鄂尔多斯盆地合水地区长7 致密油储层伊利石成因

田建锋，高永利，张蓬勃，王秀娟，杨友运

(1. 西安石油大学地球科学与工程学院，陕西西安710065; 2. 西安石油大学石油工程学院，陕西西安710065;3. 中国石油长庆油田勘探开发研究院，陕西西安710021)

致密油是当今全球油气勘探开发的热点之一，在我国鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、四川盆地以及松辽盆地等主要盆地广泛分布［1］，资源潜力巨大，仅鄂尔多斯盆地晚三叠系延长组致密油资源量就高达35.5 ×108～40.6 ×108t［2］，其中长7 是最主要的致密油储层，但是受前期认识程度和开采技术的局限，长7 油层组一直作为中生界的生油层进行研究，对其储层特征的研究较少。近年来，随着盆地勘探程度的不断提高，长7 油藏不断获得突破，发现了多个含油富集区［3］，盆地西南部合水地区里17、里152、西233、里47、庄230等一批井压裂后，获高产工业油流(大于20 t/d)，预示着巨大的勘探潜力。储层研究是致密油勘探开发的灵魂［2］，合水地区长7 致密油储层中伊利石含量异常高，是控制长7 致密油储层物性的主要因素。因此伊利石的成因及其对储层物性的影响，成为合水地区长7 致密油研究的重点之一。

1 储层基本特征

依据沉积旋回，自下而上长7 油层组细分为长73、长72和长713 个小层［3］，合水地区长7 油层组各小层厚度30～40 m，其中长73主要为半深湖-深湖相夹凝灰质暗色泥岩和油页岩，油页岩厚度15～40 m;而长72和长71发育大套浊积砂体，砂岩累计厚度20～50 m，与下部长73油页岩紧密接触，形成了大面积的致密油。

563 个铸体薄片和445 个图像粒度分析结果表明，合水地区长7 砂岩为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩(图1)，粒度中值主要为3～4(Φ 值)，属于极细砂岩，次棱角状，分选中等-差。填隙物包括伊利石、铁白云石、铁方解石、自生石英胶结和长石加大，局部地区还可见绿泥石胶结，填隙物总量10.0%～30.0%，平均含量13.7%，其中伊利石平均含量高达9.1%，占填隙物总量的66.0%，是西峰、姬塬、华庆等地区长8储层中伊利石含量的2～4 倍，铁边城长7 储层中的伊利石也不到研究区的一半(表1)。

图1 合水地区长7 砂岩三角分类Fig.1 Ternary diagram for classification of Chang 7 sandstone in Heshui area

合水地区长7 油层组2 700 多个实测物性数据表明，储层渗透率为0.05 ×10-3～0.20 ×10-3μm2，平均0.13 ×10-3μm2;孔隙度7.0%～10.0%，平均8.8%。储层孔隙类型包括粒间孔、长石溶孔、岩屑溶孔以及少量的微孔、微裂缝，平均面孔率2.4%，其中长石溶蚀孔占绝对主导，平均1.32%，其次为粒间孔0.72%。

2 伊利石产状、成分及分布规律

2.1 伊利石以分散杂乱片状为主，少量蜂窝状，孤立的丝缕状难见

伊利石晶体结构与白云母的基本相同，也属于2 ∶1 型结构单元层的二八面体型，与白云母不同的是层间K+的数量比白云母少，而且有水分子存在，因此伊利石也称为水白云母或水云母。伊利石单体常呈二向延长的(弯曲)片状(长宽比＜3)和一向延长的板条状(长宽比3～50)及纤维状(长宽比＞50)［4］。片状伊利石集合体可表现为杂乱堆积、近平行排列或贴粒状和似蜂窝状等多种形式，纤维状伊利石集合体呈孔隙充填丝缕状(又称发丝状)和搭桥状产出。铸体薄片、扫描电镜和X-衍射分析均表明合水地区长7 砂岩中普遍发育伊利石，但由于其晶体微小，偏光显微下观察不到单体形态，集合体表现为分散污浊状(图2a，b);扫描电镜下大多呈杂乱分散不规则弯曲片状(图3b，d)，也可见少量蜂窝状伊利石(图3e)，还可见部分云母颗粒局部或全部蚀变成近平行排列的片状伊利石(图3a)，但极难见到单独产出的丝缕状伊利石(图3c)，它们一般与各种片状伊利石伴生，分布在片状伊利石的边缘(图3b，c，e)，总体含量相对较低。

表1 合水地区长7 及邻区长8 填隙物含量对比Table 1 Comparison of matrix contents between Chang 7 in Heshui area and Chang 8 in adjacent area

