東營凹陷碎屑巖儲層長石溶蝕、Al遷移富集特征

張永旺，李 峰，曲正陽

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249;3.長慶油田 第四采油廠，陜西 榆林 718500)

0 引 言

深層油氣藏能否形成的關(guān)鍵問題之一是盆地碎屑巖致密儲層是否發(fā)育次生孔隙。成巖作用過程中長石、巖屑以及碳酸鹽類膠結(jié)物的溶蝕淋濾是碎屑巖儲層形成次生孔隙的重要作用。作為砂巖骨架顆粒的長石，在成巖作用過程中其溶蝕普遍，在次生孔隙形成過程中占有重要的地位，被認(rèn)為是次生孔隙產(chǎn)生的主要原因[1-8]。溶蝕長石以及超大孔的存在揭示出侵蝕性流體對骨架顆粒的部分或者全部溶解，是次生孔隙形成的重要標(biāo)志[9]。長石溶蝕產(chǎn)物高嶺石是砂巖儲集層中最常見的自生黏土礦物之一，其發(fā)育程度是影響儲層儲集性能的一個重要因素，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[10-11]。

長石的溶蝕反應(yīng)中元素的活動性有很大的差異。Al的活動性最低，只有在“高流速”反應(yīng)條件下才能使Al運移一定的距離；而對于Na、K、Ca和Si來說，在“低流速”和靜態(tài)反應(yīng)條件下較易遷移[9,12-13]。因此，長石溶蝕反應(yīng)中高嶺石的形成分布主要受Al的遷移富集能力控制。當(dāng)成巖環(huán)境開放，地層水有利于長石類礦物發(fā)生溶蝕作用，且地層水能將溶解組分Al及時遷移出去時，將導(dǎo)致儲層中長石持續(xù)發(fā)生溶蝕，有利于次生孔隙的形成，造成孔隙度加大。如果成巖環(huán)境封閉，地層水流動緩慢，Al的含量超過了該條件下飽和溶解度，就會發(fā)生沉淀形成高嶺石等黏土礦物，從而充填原生或次生孔隙，不利于孔隙度的提高。因此研究成巖元素Al在流體中遷移富集的過程以及特征對于儲層評價具有重要意義。

如果成巖環(huán)境封閉，流體動力較弱，長石溶蝕產(chǎn)物Al就不會發(fā)生明顯的遷移作用，Al的含量就容易超過該條件下飽和溶解度，從而發(fā)生沉淀形成高嶺石等黏土礦物，充填原生或次生孔隙，不利于孔隙度的提高。

東營凹陷位于渤海灣盆地、濟(jì)陽坳陷的南部，是一個古新世發(fā)育起來的、具有典型“北斷南超”特點的裂陷盆地，是濟(jì)陽坳陷油氣資源最豐富的凹陷，其中沙河街組(Es)地層是東營凹陷主要的油氣富集層位。前人對東營凹陷砂巖儲層自生高嶺石發(fā)育特征與成因機(jī)制[11]進(jìn)行了探討，但對成巖過程中長石溶蝕以及其溶蝕產(chǎn)物Al的遷移富集特征研究甚少。本文通過鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物粉晶衍射等分析測試手段，對東營凹陷砂巖儲層中長石溶蝕、Al遷移富集特征進(jìn)行了分析，研究成果對于儲層評價以及油氣成藏研究具有一定指導(dǎo)意義。

1 長石溶蝕、Al遷移富集特征

東營凹陷沙河街組長石溶蝕產(chǎn)物Al主要是以高嶺石的形式保存下來[11]。東營凹陷沙河街組碎屑巖儲層長石溶蝕普遍，鏡下自生高嶺石分布微觀特征明顯(圖1)。在牛47井可見到長石強烈溶蝕形成的溶蝕孔和溶蝕縫，坨135井也可觀察到長石顆粒的溶蝕作用，而自生高嶺石基本沒有原位充填長石溶蝕粒間孔隙，說明Al發(fā)生了明顯的遷移(圖1(A)、(B))。在牛48井長石溶蝕較強，高嶺石和自生石英充填粒間和粒內(nèi)孔隙，Al基本沒有發(fā)生明顯的遷移作用(圖1(C))。而在鹽22-22、官104和官107井，自生高嶺石充填粒間和粒內(nèi)孔隙，而周圍長石溶蝕特征不明顯，說明Al元素是從其他長石溶蝕位置遷移而來，發(fā)生了明顯的富集作用(圖1(D)、(E)、(F))。高嶺石沒有同時沉淀到長石溶蝕孔隙是因為長石溶蝕釋放的Al擴(kuò)散遷移到了高嶺石生長的位置，而高嶺石的生長受聚核位置控制[8]。最好的聚核位置可能是相同類型的碎屑黏土碎片，然后自生高嶺石從這些起聚核作用的碎屑高嶺石向外生長，結(jié)果導(dǎo)致這些高嶺石傾向于以斑狀形式充填孔隙(圖1(D))。

