東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層自生高嶺石發(fā)育特征與成因機(jī)制

張永旺，曾濺輝，曲正陽(yáng),陳俊兵

(1.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3.浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315010)

東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層自生高嶺石發(fā)育特征與成因機(jī)制

張永旺1,2，曾濺輝1,2，曲正陽(yáng)2,陳俊兵3

(1.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3.浙江省水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，浙江 寧波 315010)

通過(guò)大量薄片鑒定、巖心觀察以及掃描電鏡、粘土礦物粉晶衍射等分析測(cè)試手段，對(duì)東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層中發(fā)育的高嶺石的分布、產(chǎn)狀以及鏡下特征等進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層中高嶺石有自生和陸源兩種成因。自生高嶺石在儲(chǔ)層中較為常見(jiàn)，其微觀特征表現(xiàn)為結(jié)晶形態(tài)完整，呈典型的書(shū)頁(yè)或蠕蟲(chóng)狀充填于粒間孔和長(zhǎng)石顆粒溶孔內(nèi)，在鑄體薄片中可見(jiàn)自生高嶺石集合體呈“斑狀”的聚集充填特征。陸源高嶺石在研究區(qū)較為少見(jiàn)，一般在淺層出現(xiàn)，是在沉積過(guò)程中與碎屑顆粒等非粘土礦物同時(shí)形成。在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)自生高嶺石成因機(jī)制進(jìn)行了討論，認(rèn)為東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石類礦物的溶蝕作用是自生高嶺石形成的主要物質(zhì)來(lái)源。研究區(qū)粒度大、分選好的砂巖儲(chǔ)層中高嶺石含量較高，說(shuō)明除酸性的流體環(huán)境和一定的物質(zhì)供應(yīng)外，流體動(dòng)力條件也是自生高嶺石形成的重要控制因素。

自生高嶺石；高嶺石成因；砂巖儲(chǔ)層；東營(yíng)凹陷

高嶺石是砂巖儲(chǔ)層中最常見(jiàn)的自生粘土礦物之一，其發(fā)育程度是影響儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的一個(gè)重要因素，并且和油氣聚集關(guān)系密切，受到了石油地質(zhì)學(xué)家和礦物學(xué)家的普遍關(guān)注[1-13]。東營(yíng)凹陷位于渤海灣盆地濟(jì)陽(yáng)坳陷的南部，是一個(gè)古新世發(fā)育起來(lái)的、具有典型“北斷南超”特點(diǎn)的裂陷盆地，是濟(jì)陽(yáng)坳陷油氣資源最豐富的凹陷，其中沙河街組(Es)是東營(yíng)凹陷主要的油氣富集層位。前人對(duì)東營(yíng)凹陷自生高嶺石礦物特征及其與油氣層損害以及盆地演化關(guān)系[14-15]進(jìn)行了研究，但對(duì)其成因機(jī)制研究甚少。本文通過(guò)巖心觀察、薄片鑒定、掃描電鏡和粘土礦物粉晶衍射等分析測(cè)試手段，在對(duì)東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層中大量發(fā)育的自生高嶺石特征、含量、產(chǎn)狀等分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其成因機(jī)制進(jìn)行討論，研究成果對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)以及油氣運(yùn)聚成藏研究具有重要指導(dǎo)意義。

1 砂巖儲(chǔ)層高嶺石賦存狀態(tài)與特征

根據(jù)高嶺石的結(jié)晶形態(tài)特征可以推斷砂巖儲(chǔ)層中高嶺石是否為成巖自生或陸源成因[14]。東營(yíng)凹陷沙河街組砂巖儲(chǔ)層發(fā)育兩種晶形不同的高嶺石:一種為成巖過(guò)程中形成的自生高嶺石；另一種為陸源碎屑高嶺石。

