黃驊坳陷上古生界儲層粘土礦物研究

張 晨，苗建宇，宋紅霞，王靜茹

(1.西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安710069;2.西安石油大學(xué)油氣資源學(xué)院，陜西西安710065)

黃驊坳陷位于渤海灣盆地中部，東西向被滄縣隆起和埕寧隆起夾持，北連燕山褶皺帶。其上古生界是一套海陸交互相－陸相的含煤巖系沉積，具有北薄南厚的特征[1]。本區(qū)目的層的巖石類型主要為巖屑砂巖、長石巖屑砂巖及巖屑長石砂巖。東部樣品主要落在砂巖分類三角圖上的Ⅴ區(qū)內(nèi)，西部、南部樣品則分別落在Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)內(nèi)(圖1)。具有低－中等成分成熟度、膠結(jié)物含量低以及結(jié)構(gòu)成熟度中等的特點，表現(xiàn)為儲層分選性差－中等，磨圓度以次棱角狀為主，膠結(jié)方式多為孔隙式膠結(jié)，顆粒之間點線狀接觸。自生礦物以水云母、高嶺石為主，其次為方解石和石英。粘土礦物廣泛分布在本區(qū)上古生界儲層內(nèi)，為伊利石、伊/蒙間層、高嶺石及綠泥石。

粘土礦物的形成、保存、轉(zhuǎn)變、消失是古氣候、水介質(zhì)、成巖作用、母質(zhì)、沉積相帶、構(gòu)造運動等多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果[2－5]。它可以揭示古氣候、古環(huán)境，反映沉積成巖以及油氣成藏過程，并且與儲層物性有密切關(guān)系[2，6－8]。因此，利用粘土礦物對本區(qū)目的層進(jìn)行基礎(chǔ)地質(zhì)研究是必要的。對78塊目的層樣品進(jìn)行粘土礦物分析和鏡下觀察，通過綜合研究其特征并結(jié)合其他資料來確定本區(qū)粘土礦物在沉積成巖以及儲層物性方面所扮演的角色。

1 粘土礦物類型產(chǎn)狀和分布特征

根據(jù)X衍射、鑄體薄片鑒定結(jié)果以及掃描電鏡觀察，認(rèn)為黃驊坳陷上古生界儲層中粘土礦物以伊利石、伊蒙/間層為主，可見少量綠泥石和自生高嶺石發(fā)育。其它粘土礦物不發(fā)育(圖2)。

伊利石在本區(qū)儲層中發(fā)育廣、含量多，孔隙內(nèi)發(fā)絲狀搭橋式伊利石主要出現(xiàn)在黃驊坳陷的西北部;略具定向性的破碎片狀或卷片狀以薄膜狀存在于顆粒表面的伊利石在整個黃驊坳陷都可見到。其平均含量 ＞35%，相對含量 3.5% －69.89%?？v向上，隨深度增加伊利石相對含量有逐漸增加的趨勢(圖3)，伊/蒙間層比也逐漸增大(圖4)。這主要是由于深度增加，溫度、壓力升高，成巖速度加快，地層中的粘土礦物(如高嶺石、伊/蒙混層)均向伊利石轉(zhuǎn)化，使得伊利石相對百分含量呈增加的態(tài)勢。

伊/蒙間層礦物在黃驊坳陷南部較少，相對含量1.68% －36.75%，均值10%;坳陷西部較高，相對含量3.48% －33.97%，均值30%。且以薄膜狀包裹顆粒。伊/蒙間層比值在＜10－98之間。坳陷西部伊/蒙間層比普遍較大，介于56－98之間，平均值達(dá)86;北部伊/蒙間層比值＜10，屬超點陣特征。

綠泥石在黃驊坳陷上古生界儲層中并不普遍，檢測到的樣品中綠泥石含量平均值＜20%，相對含量8.69% －53.17%。掃描電鏡下綠泥石呈葉片狀以薄膜式包裹巖石骨架顆粒。

