鄂尔多斯盆地致密砂岩储层伊利石膜特征

周晓峰，赵丽霞，焦淑静，刘志鹏

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.中国石油长庆油田 第二采油厂，甘肃 庆城 745100；3.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；4.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083)



鄂尔多斯盆地致密砂岩储层伊利石膜特征

周晓峰1，赵丽霞2，焦淑静3，刘志鹏4

(1.中国石油大学(北京) 石油工程教育部重点实验室，北京 102249；2.中国石油长庆油田 第二采油厂，甘肃 庆城 745100；3.中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；4.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083)

利用铸体薄片和带有能谱仪的扫描电镜对鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层伊利石膜的赋存状态和化学组分进行了细致观察与测试分析，进而讨论了其成因和生长过程及对储层物性的影响。研究认为，伊利石膜生长于压实作用之后，起因于假杂基化的蒙皂石蚀变提供的物质来源和生长空间，形成Ⅱ型伊利石膜；随着骨架颗粒溶蚀产物的参与，Ⅱ型伊利石膜发展为Ⅰ型伊利石膜。伊利石膜具有内、外2层结构，单体特征标示出外层膜的形成时间早于内层膜，在内层膜的片状或长条状单体形成时，外层膜原有的片状或长条状单体丝状化。在伊利石膜的生长和伊利石单体丝化过程中，产生大量次生孔隙，有效地改善了致密砂岩油储层的物性。

伊利石膜；致密砂岩；延长组；储层物性；鄂尔多斯盆地

周晓峰，赵丽霞,焦淑静,等.鄂尔多斯盆地致密砂岩储层伊利石膜特征[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2016，31(6)：1-8，103.

ZHOU Xiaofeng,ZHAO Lixia,JIAO Shujing,et al.Features of illite films in tight sandstone reservoir of Ordos Basin[J].Journal of Xi'an Shiyou University (Natural Science Edition),2016,31(6):1-8，103.

引 言

鄂尔多斯盆地是中国重要的含油气沉积盆地，三叠系延长组是其主要产油层位。根据沉积旋回，前人将延长组自上而下划分为长1—长10 共10个油层组，反映了晚三叠世鄂尔多斯大型坳陷湖盆形成、发展和消亡的全过程[1]。勘探实践证实，在发育绿泥石膜的河流-三角洲砂体中发现了多个亿吨级的低渗透-超低渗透油田[1-5]，而位于湖盆中部含有丰富伊利石的重力流砂体则是近期中国致密砂岩油气勘探的主战场之一[6]。以往的研究主要集中在低渗透-超低渗透砂岩油藏，而对致密砂岩储层的认识程度较低，尤其是对储层中普遍发育的自生黏土矿物的研究明显不足，且存在争议。王芳等[7]认为，致密砂岩储层中占填隙物总量60%的伊利石黏土矿物呈片状、蜂巢状和丝缕状等产出方式，其中片状伊利石为原生沉积形成，蜂巢状伊利石由蒙皂石转化，丝缕状伊利石则由高岭石伊利石转化而来，高岭石伊利石化过程促进钾长石溶蚀，产生的长石溶孔是最主要的孔隙类型。田建锋等[8]认为，致密砂岩油储层中伊利石黏土矿物的体积分数高达9.1%，以杂乱片状为主，仅分布于残余粒间孔隙内，主要由火山物质蚀变形成的蒙皂石转化而来。祝海华等[9]认为，在早成岩B期的碱性环境下发育的石英溶孔、伊利石晶间微孔、云母层间孔等纳米孔是鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层的重要孔隙类型。

本文在调研前人研究成果的基础上，利用铸体薄片和带有能谱仪的场发射扫描电镜，在鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层岩心中发现了丰富的伊利石膜。系统研究伊利石膜的赋存特征、化学组分及与其他矿物的组合关系，分析其形成的时间、空间和物质来源。在此基础上探讨伊利石膜的成因和形成过程，进而分析其对储层物性的影响。研究认为，伊利石膜形成过程中伴生的不断扩容的次生孔隙改善了致密砂岩油储层的物性。

1 致密砂岩油储层的基本特征

鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩储层是指油层平均渗透率小于0.3×10-3μm2且与生油岩互层或紧邻的非常规砂岩储层，集中分布在盆地中部长6、长7油层组，资源潜力约20×108t。目前正在进行现场开发试验攻关[6]。储层研究是致密油勘探开发的灵魂[10]，鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层为深水重力流砂体，灰黑色、黑色含漂浮泥砾的块状砂岩和无任何组构的块状砂岩是其典型标志[6,11]。漂浮泥砾为深水沉积的泥页岩，大小混杂，小泥砾为毫米级，大泥砾一般3～5 cm，多顺层水平分布(图1(a))。块状砂岩含油性好，岩心出筒时常见原油外溢(图1(b))。统计分析了113个图像粒度数据，碎屑颗粒最大半径为0.127～0.295 mm，属细粒级，中值半径为0.045～0.117 mm，为粗粉砂—细粒，标准偏差在0.49～2.49，颗粒分选好—很差，峰态(0.93～3.66)宽—很窄，偏度(0.02～0.81)近对称—极正偏，说明致密砂岩油储层优势颗粒分选差而分散，结构成熟度低。

