国内勘探实践证实，致密砂岩具有巨大的勘探潜力与开发价值^[1-5]。国外一般采用埃尔金斯方法^[6]对致密砂岩储层的物性条件进行界定：孔隙度小于10%，渗透率小于0.1 mD，而在国内，不同的研究区各个学者有不同的认识，通常情况下，将致密砂岩储层定义为覆压渗透率小于0.1 mD的储层^[7]。在成岩过程中，致密砂岩储层经历较强的机械压实作用和胶结作用后，储层物性变差、非均质性极强^[8]，因此，孔隙结构是决定储层物性及油气产能的重要因素。

鄂尔多斯盆地西南部上古生界二叠系盒8段储层具备致密砂岩气藏发育的基本条件^[9]。作为致密砂岩气藏勘探开发的新区块^[10-11]，众多学者对研究区盒8段储层的沉积体系^[12-13]、物源及母岩特征^[14-19]、成藏及构造特征^[20-22]等方面均进行了研究，汪远征等^[9]认为该区主要的储集空间是岩屑溶孔，曲付涛^[23]指出该区储层主要发育微米—纳米级孔隙，非均质性较强，郭智等^[24]研究了盆地西南部山1、盒8段储层有效砂体的空间展布特征，但是对储层质量的控制因素研究很少。笔者在上述研究成果的基础上，针对鄂尔多斯盆地西南部二叠系石盒子组盒8下段致密储层特征进行研究，并探讨影响储层孔隙结构的主控因素，以期为研究区寻找致密储层“甜点”提供借鉴。

研究区位于鄂尔多斯盆地西南部(图 1)，面积约5万km²，其西部为天环坳陷，并与西缘冲断构造带相邻，东部为陕北斜坡西南部，南部与渭北隆起区相邻。研究区上古生界经历了加里东运动的抬升剥蚀后，在中—晚石炭世整体开始沉降，自下而上依次沉积了上石炭统本溪组(C₂b)，下二叠统太原组(P₁t)、山西组(P₁s)，中二叠统石盒子组(P₂h)，上二叠统石千峰组(P₃q)。石盒子组以“骆驼脖”状砂岩为底界，该套砂岩的顶部有一层“杂色泥岩”，其具有高自然伽玛值，这一特征有利于确定石盒子组与山西组的分界线。根据沉积序列及岩性组合特征，石盒子组又可划分为下石盒子组(盒8段—盒5段)和上石盒子组(盒4段—盒1段)，其中下石盒子组的盒8段按照沉积旋回可进一步细分为盒8上和盒8下2套地层，盒8下段主要为一套浅灰色含砾粗砂岩、灰白色中—粗粒砂岩及灰绿色岩屑石英砂岩，砂岩中发育大型交错层理，泥质含量少，几乎无煤层。本溪组和太原组为海陆过渡相沉积，山西组和石盒子组发育陆相湖泊—三角洲沉积体系，石千峰组沉积时研究区已完全转变为陆相沉积环境。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 鄂尔多斯盆地西南部的地理位置及综合地层柱状图 Fig. 1 Structural location and integrated stratigraphic column of southwestern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西南部盒8下段储层主要岩石类型为岩屑石英砂岩和岩屑砂岩(图 2)，石英砂岩次之。储层填隙物具有种类多、非均质性强的特征，黏土矿物主要包括高岭石、绿泥石、水云母等，碳酸盐类胶结物主要包括铁方解石和铁白云石，偶见硅质胶结物。填隙物体积分数约为25.49%，其中水云母占8.55%、高岭石占2.11%、硅质胶结物占1.80%、铁方解石占1.66%、绿泥石占1.17%、凝灰质占0.82%、铁白云石占0.27%、菱铁矿占0.19%、方解石占0.13%。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段岩石类型 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. 岩屑石英砂岩；Ⅵ. 长石岩屑砂岩；Ⅶ. 岩屑砂岩 Fig. 2 Rock types of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

