致密砂岩气是非常规天然气的主要类型，已经成为全球非常规天然气勘探开发的重要领域之一，在能源结构中的作用日趋显著^[1]。中国在鄂尔多斯、四川、塔里木、松辽和渤海湾等盆地陆续探明了不少致密砂岩气储量^[2-8]，总体呈现资源潜力大、分布广泛的特征，其已成为中国能源保障的重要组成部分^[9-12]。与常规储层相比，由于致密砂岩气储层经历过较强的压实、胶结作用，使其物性变差、孔喉结构复杂，导致勘探开发难度大^[13-18]。因此，对致密砂岩气储层的岩石学特征、微观孔喉特征及形成机理进行研究，对致密砂岩气勘探开发具有重要的理论与现实意义。

鄂尔多斯盆地二叠系下石盒子组盒8段气藏是国内致密砂岩气勘探最成功的典型^[19]，盒8段已成功勘探并探明了苏里格、乌审旗等上万亿立方米的大型致密砂岩气藏。前人对盒8段致密砂岩气储层研究较多，主要集中在储层特征、储层成岩作用以及可动流体等方面^[20-22]，而研究致密砂岩气储层成因相对很少。本文在前人对盒8段沉积环境研究的基础上，应用铸体薄片、场发射扫描电镜、CT扫描及恒速压汞等多种实验相结合的方法，对盒8段致密砂岩的岩石学特征、微观孔喉特征及其与物性关系进行研究，并从影响孔喉发育的构造环境、沉积作用、成岩作用等地质因素出发，分析致密砂岩气储层的形成机理，以期为致密砂岩气勘探开发提供理论依据。

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^[23]。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。

图 1

图 1 鄂尔多斯盆地气田位置分布及构造区划图 Fig. 1 Location of gas fields and tectonic zoning in Ordos Basin

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^[24-25]，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^[26]，盒8段砂体整体呈现储层致密、气层厚度薄的特征^[5]。

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^[27]。

图 2

图 2 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩粒径直方图 Fig. 2 Particle size histogram of He 8th member tight sandstones in Ordos Basin

图 3

图 3 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层结构构造特征 Fig. 3 Structures of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin （a）李4井, 3860.2m, 次棱角状, 颗粒支撑, 点—线接触, 孔隙式胶结；（b）苏307井，4486.82m，机械压实及压溶作用使碎屑颗粒间呈凹凸—缝合接触；（c）忠3井，3497.41m，颗粒呈现定向排列，软岩屑被压实发生变形

图 4

图 4 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层填隙物特征 Fig. 4 Cements in He 8th tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin （a）苏104井，3451.2m，伊利石；（b）苏124井，3606.88m，绿泥石；（c）苏95井，3444.57m, 蚀变高岭石；（d）榆55井，2481.73m，连晶铁方解石充填于颗粒之间；（e）莲31井，3964.27m，石英次生加大边与高岭石共生；（f）苏109井，3658.11m，溶孔中晚期生长的自形石英

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）。

图 5

图 5 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层孔隙特征 Fig. 5 Pores in He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin (a)石英砂岩，残余粒间孔隙，苏109井，3652.72m；(b)粒间孔隙被伊利石充填，苏106井，3492.42m；（c）中—粗粒石英砂岩，粒间孔隙发育，绿泥石包裹石英，苏223井，3821.05m；（d）粒间溶孔，苏275井，3931.89m；（e）岩屑粒内溶孔，莲20井，3860.9m；（f）铸膜孔，庆探2井，4723.36m；（g）石英颗粒表面串珠状微纳米孔隙，苏124井，3606.88m；（h）杂乱堆积的高岭石，晶间孔发育，榆36井，2928.08m；（i）微裂缝较发育，米31井，2301.5m

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。

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。

图 6

图 6 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层喉道特征 Fig. 6 Throats in He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin （a）孔隙间发育缩颈型喉道，陕285井，3069.19m；（b）孔隙间发育弯曲片状喉道，双2井，2627.86m；（c）孔隙间发育管束状喉道，陕271井，3262.01m

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）。

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6.37~44.53 MPa；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）。

图 7

图 7 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层场发射扫描电镜识别孔隙半径分布图 Fig. 7 Pore radius distribution of He 8th member tight sandstone gas reservoirs by FESEM in Ordos Basin

图 8

图 8 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层CT识别孔隙半径分布图 Fig. 8 Pore radius distribution of He 8th member tight sandstone gas reservoirs by CT in Ordos Basin

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。

图 9

图 9 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层喉道半径分布图 Fig. 9 Distribution of throat radius of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

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。

图 10

图 10 鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层物性与平均孔喉半径的相关性 Fig. 10 Correlation between physical properties and average throat radius of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层的上述微观孔喉特征与其特有的构造环境、沉积作用、成岩作用有着密切关系。

鄂尔多斯盆地盒8段主要发育冲积扇—辫状河—洪泛平原—洪泛湖沉积，河道和分流河道砂体发育，缺乏三角洲前缘河口坝砂体。根据不同沉积微相砂岩的沉积组构分析，认为辫状河心滩砂体和三角洲分流河道砂体处于高能相带，淘洗作用强，形成的砂岩粒度较粗，分选性、磨圆度较好，导致物性最好；冲积扇扇中水道砂体虽然粒度粗，但快速沉积导致淘洗作用弱，砂岩的分选性与磨圆度非常差、非均质性强，导致物性差（图 11）。

