砂巖中自生粘土礦物的研究現(xiàn)狀、內(nèi)容和方法

摘 要：自生粘土礦物是砂巖中重要的填隙物，也是砂巖成巖階段劃分的重要指示礦物。該類礦物在油氣勘探開發(fā)過程中備受關(guān)注。隨著石油工業(yè)的大發(fā)展，砂巖中自生粘土礦物的研究，目前已取得了長足進(jìn)展。本文以高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等砂巖中常見自生粘土礦物為例，從研究現(xiàn)狀、內(nèi)容和方法三方面綜述砂巖中的自生粘土礦物。通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研認(rèn)為：研究內(nèi)容主要包括礦物學(xué)特征、賦存狀態(tài)（產(chǎn)狀）、發(fā)育機(jī)理及對儲(chǔ)層物性的影響等方面；薄片鑒定、染色分析、熱分析、X-射線衍射分析和掃描電鏡相結(jié)合是研究砂巖中自生粘土礦物的常規(guī)手段，目前亟待發(fā)展特色研究方法。

關(guān)鍵詞：自生粘土礦物 產(chǎn)狀 物性 砂巖

中圖分類號(hào)：P57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0053-03

自生粘土礦物通常晶形好、透明度高，是砂巖中較重要的填隙物，也是砂巖成巖階段劃分的重要指示礦物。砂巖中自生粘土礦物的研究源于沉積巖石學(xué)，其研究水平在砂巖成巖作用和儲(chǔ)層保護(hù)機(jī)理的研究中得到很大提高。雖然自20世紀(jì)60年代起，人們就已經(jīng)開始關(guān)注自生粘土礦物與砂巖儲(chǔ)層質(zhì)量的關(guān)系，但是有關(guān)砂巖中自生粘土礦物研究現(xiàn)狀、研究內(nèi)容和研究方法等方面的論述僅散見于沉積巖石學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)等教材和相關(guān)專業(yè)文獻(xiàn)中，缺乏系統(tǒng)綜述。鑒于此，本文主要以高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等自生粘土礦物為例，對砂巖中常見自生粘土礦物的研究現(xiàn)狀、內(nèi)容和方法進(jìn)行較全面的綜述，期望該領(lǐng)域的研究水平不斷攀升，科研碩果壓滿枝頭。

1 研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)20年代X射線技術(shù)誕生時(shí)，人們才知道粘土的本質(zhì)[1]。Hadding（1923）和Rinne（1924）提出了粘土均為結(jié)晶質(zhì)的結(jié)論，美國的Ross（1925）和Shannon（1926）再次肯定了他們的結(jié)論。Hendricks（1940）指出粘土礦物晶體構(gòu)造中廣泛存在著規(guī)則和不規(guī)則的變化。1949年至1950年Kerr主持編寫了《粘土礦物基準(zhǔn)》，1953年Grim出版了的《粘土礦物學(xué)》，同年，日本的須藤俊男也出版了《粘土礦物》，使粘土礦物作為地質(zhì)學(xué)科領(lǐng)域中一門獨(dú)立的學(xué)科走向歷史舞臺(tái)。1980年國際粘土學(xué)會(huì)提出的層狀粘土礦物的晶體化學(xué)分類表，使粘土礦物研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段[2]。

在油氣勘探領(lǐng)域，20世紀(jì)60年代以來，粘土礦物與儲(chǔ)層的關(guān)系，愈來愈受到人們的關(guān)注。70年代以后，粘土礦物分析已列為設(shè)計(jì)鉆井、完井、油田開發(fā)和油層改造等各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)時(shí)必須提供的基礎(chǔ)資料。

Neasham（1977）研究后首先發(fā)現(xiàn)，自生粘土礦物在砂巖孔隙中的不同產(chǎn)狀對砂巖的孔隙度、滲透率的影響基本上按分散質(zhì)點(diǎn)式—薄膜式—搭橋式的順序依次降低。Ehrenberg（1993）、Baker等（2000）注意到綠泥石包膜對海相砂巖儲(chǔ)層中孔隙的保護(hù)機(jī)制，Berger（1999），Gill和Yemane（1999），Lanson（2002），Turkmenoglu和Tankut（2002），Grevenitz（2003），Shaw（2006）主要研究儲(chǔ)層中粘土礦物的成巖作用及發(fā)生機(jī)制[3]。Needham等（2005）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了粘土礦物的生成。21世紀(jì)，在砂巖儲(chǔ)層中自生粘土礦物研究方面典型的代表是國際沉積學(xué)家聯(lián)合會(huì)在2003年出版的第34期特輯《Clay Mineral Cements in Sandstones》，這為未來的研究指明了方向。