图2 合水地区长7 填隙物及孔隙分布特征Fig.2 Distributions of matrix and pores of Chang 7 sandstone in Heshui area

图3 合水地区长7 伊利石分布特征Fig.3 Scanning electron micrographs illustrating the texture and morphology of illite in Chang 7，Heshui area

图4 合水地区长7 伊利石含量与平均粒径交会图Fig.4 Illite content vs.average grain size of Chang 7 in Heshui area

2.2 伊利石含量与岩石结构相关

通过对合水地区长7 大量薄片和粒度分析资料的统计表明，伊利石含量与砂岩粒度具有明显的负相关关系(图4)，砂岩粒度越细，伊利石含量越高，表明沉积水动力是控制伊利石分布的重要因素。邻区(西峰、姬塬、华庆)长8 和铁边城地区长7 油层组主要为三角洲相细砂岩，而非浊流沉积的极细砂岩，可能是其伊利石含量相对少的主要原因。

2.3 伊利石与自生石英具有明显的相斥性

合水地区长7 砂岩储层中自生石英加大和自生石英雏晶均较发育，铸体薄片鉴定平均含量为1.2%，由于砂岩粒度细、泥质含量高，铸体薄片鉴定的石英胶结物含量可能偏低，扫描电镜下石英胶结含量普遍大于2%，主要为2%～5%，且自生石英与伊利石具有明显的排斥性。从图3b 可以看到，伊利石呈分散杂乱片状分布，其边缘可见少量丝缕状伊利石，伊利石发育的位置，石英加大不发育或自生石英雏晶不发育，且石英加大和自生石英雏晶表面均无任何形式的伊利石出现。

2.4 伊利石仅分布于原生孔内

长石溶孔是合水地区长7 储层最主要的孔隙类型，占总孔隙的55%，但是铸体薄片和扫描电镜观察均发现，伊利石仅分布于原生粒间孔内，溶蚀孔中只有少量的铁白云石部分充填，未见任何形态的伊利石(图2，图3f)。

3 伊利石化学成分及相对含量

3.1 储层中伊利石成分复杂

研究区伊利石的产状可分为分散杂乱片状、云母蚀变片状和(片状边缘的)丝缕状3 种类型，能谱测试表明，合水地区长7 伊利石成分复杂，各种产状的水云母均含有一定量的Fe 和Mg 等杂离子，其中FeO 含量为3.21%～7.49%，相对较高(FeO 含量过高样品是测试分析的误差，因纤维状伊利石晶间孔发育，能谱分析易受到样品下部成分影响)，表明伊利石成分不纯(表2)。不同产状的伊利石Si/Al 比值具有明显差异性(表2)，分散杂乱片状伊利石的Si/Al 为2.59～2.67(图3b 点4～5)，片状矿物未完全转化的Si/Al 为2.3～2.6(图3a 点1～3)，似蜂窝状Si/Al 为1.92～2.18(图3e 点10～11)，转化较彻底的Si/Al 为1.6～1.83(图3d 点9)，丝缕状水云母Si/Al 为1.57～1.88(图3c 点6～8)。

3.2 砂岩和泥岩中粘土矿物相对含量相似

从砂岩和泥岩的X-衍射全岩分析来看(图5)，除泥岩中含有较高的黄铁矿外，两者主要矿物种类相同，但砂岩中斜长石含量远高于钾长石，斜长石与钾长石比值平均为3.27，而泥岩中斜长石与钾长石含量相当，斜长石与钾长石比值平均为1.02。但粘土矿物X-衍射分析表明，砂泥岩中粘土矿物的相对含量无明显差异，均以伊利石为主，平均含量分别为53.8%和53.9%，其次为绿泥石，分别为25.9% 和19.5%(图6)。

表2 合水地区长7 油层组伊利石和钾长石扫描电镜能谱分析晶体化学成分Table 2 Chemical composition of illite and K-feldspar by SEM-EDS in Chang 7，Heshui area

图5 合水地区长7 砂岩和页岩X-衍射全岩分析结果Fig.5 Mineralogy of the profile obtained through XRD of whole-rock for Chang 7 sandstone and shale in Heishui area

图6 合水地区长7 砂岩和页岩X-衍射粘土矿物含量分析结果Fig.6 Clay mineral composition profile of Chang 7 sand stone and shale by XRD in Heshui area

4 伊利石成因

4.1 伊利石常见成因类型及特征

伊利石按成因可分为原生和自生两种类型的伊利石，原生成因伊利石是与陆源碎屑颗粒一起沉积的伊利石，主要受沉积物源和构造条件控制，一般而言，物源以变质岩为主，泥岩或砂岩中的泥质往往富含伊利石，当物源富含火山碎屑岩和凝灰岩时，泥岩粘土往往富含蒙脱石［5-6］;在强烈的造山带，由于陆源区快速抬升、剥蚀，经历风化作用时间很短，粘土矿物组成往往富含伊利石［6］。

