东营凹陷砂岩储层自生高岭石发育特征与成因机制

张永旺，曾溅辉，曲正阳,陈俊兵

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学 地球科学学院，北京 102249； 3.浙江省水文地质工程地质大队，浙江 宁波 315010)

东营凹陷砂岩储层自生高岭石发育特征与成因机制

张永旺1,2，曾溅辉1,2，曲正阳2,陈俊兵3

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249； 2.中国石油大学 地球科学学院，北京 102249； 3.浙江省水文地质工程地质大队，浙江 宁波 315010)

通过大量薄片鉴定、岩心观察以及扫描电镜、粘土矿物粉晶衍射等分析测试手段，对东营凹陷砂岩储层中发育的高岭石的分布、产状以及镜下特征等进行了分析。结果表明，研究区砂岩储层中高岭石有自生和陆源两种成因。自生高岭石在储层中较为常见，其微观特征表现为结晶形态完整，呈典型的书页或蠕虫状充填于粒间孔和长石颗粒溶孔内，在铸体薄片中可见自生高岭石集合体呈“斑状”的聚集充填特征。陆源高岭石在研究区较为少见，一般在浅层出现，是在沉积过程中与碎屑颗粒等非粘土矿物同时形成。在上述研究的基础上，对自生高岭石成因机制进行了讨论，认为东营凹陷砂岩储层中长石类矿物的溶蚀作用是自生高岭石形成的主要物质来源。研究区粒度大、分选好的砂岩储层中高岭石含量较高，说明除酸性的流体环境和一定的物质供应外，流体动力条件也是自生高岭石形成的重要控制因素。

自生高岭石；高岭石成因；砂岩储层；东营凹陷

高岭石是砂岩储层中最常见的自生粘土矿物之一，其发育程度是影响储层储集性能的一个重要因素，并且和油气聚集关系密切，受到了石油地质学家和矿物学家的普遍关注[1-13]。东营凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷的南部，是一个古新世发育起来的、具有典型“北断南超”特点的裂陷盆地，是济阳坳陷油气资源最丰富的凹陷，其中沙河街组(Es)是东营凹陷主要的油气富集层位。前人对东营凹陷自生高岭石矿物特征及其与油气层损害以及盆地演化关系[14-15]进行了研究，但对其成因机制研究甚少。本文通过岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜和粘土矿物粉晶衍射等分析测试手段，在对东营凹陷砂岩储层中大量发育的自生高岭石特征、含量、产状等分析的基础上，对其成因机制进行讨论，研究成果对于储层评价以及油气运聚成藏研究具有重要指导意义。

1 砂岩储层高岭石赋存状态与特征

根据高岭石的结晶形态特征可以推断砂岩储层中高岭石是否为成岩自生或陆源成因[14]。东营凹陷沙河街组砂岩储层发育两种晶形不同的高岭石:一种为成岩过程中形成的自生高岭石；另一种为陆源碎屑高岭石。

1.1 自生高岭石

成岩作用过程形成的高岭石为高结晶度，在扫描电镜下结晶形态完整，单晶呈假六方片状，集合体呈书页或蠕虫状，少数呈环状。这种类型的高岭石在储层中较为常见，充填粒间孔和长石颗粒溶孔，主要分布于物性较好的河道砂岩和三角洲前缘砂坝砂岩中(图1)。在铸体薄片中，自生高岭石呈“斑状”产出(图2b)。镜下观察发现高岭石虽然占据了粒间孔隙的部分空间，但完全充填孔隙的情况较少，而且其还发育大量的晶间残余孔隙和微孔隙。随着埋深加大、温度压力升高以及成岩流体环境向弱碱性或碱性的转变，高岭石有向伊利石或绿泥石等粘土矿物转化的趋势(图2d)。通过肉眼和薄片观察很难识别研究区砂岩储集层中晶型较好的自生高岭石，但通过扫描电镜观察结合能谱化学成份分析可较好地识别。

成岩自生高岭石一般有两种形成方式：一种是经过长石类矿物在酸性流体中的溶蚀作用而形成。长石在酸性流体环境中首先失去钾、钠和钙等碱性离子，随着碱性离子的减少，当硅和铝元素富集到一定程度时便直接结晶、蚀变形成高岭石；另一种是成岩期从孔隙溶液中直接沉淀形成的高岭石[16]。从孔隙溶液中结晶、沉淀形成的高岭石常呈“斑状”充填粒间孔隙(图2b)，其原因可能与其形成过程中的“亲合性”有关。孔隙流体中的铝离子一般呈络合物形式存在，孔隙中一旦有高岭石析出，便会形成一个“凝集”中心，之后析出的高岭石则向这个中心靠拢，聚集形成“斑状”而不是分散状[17]。

