鄂爾多斯盆地神木-榆林地區(qū)太原組砂巖中自生高嶺石對(duì)孔隙發(fā)育的影響

劉 濤

鄂爾多斯盆地神木-榆林地區(qū)太原組砂巖中自生高嶺石對(duì)孔隙發(fā)育的影響

劉 濤

（甘肅省地質(zhì)調(diào)查院，蘭州 730000）

鄂爾多斯盆地東北部地區(qū)太原組為較為典型的致密砂巖儲(chǔ)層，其粘土礦物含量相對(duì)較高，自生高嶺石作為在陸相沉積碎屑巖中常見(jiàn)的黏土礦物之一，在碎屑顆粒之間的孔隙當(dāng)中出現(xiàn)，與儲(chǔ)集層的質(zhì)量具有緊密的相關(guān)性，本文選取位于鄂爾多斯盆地東北部的神木-榆林地區(qū)太原組砂巖為研究對(duì)象，對(duì)較為代表性的巖心樣品進(jìn)行薄片觀(guān)察，全巖XRD以及掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)分析，探討其中自生高嶺石對(duì)砂巖中孔隙發(fā)育的影響。

自生高嶺石；孔隙發(fā)育；太原組；神木-榆林地區(qū)

鄂爾多斯盆地是地處中國(guó)西北地區(qū)的超大型含油氣陸相沉積盆地，經(jīng)過(guò)中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司等單位幾十年的勘探開(kāi)發(fā)，于2020年底油氣當(dāng)量突破6000萬(wàn)噸（其中原油2451.8萬(wàn)噸、天然氣445.31億m3），已成為我國(guó)最大的油氣勘探和生產(chǎn)基地。

自生高嶺石是鄂爾多斯盆地陸相碎屑巖中常見(jiàn)自生粘土礦物，作為成巖過(guò)程中形成的具有無(wú)序過(guò)渡結(jié)構(gòu)的微粒質(zhì)點(diǎn)含水層狀硅酸鹽礦之一，是碎屑巖儲(chǔ)集層重要的膠結(jié)物和填隙物，與碎屑顆粒骨架間的原生孔隙和成巖過(guò)程中形成的次生孔隙有緊密的聯(lián)系。

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置圖

圖2 太原期沉積相展布圖（據(jù)覃小麗（2016年）改）

本文選取鄂爾多斯盆地東北部神木-榆林地區(qū)作為研究區(qū)域，將下二疊統(tǒng)太原組砂巖中的自生高嶺石作為研究對(duì)象，在前人研究成果的基礎(chǔ)之上，通過(guò)巖石學(xué)、礦物學(xué)、成巖作用等角度出發(fā)，對(duì)砂巖中自生高嶺石的含量、賦存狀態(tài)、形成機(jī)制等方面綜合分析，探討自生高嶺石對(duì)孔隙的發(fā)育影響，為該區(qū)域砂巖儲(chǔ)層進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

神木-榆林地區(qū)處于鄂爾多斯盆地東北部，行政區(qū)劃隸屬于陜西省，分別與內(nèi)蒙古自治區(qū)伊金霍洛旗和山西省保德縣相鄰，大地構(gòu)造位置處于晉西撓褶帶和陜北斜坡之間，整體構(gòu)造穩(wěn)定，地層相對(duì)平緩，為一北東高、南西低的平緩單斜形態(tài)，地層傾角0.3°～0.6°，局部發(fā)育鼻狀隆起（圖1）（長(zhǎng)慶石油地質(zhì)志編寫(xiě)組，1992；何自新等，2004；楊俊杰，2002）。

