绿泥石包壳对碎屑岩储层物性的影响及其形成环境①——以鄂尔多斯盆地大牛地气田上古生界为例

曲希玉 刘 珍 高 媛 陈 修 于 强

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院 山东青岛 266555;2.大庆油田试油试采分公司作业大队 黑龙江大庆 163000)

0 引言

绿泥石胶结物对碎屑岩储层物性的影响一直是国内外研究的热点，尤其是绿泥石包壳对储层物性的影响至今仍存在争议，部分学者认为绿泥石包壳堵塞孔隙喉道，导致储层孔隙度、渗透率大幅度降低［1-3］，大部分学者认为绿泥石包壳对储层孔隙的保存起积极的作用［4-24］，目前比较主流的观点认为形成于石英次生加大之前的绿泥石包壳对孔隙起保护作用［25-28］。另外，碎屑岩储层中绿泥石包壳的形成环境比较特殊，国外研究认为其主要形成于近岸海水影响下的三角洲环境，其次为河流环境［29-30］;国内研究认为绿泥石包壳形成于陆相三角洲前缘环境［2，7］。绿泥石包壳对储层物性的影响起积极还是消极作用，绿泥石包壳的出现是否具有环境指示意义。本文针对这些问题，以大牛地气田上古生界含绿泥石胶结物样品为研究对象，结合国内外研究现状，研究绿泥石包壳的成因及其对储层物性的影响，并在此基础上探讨绿泥石包壳的环境指示意义。

1 地质背景

大牛地气田地处陕西和内蒙古交界，面积2 003.71 km2，构造上位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的东北部，为一平缓的西倾大单斜，倾角不足1°，局部构造不发育(图1)。本次研究的目的层位为上古生界石炭系太原组、二叠系山西组和下石盒子组，经历了海相一海陆过渡相一陆相的沉积过程，岩石类型主要为石英砂岩、岩屑石英砂岩和岩屑砂岩，主体粒级为中粗粒砂岩。

2 绿泥石的产状特征

绿泥石 (通式 (Mg，Al，Fe)6［(Si，Al)4O10］(OH)8)是2∶1∶1结构的黏土矿物，且主要为富铁和富镁的绿泥石。砂岩中的绿泥石主要是以胶结物形式存在于颗粒周围的自生绿泥石，晶体自形程度较高。根据其晶体排列方式和与颗粒的接触关系，可分为颗粒包膜绿泥石、孔隙衬里绿泥石和孔隙充填绿泥石 3 种产状［28，31］。

图1 鄂尔多斯盆地构造区划及大牛地气田位置图Fig.1 Tectonic division of the Ordos Basin and location of Daniudi Gas Field

颗粒包膜绿泥石形成时间最早(准同生期)、厚度最小(通常＜1 μm)，直接覆盖在颗粒表面［28］，只在衬里绿泥石脱落处可见［16］，大牛地气田大 12井3 743.54 m处的绿泥石包壳的局部发生脱落，即可见颗粒包膜绿泥石(图版Ⅰ-A)，该类产状的绿泥石对储层的影响很小。孔隙衬里绿泥石(常称为绿泥石包壳)，是绿泥石的主要产出形式，形成于成岩作用早期，厚度通常为 5～15 μm［31］，大牛地气田的绿泥石包壳厚度为10～20 μm，包裹碎屑石英颗粒，形成大量的三角形原生粒间孔(图版Ⅰ-B)，在三角形孔隙内绿泥石包壳呈垂直颗粒的片状(单偏光镜下呈针状)生长，且由孔隙边缘向孔隙中心其晶形逐渐变好，颗粒逐渐变大，局部见微晶石英充填孔隙(图版Ⅰ-C)，是绿泥石未完全包裹石英颗粒所致。该产状的绿泥石可抑制石英颗粒的自生加大，对储层孔隙的发育和保存具有重要意义［28］，如大33井2 578.20 m处，绿泥石包裹部位未发育石英次生加大(图版Ⅰ-D)。孔隙充填绿泥石主要为成岩晚期生成［31］，其晶体较大、自形程度很高，常呈叶片状(图版Ⅰ-E)和绒线团状(图版Ⅰ-F)充填于粒间孔隙中，在致密砂岩储层中其含量不高，但常堵塞孔喉［28］。在管状吼道及裂缝中也可见绿泥石包壳的发育，此时由于绿泥石包壳的生长，导致样品孔隙度略有降低，但吼道的连通性依然很好，可见沥青质充填(图版Ⅰ-G)，说明绿泥石包壳在吼道中的发育并未阻碍烃类等流体的运移。