X-射线衍射分析高岭石含量很高的砂岩样品，扫描电镜也观察到大量高岭石。高岭石为二八面体1 ∶1层型层状构造硅酸盐。衍射谱图(001)0.715 nm，(002)0.358 nm衍射峰清楚。在高岭石含量高的砂岩图谱上，(001)衍射峰尖锐而对称，说明结晶程度高，反映了成岩自生高岭石的特征[18]。

1.2 陆源碎屑高岭石

陆源碎屑高岭石在镜下呈碎片状，结晶形态不完整(图2f)，在研究区较为少见，一般在研究区浅层出现，这种高岭石是以碎屑的形式与砂粒等非粘土矿物同时在沉积过程中形成。部分砂岩样品X-射线衍射分析含高岭石，由于陆源碎屑高岭石形态上不是呈典型的书页状或蠕虫状，因此在扫描电镜下很难观察到只能依靠扫描电镜能谱测定主要组成元素来确定矿物类型。陆源碎屑高岭石大部分位于砂岩粒间孔隙，镜下形态不完整，但还保留有一定的典型的原始结晶形态特征。矿物颗粒棱角有磨圆化特征，反映了碎屑状高岭石经过了一定距离的搬运。

图1 东营凹陷沙三段高岭石平面分布特征Fig.1 Kaolinite distribution of the Es3 in the Dongying Sag

2 自生高岭石成因机制

砂岩中自生粘土矿物的形成与孔隙流体的pH值、离子成分类型以及含量等密切相关。高岭石形成于钾、钠等碱性离子含量低的酸性流体环境中，而蒙脱石、伊/蒙间层、伊利石和绿泥石等粘土矿物形成于富钾、铁及镁等离子的碱性流体成岩环境中。

高岭石是砂岩储层中较常见的富铝成岩粘土矿物，由铝硅酸盐类矿物在酸性流体介质中溶蚀而形成。据Stossell(1981)的研究[19]，砂岩中自生高岭石的发育决定于以下3个条件：①Al3+来源。砂岩储层中长石类矿物以及酸性岩屑等骨架组分的溶蚀作用是孔隙流体中Al3+的主要物质来源。②孔隙介质始终保持酸性。有酸性流体的来源并使成岩流体环境始终保持酸性是形成自生高岭石的必要条件。据Franks等(1984)[20]对德克萨斯湾岸地区的研究，在pH值为5.3～6.0条件下，铝硅酸盐类矿物在酸性流体中发生溶蚀反应可生成自生高岭石。③砂岩孔渗性较好。在长石溶蚀产生自生高岭石的过程中，同时有K+和Na+等碱性离子析出，如果这些离子不能及时排出孔隙，这些碱性离子在孔隙介质中的富集将会改变介质条件的性质，终止长石高岭石化的反应[21]。因此，流体具有较强的动力是保持酸性的成岩环境，形成自生高岭石的重要控制因素[22]。

2.1 物质来源

作为砂岩储层中最常见的自生粘土矿物之一，高岭石是岩石骨架颗粒与孔隙流体在酸性成岩环境中发生化学反应的产物，高岭石的析出常与长石和酸性岩屑等溶蚀作用伴生[22]。

研究区砂岩储层中含有机酸和CO2的酸性流体与长石的成岩反应是自生高岭石形成的重要物质来源。通过偏光显微镜及扫描电镜，观察到研究区砂岩储层中部分晶体形态发育较好的自生高岭石占据了长石溶蚀形成的粒内孔隙(图2a)，而且高岭石的析出常与长石溶蚀现象伴生，在高岭石发育的地方，也是长石溶蚀的区域，并常见自生石英矿物与自生高岭石相伴

图3 东营凹陷高岭石(a)和长石(b)含量随深度变化Fig.3 Kaolinite(a)and feldspar(b)content vs.depth in the Dongying Sag

图4 东营凹陷不同沉积相(微相)高岭石含量与长石含量关系Fig.4 Relation between kaolinite and feldspar content in different sedimentary facies (microfacies) in the Dongying Sag

