西湖凹陷中北部綠泥石對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的控制作用

席敏紅

（中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

西湖凹陷位于東海陸架盆地的東部坳陷，呈北北東向展布，面積約5.9×104km2。古新世至始新世中期為陸緣斷陷發(fā)展階段，始新世晚期發(fā)生斷-拗轉(zhuǎn)換，漸新世為拗陷發(fā)育階段，新近紀(jì)盆地開(kāi)始發(fā)生區(qū)域沉降。較早的斷-拗轉(zhuǎn)換構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，造成西湖凹陷的含油氣系統(tǒng)埋深較大。近年在凹陷中央背斜帶中北部深層（＞3 500 m）的漸新統(tǒng)花港組不斷獲得油氣勘探的重大突破，證實(shí)了其深部三角洲前緣儲(chǔ)集砂體的勘探前景。但深部?jī)?chǔ)層的非均質(zhì)性、復(fù)雜性也嚴(yán)重制約了勘探效果。因此落實(shí)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育規(guī)律及儲(chǔ)層非均質(zhì)性的主控因素是提高勘探成功率的關(guān)鍵。

儲(chǔ)層發(fā)育的普遍規(guī)律是隨著埋深加大，溫度壓力上升，儲(chǔ)層的特性不斷變差，但勘探實(shí)踐證實(shí)在中深部地層中也存在異常高孔滲儲(chǔ)層。近年來(lái)通過(guò)對(duì)西湖凹陷深部?jī)?chǔ)層的大量巖心與巖石薄片觀察、掃描電鏡、X 衍射等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和研究，發(fā)現(xiàn)與研究區(qū)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成有關(guān)的幾類成巖反應(yīng)有：綠泥石膜-殘留粒間孔，高嶺石期次與溶蝕作用的關(guān)系，超壓與黏土礦物發(fā)育，熱液作用下碳酸鹽膠結(jié)等。而其中綠泥石膜在深層砂巖儲(chǔ)層的成巖作用過(guò)程中，抑制碎屑巖硅質(zhì)膠結(jié)與壓溶作用，從而促進(jìn)了深層砂巖儲(chǔ)層孔隙的保存，其對(duì)儲(chǔ)層發(fā)育的控制作用是本文討論的重點(diǎn)。

1 綠泥石發(fā)育的成因

1.1 沉積環(huán)境

工內(nèi)區(qū)發(fā)育的綠泥石膜屬于高Fe 貧Mg 的類型[1]。通常情況下富鐵綠泥石的形成需要富含F(xiàn)e 離子的堿性環(huán)境。但是海水（或湖水）中的Fe 離子的濃度并不高，有陸源輸入的沉積環(huán)境更有利于富鐵綠泥石的發(fā)育[2-3]。研究區(qū)G 與H 構(gòu)造位于三角洲平原與前緣交互地帶，受陸源河流攜帶的Fe 離子及湖相堿性條件雙重影響，為偏富鐵綠泥石膜的形成提供了物質(zhì)與環(huán)境基礎(chǔ)，適合綠泥石的發(fā)育。

1.2 沉積巖屑溶蝕

Berger 等人（2009）研究表明[4]，自生綠泥石析出產(chǎn)生的Fe、Mg、Si、Al 離子與火成巖巖屑、長(zhǎng)石、黑云母的蝕變與溶解有關(guān)。對(duì)G2 井全井取心層段巖屑含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在3 700～3 800 m、4 000 m附近、4 250 m 附近出現(xiàn)火成巖巖屑含量明顯增加，可達(dá)5%～15%（圖1），由此可見(jiàn)研究區(qū)有自生綠泥石生成的有利地質(zhì)條件。同時(shí)，對(duì)取心段研究發(fā)現(xiàn)綠泥石含量曲線與巖屑含量變化趨勢(shì)相似，與重礦物穩(wěn)定指數(shù)變化趨勢(shì)相反（圖2），證實(shí)巖屑溶蝕對(duì)綠泥石的形成產(chǎn)生一定作用[5]。

圖1 G2 井不同深度火成巖巖屑含量變化圖Fig.1 Variation of igneous cuttings content at different depths in Well G2

圖2 G2 井儲(chǔ)層單井對(duì)比分析柱狀圖Fig.2 Column diagram of single well comparative analysis in Well G2