高嶺石一般有兩種來源，一種是繼承性的碎屑高嶺石，另一種是自生高嶺石。自生高嶺石一般晶形較好。本區(qū)目的層中自生高嶺石以蠕蟲狀和書頁狀產(chǎn)出，出現(xiàn)在殘余孔隙內(nèi)或鉀長石顆粒表面。

2 粘土礦物形成機(jī)理

部分伊利石是由蒙脫石成巖轉(zhuǎn)化形成，掃描電鏡下在卷片狀伊/蒙間層礦物的表面見發(fā)絲狀的伊利石。富鉀的堿性條件下，隨著溫度、壓力增加，水介質(zhì)中的Al3+、K+，置換蒙脫石中的 Fe2+、Mg2+，轉(zhuǎn)化為伊利石。

綠泥石的形成需要同沉積的富鐵沉積物，因而本區(qū)富巖屑物源的地層，尤其是富中基性巖漿巖屑及暗色鎂礦物的物源地層就為綠泥石提供了較多的物質(zhì)來源。此外，先驅(qū)粘土礦物(機(jī)械滲濾的蒙皂石、自生蒙皂石等富鐵粘土礦物)也可以形成自生綠泥石，這種綠泥石均是以薄膜狀的形式存在[2]。

本區(qū)目的層的成巖自生高嶺石主要是成巖期從孔隙溶液中直接沉淀形成的高嶺石，其晶形發(fā)育較好，單晶呈假六方片狀，集合體呈書頁或蠕蟲狀。

3 粘土礦物研究成果

3.1 粘土礦物與孔隙度、滲透率間的關(guān)系

粘土礦物的產(chǎn)狀往往與儲層物間有密切關(guān)系。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)本區(qū)樣品中，伊利石呈搭橋式和襯墊式分布，綠泥石、蒙皂石為襯墊式，自生高嶺石多為充填式和襯墊式分布。在孔隙度相同的情況下，搭橋式對滲透率影響最大，它的存在使得液體不易在孔隙間流動并切割原生孔隙。薄膜式則包裹骨架顆粒，填充粒間孔隙和吼道，減小孔隙度，它對孔、滲的影響不及搭橋式。充填式容易堵塞吼道，同時也占據(jù)孔隙空間，對孔、滲也有一定影響。但另一方面，粘土礦物的存在又阻礙機(jī)械壓實作用的進(jìn)一步加劇，若后期經(jīng)歷溶解作用后反而可以為次生孔隙的形成提供空間。尤其是自生高嶺石的形成與孔隙發(fā)育過程相伴，它一般與孔、滲成正相關(guān)。祝新政等(2011)指出，黃驊坳陷儲層中，高嶺石溶蝕形成的粒間孔隙連通性較好，且孔隙度及滲透率與自生高嶺石體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)性，隨著自生高嶺石體積分?jǐn)?shù)的增加，對孔隙度的改善更為明顯。

3.2 粘土礦物與壓汞曲線間的關(guān)系

對78個全坳陷采集樣品的壓汞和X衍射結(jié)果進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，黃驊坳陷上古生界存在三種典型儲層，它們的壓汞曲線與所對應(yīng)的粘土礦物特征都與其他類型截然不同(圖5)。

A類儲層:該儲層具有完整的進(jìn)、退汞曲線，并且進(jìn)汞曲線具有一個長平臺，但是退汞曲線轉(zhuǎn)折迅速，反映了該類儲層具有孔隙結(jié)構(gòu)較好、小孔喉較多、孔隙分選性中等的特點?？缀戆霃街狈綀D表現(xiàn)為“單峰式”，峰值出現(xiàn)在0.133 μm。按照魯洪江(1997)對儲層的劃分方法，這類儲層屬于采收率產(chǎn)能中等的儲類型層。這類儲層中粘土礦物總量少，往往只有伊利石和伊/蒙間層礦物存在，且伊/蒙間層比＜10。