如果整个成岩系统的开放性较好，长石等铝硅酸类矿物在酸性流体中的溶蚀反应形成的钾、钠和钙离子等能及时被流体带走或通过一定的成岩反应沉淀下来，就可以形成自生高岭石。

镜下观察和X-射线粉晶衍射发现，东营凹陷碎屑岩储层砂岩类型以岩屑长石砂岩为主，其次是长石砂岩和长石岩屑砂岩，含量最少的是岩屑砂岩(图5)。长石包括正长石、条纹长石、微斜长石及斜长石，总含量为16%～63%，平均含量为26.22%。钾长石含量为10%～42%，平均含量为8.55%；斜长石含量为17%～61%，平均含量为17.67%，可见长石占有较大的比例(表1)。碎屑岩储集层中含量较高的长石、岩屑类化学活性组分稳定性差，在埋藏成岩过程中容易与孔隙中流体介质发生各种化学反应，生成各种自生粘土矿物。因此，富含长石(岩屑)的骨架组成是碎屑岩储集层富含多种自生粘土矿物的物质基础。

通过镜下观察，东营凹陷长石的溶蚀现象非常普遍，长石颗粒溶蚀形成粒内溶孔，或沿解理、颗粒边缘溶蚀，形成港湾状、锯齿状边缘(图6)。东营凹陷长石含量丰富且溶蚀特征明显，具备形成自生高岭石的物质基础。

2.2 流体动力条件

含油气盆地中有机质热演化形成的有机酸和二氧化碳在自生高岭石形成过程中具有重要作用，然而长期以来对自生高岭石成因的认识仍仅停留在有机酸和碳酸提供了有利于其形成的酸性环境方面，有关其它方面的论述甚少。除酸性的流体环境，一定的流体动力条件也是自生高岭石形成的重要控制因素。

图5 东营凹陷碎屑成分和岩石类型Fig.5 Detrital composition and rock types in the Dongying Sag

组分石英斜长石钾长石长石岩屑含量/%5176176785526222202

统计发现，东营凹陷粒度偏中等的砂岩中高岭石的相对含量最高，粗砂岩中高岭石含量为52.00%，细砂岩中高岭石为46.08%，中砂岩中高岭石含量为43.54%，而粒度较大的含砾砂岩、砾状砂岩以及粒度较小的泥质砂岩、泥质粉砂岩中高岭石的含量较低，平均含量不到30%(图7)。也就是高岭石在分选不好、本身渗透性差的砂岩中含量低，而在分选性好、本身渗透性强的砂岩中含量高。这也有利地说明了粒度大、分选好的砂岩具有很好的渗透系统，流体动力较强，有利于高岭石的形成。如果砂岩储集层中泥质杂基等含量较高，会降低孔隙流体的渗流强度，长石溶蚀弱，就很难形成自生高岭石。

自生高岭石的形成条件需要开放性的成岩体系、酸性流体场特征以及发育较好的孔隙系统。酸性地层水溶蚀含有硅、铝元素的矿物，当Si4+和Al3+浓度达到过饱和时，则在砂岩孔隙中晶析出自生高岭石。如果上述成岩反应后的地层水被及时排出，而含Si4+和Al3+的水不断进入岩石孔隙中，则会连续形成自生高岭石。能生成自生高岭石的成岩环境本身应具有较好的孔、渗条件。长石类矿物与酸性孔隙流体反应形成自生高岭石时，如果长石溶蚀释放出的钾、钠等碱性离子不能被成岩流体及时带到别处，碱性离子的逐渐富集就会使孔隙流体性质发生改变，酸度降低，矿化度增大，从而形成自生伊利石或绿泥石等粘土矿物。因此，一些主力油层砂岩中高岭石含量的高低与砂岩渗透率的高低具有明显的相关性。

图6 东营凹陷长石溶蚀特征Fig.6 Feldspar dissolution characteristics in the Dongying Saga.长石被溶蚀呈铸模状，利563井，埋深2 570.70 m，10×；b.长石沿颗粒边缘溶蚀，利563井，埋深2 575.40 m，10×；c.长石沿解理溶蚀呈条带状，盐227井，埋深3 841.14 m；d.长石溶蚀，溶蚀孔、溶蚀缝，牛47井，埋深2 774.00 m