1.1 自生高嶺石

成巖作用過(guò)程形成的高嶺石為高結(jié)晶度，在掃描電鏡下結(jié)晶形態(tài)完整，單晶呈假六方片狀，集合體呈書(shū)頁(yè)或蠕蟲(chóng)狀，少數(shù)呈環(huán)狀。這種類型的高嶺石在儲(chǔ)層中較為常見(jiàn)，充填粒間孔和長(zhǎng)石顆粒溶孔，主要分布于物性較好的河道砂巖和三角洲前緣砂壩砂巖中(圖1)。在鑄體薄片中，自生高嶺石呈“斑狀”產(chǎn)出(圖2b)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)高嶺石雖然占據(jù)了粒間孔隙的部分空間，但完全充填孔隙的情況較少，而且其還發(fā)育大量的晶間殘余孔隙和微孔隙。隨著埋深加大、溫度壓力升高以及成巖流體環(huán)境向弱堿性或堿性的轉(zhuǎn)變，高嶺石有向伊利石或綠泥石等粘土礦物轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)(圖2d)。通過(guò)肉眼和薄片觀察很難識(shí)別研究區(qū)砂巖儲(chǔ)集層中晶型較好的自生高嶺石，但通過(guò)掃描電鏡觀察結(jié)合能譜化學(xué)成份分析可較好地識(shí)別。

成巖自生高嶺石一般有兩種形成方式：一種是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)石類礦物在酸性流體中的溶蝕作用而形成。長(zhǎng)石在酸性流體環(huán)境中首先失去鉀、鈉和鈣等堿性離子，隨著堿性離子的減少，當(dāng)硅和鋁元素富集到一定程度時(shí)便直接結(jié)晶、蝕變形成高嶺石；另一種是成巖期從孔隙溶液中直接沉淀形成的高嶺石[16]。從孔隙溶液中結(jié)晶、沉淀形成的高嶺石常呈“斑狀”充填粒間孔隙(圖2b)，其原因可能與其形成過(guò)程中的“親合性”有關(guān)?？紫读黧w中的鋁離子一般呈絡(luò)合物形式存在，孔隙中一旦有高嶺石析出，便會(huì)形成一個(gè)“凝集”中心，之后析出的高嶺石則向這個(gè)中心靠攏，聚集形成“斑狀”而不是分散狀[17]。

X-射線衍射分析高嶺石含量很高的砂巖樣品，掃描電鏡也觀察到大量高嶺石。高嶺石為二八面體1 ∶1層型層狀構(gòu)造硅酸鹽。衍射譜圖(001)0.715 nm，(002)0.358 nm衍射峰清楚。在高嶺石含量高的砂巖圖譜上，(001)衍射峰尖銳而對(duì)稱，說(shuō)明結(jié)晶程度高，反映了成巖自生高嶺石的特征[18]。

1.2 陸源碎屑高嶺石

陸源碎屑高嶺石在鏡下呈碎片狀，結(jié)晶形態(tài)不完整(圖2f)，在研究區(qū)較為少見(jiàn)，一般在研究區(qū)淺層出現(xiàn)，這種高嶺石是以碎屑的形式與砂粒等非粘土礦物同時(shí)在沉積過(guò)程中形成。部分砂巖樣品X-射線衍射分析含高嶺石，由于陸源碎屑高嶺石形態(tài)上不是呈典型的書(shū)頁(yè)狀或蠕蟲(chóng)狀，因此在掃描電鏡下很難觀察到只能依靠掃描電鏡能譜測(cè)定主要組成元素來(lái)確定礦物類型。陸源碎屑高嶺石大部分位于砂巖粒間孔隙，鏡下形態(tài)不完整，但還保留有一定的典型的原始結(jié)晶形態(tài)特征。礦物顆粒棱角有磨圓化特征，反映了碎屑狀高嶺石經(jīng)過(guò)了一定距離的搬運(yùn)。

圖1 東營(yíng)凹陷沙三段高嶺石平面分布特征Fig.1 Kaolinite distribution of the Es3 in the Dongying Sag

2 自生高嶺石成因機(jī)制

砂巖中自生粘土礦物的形成與孔隙流體的pH值、離子成分類型以及含量等密切相關(guān)。高嶺石形成于鉀、鈉等堿性離子含量低的酸性流體環(huán)境中，而蒙脫石、伊/蒙間層、伊利石和綠泥石等粘土礦物形成于富鉀、鐵及鎂等離子的堿性流體成巖環(huán)境中。

