油层黏土分类及对储层的影响

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本文作者：周桦1黄思静1,2兰叶芳1作者单位：1成都理工大学沉积地质研究院2成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室

主要黏土矿物的赋存状态

笔者通过铸体薄片鉴定和XRD分析，鉴定了长6和长8油层组砂岩中黏土矿物的主要类型及其含量。结合扫描电镜，进一步查明了研究区砂岩中主要黏土矿物的显微形貌特征及其赋存状态。

1绿泥石

研究区长6油层组砂岩中自生绿泥石为主要的黏土矿物。铸体薄片观察显示，其主要以孔隙衬里（“绿泥石包膜”）方式产出（图版Ⅰ-1），也有少数绿泥石以充填孔隙形式存在。扫描电镜分析表明，研究区自生绿泥石多呈薄膜结构覆盖于颗粒表面（图版Ⅰ-2），在粒间孔隙边缘形成孔隙衬里，部分充填于粒间孔隙中，单体多呈叶片状，晶体大小比较均匀，集合体呈叶片状杂乱堆积，在颗粒表面形成包膜（图版Ⅰ-2）。

2伊利石

研究区存在2种成因的伊利石，即自生伊利石和碎屑伊利石。自生伊利石具有较好的自形程度，在孔隙之间形成黏土桥；碎屑伊利石排列杂乱，以充填孔隙的形式产出。铸体薄片和扫描电镜观察表明，长6油层组砂岩中自生伊利石数量有限，主要以杂基形式存在。在扫描电镜下，自生伊利石呈毛发状、卷曲片丝状（部分末端带刺）（图版Ⅰ-3）及片状覆盖于碎屑颗粒表面或充填于粒间孔隙及次生溶蚀孔隙中，集合体呈蜂窝状或丝缕状（图版Ⅰ-3）。

3混层伊利石/蒙皂石

研究区存在少量的混层伊利石/蒙皂石矿物，是蒙皂石向伊利石转化的中间产物。在埋藏成岩条件下，随着埋深加大和温度升高，蒙皂石逐渐向伊利石转化，即蒙皂石→伊/蒙无序间层→伊/蒙有序间层→伊利石的演化序列［11-12］。XRD分析结果显示，长6油层组砂岩中的伊/蒙间层比w（S）为10%～20%，属有序间层，表明蒙皂石的伊利石化程度高，已非常靠近伊利石端元。扫描电镜分析进一步表明混层伊利石/蒙皂石的产状与伊利石相似，单体呈卷曲片状，集合体呈棉絮状或蜂窝状（图版Ⅰ-4），充填于粒间孔隙之间。

4高岭石

在研究区长8油层组的样品中高岭石的赋存状态为孔隙充填式，包括残余粒间孔和长石等铝硅酸盐溶蚀形成的次生孔隙。高岭石是长石等铝硅酸盐溶蚀的主要产物，薄片观察显示其晶间孔隙发育（图版Ⅰ-5），在扫描电镜下，自生高岭石单晶呈假六方板状，集合体呈书页状（图版Ⅰ-6）或蠕虫状。

黏土矿物对储层物性的影响

黏土矿物质点微小、比表面积大，是低渗透砂岩储层中重要的胶结物，其存在和发育对砂岩的储集性能（尤其是孔隙度和渗透率）具有显著的影响［13-17］。过去人们常认为黏土矿物与自生硅质、自生碳酸盐一样对储层的储集性起破坏作用，然而，近年来越来越多的研究证实，黏土矿物的胶结作用（主要是绿泥石的胶结作用）在深埋藏砂岩储层的成岩过程中也可以是保持性成岩作用［17-19］，揭示了黏土矿物对储层物性积极的一面。另外，由于黏土矿物具有极大的比表面积和表面自由能，当外来流体浸入地层时，黏土易与之接触并发生各种物理或化学反应，对油藏开发具有极大的影响［4，15］。