图7 东营凹陷不同粒度砂岩高岭石(相对)含量Fig.7 Kaolinite (relative) content in sandstones with different granularity in the Dongying Sag

图8 东营凹陷不同沉积相(微相)中高岭石含量Fig.8 Kaolinite content in different sedimentary facies (micro facies) in the Dongying Sag

不同沉积相中高岭石含量统计结果表明(图8)，高岭石的分布往往与沉积相带有着较为密切的关系。不同的沉积相和沉积微相中高岭石的含量有很大的差异性，最有利于自生高岭石发育的是河口坝、水下分流河道和前缘席状砂等沉积微相，高岭石含量最高，达40%以上，其次是冲积扇和近岸水下扇等，高岭石含量大约在25%～40%。河道砂岩和三角洲前缘砂坝等砂岩储层富含高岭石是由于其本身具有良好的孔隙度和渗透率，孔隙水流动性好，为高岭石形成提供了充足的空间条件和流体动力条件。但一些处于泥岩中的透镜状砂体、浊积砂体等由于渗透性低，流体活动弱，所以一般富含伊利石、伊蒙混层等碱性粘土矿物。

3 结论

1) 东营凹陷砂岩储层多见自生高岭石，在扫描电镜下结晶形态完整，晶型较好，单晶呈假六方片状，集合体呈典型的书页或蠕虫状，以分散质点式充填碎屑颗粒粒间孔和长石溶蚀粒内孔，主要分布于物性较好的河道砂岩和三角洲前缘砂坝砂岩中。在铸体薄片中，自生高岭石呈“斑状”充填于砂岩粒间孔隙中。

2) 砂岩储层中陆源高岭石较为少见，一般在浅层出现，结晶形态不完整，呈碎片状，这种高岭石是以碎屑的形式与砂粒等非粘土矿物同时在沉积过程中形成。

3) 扫描电镜及显微镜下观察，结合X射线衍射分析测试，结果表明，东营凹陷砂岩储层中自生高岭石形成的主要物质来源为长石类矿物在酸性孔隙流体中的溶蚀作用。

4)统计发现研究区粒度大、分选好的砂岩储层高岭石含量较高，说明除酸性的流体环境和一定的物质供应外，较强的流体动力条件也是自生高岭石形成的重要控制因素。

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(编辑 张玉银)

Development characteristics and genetic mechanism of authigenic kaolinite in sandstone reservoirs of the Dongying Sag,Bohai Bay Basin

Zhang Yongwang1,2，Zeng Jianhui1,2，Qu Zhengyang2,Chen Junbing3

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaLniversityofPetroleumBeijing102249,China; 2.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China；3.HydrologicalandEngineeringGeologyTeamofZhejiangProvince,Ningbo,Zhejiang315010,China)

Arthroscopic characteristics,distribution and occurrence of kaolinite are analyzed through quantity thin section analysis,core observation,scanning electron microscope and X-ray powder diffraction.The results show that the kaolinite of sandstone reservoirs in Dongying Sag has two genetic types including authigenic kaolinite and terrigenous kaolinite.The authigenic kaolinites are common in the reservoirs.Microscopically,they show complete crystal form,and fill intergranular pores and dissolution pores of feldspar in typical sheet or vermicular shapes.The “spotted” filling feature of the authitgenic kaolinite aggregates are clear on cast thin sections.The terrigenous kaolinites are rare and often occur in shallow layers.They are formed in association with the non-clay minerals like clastic particles in deposition process.Based on the study mentioned above,the genetic mechanism of authigenic kaolinite is discussed.It is supposed that feldspar dissolution is the main material source for the formation of authigenic kaolinite.Sandstones with large grain size and well sorting have high content of kaolinite,indicating that,in addition to acid fluid environment and sufficient material supply,strong fluid dynamic is also an important controlling factor of authigenic kaolinite formation.

authigenic kaolinite,genesis of kaolinite,sandstone reservoir，Dongying Sag

2014-08-05;

2014-11-26。

张永旺(1975— )，男，博士，沉积学和成岩作用。E-mail：zyw75@126.com。

国家油气重大专项(2011ZX05006-01，06)；国家自然科学基金项目(41172128)；中国石油大学(北京)科研基金项目(KYJJ2012-01-25)。

0253-9985(2015)01-0073-07

10.11743/ogg20150109

TE122.2

A