3 绿泥石包壳的成因及其对储层的影响

3.1 绿泥石包壳的成因

通过大量样品的观察及国外绿泥石包壳实例的总结可知，在碎屑岩储层中富铁绿泥石是最常见的绿泥石种类［30］，常形成于富铁(二价铁)的碱性(pH值为7～9)还原环境［28］，丰富的铁质来源是控制绿泥石形成和分布的关键因素。根据铁质来源，绿泥石包壳的成因可分为:

(1)先体黏土矿物的转化

某些黏土矿物在成岩作用过程中，可以转化为绿泥石，如磁绿泥石、高岭石和蒙脱石均可作为绿泥石包壳形成的先体矿物。挪威大陆架储层中绿泥石包壳即为富铁黏土矿物—磁绿泥石在成岩作用时期转化而来［32］。根据绿泥石包壳中高含量的铝［33］及绿泥石—高岭石混层的发现［34］，可以确定碱性环境下高岭石向绿泥石的转化。大牛地气田也有大量的绿泥石与高岭石混层的现象，可见书页状高岭石与叶片状绿泥石充填于粒间孔隙中(图版Ⅰ-H)，绿泥石的形成晚于高岭石(图版Ⅰ-I)，也可见高岭石充填粒间孔隙，绿泥石包裹石英颗粒形成绿泥石包壳的情况(图版Ⅰ-J)，说明大牛地气田的绿泥石包壳部分为先期高岭石转化而来的。

在盐水埋藏成岩作用过程中，氧化铁与不稳定的火山岩岩屑颗粒反应形成蒙脱石黏土层，并在碱性环境下逐步转化为富铁绿泥石，最直接的证据是绿泥石包壳的形态和化学成分与蒙脱石类似［35］，另一个以蒙脱石为先体的例子是英国克莱尔组的盐水与氧化铁的相互作用［36］。大牛地气田个别样品中也有类似的现象，如大12井2 743.54 m处，可见绿蒙混层与绿泥石包壳同时存在于粒间孔隙中，该绿泥石包壳的形成大致经历了蒙脱石—绿蒙混层—绿泥石的转化过程(图版Ⅰ-K)，说明大牛地气田少部分的绿泥石包壳由蒙脱石转化而来。

(2)富铁矿物的溶蚀

黑云母、角闪石等富铁暗色矿物在发生溶蚀时，其中的铁质发生溶解，使流体中的铁离子含量增加，一方面为绿泥石包壳的形成提供大量的铁、铝和硅;另一方面还营造了一个开放的碱性环境，常能形成大量的绿泥石包壳。

(3)岩屑的溶解

富铁富镁的基性—超基性岩屑以及火山碎屑的溶解可以提供大量的铁质来源，为绿泥石包壳的形成提供条件。酸性的水介质与富含铁质的火山碎屑反应可以产生大量的铁离子，这些离子如不能快速排出，将在孔隙和颗粒边缘富集，有利于绿泥石包壳的形成。类似实例见于巴西桑托斯盆地［37］。

(4)河流中的铁质絮凝

形成绿泥石包壳的铁质主要来源于物源区火山岩和火山碎屑岩碎屑及各种富铁暗色矿物的溶蚀、溶解，使流体中的铁离子含量增加并以铁的氧化物和氢氧化物形式通过河流带至入湖、入海口，因湖水和海水与河水盐度的差异，导致铁质在三角洲前缘发生絮凝，进而形成绿泥石包壳。实例见于挪威大陆架边缘盆地侏罗系的自生绿泥石包壳［32］。该类绿泥石包壳在大牛地气田普遍发育，常呈叶片状包裹石英颗粒的形式存在(图版Ⅰ-A，D，F)，形成大量的原生粒间孔隙(图版Ⅰ-B，C)。

综上，绿泥石包壳可概括为原地和异地两种成因，原地成因的绿泥石由先体黏土矿物和岩屑溶解未排出的富铁流体生成，一般以混层黏土(绿蒙混层及高岭石/绿泥石混层)和晶体较小的包壳形式存在;异地成因的绿泥石是富铁矿物及岩屑溶蚀、溶解形成的富铁流体通过河流携带，在异地絮凝沉淀生成，结晶充分，晶形好。因此，上述成因中前3种是绿泥石包壳的主要铁质来源，而第4种是铁质聚集的载体，是绿泥石包壳的主要形成环境。

表1 我国绿泥石的产状、形成环境及对储层的影响Table 1 Occurvence and formation environment of chlorite，and its effect on reservoirs in China