對河140井2 921.3～2 925.8 m深度段的砂巖進(jìn)行了理論計算高嶺石和實際形成高嶺石含量比較。假設(shè)在封閉的成巖體系，斜長石溶解形成的Al在原位以高嶺石的形式沉淀下來。我們對該井埋深較淺樣品的斜長石含量取平均值作為研究層段成巖早期斜長石的含量。通過成巖前后斜長石含量的變化，運用以下化學(xué)反應(yīng)方程式(1)計算了斜長石溶蝕形成高嶺石的含量(理論計算值)。這種理論計算值和實際形成高嶺石含量曲線的差異(圖2)說明相對開放體系里長石溶蝕產(chǎn)物Al發(fā)生了遷移富集。

圖2 理論計算的和觀察到的高嶺石含量隨深度變化特征(河140井,2921.3～2925.8 m)Fig.2 The distribution of observed and theoretical kaolinite with depth

(2NaAlSi3O8·CaAl2Si2O8)(斜長石)+4H++2H2O——2Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(石英)+2Na++Ca2+

(1)

儲層砂巖關(guān)于礦物溶解沉淀的Al質(zhì)量平衡在巖相特征上一般表現(xiàn)為Al的凈損失[14]。其他研究則認(rèn)為成巖過程中礦物溶解沉淀保存了Al。地層水Al的濃度一般少于1×10-6[15]，沒有揭示出Al的活動性。深埋儲層的壓實地層水流速一年為毫米級到厘米級，流速很低[16]。這種地層流體的低流速以及Al的低濃度不能說明硅酸鹽礦物溶解可以增加孔隙度。我們在巖石里觀察到的Al的活動性與地層流體里表現(xiàn)出來Al的不活動性的矛盾還沒有很好的解釋。

長石溶蝕、反應(yīng)產(chǎn)物就近沉淀，也就是Al元素的這種薄片尺度的遷移特征，不會真正改變砂巖的孔隙度，只能引起次生孔隙的重新分布，增加砂體的非均值性[9]。

以鈉長石和鉀長石溶蝕形成高嶺石和石英為例，我們對成巖反應(yīng)前后巖石體積變化進(jìn)行了理論計算。鉀長石和鈉長石溶蝕形成高嶺石可以用以下化學(xué)反應(yīng)式表達(dá)：

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

(2)

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

(3)

鈉長石形成高嶺石的體積V體積改變=2V鈉長石-V高嶺石-4V石英=2×100.4-99.5-4×22.7=10.5 cm3

鉀長石形成高嶺石的體積V體積改變=2V鉀長石-V高嶺石-4V石英=2×108.2-99.5-4×22.7=26.1 cm3

其中V鈉長石、V鉀長石、V高嶺石、V石英分別為鉀長石、鈉長石、高嶺石和石英的摩爾體積[8]。

上述反應(yīng)式給出的是2摩爾鉀長石和鈉長石溶蝕形成高嶺石和石英的體積改變量，鈉長石溶蝕提高孔隙度的體積百分?jǐn)?shù)是：10.5/(2×100.4)=0.05；鉀長石溶蝕提高孔隙度的體積百分?jǐn)?shù)是：26.1/(2×108.2)=0.12。假如10%的鈉長石溶解增加巖石的孔隙度為10%×0.05 = 0.5%，而鉀長石為10%×0.12=1.2%(圖3)。因此如果長石溶解產(chǎn)物Al沒有發(fā)生較大尺度的遷移，那么長石溶蝕后幾乎相等體積的次生礦物將會沉淀充填孔隙。這種長石溶蝕形成的次生孔隙幾乎在砂巖中普遍存在。大多數(shù)觀察到的次生孔隙尤其是來自鋁硅酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的，對巖石總體孔隙度影響甚微。上述研究表明次生孔隙發(fā)育的巖相學(xué)特征只能說明砂巖骨架顆粒發(fā)生了溶蝕作用，不足以說明砂巖孔隙度是否會真正提高。為了說明長石溶蝕引起孔隙度提高，只能分析比較物源、巖性、沉積相及埋深等有相似特征的未淋濾砂巖和淋濾砂巖的孔隙度。

