烏石凹陷流沙港組高嶺石的分布特征、 影響因素及演化

婁 敏，楊香華，姚光慶，姜 平，邱凌越

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北武漢 430074； 3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；4.中國石油大學(xué)，北京 102249）

高嶺石是砂巖儲(chǔ)層中最常見的自生黏土礦物之一，其發(fā)育程度與儲(chǔ)層物性、油氣富集有密切的關(guān)系。因此，高嶺石受到石油地質(zhì)學(xué)家和礦物學(xué)家的普遍關(guān)注[1–2]。自生高嶺石的形成與鋁硅酸鹽的溶蝕 有關(guān)。高嶺石是長石溶蝕后形成的產(chǎn)物，在充分的Al3+物質(zhì)來源的基礎(chǔ)上，呈酸性的流體、較強(qiáng)的流體動(dòng)力有利于Al3+的絡(luò)合、Na+和K+的遷移，可以形成晶形良好的自生高嶺石[3]。不同產(chǎn)狀的高嶺石對(duì)儲(chǔ)層的物性影響不同，流體動(dòng)力強(qiáng)且高嶺石在異地沉淀時(shí)，儲(chǔ)層物性最好[4]。本文以烏石凹陷流沙港組高嶺石作為研究對(duì)象，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、陰極發(fā)光和X 衍射等測(cè)試手段，分析了高嶺石形態(tài)、與其他礦物的接觸關(guān)系以及不同層位和構(gòu)造區(qū)的高嶺石相對(duì)含量差異，探討了高嶺石的發(fā)育特征及其影響因素，明確了其成因及演化，并建立了高嶺石溶蝕型儲(chǔ)層的孔隙演化模式，為預(yù)測(cè)深部致密儲(chǔ)層中甜點(diǎn)的分布提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

烏石凹陷屬于北部灣盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，其北邊以企西隆起南緣為界，西邊、南邊以流沙凸起與海頭北凹陷為界，東邊與流沙凸起相鄰。自中生代以來，盆地裂陷活動(dòng)開始，經(jīng)歷了古近紀(jì)裂陷期及新近紀(jì)裂后沉降期，凹陷新生界自下而上發(fā)育古近系長流組、流沙港組、潿洲組，新近系下洋組、角尾組、燈樓角組、望樓港組和第四系地層，其中流沙港組二段被認(rèn)為是主力烴源巖段。研究區(qū)位于烏石凹陷東區(qū)（圖1），主要涉及WSA、WSB、WSC 三個(gè)構(gòu)造區(qū)，研究的層段為流沙港組，是重要的油氣勘探目的層。流沙港組以湖相、三角洲相沉積為主，自上而下分為流一段、流二段和流三段。流一段主要發(fā)育濱淺湖、沖積扇和扇三角洲沉積；流二段為中深湖沉積；流三段以濱淺湖相沉積為主，在凹陷邊界處發(fā)育粗粒的沖積扇和扇三角洲沉積[5–6]。烏石凹陷北部的巖石成分以巖屑長石砂巖為主，南部以巖屑砂巖為主。

2 高嶺石的發(fā)育與分布特征

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

從巖心、陰極發(fā)光、鑄體薄片、掃描電鏡觀察，均表明烏石凹陷發(fā)育大量高嶺石。巖心觀察可見白色粉末物質(zhì)為鋁硅酸鹽礦物溶蝕后形成的高嶺石（圖2a）。陰極發(fā)光可見鉀長石高嶺石化，高嶺石陰極發(fā)光為靛藍(lán)色，鉀長石殘余發(fā)亮藍(lán)色光（圖2b）。鑄體薄片可見長石溶解，高嶺石異地沉淀，生成大量次生孔隙（圖2c）。高嶺石的發(fā)育與長石有密切的關(guān)系，長石溶蝕后形成坑洼（圖2d），生成次生孔隙， 并伴隨自生高嶺石沉淀（圖2e）。高嶺石分為自生高嶺石和他生高嶺石，自生高嶺石集合體呈書頁狀或蠕蟲狀，結(jié)晶度較高；而他生高嶺石為陸源碎屑搬運(yùn)而來，由于搬運(yùn)過程中的磨蝕，多呈碎片狀、結(jié)晶度低、棱角處磨損嚴(yán)重，多位于顆粒表面[7]。烏石凹陷流沙港組砂巖中的高嶺石多為薄板狀（圖2e）、假六方板狀（圖2f），極少數(shù)為碎片狀，集合體呈書頁狀或蠕蟲狀、結(jié)晶度較高、不具明顯的磨蝕現(xiàn)象，以自生高嶺石為主。

