自生綠泥石對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性影響的研究現(xiàn)狀

劉定坤 李圣 卿元華

摘要：自生綠泥石是碎屑巖儲(chǔ)層中常見(jiàn)的粘土礦物，對(duì)儲(chǔ)層物性的影響較大。通過(guò)對(duì)前人的研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，包括自生綠泥石形成的物質(zhì)條件、微觀賦存狀態(tài)、形成時(shí)間與世代、與儲(chǔ)層物性的關(guān)系等。主要結(jié)論有：（1）自生綠泥石形成于富鐵鎂、高孔、高滲的沉積環(huán)境，廣泛分布于濱岸、三角洲以及河流環(huán)境中;（2）自生綠泥石主要有3種賦存狀態(tài)，分別為顆粒包膜、孔隙襯里和孔隙充填，形成的先后順序大致為包膜→襯里→充填;

（3）自生綠泥石對(duì)儲(chǔ)層物性的影響具有兩面性，主要取決于綠泥石的厚度及連續(xù)性、形成時(shí)間及產(chǎn)狀、碎屑顆粒結(jié)構(gòu)、巖屑類(lèi)型及含量等方面。對(duì)儲(chǔ)層最具建設(shè)性意義的是厚度適中、連續(xù)性好的孔隙襯里綠泥石。

關(guān)鍵詞：砂巖儲(chǔ)層;自生綠泥石;形成條件;賦存狀態(tài);兩面性影響

1.引言

自生綠泥石是碎屑巖儲(chǔ)集層中一種重要的成巖礦物，其對(duì)儲(chǔ)層物性具有控制作用已成為一種共識(shí)[1-2]。自生綠泥石與儲(chǔ)層物性關(guān)系的研究始于20世紀(jì)50年代，Heald（1950）在研究西弗吉尼亞砂巖中自生礦物時(shí)，注意到圍繞碎屑顆粒或石英次生加大生長(zhǎng)的自生綠泥石環(huán)邊，并指出該種綠泥石來(lái)源于初始沉積物[3]。20世紀(jì)中后期，國(guó)內(nèi)外對(duì)儲(chǔ)層中自生綠泥石的研究側(cè)重于現(xiàn)象的描述。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)綠泥石的產(chǎn)出狀態(tài)、對(duì)儲(chǔ)層物性的影響做了詳細(xì)的研究[4-6]。進(jìn)入21世紀(jì)后，伴隨勘探技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法的進(jìn)步，尤其是致密砂巖油氣勘探所占比例的大幅增加，自生綠泥石對(duì)儲(chǔ)層的影響越來(lái)越引起重視。采用綠泥石與砂巖或儲(chǔ)層為關(guān)鍵詞進(jìn)行檢索，國(guó)內(nèi)外學(xué)者近十幾年的發(fā)文總量是20世紀(jì)的近兩倍，研究主要側(cè)重于自生綠泥石的物質(zhì)來(lái)源[7-8]、不同產(chǎn)狀綠泥石的形成機(jī)理[9]、與石英次生加大的關(guān)系[5，10]、對(duì)儲(chǔ)層物性影響的定量化[10-11]等方面。

2.自生綠泥石的形成機(jī)制

自生綠泥石的形成受多種因素控制，其中物質(zhì)基礎(chǔ)和沉積環(huán)境是兩個(gè)最重要的因素[12]。首先，鐵和鎂是自生綠泥石形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其來(lái)源有：

（1）河水中溶解的鐵離子在含有大量電解質(zhì)的堿性環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生絮凝沉淀，可提供綠泥石形成所需的鐵[13]。（2）黑云母、角閃石以及部分火山巖巖屑在成巖過(guò)程中蝕變和水解可產(chǎn)生大量鐵[14];（3）泥巖的壓實(shí)脫水[15];（4）外來(lái)物質(zhì)的層間流入[16]。其次，自生綠泥石的形成需要一個(gè)有利于溶解物質(zhì)帶入與帶出的相對(duì)高孔、高滲、開(kāi)放的體系沉積和堿性的成巖環(huán)境[17-19]。因此，自生綠泥石主要發(fā)育在河流、三角洲和濱岸等環(huán)境[20]。最后，在滿(mǎn)足上述兩個(gè)條件的情況下，自生綠泥石主要通過(guò)以下方式形成：（1）成巖早期或晚期，由孔隙流體直接沉淀;（2）高嶺石、蒙脫石和伊利石在富鎂、鐵的還原條件下的轉(zhuǎn)變[21];（3）碎屑物質(zhì)的交代。

