广安地区侏罗系凉高山组粘土矿物研究

王永生，朱国华，王莹

(中国石油 杭州地质研究院，碳酸岩盐重点实验室，杭州 310023)

图1 研究区区域构造示意图

粘土矿物是沉积岩中分布最丰富的矿物，在沉积岩石学、石油地质学以及油气勘探开发中的应用越来越广。在石油工业中，粘土矿物的研究涉及地壳结构运动和盆地构造发展史研究、地层沉积和成岩作用研究及油气的生成、运移、富集和钻井工程、油层保护油田开发、三次采油、炼油等各个方面，与油气勘探开发的各个环节都有着十分密切的关系[1]。粘土矿物一般存在砾岩、砂岩、粉砂岩等陆源碎屑岩中，常见粘土矿物有蒙皂石、伊利石、高岭石、绿泥石，以及伊蒙混层和绿蒙混层等，其组成、含量、物理化学性质和成岩变化特征以及它们在储层孔隙中的分布特征等；不仅对沉积盆地内油气的运移和聚集起着重要作用，而且对油气勘探开发过程也有着重要影响。广安地区凉高山组储集层岩性为一套细砂岩-粉砂岩夹黑色泥岩与泥质粉砂岩呈条纹或带状互层，岩石类型主要为长石岩屑砂岩，其孔隙度为一般1%～5%，平均2%左右；渗透率平均 0.055×10-3μm2，属于特低渗透储层，该类储层一般无自然产能需要人工压裂，本文对该区开展粘土矿物特征研究，并探讨了该区储集层的成岩阶段及粘土矿物与孔隙结构的相关性。

图2 川中地区凉高山组生储盖组合综合柱状图

1 研究区的地质背景

研究区(图1)区域构造位置处于四川盆地川中古隆起平缓构造区，行政位置位于四川省南充市、广安市境内。地理位置包括南充以东，营山以南、华蓥山以西和合川以北，共5 100km2。根据前人的研究成果对凉高山组进行了地层对比与划分，将凉高山组分为凉上、凉下两段（图2），凉上段再细分为凉I、凉I～II及凉II三层[2]，凉高山组是继大安寨末湖盆萎缩后又一次大规模的湖侵的沉积产物，为内陆淡水湖泊沉积环境。依据12口井的50个粘土矿物x衍射分析、全岩x衍射、物性和扫描电镜微观结构图像对凉高山组粘土矿物特征进行综合分析。

2 粘土矿物含量及对孔隙度的影响

表1从上到下：各井在平面上从北东到西南向分布，粘土在全岩矿物中的含量增加，从7.7%到35.7%，孔隙度则具降低趋势。基本表现为，粘土含量≤21% ，孔隙度>2.5%；粘土含量>21%，孔隙度<2%。

表1 凉高山组岩石成分及孔隙度数据 （单位：%）

3 粘土矿物类型与孔隙结构及孔隙度的关系

本区粘土矿物主要由高岭石、伊利石、伊/蒙混层及绿泥石四种矿物组成，以伊/蒙混层为主，其次为绿泥石、伊利石和高岭石（表2）。

粘土矿物种类在研究区内没有明显的差异，比较明显特征的是伊蒙混层含量普遍较高，多为有序混层；同一口井随着深度的增加，伊蒙混层中的蒙脱石混层比下降，有序度变好，在蒙皂石伊利石化是通过固态转变途径[3],该途径涉及伊利石对蒙皂石的形衍替代(固态反应转变),替代过程中伊利石的Reichweite有序、多型、大小和形态均逐步变化,且在颗粒大小和形态上继承了先前的蒙皂石。高岭石和绿泥石变化不明显，含量较高，可能与取样的井深覆盖的范围有关，规律性不强。随着伊利石、伊蒙混层在粘土矿物中的相对含量降低，绿泥石、高岭石在粘土矿物中的相对含量增加，岩石孔隙结构变好，储集层物性也有所改善。

表2 粘土矿物类型与孔隙度对比表

4 粘土矿物分布状态与孔喉特征

该区的粘土矿物种类有主要由高岭石、伊利石、伊/蒙混层及绿泥石等四种矿物，粘土矿物主要作为胶结物和杂基形式存在于岩石组构中。通过扫描电镜对粘土矿物的微观形态观察：

1）高岭石的产状为：①粒间孔隙充填：呈分散质点状、书状集合体，晶粒一般5μm，见图3a；②粒间孔充填蠕虫状高岭石，个别呈绒球状，晶形完好，粒径可达10μm，见图3b；

2）伊利石的产状有：①粒间孔充填：呈弯片状，边缘略卷曲，或丝状与绿泥石共生；②交代式：伊利石交代长石；③薄膜式：包围颗粒表面，晶片平行颗粒表面排列(切线方向),在本区较普遍；

3）伊/蒙间层的产状有：①颗粒包壳(包被)，对于间层比＞30%的样品常见，呈类似蜂窝状到不规则的破网状，如图3c；②粒间孔隙充填，与绿泥石、高岭石、伊利石等共存，见图3f；