3.2 绿泥石包壳对储层的影响

Patrick等［30］统计世界范围内54个公开报道的自生绿泥石发育区，发现其中43个实例发育绿泥石包壳，绿泥石包壳对储层主要表现为抑制石英生长、保护孔隙的积极(43%)和混合(37%)作用，只有3个样品有消极作用。我国的自生绿泥石主要发育于鄂尔多斯盆地、四川盆地、松辽盆地及海拉尔等盆地(表1)，产状有孔隙衬里、孔隙充填及颗粒包膜，其中孔隙衬里绿泥石(绿泥石包壳)对储层起保护作用，仅个别影响较弱［38］或者降低砂岩储层质量［1-3］。

3.3 绿泥石包壳的储层保护机理

(1)抑制石英次生加大

许多学者认为自生绿泥石从空间上将自生石英的结晶基底(颗粒表面)与孔隙流体隔离，从而抑制了石英自生加大［5，7，15，32］。而另一些学者通过实验观察对此观点提出了质疑，如Billault等［45］在镜下观察发现，孔隙衬里绿泥石晶体间存在大量的晶间孔隙，并不能真正地将孔隙流体与颗粒表面分开。

在大量晶间孔存在的情况下，绿泥石包壳是通过改变孔隙流体的pH值来抑制石英次生加大的发育。绿泥石的层间是八面体氢氧化物，它对孔隙流体的pH值有一定的调节能力，可使整个孔隙流体处于一个碱性水介质环境，阻碍石英结晶及次生加大的生长(图版Ⅰ-D)。同时，绿泥石常形成于相对高孔渗、开放的砂体内，使石英的压溶作用、长石蚀变、黏土转化等提供的硅质能够被孔隙流体及时带出，从而很难在自生绿泥石发育的孔隙内达到过饱和而析出，进一步抑制石英次生加大的发育［28］。当成岩体系呈封闭—半封闭状态时，孔隙水中的二氧化硅不能被带出成岩体系时，在成岩晚期过饱和的二氧化硅便会沉淀下来［23］，大牛地气田大18井2 595.7 m处，由绿泥石包壳形成的粒间孔隙中的微晶石英即是此种成因(图版Ⅰ-C)。因此，自生绿泥石发育的地方不但石英加大难见，而且同期或稍后期自生石英雏晶也不发育，但晚期的自生石英雏晶却较常见。

(2)增加矿物颗粒间抗压实强度，抑制压溶作用

绿泥石包壳多为早期成岩作用阶段的产物，在砂岩储层还未进行强烈的压实作用时，绿泥石包壳已经占据了一部分孔隙空间［14］，在后期的成岩过程中，这些绿泥石包壳减轻了颗粒的接触紧密程度［7］，可以抑制颗粒进一步遭受压溶作用，阻止岩石的进一步致密化，从而使砂岩中部分原生孔隙得以保存(图版Ⅰ-B，C)。

(3)抑制碳酸盐胶结，促进溶蚀作用

绿泥石包壳含量与碳酸盐胶结物的含量成反比关系，而碳酸盐胶结物的含量与孔隙度又成反比例关系，如鄂尔多斯盆地M油田延长组2段即为此种关系［12］，由此可以推测绿泥石包壳通过抑制碳酸盐胶结间接地对孔隙起保护作用。部分学者认为这种抑制作用在于绿泥石包壳大量晶间孔隙［45］的发育，这些孔隙为后期酸性水介质流动提供了运移通道［14，18］，有利于后期碳酸盐胶结物溶解作用的不断进行，从而改善储层物性。由于绿泥石包壳的晶间孔属于束缚孔，成岩后期的酸性水介质很难通过这类分子间引力很大的孔隙，在油层条件下这种改善作用并不具有普遍性，而是早期形成的绿泥石包壳通过挤占碳酸盐胶结物的生成空间的方式来抑制其生长［12］。

3.4 大牛地气田绿泥石包壳对储层的影响

大牛地气田的自生绿泥石主要以绿泥石包壳的形式产出，对储层物性具有很好的保护作用。大18井自生绿泥石含量与孔隙度和渗透率具有明显的正相关性(图2)，自生绿泥石的含量在2 595 m和2 660 m处分别达到最高值12%和5.1%，相应的孔隙度、渗透率也在此深度达到最大值，孔隙度最大值为12.3%，渗透率最大值为5.4×10-3μm2，说明自生绿泥石(包壳)的含量越高对储层物性的保护越好。