表1 鄂爾多斯盆地二疊系太原組地層劃分*

*波浪線(xiàn)表示平行不整合接觸關(guān)系，實(shí)線(xiàn)表示整合接觸（參照《鄂爾多斯盆地上古生界圖冊(cè)》）

從巖相古地理特征中，研究區(qū)在早二疊世太原期，地殼下沉的同時(shí)，海水自東西兩側(cè)向中央古隆起擴(kuò)大，使中央古隆起淪于水下，東西兩側(cè)形成統(tǒng)一的海域。古地理格局由北向南總體表現(xiàn)為沖積扇、三角洲、潮坪-淺水陸棚碳酸鹽巖等沉積體系（覃小麗等，2016）。研究區(qū)內(nèi)為較為穩(wěn)定的三角洲平原和潮坪沉積環(huán)境，由北向南表現(xiàn)為淺水三角洲—碳酸鹽潮坪—碎屑巖潮坪沉積相逐漸過(guò)渡的特征，在巖性上大體表現(xiàn)為：淺海相灰?guī)r向陸源碎屑巖逐漸變化的趨勢(shì)，在剖面上局部可見(jiàn)煤層出現(xiàn)（圖2）。

太原組頂?shù)追謩e與下二疊統(tǒng)山西組、上石炭統(tǒng)本溪組呈穩(wěn)定整合接觸關(guān)系（表1），地層中砂體自東向西逐漸變薄的趨勢(shì)，神木以東區(qū)域中砂體厚度超30m，向南西至榆林逐漸變薄至不足10m，總體呈現(xiàn)北東厚南西薄的特點(diǎn)（劉濤，2020）。

圖3 砂巖類(lèi)型分布直方圖

圖4 膠結(jié)物組分的占比直方圖

2 自生高嶺石的特征分析

2.1 砂巖的巖石學(xué)特征

通過(guò)對(duì)研究區(qū)典型的巖心取樣進(jìn)行薄片觀(guān)察，對(duì)太原組砂巖的巖石學(xué)特征有了較為全面的把握，砂巖主要類(lèi)型為富巖屑砂巖，具體分別為巖屑石英砂巖，其次為巖屑砂巖，局部出現(xiàn)有石英砂巖，比重相對(duì)較少（圖3）。砂巖的粒級(jí)以中—粗砂居多，局部見(jiàn)有粒徑達(dá)至礫級(jí)，碎屑顆粒分選性較好，磨圓度中等，以次棱—次圓為主，顆粒接觸類(lèi)型為線(xiàn)接觸、凹凸接觸，偶見(jiàn)點(diǎn)接觸關(guān)系，總體上太原組砂巖成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較高。

填隙物含量占巖石含量的12.3%，雜基主要為泥質(zhì)，水云母、凝灰質(zhì)等。膠結(jié)物主要為碳酸鹽和硅質(zhì)等，膠結(jié)類(lèi)型主要以孔隙式膠結(jié)為主；自生粘土礦物主要為自生高嶺石、自生伊利石等，各種膠結(jié)物占比如圖4。

2.2 自生高嶺石的特征

2.2.1 自生高嶺石的賦存特征

通過(guò)巖石薄片鏡下觀(guān)察，研究區(qū)太原組自生高嶺石主要的賦存狀態(tài)有兩種：

圖5 研究區(qū)太原組自生高嶺石賦存狀態(tài)

（1）以集合體的形態(tài)充填于長(zhǎng)石、巖屑溶蝕形成的次生孔隙中，是多見(jiàn)的自生高嶺石產(chǎn)出形式（圖5-1）。

（2）局部可見(jiàn)自生高嶺石以分散、游離狀的形式沉淀殘余粒間孔當(dāng)中，常見(jiàn)有自生綠泥石以襯里形式出現(xiàn)在粒間孔隙四周（圖5-2）。

掃描電鏡下觀(guān)察表明，研究區(qū)太原組砂巖中的自生高嶺石單體的形態(tài)較多呈假六方板狀產(chǎn)出，集合體以書(shū)頁(yè)狀或蠕蟲(chóng)狀出現(xiàn)在孔隙當(dāng)中（圖5-3），少數(shù)的自生高嶺石晶體邊緣存在卷曲絲縷化的現(xiàn)象（圖5-4），這可能說(shuō)明存在有自生高嶺石的伊利石化的現(xiàn)象。

2.2.2 自生高嶺石的形成機(jī)制特征

砂巖在成巖過(guò)程中，長(zhǎng)石、巖屑等不穩(wěn)定組分與自生高嶺石的生成有緊密的聯(lián)系，其中大部分自生高嶺石來(lái)源于長(zhǎng)石、巖屑等的溶蝕。

