婁敏， 楊香華， 姚光慶， 姜平

(1.中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335； 2.中國地質大學資源學院，武漢 430074； 3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，湛江 524057)

0 引言

黏土礦物是含油氣盆地砂巖儲集層中最重要的填隙物與膠結物，其形成與分布受沉積與成巖兩大作用控制[1]。原始的沉積環(huán)境會決定原生黏土礦物的組合類型，如在酸性環(huán)境中高嶺石較發(fā)育，堿性環(huán)境中伊利石發(fā)育，富鐵鎂的環(huán)境中綠泥石較發(fā)育等。成巖作用也會影響?zhàn)ね恋V物的發(fā)育，如長石的溶蝕會產生自生高嶺石等。在一定的溫壓條件以及水介質環(huán)境下，黏土礦物還會發(fā)生相互轉化。砂巖儲層中主要的礦物顆粒是石英和長石，顆粒表面發(fā)育綠泥石、伊利石、高嶺石以及蒙脫石、伊蒙混層等黏土礦物，這些礦物在沉積巖表面以碎屑和自生兩種形式存在，前者主要來源于物源的供給，后者則多來自儲層礦物的溶蝕或黏土礦物之間的轉變。相比于碎屑黏土，自生黏土對儲層的物性影響更為明顯。只有對黏土礦物的分布規(guī)律有了清楚的認識，才能準確而具體地分析黏土礦物對儲層物性、孔隙結構及儲集層產能的影響，從而正確評價儲層，制定有效的勘探開發(fā)措施，提高油氣井的產能。

前人對潿西南凹陷流沙港組和文昌A凹陷珠海組低滲儲層中甜點儲層發(fā)育的控制因素進行了較多研究[2-5]，但較少對黏土礦物與甜點的關系進行深入的分析。而黏土礦物對儲層物性有較大的影響，是制約低滲儲層甜點發(fā)育的重要因素之一。本文選取潿西南凹陷10井、11井區(qū)流沙港組和文昌A凹陷9井、10井區(qū)珠海組儲層，通過薄片觀察、陰極發(fā)光、壓汞測試、掃描電鏡、X衍射、物性分析等研究，首先認清了研究區(qū)黏土礦物的總體特征，然后針對與甜點儲層發(fā)育有關的黏土礦物進行深入研究，明確了黏土礦物對甜點儲層發(fā)育的影響，對尋找甜點儲層和指導油氣勘探具有重要的意義。

1 研究區(qū)地質概況

北部灣盆地是南海大陸架西北部的一個以新生代沉積為主的斷陷、坳陷疊合盆地。潿西南凹陷位于北部灣盆地北部坳陷(圖1(a))，是一個南斷北超的箕狀半地塹，呈EW向展布，面積約3 800 km2。該凹陷已被證實為富烴凹陷，其中流三段勘探前景好，為主要的目的勘探層系[3]。本次潿西南凹陷具體研究區(qū)為北部陡坡帶1號斷層下降盤的10井、11井區(qū)(圖1(a))。

珠江口盆地是南海大陸架邊緣的大陸邊緣張性盆地。文昌A凹陷位于珠江口盆地珠三坳陷東北部(圖1(b))，是一個南斷北超的箕狀凹陷，呈NE—SW向展布，面積約3 350 km2。該凹陷油氣資源豐富，珠海組為重要的勘探層系。本次文昌A凹陷具體研究區(qū)為珠三南斷裂下降盤的9井、10井區(qū)(圖1(b))。