1.3 超壓

在淺層開(kāi)放流體環(huán)境中微斜長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石，而到深層半封閉-封閉流體環(huán)境，常壓下，微斜長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化為伊利石，而在超壓環(huán)境下鉀長(zhǎng)石（微斜長(zhǎng)石）溶解反應(yīng)產(chǎn)物都含有K+。開(kāi)放流體環(huán)境下，K+被流體帶走，有利于高嶺石的形成；半封閉-封閉環(huán)境下，K+部分被帶走，有利于伊利石的形成；強(qiáng)封閉環(huán)境下，K+等反應(yīng)產(chǎn)物難以移出，隨著其濃度不斷升高，阻礙鉀長(zhǎng)石溶蝕反應(yīng)的進(jìn)行。需要指出的是，在超壓流體環(huán)境下，當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到120～140 ℃，鉀長(zhǎng)石的活性受到超壓抑制，高嶺石與多硅白云母變得活躍，有利于綠泥石的形成，綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔隙的保護(hù)深度范圍擴(kuò)大[6]。

2 綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔滲的保護(hù)機(jī)理

2.1 抑制石英次生加大機(jī)理

隨著儲(chǔ)層埋深的加大，成巖作用越來(lái)越強(qiáng)烈，石英次生加大和機(jī)械壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層的物性起破壞作用。Paxton 等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)深部?jī)?chǔ)層僅1%的石英加大邊生成可導(dǎo)致11%的孔隙度損失，因此，中深層儲(chǔ)層成巖作用中，抑制石英的化學(xué)壓實(shí)進(jìn)程成為關(guān)注的重點(diǎn)。而綠泥石黏土膜在成巖作用過(guò)程中可以抑制石英次生加大的進(jìn)程，同時(shí)也一定程度地抵制了壓實(shí)作用，這一觀點(diǎn)已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外的廣泛認(rèn)同。因此，綠泥石膜的建設(shè)性成巖作用，保存了深部?jī)?chǔ)層的原生、次生、混合成因孔隙及孔隙結(jié)構(gòu)，對(duì)深部?jī)?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育起到了關(guān)鍵作用。

綠泥石對(duì)石英加大的抑制作用在不同成巖階段是不同的，研究發(fā)現(xiàn)在埋深較淺，溫度較低（實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為＜115 ℃），綠泥石的阻礙加大了石英膠結(jié)物成核作用的動(dòng)力學(xué)障礙，綠泥石膜通過(guò)抑制石英膠結(jié)物的成核作用從而抑制了硅質(zhì)膠結(jié)，薄膜缺口處發(fā)育自形石英加大[8]。隨著埋深加大，溫度升高（115～164 ℃），石英膠結(jié)物克服成核作用動(dòng)力學(xué)障礙，通過(guò)綠泥石晶片間縫隙貼近石英顆粒表面成核，他形石英加大快速生長(zhǎng)充填黏土微孔隙。埋深繼續(xù)加大，溫度升高（＞164 ℃）他形石英加大繼續(xù)生長(zhǎng)充滿綠泥石晶片間微孔隙[9-10]。但受綠泥石微孔隙邊界限制，石英加大生長(zhǎng)受阻（圖3）。

圖3 綠泥石膜抑制石英加大機(jī)理示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanism of chlorite film inhibiting quartz enlargement

流體溫度對(duì)黏土礦物的影響較大[11]：正常流體環(huán)境下，當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到120～140 ℃，高嶺石、鉀長(zhǎng)石與多硅白云母變得活躍，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，導(dǎo)致綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果降低。因此伴隨著深度增加，成巖強(qiáng)度的變化，綠泥石對(duì)石英壓溶的作用將會(huì)降低。

2.2 其他機(jī)理

研究發(fā)現(xiàn)綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔滲的保護(hù)機(jī)理主要是通過(guò)抑制壓溶作用進(jìn)行的。除了通過(guò)綠泥石膜形成環(huán)邊，抑制壓溶作用保護(hù)孔隙外，綠泥石黏土膜不易溶解有利于鑄?？椎男纬桑▓D4），而長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的鑄?？着c粒內(nèi)溶孔一般存在黏土殘邊，表明長(zhǎng)石等碎屑顆粒完全被溶蝕。

圖4 西湖凹陷花港組綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔隙的保護(hù)作用圖解Fig.4 Diagram of the protective effect of chlorite film on reservoir pores of Huagang Formation in Xihu Depression

綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層孔滲的保護(hù)作用還表現(xiàn)在促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)改善。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)研究區(qū)主要產(chǎn)層中綠泥石發(fā)育段的儲(chǔ)集空間多為溶蝕粒間孔，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)相關(guān)儲(chǔ)層薄片的掃描圖片中，發(fā)現(xiàn)綠泥石中的Fe、Al 元素可以清晰地將綠泥石膜形態(tài)進(jìn)行元素“還原”，富鐵綠泥石膜呈薄層狀，沿碎屑顆粒表面均一分布，綠泥石膜抑制了顆粒的石英加大，保護(hù)了喉道，有利于后期酸性流體溶蝕及復(fù)合溶蝕粒間孔、溶蝕孔的發(fā)育[12]。

當(dāng)然，并非綠泥石含量越高儲(chǔ)層物性越好，通過(guò)掃描電鏡、背散射等手段方法，對(duì)綠泥石形貌觀察及成分分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)綠泥石呈多期發(fā)育。共識(shí)別出三個(gè)期次，第一期次為準(zhǔn)同生期混層綠泥石，多為附著于顆粒表面生長(zhǎng)； 第二期次為成巖期綠泥石，多垂直顆粒表面生長(zhǎng)； 第三個(gè)期次為成巖后期的玫瑰花簇狀綠泥石，一般充填了孔隙。這三個(gè)期次發(fā)育的綠泥石，對(duì)儲(chǔ)集空間產(chǎn)生了不同的影響，有別于成巖第一期的薄膜狀綠泥石對(duì)孔隙的保護(hù)作用，第二、三期的結(jié)晶片狀和玫瑰花狀綠泥石充填孔隙喉道，對(duì)儲(chǔ)層物性產(chǎn)生消極影響。

2.3 研究區(qū)綠泥石作用范圍

G1 井Ro、Tmax數(shù)據(jù)值顯示成巖階段位于中成巖A 段與B 段之間，依據(jù)砂巖中伊蒙混層中蒙脫石含量在3 900～4 000 m 之間降低至15%，進(jìn)入中成巖B 段，且MDT 地溫測(cè)試顯示超過(guò)140 ℃。可以認(rèn)為，G1 井3 900～4 000 m 之間成巖演化進(jìn)入中成巖B 段。隨著溫度的升高，伴隨著高嶺石的消失，流體溫度對(duì)黏土礦物的影響較大，正常流體環(huán)境下，當(dāng)?shù)貙訙囟冗_(dá)到120～140 ℃，高嶺石、鉀長(zhǎng)石與多硅白云母變得活躍，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，導(dǎo)致綠泥石膜對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)效果降低。同時(shí)綠泥石部分向簇狀轉(zhuǎn)化，石英加大隨之增強(qiáng)，物性開(kāi)始下降。

對(duì)研究區(qū)幾口鉆井高嶺石含量變化與物性關(guān)系進(jìn)行垂向?qū)Ρ?，探討綠泥石作用效率隨深度的變化。以G3 井為例（圖5），不同深度4 個(gè)取心段進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)綠泥石含量與孔滲性具有較好的匹配關(guān)系。A 段3 600～3 620 m 左右，綠泥石含量高，相對(duì)含量大部分高于60%，物性最好；B 段深度增加到3 960～4 000 m 左右，伴隨著綠泥石含量升高，物性隨之上升；C 段深度到4 100 m 以下，綠泥石含量變化不大，物性下降。

圖5 G3 井取心段綠泥石含量與物性變化關(guān)系圖Fig.5 Relationship between chlorite content and physical properties in the core section of Well G3

因此可以推論在研究區(qū)正常流體壓力環(huán)境下：3 400～4 000 m 為綠泥石高效深度，儲(chǔ)層物性與綠泥石含量正相關(guān)明顯，4 000～4 200 m，綠泥石膜效應(yīng)降低帶，相關(guān)性變差；4 200～4 500 m，綠泥石膜效應(yīng)低效帶，局部綠泥石對(duì)應(yīng)較高孔滲儲(chǔ)層；＞4 500 m，綠泥石膜效應(yīng)失效帶，異常高孔滲儲(chǔ)層基本消失，但在超壓流體壓力環(huán)境下，作用深度下限可能達(dá)到4 600 m 甚至更深。

