潘中亮，陳　巍，王正來，李　全，蘇　磊，趙容懷

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部，黑龍江大慶163000；2.中國石油塔里木油田分公司技術(shù)發(fā)展處，新疆庫爾勒841000）

油氣地質(zhì)

海拉爾盆地烏南次凹南屯組致密儲(chǔ)層黏土礦物特征及其地質(zhì)意義

潘中亮1，陳巍1，王正來1，李全1，蘇磊1，趙容懷2

（1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司海拉爾石油勘探開發(fā)指揮部，黑龍江大慶163000；2.中國石油塔里木油田分公司技術(shù)發(fā)展處，新疆庫爾勒841000）

海拉爾盆地烏南次凹南屯組儲(chǔ)層黏土礦物含量高，嚴(yán)重影響油氣的開發(fā)。利用烏南次凹767個(gè)巖心樣品的掃描電鏡及X射線衍射資料，研究了黏土礦物的類型和組合關(guān)系，以及其分布特征與成因。結(jié)果表明，蒙脫石含量低且僅存在南二段上部，伊利石含量高且在整個(gè)南屯組都有分布；自下而上發(fā)育的黏土礦物組合有S+K+I+I/S，K+I+C+I/S+C/S，I+C+I/S+C/S，I+K+I/S及I+C+I/S等；火山物質(zhì)的水解蝕變及長(zhǎng)石的溶蝕作用均是造成黏土礦物含量增高的主要因素。

致密儲(chǔ)層；黏土組合；南屯組；烏南次凹；海拉爾盆地

0　引言

黏土礦物是以鋁、鎂等元素為主的含水硅酸鹽混合物，主要包括高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族及蛭石族等礦物，它廣泛分布在沉積巖中，是碎屑巖重要的膠結(jié)物之一［1-3］。已有研究表明［4］：在油氣田開發(fā)過程中，由黏土礦物導(dǎo)致的儲(chǔ)層傷害占油氣層傷害的70%左右。海拉爾盆地烏爾遜凹陷南屯組為主要的含油氣層，其儲(chǔ)層含有較高的凝灰質(zhì)及黏土礦物，地層水敏性較強(qiáng)，導(dǎo)致在注水開發(fā)過程中，儲(chǔ)層巖石遇水膨脹，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，制約著油氣的有效開發(fā)。筆者通過掃描電鏡、巖心及相關(guān)測(cè)井解釋等資料，對(duì)烏南次凹南屯組儲(chǔ)層黏土礦物的分布特征進(jìn)行分析，以期為油田注水開發(fā)調(diào)整提供依據(jù)。

1　地質(zhì)概況

烏南次凹位于海拉爾盆地烏爾遜凹陷南部（圖1），自下而上主要發(fā)育布達(dá)特群（Jb）、銅缽廟組（K1t）、南屯組（K1n）、大磨拐河組（K1d）、伊敏組（K1y）以及青元崗組（K1q）地層，其中南屯組是烏爾遜凹陷開發(fā)的主要含油氣層系。

圖1　烏南次凹構(gòu)造位置Fig.1　Structural location of Wunan Sub-sag

南屯組地層按照巖石組合自下而上分為南一段和南二段。南一段總體為灰色和灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、泥巖與灰綠色中粗砂巖和灰綠色礫巖互層，其中夾有灰白色凝灰?guī)r；南二段主要為一套灰色、灰綠色、灰白色細(xì)砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，局部夾有灰色、灰綠色礫巖及凝灰質(zhì)砂巖和厚層灰黑色泥巖。對(duì)南屯組烏20井、烏27井、烏28井和烏33井的272個(gè)樣品進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示，南一段孔隙類型主要為原生粒間孔、溶蝕粒間孔及溶蝕粒內(nèi)孔（長(zhǎng)石溶蝕孔和巖屑溶蝕孔），孔隙度為10%～16%，平均為13%，滲透率為0.1～10.0 mD，平均為8.12 mD；南二段孔隙類型主要為原生粒間孔、溶蝕粒間孔、溶蝕粒內(nèi)孔及裂縫，孔隙度為12%～15%，平均為14%，滲透率為0.1～10.0 mD，平均為9.32 mD。上下兩段儲(chǔ)層均屬于低孔、低滲及致密儲(chǔ)層①大慶油田勘探開發(fā)研究院.海拉爾盆地烏爾遜凹陷烏南次凹烏27區(qū)塊新增石油控制儲(chǔ)量報(bào)告.2007.。