結(jié)合前人的研究成果（黃思靜，2004；田建鋒，2008；馮文立，2010）以及對(duì)巖石薄片鏡下觀(guān)察，可知太原組中自生高嶺石的產(chǎn)生主要為兩個(gè)期次，首先在早成巖期（太原期后至晚三疊世，鄂爾多斯盆地處于印支期），太原組砂巖處于淺埋藏階段，部分不穩(wěn)定的巖屑和長(zhǎng)石組分（主要為鉀長(zhǎng)石）處于地下水的環(huán)境中，極易發(fā)生溶解或者交代作用而蝕變，生成一定數(shù)量的自生高嶺石，在鏡下主要表現(xiàn)為機(jī)械壓實(shí)作用導(dǎo)致成巖空間大大壓縮，在原生粒間殘余孔隙中，自生高嶺石與其他次生礦物混雜以假雜基的形式充填孔隙空間，幾乎不見(jiàn)有晶間孔隙發(fā)育。

在此過(guò)程中，長(zhǎng)石與地下水的化學(xué)反應(yīng)如下：

2KAlSi3O8+2CO2+4H2O→Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2（硅質(zhì)）+2K++2CO32-

進(jìn)入早白堊世，鄂爾多斯盆地發(fā)生一次大規(guī)模的熱異常事件（任戰(zhàn)利，1996；楊興科，2006）.，與之相伴隨的是區(qū)域性快速沉降過(guò)程。隨著太原組砂巖埋藏不斷加深（d＞1800m），進(jìn)入深埋藏階段時(shí)，太原組煤系地層熱演化達(dá)到成熟階段，在生烴的同時(shí)形成以甲烷和有機(jī)酸為主的酸性有機(jī)流體析出，逐漸進(jìn)入儲(chǔ)層砂巖中，致使成巖環(huán)境發(fā)生較大改變，導(dǎo)致砂巖中長(zhǎng)石、巖屑和火山物質(zhì)等不穩(wěn)定礦物組分較多溶蝕。形成大量伊利石、高嶺石、鐵白云石等自生礦物膠結(jié)物。

（1）長(zhǎng)石溶蝕生成自生高嶺石的簡(jiǎn)易化學(xué)反應(yīng)如下：

①鉀長(zhǎng)石→高嶺石：2KAlSi3O8（鉀長(zhǎng)石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+4SiO2（硅質(zhì)）+2K+

②鈉長(zhǎng)石→高嶺石：2NaAlSi3O8（鈉長(zhǎng)石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+4SiO2（硅質(zhì)）+2Na+

③鈣長(zhǎng)石→高嶺石：CaAl2Si3O8（鈣長(zhǎng)石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高嶺石）+Ca2+

（2）巖屑中角閃石遇酸溶蝕的簡(jiǎn)易化學(xué)反應(yīng)如下：

NaCa2Fe4Al3Si6O22(OH)2+26H+→2Ca2++4Fe2++13H2O+4SiO2+NaAlSi3O8+Al2Si2O5(OH)4

此時(shí)形成的自生高嶺石大多以晶體集合體的形態(tài)出現(xiàn)，由XRD觀(guān)察這種晶體較為完整.其間有晶間孔隙產(chǎn)出。另在自生高嶺石周?chē)Ｒ?jiàn)有較多次生溶蝕孔隙發(fā)育。

3 自生高嶺石對(duì)砂巖儲(chǔ)層孔隙發(fā)育的影響

在成巖過(guò)程中自生高嶺石和碳酸鹽、硅質(zhì)的生成與沉淀，以膠結(jié)物充填的形式會(huì)占據(jù)部分的孔隙空間，因此可以從這個(gè)角度具體分析自生高嶺石對(duì)孔隙發(fā)育的影響。

將研究區(qū)太原組砂巖中三種主要的膠結(jié)物含量與對(duì)應(yīng)的總面孔率進(jìn)行定量對(duì)比分析。由圖6可見(jiàn)，伴隨碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物和自生高嶺石含量的不斷增多，面孔率數(shù)值均呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，兩者均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，總體上這三種膠結(jié)物對(duì)孔隙的發(fā)育表現(xiàn)為破壞性的作用。

