川西拗陷須家河組第四段致密砂巖高嶺石及其對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

王亞男, 林良彪, 余 瑜, 李曄寒, 郭 炎, 鄧小亮

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

川西拗陷上三疊統(tǒng)須家河組(T3x)是典型的低孔、低滲、高含水飽和度的致密砂巖儲(chǔ)層，前人對(duì)該致密砂巖油氣藏已經(jīng)進(jìn)行了40余年的詳細(xì)研究，在層序格架特征[1]、沉積相劃分[2]、砂體展布[3-4]、儲(chǔ)層類型、儲(chǔ)層成因與分布[5-6]等方面均取得了較為深入的認(rèn)識(shí)。王允誠(chéng)等[7]認(rèn)為川西拗陷須家河組砂巖儲(chǔ)層致密化的根本原因是復(fù)雜而強(qiáng)烈的成巖作用，而盆地長(zhǎng)期受到擠壓則使得儲(chǔ)層更為致密?，F(xiàn)今學(xué)者們的研究重點(diǎn)主要為如何在普遍低孔隙度、低滲透率的儲(chǔ)層中尋找到物性相對(duì)較好的“優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層”。

高嶺石是出現(xiàn)在致密砂巖儲(chǔ)層孔隙喉道中的一種常見黏土礦物，前人普遍認(rèn)為高嶺石的發(fā)育程度和分布特征對(duì)儲(chǔ)層物性和油氣聚集有重要影響[8-10]。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)27口鉆井鑄體薄片鏡下觀察，結(jié)合掃描電鏡、黏土礦物X射線衍射、物性分析、壓汞測(cè)試等手段對(duì)須家河組第四段(簡(jiǎn)稱“須四段”)致密砂巖高嶺石礦物發(fā)育特征進(jìn)行研究，討論自生高嶺石的形成條件和成因機(jī)理，分析自生高嶺石對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性的影響，以期對(duì)該地區(qū)的油氣勘探有指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

川西拗陷(也稱川西前陸盆地)地處四川盆地西部的龍門山前緣地帶，呈北東-南西向展布。研究區(qū)位于川西拗陷中段，東至中江斜坡，西臨龍門山?jīng)_斷帶，南至大邑-成都一帶，北達(dá)安縣-綿陽(yáng)一帶，面積約為 10 570.159 km2[11](圖1)。在經(jīng)歷了早期的被動(dòng)大陸邊緣盆地、印支期的局限盆地、燕山期的類前陸盆地和喜馬拉雅期的構(gòu)造殘余盆地演化之后，形成了現(xiàn)今“三帶兩拗一斜坡”的構(gòu)造格局，即：龍門山前構(gòu)造帶、新場(chǎng)構(gòu)造帶、龍泉山構(gòu)造帶3個(gè)隆起區(qū)，被隆起區(qū)隔開的成都凹陷、梓潼凹陷以及中江斜坡[11-13]。

四川盆地須家河組為一套呈簸箕狀分布、西厚東薄的以砂巖、泥巖為主的煤系地層[11]，須四段主要發(fā)育灰黃色厚層塊狀細(xì)砂巖、中砂巖夾灰黑色薄層狀頁(yè)巖[3]。根據(jù)巖性組合特征可分為3個(gè)亞段，各個(gè)亞段的埋藏深度隨著研究區(qū)位置的不同存在一定差異，一般龍門山前緣地區(qū)較淺、新場(chǎng)-豐谷地區(qū)較深。前人對(duì)川西拗陷須四段埋藏演化史進(jìn)行了詳細(xì)研究[14]，認(rèn)為晚三疊世末期須四段埋深在1.6 km左右，后因三疊紀(jì)與侏羅紀(jì)之交的地殼運(yùn)動(dòng)抬升了近600 m；隨著埋藏作用的不斷進(jìn)行，須四段的歷史最大埋深達(dá)5.2 km；現(xiàn)今須四段的埋藏深度穩(wěn)定在3～5 km。

