鄂爾多斯盆地合水地區(qū)長7 致密油儲層伊利石成因

田建鋒，高永利，張蓬勃，王秀娟，楊友運

(1. 西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安710065; 2. 西安石油大學石油工程學院，陜西西安710065;3. 中國石油長慶油田勘探開發(fā)研究院，陜西西安710021)

致密油是當今全球油氣勘探開發(fā)的熱點之一，在我國鄂爾多斯盆地、準噶爾盆地、四川盆地以及松遼盆地等主要盆地廣泛分布［1］，資源潛力巨大，僅鄂爾多斯盆地晚三疊系延長組致密油資源量就高達35.5 ×108～40.6 ×108t［2］，其中長7 是最主要的致密油儲層，但是受前期認識程度和開采技術的局限，長7 油層組一直作為中生界的生油層進行研究，對其儲層特征的研究較少。近年來，隨著盆地勘探程度的不斷提高，長7 油藏不斷獲得突破，發(fā)現(xiàn)了多個含油富集區(qū)［3］，盆地西南部合水地區(qū)里17、里152、西233、里47、莊230等一批井壓裂后，獲高產(chǎn)工業(yè)油流(大于20 t/d)，預示著巨大的勘探潛力。儲層研究是致密油勘探開發(fā)的靈魂［2］，合水地區(qū)長7 致密油儲層中伊利石含量異常高，是控制長7 致密油儲層物性的主要因素。因此伊利石的成因及其對儲層物性的影響，成為合水地區(qū)長7 致密油研究的重點之一。

1 儲層基本特征

依據(jù)沉積旋回，自下而上長7 油層組細分為長73、長72和長713 個小層［3］，合水地區(qū)長7 油層組各小層厚度30～40 m，其中長73主要為半深湖-深湖相夾凝灰質(zhì)暗色泥巖和油頁巖，油頁巖厚度15～40 m;而長72和長71發(fā)育大套濁積砂體，砂巖累計厚度20～50 m，與下部長73油頁巖緊密接觸，形成了大面積的致密油。

563 個鑄體薄片和445 個圖像粒度分析結果表明，合水地區(qū)長7 砂巖為巖屑長石砂巖和長石巖屑砂巖(圖1)，粒度中值主要為3～4(Φ 值)，屬于極細砂巖，次棱角狀，分選中等-差。填隙物包括伊利石、鐵白云石、鐵方解石、自生石英膠結和長石加大，局部地區(qū)還可見綠泥石膠結，填隙物總量10.0%～30.0%，平均含量13.7%，其中伊利石平均含量高達9.1%，占填隙物總量的66.0%，是西峰、姬塬、華慶等地區(qū)長8儲層中伊利石含量的2～4 倍，鐵邊城長7 儲層中的伊利石也不到研究區(qū)的一半(表1)。

圖1 合水地區(qū)長7 砂巖三角分類Fig.1 Ternary diagram for classification of Chang 7 sandstone in Heshui area

合水地區(qū)長7 油層組2 700 多個實測物性數(shù)據(jù)表明，儲層滲透率為0.05 ×10-3～0.20 ×10-3μm2，平均0.13 ×10-3μm2;孔隙度7.0%～10.0%，平均8.8%。儲層孔隙類型包括粒間孔、長石溶孔、巖屑溶孔以及少量的微孔、微裂縫，平均面孔率2.4%，其中長石溶蝕孔占絕對主導，平均1.32%，其次為粒間孔0.72%。