我國石油系統(tǒng)從20世紀(jì)60年代開始對粘土礦物進(jìn)行研究。1986年，由趙杏媛、張有瑜等人承擔(dān)部級“七五”課題《粘土礦物研究及其在石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用》；1993年，中國石油天然氣總公司科技局設(shè)立“中國含油氣盆地粘土礦物圖冊”（徐同臺(tái)等，2003）；1995年，由趙杏媛、王行信等人出版了《中國含油氣盆地粘土礦物》，代表了20世紀(jì)我國對儲(chǔ)層粘土礦物研究的最高水平。

21世紀(jì)以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，埋藏成巖過程中粘土礦物的演化預(yù)測、動(dòng)力學(xué)研究、微生物對粘土礦物的作用；沉積有機(jī)質(zhì)與粘土礦物的有機(jī)—無機(jī)相互作用；砂巖中自生伊利石的形成機(jī)制以及顆粒包膜和孔隙襯里的自生綠泥與孔隙保存或演化的關(guān)系等都是近幾年碎屑巖沉積學(xué)和石油地質(zhì)學(xué)的研究熱點(diǎn)。

2 研究內(nèi)容

2.1 礦物學(xué)特征

粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，分為非晶質(zhì)和結(jié)晶質(zhì)兩類。后者分為層狀和鏈層狀兩種結(jié)構(gòu)類型，最常見的是層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物。層狀結(jié)構(gòu)的粘土礦物根據(jù)結(jié)構(gòu)單元層分為1∶1型（高嶺石族礦物）、2∶1（水云母族礦物）型和2∶1∶1（綠泥石族礦物）型三種類型。不同類型的粘土礦物表現(xiàn)的礦物學(xué)特征各不相同[4～6]（表1）。

2.2 賦存狀態(tài)

自生粘土礦物的賦存狀態(tài)是指粘土礦物分布特征及其與巖石骨架顆粒之間的相互關(guān)系，表現(xiàn)了粘土礦物在油氣層巖石孔道中的存在位置，以及粘土礦物本身的聚集狀態(tài)[7]。通常分為三種基本類型，即充填式（分散質(zhì)點(diǎn)式）、襯墊式（薄膜式）和搭橋式。

孔隙充填式是指粘土礦物以假六片狀，絮狀等單體形態(tài)或以花朵狀、花瓣?duì)畹燃象w充填于砂巖顆粒之間的孔隙中或微裂隙壁上。按其充填的程度可分為完全充填與不完全充填（圖1）；薄膜式指粘土礦物在碎屑巖顆粒表面呈定向排列，組成連續(xù)的貼付于孔隙壁上的薄膜。在鏡下看，粘土礦物在顆粒表面排列具明顯的方向性，根據(jù)其排列方向與顆粒表面夾角的關(guān)系，可分為兩種：一種是其排列與顆粒表面近于平行；另一種是垂直于顆粒表面向孔隙內(nèi)生長，即櫛殼狀。搭橋式是粘土礦物自顆粒表面向孔隙中垂直生長，生長快者可到達(dá)孔隙的彼岸，在孔隙中形成粘土礦物渡橋，其間有空洞存在，故稱為搭橋式（圖1）。

2.3 發(fā)育機(jī)理

自生粘土礦物是在砂巖儲(chǔ)層的成巖過程中，由某些先驅(qū)物質(zhì)蝕變或者孔隙水直接沉淀形成的粘土礦物，自生粘土礦物的形成條件取決于砂巖中礦物的成分、孔隙流體的性質(zhì)、溫度及氫離子濃度。砂巖中常見自生粘土礦物的反應(yīng)過程式如下：

2NaAlSi3O8（鈉長石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+4SiO2+2Na+

2KAlSi3O8（鉀長石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+4SiO2+2K+

3KAlSi3O8（鉀長石）+2H++H2O= KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+6SiO2（硅質(zhì)）+2K++H2O