圖6 主要膠結(jié)物與面孔率之間相關(guān)投點(diǎn)圖

其中碳酸鹽膠結(jié)物與總面孔率的相關(guān)性R=-0.202，硅質(zhì)膠結(jié)物R=-0.166，兩者對(duì)孔隙發(fā)育均呈現(xiàn)出明顯的不利影響，表現(xiàn)為在成巖過(guò)程中碳酸鹽膠結(jié)物和硅質(zhì)膠結(jié)物充填在孔隙之中，縮小孔隙空間；另一方面自生高嶺石與總面孔率的相關(guān)性數(shù)值R=-0.028，對(duì)孔隙的發(fā)育同樣呈現(xiàn)不利的影響，但其程度不及碳酸鹽和硅質(zhì)膠結(jié)物，伴隨自生高嶺石含量的增多，巖石中孔隙呈現(xiàn)緩慢的縮減的特點(diǎn)。

下面我們從自生高嶺石含量與研究區(qū)太原組砂巖的原生孔隙及次生孔隙之間的相互關(guān)系上分析自生高嶺石對(duì)孔隙發(fā)育的影響。

如圖7、圖8所示：

圖7 自生高嶺石含量與原生面孔率相關(guān)性圖

圖8 自生高嶺石含量與次生面孔率相關(guān)性圖

（1）自生高嶺石與原生孔隙面孔率呈現(xiàn)明顯的負(fù)相關(guān)（R=-0.212），近似于碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物和總面孔率的相關(guān)性，伴隨高嶺石的生成與沉淀，含量的增多會(huì)占據(jù)孔隙空間，導(dǎo)致較多原生粒間孔隙的減少。

（2）其與次生孔隙之間表現(xiàn)為正相關(guān)的關(guān)系（R=+0.281），結(jié)合鏡下觀(guān)察可得，自生高嶺石含量增多的同時(shí)，次生孔隙如晶間孔隙、長(zhǎng)石、巖屑溶孔等也呈一定程度的增多。

綜上所述可以看出，自生高嶺石在成巖過(guò)程中對(duì)孔隙整體的發(fā)育是呈破壞性的，隨著高嶺石含量的增多，孔隙空間是逐漸減少的；但這種影響不同于碳酸鹽、硅質(zhì)等膠結(jié)物明顯的減少孔隙空間的特點(diǎn)，表現(xiàn)為一種相對(duì)緩慢的趨勢(shì)。

具體表現(xiàn)在：在成巖早期自生高嶺石的出現(xiàn)逐漸壓縮著原生孔隙的空間，伴隨埋藏加深，外部的有機(jī)酸流體的介入，促使長(zhǎng)石等的溶解和自生高嶺石的沉淀，伴生的部分次生孔隙對(duì)整體孔隙的減小具有一定程度的彌補(bǔ)作用，這種特征對(duì)孔隙發(fā)育會(huì)產(chǎn)生積極的影響，但隨著自生高嶺石在孔隙中生成的不斷增多，孔隙空間總體還是一種減少的趨勢(shì)。

4 結(jié)論

（1）太原組砂巖巖石類(lèi)型以巖屑石英砂巖和巖屑砂巖為主，具較高的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度。在填隙物中，膠結(jié)物以碳酸鹽膠結(jié)物為主，其次為硅質(zhì)和自生高嶺石等。

（2）自生高嶺石常以充填在殘余的原始粒間孔和長(zhǎng)石溶孔等次生孔隙中的形式產(chǎn)出，其間以集合體形態(tài)產(chǎn)出時(shí)伴隨有晶間孔隙的出現(xiàn)。

（3）自生高嶺石的含量和分布特點(diǎn)與成巖作用過(guò)程中大氣水和有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽的溶解作用有關(guān)。在成巖過(guò)程中，自生高嶺石的生成主要有兩個(gè)期次，首次在早成巖期淺埋藏階段，主要與地下水的溶蝕相關(guān)，表現(xiàn)為充填原生粒間孔隙的形式產(chǎn)出；第二次是在深埋藏成巖階段，由于太原組煤系地層的酸性流體介入，對(duì)巖石中長(zhǎng)石等不穩(wěn)定碎屑的溶解密切相關(guān)，多以集合體形式出現(xiàn)于次生溶孔和原生殘余孔中，伴有晶間孔隙出現(xiàn)。