2 伊利石產(chǎn)狀、成分及分布規(guī)律

2.1 伊利石以分散雜亂片狀為主，少量蜂窩狀，孤立的絲縷狀難見

伊利石晶體結構與白云母的基本相同，也屬于2 ∶1 型結構單元層的二八面體型，與白云母不同的是層間K+的數(shù)量比白云母少，而且有水分子存在，因此伊利石也稱為水白云母或水云母。伊利石單體常呈二向延長的(彎曲)片狀(長寬比＜3)和一向延長的板條狀(長寬比3～50)及纖維狀(長寬比＞50)［4］。片狀伊利石集合體可表現(xiàn)為雜亂堆積、近平行排列或貼粒狀和似蜂窩狀等多種形式，纖維狀伊利石集合體呈孔隙充填絲縷狀(又稱發(fā)絲狀)和搭橋狀產(chǎn)出。鑄體薄片、掃描電鏡和X-衍射分析均表明合水地區(qū)長7 砂巖中普遍發(fā)育伊利石，但由于其晶體微小，偏光顯微下觀察不到單體形態(tài)，集合體表現(xiàn)為分散污濁狀(圖2a，b);掃描電鏡下大多呈雜亂分散不規(guī)則彎曲片狀(圖3b，d)，也可見少量蜂窩狀伊利石(圖3e)，還可見部分云母顆粒局部或全部蝕變成近平行排列的片狀伊利石(圖3a)，但極難見到單獨產(chǎn)出的絲縷狀伊利石(圖3c)，它們一般與各種片狀伊利石伴生，分布在片狀伊利石的邊緣(圖3b，c，e)，總體含量相對較低。

表1 合水地區(qū)長7 及鄰區(qū)長8 填隙物含量對比Table 1 Comparison of matrix contents between Chang 7 in Heshui area and Chang 8 in adjacent area

圖2 合水地區(qū)長7 填隙物及孔隙分布特征Fig.2 Distributions of matrix and pores of Chang 7 sandstone in Heshui area

圖3 合水地區(qū)長7 伊利石分布特征Fig.3 Scanning electron micrographs illustrating the texture and morphology of illite in Chang 7，Heshui area

圖4 合水地區(qū)長7 伊利石含量與平均粒徑交會圖Fig.4 Illite content vs.average grain size of Chang 7 in Heshui area

2.2 伊利石含量與巖石結構相關

通過對合水地區(qū)長7 大量薄片和粒度分析資料的統(tǒng)計表明，伊利石含量與砂巖粒度具有明顯的負相關關系(圖4)，砂巖粒度越細，伊利石含量越高，表明沉積水動力是控制伊利石分布的重要因素。鄰區(qū)(西峰、姬塬、華慶)長8 和鐵邊城地區(qū)長7 油層組主要為三角洲相細砂巖，而非濁流沉積的極細砂巖，可能是其伊利石含量相對少的主要原因。

2.3 伊利石與自生石英具有明顯的相斥性

合水地區(qū)長7 砂巖儲層中自生石英加大和自生石英雛晶均較發(fā)育，鑄體薄片鑒定平均含量為1.2%，由于砂巖粒度細、泥質(zhì)含量高，鑄體薄片鑒定的石英膠結物含量可能偏低，掃描電鏡下石英膠結含量普遍大于2%，主要為2%～5%，且自生石英與伊利石具有明顯的排斥性。從圖3b 可以看到，伊利石呈分散雜亂片狀分布，其邊緣可見少量絲縷狀伊利石，伊利石發(fā)育的位置，石英加大不發(fā)育或自生石英雛晶不發(fā)育，且石英加大和自生石英雛晶表面均無任何形式的伊利石出現(xiàn)。

2.4 伊利石僅分布于原生孔內(nèi)

長石溶孔是合水地區(qū)長7 儲層最主要的孔隙類型，占總孔隙的55%，但是鑄體薄片和掃描電鏡觀察均發(fā)現(xiàn)，伊利石僅分布于原生粒間孔內(nèi)，溶蝕孔中只有少量的鐵白云石部分充填，未見任何形態(tài)的伊利石(圖2，圖3f)。

3 伊利石化學成分及相對含量

3.1 儲層中伊利石成分復雜

研究區(qū)伊利石的產(chǎn)狀可分為分散雜亂片狀、云母蝕變片狀和(片狀邊緣的)絲縷狀3 種類型，能譜測試表明，合水地區(qū)長7 伊利石成分復雜，各種產(chǎn)狀的水云母均含有一定量的Fe 和Mg 等雜離子，其中FeO 含量為3.21%～7.49%，相對較高(FeO 含量過高樣品是測試分析的誤差，因纖維狀伊利石晶間孔發(fā)育，能譜分析易受到樣品下部成分影響)，表明伊利石成分不純(表2)。不同產(chǎn)狀的伊利石Si/Al 比值具有明顯差異性(表2)，分散雜亂片狀伊利石的Si/Al 為2.59～2.67(圖3b 點4～5)，片狀礦物未完全轉化的Si/Al 為2.3～2.6(圖3a 點1～3)，似蜂窩狀Si/Al 為1.92～2.18(圖3e 點10～11)，轉化較徹底的Si/Al 為1.6～1.83(圖3d 點9)，絲縷狀水云母Si/Al 為1.57～1.88(圖3c 點6～8)。