2 高嶺石發(fā)育與分布特征

2.1 高嶺石的發(fā)育特征

根據(jù)成因的不同高嶺石可分為陸源碎屑高嶺石和自生高嶺石2種，本文以自生高嶺石為研究對(duì)象。

在鑄體薄片中，須四段自生高嶺石多以蠕蟲狀散布充填于粒間溶孔中(圖2-A、B)，在掃描電鏡下，自生高嶺石則呈片狀、書頁(yè)狀集合體填充于粒間孔隙之中(圖2-D、E、F)，并伴生絲片狀伊利石(圖2-D、E)；須四段砂巖儲(chǔ)層存在2種重要的孔隙類型：鑄體薄片中多見自生高嶺石充填的粒間溶蝕微孔(圖2-A、B)，掃描電鏡下可見充填于粒間孔中的書頁(yè)狀高嶺石保存了大量晶間孔(圖2-F)；鑄體薄片中還可觀察到部分石英顆粒的次生加大和長(zhǎng)石顆粒表面的強(qiáng)烈溶蝕(圖2-A、B、C)。

2.2 高嶺石的分布特征

由于在碎屑巖的成巖過(guò)程中長(zhǎng)石向黏土礦物的轉(zhuǎn)化，以及高嶺石、伊利石等黏土礦物之間的相互轉(zhuǎn)化對(duì)儲(chǔ)層物性具有一定影響[8]，因此探究它們?cè)诳v向上的分布規(guī)律具有重要意義。

川西拗陷須四段22口鉆井48件樣品的全巖、黏土礦物X射線衍射測(cè)試結(jié)果顯示，部分樣品發(fā)育高嶺石，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為11.95%，在深度為3～3.8 km的須四段中上部高嶺石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)20.11%；當(dāng)深度>3.8 km時(shí)高嶺石含量急劇下降，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為2.29%。樣品中長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～13%，平均為3.53%，其中須四段中上部長(zhǎng)石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.03%，隨著深度的增加在須四段中下部升高至6.62%。樣品中伊利石的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.3%，與深度呈明顯正相關(guān)關(guān)系(表1、圖3)。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The location of the study area(據(jù)孟昊等[11])

3 自生高嶺石與次生孔隙的形成機(jī)制

3.1 自生高嶺石的形成機(jī)制

3.1.1 Al3+的來(lái)源

長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽礦物的溶蝕為自生高嶺石的形成提供了Al3+，長(zhǎng)石的溶蝕具有先后次序----偏基性的斜長(zhǎng)石優(yōu)先發(fā)生溶蝕作用，偏酸性的斜長(zhǎng)石后發(fā)生溶蝕作用；而堿性長(zhǎng)石如鉀長(zhǎng)石，由于在熱力學(xué)上具有相對(duì)穩(wěn)定性，其溶解介質(zhì)為有機(jī)質(zhì)成熟后形成的有機(jī)酸，因此多于中成巖A期發(fā)生溶蝕[8]。

以下地質(zhì)現(xiàn)象證明研究區(qū)須四段致密砂巖儲(chǔ)層中自生高嶺石是長(zhǎng)石的溶蝕產(chǎn)物：①自生高嶺石的出現(xiàn)常伴隨著長(zhǎng)石的溶蝕(圖2-A)，薄片中可見高嶺石粒間溶蝕微孔(圖2-A、B)，掃描電鏡中晶形較好的高嶺石占據(jù)了粒間孔隙并與伊利石相伴生(圖2-D、F)，高嶺石的產(chǎn)出也伴隨著石英的次生加大(圖2-C)。②圖3顯示，高嶺石發(fā)育的地層中長(zhǎng)石、伊利石的發(fā)育程度不好，單井?dāng)?shù)據(jù)也顯示出自生高嶺石與長(zhǎng)石的含量具有明顯的消長(zhǎng)關(guān)系，如長(zhǎng)石含量極低的川合139井樣品具有相當(dāng)高的高嶺石含量，而長(zhǎng)石含量較高的新場(chǎng)27井樣品高嶺石含量卻很低(圖4)。③劉四兵等[15]發(fā)現(xiàn)研究區(qū)須四段長(zhǎng)石的溶解主要發(fā)生在其頂部靠近須五段泥巖層的部分，陰極發(fā)光分析結(jié)果顯示須四段儲(chǔ)層原始長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)5%以上，認(rèn)為其頂部應(yīng)有5%左右的長(zhǎng)石被完全溶解。