流沙港組處于中成巖A 期，黏土礦物組合為伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層，不含蒙脫石。砂巖和泥巖中的黏土礦物發(fā)育的影響因素不同，泥巖中黏土礦物分布主要受溫度壓力的影響，而砂巖中的黏土礦物還與地層流體密切相關(guān)。隨著埋深增加，泥巖中的黏土礦物發(fā)生蒙脫石–伊蒙混層–伊利石的轉(zhuǎn)化，高嶺石含量隨深度增加而減少。不同部位的高嶺石因溫度、壓力梯度不同，含量變化速率有差異。

砂巖中黏土礦物與儲(chǔ)層物性關(guān)系密切，其分布特征是本次研究的重點(diǎn)。烏石凹陷埋深1 500.00 m時(shí)出現(xiàn)高嶺石，主要分布在1 500.00～3 500.00 m，總體平均含量為35.00%。不同層段高嶺石的相對(duì)含量不同，其中流一段的平均含量為50.84%，流二段為35.89%，流三段為23.13%。不同構(gòu)造區(qū)高嶺石的分布也有差異：WSA 區(qū)高嶺石相對(duì)含量最高、WSC區(qū)中等、WSB 區(qū)最低（圖3）。WSA 區(qū)高嶺石主要分布在2 200.00～2 600.00 m，平均含量為48.57%，高嶺石在2 200.00 m 附近含量最高，可達(dá)58.00%；WSB區(qū)高嶺石主要分布在2 300.00～2 800.00 m，平均含量為18.51%，高嶺石在2 400.00 m 附近含量最高，可達(dá)42.00%；WSC 區(qū)高嶺石主要分布在3 500.00 m附近，平均含量為25.11%。砂巖中高嶺石相對(duì)高值段與長石含量減少段有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖4）。砂巖中的黏土礦物與地層流體作用密切相關(guān)，生油門限深度附近，長石含量減少，砂巖中高嶺石相對(duì)含量增加，這一階段與長石受地層酸性流體溶蝕產(chǎn)生次生孔隙和高嶺石有關(guān)。但是，高嶺石增加與長石減少在深度段上也并非完全對(duì)應(yīng)，間接表明長石溶解后部分Al3+在一定的流體動(dòng)力條件下，發(fā)生了遷移，在異地沉淀形成高嶺石。

圖2 高嶺石宏觀及微觀特征

圖3 烏石凹陷流三段高嶺石平面分布

3 高嶺石分布的影響因素

圖4 烏石凹陷高嶺石含量及長石含量垂向變化

3.1 溫度和壓力

溫度和壓力的變化會(huì)影響有機(jī)酸的生成，進(jìn)而影響高嶺石的分布。烏石凹陷流沙港組主要埋深為2 000.00～3 000.00 m，處于中成巖A 期，地溫為85～140 ℃，有機(jī)質(zhì)處于半成熟到成熟階段。該階段有機(jī)質(zhì)熱演化過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，為鋁硅酸鹽礦物溶解產(chǎn)生高嶺石提供酸性溶解介質(zhì)。不同構(gòu)造區(qū)，有機(jī)質(zhì)熱演化程度不同，生烴門限不同，產(chǎn)生有機(jī)酸的深度段也有差異。WSC 區(qū)埋深比WSB 區(qū)大，有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)生的有機(jī)酸豐度更大，更有利于高嶺石的富集。

3.2 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

烏石凹陷發(fā)育以拉張–走滑為特征的北東東向斷層和以走滑為主的北西向斷層，斷裂的活動(dòng)期次與主要排烴期有良好的匹配性[8]。這些活動(dòng)的斷層為流二段烴源巖生烴過程中排出的有機(jī)酸垂向運(yùn)移提供了通道?？傮w上，烏石凹陷流沙港組高嶺石相對(duì)含量較高，與斷裂發(fā)育有著密切的關(guān)系。即構(gòu)造運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈、斷層越發(fā)育，越有利于酸性流體運(yùn)移進(jìn)入儲(chǔ)層溶蝕長石產(chǎn)生更多的高嶺石。

3.3 不同巖性

不同巖性的砂巖中高嶺石的含量具有差異性。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)高嶺石相對(duì)含量在含礫砂巖、粗砂巖、中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中分別為22.65%、70.67%、39.63%、39.12%、32.50%、16.33%。高嶺石相對(duì)含量在物性較好的粗砂巖中最高，在物性較差的含礫砂巖和泥質(zhì)粉砂巖中相對(duì)較低。這說明分選好、原始物性好的砂巖，具有較好的滲流系統(tǒng)，更有利于高嶺石的形成。