3.2 砂巖和泥巖中粘土礦物相對含量相似

從砂巖和泥巖的X-衍射全巖分析來看(圖5)，除泥巖中含有較高的黃鐵礦外，兩者主要礦物種類相同，但砂巖中斜長石含量遠高于鉀長石，斜長石與鉀長石比值平均為3.27，而泥巖中斜長石與鉀長石含量相當，斜長石與鉀長石比值平均為1.02。但粘土礦物X-衍射分析表明，砂泥巖中粘土礦物的相對含量無明顯差異，均以伊利石為主，平均含量分別為53.8%和53.9%，其次為綠泥石，分別為25.9% 和19.5%(圖6)。

表2 合水地區(qū)長7 油層組伊利石和鉀長石掃描電鏡能譜分析晶體化學成分Table 2 Chemical composition of illite and K-feldspar by SEM-EDS in Chang 7，Heshui area

圖5 合水地區(qū)長7 砂巖和頁巖X-衍射全巖分析結果Fig.5 Mineralogy of the profile obtained through XRD of whole-rock for Chang 7 sandstone and shale in Heishui area

圖6 合水地區(qū)長7 砂巖和頁巖X-衍射粘土礦物含量分析結果Fig.6 Clay mineral composition profile of Chang 7 sand stone and shale by XRD in Heshui area

4 伊利石成因

4.1 伊利石常見成因類型及特征

伊利石按成因可分為原生和自生兩種類型的伊利石，原生成因伊利石是與陸源碎屑顆粒一起沉積的伊利石，主要受沉積物源和構造條件控制，一般而言，物源以變質(zhì)巖為主，泥巖或砂巖中的泥質(zhì)往往富含伊利石，當物源富含火山碎屑巖和凝灰?guī)r時，泥巖粘土往往富含蒙脫石［5-6］;在強烈的造山帶，由于陸源區(qū)快速抬升、剝蝕，經(jīng)歷風化作用時間很短，粘土礦物組成往往富含伊利石［6］。

自生伊利石是成巖期形成的伊利石，是碎屑巖中最主要的類型，按物質(zhì)來源可分為蒙脫石轉化型、高嶺石轉化型和直接結晶型3 種類型。

蒙脫石轉化型:隨著埋深和溫度的升高，蒙脫石將發(fā)生脫水作用;當溫度達到在70～100 ℃時，蒙脫石將普遍發(fā)生伊利石化［7］。該反應是碎屑巖中(特別是泥巖、頁巖)最普遍的成巖過程。這些蒙脫石即可以是原生沉積的，也可以是早成巖階段自生形成的，其轉化過程可分為固態(tài)反應和溶解-沉淀反應兩種機理［8-10］。前者的特點是2 ∶1 的蒙皂石層在整個反應過程中始終保持完整，反應由Al3+替換四面體中的Si4+，再由K+替換其他陽離子，按如下反應(1)進行:

溶解-沉淀反應是通過溶解2 ∶1 的蒙皂石層，形成新的伊利石層，按如下反應(2)進行:

不管是那種反應機理，均需要大量K+供應，并釋放出Fe2+，Mg2+和Si4+等離子，在相對封閉體系內(nèi)，K+主要由鉀長石的溶蝕提供，也可由富鉀的蒙脫石自身提供［11］。