研究区盒8下段的泥岩颜色以灰色、杂色为主，表明水体较浅，反映其沉积时为氧化-还原环境交替频繁。砂岩粒度以粗粒居多，其次为中粒和细粒，表现出较强的水动力条件。分选中等，磨圆度以次棱角—次圆状为主(图 3)。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段岩石类型及特征 （a）耀县石川河剖面盒8下段灰白色、厚层“骆驼脖”状砂岩；（b）灰绿色、灰黑色泥岩，L6井，4 702.50 m；（c）中粗砂岩，L19井，3 877.20 m；（d）次棱—次圆状，S283井，3 771.67 m Fig. 3 Rock types and characteristics of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层孔隙度为0.98%~15.30%，平均为6.60%；渗透率为0.03~13.87 mD，平均为0.43 mD。其中89.96% 的样品的渗透率小于0.10 mD，为典型的低孔-低渗型致密储层。研究区储层样品的孔渗交会图显示，随着孔隙度的增大，渗透率呈增加趋势(图 4)。当孔隙度大于8% 时，渗透率随其增加的趋势变得更加平缓。部分储层中发育的微裂缝进一步改善了储层的渗流能力。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层的物性特征 Fig. 4 Relationship between permeability and porosity of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段砂岩中岩屑溶孔和粒间孔占比较高(图 5)，二者均贡献了0.5% 左右的孔隙度。粒间孔可进一步划分为石英加大后的残余粒间孔隙和粒间溶蚀作用扩大后的孔隙，前者可使原生粒间孔隙减少，在石英砂岩及岩屑石英砂岩中较发育，后者以原生孔隙为主，伴随着次生成因的溶蚀作用扩大而成(图 6)，长石矿物部分甚至整体被溶蚀可形成较大的粒内溶孔或铸模孔。伊利石晶间微孔由长石和岩屑发生不同程度的蚀变和水化作用而形成^[25]，镜下见成岩裂缝，缝面弯曲，裂缝宽度细小且狭窄。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层孔隙类型 Fig. 5 Reservoir pore types of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层微观孔隙特征 （a）粗粒石英砂岩，粒间孔发育，L54井，3 949.80 m；（b）高岭石、伊利石充填于粒间孔隙中，见粒间溶蚀孔隙，L19井，3 879.10 m；（c）长石颗粒被溶蚀破碎杂基化，片丝状伊利石，L7井，4 156.35 m；（d）铸模孔，L2井，4 764.00 m；（e）长石颗粒被溶蚀破碎杂基化，片丝状伊利石，L7井，4 156.35 m；（f）绿泥石集合体附着于碎屑颗粒表面，见粒间微缝，S243井，4 004.40 m；（g）溶孔、晶间孔，CT3井，3 726.59 m；（h）颗粒镶嵌状接触，岩屑因压实变形而形成致密结构，L70井，3 857.60 m；（i）颗粒凹凸接触，致密结构，L7井，4 203.20 m，（j）片状高岭石集合体充填于碎屑颗粒之间，L38井，4 386.20 m；（k）颗粒点接触，粒间充填方解石，交代千枚岩等岩屑，粒间孔全部消失，L30井，3 765.80 m；（l）岩屑溶孔及晶间微孔，L6井，4 697.95 m Fig. 6 Reservoir micro-pore characteristics of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层砂岩的压汞分析结果显示：排驱压力多小于13.11 MPa，平均为1.66 MPa；中值压力为0.91~58.55 MPa，平均为15.20 MPa，中值压力较大，反映了储层孔隙结构较差。中值喉道半径为0.01~0.81 μm，平均为0.17 μm，主要为细孔喉。