鄂尔多斯盆地东部太原组致密砂岩伊利石特征及成因分析

刘佳庆,阳兴华,康 锐,高锋博

(1.陕西延安石油天然气有限公司,陕西西安710018; 2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安710021)

鄂尔多斯盆地东部太原组致密砂岩伊利石特征及成因分析

刘佳庆1,阳兴华1,康 锐2,高锋博1

(1.陕西延安石油天然气有限公司,陕西西安710018; 2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安710021)

鄂尔多斯盆地东部太原组储层砂岩十分致密,非均质性强,黏土矿物种类和含量是影响其物性的重要因素。利用岩心观察、铸体薄片、扫描电镜和X射线衍射等手段,对黏土矿物中的伊利石进行了特征分析和成因研究。结果表明:①盆地东部太原组致密砂岩中以高伊利石含量和相对低高岭石含量为主要特征,伊利石的产状存在薄膜式、粒间孔胶结和充填式等多种类型;②长石伊利石化及高岭石伊利石化是太原组储层在成岩晚期经历的主要成岩作用类型,剩余的钾长石和致密且封闭的砂岩提供了持续向伊利石转化的物质基础和环境,最终导致了伊利石的大面积富集;③研究区伊利石含量自三角洲平原向三角洲前缘逐渐升高,自水下分流河道砂体的中部向边部逐渐升高,自河道交汇处向分岔处逐渐升高,勘探过程中应尽量避开伊利石含量较高的相带。

成岩作用;伊利石化;成因分析;定性预测;致密砂岩;太原组

黏土矿物的种类、含量及其在孔隙中的分布位置均对储层物性具有较强的影响和控制作用。自生黏土矿物在砂岩孔隙中的不同产状对砂岩孔隙度、渗透率的影响程度不同,基本上按分散质点式—薄膜式—搭桥式的顺序依次升高[1]。开展黏土矿物研究对鄂尔多斯盆地及类似的“三低”油藏的勘探开发具有重要意义[2-4]。本文在系统总结鄂尔多斯盆地东部太原组砂岩储层伊利石特征的基础上,对比分析伊利石形成的几种可能成因机制,探讨其在砂岩中富集的控制因素;追溯成岩作用晚期伊利石化对储层物性的影响,为预测储层品质提供参考。

1 储层基本特征

鄂尔多斯盆地东部(下文简称东部地区)太原组砂岩十分致密(孔隙度为5％～10％),非均质性强,微观孔隙结构复杂。砂岩类型主要为岩屑石英砂岩,占全部砂岩样品的70.0％左右;次为岩屑砂岩,占15.3％左右;含极少量石英砂岩。面孔率平均为3.6％,以岩屑溶孔为主,杂基溶孔、长石溶孔、粒间溶孔、粒内溶孔、粒间孔、晶间孔次之。研究区太原组孔隙度分布区间为0.08％～13.26％,平均值是6.24％,峰值区间为6％～10％;渗透率分布区间为0.002～14.31mD,平均值是0.36mD,峰值区间为0.01～0.5mD(图1)。根据研究区太原组50块样品X射线衍射—全岩及黏土矿物分析,黏土矿物以伊利石为主,高岭石次之,伊利石平均含量为6.75％;伊利石组分显著发育,是其区别于鄂尔多斯盆地东部上古生界其他层位砂岩的显著特征[5-7]。

2 伊利石特征

太原组储层经历了强烈的成岩改造,黏土矿物有多种赋存形态,在岩心观察的基础上,对铸体薄片进行系统研究,结合扫描电镜,将伊利石形态总结为以下6种。

(1)伊利石呈薄膜式胶结:产出状态类似于绿泥石膜,是早成岩的标志。岩石颗粒点接触,岩屑蚀变弱,无变形,伊利石呈薄膜式在碎屑颗粒边缘生长,在正交光下形成碎屑颗粒的亮边,类似于贝克线(图2a)。

(2)伊利石充填原生粒间孔式胶结:碎屑颗粒点接触,石英无自生加大,岩屑蚀变弱,无变形,伊利石孔隙式充填(图2b)。

(3)伊利石充填石英Ⅰ级加大粒间孔:充填方式与高岭石充填石英Ⅰ级加大粒间孔的方式相同,偶尔可见伊利石晶间发育高岭石颗粒和自生石英颗粒,但碎屑组分与高岭石充填不同,表现为石英颗粒含量较低,交代长石颗粒较多,岩屑,尤其是片岩和千枚岩岩屑较发育(图2c)。

