2.0 km时，压实作用对砂岩孔隙的影响最大，储集层减孔效应最强烈。研究区山2—盒8段在地质历史时期埋深大，机械压实作用强烈，大量碎屑颗粒发生挤压错位，再分配，造成粒间孔隙大量损失。随着上覆压力的增大及压实作用持续增强，地层压力超过颗粒抗压强度，石英、长石等刚性颗粒局部或整体破裂，形成裂纹。持续的压实作用进一步转变为压溶作用时，碎屑颗粒逐渐由点接触演变为线接触甚至凹凸接触为主（图 13a，13b），使颗粒接触更加紧密，导致孔隙变小、喉道变窄，形成缩颈形喉道、片状喉道、弯片状喉道，储集层连通性变差，渗透率急剧下降。同时在强烈压实作用下，软组分如千枚岩、泥板岩以及云母等塑性颗粒强烈变形，部分呈假杂基充填孔隙，或完全堵塞喉道，进而在一定程度上影响成岩后期地层流体在储层内的流动，导致储层孔隙度、渗透率的下降（图 13c）。因此，储集层埋深大且压实作用强烈是研究区山2—盒8段储层致密化的主控因素之一。
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下载原图 图 13 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层压实作用特征 （a）点接触—线接触为主，Y267井，2 927.16 m，盒8，铸体薄片，单偏光；（b）线接触—凹凸接触为主，Y206井，2 219.98 m，山1，单偏光；（c）受挤压变形的塑性颗粒，Y209井，3 594.11 m，盒8，单偏光。 Fig. 13 Compaction characteristics of tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
当埋藏深度大于2.5 km时，砂岩储集层的减孔效应主要受控于胶结物、杂基等对残余孔隙的充填[33, 35-36]。研究区东部山2—盒8段埋深普遍大于2.3 km，随着伊陕斜坡的坡降方向向西埋深逐步增大，至甘泉区域埋深已大于3.1 km。整个研究区目的层段胶结作用普遍发育，胶结物平均体积分数为12.24%，其中硅质胶结以石英加大为主；碳酸盐类胶结主要以铁方解石为主，铁白云石、菱铁矿次之；黏土矿物胶结以伊利石、高岭石为主（参见表 1）。
3.2.2.1 硅质胶结研究区山2—盒8段发育3期硅质胶结作用，以Ⅰ—Ⅱ级为主，少部分达到Ⅲ级，体积分数主要为0~6.0%，平均值为2.4%，表现为早期以石英雏晶加大为主，晚期以充填粒间、粒内孔隙自形程度高的石英晶体为主，不同时期发育特征存在显著差异。早期硅质胶结以石英次生加大形式出现，发育多不完全，少见环边状，时间早于绿泥石环边胶结，主要围绕碎屑石英颗粒边缘生长，加大边石英与碎屑石英呈贴面结合或镶嵌紧密凹凸接触，它们之间常常可见由黏土矿物组成的灰尘线，容易出现在刚性石英颗粒骨架聚集区（图 14a，14b）。较晚期硅质胶结物多以自生石英颗粒充填于残余粒间孔隙、粒内溶孔和粒间溶蚀孔中，晶体大小不一，自形程度高，晶面洁净、完整，晶棱清晰，呈六方双锥状（图 14c）。李艳霞等[37]研究认为，盆地东部山西组砂岩中岩屑、长石等不稳定矿物遭受有机酸溶蚀，可溶的SiO2使孔隙水中Si4+的浓度升高，提供了石英次生加大的硅质物源。部分硅质胶结物的形成，可以增强砂岩成岩后期的抗压实性，而大量的硅质胶结物占据孔隙空间，甚至完全堵塞孔喉，使岩石孔隙度降低，喉道连通性变差，增大了储集层的渗流阻力，这也是研究区砂岩储集层致密化的重要成因之一。