烏南次凹南屯組砂巖Q-F-R三元分類（圖2）表明，該區(qū)南屯組砂巖組分以長(zhǎng)石砂巖、巖屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，成分成熟度較低，膠結(jié)物含量較高，實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)證實(shí)其黏土礦物總的體積分?jǐn)?shù)為10%～20%。一方面黏土礦物中的蒙脫石（S）等在注水開發(fā)過程中遇水分散、膨脹，這就極大地影響了儲(chǔ)層的物性；另一方面長(zhǎng)石在成巖過程中通過水-巖化學(xué)作用形成的早期綠泥石（C）和伊利石（I）等在碎屑石英顆粒表面形成包殼層（圖版Ⅰ-1～Ⅰ-2），從而改善了儲(chǔ)層的物性。Storvoll等［5］認(rèn)為此類包殼能有效地阻礙骨架顆粒之間、骨架顆粒與地層水之間的進(jìn)一步相互作用，阻止石英顆粒的次生加大，進(jìn)而有效保護(hù)粒間孔隙。如烏27井，在1 920.21 m和2 004.21 m處的自生黏土礦物包殼頻繁出現(xiàn)，其體積分?jǐn)?shù)分別為30%和24%。

圖2　烏南次凹南屯組砂巖Q-F-R三角圖①Fig.2　Triangular diagram of sandstone of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

2　儲(chǔ)層黏土礦物特征

2.1黏土礦物類型及含量

根據(jù)烏南次凹南屯組40口井767個(gè)巖心樣品掃描電鏡及X射線衍射黏土礦物的定量分析，認(rèn)為烏南次凹南屯組儲(chǔ)層發(fā)育的黏土礦物包括有伊利石（I）、高嶺石（K）、蒙脫石（S）、綠泥石（C）、伊/蒙混層（I/S）及綠/蒙混層（C/S）。在掃描電鏡下可以清晰地觀察到黏土礦物的形態(tài)特征，即伊利石呈片狀、絲狀、掌狀及集合體狀（圖版Ⅰ-3～Ⅰ-4）；高嶺石呈蠕蟲狀及書頁狀（圖版Ⅰ-5）；綠泥石呈針葉狀（圖版Ⅰ-6）。

海拉爾盆地烏南次凹南屯組黏土礦物在組合關(guān)系上較為復(fù)雜，與同為海拉爾盆地的貝爾凹陷相比［6-7］，烏南次凹南屯組蒙脫石含量相對(duì)較低，僅在南二段地層有少量分布，高嶺石和伊利石成為黏土礦物的主要組成部分，其中南二段黏土礦物類型以伊利石和高嶺石為主，黏土礦物組合有S+K+I+I/S，I+C+I/S+C/S及K+I+C+I/S+C/S等。從表1可看出，南二段黏土礦物總的體積分?jǐn)?shù)為14.12%，其中伊利石為5.26%，伊/蒙混層為0.66%，兩者合計(jì)5.92%，占黏土礦物體積分?jǐn)?shù)的41.9%。從表2可看出，南二段伊利石、蒙脫石及高嶺石的體積分?jǐn)?shù)分別為5.00%～91.33%，0.67%～10.00%和2%～93%，伊/蒙混層中以伊利石為主，占78.86%，綠/蒙混層中以綠泥石為主，占66.54%。

表1　烏南次凹南屯組黏土礦物占巖石樣品總量的體積分?jǐn)?shù)Table1　Absolute volume fraction of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

表2　烏南次凹南屯組各黏土礦物占黏土礦物總量的體積分?jǐn)?shù)Table2　Relative volume fraction of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