圖3 鉀長石和鈉長石溶解體積與砂巖孔隙度增加關(guān)系Fig.3 Percentage enhancement in porosity versus volume of albite and potassium feldspar dissolved

為了研究流體巖石相互作用過程中長石溶蝕產(chǎn)物Al的遷移富集特征以及對儲層物性的影響，我們選擇了牛莊洼陷中砂巖透鏡體發(fā)育的井來做研究。牛莊洼陷沙河街組Es3主要由暗色泥巖組成，其中透鏡體砂巖發(fā)育。在泥巖與砂巖透鏡體接觸位置，是沉積盆地流體巖石相互作用最強烈的地方[17]。地層水與烴源巖相互作用生成的酸性流體，在一定的地質(zhì)壓力驅(qū)動下，向緊鄰的砂巖儲集層內(nèi)運移。這些酸性流體是導(dǎo)致研究區(qū)砂巖儲集層內(nèi)長石等骨架顆粒發(fā)生溶解的主要介質(zhì)，也是成巖反應(yīng)過程中長石溶蝕產(chǎn)物Al遷移富集的載體。

圖4 牛35井夾于泥巖之中的砂巖層高嶺石分布特征(2 946.9～2 951.8 m)Fig.4 The kaolinite distributary characteristics of intercalated sandstone in well Niu 35

圖5 牛18井夾于泥巖之中的砂巖層高嶺石分布特征(3 097.8～3 112.8 m)Fig.5 The kaolinite distributary characteristics of intercalated sandstone in well Niu 18

牛莊洼陷牛35井埋深2 946.9～2 951.8 m處發(fā)育頂?shù)妆荒鄮r層包裹的細(xì)砂巖夾層。發(fā)現(xiàn)高嶺石在細(xì)砂巖中呈不均一分布趨勢，在2 951.4 m深度處高嶺石含量較高。而這個高嶺石含量高值點對應(yīng)于巖性剖面上靠下面的砂-泥巖界面，基本上對應(yīng)2 951.8 m深度的砂-泥界面之上(圖4)。但靠近2 946.9 m處的上部砂泥巖界面，長石溶蝕產(chǎn)物Al沒有發(fā)生明顯的遷移富集?？赡苁怯捎谏喜康哪鄮r層厚度較薄，排出的壓實成巖水較少，不足以使Al發(fā)生明顯的遷移作用。牛莊洼陷牛18井埋深3 098.1～3 112.2 m處發(fā)育粉砂巖層，頂?shù)妆话瞪鄮r層包裹，研究結(jié)果表明，粉砂巖儲層中的高嶺石分布也表現(xiàn)出和牛35井相似的特征。在埋藏深度為3 097.6～3 113 m處的粉砂巖儲集層中，高嶺石含量出現(xiàn)了兩個高值點，與儲層剖面中的砂泥巖界面相對應(yīng)，但高嶺石峰值點和砂泥巖界面都有一定的距離，沒有完全對應(yīng)(圖5)。研究區(qū)自生高嶺石的來源主要為長石的溶蝕作用，而從泥巖中排出的含有氫離子的酸性流體主要來自泥巖中的壓實地層水，同時伊蒙混層黏土礦物中蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中釋放的自由水也有一定貢獻(xiàn)，這些酸性流體提供了溶解長石的溶劑。儲層剖面中砂泥巖界面處流體和長石相互作用強烈，產(chǎn)生了惰性較強的Al元素，在較強的流體動力條件下，成巖流體攜帶Al元素從泥巖向砂巖發(fā)生了一定的遷移，Al元素和Si飽和沉淀產(chǎn)生了高嶺石，因此在砂泥巖界面的靠近砂體一側(cè)出現(xiàn)高嶺石的富集，表現(xiàn)為高嶺石峰值。此外，研究區(qū)的砂巖儲層中裂隙以及次生孔隙有相當(dāng)數(shù)量的高嶺石充填分布，說明長石溶蝕后產(chǎn)生的Al和Si等元素并未在原地沉淀形成高嶺石，而是在地層流體的滲流作用下，發(fā)生了遷移富集，因此砂巖儲層中砂泥界面與高嶺石峰值并不完全對應(yīng)，而是有一定偏離。