圖1 潿西南凹陷(a)和文昌A凹陷(b)地質簡圖

2 潿西南凹陷流沙港組黏土礦物與甜點儲層的關系

2.1 黏土礦物的發(fā)育特征

X衍射(X-ray diffraction,XRD)分析表明，潿西南凹陷流三段儲層中黏土礦物以伊利石、高嶺石、伊蒙混層為主，同時含有少量綠泥石，不含蒙脫石。其中，伊利石平均相對含量為48.36%，高嶺石為22.95%，伊蒙混層為19.98%，綠泥石為8.71%。隨著埋深的增加，黏土礦物發(fā)生了一系列的轉化(圖2)。蒙脫石在潿洲組(深度2 000 m附近)已經消失，伊利石和伊蒙混層隨深度變化趨勢剛好相反，表明存在伊蒙混層向伊利石的轉化。砂巖中的黏土礦物與泥巖中的黏土礦物分布也具有一定的差異性。砂巖中高嶺石相對含量明顯高于泥巖，這與長石等鋁硅酸鹽溶蝕產生自生高嶺石有關。砂巖中伊蒙混層相對含量明顯低于泥巖，這可能是熱流體加速伊蒙混層向伊利石轉化的結果。深度3 000 m以下，砂巖中伊利石含量高，高嶺石、伊蒙混層大部分已經向伊利石轉化。砂巖中高嶺石高值段與孔隙度高值段有較好的對應關系，與甜點儲層的發(fā)育有著密切關系。

深度800～1 300 m為新近系，1 300～2 100 m為潿洲組，2 100～3 400 m為流沙港組

2.2 黏土礦物與甜點儲層的關系

黏土礦物相對含量與物性交會圖(圖3)顯示，高嶺石與孔隙度、滲透率有正相關關系，伊利石、綠泥石和伊蒙混層與物性呈負相關關系。通過掃描電鏡對研究區(qū)黏土礦物觀察，進一步分析其產狀對儲層物性的影響。潿西南凹陷中的伊利石有片狀(圖4(a),(d))、蜂巢狀(圖4(b),(e))和絲縷狀(圖4(c),(f))3種產狀，不同產狀的伊利石對儲層物性的影響不同(表1)。研究區(qū)伊利石主要呈瘤狀、短纖維狀和毛發(fā)狀產出，伊利石包膜少見，伊利石絲化搭橋現象多見于深層砂體。成巖中晚期的伊利石絲化搭橋，堵塞孔喉并破壞儲層的連通性，嚴重降低儲層的滲透率，是深部儲層物性變差的重要原因之一。一般認為包殼狀綠泥石可以抑制石英加大，抵抗壓溶作用，對儲層物性有利，但是在研究區(qū)綠泥石多呈針葉狀、絨球狀產出(圖5)，綠泥石包殼少見?？傮w上，高嶺石與相對優(yōu)質儲層有關，伊利石、綠泥石對儲層物性具有負面影響。

圖3 潿西南凹陷流沙港組黏土礦物含量與物性的關系

Q.石英； F.長石; R.巖屑

表1 潿西南凹陷砂巖中伊利石的類型及其對儲層的影響

圖5 潿西南凹陷流沙港組儲層綠泥石微觀特征

研究區(qū)高嶺石多以孔隙充填方式產出，與次生溶蝕關系密切，兩者經常伴生在一起(圖6(a))。通過陰極發(fā)光可以看到鉀長石高嶺石化蝕變(圖6(b))，其中陰極發(fā)光靛藍色的為高嶺石，鉀長石殘余發(fā)亮藍色光。高嶺石是比較典型的黏土礦物之一，常見的有物源高嶺石和成巖高嶺石2種類型。其中對儲層影響較大的是成巖高嶺石，該類高嶺石常常具有結晶完好的六邊形晶體，輪廓清晰； 而物源高嶺石由于會受到搬運的改造，多呈碎片狀，晶體形態(tài)較差。潿西南凹陷流沙港組三段砂巖中的高嶺石多為薄板狀(圖6(c))、假六方板狀(圖6(d))，極少數為碎片狀，集合體呈書頁狀或蠕蟲狀。高嶺石一般認為是酸性介質下，鋁硅酸鹽受酸性流體溶蝕后的產物。高嶺石的發(fā)育與長石有著密切的關系，長石溶蝕后會生成次生孔隙，并伴隨自生高嶺石的沉淀。

K.高嶺石

由埋藏史圖(圖7)可以分析出研究區(qū)有2種酸性流體: 第一種為開放性成巖環(huán)境,以WZ10-B井為例，32 Ma左右時地層抬升，流三段地層埋深1 000 m，受地表淋濾作用發(fā)生早期溶蝕; 第二種為相對封閉性成巖環(huán)境,以WZ11-A井為例，地層抬升時間短，抬升時期流沙港組埋深大于2 000 m，受大氣淋濾作用弱，主要受有機酸影響。此外，泥巖壓實過程排出的層間水也是產生高嶺石的酸性流體來源之一。成巖過程中砂巖和泥巖會相互作用，隨著埋深的加大，不同的成巖階段，泥巖和砂巖相互作用不同。中成巖A期，泥巖受熱力作用排出大量層間水(酸性)會溶蝕砂巖中的鋁硅酸鹽礦物產生自生高嶺石。