高嶺石是砂巖儲(chǔ)層中較常見(jiàn)的富鋁成巖粘土礦物，由鋁硅酸鹽類礦物在酸性流體介質(zhì)中溶蝕而形成。據(jù)Stossell(1981)的研究[19]，砂巖中自生高嶺石的發(fā)育決定于以下3個(gè)條件：①Al3+來(lái)源。砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石類礦物以及酸性巖屑等骨架組分的溶蝕作用是孔隙流體中Al3+的主要物質(zhì)來(lái)源。②孔隙介質(zhì)始終保持酸性。有酸性流體的來(lái)源并使成巖流體環(huán)境始終保持酸性是形成自生高嶺石的必要條件。據(jù)Franks等(1984)[20]對(duì)德克薩斯灣岸地區(qū)的研究，在pH值為5.3～6.0條件下，鋁硅酸鹽類礦物在酸性流體中發(fā)生溶蝕反應(yīng)可生成自生高嶺石。③砂巖孔滲性較好。在長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生自生高嶺石的過(guò)程中，同時(shí)有K+和Na+等堿性離子析出，如果這些離子不能及時(shí)排出孔隙，這些堿性離子在孔隙介質(zhì)中的富集將會(huì)改變介質(zhì)條件的性質(zhì)，終止長(zhǎng)石高嶺石化的反應(yīng)[21]。因此，流體具有較強(qiáng)的動(dòng)力是保持酸性的成巖環(huán)境，形成自生高嶺石的重要控制因素[22]。

2.1 物質(zhì)來(lái)源

作為砂巖儲(chǔ)層中最常見(jiàn)的自生粘土礦物之一，高嶺石是巖石骨架顆粒與孔隙流體在酸性成巖環(huán)境中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，高嶺石的析出常與長(zhǎng)石和酸性巖屑等溶蝕作用伴生[22]。

研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層中含有機(jī)酸和CO2的酸性流體與長(zhǎng)石的成巖反應(yīng)是自生高嶺石形成的重要物質(zhì)來(lái)源。通過(guò)偏光顯微鏡及掃描電鏡，觀察到研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層中部分晶體形態(tài)發(fā)育較好的自生高嶺石占據(jù)了長(zhǎng)石溶蝕形成的粒內(nèi)孔隙(圖2a)，而且高嶺石的析出常與長(zhǎng)石溶蝕現(xiàn)象伴生，在高嶺石發(fā)育的地方，也是長(zhǎng)石溶蝕的區(qū)域，并常見(jiàn)自生石英礦物與自生高嶺石相伴

圖3 東營(yíng)凹陷高嶺石(a)和長(zhǎng)石(b)含量隨深度變化Fig.3 Kaolinite(a)and feldspar(b)content vs.depth in the Dongying Sag

圖4 東營(yíng)凹陷不同沉積相(微相)高嶺石含量與長(zhǎng)石含量關(guān)系Fig.4 Relation between kaolinite and feldspar content in different sedimentary facies (microfacies) in the Dongying Sag

如果整個(gè)成巖系統(tǒng)的開(kāi)放性較好，長(zhǎng)石等鋁硅酸類礦物在酸性流體中的溶蝕反應(yīng)形成的鉀、鈉和鈣離子等能及時(shí)被流體帶走或通過(guò)一定的成巖反應(yīng)沉淀下來(lái)，就可以形成自生高嶺石。

鏡下觀察和X-射線粉晶衍射發(fā)現(xiàn)，東營(yíng)凹陷碎屑巖儲(chǔ)層砂巖類型以巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，其次是長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖，含量最少的是巖屑砂巖(圖5)。長(zhǎng)石包括正長(zhǎng)石、條紋長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石及斜長(zhǎng)石，總含量為16%～63%，平均含量為26.22%。鉀長(zhǎng)石含量為10%～42%，平均含量為8.55%；斜長(zhǎng)石含量為17%～61%，平均含量為17.67%，可見(jiàn)長(zhǎng)石占有較大的比例(表1)。碎屑巖儲(chǔ)集層中含量較高的長(zhǎng)石、巖屑類化學(xué)活性組分穩(wěn)定性差，在埋藏成巖過(guò)程中容易與孔隙中流體介質(zhì)發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，生成各種自生粘土礦物。因此，富含長(zhǎng)石(巖屑)的骨架組成是碎屑巖儲(chǔ)集層富含多種自生粘土礦物的物質(zhì)基礎(chǔ)。

通過(guò)鏡下觀察，東營(yíng)凹陷長(zhǎng)石的溶蝕現(xiàn)象非常普遍，長(zhǎng)石顆粒溶蝕形成粒內(nèi)溶孔，或沿解理、顆粒邊緣溶蝕，形成港灣狀、鋸齒狀邊緣(圖6)。東營(yíng)凹陷長(zhǎng)石含量豐富且溶蝕特征明顯，具備形成自生高嶺石的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 流體動(dòng)力條件