南一段黏土礦物類型以伊利石和高嶺石為主，礦物組合有I+C+I/S，I+C+C/S+I/S及I+K+I/S等。從表1可看出，南一段黏土礦物總的體積分?jǐn)?shù)為8.37%，其中伊利石體積分?jǐn)?shù)為5.3%。從表2可看出，南一段中伊利石平均體積分?jǐn)?shù)最高，為84.32%，高嶺石平均體積分?jǐn)?shù)較低，為8.68%，綠泥石平均體積分?jǐn)?shù)為7.12%。

2.2黏土礦物縱向分布

整體而言，烏南次凹南屯組（圖3）南二段高嶺石含量較高，隨著埋深的增加（1 600～1 900 m），高嶺石含量逐漸降低，反映出隨著成巖作用的加強(qiáng)，高嶺石逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化，當(dāng)埋深大于2 500 m時(shí)高嶺石含量極低；蒙脫石僅在南二段地層中有少量出現(xiàn)，當(dāng)埋深大于1 850 m時(shí)含量極低，標(biāo)志著埋深在1 850 m左右是烏南次凹儲(chǔ)層中蒙脫石向綠泥石、伊利石轉(zhuǎn)化基本完成的深度；伊利石和綠泥石的含量均隨著埋深的增加而增加，一部分伊利石來源于沉積母巖，另一部分則來源于其他礦物的轉(zhuǎn)化，不同之處在于伊利石貫穿整個(gè)南屯組地層，而綠泥石在淺層地層中含量極少，只有埋深在1 750 m以下的地層中才逐漸增加；伊/蒙混層較為均衡地分布于南屯組地層中，而綠/蒙混層則分布在埋深大于2 000 m的地層中。

圖3　烏南次凹南屯組黏土礦物縱向分布Fig.3　Vertical distribution of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

2.3黏土礦物成因分析

黏土礦物的富集在成因上主要受母巖區(qū)、沉積環(huán)境、大氣水淋濾作用以及成巖作用等的影響［8-9］。前人研究表明：海拉爾盆地在南屯組沉積時(shí)期伴隨著大規(guī)模的火山爆發(fā)［7，10］，中酸性火山物質(zhì)作為母巖經(jīng)過風(fēng)化、搬運(yùn)及河流作用等的一系列水解蝕變，在堿性、偏堿性介質(zhì)條件下［11］，向著蒙脫石、沸石及高嶺石轉(zhuǎn)化，這一過程中伴隨著物質(zhì)的重新分配，釋放出部分二氧化硅，在顆粒邊緣形成石英次生加大（圖版Ⅰ-7）。

根據(jù)電子探針定量分析①大慶油田勘探開發(fā)研究院.烏爾遜凹陷細(xì)分沉積相研究.2009.，隨著成巖作用的加強(qiáng)，不穩(wěn)定組分鉀長(zhǎng)石向鈉長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化，同時(shí)長(zhǎng)石與孔隙中的介質(zhì)發(fā)生水-巖化學(xué)反應(yīng)，生成高嶺石、伊利石及綠泥石。郭春清等［12］和伏萬軍等［13］研究認(rèn)為：有機(jī)質(zhì)熱演化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸（H+）對(duì)不穩(wěn)定組分（長(zhǎng)石）進(jìn)行溶蝕，同樣來自深部地層的CO2與水生成的H2CO4（過碳酸）對(duì)長(zhǎng)石具有溶蝕作用（圖版Ⅰ-8），其反應(yīng)式為

同時(shí)，在南屯組頂部不整合界面之下的高嶺石含量較高，如烏28井的黏土礦物（參見表1），在南二段頂部1 244～1 264 m處的高嶺石體積分?jǐn)?shù)為7%～13%（圖4），并且越靠近南屯頂部不整合面（1 244 m）高嶺石含量越高，說明高嶺石的形成與大氣水沿不整合面下滲造成長(zhǎng)石的不一致性溶解具有成因上的聯(lián)系。

圖4　Wu28井南二段頂部高嶺石縱向分布Fig.4　Vertical distribution of Kaolinite on the top of the second member of Nantun Formation in Wu28 well

因此，烏南次凹南屯組黏土礦物與火山母巖物質(zhì)、大氣水淋濾作用以及成巖過程中的水-巖化學(xué)反應(yīng)都有著重要的關(guān)聯(lián)性。