圖2 須四段儲(chǔ)層高嶺石顯微照片F(xiàn)ig.2 Microphotographs showing kaolinite of the T3x4 reservoir(A)蠕蟲狀高嶺石，部分長(zhǎng)石表面溶蝕強(qiáng)烈，可見自生高嶺石粒間溶蝕微孔，鴨3井，深度3 426.20 m, 50×，單偏光; (B)自生高嶺石呈斑塊狀分布，粒間溶蝕孔隙以自生高嶺石充填的粒間溶蝕微孔為主，川綿39井，深度3 016.60 m, 50×，單偏光; (C)石英次生加大，高嶺石集合體充填于粒間孔隙中，片狀高嶺石被溶蝕發(fā)生蝕變，金深1井，深度3 275.22 m; (D)高嶺石集合體充填于粒間孔隙中，片狀高嶺石晶體被溶蝕，顆粒表面附著片絲狀伊利石，金深1井，深度3 278.50 m; (E)片狀高嶺石晶體及片絲狀伊利石附著于顆粒表面，充填于顆粒之間，見個(gè)別次生溶蝕微孔隙，金深1井，深度3 267.32 m; (F)充填于粒間孔中的書頁(yè)狀高嶺石集合體，高嶺石晶形完好，表面附著毛發(fā)狀伊利石，新11井，深度3 446.37 m

圖3 伊利石、高嶺石、長(zhǎng)石的礦物含量隨深度變化關(guān)系圖Fig.3 Diagrams showing the content variation of kaolinite, feldspar and illite with the depth

3.1.2 溶解介質(zhì)的來(lái)源與機(jī)制

造成鋁硅酸鹽礦物溶蝕的酸性流體的來(lái)源包括與隆升暴露有關(guān)的大氣淡水淋濾、改變底層流體環(huán)境的煤系地層酸性水和來(lái)自烴源巖的有機(jī)酸3種[9,16-18]，反應(yīng)方程式如下[8]

表1 川西拗陷須四段X射線衍射分析結(jié)果Table 1 X-ray diffraction analysis of the T3x4 in west Sichuan Depression

圖4 長(zhǎng)石和自生高嶺石在井位中的對(duì)應(yīng)關(guān)系直方圖Fig.4 Histogram showing the corresponding relations between feldspar and kaolinite for different wells

(1)

(2)

(3)

當(dāng)?shù)販爻^(guò)120～140℃時(shí)認(rèn)為該地層已基本處于封閉狀態(tài)，此時(shí)若鉀長(zhǎng)石溶解，產(chǎn)生的K+不能被流體帶走，自生高嶺石能夠通過(guò)這種本地K+來(lái)源再次發(fā)生向伊利石轉(zhuǎn)化的反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下[8]

(4)

前人研究表明，川西地區(qū)的地溫梯度為20～30 ℃/km[14]，若沉積之時(shí)地表溫度為20 ℃，則現(xiàn)今埋藏深度3.8 km處的溫度為(20×3.8+20)～(30×3.8+20)=96～134℃，須四段深度>3.8 km的地層達(dá)到了高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)溫度。

經(jīng)鑄體薄片、掃描電鏡觀察以及X射線衍射分析并結(jié)合構(gòu)造埋藏史和前人研究成果[8-10,14]，認(rèn)為研究區(qū)須四段共經(jīng)歷了2期長(zhǎng)石的溶蝕。