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下载原图 图 14 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密储集层硅质胶结物发育特征 （a）石英次生加大边窄且不连续，Y653井，3 157.4 m，盒8段，铸体薄片，正交偏光；（b）自生石英雏晶与碎屑颗粒紧密结合，Y201井，2 539.59 m，山1段，扫描电镜；（c）早期石英自生加大围绕碎屑颗粒生长，晚期呈自形晶充填粒间孔，SH220井，2 548.32 m，盒8段，扫描电镜。 Fig. 14 Development characteristics of siliceous cements in tight reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
扫描电镜、岩石薄片和X射线衍射分析表明，研究区山2—盒8段黏土矿物胶结（主要为伊利石、高岭石和绿泥石）最为发育，其中伊利石绝对含量最高（平均质量分数为3.40%）其次为高岭石（平均质量分数为1.99%）、绿泥石（平均质量分数为1.37%），导致了储集层微观结构的复杂化。
伊利石主要以丝絮状、搭桥状和变形片状等形态分布在原生孔隙边缘或残余粒间孔喉中，常与高岭石、自生石英等矿物共生。其中卷曲叶片状、残片状伊利石在目的层段最为发育（图 15a），既有呈鳞片状卷曲贴附于颗粒表面排列，也有近垂直颗粒表面向孔喉空间生长充填粒间残余孔，这类伊利石占据孔喉空间的同时，增加岩石喉道的弯曲度，直接降低了储集层的渗流能力。而丝絮状、搭桥状伊利石主要呈粒间孔、溶孔充填状产出（图 15b），这种伊利石形态对流体运移具有一定的阻挡作用，当流体流速较大时，容易冲断孔隙中的丝发状伊利石，运移后堵塞在喉道处，直接减少了储集层的有效孔喉个数和有效孔喉半径，使储集层渗透率降低。此外还有一部分晶体形态不明显的伊利石充填在粒间孔隙中，同样对储集层渗透性具有一定的影响（图 15c）。因此，不同形态和产状的伊利石胶结物均会增加储集层微观孔喉结构的复杂性，降低流体的渗流能力，致使储集层渗透率降低。
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下载原图 图 15 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储集层黏土矿物发育特征 （a）粒间孔隙中的卷曲叶片状伊利石，SH3井，2 533.54 m，山1段，扫描电镜；（b）残余粒间孔喉中伊利石呈搭桥状向孔隙方向生长，Y101井，3 061.74 m，盒8段，扫描电镜；（c）粒间孔中伊利石部分已绢云母化，SH32井，2 292.82 m，山1段，扫描电镜；（d）手风琴状自生高岭石充填于长石溶蚀孔中，Y126井，2 717.7 m，山2段，扫描电镜；（e）自生高岭石发生伊利石化，SH24井，2 472.63 m，山1段，扫描电镜；（f）玫瑰花瓣状绿泥石集合体垂直孔隙衬里绿泥石向孔隙方向生长，Y700井，2 802.58 m，盒8段，扫描电镜；（g）石英次生加大与片状绿泥石集合体充填于粒间孔隙中，SH30井，2 249.84 m，盒8段，扫描电镜；（h）少部分片状绿泥石嵌入石英自形晶体中，SH30井，2 251.36 m，盒8，扫描电镜；（i）粒间孔中自生钠长石（Alb）与绿泥石，高岭石相伴生，Y126井，2 510.34 m，盒8，扫描电镜。 Fig. 15 Development characteristics of clay minerals in tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
高岭石在研究区山2—盒8段黏土矿物胶结中含量仅次于伊利石，占黏土矿物总量的29.4%，在区内分布较普遍。高岭石在偏光显微镜下呈质点状分散分布，在扫描电镜下呈不规则板状或假六边形（直径小于5 μm），聚合体以书页状、蠕虫状、手风琴状填隙物的方式充填在残余粒间孔和长石溶蚀孔隙中（图 15d），发育微小的晶间孔（孔径一般小于3 μm）。少量自生高岭石晶体表面出现卷曲丝絮化的现象，表明可能存在自生高岭石向伊利石的转化（图 15e）。自生高岭石成因主要与长石、岩屑的热液溶蚀作用有关，是热液蚀变的副产物。自生高岭石的出现具有两面性，好的一面反映存在热液溶蚀作用，对储层改善有利；不好的一面为充填孔隙的自生高岭石在流体剪切力作用下极易从岩石颗粒上脱落和破碎，并随流体在孔隙中迁移，造成高岭石微粒堵塞岩石孔隙喉道，致使储层渗透率急剧下降，但是对孔隙度影响不大，所以自生高岭石的迁移堵塞作用也是导致山2—盒8段储集层致密化的重要成因之一。