喉道分选系数为0.09~5.72，平均为2.10，反映孔喉分布不均匀，喉道歪度为-6.01~2.93，平均为0.15，反映孔隙吼道总体偏细、局部含粗吼道。最大进汞饱和度为20.80%~99.31%，平均为71.59%，反映储层的孔隙结构非均质性较强。根据储层孔隙结构分类评价标准^[26]，可将研究区盒8下段储层的孔隙结构分为4种类型：①Ⅰ类孔隙结构，压汞曲线形态具有明显的平台结构，孔喉连通性好，分选较好，粗歪度，排驱压力一般小于0.50 MPa，中值半径大于0.20 μm，最大进汞饱和度一般大于80%，退汞效率高于35%，孔隙度一般大于8%，渗透率一般大于0.50 mD[图 7(a)]。②Ⅱ类孔隙结构，压汞曲线形态具有明显的平台结构，孔喉连通性相对较差，分选中等—差，偏粗歪度，排驱压力中等(0.50~1.0 MPa)，中值半径大于0.10 μm，最大进汞饱和度一般大于70%，退汞效率高于30%，孔隙度一般为6%~8%，渗透率为0.20~0.50 mD[图 7(b)]。③Ⅲ类孔隙结构，压汞曲线平台结构不明显，孔喉连通性和分选较差，偏细歪度，排驱压力偏高，一般大于1.0 MPa。中值半径小于0.1 μm，最大进汞饱和度一般大于40%，退汞效率高于30%，孔隙度一般为4%~6%，渗透率一般为0.10~0.20 mD[图 7(c)]。④Ⅳ类孔隙结构，压汞曲线无平台结构，物性差，排驱压力相对较高，一般大于2.0 MPa，最大进汞饱和度一般小于40%，孔隙度一般小于4%，渗透率小于0.10 mD[图 7(d)]。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层砂岩的压汞曲线 Fig. 7 Mercury injection curves of reservoir sandstone of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地西南部盒8下段储层中石英含量与排驱压力呈负相关关系，当石英体积分数为40%~60% 时，排驱压力较大，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主[图 8(a)]。长石含量与排驱压力的相关性不明显，长石含量低于3%时，孔隙结构以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主[图 8(b)]。岩屑含量与排驱压力呈正相关关系，当岩屑体积分数为15%~35% 时，排驱压力较大，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主[图 8(c)]。石英含量与中值半径呈正相关关系[图 8(d)]，当石英体积分数为60%~80% 时，中值半径普遍较大，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主，当石英体积分数小于60% 时，中值半径小，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主。长石含量与中值半径呈负相关关系，当长石体积分数小于3%时，中值半径较大，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主，当长石体积分数大于3% 时，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主[图 8(e)]。岩屑含量与中值半径呈负相关关系，当岩屑体积分数为5%~15%时，中值半径较大，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主，当岩屑体积分数大于15% 时，中值半径较小，以Ⅳ类孔隙结构为主[图 8(f)]。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层中岩石组分与孔隙结构的相关性 Fig. 8 Influence of rock component content on pore structure parameters of the Permian ower He 8 member in southwestern Ordos Basin

