廣安地區(qū)侏羅系涼高山組粘土礦物研究

王永生，朱國華，王瑩

(中國石油 杭州地質(zhì)研究院，碳酸巖鹽重點(diǎn)實(shí)驗室，杭州 310023)

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造示意圖

粘土礦物是沉積巖中分布最豐富的礦物，在沉積巖石學(xué)、石油地質(zhì)學(xué)以及油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣。在石油工業(yè)中，粘土礦物的研究涉及地殼結(jié)構(gòu)運(yùn)動和盆地構(gòu)造發(fā)展史研究、地層沉積和成巖作用研究及油氣的生成、運(yùn)移、富集和鉆井工程、油層保護(hù)油田開發(fā)、三次采油、煉油等各個方面，與油氣勘探開發(fā)的各個環(huán)節(jié)都有著十分密切的關(guān)系[1]。粘土礦物一般存在礫巖、砂巖、粉砂巖等陸源碎屑巖中，常見粘土礦物有蒙皂石、伊利石、高嶺石、綠泥石，以及伊蒙混層和綠蒙混層等，其組成、含量、物理化學(xué)性質(zhì)和成巖變化特征以及它們在儲層孔隙中的分布特征等；不僅對沉積盆地內(nèi)油氣的運(yùn)移和聚集起著重要作用，而且對油氣勘探開發(fā)過程也有著重要影響。廣安地區(qū)涼高山組儲集層巖性為一套細(xì)砂巖-粉砂巖夾黑色泥巖與泥質(zhì)粉砂巖呈條紋或帶狀互層，巖石類型主要為長石巖屑砂巖，其孔隙度為一般1%～5%，平均2%左右；滲透率平均 0.055×10-3μm2，屬于特低滲透儲層，該類儲層一般無自然產(chǎn)能需要人工壓裂，本文對該區(qū)開展粘土礦物特征研究，并探討了該區(qū)儲集層的成巖階段及粘土礦物與孔隙結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

圖2 川中地區(qū)涼高山組生儲蓋組合綜合柱狀圖

1 研究區(qū)的地質(zhì)背景

研究區(qū)(圖1)區(qū)域構(gòu)造位置處于四川盆地川中古隆起平緩構(gòu)造區(qū)，行政位置位于四川省南充市、廣安市境內(nèi)。地理位置包括南充以東，營山以南、華鎣山以西和合川以北，共5 100km2。根據(jù)前人的研究成果對涼高山組進(jìn)行了地層對比與劃分，將涼高山組分為涼上、涼下兩段（圖2），涼上段再細(xì)分為涼I、涼I～I(xiàn)I及涼II三層[2]，涼高山組是繼大安寨末湖盆萎縮后又一次大規(guī)模的湖侵的沉積產(chǎn)物，為內(nèi)陸淡水湖泊沉積環(huán)境。依據(jù)12口井的50個粘土礦物x衍射分析、全巖x衍射、物性和掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)圖像對涼高山組粘土礦物特征進(jìn)行綜合分析。

2 粘土礦物含量及對孔隙度的影響

表1從上到下：各井在平面上從北東到西南向分布，粘土在全巖礦物中的含量增加，從7.7%到35.7%，孔隙度則具降低趨勢?；颈憩F(xiàn)為，粘土含量≤21% ，孔隙度>2.5%；粘土含量>21%，孔隙度<2%。

表1 涼高山組巖石成分及孔隙度數(shù)據(jù) （單位：%）

3 粘土礦物類型與孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙度的關(guān)系

本區(qū)粘土礦物主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石四種礦物組成，以伊/蒙混層為主，其次為綠泥石、伊利石和高嶺石（表2）。