图 11

图 11 鄂尔多斯盆地盒8段不同沉积微相致密砂岩气储层物性对比图 Fig. 11 Physical properties of He 8th member tight sandstone gas reservoirs of different sedimentary microfacies in Ordos Basin

鄂尔多斯盆地盒8段砂体沉积之后经历了晚二叠世—白垩纪较长时期的埋藏过程，导致岩石经历了较强、长期的压实作用。镜下鉴定盒8段砂岩岩性较致密，主要为颗粒支撑，颗粒之间以点—线接触为主，胶结类型主要为孔隙式胶结，少量砂岩呈压嵌式胶结，表明其所受的压实作用较强，主要表现为石英、石英岩岩屑等刚性碎屑表面的脆性微裂纹和它们之间的位移与重新排列，石英颗粒呈现波状消光；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）的塑性变形、扭曲及其假杂基化。当砂岩中黑云母、软岩屑含量较高时，颗粒沿长轴方向定向排列形成明显的压实定向组构；部分颗粒之间呈现凹凸接触和缝合接触（图 3b）。同时，储层压实作用强度与其埋藏深度关系明显，储层的孔隙度和渗透率随着埋藏深度的增加而急剧变差（表 1）。

表 1

表 1 鄂尔多斯盆地不同地区盒8段致密砂岩埋深与物性关系 Table 1 Relationship between burial depth and physical properties of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin 地区 埋深/m 孔隙度/% 渗透率/mD 最大值 平均值 最小值 最大值 平均值 最小值 苏里格东部 2800~3200 14.53 9.36 5.57 8.11 0.78 0.13 苏里格中部 3200~3500 17.10 8.70 5.15 48.13 0.82 0.11 苏里格西部 3500~3800 13.67 7.52 4.07 7.23 0.63 0.03 天环坳陷 3800~4300 11.21 6.17 3.14 2.24 0.33 0.01

表 1 鄂尔多斯盆地不同地区盒8段致密砂岩埋深与物性关系 Table 1 Relationship between burial depth and physical properties of He 8th member tight sandstone gas reservoirs in Ordos Basin

鄂尔多斯盆地盒8段砂岩从埋藏至今，经历了多类型、多期次的胶结作用，形成了较为广泛分布的硅质、碳酸盐矿物和黏土矿物等胶结物，对储层物性造成了极大影响。不同类型的胶结作用对储层的破坏程度也不尽相同。

盒8段砂岩中硅质胶结物的生长方式多种多样，主要包括碎屑石英的次生加大边、充填于粒间或溶孔内的自生及自形石英、裂隙黏补型自生石英、交代型自生石英等，其中，石英次生加大现象在砂岩中十分普遍，其对储层物性的影响具有双面性。石英砂岩由于在压溶作用过程中形成较多次生加大边而使一部分粒间孔隙丧失；但较早期形成的石英加大边的支撑，抑制了压实作用，对原生粒间孔起到了一定的保护作用。盒8段砂岩中碳酸盐胶结物以铁方解石为主，含少量铁白云石和菱铁矿，其主要呈细晶或中—粗晶充填于粒间孔隙中或以交代碎屑颗粒和其他自生矿物的形式产出，致使孔隙度降低。此外，盒8段自生黏土矿物较为发育，主要有伊利石、伊/蒙混层、蒙脱石、绿泥石和高岭石，它们充填于粒间孔隙中，在一定程度上造成砂岩储层的孔隙度和渗透率进一步减小；但一部分石英颗粒周围绿泥石薄膜的存在阻止了石英次生加大边的形成以及一部分粒间碳酸盐胶结物的沉淀，从而使相当一部分原生剩余粒间孔得以保存。总之，胶结作用总体上对致密砂岩气储层孔隙造成一定的破坏，减少了大量粒间孔隙体积，导致盒8段岩石变得更加致密。

溶蚀作用造成的次生溶孔在盒8段发育普遍（图 5d—f），常见的类型有在高温条件下长石溶蚀形成的完全溶蚀型溶孔（铸模孔）、蜂窝状溶蚀型溶孔^[28]；岩屑中易溶组分被全部或部分溶蚀形成的蜂窝状溶孔；沿方解石解理面因溶解作用形成的、形态较规则的方解石内溶孔；凝灰质等黏土矿物溶蚀形成大量的粒间溶孔、溶缝等。前述提及次生溶孔占到盒8段储集空间的70%，由此可见次生溶蚀作用明显改善了砂岩的储集性能。

鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩为陆相分流河道沉积，主要发育石英砂岩和岩屑石英砂岩，砂体储层普遍较为致密，孔喉总体特征表现为喉道细、连通性整体好—中等，孔隙类型主要为残余粒间孔隙、溶蚀孔隙、微纳米孔隙及裂缝，喉道类型为缩颈型、弯曲片状及管束状，并且微纳米孔隙构成了致密砂岩气储层的有效储集空间。

经分析，鄂尔多斯盆地盒8段致密砂岩气储层的形成受构造环境、沉积作用及成岩作用等多方面因素控制，其中优势沉积相带和后期溶蚀作用是有利储层形成的主控因素。因此，今后针对陆相致密砂岩气勘探领域选择“甜点区”时，应优先选择辫状河心滩砂体、三角洲分流河道砂体的发育区，兼顾后期溶蚀作用的影响。