3.自生綠泥石的產(chǎn)出狀態(tài)

自生綠泥石在砂巖儲(chǔ)層中主要有3種賦存狀態(tài)[22-26，28]：（1）顆粒包膜。晶體呈針狀、片狀或蜂窩狀，以薄膜的形式垂直顆粒表面生長(zhǎng)并包裹整個(gè)顆粒，厚度通常不足1μm，在顆粒接觸處會(huì)因擠壓而平行于顆粒分布;（2）孔隙襯里。晶體呈針狀或竹葉狀，垂直于顆粒表面或顆粒包膜呈等厚櫛殼狀結(jié)晶生長(zhǎng)，集合體厚約為5μm～10μm;（3）孔隙充填。晶體形態(tài)呈絨球狀、玫瑰花狀或分散片狀，不像前兩者那樣有規(guī)律的生長(zhǎng)而是呈分散質(zhì)點(diǎn)的形式分布在孔隙里。三種產(chǎn)出狀態(tài)中，孔隙襯里最為普遍。

顆粒包膜綠泥石和孔隙襯里綠泥石的區(qū)別在于顆粒包膜可生長(zhǎng)在顆粒接觸處而孔隙襯里則不能，且孔隙襯里晶體較大，較厚。部分學(xué)者未將孔隙襯里綠泥石與顆粒包膜綠泥石進(jìn)行區(qū)分，而是把孔隙襯里、綠泥石環(huán)邊、綠泥石包殼（或包膜）統(tǒng)稱(chēng)為孔隙襯里[4，27]。但鑒于二者形成于不同成巖階段，筆者認(rèn)為有必要進(jìn)行概念上的區(qū)分。

4.自生綠泥石的形成時(shí)間與世代

自生綠泥石的形成時(shí)間可以根據(jù)綠泥石與顆粒的空間關(guān)系來(lái)確定[29]。顆粒包膜綠泥石通常形成于機(jī)械壓實(shí)作用廣泛發(fā)生之前。而孔隙襯里綠泥石僅存在于孔隙邊緣，在骨架顆粒接觸處消失，說(shuō)明其形成晚于主壓實(shí)作用。前人依據(jù)鐵、鎂離子來(lái)源、溫度及成因?qū)⒆陨G泥石劃分為三個(gè)世代[15，25]：（1）在堿性的孔隙環(huán)境中沉淀出的早期綠泥石為第一世代綠泥石，表現(xiàn)為覆蓋于顆粒表面或包裹整個(gè)顆粒，晶體小而密集且自形程度低、鐵含量較高;（2）第二世代自生綠泥石形成溫度較第一世代高，主要為孔隙襯里綠泥石，晶體較第一時(shí)代大且自形程度高、鐵含量較低;（3）第三世代自生綠泥石晶體最大、自形程度最高，主要表現(xiàn)為孔隙充填綠泥石。

5.自生綠泥石對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性的影響

自生綠泥石對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性的影響具有兩面性，建設(shè)性主要體現(xiàn)在提高巖石抗壓能力、抑制壓溶作用、促進(jìn)溶蝕作用、抑制石英加大等方面;而破壞性為會(huì)堵塞吼道。

5.1提高巖石抗壓能力

部分學(xué)者認(rèn)為[11，12，23]，自生綠泥石雖占據(jù)了部分孔隙空間，但可以抵消一部分上覆地層壓力，且相同深度下，發(fā)育孔隙襯里綠泥石的砂巖層段比不發(fā)育的層段受壓實(shí)作用影響更弱，顆粒之間更松散，原生孔隙更多。但也有學(xué)者持不同觀點(diǎn)[30，31，32]，認(rèn)為自生綠泥石的硬度和密度均較低，抗壓實(shí)能力有限，發(fā)育自生綠泥石的砂巖物性較好主要是由砂體自身特性決定的。

5.2抑制壓溶作用

在孔隙襯里綠泥石發(fā)育的地方，碎屑顆粒呈縫合線接觸的情況較少，因此孔隙襯里能有效地抑制壓溶作用[31，32]。

5.3促進(jìn)溶蝕作用

砂巖中孔隙襯里綠泥石含有大量的晶間孔，可以在深埋條件下為酸性水介質(zhì)流動(dòng)提供運(yùn)移通道，促進(jìn)后期溶蝕作用進(jìn)行，形成次生孔隙[23，33]。