粘土礦物種類在研究區(qū)內(nèi)沒有明顯的差異，比較明顯特征的是伊蒙混層含量普遍較高，多為有序混層；同一口井隨著深度的增加，伊蒙混層中的蒙脫石混層比下降，有序度變好，在蒙皂石伊利石化是通過固態(tài)轉(zhuǎn)變途徑[3],該途徑涉及伊利石對蒙皂石的形衍替代(固態(tài)反應(yīng)轉(zhuǎn)變),替代過程中伊利石的Reichweite有序、多型、大小和形態(tài)均逐步變化,且在顆粒大小和形態(tài)上繼承了先前的蒙皂石。高嶺石和綠泥石變化不明顯，含量較高，可能與取樣的井深覆蓋的范圍有關(guān)，規(guī)律性不強(qiáng)。隨著伊利石、伊蒙混層在粘土礦物中的相對含量降低，綠泥石、高嶺石在粘土礦物中的相對含量增加，巖石孔隙結(jié)構(gòu)變好，儲集層物性也有所改善。

表2 粘土礦物類型與孔隙度對比表

4 粘土礦物分布狀態(tài)與孔喉特征

該區(qū)的粘土礦物種類有主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石等四種礦物，粘土礦物主要作為膠結(jié)物和雜基形式存在于巖石組構(gòu)中。通過掃描電鏡對粘土礦物的微觀形態(tài)觀察：

1）高嶺石的產(chǎn)狀為：①粒間孔隙充填：呈分散質(zhì)點(diǎn)狀、書狀集合體，晶粒一般5μm，見圖3a；②粒間孔充填蠕蟲狀高嶺石，個別呈絨球狀，晶形完好，粒徑可達(dá)10μm，見圖3b；

2）伊利石的產(chǎn)狀有：①粒間孔充填：呈彎片狀，邊緣略卷曲，或絲狀與綠泥石共生；②交代式：伊利石交代長石；③薄膜式：包圍顆粒表面，晶片平行顆粒表面排列(切線方向),在本區(qū)較普遍；

3）伊/蒙間層的產(chǎn)狀有：①顆粒包殼(包被)，對于間層比＞30%的樣品常見，呈類似蜂窩狀到不規(guī)則的破網(wǎng)狀，如圖3c；②粒間孔隙充填，與綠泥石、高嶺石、伊利石等共存，見圖3f；

4）綠泥石的產(chǎn)狀有：①包殼或襯邊：晶體近于垂直顆粒表面排列，大小為 2～5μm，②粒間孔隙中充填的綠泥石：呈片狀，與伊利石共生，晶體＜5μm，見（圖3d、3e）；③絨球狀或扇形：為深層系的綠泥石主要產(chǎn)狀，晶片10～15μm ，集合體 10～30μm，④絮團(tuán)狀：由＜5μm 的綠泥石構(gòu)成的集合體，絮團(tuán)形狀不規(guī)則，其內(nèi)微孔發(fā)育。

該區(qū)粘土礦物對孔隙的影響是雙重的，一方面隨著粘土礦物含量的增加，原生孔隙被充填，導(dǎo)致原生孔隙和喉道的進(jìn)一步減少和降低，另一方面粘土礦物中的微孔和次生變化形成的晶間孔和高嶺石、綠泥石等在成巖過程中形成的收縮孔等增加了有效孔隙和喉道，改善了儲層的儲集性能。研究表明，該區(qū)粘土礦物內(nèi)微孔和粒內(nèi)溶孔較發(fā)育，對儲集層的孔隙結(jié)構(gòu)有改善作用，其余孔隙不發(fā)育，因而對該區(qū)而言，粘土礦物內(nèi)的微孔值得重視，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，無論對于儲層研究還是油田開發(fā)等都有著深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

圖3 粘土礦物微觀形態(tài)圖

5 粘土礦物種類與成巖作用

一定的礦物組合與一定的成巖環(huán)境密切相關(guān)，該區(qū)的礦物組合為高嶺石（K）、伊利石（I）、伊/蒙混層（I/S）及綠泥石（C）；I（伊利石）和I/S（伊/蒙混層）含量基本大于70%，K（高嶺石）和 C（綠泥石）含量之和一般小于 30%，按照王行信[4]等人根據(jù)粘土礦物組合對成巖階段的劃分，應(yīng)歸于晚成巖階段A亞期砂泥巖（尤其是泥巖）典型的粘土礦物組合，一般與有機(jī)質(zhì)低成熟-成熟階段相對應(yīng)，這和對該區(qū)的鏡質(zhì)體反射率（RO）介于0.7～1.2之間相吻合。