第一期溶蝕發(fā)生于同生到埋藏成巖作用初期，須四段長(zhǎng)石的溶解介質(zhì)為由構(gòu)造隆升接觸的大氣淡水和臨近煤系地層的酸性水，長(zhǎng)石的溶蝕主要集中在須四段中上部，鈣長(zhǎng)石先溶蝕為高嶺石，鉀長(zhǎng)石則保存下來(lái)。在這一階段，須四段頂部由于溫度的不足和臨近泥巖的有機(jī)酸性流體抑制了高嶺石的伊利石化反應(yīng)，而當(dāng)達(dá)到理想驅(qū)動(dòng)溫度時(shí)則由于早期開放-半開放的成巖環(huán)境造成K+的逃逸，使得高嶺石的伊利石化作用有限[13]，因此須四上亞段高嶺石含量較高，伊利石、長(zhǎng)石發(fā)育不足。

第二期溶蝕發(fā)生于有機(jī)質(zhì)成熟度較高的中成巖階段，來(lái)自烴源巖有機(jī)酸性流體的進(jìn)入使得鉀長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕。由于此時(shí)具有封閉-半封閉的成巖環(huán)境和合適的驅(qū)動(dòng)溫度，由長(zhǎng)石溶解生成的高嶺石幾乎全部轉(zhuǎn)化為伊利石[8]，因此須四段中下部高嶺石含量較低而伊利石、長(zhǎng)石較發(fā)育。

3.2 須四段次生孔隙的形成機(jī)制

雖然上述兩期溶蝕作用均可產(chǎn)生次生孔隙，但在孔隙的形成機(jī)制方面卻有一定差別(圖5)：第一期溶蝕作用形成的次生孔隙極易隨著埋深的增大、成巖作用的增強(qiáng)而難以保存，不過(guò)由于須四段中上部發(fā)育了大量的高嶺石，高嶺石的晶間微孔能夠在一定程度上保持儲(chǔ)層的孔隙度。第二期溶蝕作用由于發(fā)生時(shí)間較晚，所產(chǎn)生的孔隙一般可以有效保存，但片絲狀伊利石的產(chǎn)出對(duì)儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育則會(huì)起到消極作用。

4 高嶺石對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

須四段致密砂巖儲(chǔ)層主要的儲(chǔ)集空間為次生孔隙(粒間、粒內(nèi)溶孔)和晶間孔(高嶺石晶間孔)，鑄體薄片統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示須四段平均面孔率在5.2%左右，其中包含4.0%的次生孔隙和1.1%的晶間孔。研究區(qū)須四段孔滲分布頻率直方圖顯示(圖6)，須四段儲(chǔ)層孔隙度(q)最小值0.51%，最大值13.6%，平均孔隙度為5.56%，孔隙度為4%～8%的樣品占總樣品的55.47%，須四段樣品的孔隙度優(yōu)于整個(gè)須家河組平均水平(4.77%[19])；須四段儲(chǔ)層滲透率(K)最小為0.001×10-3μm2，最大為0.099×10-3μm2，平均為0.042×10-3μm2。從研究區(qū)須四段孔滲與深度變化關(guān)系圖可以發(fā)現(xiàn)(圖7)，須四段孔隙度與深度具有明顯的負(fù)相關(guān)性，整體上孔隙度隨著埋藏深度的增加而降低，而滲透率與深度不具有明顯的相關(guān)性。

通過(guò)對(duì)比含高嶺石與不含高嶺石樣品孔滲關(guān)系，能夠明確高嶺石的發(fā)育對(duì)儲(chǔ)層物性的影響(圖8)。含高嶺石樣品的孔隙度平均為6.3%，滲透率中位數(shù)為0.076×10-3μm2(排除部分裂縫較大的樣品)；不含高嶺石的樣品孔隙度平均為3.36%，滲透率中位數(shù)為0.052 4×10-3μm2(排除部分裂縫較大的樣品)。從數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布情況可以發(fā)現(xiàn)，雖然高嶺石的發(fā)育保持了儲(chǔ)層的孔隙度，但在改善儲(chǔ)層滲透率方面沒(méi)有起到太大作用。