成岩作用对储层的改造使不同的原始孔隙结构经历不同的孔喉演化过程，从而形成现今储层的孔隙结构差异^[27]。储层形成过程中成岩作用对物性具有较大影响，因此，清晰地认识储层的成岩历程和孔隙演化特征，有利于明确其储集空间的形成机理，可为有利储层预测提供理论指导。鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段砂岩储层经历的成岩作用类型较多，主要包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用等，砂岩类型以岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主，富含变质岩、火山岩等各种岩屑。由于碎屑组分中的塑性颗粒组分的抗压实能力较弱，压实作用过程中原生孔隙损失较大。从负胶结物孔隙度-胶结物含量关系可看出，压实作用、胶结作用均减小了储层的原生孔隙，但压实作用是研究区砂岩储层物性变差的主要原因(图 9)。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层负胶结物孔隙度与胶结含量的相关关系 Fig. 9 Relationship between reservoir negative cement porosity and cementation of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

学者们通常以视压实率来表征砂岩储层在压实过程中的孔隙损失^[28]，鄂尔多斯盆地西南部盒8下段储层的视压实率为20.19%~93.71%，平均为64.79%，压实强度较大[参见图 6(h)—(i)]。视压实率整体上与排驱压力呈较好的正相关性[图 10(a)]，当视压实率为80%~100%时，排驱压力较大，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主，当视压实率为30%~60%时，主要以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主。孔隙中值半径随视压实率的增大而减小，视压实率为30%~60%时，孔隙半径较大，一般大于0.2 μm，视压实率为80%~100% 时，孔隙半径一般小于0.1 μm[图 10(d)]。

图 10

Fig. 10

下载原图 图 10 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层成岩作用与孔隙结构参数的关系 Fig. 10 Relationship between pore structure parameters and reservoir diagenesis of the Permian lower He 8 member in southwestern Ordos Basin

胶结作用是沉积物转变为沉积岩的一类重要成岩作用^[28]，成岩作用过程中会导致孔隙和喉道大幅减少甚至消失，对储集岩孔隙结构具有一定的破坏作用。通常用视胶结率定量表征储层胶结作用强度，鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层的视胶结率变化范围较大，约为2.56%~79.81%，平均为32.69%。高岭石、绿泥石和方解石的胶结作用导致大孔、中孔及部分喉道几乎完全消失，仅剩下少量细孔、微孔及喉道，使得储层的有效储集空间遭受严重破坏，连通性变差。排驱压力和视胶结率呈负相关关系[图 10(b)]，视胶结率小于30% 时，排驱压力较大，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主，低视胶结率而排驱压力高的现象主要是由强压实作用引起；视胶结率为30%~50% 时，排驱压力较小，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主；当视胶结率大于50% 时，排驱压力开始升高，中值半径随视胶结率的增大呈现出先增大后减小的趋势[图 10(e)]；当视胶结率小于35% 时，中值半径随视胶结率的增大而增大，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主；当视胶结率为35%~60% 时，中值半径随视胶结率的增大而减小，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主，孔隙半径大于0.20 μm；当视胶结率高于60% 时，中值半径急剧减小。

鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段砂岩中的碎屑颗粒、杂基、胶结物中的易溶组分发生溶蚀时，可形成次生孔隙[参见图 6(g)，(l)]，增加了岩石的储集空间，对孔隙结构的改造具有积极作用，但影响较微弱^[29]。研究区视溶蚀率小于4%，平均为0.91%，总体上属于弱溶蚀。当视溶蚀率大于1.50%时，孔隙连通性得到了提高，排驱压力较小，主要发育Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构；当视溶蚀率小于1.50% 时，排驱压力较大，发育Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构[图 10(c)]。中值半径与视溶蚀率呈正相关关系，当视溶蚀率大于1.50% 时，中值半径较大，一般大于0.20 μm，以Ⅰ类和Ⅱ类孔隙结构为主；当视溶蚀率小于1.50%时，中值半径较小，一般小于0.10 μm，以Ⅲ类和Ⅳ类孔隙结构为主[图 10(f)]。

(1) 鄂尔多斯盆地西南部二叠系盒8下段储层孔隙度为0.98%~15.30%，平均为6.60%；渗透率为0.03~13.87 mD，平均为0.43 mD，为典型的低孔-低渗型致密储层。孔隙类型主要为岩屑溶孔和粒间孔，孔隙结构以细孔喉为主。

(2) 岩石组分、压实作用和胶结作用对鄂尔多斯盆地西南部盒8下段储层质量具有重要影响。岩石的碎屑组分是原生粒间孔发育的基础，其中石英含量高有利于优质储层的发育，压实作用和胶结作用导致研究区储层孔隙结构变差，是储层致密化的主要原因，溶蚀作用有利于储集层的改善，但普遍较弱，影响较微弱。