研究區(qū)砂巖儲層中長石溶解以及高嶺石的形成分布基本上受砂泥巖界面位置和儲層物性的控制。從泥巖圍巖中排出的酸性流體進(jìn)入砂巖后致使長石類礦物發(fā)生溶蝕作用，形成自生高嶺石和石英[18]。含有長石溶蝕產(chǎn)物Al的流體在砂/泥巖界面靠砂體一側(cè)發(fā)生富集，并在孔隙地層水的滲流作用下發(fā)生進(jìn)一步遷移作用，在遷移過程中部分Al沿砂巖中物性較好的通道被地層水搬運到物性較差的地方富集沉淀下來，在本區(qū)可以觀察到砂巖儲層中物性好的地方長石溶蝕強烈，而物性相對較差的砂巖高嶺石含量較高的現(xiàn)象，證實了Al發(fā)生了遷移富集，從而進(jìn)一步影響了長石溶蝕產(chǎn)物高嶺石的形成與分布。

2 長石溶蝕、Al遷移富集及其和儲層物性的關(guān)系

長石的溶蝕產(chǎn)物高嶺石是砂巖儲層中最常見的自生黏土礦物之一，其分布特征和發(fā)育程度直接關(guān)系到砂巖儲集層物性和油氣成藏，受到了石油地質(zhì)學(xué)家和礦物學(xué)家的普遍關(guān)注[19]。高嶺石的出現(xiàn)意味著長石溶蝕作用的發(fā)生，所以是有利儲集層發(fā)育的標(biāo)志；也有學(xué)者認(rèn)為，高嶺石的存在會充填巖石粒間孔隙，使得儲層物性變差[19-22]。

圖6 牛18井高嶺石對儲層孔隙度的影響(高嶺石峰值處取樣點) Fig.6 The effect of kaolinite on porosity of reservoir in well Niu 18

對牛18井剖面上高嶺石(峰值)富集處取樣點的儲層孔隙度和高嶺石含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在Al遷移富集的區(qū)域，隨高嶺石含量的增加，砂巖的孔隙度有減小的趨勢，兩者之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系(圖6)，說明遷移來的Al富集沉淀堵塞了粒間孔隙，從而降低了儲層的物性。通過對牛18井兩個高嶺石峰值之間，牛35井靠近砂層內(nèi)部的各取樣點的高嶺石含量和孔隙度關(guān)系研究結(jié)果表明，在該段高嶺石含量和儲層物性之間相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.008(圖7)，說明在流體活動能力較弱，高嶺石基本沒有遷移或遷移程度不大的層段，高嶺石的形成對孔隙度基本沒有影響。因此說明高嶺石含量不能作為有效次生孔隙發(fā)育的標(biāo)志，只有在Al發(fā)生遷移凈輸出之后，才能真正提高儲集層的物性。

圖7 牛18井、牛35井高嶺石對儲層孔隙度的影響(靠近砂層內(nèi)部，高嶺石峰值之間的取樣點)Fig.7 The effect of kaolinite on porosity of reservoir in wells Niu 18 and Niu 35

3 結(jié) 論

(1)長石溶蝕過程中各元素的活動性有很大的差異。對于Na、K、Ca和Si來說，Al的活動性最低。長石溶蝕以及高嶺石的形成分布主要受Al的遷移富集能力控制。

(2)在鏡下可以看到長石溶蝕以及Al遷移富集的微觀特征，本區(qū)儲層中長石溶解后形成的高嶺石的分布基本上受砂/泥巖界面位置和物性的控制。儲層剖面中砂泥巖界面處酸性流體與長石相互作用強烈，產(chǎn)生了惰性較強的Al元素，在較強的流體動力條件下，成巖流體攜帶Al元素從泥巖向砂巖發(fā)生了一定的遷移，Al元素和Si飽和沉淀產(chǎn)生了高嶺石，導(dǎo)致高嶺石峰值與砂泥界面并不完全對應(yīng)。在本區(qū)可以觀察到砂巖儲層中物性好的地方長石溶蝕強烈，而物性相對較差的砂巖高嶺石含量較高的現(xiàn)象，證實了Al發(fā)生了遷移富集，從而進(jìn)一步影響了長石溶蝕產(chǎn)物高嶺石的形成與分布。

(3)碎屑巖儲集層次生孔隙發(fā)育的巖相學(xué)特征只能說明砂巖骨架顆粒發(fā)生了溶蝕作用，引起了孔隙重新分布，增加了砂體的非均值性，不足以說明砂巖孔隙度是否會真正提高。

(4)對于碎屑巖儲集層，Al的輸出意味著儲層物性的提高，而Al的輸入會降低儲層的物性。高嶺石含量不能作為有效次生孔隙發(fā)育的標(biāo)志。

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