3.4 物源性質(zhì)

烏石凹陷北部的大型扇三角洲礫級(jí)沉積無法推進(jìn)到南部，南北物源體系不同。北部WSA 區(qū)和WSB區(qū)的物源來自鼻狀低凸起，南部的WSC 區(qū)的物源來自流沙凸起[9]。不同物源提供的物質(zhì)基礎(chǔ)不一樣，導(dǎo)致北部的巖石成分以巖屑長石砂巖為主，南部以巖屑砂巖為主。長石等鋁硅酸鹽礦物是產(chǎn)生高嶺石的重要物質(zhì)來源。巖屑長石砂巖中長石的含量高于巖屑砂巖，為高嶺石的生成提供了更多的物質(zhì)基礎(chǔ)，從而導(dǎo)致WSA 區(qū)高嶺石相對(duì)含量高于WSC 區(qū)。

4 高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層的演化

研究區(qū)高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層原始沉積環(huán)境水動(dòng)力較強(qiáng)，原生孔隙發(fā)育；埋深不大，砂體機(jī)械壓實(shí)與化學(xué)壓實(shí)相對(duì)較弱，長期處于酸性流體活動(dòng)環(huán)境，次生溶蝕孔與片狀、柱狀高嶺石發(fā)育。隨著埋深增加，高嶺石發(fā)生了一系列的演化（圖5）。早成巖A 期：流沙港組沉積過程中，發(fā)生抬升剝蝕，部分長石受到大氣水淋濾影響發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生早期溶蝕高嶺石；但早期蝕變的顆粒多易受到后期壓實(shí)影響，產(chǎn)生塑性變形，高嶺石晶形差，充填在粒間孔隙中。早成巖B 期：地層持續(xù)緩慢沉降，受壓實(shí)作用影響，早期高嶺石壓入孔隙，充填了部分孔隙，受抬升大氣水淋濾及有機(jī)酸流體影響，長石發(fā)生溶蝕，孔隙內(nèi)高嶺石產(chǎn)生重結(jié)晶，發(fā)育部分高嶺石晶間孔，硅作為溶蝕產(chǎn)物也促進(jìn)了石英加大邊的發(fā)育。中成巖A 期：受酸性流體影響，長石大量溶蝕，高嶺石作為溶蝕產(chǎn)物在孔隙內(nèi)大量沉淀，并逐漸向地開石轉(zhuǎn)化，其晶間孔發(fā)育。反應(yīng)過程中部分產(chǎn)物可能被帶出，所以可見大量溶蝕孔隙。隨著埋深增大，高嶺石發(fā)生重結(jié)晶，結(jié)晶度變高、晶形較好。中成巖B 期：隨著熱演化進(jìn)一步加深，高嶺石開始向伊利石轉(zhuǎn)化，自生伊利石占據(jù)孔隙空間，縮小孔喉，石英加大邊現(xiàn)象也較發(fā)育，儲(chǔ)層物性變差。目前，流沙港組儲(chǔ)層處于中成巖A 期，長石溶蝕形成大量次生孔隙，是研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的重要基礎(chǔ)。

5 高嶺石對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

黏土礦物作為砂巖儲(chǔ)層中的膠結(jié)物，其含量和類型對(duì)儲(chǔ)層物性有較大的影響。高嶺石是長石溶蝕和次生孔隙發(fā)育指示的黏土礦物。從高嶺石含量與物性的交會(huì)圖來看（圖6），高嶺石的相對(duì)含量與物性呈正相關(guān)關(guān)系；但高嶺石的絕對(duì)含量較高時(shí)，儲(chǔ)層的物性較差。有學(xué)者認(rèn)為高嶺石會(huì)充填粒間孔隙使儲(chǔ)層物性變差；也有學(xué)者認(rèn)為高嶺石的出現(xiàn)，代表強(qiáng)烈的溶蝕作用，是有利儲(chǔ)層發(fā)育的標(biāo)志；也有學(xué)者認(rèn)為長石高嶺石化一方面產(chǎn)生次生孔隙，另一方面生成的自生高嶺石充填孔隙，兩者會(huì)相互抵消對(duì)物性無明顯影響。以上觀點(diǎn)都是在靜態(tài)條件下，考慮高嶺石與儲(chǔ)層物性的關(guān)系。高嶺石是長石溶蝕后的產(chǎn)物，在有充分的Al3+物質(zhì)來源的基礎(chǔ)上，呈酸性的流體、較強(qiáng)的流體動(dòng)力有利于Al3+的絡(luò)合，同時(shí)有利于Na+和K+的遷移，形成晶形良好的自生高嶺石。長石溶蝕與高嶺石的沉淀會(huì)造成儲(chǔ)層物性的兩極分化：在原生粒間孔發(fā)育區(qū)，原始物性好。當(dāng)酸性流體進(jìn)入地層時(shí)，原生粒間孔可以作為流體運(yùn)移的通道。酸性流體使長石發(fā)生溶解，高嶺石異地沉淀，產(chǎn)生次生溶孔，物性會(huì)進(jìn)一步變好；沉積時(shí)期物性較差的區(qū)域，流體流動(dòng)性差，長石溶解的產(chǎn)物被帶到該區(qū)域沉淀，生成自生高嶺石，物性進(jìn)一步變差。這也表明沉積作用趨向于物質(zhì)分異的均一化，粒度相似、成分相近的碎屑顆粒會(huì)沉積在一起；而成巖作用會(huì)造成儲(chǔ)層的差異化，長石溶蝕、高嶺石差異沉淀會(huì)導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層局部發(fā)育，增強(qiáng)儲(chǔ)層的非均質(zhì)性。高嶺石在平面上的分布與甜點(diǎn)儲(chǔ)層有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，高嶺石相對(duì)含量高值區(qū)往往與甜點(diǎn)儲(chǔ)層相對(duì)應(yīng)。