(4)与碳酸盐共同充填粒间孔:伊利石与方解石同时充填于孔隙中,多数情况下,在高岭石与碳酸盐接触处,出现碳酸盐的溶蚀作用面,粒间溶孔多发育于作用面附近(图2d)。

(5)伊利石与高岭石共同充填粒间孔:高岭石与伊利石同时充填于孔隙中,多数情况下,高岭石胶结物被伊利石胶结物包裹(图2e)。

(6)伊利石、高岭石和碳酸盐共同充填粒间孔:这种胶结方式在东部地区太原组中很常见,一般碳酸盐呈斑块状分布,与高岭石相连,在高岭石区域发育伊利石,形成碳酸盐溶蚀后被高岭石和伊利石同时充填的假象(图2f)。

3 伊利石成因分析

3.1 海水导致伊利石生成的成因

在伊利石的形成过程中,K+是主线。伊利石的摩尔体积为135.2cm3/mol,即生成135.2cm3的伊利石需要29.25g的K+,相当于每生成1cm3伊利石需要0.216g钾。研究区目的储层砂岩中伊利石平均含量约为8％,也就是每升砂岩中含17.3g钾。海水中,K+的平均浓度为0.399g/L[9],研究区主体沉积环境处于三角洲,K+的含量较均值偏低,相当于现今渤海湾水域的浓度,约为0.317g/ L。砂岩成分成熟度低,岩屑含量高,原始孔隙度较低,以30％来估算,每升原始砂岩中K+含量为0.089g,即形成目前砂岩中的伊利石含量需要195倍于砂岩体积的海水。现今太原组砂岩平均厚度约为6m,按伊利石对钾源的需求条件计算,至少需要1170m厚的海水浓缩才能达到形成伊利石的最低要求。但原始沉积地层的平均厚度约为45m,因此,原始地层水中的K+含量远远不足以形成东部太原组伊利石富集的需求量。

值得注意的是,以上分析并不涵盖所有情况。从成岩地质产状分析,研究区目的储层个别伊利石膜发育带是成岩早期埋藏海水形成的(图3a、b),证实在埋藏海水中K+浓度相对极高的局部区域能够为伊利石膜的形成提供足够物质来源。

3.2 蒙皂石转化成因分析

随埋藏深度增加,储层中蒙皂石向伊利石转化。实验研究证实,温度为100～130℃、K+与H+比值接近正常海水时,蒙皂石失去层间水向伊利石转化[10]。

从理论上讲,高岭石呈板状,吸水能力弱,搬动能量较高,分布于近海岸;绿泥石呈书页状或花瓣状,搬运能量比高岭石低,分布于高岭石向盆地方向;伊利石呈片状到丝状,吸水能力较强,分布于绿泥石带外缘向盆地方向;蒙皂石(伊/蒙混层矿物)吸水能力最强,最易于搬运,分布于盆地中部[11]。现代海洋中黏土矿物的分布规律是:由海岸向盆地,依次为高岭石分布带、绿泥石分布带、伊利石分布带、蒙皂石分布带。

东部地区太原组泥岩和石灰岩中黏土矿物组合的分布趋势与现代海洋基本相同(图4),北部三角洲平原到内前缘发育高岭石带;南部三角洲外前缘发育伊利石带;过渡带自北向南高岭石含量逐渐降低,伊利石含量逐渐升高。而现今地层达到晚成岩阶段时,原始沉积的蒙皂石已转变为伊利石或伊/蒙混层矿物,因此未出现蒙皂石带。泥岩和石灰岩中黏土矿物主要发生蒙皂石向伊利石的转化,而高岭石和绿泥石含量在成岩过程中基本不发生明显变化。综上所述,伊利石+伊/蒙混层矿物与高岭石和绿泥石的相对含量能代表沉积时所处环境的黏土矿物原始组合。

砂岩中黏土矿物的分布特征与泥岩和石灰岩中明显不同(图5):黏土矿物组合北部以高岭石为主,伊利石+蒙皂石次之,有少量的绿泥石;南部以伊利石+蒙皂石为主,高岭石次之,有少量绿泥石。由于河流作用较强,黏土矿物发育带可能向南部三角洲外前缘带偏移,即高岭石带和伊利石带发育带主要在南部。但目前东部砂岩中黏土矿物的分布特征是:从三角洲平原到三角洲前缘,普遍发育伊利石带。由此可见,砂岩中的伊利石并非主要由蒙皂石转化而来。