（4）自生高嶺石與總面孔率之間呈現(xiàn)程度較輕的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)在伴隨著自生高嶺石沉淀的不斷增多，總面孔率是緩慢降低的趨勢(shì)；其中，對(duì)原生孔隙有較為明顯的不利的影響，其沉淀會(huì)占據(jù)部分原生孔隙和次生孔隙空間，導(dǎo)致其面孔率的降低；另一方面對(duì)次生孔隙的發(fā)育具有建設(shè)性的作用，表現(xiàn)為自生高嶺石指示著長(zhǎng)石等的溶蝕和長(zhǎng)石溶孔，晶間孔隙等次生孔隙的出現(xiàn)，在一定程度上可彌補(bǔ)孔隙空間的減小。

總體來(lái)說(shuō)，研究區(qū)太原組砂巖中的自生高嶺石對(duì)孔隙發(fā)育呈現(xiàn)的影響是不利的，相對(duì)其他膠結(jié)物而言，這種不利影響程度相對(duì)較輕。

長(zhǎng)慶石油地質(zhì)志編寫(xiě)組．1992．中國(guó)石油地質(zhì)志(卷12)-長(zhǎng)慶油田[M]．北京：石油工業(yè)出版社．

何自新，賀靜．2004．《鄂爾多斯盆地中生界儲(chǔ)層圖冊(cè)》[M]．北京：石油工業(yè)出版社.

楊俊杰．2002．鄂爾多斯盆地構(gòu)造演化與油氣分布規(guī)律[M]．北京：石油工業(yè)出版社．

覃小麗，李榮西，席勝利．2016．鄂爾多斯盆地東部地區(qū)太原組儲(chǔ)層黏土礦物特征及成因[J]．巖性油氣藏．28(1)：49-57．

劉濤．2020．鄂爾多斯盆地神木-榆林地區(qū)太原組砂巖儲(chǔ)集層特征分析[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)．40(4)：576-578．

黃思靜，謝連文，張萌，武文慧，沈立成，劉潔．2004．中國(guó)三疊系陸相砂巖中自生高嶺石的形成機(jī)制及其與儲(chǔ)層孔隙保存的關(guān)系[J]．成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)．31(3)：273-282．

田建鋒，陳振林，凡元芳，李平平，宋立軍．2008．砂巖中自生綠泥石的產(chǎn)狀、形成機(jī)制及其分布規(guī)律[J]．礦物巖石地球化學(xué)通報(bào)．2008，27(2)：200-204．

馮文立．2010．鄂爾多斯盆地東北部太原組儲(chǔ)層砂巖中粘土礦物特征及成因[D]．成都：成都理工大學(xué).

任戰(zhàn)利．1996．鄂爾多斯盆地?zé)嵫莼放c油氣關(guān)系的研究[J]．石油學(xué)報(bào)，17（1）：17-24．

楊興科．2006．鄂爾多斯盆地東部熱力作用的期次和特點(diǎn)[J]．地質(zhì)學(xué)報(bào)，80（5）：705-711.

The Influence of Authigenic Kaolin on Pore Development of Sandstone of the Taiyuan Formation in the Shenmu-Yulin Area, Ordos Basin

LIU Tao

(Gansu Institute of Geological Survey, Lanzhou 730000)

The Taiyuan Formation in the northeast of the Ordos basin is a typical tight sandstone reservoir with relatively high content of clay minerals. Authigenic kaolin, as one of the common clay minerals in continental sedimentary clastic rocks, occurs in the pores between clastic particles, which is closely related to the quality of the reservoir. The sandstone of the Taiyuan Formation in the Shenmu-Yulin area, northeastern Ordos Basin is selected as the research object. The thin section observation, whole rock XRD and SEM experiments of representative core samples are carried out in order to find out the influence of authigenic kaolin on the pore development of the sandstone.

authigenic kaolin; pore development; Taiyuan Formation; Shenmu-Yulin area

P583

A

1006-0995（2022）02-0202-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.005

2021-08-18

劉濤（1984— ），男，甘肅天水人，碩士研究生，工程師，研究方向：沉積巖石學(xué)