绿泥石在研究区山2—盒8段主要以孔隙衬里的形式出现，少部分以玫瑰花瓣状集合体产出，常与伊利石、自生石英晶体共生，平均厚度为3~7 μm。早期绿泥石以孔隙衬里的形式出现，呈栉壳状直接附着于孔隙周围的颗粒表面，晶形较小，但随着向孔喉中心方向生长其自形程度变好，晶形变大。这种孔隙衬里绿泥石既缩小孔隙又堵塞喉道，致使大喉道的数量减少，导致砂岩储集层物性变差，尤其是渗透率变差。较晚期形成的绿泥石主要以玫瑰花瓣状集合体的形式分布在大孔隙中，自形程度高，但含量并不高，通常直接覆盖在颗粒表面或衬里绿泥石表面向孔隙空间生长（图 15f）。这种玫瑰花瓣状绿泥石主要对孔喉中的偏碱性流体产生阻挡作用，尤其在喉道位置这种作用更明显，使得流体流速降低或者被完全阻挡，造成砂岩储集层渗透率下降，渗流能力减弱。
已有研究成果表明，成岩早期形成的绿泥石黏土膜均匀地分布于颗粒表面，隔断了孔隙水与石英颗粒表面的直接接触，从而阻止自生石英胶结物在碎屑石英表面成核，致使绿泥石发育的孔隙少见石英自生加大现象，从而保存了一部分残余粒间孔。据此认为绿泥石黏土膜具有抑制其他成岩作用，保存原生粒间孔隙的意义[38]。在研究区山2—盒8段砂岩中，黏土矿物绿泥石的绝对含量较低，平均质量分数为1.37%。李阳等[39]认为当绿泥石绝对质量分数小于5% 时，形成的绿泥石膜较薄且分布不均匀，不足以阻止石英和长石的次生加大，也无法抑制压实作用。扫描电镜下观察到，研究区部分绿泥石黏土膜发育的部位，亦可见石英次生加大的现象（图 15g），并且少量绿泥石呈片状嵌入石英自形晶体中（图 15h），还存在绿泥石黏土膜与自生长石、碳酸盐胶结物相伴生的现象（图 15i），这些现象均说明绿泥石含量较低时不能完全抑制硅质加大和长石等胶结物的发育。
3.2.2.3 碳酸盐胶结研究区山2—盒8段碳酸盐胶结物普遍发育，其主要类型为铁方解石、铁白云石和菱铁矿，同时含有少量方解石。王琪等[40]根据碳酸盐胶结物成分、产状和赋存状态等特征的不同，从矿物学和成岩序列的角度划分出3期胶结物类型，即早期方解石（含菱铁矿）、中期铁方解石和晚期铁白云石。研究区目的层段方解石胶结物很少，形成时间主要在早成岩期，是直接从沉积物孔隙水中沉淀形成的，绝对质量分数均值小于0.1%，可能为后期溶蚀和交代作用的残余，对储层的影响较小（图 16a）。同样，菱铁矿胶结物也主要形成于原生孔隙发育的早成岩期[41]，且沉积水体还原性较强，通常以假杂基形态充填原生粒间孔隙，部分呈团块状，其发育位置的碎屑颗粒，主要以点接触为主，对孔喉形成一定的堵塞作用（图 16b）。铁方解石在研究区碳酸盐胶结矿物中较为多见，常呈斑块状充填于残余粒间孔、溶蚀孔内，碎屑颗粒之间以线接触为主，说明砂岩储集层已经历过强烈压实作用，表明该类胶结物形成时间较晚，大致形成于中成岩阶段A期，铁方解石对孔喉的填充作用引起孔隙度和渗透率下降，致使储集层致密化（图 16c）。铁白云石主要发育在研究区山2段地层中，其形成与富含Fe2+和Mg2+的地层水流体活动有关，当CO2分压降低时，这些离子强烈交代早期、中期碳酸盐胶结物[42]，形成晚期铁白云石胶结物（图 16d，16e），并且部分呈自形晶充填于剩余粒间孔或颗粒溶孔中（图 16f），因此这类胶结物的形成时间最晚，对孔喉的进一步填充引起孔喉堵塞，使得储集层渗流能力进一步降低。