3.3 碱性长石转化成因分析

表1 东部太原组太2下伊利石成分测试成果表单位:％Table1 Testing results of illite composition in the eastern Taiyuan formation

伊利石形成既要有充足的难迁移元素硅、铝,又要有易迁移元素钾。钾是一种相对特殊的元素,对碎屑矿物而言,主要赋存于碱性长石中,只有碱性长石分解才能释放出K+。

为实现K+的相对富集,需要钾长石分解过程中流体不流动或难流动,要求相对封闭的体系空间,即要求储层物性差。分流河道砂岩只有在晚成岩阶段溶蚀孔隙被充填后,才能满足这种K+富集的环境要求。

地层中高的锶同位素比值说明富钾矿物分解释放出K+。东部碎屑岩中,只有钾长石具备这种物质条件;铁方解石出现说明富钾矿物分解温度在125℃左右,这一时期是前文所述钾长石发生高岭石化的时期。而伊利石的形成需要相对封闭的成岩环境,即只有高岭石、铁方解石及铁白云石大量充填溶蚀孔隙后,才能发生伊利石胶结。

关于东部地区太原组砂岩的伊利石胶结,其物源是长石蚀变;形成环境是晚成岩期物性变差的较封闭环境;形成时间在铁方解石、铁白云石和碱性长石高岭石化之后。

库车坳陷阳霞组也同样存在钾长石的伊利石化。以依南2井区为例,该井地层压力系数为1.8,处于异常高压体系下,定义为异常高压封存箱。该封存箱内长石解体成骸晶状,伊利石正在形成(图6a)。进一步分析其岩石组分时发现,长石含量与伊利石含量呈良好的负相关关系(图6b),这些均证明了在封闭体系下,长石蚀变形成伊利石胶结。

4 伊利石对储层孔隙的影响及分布预测

4.1 伊利石对储层孔隙的影响

黏土矿物是上古生界砂岩中重要的孔隙充填物,对储层孔隙度和渗透率的影响最大。自生伊利石具较大的比表面积及纤维状的晶体形态,存在于溶蚀强烈的粒内溶孔和粒间溶孔中。尤其在粒内溶孔中,其单体多成丝状-丝片状,集合体呈网状为主,以分割孔隙空间方式导致砂岩储层质量(特别是渗透率)的严重恶化[8]。

伊利石胶结分为早期薄膜式胶结、中晚期碱性长石伊利石化胶结及高岭石伊利石化胶结,研究区太原组伊利石胶结以中晚期碱性长石伊利石化胶结及高岭石伊利石化胶结为主。碱性长石伊利石化胶结充填孔隙,丝状的伊利石更容易堵塞喉道;高岭石伊利石化充填晶间孔则表现为堵塞晶间孔喉道,具有强烈的破坏作用(图7)。

4.2 伊利石转化机理及分布预测

伊利石化是东部太原组晚成岩阶段经历的主要成岩作用类型[13-14],其产出方式有多种,物质来源主要为长石。

钾长石伊利石化反应:9KAlSi3O8+R2++2CO2+ 4H2O→4K0.75(Al1.75R0.25)[Si3.5Al0.5O10](OH)2+6K++2CO3

2-+13SiO2。该反应形成伊利石和石英。据摩尔体系计算,参与反应钾长石体积为861.5,形成伊利石体积为540.7,相当于钾长石体积的62.7％;形成石英体积为294.3,相当于钾长石体积的34.2％;反应后固体体积减少26.4,相当于钾长石体积的3％;消耗水的体积为72,相当于钾长石体积的8.4％。反应中固体体积和流体体积均减少,表面上看有利于储层孔隙的发育,但实际上呈丝状分布的伊利石会在颗粒表面形成水膜,导致孔隙水锁,使有效孔隙减少。因此,伊利石化是破坏性成岩作用。

值得说明的是,钾长石伊利石化除需要封闭环境外,还需要有机质高熟、有机酸裂解的条件[15-16]。

钠长石发生伊利石化需要的条件是地层水中有K+、Mg2+和Fe2+。反应最佳时期是有机酸裂解排出Fe2+的阶段,与钾长石伊利石化同时进行,反应式为:9NaAlSi3O8+3K++R2++2CO2+4H2O→4K0.75(Al1.75R0.25)[Si3.5Al0.5O10](OH)2+9Na++ 2CO3