自生伊利石是成岩期形成的伊利石，是碎屑岩中最主要的类型，按物质来源可分为蒙脱石转化型、高岭石转化型和直接结晶型3 种类型。

蒙脱石转化型:随着埋深和温度的升高，蒙脱石将发生脱水作用;当温度达到在70～100 ℃时，蒙脱石将普遍发生伊利石化［7］。该反应是碎屑岩中(特别是泥岩、页岩)最普遍的成岩过程。这些蒙脱石即可以是原生沉积的，也可以是早成岩阶段自生形成的，其转化过程可分为固态反应和溶解-沉淀反应两种机理［8-10］。前者的特点是2 ∶1 的蒙皂石层在整个反应过程中始终保持完整，反应由Al3+替换四面体中的Si4+，再由K+替换其他阳离子，按如下反应(1)进行:

溶解-沉淀反应是通过溶解2 ∶1 的蒙皂石层，形成新的伊利石层，按如下反应(2)进行:

不管是那种反应机理，均需要大量K+供应，并释放出Fe2+，Mg2+和Si4+等离子，在相对封闭体系内，K+主要由钾长石的溶蚀提供，也可由富钾的蒙脱石自身提供［11］。

通过对比Salton Sea 地热田与Gulf Coast 沉积物中蒙脱石伊利石化的差异，认为在开放环境下，蒙脱石通过溶蚀-沉淀形成伊利石，而在封闭环境下，蒙脱石以固态反应机理形成伊利石［12］。从热力学角度来看，固态反应机理较溶解-沉淀反应机理更易发生［13］，具体的转化机理可以通过对比先存矿物与伊利石的产状确定。固态反应机理是一个交代过程，故形成的伊利产状与先存蒙脱石相似，由原生蒙脱石转化形成的伊利石分布于粒间孔隙内，常呈它形分散片状，而由自生蒙脱石形成的伊利石则可呈蜂窝状;由于交代程度的非均质性，伊利石的成分常具有不均一性。溶蚀-沉淀反应机理形成的伊利石产状与先存蒙脱石相关性差，可呈自形-半自形的假六边形、板条状和纤维状，因属于开放环境下溶液结晶的产物，成分相对较均一。

高岭石伊利石化:该类伊利石在砂岩储层中最为常见，如北海Ellon 油田Brent 组砂岩［14］、挪威Haltenbanken 地区Garn 组砂岩［15］、鄂尔多斯盆太原组砂岩［16］、四川盆地三叠系须家河组［17］和沙特阿拉伯石炭系-二叠系Unayzah 组砂岩［18］等，且均在温度超过120 ℃的地层中自生伊利石急剧增加［14-20］。热力学计算表明，砂岩成岩阶段钾长石与高岭石反应生成伊利石的过程为一个负熵反应，按反应(3)进行:

一旦启动将自发进行［20］。该反应可以分解为反应(4)和反应(5)两个过程:

即钾长石通过消耗H+发生溶解提供K+，而K+与高岭石反应又能够释放H+，产生的H+进一步溶解钾长石。早成岩阶段，砂岩处于开放环境之中，孔隙流体内的K+迁移能力强，K+浓度难以达到伊利石结晶的K+/H+比值范围。而在中成岩阶段至120 ℃以前，有机质成熟释放大量有机酸，导致孔隙流体呈酸性，H+浓度过大而达不到伊利石结晶的K+/H+比值范围，以形成高岭石为主;有机酸影响弱的地方形成的高岭石数量也有限，即使能够发生反应(4)，形成的伊利石也很少，如果有其他成因的高岭石(如大气淡水淋滤)，也难以形成大量的伊利石，因为只有温度超过120 ℃后，伊利石的的结晶速率才明显加快［21］。因此，温度低于120 ℃的地层难见高岭石发生伊利石化，而当温度超过120 ℃以后，伊利石的结晶速率明显增加，同时温度越高，孔隙流体逐渐转变为碱性，且达到伊利石结晶所需要的K+/H+比值也在减小［16-17，22］，一旦达到伊利石结晶范围时，反应(3)将快速发生，直到高岭石和钾长石两者中一种产物基本耗尽为止［16-18］，故高岭石伊利石化的规模由先存高岭石和钾长石中物质的量较少的一种物质决定。