通過對比Salton Sea 地熱田與Gulf Coast 沉積物中蒙脫石伊利石化的差異，認為在開放環(huán)境下，蒙脫石通過溶蝕-沉淀形成伊利石，而在封閉環(huán)境下，蒙脫石以固態(tài)反應機理形成伊利石［12］。從熱力學角度來看，固態(tài)反應機理較溶解-沉淀反應機理更易發(fā)生［13］，具體的轉化機理可以通過對比先存礦物與伊利石的產(chǎn)狀確定。固態(tài)反應機理是一個交代過程，故形成的伊利產(chǎn)狀與先存蒙脫石相似，由原生蒙脫石轉化形成的伊利石分布于粒間孔隙內(nèi)，常呈它形分散片狀，而由自生蒙脫石形成的伊利石則可呈蜂窩狀;由于交代程度的非均質(zhì)性，伊利石的成分常具有不均一性。溶蝕-沉淀反應機理形成的伊利石產(chǎn)狀與先存蒙脫石相關性差，可呈自形-半自形的假六邊形、板條狀和纖維狀，因?qū)儆陂_放環(huán)境下溶液結晶的產(chǎn)物，成分相對較均一。

高嶺石伊利石化:該類伊利石在砂巖儲層中最為常見，如北海Ellon 油田Brent 組砂巖［14］、挪威Haltenbanken 地區(qū)Garn 組砂巖［15］、鄂爾多斯盆太原組砂巖［16］、四川盆地三疊系須家河組［17］和沙特阿拉伯石炭系-二疊系Unayzah 組砂巖［18］等，且均在溫度超過120 ℃的地層中自生伊利石急劇增加［14-20］。熱力學計算表明，砂巖成巖階段鉀長石與高嶺石反應生成伊利石的過程為一個負熵反應，按反應(3)進行:

一旦啟動將自發(fā)進行［20］。該反應可以分解為反應(4)和反應(5)兩個過程:

即鉀長石通過消耗H+發(fā)生溶解提供K+，而K+與高嶺石反應又能夠釋放H+，產(chǎn)生的H+進一步溶解鉀長石。早成巖階段，砂巖處于開放環(huán)境之中，孔隙流體內(nèi)的K+遷移能力強，K+濃度難以達到伊利石結晶的K+/H+比值范圍。而在中成巖階段至120 ℃以前，有機質(zhì)成熟釋放大量有機酸，導致孔隙流體呈酸性，H+濃度過大而達不到伊利石結晶的K+/H+比值范圍，以形成高嶺石為主;有機酸影響弱的地方形成的高嶺石數(shù)量也有限，即使能夠發(fā)生反應(4)，形成的伊利石也很少，如果有其他成因的高嶺石(如大氣淡水淋濾)，也難以形成大量的伊利石，因為只有溫度超過120 ℃后，伊利石的的結晶速率才明顯加快［21］。因此，溫度低于120 ℃的地層難見高嶺石發(fā)生伊利石化，而當溫度超過120 ℃以后，伊利石的結晶速率明顯增加，同時溫度越高，孔隙流體逐漸轉變?yōu)閴A性，且達到伊利石結晶所需要的K+/H+比值也在減小［16-17，22］，一旦達到伊利石結晶范圍時，反應(3)將快速發(fā)生，直到高嶺石和鉀長石兩者中一種產(chǎn)物基本耗盡為止［16-18］，故高嶺石伊利石化的規(guī)模由先存高嶺石和鉀長石中物質(zhì)的量較少的一種物質(zhì)決定。

直接結晶型:在埋藏深度較大、溫度較高的條件，如果有外來富鉀高溫流體的加入，可導致伊利石直接結晶［25-26］或蒙脫石與外來流體反應形成［23］。伊利石的分布與地層埋藏史無直接關系，主要受外來流體的波及范圍控制，由于外來流體和孔隙流體性質(zhì)的不確定性，伊利石的產(chǎn)狀也具有多樣性，如德國北部的二疊系Rotliegende 砂巖中的伊利石為包裹顆粒的片狀和向孔隙伸展的板條狀和纖維狀［26］，巴西南部早古生代Guaritas Allogroup 砂巖為顆粒包膜狀和搭橋狀［25］，而Illinois 盆地下古生界砂巖為板條狀和片狀伊利石［23］。該類型伊利石在世界范圍內(nèi)分布局限，不屬于常見的自生伊利石類型。