2-+13SiO2。钠长石伊利石化形成高岭石和石英。根据摩尔体系计算,参与反应钠长石体积为784.1,形成伊利石体积为540.7,相当于钠长石体积的68.9％;形成石英体积为294.3,相当于钠长石体积的37.5％;反应固体体积增加50.9,相当于钠长石体积的6.5％;消耗水的体积为72,相当于钠长石体积的9.2％。

太原组砂岩的伊利石含量理论上主要取决于原始沉积物中碱性长石的含量,但研究区碱性长石多发生高岭石化或伊利石化,因此从物源上无法分析伊利石胶结物含量与碎屑组分含量之间的关系。从形成条件来说,岩屑组分,尤其是板岩和千枚岩组分在成岩过程中塑性变形,能增强储层封闭性;从胶结原则“物以类聚”的角度来说,板岩和千枚岩岩屑中富含伊利石和绢云母,有利于伊利石形成。因此伊利石主要发育于岩屑发育区域。

伊利石胶结物含量与千枚岩+板岩岩屑含量总体呈正相关关系,但相关性较差;原因可能与碎屑及孔隙式胶结伊利石与交代伊利石无法区分有关。但此相关关系基本证实伊利石易形成于板岩和千枚岩岩屑发育的区域。

从沉积分异规律分析,板岩和千枚岩岩屑中伊利石和绢云母含量高,水化能力强,主要分布于河道侧缘和前缘,在河道中部相对不发育[17]。根据碎屑组分中千枚岩+板岩+片岩含量,结合实验数据,对砂岩中伊利石的平面分布进行预测如下:伊利石含量在三角洲平原到前缘的过渡带最低,向南升高;在分流河道砂体的中部最低,向边部逐渐升高;在河道交汇处最低,顺直处居中,分岔处最高。建议勘探时应尽量避开河道边部及分叉处等伊利石含量较高的相带。

5 结 论

(1)鄂尔多斯盆地东部太原组致密砂岩储层黏土矿物以高伊利石含量和相对低高岭石含量为主要特征。伊利石产状存在薄膜式、粒间孔胶结和充填式等多种类型。

(2)长石伊利石化、高岭石伊利石化是目的储层在成岩晚期经历的主要作用类型。剩余的钾长石和致密且封闭的砂岩提供了持续向伊利石转化的物质基础和环境,最终导致了伊利石的大面积富集。

(3)基于砂岩中伊利石成因的分析,预测伊利石含量在研究区三角洲平原到前缘的过渡带最低,向南升高;在分流河道砂体的中部最低,向边部逐渐升高;在河道交汇处最低,顺直处居中,分岔处最高。建议勘探过程中应尽量避开河道边部及分叉处等伊利石含量较高的相带。

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Characteristics and Origin Analysis of Illite in Taiyuan Tight Sandstones Formation,Eastern Ordos Basin

Liu Jiaqing1,Yang Xinghua1,Kang Rui2,Gao Fengbo1
(1.Yan′an Oil＆amp;Gas Ltd.Xi′an 710018 Shaanxi,China;2.Petroleum Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi′an,Shaanxi 710021,China)

The sandstones of Taiyuan formation and reservoir in eastern part of Ordos basin is very tight and strong heterogeneity,the type and content of clay minerals are the important factors affecting the physical properties of the sandstone. The characteristics and origin of illite in the clay mineral have been studied by means of core observation,cast thin sheet, scanning electron microscope and X ray diffraction,etc.Results showed that:①high illite content and low kaolinite content relatively are the typical features of the Taiyuan formation sandstones at eastern part of Ordos Basin.There are thinfilms,intergranular hole cementation and filled status of illite;②The main diagenesis was illitization,which happened in feldspar and kaolinite in the late diagenesis.Remaining K-feldspar and tight closed sandstones provided materials and environment for transforming it into illite continuously,eventually led to a large area of illite enrichment.③The content of illite in the study area increased gradually from the delta plain to the front of delta,especially from the middle part of sand body to the edge of underwater diversion channel,or from the confluence of the river to the bifurcation point,so,the facies belt with high content of illite should be bypassed in the course of exploration as far as possible.

diagenesis;illite;origin analysis;qualitative prediction;tight sandstones;Taiyuan Formation

TE122

:A

刘佳庆(1982年生),女,工程师,主要从事于油气田勘探方面的研究与应用工作。邮箱:lemontreenan@163.com。