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下载原图 图 16 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储集层碳酸盐胶结物发育特征 （a）方解石呈孔隙式胶结，茜素红s和铁氰化钾混合染色薄片中方解石呈红色，C109井，2 164.63 m，盒8段，铸体薄片，单偏光；（b）菱形晶粒状菱铁矿胶结物呈团块状充填在粒间孔隙中，Y416井，2 389.7 m，山2段，铸体薄片，单偏光；（c）中期铁方解石胶结物呈斑块状充填粒间孔隙，茜素红s和铁氰化钾混合染色薄片中方解石呈紫红色，C92井，2 213.6 m，盒8段，铸体薄片，单偏光；（d）晚期铁白云石充填剩余粒间孔隙或颗粒溶孔，茜素红s和铁氰化钾混合染色薄片中铁白云石呈蓝色，Y290井，3 892.33 m，山1段，铸体薄片，单偏光；（e）铁白云石与早期菱铁矿共同充填粒间孔隙，Y259井，2 375.22 m，山2段，铸体薄片，单偏光；（f）铁白云石自形晶充填于剩余粒间孔隙中，SH220井，2 662.57 m，山2段，扫描电镜。 Fig. 16 Development characteristics of carbonate cements in tight sandstone reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
总之，研究区砂岩储集层随着碳酸盐胶结物体积分数的升高，孔隙度和渗透率均不断降低，呈现出负相关性（图 17）。因此，不同类型和赋存状态的碳酸盐胶结物不仅造成了储集层孔喉微观变化的复杂化，而且是储集层孔渗降低的关键因素之一。
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下载原图 图 17 鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段储集层碳酸盐胶结物含量与物性的相关关系 Fig. 17 Correlation between physical properties and carbonate cement content of reservoirs of Permian Shan 2 to He 8 members in southeastern Ordos Basin |
（1）鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩储集层主要以石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩为主，不同层段砂岩类型相似；储集空间类型主要分为残余粒间孔、（颗粒、胶结物）溶孔、自生黏土矿物晶间孔和少量微裂缝。
（2）鄂尔多斯盆地东南部二叠系山2—盒8段致密砂岩不同渗透率级别砂岩孔隙半径分布相似，但喉道半径分布差异较大；随着岩石渗透率的升高，喉道半径分布范围变宽，大喉道所占比例明显增大，对渗透率升高的影响作用增强；孔喉半径比越小，特别是平均孔喉比越小，反映孔隙与喉道半径的差异性较小，对应的总孔喉连通性越好。
（3）沉积作用是决定研究区山2—盒8段致密砂岩储集层形成的物质基础。孔隙结构的非均质性受沉积微相的物质条件控制，三角洲前缘水下分流河道砂体具有粒度相对较大、杂基含量低、原生粒间孔隙最发育等特点，属于致密砂岩储集层，其他沉积微相控制的砂体物性较差。山2—盒8段砂岩自下而上具有（塑性）岩屑含量升高、石英等刚性颗粒减少、杂基含量升高的特征，沉积组分的差异为后期储集层致密化奠定了物质基础。
（4）成岩作用是研究区山2—盒8段致密砂岩微观孔隙结构复杂化的重要成因，长期持续的埋藏压实作用造成颗粒接触紧密，部分在压溶作用下转变为线状—凹凸接触，大量减孔；同时，多期硅质加大，不同类型及形式的黏土矿物和碳酸盐胶结物充填堵塞孔喉，进一步加剧了目的层段砂岩渗透率降低及储集层致密化。
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