3NaAlSi3O8（鈉長石）+K++2H++H2O =KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+3Na++6SiO2（硅質(zhì)）+H2O

3Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+2K+= 2KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+2H++3H2O

4.5K++8Al3++蒙皂石→伊利石+Na++ 2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

4Fe2++2Mg2++3Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+9H2O=Fe4Mg4Al6Si6O20（OH）16（綠泥石）+14H+

KAlSi（鉀長石）+0.4Fe2++0.3Mg2++ 1.4H2O=0.3（Fe14Mg12Al2.5）（Al0.7Si3.3）O10（OH）8（綠泥石）+2SiO2+0.4H++K+

2Al（OH）3+3H4SiO4+Fe2++4Mg2+= FeMg4Al2Si3O10（OH）8（綠泥石）+10H+

2.4 對儲(chǔ)層物性的影響

砂巖的滲透率隨著自生粘土礦物在孔隙中的產(chǎn)狀不同，按分散質(zhì)點(diǎn)式，薄膜式，搭橋式，依次降低，主要是因?yàn)閮?chǔ)層的滲透率有砂巖的孔喉半徑大小和連通性所決定Neasham（1977）。對多個(gè)油氣田砂巖儲(chǔ)集層自生粘土礦物成分統(tǒng)計(jì)表明，膠結(jié)物中高嶺石含量高的砂巖，比綠泥石、蒙脫石、伊利石含量高的砂巖儲(chǔ)集物性好[8～11]。

分散質(zhì)點(diǎn)式充填的自生高嶺石，充填于孔隙內(nèi)，在一定的程度上抑制了其他的膠結(jié)作用壓和實(shí)作用的進(jìn)行，保護(hù)了砂巖的原生孔隙，而且自生高嶺石發(fā)育的晶間孔，也增大了儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間；薄膜式或搭橋式充填的伊利石晶間孔不發(fā)育，纖維狀和發(fā)絲狀的伊利石圍繞顆粒表面生長，使孔隙喉道的空間減小，把大量的孔隙切割成微細(xì)的束縛孔隙，孔滲性降低，物性變差[12]；綠泥石一方面使砂巖的抗壓實(shí)作用增強(qiáng)，保護(hù)了砂巖的原生孔隙；另一方面在顆粒表面形成粘土薄膜，或以集合體充填孔隙，能有效地減少孔隙的有效半徑，堵塞喉道，使物性變差。研究表明，在孔隙度相同的情況下，砂巖的滲透率從高嶺石-綠泥石-伊利石逐漸降低（Willson，1982）。通過對鄂爾多斯盆地砂巖中自生粘土礦物產(chǎn)狀與壓汞關(guān)系的分析，也證明了粘土礦物產(chǎn)狀對砂巖的儲(chǔ)集性能具有明顯影響，充填式的物性最好，襯墊、搭橋式較差。

3 研究方法

砂巖中自生粘土礦物的研究主要是在室內(nèi)借助分析測試儀器進(jìn)行。利用薄片鑒定、染色分析、差熱分析、熱重分析、X射線衍射分析、掃描電鏡等方法（表2）。

3.1 染色分析和熱分析

染色分析是利用染料與研究對象所發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，按照粘土礦物的染色特征，可以鑒定粘土礦物的類型。在孔雀綠色劑的作用下，高嶺石呈藍(lán)-藍(lán)綠；伊利石呈綠藍(lán)-綠；蒙脫石呈黃-紅黃；綠泥石呈綠藍(lán)[13]。

熱分析主要是熱重分析和差熱分析。熱重分析（TG）是程序控制溫度下測量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度的關(guān)系的一種技術(shù)。差熱分析（DTA）是在程序溫度控制下，測量物質(zhì)與參比物（具熱惰性）之間的溫度差與溫度關(guān)系的一種技術(shù)，其結(jié)果是以熱效應(yīng)對爐溫的連續(xù)曲線的形式繪出[14]。法國H.Chatelier在1887年將差熱分析法應(yīng)用于研究粘土類礦物熱效應(yīng)。利用差熱分析鑒定粘土礦物主要是將獲得的DTA曲線與純礦物的標(biāo)準(zhǔn)曲線比較。