1自生绿泥石的影响

长期以来，绿泥石胶结物对储层物性的影响一直是研究热点。在众多研究中，较为经典的是Pittman［20］和Ehrenberg［21］认为：黏土包膜可以阻碍碎屑石英的成核作用，抑制石英的自生加大，从而有效保护储层的孔隙。Ehrenberg还指出：在深埋藏成岩过程中，自生绿泥石通过隔离孔隙流体与碎屑石英颗粒表面来抑制自生石英的成核数量，绿泥石包膜显著提高了岩石的机械强度和抗压实能力而使储层物性得到有效保护。Bloch等［22］也将颗粒环边胶结物、超压流体和烃类的早期占位视为深埋藏条件下砂岩储层具有异常高孔隙度的3个主要原因。Billault等［23］在镜下观察发现，孔隙衬里绿泥石晶体间存在大量的晶间孔，不能真正地将孔隙流体与颗粒表面分开，并认为自生石英具有很强的向孔隙生长的性质，只有具有相对充分的空间才能使石英自生加大，而孔隙衬里绿泥石则通过占据空间来抑制石英的发育，但其抑制机制尚无定论。之后众多学者［18，24-30］研究认为以颗粒包膜方式产出的自生绿泥石是深埋藏条件下储层孔隙保存的重要机制。田建峰等［27］和丁晓琪等［28］指出：绿泥石包膜对自生石英的抑制主要是通过改变孔隙微区环境与占据石英结晶基底来共同抑制石英的次生加大。然而，也有学者［13］认为绿泥石包膜堵塞孔隙喉道，导致储层的渗透率大幅度降低，对孔隙的保存产生负面影响。华庆地区长6油层组砂岩分选差，杂基含量高，较低的初始孔隙度和较早的压实作用使得砂岩在埋深较浅时已趋于致密化，砂岩的水岩比及自生矿物的含量均较低。长6时期湖盆开始收缩，是盆地三角洲沉积较为发育的时期。三角洲沉积与重力流沉积控制了砂体的展布，三角洲前缘沉积和砂质碎屑流沉积都为自生绿泥石的形成提供了有利条件（富铁沉积物和铁镁卸载）。对研究区黏土矿物的定量分析显示，围绕颗粒呈孔隙衬里产出的绿泥石（尤其是早成岩阶段沉淀的绿泥石）对孔隙发育的影响是正面的，其含量与孔隙度和渗透率均呈正相关（图2）。结合前人研究成果，笔者认为绿泥石包膜主要从以下几方面保护砂岩的孔隙。（1）铸体薄片中，发育绿泥石环边的砂岩具有较低的颗粒接触强度，颗粒接触关系主要为点接触和线接触（图版Ⅰ-1）。绿泥石环边胶结可以支撑颗粒，从而抵抗机械压实作用，大大降低压实作用对粒间孔隙的破坏。（2）绿泥石沉淀后会在埋藏成岩过程中继续生长，并持续到自生石英沉淀以后，由此增加的机械强度会平衡埋藏成岩过程中不断增加的上覆载荷，从而保护砂岩的原生粒间孔隙以及由长石等骨架颗粒溶蚀形成的次生孔隙。（3）绿泥石的形成会抑制石英的胶结作用。自生绿泥石和自生石英同为早成岩阶段的产物，但自生绿泥石的形成较自生石英早。自生绿泥石主要通过隔离孔隙流体与石英的结晶基底（颗粒表面）占据颗粒表面的空间，抑制自生石英在碎屑石英表面成核或碎屑石英共轴生长边的形成，使绿泥石胶结作用发生的地方，很少有自生石英生长，并从化学角度利于孔隙的保存。随成岩作用的继续，仍有少量自生石英的沉淀（图版Ⅰ-2），但长6油层组自生绿泥石发育的岩石中，石英的次生加大现象显著少于自生绿泥石不发育的岩石。虽然绿泥石对深埋藏砂岩的孔隙具有显著的保护作用，但只有当规则、连续的绿泥石包膜达到一定厚度时，才有助于改善深埋储层的质量［24-25，29］。随着砂岩中自生绿泥石含量的增加，要获得相同的渗透率则需要增加孔隙度，但对于不同的渗透率区间和不同的自生绿泥石含量，获得相同渗透率所需要孔隙度增加的幅度是不同的［31］。在孔隙度相近的情况下，以孔隙衬里方式产出的绿泥石含量的增加，反而会降低砂岩储层的质量并影响烃类开发的效果［32］。另外，储层中的绿泥石是一种富Fe绿泥石，对HCl和富氧系统十分敏感，在进行酸化处理时，绿泥石被HCl溶解并释放出Fe，当HCl耗尽时产生Fe（OH）3胶体沉淀，更易堵塞喉道，从而导致酸敏性油气层损害［15］。