高嶺石是砂巖儲層中最常見的自生黏土礦物之一，其發(fā)育程度與儲集層物性有著密切的關系。不同學者對此看法不同，有學者認為高嶺石會充填粒間孔隙使儲層物性變差[6]，也有學者認為溶蝕產生的孔隙與產生的高嶺石相互抵消，對儲層無明顯影響； 還有學者認為高嶺石的出現，代表強烈的溶蝕作用，是有利儲層發(fā)育的標志[7]。這些都是在靜態(tài)的條件下考慮高嶺石對儲層的影響。在動態(tài)條件下考慮長石溶蝕與高嶺石差異沉淀，會造成儲層物性的兩極分化[8]。沉積時期物性較差的區(qū)域，因高嶺石沉淀物性進一步變差； 原生粒間孔發(fā)育區(qū)，長石溶蝕產物被帶走，物性會進一步變好，從而形成甜點儲層。高嶺石與長石反應的方程式為

4KAlSi3O8(鉀長石)+2CO2+4H2O→Al4(Si4O10)(OH)8(高嶺石)+8SiO2(石英)+2K2CO3

4NaAlSi3O8(鈉長石)+2CO2+4H2O→Al4(Si4O10)(OH)8(高嶺石)+8SiO2(石英)+2Na2CO3

Fm.地層(組)； Nd.登樓角組; Nj1.角尾組一段; Nj2.角尾組二段; Nx1.下洋組一段; Nx2.下洋組二段; El1.流沙港組一段; El2.流沙港組二段; El3.流沙港組三段; Ec.長流組； E.古近系; N.新近系; Q.第四系

研究區(qū)高嶺石發(fā)育型儲層為相對優(yōu)質儲層，其孔隙演化與高嶺石的發(fā)育關系密切。總體上可以劃分為4個階段(圖8)： 早期(a期)原生粒間孔發(fā)育，不發(fā)育自生高嶺石； 中期(b期)長石被地層酸性流體溶蝕，原生粒間孔減少，次生溶孔增加； 中晚期(c期)長石溶蝕加劇，同時產生自生高嶺石，原生粒間孔進一步減少，次生溶孔增加； 晚期(d期)自生高嶺石向伊利石轉化，原生孔和次生溶孔均減少，儲層致密?；ǜ劢M儲層大部分處于中期—中晚期階段，高嶺石次生溶孔發(fā)育型儲層是目的層的甜點儲層。

Fm.地層(組)； Nd.登樓角組; Nj1.角尾組一段; Nj2.角尾組二段; Nx1.下洋組一段; Nx2.下洋組二段; El1.流沙港組一段; El2.流沙港組二段; El3.流沙港組三段; Ec.長流組； E.古近系; N.新近系; Q.第四系

3 文昌A凹陷珠海組黏土礦物與甜點儲層的關系

3.1 黏土礦物的發(fā)育特征

文昌凹陷珠海組儲層中黏土礦物以綠泥石、伊利石、伊蒙混層為主，同時含有少量高嶺石，9、10井區(qū)珠海組儲層綠泥石含量相對較高。其中，綠泥石平均相對含量39.80%，伊利石為30.79%，伊蒙混層為24.33%，高嶺石為5.08%。珠海組(3 300～4 400 m)對應成巖階段主要為中成巖A期，黏土礦物組合為伊利石、高嶺石、伊蒙混層和綠泥石，不含蒙脫石。隨著深度的加深，黏土礦物中蒙脫石發(fā)生了向伊蒙混層、伊利石的轉化(圖9)。生油門限深度(2 700 m)附近，砂巖中存在高嶺石高值段，這與有機酸溶蝕長石生成高嶺石有關。深度3 700 m附近出現了另一高孔層段，與綠泥石的高值段對應關系較好，表明綠泥石的發(fā)育與深部相對優(yōu)質儲層關系密切。