3 綠泥石對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的保護(hù)作用

3.1 綠泥石相關(guān)儲(chǔ)層非均質(zhì)性分析

研究區(qū)綠泥石膜優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育區(qū)，儲(chǔ)層的非均質(zhì)性依然很強(qiáng)。對(duì)G2 井130 m 連續(xù)取心段綠泥石分布進(jìn)行討論，G2 井在主力產(chǎn)層段進(jìn)行了連續(xù)130 m 以上的取心，為微相級(jí)、砂層級(jí)綠泥石相關(guān)儲(chǔ)層及其非均質(zhì)性分析提供了樣品條件。對(duì)不同含氣性儲(chǔ)層總體成巖特征進(jìn)行了對(duì)比（圖6），發(fā)現(xiàn)氣層顆粒溶蝕強(qiáng)烈，綠泥石含量高，多數(shù)顆粒具有綠泥石膜，且球狀綠泥石較少，石英加大程度弱，次生石英顆粒大；而非氣層顆粒溶蝕形成溶蝕孔較小，綠泥石含量低，少數(shù)顆粒局部粒表具有綠泥石膜，石英次生生長(zhǎng)相對(duì)較為強(qiáng)烈，且顆粒小。

圖6 G2 井氣層與非氣層溶蝕作用的差異性對(duì)比Fig.6 Difference comparison of dissolution between gas and non-gas formations in Well G2

同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)粒度大小對(duì)孔滲性的控制體現(xiàn)在顆粒大小與表面積和孔喉大小的關(guān)系。體積一定的砂體，粒度越大，表面積越小，需要綠泥石包殼抑制石英加大的面積就越小，因此在粗粒碎屑中所需要的綠泥石越少，故細(xì)粒砂體較粗粒砂體石英加大更容易發(fā)育。同時(shí)相同厚度的綠泥石包殼對(duì)細(xì)粒沉積物滲透率的消極影響更大，因?yàn)樵趧傂灶w粒與膠結(jié)物含量一定的情況下，粗粒碎屑孔隙與孔喉較細(xì)粒砂巖更大，而綠泥石膜對(duì)窄孔喉的消極作用更加明顯。

3.2 綠泥石對(duì)儲(chǔ)層保護(hù)作用實(shí)例

本次研究的重點(diǎn)地區(qū)是西湖凹陷中北部已獲天然氣發(fā)現(xiàn)的H 和G 兩個(gè)構(gòu)造，鉆井證實(shí)在漸新統(tǒng)花港組H3、H4 兩個(gè)砂層組均存在異常高孔滲儲(chǔ)層。X 衍射黏土礦物定量分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)H 和G 構(gòu)造H3、H4主力產(chǎn)層黏土礦物以綠泥石為主，相對(duì)含量大部分超過(guò)40%，部分甚至超過(guò)80%。例如，對(duì)G2 井連續(xù)取心段

4 結(jié)論

黏土礦物中綠泥石相對(duì)含量與實(shí)測(cè)物性進(jìn)行投點(diǎn)，其正相關(guān)性非常明顯（圖7），異常高孔滲儲(chǔ)層其綠泥石相對(duì)含量超過(guò)50%?？碧斤@示綠泥石相關(guān)儲(chǔ)層為該構(gòu)造優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育段，證實(shí)綠泥石對(duì)儲(chǔ)層孔隙的保護(hù)作用。

圖7 G2 井綠泥石含量與儲(chǔ)層物性關(guān)系Fig.7 Relationship between chlorite content and reservoir physical properties in Well G2

（1）通過(guò)H 和G 構(gòu)造鉆井砂巖的黏土礦物分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)漸新統(tǒng)花港組優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育與高綠泥石含量有關(guān)，綠泥石膜在成巖作用過(guò)程中，對(duì)原生孔隙保存及次生孔隙發(fā)育具有建設(shè)性作用。

（2）綠泥石對(duì)石英加大的抑制，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的重要控制因素。深部?jī)?chǔ)層石英加大及壓實(shí)作用是儲(chǔ)層物性變差的重要原因，綠泥石膜在成巖過(guò)程中產(chǎn)生對(duì)石英加大的抑制作用，并抵制壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層物性的破壞，從而保護(hù)了儲(chǔ)層原生孔隙、次生孔隙，混合成因孔隙及孔隙結(jié)構(gòu)，是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的主要因素。

（3）通過(guò)對(duì)研究區(qū)綠泥石發(fā)育的控制因素及不同期次成因、綠泥石的作用效率及作用范圍的分析研究，明確了研究區(qū)深層存在優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育的條件，對(duì)于該地區(qū)的油氣勘探工作具有參考意義。