6 粘土礦物與成巖階段的劃分

粘土礦物及其演化一直作為碎屑巖成巖作用中重要的“序參量”加以研究，特別是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化反應(yīng)受到石油地質(zhì)家的極大關(guān)注，混層粘土礦物I/S的混層比參數(shù)%S可以作為成巖階段劃分的重要標(biāo)志，該區(qū)的研究表明，隨著深度的增加，成巖作用加強(qiáng)，巖石中蒙皂石已經(jīng)消失，轉(zhuǎn)化為間層礦物，間層礦物先增加后減少，伊/蒙混層中蒙脫石層（S）含量減少且由無序向有序轉(zhuǎn)變，最終轉(zhuǎn)化成伊利石，參照張一偉[5]等的粘土礦物轉(zhuǎn)化帶劃分，對本區(qū)的粘土礦物的演化進(jìn)行分析：1）蒙皂石帶：伊蒙混層中的蒙脫石含量高于70%，離散狀分布，結(jié)合粘土X衍射和掃描電鏡微區(qū)分析，本區(qū)未發(fā)現(xiàn)。2）蒙脫石間變帶：埋深1 800～2 000m,伊蒙混層中的蒙脫石含量50%～70%，有機(jī)質(zhì)未成熟，RO＜0.5%,相當(dāng)于早成巖B期[6]。3）第一迅速轉(zhuǎn)化帶：埋深2 200～2 620m, 伊蒙混層中的蒙脫石含量35%～50%，對有機(jī)質(zhì)的催化起著重要作用，促進(jìn)了干酪根的熱裂解，產(chǎn)生的短鏈羧酸和二氧化碳?xì)怏w，改變了酸堿環(huán)境，同時有機(jī)酸的產(chǎn)生加速了長石等鋁硅酸鹽的溶解，本區(qū)的粘土礦物部分處于該階段，是生油的重要階段。4）第二迅速轉(zhuǎn)化帶：埋深＞2 650m, 伊蒙混層中的蒙脫石含量約小于 35%，次生孔隙局部發(fā)育，對應(yīng)與晚成巖階段，生油的高峰期階段，結(jié)合其它手段研究表明，涼高山組正處于生油高峰期階段。5）伊利石帶：伊蒙混層中的蒙脫石含量約小于10%，伊利石大量出現(xiàn)，本區(qū)基本未見。

7 結(jié)論

1）本區(qū)涼高山組粘土礦物主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石四種礦物組成，以伊/蒙混層為主，混層比中蒙脫石含量低于50%，其次為綠泥石、伊利石和高嶺石。

2）研究表明，涼高山組目前正處于生油高峰期，RO介于0.7%～1.2%之間。

3）該區(qū)粘土礦物中的微孔對改善儲層的儲集性能有較大的貢獻(xiàn)，值得進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

[1]王行信. 我國油氣勘探開發(fā)中粘土礦物研究的現(xiàn)狀與建議[J]. 石油勘探與開發(fā)，1997，24（6）：99～100.

[2]唐大海. 川中東部侏羅系涼高山組儲層特征研究[J]. 天然氣勘探與開發(fā)，2002，23（4）：25～29

[3]AltanerSP,Yla ganrf.com.parison of structural model of mixed-layer illite-smectite and reaction mechanisms of smectite illitization[J].clays and clayminerals,1997,45:517-533

[4]王行信. 韓守華，中國含油氣盆地砂泥巖黏土礦物的組合類型[J]. 石油勘探與開發(fā)，2002，8（12）：36～38

[5]張一偉. 熊綺華，王志章, 等. 陸相油藏描述[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，1997, 99～120

[6]劉蒙慧. 碎屑巖儲層成巖演化模式[M]. 北京. 中國石油大學(xué)出版社，1993.