深度1 300～3 200 m為新近系，3 200～4 400 m為珠海組

通過巖心、鑄體薄片、掃描電鏡和能譜等測試手段，對研究區(qū)綠泥石進行了觀察分析。綠泥石多發(fā)育在中砂巖中(圖10(a))，在鑄體薄片中我們可以清晰地看到綠泥石發(fā)育在石英顆粒邊緣(圖10(b))，掃描電鏡下綠泥石主要有薄膜狀(圖10(c))、櫛殼狀(圖10(d),(e))和玫瑰花狀(圖10(f))3種形態(tài)，前兩者主要附著在碎屑顆粒表面，玫瑰花狀綠泥石主要充填在孔隙中。研究區(qū)綠泥石膜高Fe貧Mg，為富鐵綠泥石。沉積環(huán)境(相帶)是控制綠泥石形成的重要因素。富鐵綠泥石的形成需要富含Fe離子的弱堿性水介質環(huán)境。而海水(湖水)中的Fe濃度是有限的，因此一定的陸源輸入是必須的[9]。帶能譜的掃描電鏡分析(圖11)發(fā)現，文昌凹陷珠海組儲層發(fā)育3期綠泥石，早期綠泥石Fe含量較低，晚期綠泥石Fe含量增高。各期次的綠泥石特征見表2。研究區(qū)綠泥石主要為第一期顆粒包膜綠泥石和第二期孔隙襯里綠泥石，孔隙充填式綠泥石少見，第一期和第二期綠泥石對儲層物性有利，第三期綠泥石破壞孔滲。早期綠泥石膜主要形成于三角洲前緣區(qū)，由于海水與河水鹽度的差異，陸源的鐵質會沉淀下來以化學方式吸附在顆粒表面，形成初期的黏土質膜。中成巖階段A—B期，含云母、角閃石等火山巖巖屑的溶解為綠泥石的形成提供了豐富的鐵、鎂離子。隨著壓實作用的增強，顆粒之間以點接觸向線狀接觸甚至凹凸接觸轉變，綠泥石便垂直于顆粒表面向著剩余的原生三角形孔隙或不規(guī)則孔隙生長，形成孔隙襯里綠泥石。晚期，其他黏土礦物在外部含鐵、鎂離子流體的影響下形成綠泥石。當K、Na含量較低時，蒙脫石、伊利石在富Fe的環(huán)境中會轉化為綠泥石。此外，高嶺石在富Mg的環(huán)境中也能轉化為綠泥石，鉀長石在富Fe和Mg的環(huán)境中也能發(fā)生綠泥石，其化學式為

圖10 文昌A凹陷珠海組綠泥石發(fā)育特征典型圖版

圖11 文昌A凹陷珠海組綠泥石能譜圖及元素含量

表2 綠泥石期次及其特征

3Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4Mg2++2Fe2++9H2O=

Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16(綠泥石)+14H+

伊利石+1.64Mg2++1.89Fe2++8.24H2O=

0.82綠泥石+0.6K++1.37H4SiO4+6.46H+

KAlSi3O8(鉀長石)+0.4Fe2++0.3Mg2++14H2O=0.3(Fe14Mg12Al2.5)(Al0.7Si3.3)O10(OH)8(綠泥石)+2SiO2+K++0.4H+

3.2 黏土礦物與甜點儲層的關系

關于綠泥石對儲層的物性影響，大部分學者認為綠泥石膜可以增強儲層抗壓實能力，抑制石英加大，起到保護儲層物性的作用[10-11]。也有部分學者認為，在一定的條件下，綠泥石膜可以起到抑制石英加大并保護儲層的作用。如淺埋低地溫階段綠泥石膜可以抑制石英加大，但是深埋高地溫階段綠泥石膜難以抑制石英加大[12]。綠泥石環(huán)邊只有在連續(xù)分布且有一定的厚度的條件下，才能抑制石英加大[13]。還有少部分學者認為綠泥石膜不能抑制石英加大，也不能增強砂巖抗壓實的能力[14]，甚至破壞儲層物性[15]。但是不管是綠泥石膜保護儲層物性，還是物性好的儲層發(fā)育綠泥石膜，綠泥石膜發(fā)育型儲層與相對優(yōu)質儲層有著密切的關系。研究區(qū)綠泥石膜發(fā)育型砂巖主要形成于沉積水動力較強的背景下，原生孔隙發(fā)育。河流作用主導的河水-湖水過渡帶，有利于綠泥石質黏土的沉淀，埋藏期砂體抗機械壓實與化學壓實強度較大，保留了足夠的流體活動空間，次生溶孔發(fā)育。不同期次綠泥石的發(fā)育對儲層具有截然不同的影響，有別于早期的薄膜狀綠泥石對孔隙的保護作用，后期的結晶片狀和玫瑰化狀綠泥石充填孔隙喉道，對儲層物性產生消極影響。研究區(qū)綠泥石多以綠泥石膜和櫛殼狀產出，玫瑰花狀綠泥石少見?？傮w上綠泥石可作為研究區(qū)相對優(yōu)質儲層發(fā)育的標志。

