黄骅坳陷上古生界储层粘土矿物研究

张 晨，苗建宇，宋红霞，王静茹

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069;2.西安石油大学油气资源学院，陕西西安710065)

黄骅坳陷位于渤海湾盆地中部，东西向被沧县隆起和埕宁隆起夹持，北连燕山褶皱带。其上古生界是一套海陆交互相－陆相的含煤岩系沉积，具有北薄南厚的特征[1]。本区目的层的岩石类型主要为岩屑砂岩、长石岩屑砂岩及岩屑长石砂岩。东部样品主要落在砂岩分类三角图上的Ⅴ区内，西部、南部样品则分别落在Ⅵ区、Ⅶ区内(图1)。具有低－中等成分成熟度、胶结物含量低以及结构成熟度中等的特点，表现为储层分选性差－中等，磨圆度以次棱角状为主，胶结方式多为孔隙式胶结，颗粒之间点线状接触。自生矿物以水云母、高岭石为主，其次为方解石和石英。粘土矿物广泛分布在本区上古生界储层内，为伊利石、伊/蒙间层、高岭石及绿泥石。

粘土矿物的形成、保存、转变、消失是古气候、水介质、成岩作用、母质、沉积相带、构造运动等多种地质因素综合作用的结果[2－5]。它可以揭示古气候、古环境，反映沉积成岩以及油气成藏过程，并且与储层物性有密切关系[2，6－8]。因此，利用粘土矿物对本区目的层进行基础地质研究是必要的。对78块目的层样品进行粘土矿物分析和镜下观察，通过综合研究其特征并结合其他资料来确定本区粘土矿物在沉积成岩以及储层物性方面所扮演的角色。

1 粘土矿物类型产状和分布特征

根据X衍射、铸体薄片鉴定结果以及扫描电镜观察，认为黄骅坳陷上古生界储层中粘土矿物以伊利石、伊蒙/间层为主，可见少量绿泥石和自生高岭石发育。其它粘土矿物不发育(图2)。

伊利石在本区储层中发育广、含量多，孔隙内发丝状搭桥式伊利石主要出现在黄骅坳陷的西北部;略具定向性的破碎片状或卷片状以薄膜状存在于颗粒表面的伊利石在整个黄骅坳陷都可见到。其平均含量 ＞35%，相对含量 3.5% －69.89%。纵向上，随深度增加伊利石相对含量有逐渐增加的趋势(图3)，伊/蒙间层比也逐渐增大(图4)。这主要是由于深度增加，温度、压力升高，成岩速度加快，地层中的粘土矿物(如高岭石、伊/蒙混层)均向伊利石转化，使得伊利石相对百分含量呈增加的态势。

伊/蒙间层矿物在黄骅坳陷南部较少，相对含量1.68% －36.75%，均值10%;坳陷西部较高，相对含量3.48% －33.97%，均值30%。且以薄膜状包裹颗粒。伊/蒙间层比值在＜10－98之间。坳陷西部伊/蒙间层比普遍较大，介于56－98之间，平均值达86;北部伊/蒙间层比值＜10，属超点阵特征。

绿泥石在黄骅坳陷上古生界储层中并不普遍，检测到的样品中绿泥石含量平均值＜20%，相对含量8.69% －53.17%。扫描电镜下绿泥石呈叶片状以薄膜式包裹岩石骨架颗粒。

高岭石一般有两种来源，一种是继承性的碎屑高岭石，另一种是自生高岭石。自生高岭石一般晶形较好。本区目的层中自生高岭石以蠕虫状和书页状产出，出现在残余孔隙内或钾长石颗粒表面。

2 粘土矿物形成机理

部分伊利石是由蒙脱石成岩转化形成，扫描电镜下在卷片状伊/蒙间层矿物的表面见发丝状的伊利石。富钾的碱性条件下，随着温度、压力增加，水介质中的Al3+、K+，置换蒙脱石中的 Fe2+、Mg2+，转化为伊利石。

绿泥石的形成需要同沉积的富铁沉积物，因而本区富岩屑物源的地层，尤其是富中基性岩浆岩屑及暗色镁矿物的物源地层就为绿泥石提供了较多的物质来源。此外，先驱粘土矿物(机械渗滤的蒙皂石、自生蒙皂石等富铁粘土矿物)也可以形成自生绿泥石，这种绿泥石均是以薄膜状的形式存在[2]。