為了進(jìn)一步探究高嶺石的發(fā)育與儲(chǔ)層滲透率的關(guān)系，筆者對(duì)比了川羅562井(發(fā)育高嶺石)和川孝93井(不發(fā)育高嶺石)兩組孔隙度相近的壓汞曲線(圖9)，結(jié)果顯示：在孔隙度相近的情況下，不含高嶺石樣品的壓汞曲線更平直，孔喉的分選、連通性更好。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能有以下幾方面：①晶間微孔在須四段總面孔率中占21%左右，高嶺石晶間微孔(圖2-F)的直徑普遍小于10 μm，甚至小于5 μm，在增加儲(chǔ)層孔隙度的同時(shí)也使得孔喉半徑普遍較小且分選差；②須四段高嶺石多呈片狀、書頁(yè)狀堆積，這種產(chǎn)狀的高嶺石與基質(zhì)附著力小且層間結(jié)合力弱，在流體的沖刷下容易分散運(yùn)移造成喉道的堵塞[20]；③伊利石的含量與儲(chǔ)層物性呈負(fù)相關(guān)，須四段發(fā)育的片絲狀伊利石阻礙了孔喉的連通，降低了儲(chǔ)層的滲透率[20]。

圖5 須四段次生孔隙形成機(jī)制Fig.5 Diagram showing formation mechanism of secondary pores in the T3x4

圖7 須四段孔隙度、滲透率隨深度變化關(guān)系圖Fig.7 Diagram demonstrating the variation of porosity and permeability in T3x4 with depth

圖8 含/不含高嶺石樣品孔滲關(guān)系對(duì)比圖Fig.8 Comparison of pore and permeability relationship of kaolinite-bearing samples and kaolinite free samples

圖9 須四段壓汞圖Fig.9 Capillary curve of T3x4

綜上所述，雖然自生高嶺石的發(fā)育對(duì)保持川西拗陷須四段致密砂巖儲(chǔ)層孔隙度起到了一定作用，但高嶺石及其伴生礦物伊利石也導(dǎo)致了孔喉的分選、連通性變差，降低了儲(chǔ)層滲透率，總體上不利于儲(chǔ)層物性的提高。

5 結(jié) 論

a.川西拗陷須家河組第四段高嶺石在鑄體薄片中呈蠕蟲狀充填于砂巖顆粒間，孔隙類型為高嶺石粒間溶孔；掃描電鏡下呈六方片狀單晶或書頁(yè)狀集合體，單晶多伴生片絲狀伊利石，集合體見大量晶間微孔；須四段高嶺石集中發(fā)育在深度<3.8 km的須四段中上部。

b.研究區(qū)須四段經(jīng)歷了分別發(fā)生在早、中成巖階段的2期長(zhǎng)石的溶蝕，第一期溶蝕作用的溶解介質(zhì)為大氣淡水和煤系地層酸性水，溶蝕產(chǎn)物高嶺石保存，在溶蝕過(guò)程中形成的次生孔隙會(huì)隨著成巖、埋藏作用的不斷進(jìn)行逐漸消失；第二期溶蝕作用的溶解介質(zhì)為有機(jī)質(zhì)酸性流體，并且隨著埋深和溫度的增加部分高嶺石進(jìn)一步生成了伊利石，該期溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙雖可以有效保存，但由于成巖環(huán)境的封閉性，反應(yīng)生成的高嶺石、伊利石會(huì)占據(jù)儲(chǔ)集空間，不利于儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育。

c.孔滲和壓汞資料的分析結(jié)果表明，高嶺石的發(fā)育雖然在一定程度上提高了儲(chǔ)層孔隙度，但同樣由于高嶺石及其伴生礦物伊利石對(duì)孔隙喉道的堵塞降低了滲透率，因此，自生高嶺石的發(fā)育對(duì)川西拗陷須四段致密砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能產(chǎn)生負(fù)面影響。