研究區(qū)綠泥石與孔隙度、滲透率的交會圖(圖12)顯示，綠泥石的相對含量與儲層的物性表現出較好的正相關性。不同產狀的綠泥石對儲層的物性影響不同，總體上研究區(qū)綠泥石以膜狀和櫛殼狀產出，對儲層物性有建設性作用。

圖12 綠泥石相對含量與物性的關系

研究區(qū)綠泥石發(fā)育型儲層為相對優(yōu)質儲層，其孔隙演化與綠泥石的發(fā)育關系密切?？傮w上可以劃分為4個階段(圖13)。早期(a期)長石蝕變程度弱，黏土附著在顆粒表面，形成平行于顆粒表面的黏土膜，原始孔隙度40%左右。中期(b期)地層快速沉降，水介質鹽度升高，還原性增強，粒表黏土膜受Fe2+影響逐漸結晶呈薄膜狀綠泥石。綠泥石膜發(fā)育區(qū)，石英壓溶受到抑制； 綠泥石膜不發(fā)育區(qū)域壓溶作用明顯，顆粒之間線接觸，原生孔隙破壞嚴重。中晚期(c期)，即現今優(yōu)質儲層段所處成巖階段，受早期綠泥石膜保護，殘余粒間孔隙較發(fā)育的砂巖，由于生烴過程排出的有機酸流體進入，水介質由堿性變?yōu)樗嵝裕L石、巖屑等碎屑顆粒溶解，形成次生溶孔與鑄模孔。同時受成巖孔隙流體的影響，在早期膜狀綠泥石的基礎上，結晶形成第二期片狀綠泥石。晚期(d期)受熱演化程度的影響，第二期片狀綠泥石垂直碎屑顆粒表面生長，局部區(qū)域綠泥石呈玫瑰花狀結晶產出，占據孔隙空間，同時，黏土礦物伊利石化，在粒間孔隙沉淀自生絲狀伊利石，孔喉縮小，致使儲層物性變差。不發(fā)育綠泥石膜的區(qū)域，石英加大邊現象明顯，孔隙不發(fā)育。

Fm.地層(組)； Qq.瓊海組； Nws.萬山組； Nyh.粵海組； Nhj.韓江組； Nzj.珠江組； Nzh.珠海組； Ee.恩平組； Ew.文昌組； Basement.基底

4 結論

(1)明確了低孔滲背景兩類相對優(yōu)質儲層的黏土礦物組合特征與孔隙類型。中深層儲層中的自生高嶺石和深層儲層中的顆粒包膜、孔隙襯里型綠泥石是甜點儲層的黏土礦物指標。

(2)潿西南凹陷流沙港組相對優(yōu)質儲層中，高嶺石相對含量高，溶蝕作用強烈，發(fā)育大量次生孔隙。高嶺石可以分為淺層淡水淋濾和中深層有機酸作用兩種成因。高嶺石與次生孔隙發(fā)育型甜點孔隙演化關系密切。

(3)文昌A凹陷珠海組優(yōu)質儲層中，綠泥石相對含量高，發(fā)育大量原生粒間殘余孔隙。綠泥石可以分為3期，分別為早期顆粒包膜綠泥石、中期孔隙襯里綠泥石和晚期粒間充填的團簇狀綠泥石，第一期和第二期綠泥石對儲層物性有利，第三期綠泥石破壞孔滲。研究區(qū)綠泥石總體上以顆粒包膜和孔隙襯里型為主，粒間充填的團簇狀綠泥石為輔，對儲層有建設作用。綠泥石與原生粒間孔發(fā)育型甜點孔隙演化關系密切。