B類儲層:這類儲層的進(jìn)汞曲線具有兩個平臺，退汞曲線近于一條斜率很大的直線，最大進(jìn)汞量達(dá)80%，說明該儲層孔隙大小主要分布在0.005－0.015 μm、0.488 μm 且孔喉比高。孔喉半徑直方圖也具有“雙峰式”特點。這類壓汞曲線對應(yīng)于粘土礦物總量較高、伊利石相對含量高、伊/蒙間層比大的儲層。正是因為伊利石阻礙汞在孔隙中流動，當(dāng)壓力達(dá)到可以破壞搭橋式伊利石時，汞可以進(jìn)入更小的孔隙空間內(nèi)。

C類儲層:這類儲層的壓汞曲線很不完整，進(jìn)汞曲線沒有平臺，退汞曲線近似平行于Y軸，最大進(jìn)汞量僅為30%。此類儲層孔隙小、孔喉比高，孔喉半徑主要分布在0.004－0.015 μm 之間，屬于產(chǎn)能和采收率均低的極差儲層。相對應(yīng)的，其含粘土礦物含量高、種類多、伊/蒙間層比中等。粘土礦物充填孔隙空間使得原生孔隙減小甚至消失。

總之，粘土礦物總量多、種類多、伊利石含量高、伊/蒙間層比大的儲層其壓汞曲線形態(tài)越不完整。粘土礦物的存在占據(jù)了原生孔隙和吼道使得流體流動變得困難。通過對壓汞和X衍射數(shù)據(jù)的分析還發(fā)現(xiàn)，隨著埋深增加，溫度壓力增大，粘土礦物總量和伊利石含量也相應(yīng)增大，壓汞曲線也從B類逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镃類，儲層物性變差。

3.3 粘土礦物與古環(huán)境間的關(guān)系

在整個地史時期，古氣候不斷地冷暖交替變化致使粘土礦物組合特征隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。在本區(qū)目的層中，粘土礦物組合以伊利石，伊利石+伊－蒙有序間層+綠泥石、伊利石+綠泥石組合，代表了干旱富K+的鹽湖環(huán)境。

3.4 粘土礦物與成巖環(huán)境間的關(guān)系

黃驊坳陷內(nèi)伊利石普遍存在并且伴隨大量鉀長石溶蝕現(xiàn)象，說明本區(qū)出現(xiàn)過大量鉀長石發(fā)生溶蝕的成巖環(huán)境。鉀長石在100℃ －200℃下的堿性溶液中最易溶蝕，這也就說明本區(qū)目的層普遍經(jīng)歷了堿性地下水成巖環(huán)境。并隨埋深增加，蒙脫石逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾倪^程中仍舊需要富K+的堿性環(huán)境，因此現(xiàn)今地下的成巖環(huán)境依舊是堿性水條件。

在黃驊坳陷有油藏形成的部分，則出現(xiàn)了高嶺石與伊利石共存的現(xiàn)象。而與伊利石的形成環(huán)境相反，高嶺石的形成需要開放的酸性環(huán)境，這應(yīng)該是油藏形成過程中帶來的有機(jī)酸使得地下水條件發(fā)生改變，逐漸將堿性環(huán)境改變?yōu)樗嵝原h(huán)境，高嶺石便逐漸從酸性溶液中沉淀出來。

4 結(jié)論

1)黃驊坳陷上古生界儲層的粘土礦物以伊利石、伊蒙/間層為主，少數(shù)樣品可見綠泥石和自生高嶺石發(fā)育。伊利石含量、伊蒙/間層比隨埋深增加而增大。搭橋式伊利石使?jié)B透率下降，襯墊式伊蒙/間層和綠泥石影響稍弱。充填式自生高嶺石一般與孔、滲成正相關(guān)。

2)粘土礦物特征結(jié)合壓汞曲線可將本區(qū)目的層分為A、B、C三類儲層。隨埋深和粘土礦物總量增加、伊利石發(fā)育，A類采收率產(chǎn)能中等型儲層會逐漸向B類“雙平臺式”儲層演變，最終成為C類極差儲層。

3)粘土礦物組合暗示本區(qū)為干旱鹽湖的古環(huán)境。成巖環(huán)境全區(qū)均為堿性，僅在油藏附近表現(xiàn)為堿－酸－堿的變化過程。

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