本区目的层的成岩自生高岭石主要是成岩期从孔隙溶液中直接沉淀形成的高岭石，其晶形发育较好，单晶呈假六方片状，集合体呈书页或蠕虫状。

3 粘土矿物研究成果

3.1 粘土矿物与孔隙度、渗透率间的关系

粘土矿物的产状往往与储层物间有密切关系。扫描电镜观察发现本区样品中，伊利石呈搭桥式和衬垫式分布，绿泥石、蒙皂石为衬垫式，自生高岭石多为充填式和衬垫式分布。在孔隙度相同的情况下，搭桥式对渗透率影响最大，它的存在使得液体不易在孔隙间流动并切割原生孔隙。薄膜式则包裹骨架颗粒，填充粒间孔隙和吼道，减小孔隙度，它对孔、渗的影响不及搭桥式。充填式容易堵塞吼道，同时也占据孔隙空间，对孔、渗也有一定影响。但另一方面，粘土矿物的存在又阻碍机械压实作用的进一步加剧，若后期经历溶解作用后反而可以为次生孔隙的形成提供空间。尤其是自生高岭石的形成与孔隙发育过程相伴，它一般与孔、渗成正相关。祝新政等(2011)指出，黄骅坳陷储层中，高岭石溶蚀形成的粒间孔隙连通性较好，且孔隙度及渗透率与自生高岭石体积分数呈正相关性，随着自生高岭石体积分数的增加，对孔隙度的改善更为明显。

3.2 粘土矿物与压汞曲线间的关系

对78个全坳陷采集样品的压汞和X衍射结果进行对比分析可以发现，黄骅坳陷上古生界存在三种典型储层，它们的压汞曲线与所对应的粘土矿物特征都与其他类型截然不同(图5)。

A类储层:该储层具有完整的进、退汞曲线，并且进汞曲线具有一个长平台，但是退汞曲线转折迅速，反映了该类储层具有孔隙结构较好、小孔喉较多、孔隙分选性中等的特点。孔喉半径直方图表现为“单峰式”，峰值出现在0.133 μm。按照鲁洪江(1997)对储层的划分方法，这类储层属于采收率产能中等的储类型层。这类储层中粘土矿物总量少，往往只有伊利石和伊/蒙间层矿物存在，且伊/蒙间层比＜10。

B类储层:这类储层的进汞曲线具有两个平台，退汞曲线近于一条斜率很大的直线，最大进汞量达80%，说明该储层孔隙大小主要分布在0.005－0.015 μm、0.488 μm 且孔喉比高。孔喉半径直方图也具有“双峰式”特点。这类压汞曲线对应于粘土矿物总量较高、伊利石相对含量高、伊/蒙间层比大的储层。正是因为伊利石阻碍汞在孔隙中流动，当压力达到可以破坏搭桥式伊利石时，汞可以进入更小的孔隙空间内。

C类储层:这类储层的压汞曲线很不完整，进汞曲线没有平台，退汞曲线近似平行于Y轴，最大进汞量仅为30%。此类储层孔隙小、孔喉比高，孔喉半径主要分布在0.004－0.015 μm 之间，属于产能和采收率均低的极差储层。相对应的，其含粘土矿物含量高、种类多、伊/蒙间层比中等。粘土矿物充填孔隙空间使得原生孔隙减小甚至消失。

总之，粘土矿物总量多、种类多、伊利石含量高、伊/蒙间层比大的储层其压汞曲线形态越不完整。粘土矿物的存在占据了原生孔隙和吼道使得流体流动变得困难。通过对压汞和X衍射数据的分析还发现，随着埋深增加，温度压力增大，粘土矿物总量和伊利石含量也相应增大，压汞曲线也从B类逐渐转变为C类，储层物性变差。

3.3 粘土矿物与古环境间的关系

在整个地史时期，古气候不断地冷暖交替变化致使粘土矿物组合特征随之发生相应的变化。在本区目的层中，粘土矿物组合以伊利石，伊利石+伊－蒙有序间层+绿泥石、伊利石+绿泥石组合，代表了干旱富K+的盐湖环境。

3.4 粘土矿物与成岩环境间的关系

黄骅坳陷内伊利石普遍存在并且伴随大量钾长石溶蚀现象，说明本区出现过大量钾长石发生溶蚀的成岩环境。钾长石在100℃ －200℃下的碱性溶液中最易溶蚀，这也就说明本区目的层普遍经历了碱性地下水成岩环境。并随埋深增加，蒙脱石逐渐转变为伊利石的过程中仍旧需要富K+的碱性环境，因此现今地下的成岩环境依旧是碱性水条件。

在黄骅坳陷有油藏形成的部分，则出现了高岭石与伊利石共存的现象。而与伊利石的形成环境相反，高岭石的形成需要开放的酸性环境，这应该是油藏形成过程中带来的有机酸使得地下水条件发生改变，逐渐将碱性环境改变为酸性环境，高岭石便逐渐从酸性溶液中沉淀出来。

4 结论

1)黄骅坳陷上古生界储层的粘土矿物以伊利石、伊蒙/间层为主，少数样品可见绿泥石和自生高岭石发育。伊利石含量、伊蒙/间层比随埋深增加而增大。搭桥式伊利石使渗透率下降，衬垫式伊蒙/间层和绿泥石影响稍弱。充填式自生高岭石一般与孔、渗成正相关。

2)粘土矿物特征结合压汞曲线可将本区目的层分为A、B、C三类储层。随埋深和粘土矿物总量增加、伊利石发育，A类采收率产能中等型储层会逐渐向B类“双平台式”储层演变，最终成为C类极差储层。

3)粘土矿物组合暗示本区为干旱盐湖的古环境。成岩环境全区均为碱性，仅在油藏附近表现为碱－酸－碱的变化过程。

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