碎屑岩储层中绿泥石包壳的含量是否越高越好呢?根据大牛地气田自生绿泥石含量与孔隙度的关系(图3)，可以看出当自生绿泥石含量在15%以下时，孔隙度随绿泥石含量的增高呈线性递增;而在15%以上时，孔隙度随绿泥石含量的增高快速递减。上述大18井绿泥石包壳对储层物性保护的最高界限值同样为15%。因此，15%的自生绿泥石含量是绿泥石包壳对储层起积极还是消极作用的界限，当自生绿泥石含量在15%以上时，绿泥石将主要表现为孔隙充填作用，堵塞孔吼，降低储层物性。

图2 大牛地气田大18井绿泥石含量与孔隙度和渗透率关系图Fig.2 Relationship between chlorite content and porosity and permeability of Well D18 in Daniudi Gas Field

图3 大牛地气田自生绿泥石含量与孔隙度关系散点图Fig.3 Plot of authigenic chlorite content and porosity relationships in Daniudi Gas Field

通过大牛地气田绿泥石包壳发育层位的统计(图4)，发现大牛地气田的绿泥石包壳主要发育于山西组二段和下石盒子组一段，其中下石盒子组一段最发育，达到63%。由于绿泥石包壳的发育，这2个层位中的岩石抗压强度增加，石英次生加大被抑制，大量原生孔隙得以保存。

图4 大牛地气田绿泥石包壳分布频率直方图Fig.4 Frequency distribution histogram of chlorite coatings in Daniudi Gas Field

4 绿泥石包壳的形成环境

绿泥石包壳形成于沿岸三角洲和河流环境，且河流环境为其提供了形成绿泥石所需的物质来源［30］。成岩作用早期形成的绿泥石包壳是淡水作用下的近岸海相沉积环境，或是海水影响下的三角洲环境的沉积相标志［29］。中国三叠系湖相砂岩(尤其是湖泊三角洲)中自生绿泥石的大量存在可能指示了陆相三角洲的推进［7］。鄂尔多斯盆地延长组下石盒子组和山西组砂岩中绿泥石包壳形成于河流相、三角洲前缘和辫状河三角洲前缘环境;四川盆地须家河组砂岩中绿泥石包壳形成于河流、湖泊和三角洲平原环境;海拉尔盆地和冀中凹陷绿泥石包壳形成于浅湖环境;准噶尔盆地侏罗系绿泥石包壳形成于三角洲前缘环境(表1)。大牛地气田绿泥石包壳的沉积环境为辫状河三角洲前缘环境，所处沉积微型的类型主要为水下辫状河道(图5)，此环境不仅存在电解质及胶体的絮凝作用，为绿泥石包壳提供物质来源，还能够将硅质流体及时带出，抑制石英次生加大的发育，进而保护储层。

综上，绿泥石包壳可作为三角洲(辫状河三角洲)前缘水下分流河道(水下辫状河道)等强水动力条件的微观相标志。

图5 大牛地气田沉积微相频率分布图Fig.5 Frequency distribution of sedimentary microfacies in Daniudi Gas Field

5 结论

(1)大牛地气田的自生绿泥石主要以绿泥石包壳的形式产出，厚度为10～20 μm，可形成大量原生粒间孔，由孔隙边缘向孔隙中心其晶形逐渐变好，颗粒逐渐变大，局部可见晚期的自生石英微晶。

(2)根据铁质来源，绿泥石包壳可分为原地和异地两种成因，原地成因的绿泥石由先体黏土矿物和岩屑溶解未排出的富铁流体生成，一般以混层黏土(绿蒙混层及高岭石/绿泥石混层)和晶体较小的包壳形式存在;异地成因的绿泥石是富铁矿物及岩屑溶蚀、溶解形成的富铁流体通过河流携带，在异地絮凝沉淀生成，结晶充分，晶形好。

(3)绿泥石包壳对储层主要表现为抑制石英生长、保护孔隙的积极作用，其孔隙保护机理为:①抑制石英次生加大;②增加矿物颗粒间抗压实强度，抑制压溶作用;③抑制碳酸盐胶结，促进溶蚀作用。大牛地气田的绿泥石包壳主要发育于盒一段(63%)和山二段，当其含量在15%以下时，孔隙度随绿泥石含量的增高呈线性递增;而在15%以上时，孔隙度随绿泥石含量的增高快速递减。

(4)绿泥石包壳可为三角洲(辫状河三角洲)前缘水下分流河道(水下辫状河道)等强水动力条件的微观相标志。

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