3　討論與結(jié)論

由于黏土礦物中的蒙脫石、伊/蒙混層及綠/蒙混層具有遇水膨脹的特殊性，在注水開發(fā)過程中對(duì)儲(chǔ)層可造成極大的傷害。因此，根據(jù)烏南次凹蒙脫石及其混層礦物的相對(duì)含量和分布情況，有針對(duì)性地在南二段儲(chǔ)層的注入水中加入黏穩(wěn)劑，而在南一段不含蒙脫石儲(chǔ)層的注入水中則不必增加黏穩(wěn)劑，這樣既有利于保護(hù)儲(chǔ)層和有效開發(fā)水敏性油層，又能節(jié)約成本，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。

（1）烏南次凹南屯組致密儲(chǔ)層黏土礦物中蒙脫石含量極低，僅在南二段上部地層中有少量發(fā)現(xiàn)。隨著埋深的增加伊利石的含量逐漸增加，黏土礦物組合類型復(fù)雜多樣，主要有S+K+I+I/S，I+C+I/S+C/S，I+C+I/S及I+K+I/S等。

（2）烏南次凹黏土礦物主要受母巖和大氣水沿不整合面的下滲淋濾，以及成巖過程中長(zhǎng)石的溶解作用的影響。

（References）：

［1］趙澄林，朱筱敏.沉積巖石學(xué)［M］.第3版.北京：石油工業(yè)出版社，2001：117-125.

Zhao Chenglin，Zhu Xiaomin.Sedimentary petrology［M］.3rd Edition. Beijing：PetroleumIndustryPress，2001：117-125.

［2］徐同臺(tái)，王行信，張有瑜，等.中國含油氣盆地粘土礦物［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2003：3-36.

Xu Tongtai，Wang Xingxin，Zhang Youyu，et al.The clay minerals in Hydrocarbon basins of china［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2003：3-36.

［3］李衛(wèi)成，張艷梅，王芳，等.應(yīng)用恒速壓汞技術(shù)研究致密油儲(chǔ)層微觀孔喉特征——以鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組為例［J］.巖性油氣藏，2012，24（6）：60-65.

Li Weicheng，Zhang Yanmei，Wang Fang，et al.Application of constantratemercurypenetrationtechniquetostudyofporethroatcharacteristics of tight reservoir：A case study from the Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin［J］.Lithologic Reservoirs，2012，24（6）：60-65.

［4］郭秋麟，陳寧生，宋煥琪，等.致密油聚集模型與數(shù)值模擬探討——以鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組致密油為例［J］.巖性油氣藏，2012，24（1）：4-10.

GuoQiulin，ChenNingsheng，SongHuanqi，etal.Accumulationmodels and numerical models of tight oil：A case study from Yanchang Formation in Ordos Basin［J］.Lithologic Reservoirs，2012，24（1）：4-10.

［5］Storvoll V，Bjφrlykke K，Karlsen D，et al.Porosity preservation in reservoirsandstones due to grain-coating illite：A study of the Jurassic Garn Formation from the Kristin and Lavrans fields，offshore Mid-Norway［J］.MarineandPetroleumGeology，2002（19）：767-781.

［6］朱占平，劉立，劉劍營.海拉爾盆地貝爾凹陷興安嶺群黏土組合及分布特征［J］.世界地質(zhì)，2005，24（1）：63-67.

Zhu Zhanping，Liu Li，Liu Jianying.Clay complexes and their distribution characteristics of Xing’anling Group in Beier depression of HailarBasin［J］.GlobalGeology，2005，24（1）：63-67.

［7］付正，劉欽甫，田威猛，等.海拉爾盆地貝爾凹陷興安嶺群儲(chǔ)層粘土礦物組成及特征研究［J］.地球?qū)W報(bào)，2008，28（1）：43-46.

Fu Zheng，Liu Qinfu，Tian Weimeng，et al.Composition and charactertics of clay minerals from the Xing’anling Group in the Beier Depression of the Hailar Basin［J］.Acta Geoscientica Sinica，2008，28（1）：43-46.