含油氣盆地中有機(jī)質(zhì)熱演化形成的有機(jī)酸和二氧化碳在自生高嶺石形成過(guò)程中具有重要作用，然而長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)自生高嶺石成因的認(rèn)識(shí)仍僅停留在有機(jī)酸和碳酸提供了有利于其形成的酸性環(huán)境方面，有關(guān)其它方面的論述甚少。除酸性的流體環(huán)境，一定的流體動(dòng)力條件也是自生高嶺石形成的重要控制因素。

圖5 東營(yíng)凹陷碎屑成分和巖石類型Fig.5 Detrital composition and rock types in the Dongying Sag

組分石英斜長(zhǎng)石鉀長(zhǎng)石長(zhǎng)石巖屑含量/%5176176785526222202

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，東營(yíng)凹陷粒度偏中等的砂巖中高嶺石的相對(duì)含量最高，粗砂巖中高嶺石含量為52.00%，細(xì)砂巖中高嶺石為46.08%，中砂巖中高嶺石含量為43.54%，而粒度較大的含礫砂巖、礫狀砂巖以及粒度較小的泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中高嶺石的含量較低，平均含量不到30%(圖7)。也就是高嶺石在分選不好、本身滲透性差的砂巖中含量低，而在分選性好、本身滲透性強(qiáng)的砂巖中含量高。這也有利地說(shuō)明了粒度大、分選好的砂巖具有很好的滲透系統(tǒng)，流體動(dòng)力較強(qiáng)，有利于高嶺石的形成。如果砂巖儲(chǔ)集層中泥質(zhì)雜基等含量較高，會(huì)降低孔隙流體的滲流強(qiáng)度，長(zhǎng)石溶蝕弱，就很難形成自生高嶺石。

自生高嶺石的形成條件需要開(kāi)放性的成巖體系、酸性流體場(chǎng)特征以及發(fā)育較好的孔隙系統(tǒng)。酸性地層水溶蝕含有硅、鋁元素的礦物，當(dāng)Si4+和Al3+濃度達(dá)到過(guò)飽和時(shí)，則在砂巖孔隙中晶析出自生高嶺石。如果上述成巖反應(yīng)后的地層水被及時(shí)排出，而含Si4+和Al3+的水不斷進(jìn)入巖石孔隙中，則會(huì)連續(xù)形成自生高嶺石。能生成自生高嶺石的成巖環(huán)境本身應(yīng)具有較好的孔、滲條件。長(zhǎng)石類礦物與酸性孔隙流體反應(yīng)形成自生高嶺石時(shí)，如果長(zhǎng)石溶蝕釋放出的鉀、鈉等堿性離子不能被成巖流體及時(shí)帶到別處，堿性離子的逐漸富集就會(huì)使孔隙流體性質(zhì)發(fā)生改變，酸度降低，礦化度增大，從而形成自生伊利石或綠泥石等粘土礦物。因此，一些主力油層砂巖中高嶺石含量的高低與砂巖滲透率的高低具有明顯的相關(guān)性。

圖6 東營(yíng)凹陷長(zhǎng)石溶蝕特征Fig.6 Feldspar dissolution characteristics in the Dongying Saga.長(zhǎng)石被溶蝕呈鑄模狀，利563井，埋深2 570.70 m，10×；b.長(zhǎng)石沿顆粒邊緣溶蝕，利563井，埋深2 575.40 m，10×；c.長(zhǎng)石沿解理溶蝕呈條帶狀，鹽227井，埋深3 841.14 m；d.長(zhǎng)石溶蝕，溶蝕孔、溶蝕縫，牛47井，埋深2 774.00 m

圖7 東營(yíng)凹陷不同粒度砂巖高嶺石(相對(duì))含量Fig.7 Kaolinite (relative) content in sandstones with different granularity in the Dongying Sag

圖8 東營(yíng)凹陷不同沉積相(微相)中高嶺石含量Fig.8 Kaolinite content in different sedimentary facies (micro facies) in the Dongying Sag