2伊利石及混层伊利石/蒙皂石的影响

伊利石和混层伊利石/蒙皂石在长6油层组砂岩中分布广泛，是除自生绿泥石之外相对重要的黏土矿物，也是影响储层物性的主要因素。大量研究认为，伊利石对储层物性产生负面影响［13-15，33］。碎屑伊利石是塑性的，受压实作用易于堵塞孔隙和喉道，降低储层物性。呈毛发状、片丝状的自生伊利石，通常呈孔隙桥接式分布于粒间孔隙中（图版Ⅰ-3），把大量的孔隙和喉道切割成微细的束缚孔隙，从而减小孔喉半径，降低储层渗透率，且自生伊利石的丝愈长，其在砂岩孔隙和喉道中弯曲度愈高，与孔隙度、渗透率的负相关系数也愈高，严重时可使砂岩完全丧失储集性能。虽然有文献［14，34］指出附着于颗粒表面的自生伊利石包膜可以阻止石英颗粒的次生加大，利于孔隙的保存，但研究区未见以包膜形式产出的伊利石，根据伊利石的含量与储层物性参数的关系（表1），认为其对储层物性的影响是负面的。研究区混层伊利石/蒙皂石的伊利石化程度较高，且产状也与伊利石相似（图版Ⅰ-4），其对储层的影响同伊利石类似，与储层物性呈负相关。另外，伊利石和混层伊利石/蒙皂石在油气开采过程中易迁移至孔喉并形成堵塞，对油气层产生速敏性损害，在油气开发过程中应予以重视。

3自生高岭石不发育的原因分析

自生高岭石通常是长石等铝硅酸盐矿物溶蚀的产物，酸性介质是形成自生高岭石的必要条件。就鄂尔多斯盆地中南部延长组而言，自生高岭石主要分布在印支期不整合面之下的长1油层组和长2油层组，这些高岭石的形成是印支期暴露时间间隔中大气水对长石等铝硅酸盐矿物溶蚀作用的结果，伴生大量次生孔隙［35-36］；长6和长8油层组也存在一定数量的自生高岭石，其形成机制与长7油层组（主力烃源岩）有机质热演化过程中产生的有机酸有关，但其分布具有显著的局部性和区域性。XRD分析结果显示华庆地区长6油层组缺乏高岭石，这是因为华庆地区长6油层组砂岩位于其上部，与长7油层组之间存在细结构岩石的分隔，早成岩阶段长7油层组烃源岩有机质热演化过程中产生的有机酸受重力作用向下流动影响长8等下部油层组，后期由于流体数量增大，岩石孔隙减小等使得流体向低压区运移，也可能影响到长6油层组下部，如姬塬地区长6油层组就存在高岭石。华庆地区长6油层组砂岩的高杂基含量导致岩石经历较早的压实作用，长7烃源岩有机质热演化过程中产生的酸性流体出现在液态烃形成前夕，此时埋藏深度已超过2000m，长6油层组砂岩已经历有效压实而致密化，缺乏足够的粒间孔隙体积，而酸性流体的影响又十分有限，从而导致长6油层组砂岩中高岭石普遍缺乏。

结论

在各种黏土矿物中，绿泥石的含量最高，主要以孔隙衬里方式产出。伊利石和混层伊利石/蒙皂石则主要以孔隙桥接和孔隙充填方式产出。绿泥石含量与孔隙度和渗透率均呈正相关，其存在显著提高了岩石的机械强度和抗压实能力，并抑制了石英的胶结作用，显示其对深埋藏环境中储集空间的保护作用。以孔隙桥接式产出的伊利石和混层伊利石/蒙皂石将一些孔隙和喉道切割成微细的束缚孔隙，减小孔喉半径，容易堵塞孔隙喉道，降低渗透率，对储层物性产生负面影响。华庆地区长6油层组砂岩中高岭石不发育，是因为长7油层组烃源岩热演化过程中产生的有机酸受重力作用主要向下流动影响长8油层组，后期才影响到长6油层组下部；另一方面，长6油层组砂岩高含量杂基导致其在酸性流体出现之前就已基本完成压实作用，使其缺乏足够的粒间孔隙体积和活跃的酸性流体沉淀高岭石。