［8］張憲國，張濤，林承焰.基于孔隙分形特征的低滲透儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)［J］.巖性油氣藏，2013，25（6）：40-45.

Zhang Xianguo，Zhang Tao，Lin Chengyan.Pore structure evaluation of low permeability reservoir based on pore fractal features［J］.LithologicReservoirs，2013，25（6）：40-45.

［9］李傳亮.低滲透儲(chǔ)層容易產(chǎn)生高速非Darcy流嗎？［J］.巖性油氣藏，2011，23（6）：111-113.

Li Chuanliang.High rate non-Darcy flow is easier to occur in low permeability reservoirs［J］.Lithologic Reservoirs，2011，23（6）：111-113.

［10］趙海玲，鄧晉福，陳發(fā)景，等.中國東北地區(qū)中生代火山巖巖石學(xué)特征與盆地形成［J］.現(xiàn)代地質(zhì)，1998，12（1）：56-61.

Zhao Hailing，Deng Jinfu，Chen Fajing，et al.Petrology of the Mesozoic volcanic rocks and the basin formation in the Northeast China［J］. Geoscience，1998，12（1）：56-61.

［11］滕洪達(dá)，姜洪啟，王平.海拉爾盆地地層水特征與粘土礦物轉(zhuǎn)化和賦存的關(guān)系［J］.大慶高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2004，24（4）：83-85.

Teng Hongda，Jiang Hongqi，Wang Ping.The relations between the characteristics of stratum water and the transform and accumulation of clay mineral in Hailar Basin［J］.Journal of Daqing College，2001，24（4）：83-85.

［12］郭春清，沈忠民，張林曄.砂巖儲(chǔ)層中有機(jī)酸對(duì)主要礦物的溶蝕作用及機(jī)理研究綜述［J］.地質(zhì)地球化學(xué)，2003，31（3）：53-56.

GuoChunqing，ShenZhongmin，ZhangLinye，etal.Thecorrosionand its mechanism of organic acids on main minerals in oil-gas reservoir sandrocks［J］.Geology-geochemistry，2003，31（3）：53-56.

［13］伏萬軍.黏土礦物成因及對(duì)砂巖儲(chǔ)集性能的影響［J］.古地理學(xué)報(bào)，2000，23（3）：60-67.

Fu Wanjun.In fluence of clay minerals on sandstone reservoir properties［J］.Journal of Palaeogeography，2000，23（3）：60-67.

圖版Ⅰ

（本文編輯：楊琦）

Characteristics of clay minerals of tight reservoir and its geological significance of Nantun Formation in Wunan Sub-sag of Hailar Basin

PAN Zhongliang1，CHEN Wei1，WANG Zhenglai1，LI Quan1，SU Lei1，ZHAO Ronghuai2
（1.Hailar Headquarters of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163000，Heilongjiang，China；2.Department of Technology Development，PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla 841000，Xinjiang，China）

Clay mineral content in the tight reservoir of Nantun Formation in Wunan Sub-sag of Hailar Basin is high，which restricts oil and gas development.By using the data of SEM and X-ray diffraction from 767 core samples，this paper studied the types of clay minerals and their combination relation，as well as the distribution features and origin. The result shows that the content of montmorillonite is low and they are only developed on the upper Nantun Formation，and the content of illite is high and they are developed in the whole Nantun Formation.There are five types of clay mineral combination from bottom to top：S+K+I+I/S，K+I+C+I/S+C/S，I+C+I/S+C/S，I+K+I/S and I+C+I/S.The dissolution of volcano material and feldspar are the main reasons for resulting in the high content of clay minerals.

tight reservoir；claymineral combination；Nantun Formation；Wunan Sub-sag；Hailaer Basin

P542

A

1673-8926（2015）01-0021-05

2014-07-16；

2014-10-20

中國石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“泥頁巖非均質(zhì)性及其對(duì)泥頁巖油氣富集的影響”（編號(hào)：2011D-5006-0101）資助

潘中亮（1982-），男，碩士，工程師，主要從事油藏工程與精細(xì)油藏描述等研究工作。地址：（163000）黑龍江省大慶市讓胡路區(qū)昆侖大街甲27號(hào)。E-mail：176237472@qq.com。