4）绿泥石的产状有：①包壳或衬边：晶体近于垂直颗粒表面排列，大小为 2～5μm，②粒间孔隙中充填的绿泥石：呈片状，与伊利石共生，晶体＜5μm，见（图3d、3e）；③绒球状或扇形：为深层系的绿泥石主要产状，晶片10～15μm ，集合体 10～30μm，④絮团状：由＜5μm 的绿泥石构成的集合体，絮团形状不规则，其内微孔发育。

该区粘土矿物对孔隙的影响是双重的，一方面随着粘土矿物含量的增加，原生孔隙被充填，导致原生孔隙和喉道的进一步减少和降低，另一方面粘土矿物中的微孔和次生变化形成的晶间孔和高岭石、绿泥石等在成岩过程中形成的收缩孔等增加了有效孔隙和喉道，改善了储层的储集性能。研究表明，该区粘土矿物内微孔和粒内溶孔较发育，对储集层的孔隙结构有改善作用，其余孔隙不发育，因而对该区而言，粘土矿物内的微孔值得重视，需要进一步加强研究，无论对于储层研究还是油田开发等都有着深刻的现实意义。

图3 粘土矿物微观形态图

5 粘土矿物种类与成岩作用

一定的矿物组合与一定的成岩环境密切相关，该区的矿物组合为高岭石（K）、伊利石（I）、伊/蒙混层（I/S）及绿泥石（C）；I（伊利石）和I/S（伊/蒙混层）含量基本大于70%，K（高岭石）和 C（绿泥石）含量之和一般小于 30%，按照王行信[4]等人根据粘土矿物组合对成岩阶段的划分，应归于晚成岩阶段A亚期砂泥岩（尤其是泥岩）典型的粘土矿物组合，一般与有机质低成熟-成熟阶段相对应，这和对该区的镜质体反射率（RO）介于0.7～1.2之间相吻合。

6 粘土矿物与成岩阶段的划分

粘土矿物及其演化一直作为碎屑岩成岩作用中重要的“序参量”加以研究，特别是蒙脱石向伊利石转化反应受到石油地质家的极大关注，混层粘土矿物I/S的混层比参数%S可以作为成岩阶段划分的重要标志，该区的研究表明，随着深度的增加，成岩作用加强，岩石中蒙皂石已经消失，转化为间层矿物，间层矿物先增加后减少，伊/蒙混层中蒙脱石层（S）含量减少且由无序向有序转变，最终转化成伊利石，参照张一伟[5]等的粘土矿物转化带划分，对本区的粘土矿物的演化进行分析：1）蒙皂石带：伊蒙混层中的蒙脱石含量高于70%，离散状分布，结合粘土X衍射和扫描电镜微区分析，本区未发现。2）蒙脱石间变带：埋深1 800～2 000m,伊蒙混层中的蒙脱石含量50%～70%，有机质未成熟，RO＜0.5%,相当于早成岩B期[6]。3）第一迅速转化带：埋深2 200～2 620m, 伊蒙混层中的蒙脱石含量35%～50%，对有机质的催化起着重要作用，促进了干酪根的热裂解，产生的短链羧酸和二氧化碳气体，改变了酸碱环境，同时有机酸的产生加速了长石等铝硅酸盐的溶解，本区的粘土矿物部分处于该阶段，是生油的重要阶段。4）第二迅速转化带：埋深＞2 650m, 伊蒙混层中的蒙脱石含量约小于 35%，次生孔隙局部发育，对应与晚成岩阶段，生油的高峰期阶段，结合其它手段研究表明，凉高山组正处于生油高峰期阶段。5）伊利石带：伊蒙混层中的蒙脱石含量约小于10%，伊利石大量出现，本区基本未见。

7 结论

1）本区凉高山组粘土矿物主要由高岭石、伊利石、伊/蒙混层及绿泥石四种矿物组成，以伊/蒙混层为主，混层比中蒙脱石含量低于50%，其次为绿泥石、伊利石和高岭石。

2）研究表明，凉高山组目前正处于生油高峰期，RO介于0.7%～1.2%之间。

3）该区粘土矿物中的微孔对改善储层的储集性能有较大的贡献，值得进一步加强研究。

[1]王行信. 我国油气勘探开发中粘土矿物研究的现状与建议[J]. 石油勘探与开发，1997，24（6）：99～100.

[2]唐大海. 川中东部侏罗系凉高山组储层特征研究[J]. 天然气勘探与开发，2002，23（4）：25～29

[3]AltanerSP,Yla ganrf.com.parison of structural model of mixed-layer illite-smectite and reaction mechanisms of smectite illitization[J].clays and clayminerals,1997,45:517-533

[4]王行信. 韩守华，中国含油气盆地砂泥岩黏土矿物的组合类型[J]. 石油勘探与开发，2002，8（12）：36～38

[5]张一伟. 熊绮华，王志章, 等. 陆相油藏描述[M]. 北京：石油工业出版社，1997, 99～120

[6]刘蒙慧. 碎屑岩储层成岩演化模式[M]. 北京. 中国石油大学出版社，1993.