直接结晶型:在埋藏深度较大、温度较高的条件，如果有外来富钾高温流体的加入，可导致伊利石直接结晶［25-26］或蒙脱石与外来流体反应形成［23］。伊利石的分布与地层埋藏史无直接关系，主要受外来流体的波及范围控制，由于外来流体和孔隙流体性质的不确定性，伊利石的产状也具有多样性，如德国北部的二叠系Rotliegende 砂岩中的伊利石为包裹颗粒的片状和向孔隙伸展的板条状和纤维状［26］，巴西南部早古生代Guaritas Allogroup 砂岩为颗粒包膜状和搭桥状［25］，而Illinois 盆地下古生界砂岩为板条状和片状伊利石［23］。该类型伊利石在世界范围内分布局限，不属于常见的自生伊利石类型。

4.2 合水地区长7 伊利石成因类型

合水地区伊利石平均含量高达9.1%，以分散片状为主，仅分布于粒间孔隙内，含量高低受岩石结构控制，化学成分复杂，这些特征与蒙脱石转化生成的伊利石特征相对应;同时浊流沉积砂岩杂基含量一般较高，且可见大量杂基伊利石化(图3g，h)，表明合水地区长7伊利石主要为大量蒙脱石等杂基转化的产物。砂岩泥岩成分对比表明，砂岩中钾长石溶蚀更为普遍，钾长石溶蚀为蒙脱石伊利石化提供K+，如果该过程按照反应(4)进行，势必将在溶蚀孔中可见一定量的伊利石，但研究区溶蚀孔中无任何产状的伊利石，这是因为蒙脱石伊利石化所需K+和Al+3离子浓度比结晶形成纤维状伊利石要低的多［11，27］，钾长石溶蚀时达到了蒙脱石伊利石化的条件，但未达到从孔隙流体中结晶出伊利石的条件。而伊利石与自生石英的相斥现象，与沙特阿拉伯的Unayzah 砂岩相似［19］，是相互竞争结晶基底的结果，其中石英与伊利石为同一时期的产物。除上述伊利石的分布、产状和成分特征外，还有如下证据:1)研究区砂岩岩屑含量高，主要为千枚岩(3.6%)、石英片岩(2.3%)和喷发岩(2.2%)，且沉积时期火山活动频繁［28］，表明物源区具有丰富的火山碎屑岩和凝灰岩，为形成早期蒙脱石提供了物质基础。2)研究区长石溶蚀发育，但溶蚀孔中未见伊利石，且12 个样品的能谱分析表明，发生溶蚀的是热力学上相对稳定的钾长石而不是更易溶蚀的斜长石，导致砂岩中斜长石与钾长石的比例明显高于泥岩中斜长石与钾长石的比例，这种反常现象的出现，说明钾长石溶蚀时期存在钾的大量消耗，先存蒙脱石的伊利石化可以导致该反应的有效进行［16-17］。3)不具备高岭石大量伊利石化的条件:高岭石伊利石化大量发生的温度一般超过120 ℃，合水长7 地层温度一般不超过120 ℃［29］，且地层中高岭石难见，更未见到高岭石的伊利石化，其下部长8 地层中高岭石较常见［30-31］，其边缘发生部分伊利石化，形成丝缕状伊利石，但高岭石和钾长石含量普遍较高，充分说明合水长7 不具备高岭石转化形成大量伊利石的条件。4)不具备直接结晶型伊利石形成的条件，鄂尔多斯盆地构造稳定，尚无证据表明长7 油层组内部有过富钾热流体的充注;即使有过富钾流体的作用，伊利石也将分布于利于外来流体活动的大套相对优质储集砂层中，而粒度细、物性差的长7 砂岩中难以发育。因此，也不存在直接结晶形成大量伊利石的地质条件。

5 结论

1)合水地区长7 致密油储层为极细砂岩，伊利石平均含量高达9.1%，以钾长石溶蚀孔为主，其次为残余粒间孔。

2)伊利石主要为杂乱分散片状，少量丝缕状和搭桥状。砂岩粒度越细，伊利石含量越高，且仅分布于粒间孔隙内。

3)研究区砂、泥岩主要粘土矿物相对含量相似，但砂岩中斜长石/钾长石比高于泥岩。伊利石成分复杂，是先存蒙脱石伊利石化的产物，所需钾由钾长石溶蚀提供，该过程促进了长石溶蚀孔的发育。

4)长7 沉积时期盆地周缘强烈的火山活动提供了充足的火山物质，受浊流沉积环境的影响，在合水地区部分火山物质以杂基的形式与极细砂岩一起沉积，在早成岩A 期转化成蒙脱石，并最终在早成岩B 期和中成岩A 期，蒙脱石转化成伊利石。

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