不同沉積相中高嶺石含量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(圖8)，高嶺石的分布往往與沉積相帶有著較為密切的關(guān)系。不同的沉積相和沉積微相中高嶺石的含量有很大的差異性，最有利于自生高嶺石發(fā)育的是河口壩、水下分流河道和前緣席狀砂等沉積微相，高嶺石含量最高，達(dá)40%以上，其次是沖積扇和近岸水下扇等，高嶺石含量大約在25%～40%。河道砂巖和三角洲前緣砂壩等砂巖儲(chǔ)層富含高嶺石是由于其本身具有良好的孔隙度和滲透率，孔隙水流動(dòng)性好，為高嶺石形成提供了充足的空間條件和流體動(dòng)力條件。但一些處于泥巖中的透鏡狀砂體、濁積砂體等由于滲透性低，流體活動(dòng)弱，所以一般富含伊利石、伊蒙混層等堿性粘土礦物。

3 結(jié)論

1) 東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層多見(jiàn)自生高嶺石，在掃描電鏡下結(jié)晶形態(tài)完整，晶型較好，單晶呈假六方片狀，集合體呈典型的書(shū)頁(yè)或蠕蟲(chóng)狀，以分散質(zhì)點(diǎn)式充填碎屑顆粒粒間孔和長(zhǎng)石溶蝕粒內(nèi)孔，主要分布于物性較好的河道砂巖和三角洲前緣砂壩砂巖中。在鑄體薄片中，自生高嶺石呈“斑狀”充填于砂巖粒間孔隙中。

2) 砂巖儲(chǔ)層中陸源高嶺石較為少見(jiàn)，一般在淺層出現(xiàn)，結(jié)晶形態(tài)不完整，呈碎片狀，這種高嶺石是以碎屑的形式與砂粒等非粘土礦物同時(shí)在沉積過(guò)程中形成。

3) 掃描電鏡及顯微鏡下觀察，結(jié)合X射線衍射分析測(cè)試，結(jié)果表明，東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層中自生高嶺石形成的主要物質(zhì)來(lái)源為長(zhǎng)石類礦物在酸性孔隙流體中的溶蝕作用。

4)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)粒度大、分選好的砂巖儲(chǔ)層高嶺石含量較高，說(shuō)明除酸性的流體環(huán)境和一定的物質(zhì)供應(yīng)外，較強(qiáng)的流體動(dòng)力條件也是自生高嶺石形成的重要控制因素。

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(編輯 張玉銀)

Development characteristics and genetic mechanism of authigenic kaolinite in sandstone reservoirs of the Dongying Sag,Bohai Bay Basin

Zhang Yongwang1,2，Zeng Jianhui1,2，Qu Zhengyang2,Chen Junbing3

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaLniversityofPetroleumBeijing102249,China; 2.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.HydrologicalandEngineeringGeologyTeamofZhejiangProvince,Ningbo,Zhejiang315010,China)

Arthroscopic characteristics,distribution and occurrence of kaolinite are analyzed through quantity thin section analysis,core observation,scanning electron microscope and X-ray powder diffraction.The results show that the kaolinite of sandstone reservoirs in Dongying Sag has two genetic types including authigenic kaolinite and terrigenous kaolinite.The authigenic kaolinites are common in the reservoirs.Microscopically,they show complete crystal form,and fill intergranular pores and dissolution pores of feldspar in typical sheet or vermicular shapes.The “spotted” filling feature of the authitgenic kaolinite aggregates are clear on cast thin sections.The terrigenous kaolinites are rare and often occur in shallow layers.They are formed in association with the non-clay minerals like clastic particles in deposition process.Based on the study mentioned above,the genetic mechanism of authigenic kaolinite is discussed.It is supposed that feldspar dissolution is the main material source for the formation of authigenic kaolinite.Sandstones with large grain size and well sorting have high content of kaolinite,indicating that,in addition to acid fluid environment and sufficient material supply,strong fluid dynamic is also an important controlling factor of authigenic kaolinite formation.

authigenic kaolinite,genesis of kaolinite,sandstone reservoir，Dongying Sag

2014-08-05;

2014-11-26。

張永旺(1975— )，男，博士，沉積學(xué)和成巖作用。E-mail：zyw75@126.com。

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)(2011ZX05006-01，06)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172128)；中國(guó)石油大學(xué)(北京)科研基金項(xiàng)目(KYJJ2012-01-25)。

0253-9985(2015)01-0073-07

10.11743/ogg20150109

TE122.2

A