常見自生粘土礦物的差熱曲線（圖2），高嶺石在400 ℃～500 ℃開始失去結(jié)晶水，表現(xiàn)強(qiáng)烈、尖銳的吸熱谷；950 ℃～1050 ℃時(shí)有一放熱峰。伊利石在100 ℃～200 ℃出現(xiàn)吸熱谷，550 ℃～650 ℃有一寬緩的吸熱谷出現(xiàn)。蒙皂石在100 ℃～300 ℃出現(xiàn)吸熱谷，形成復(fù)谷，是逸出吸附水的反應(yīng)；在800 ℃的吸熱谷是蒙皂石的特征谷[15]。

3.2 X—射線衍射

X射線衍射分析方法基本原理：是利用X射線衍射圖譜進(jìn)行粘上礦物的定量分析，根據(jù)衍射峰值計(jì)算出晶面間距，判斷出礦物類型，并半定量的推斷出樣品中各種粘土礦物的百分含量。晶面間距根據(jù)布拉格定律計(jì)算，布拉格定律表達(dá)式為：

（d為晶面間距；n為正整數(shù)；λ為入射X射線的波長；θ為產(chǎn)生衍射峰值時(shí)X射線入射角）

某一種粘土礦物在樣品中的含量比越高則它的衍射蜂強(qiáng)度越強(qiáng)。X—射線衍射圖譜常常也可以獲得存在于樣品之中的各主要粘土礦物組分的化學(xué)成分方面的信息[16]。

3.3 掃描電鏡

掃描電鏡能直接觀察巖石樣品原始表面，具有景深大、圖像立體感強(qiáng)、分辨率較高，放大倍數(shù)大等特點(diǎn)，是自生粘土礦物定性分析的一種常用手段[17]。在電鏡掃描下不同類型的粘土礦物表現(xiàn)出不同的晶體形態(tài)（表1），掃描電鏡下也可以直觀地看到粘土礦物的空間分布特征（圖1）。

3.4 陰極發(fā)光

陰極發(fā)光顯微鏡技術(shù)用于研究巖石礦物組分特征的一種快速簡便的分析手段。其原理是：電子束轟擊到樣品上，激發(fā)樣品中發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生熒光，又稱陰極發(fā)光[18]。礦物陰極射線致發(fā)光的主要原因有兩種：一是礦物中含雜質(zhì)元素或微量元素（激活劑）；二是礦物晶格內(nèi)有結(jié)構(gòu)缺陷。

大多數(shù)高嶺石為靛色發(fā)光，如靛青色、靛藍(lán)色等。其發(fā)光程度與晶體結(jié)晶程度以及成因有關(guān)。結(jié)晶度良好，發(fā)光性強(qiáng)，反之，則發(fā)光微弱。

3.5 電子探針

電子探針是在電子光學(xué)和X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種高效率分析儀器，主要是進(jìn)行微區(qū)成分分析。原理是：用細(xì)聚焦電子束入射樣品表面，并在一個(gè)微米級的有限深度和側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)激發(fā)，主要用二次電子和背射電子觀察樣品的形貌，測量特征X射線波長與強(qiáng)度，對樣品中元素進(jìn)行定性、定量分析進(jìn)行成份分析[19]。

奧比（1966）根據(jù)綠泥石的光性特征及與Fe/（Fe+Mg）的關(guān)系將綠泥石劃分為富Mg、Mg—Fe、Fe—Mg、富Fe的四個(gè)亞類。對綠泥石玉進(jìn)行電子探針分析，發(fā)現(xiàn)其屬于富鎂亞類的斜綠泥石。

4 結(jié)語

隨著石油工業(yè)的大發(fā)展，砂巖中自生粘土礦物的研究目前已經(jīng)取得了長足發(fā)展。對于高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等砂巖中常見自生粘土礦物的研究已經(jīng)比較深入。對于自生粘土礦物的礦物學(xué)特征和賦存狀態(tài)（產(chǎn)狀）的認(rèn)識(shí)目前已經(jīng)比較清晰，自生粘土礦物的發(fā)育機(jī)理及其對儲(chǔ)層物性的影響等方面還有許多疑惑需要研究。多種分析方法相結(jié)合是研究砂巖中自生粘土礦物的常規(guī)手段，目前亟待發(fā)展特色研究方法。

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