5.4抑制石英次生加大

國(guó)內(nèi)外大量的研究和實(shí)踐表明[1-2，17，27]，孔隙襯里綠泥石的發(fā)育對(duì)石英次生加大有較強(qiáng)的抑制作用。但其抑制的機(jī)理還沒(méi)有定論，主要有以下幾種觀點(diǎn)[1，3，23，24，27，32]：（1）早期形成的孔隙襯里綠泥石抑制了砂巖中的石英壓溶作用，這在一定程度上限制了SiO2的來(lái)源;（2）自生綠泥石的存在和生長(zhǎng)占據(jù)了自生石英的生長(zhǎng)空間;（3）自生綠泥石阻止了自生石英在碎屑石英表面成核;（4）通常發(fā)育自生綠泥石的高孔滲、開(kāi)放、堿性環(huán)境不利于自生石英的生長(zhǎng)。

5.5堵塞喉道

自生綠泥石作為一種膠結(jié)物，它本身的存在就占據(jù)了一定的孔隙空間。任何產(chǎn)狀的自生綠泥石，當(dāng)其含量達(dá)到一定程度后都會(huì)引起孔喉堵塞[10，34]。

6.綠泥石影響儲(chǔ)層物性的主要控制因素

總體來(lái)說(shuō)，自生綠泥石對(duì)儲(chǔ)層物性起何種影響主要取決于綠泥石和砂巖儲(chǔ)層本身的性質(zhì)，包括厚度及連續(xù)性、形成時(shí)間及產(chǎn)狀、碎屑顆粒結(jié)構(gòu)、巖屑類(lèi)型及含量等方面。

6.1自生綠泥石的厚度及連續(xù)性

只有自生綠泥石達(dá)到一定厚度且連續(xù)分布時(shí)，才能有效抑制石英次生加大的成核生長(zhǎng)，從而有利于儲(chǔ)集空間的保存。然而統(tǒng)計(jì)表明[30]，綠泥石膜厚度在5μm～8μm時(shí)對(duì)孔隙保存具有積極作用，當(dāng)厚度>8μm時(shí)將嚴(yán)重堵塞孔隙喉道，降低儲(chǔ)層物性。

6.2自生綠泥石的形成時(shí)間及產(chǎn)狀

成巖早期形成的綠泥石襯里厚度適中，能抵抗部分壓實(shí)作用和抑制石英的次生加大，有利于原生孔隙保存;綠泥石包膜的貢獻(xiàn)則十分有效;孔隙充填綠泥石往往只堵塞孔喉。而成巖晚期形成的綠泥石對(duì)孔隙保存方面起的作用同樣極其有限。

6.3碎屑顆粒結(jié)構(gòu)

粗顆粒比細(xì)顆粒具有更小的比表面積，覆蓋顆粒表面需要較少的綠泥石，進(jìn)而石英次生加大的抑制能力相對(duì)較強(qiáng)，進(jìn)而有利于孔隙的保存。

6.4巖屑類(lèi)型以及含量

含鐵、鎂礦物的巖漿巖巖屑的蝕變和水解是形成綠泥石的重要物質(zhì)來(lái)源之一。但是，當(dāng)火成巖巖屑含量很高，而石英顆粒含量很低時(shí)，壓實(shí)作用明顯較大，則不利于原生孔隙的保存。

7.結(jié)論

（1）自生綠泥石形成的兩個(gè)關(guān)鍵因素為物質(zhì)來(lái)源和沉積環(huán)境，其主要分布于具有富含鐵鎂、高孔、高滲的濱岸相、三角洲相以及河流相砂體中。（2）自生綠泥石在碎屑儲(chǔ)層中主要呈顆粒包膜、孔隙襯里、孔隙充填三中微觀賦存狀態(tài)。不同產(chǎn)出狀態(tài)的自生綠泥石形成于不同成巖階段：顆粒包膜綠泥石形成于機(jī)械壓實(shí)作用廣泛發(fā)生之前;孔隙襯里綠泥石形成于主壓實(shí)作用之后;孔隙充填綠泥石形成一般晚于前兩者。（3）自生綠泥石對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層物性的影響具有兩面性，主要取決于綠泥石和砂巖儲(chǔ)層本身的性質(zhì)，包括厚度及連續(xù)性、形成時(shí)間及產(chǎn)狀、碎屑顆粒結(jié)構(gòu)、巖屑類(lèi)型及含量等方面。對(duì)儲(chǔ)層最具建設(shè)性意義的是厚度適中、連續(xù)性好的孔隙襯里綠泥石。

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