圖5 高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層成巖序列及孔隙演化模式（以WSA–1–2 井為例）

圖6 高嶺石含量與物性的關(guān)系

在對(duì)研究區(qū)高嶺石與長石溶蝕的關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，建立高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層中優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)育模式。將高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層依據(jù)孔隙、成巖礦物特征、儲(chǔ)集物性，并結(jié)合流體運(yùn)移強(qiáng)度劃分為4 個(gè)區(qū)帶（圖7a）。區(qū)帶Ⅰ：以中粗砂巖為主，物性好；發(fā)育粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、基質(zhì)溶孔；自生高嶺石、石英常見。區(qū)帶Ⅱ：巖性主要為底礫巖、含礫粗砂巖，巖屑含量高；以粒內(nèi)溶孔為主，發(fā)育少量粒間溶孔。區(qū)帶Ⅲ：主要巖性為中細(xì)砂巖；物性較差，以粒內(nèi)溶孔為主；泥質(zhì)含量較高，高嶺石大量沉淀。區(qū)帶Ⅳ：為致密層，巖石粒度細(xì)，泥質(zhì)含量高，以碎屑黏土為主，自生礦物不發(fā)育?？傮w上，區(qū)帶Ⅰ物性最好，為甜點(diǎn)發(fā)育層段；區(qū)帶Ⅱ、區(qū)帶Ⅲ其次；區(qū)帶Ⅳ物性最差。不同的流體運(yùn)移條件下，各區(qū)帶的空間分布位置不同。泥巖在壓實(shí)作用和生烴作用下，會(huì)排出層間水和有機(jī)酸。此處，酸性流體運(yùn)移強(qiáng)度最大，為高壓帶，并依次降低為過渡帶和低壓帶。在單向流體運(yùn)移模式下（圖7b），優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要位于砂體的中部；雙向流體運(yùn)移時(shí)（圖7c），優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層主要位于砂體中上部和中下部。

圖7 高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層的甜點(diǎn)發(fā)育模式

6 結(jié)論

（1）烏石凹陷流沙港組發(fā)育大量自生高嶺石，其分布深度范圍為1 500.00～3 500.00 m，總體平均含量為35.00%。高嶺石的分布在縱向和平面上具有差異性：縱向上，高嶺石含量在流一段最高，流二段其次，流三段最低；平面上，相同層位WSA 區(qū)高嶺石含量最高，WSC 區(qū)中等，WSB 區(qū)最低。

（2）影響高嶺石分布的因素主要有溫度及壓力、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖性差異和物源性質(zhì)。成巖早期高嶺石形態(tài)差，充填在粒間孔隙；中成巖A 期，受酸性流體影響，溶蝕產(chǎn)生自生高嶺石，隨著埋深增大，高嶺石發(fā)生重結(jié)晶；中成巖B 期，高嶺石向伊利石轉(zhuǎn)化。

（3）高嶺石對(duì)研究區(qū)儲(chǔ)層物性有著重要的影響，高嶺石相對(duì)含量高值段與甜點(diǎn)儲(chǔ)層有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。高嶺石發(fā)育型儲(chǔ)層可以劃分為四個(gè)區(qū)帶，區(qū)帶Ⅰ物性最好，為甜點(diǎn)發(fā)育層段。