4.2 合水地區(qū)長7 伊利石成因類型

合水地區(qū)伊利石平均含量高達9.1%，以分散片狀為主，僅分布于粒間孔隙內(nèi)，含量高低受巖石結構控制，化學成分復雜，這些特征與蒙脫石轉化生成的伊利石特征相對應;同時濁流沉積砂巖雜基含量一般較高，且可見大量雜基伊利石化(圖3g，h)，表明合水地區(qū)長7伊利石主要為大量蒙脫石等雜基轉化的產(chǎn)物。砂巖泥巖成分對比表明，砂巖中鉀長石溶蝕更為普遍，鉀長石溶蝕為蒙脫石伊利石化提供K+，如果該過程按照反應(4)進行，勢必將在溶蝕孔中可見一定量的伊利石，但研究區(qū)溶蝕孔中無任何產(chǎn)狀的伊利石，這是因為蒙脫石伊利石化所需K+和Al+3離子濃度比結晶形成纖維狀伊利石要低的多［11，27］，鉀長石溶蝕時達到了蒙脫石伊利石化的條件，但未達到從孔隙流體中結晶出伊利石的條件。而伊利石與自生石英的相斥現(xiàn)象，與沙特阿拉伯的Unayzah 砂巖相似［19］，是相互競爭結晶基底的結果，其中石英與伊利石為同一時期的產(chǎn)物。除上述伊利石的分布、產(chǎn)狀和成分特征外，還有如下證據(jù):1)研究區(qū)砂巖巖屑含量高，主要為千枚巖(3.6%)、石英片巖(2.3%)和噴發(fā)巖(2.2%)，且沉積時期火山活動頻繁［28］，表明物源區(qū)具有豐富的火山碎屑巖和凝灰?guī)r，為形成早期蒙脫石提供了物質(zhì)基礎。2)研究區(qū)長石溶蝕發(fā)育，但溶蝕孔中未見伊利石，且12 個樣品的能譜分析表明，發(fā)生溶蝕的是熱力學上相對穩(wěn)定的鉀長石而不是更易溶蝕的斜長石，導致砂巖中斜長石與鉀長石的比例明顯高于泥巖中斜長石與鉀長石的比例，這種反常現(xiàn)象的出現(xiàn)，說明鉀長石溶蝕時期存在鉀的大量消耗，先存蒙脫石的伊利石化可以導致該反應的有效進行［16-17］。3)不具備高嶺石大量伊利石化的條件:高嶺石伊利石化大量發(fā)生的溫度一般超過120 ℃，合水長7 地層溫度一般不超過120 ℃［29］，且地層中高嶺石難見，更未見到高嶺石的伊利石化，其下部長8 地層中高嶺石較常見［30-31］，其邊緣發(fā)生部分伊利石化，形成絲縷狀伊利石，但高嶺石和鉀長石含量普遍較高，充分說明合水長7 不具備高嶺石轉化形成大量伊利石的條件。4)不具備直接結晶型伊利石形成的條件，鄂爾多斯盆地構造穩(wěn)定，尚無證據(jù)表明長7 油層組內(nèi)部有過富鉀熱流體的充注;即使有過富鉀流體的作用，伊利石也將分布于利于外來流體活動的大套相對優(yōu)質(zhì)儲集砂層中，而粒度細、物性差的長7 砂巖中難以發(fā)育。因此，也不存在直接結晶形成大量伊利石的地質(zhì)條件。

5 結論

1)合水地區(qū)長7 致密油儲層為極細砂巖，伊利石平均含量高達9.1%，以鉀長石溶蝕孔為主，其次為殘余粒間孔。

2)伊利石主要為雜亂分散片狀，少量絲縷狀和搭橋狀。砂巖粒度越細，伊利石含量越高，且僅分布于粒間孔隙內(nèi)。

3)研究區(qū)砂、泥巖主要粘土礦物相對含量相似，但砂巖中斜長石/鉀長石比高于泥巖。伊利石成分復雜，是先存蒙脫石伊利石化的產(chǎn)物，所需鉀由鉀長石溶蝕提供，該過程促進了長石溶蝕孔的發(fā)育。

4)長7 沉積時期盆地周緣強烈的火山活動提供了充足的火山物質(zhì)，受濁流沉積環(huán)境的影響，在合水地區(qū)部分火山物質(zhì)以雜基的形式與極細砂巖一起沉積，在早成巖A 期轉化成蒙脫石，并最終在早成巖B 期和中成巖A 期，蒙脫石轉化成伊利石。

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