图1 鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层的典型岩心照片Fig.1 Typical core photos of tight sandstone oil reservoir in Ordos Basin

247个铸体薄片鉴定结果表明，鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层的岩性主要为岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩，其次为岩屑砂岩和长石砂岩，碎屑成分成熟度低。根据物理化学性质，碎屑成分大致可以分为3类：石英和石英质岩屑(燧石、石英岩)归为一类，占岩石体积的34%，硬度大，化学性质稳定，为砂岩的骨架颗粒，但在碱性环境下可以发生溶蚀[9,12]；长石和长石质岩屑(花岗岩、中酸性喷发岩)自成一类，体积分数30%，为砂岩的骨架颗粒，在酸性环境中易发生溶解作用，是次生孔隙和K+离子的主要来源之一[13]；板岩岩屑、片岩岩屑、千枚岩岩屑、云母及凝灰质等(体积分数21%)为柔性组分，易水解形成Na+、K+、Fe2+、Mg2+、Ca2+、Al3+、Si4+等离子[1]。成岩过程中，骨架颗粒抵抗压实作用，有利于保存原生粒间孔隙；长石质岩屑的溶解以及柔性组分的水解，不仅提供了自生成岩矿物所需的物质来源，而且形成溶蚀孔隙，改善储层物性。

从7 200多个实测物性数据统计可知，渗透率集中分布在(0.05～0.25)×10-3μm2，平均0.17×10-3μm2；孔隙度一般为4.0%～12.0%，平均8.3%。储集空间主要由长石溶孔、岩屑溶孔以及具有黑色环边的“粒间孔”(图2(a))组成。利用带有能谱仪的扫描电镜观察和测试这种黑色环边的赋存状态和化学组分，证实其为伊利石膜。分析伊利石膜成因及形成过程，认为这种“粒间孔”为伊利石膜形成过程中伴生的次生孔隙。

图2 鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层的典型显微照片Fig.2 Typical microphotos of tight sandstone oil reservoir in Ordos Basin

2 伊利石膜的赋存状态

黏土膜是指砂岩中围绕颗粒的黏土矿物薄膜，常称为颗粒包膜、颗粒环边、孔隙衬里或孔隙环边，根据黏土矿物类型又可进一步分为绿泥石(黏土)膜、伊利石(黏土)膜、蒙皂石(黏土)膜及过渡类型[15]。镜下观察，鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层中发育伊利石膜。

光学显微镜下，伊利石膜因遭受沥青质浸染而呈黑色环边，但在颗粒相互接触处缺乏伊利石膜(图2(a))，这表明其形成晚于碎屑颗粒在压实作用下形成的目前的接触关系。

扫描电镜观察，伊利石膜发育在骨架颗粒表面，如石英(图2(b))、长石(图2(c))和火山岩屑(图2(d))。根据与骨架颗粒的接触关系，可以把伊利石膜划分为2种类型:Ⅰ型伊利石膜为颗粒与黏土膜的界限模糊，伊利石膜已“扎根”在颗粒之中(图2(b)—图2(d))；Ⅱ型为伊利石膜与颗粒界限清晰(图2(e))。

伊利石单体通常呈二向延展的片状(长/宽<3)、线状延长的长条状(长/宽为3～50)及丝状(长/宽>50)[16]。由颗粒表面向孔隙中心方向，伊利石单体的理想形貌为从片状逐渐向长条状至丝状转化，但实际上很少见到完整转化序列，往往观察到的是片状或长条状向丝状转化，其集合体堆叠从密集向稀疏过渡(图2(b)—图2(e))。根据伊利石单体形貌及其集合体赋存方式， 笔者将伊利石膜分为

内、外两层结构：依附颗粒的部分称之为内层膜，单体片状或长条状；延伸向孔隙中心的部分称之为外层膜，单体长条状或丝状，这种结构可能是成岩过程中伊利石晶体由外层不断向内层生长，同时外层不断成熟化的产物[16-19]。

镜下还常见伊利石晶体嵌入石英晶体内(图2(f))，方解石交代长石和充填伊利石膜环绕的孔隙(图2(g))、长石和岩屑溶孔(图2(h))，以及高岭石伊利石化(图2(i))。这些现象指示了鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层是酸性、碱性流体叠加效应的产物[20]，酸性环境中主要发生长石溶蚀和硅质沉淀，碱性环境下则主要发生石英溶蚀、伊利石膜形成以及方解石析出。

3 伊利石膜的化学组分

利用带有能谱仪的场发射扫描电镜测试伊利石膜的化学组分，测试数据见表1。

表1 鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层伊利石膜的化学组分Tab.1 Chemiscal composition of illite films in tight sandstone oil reservoir of Ordos Basin

Ⅰ型伊利石膜中，石英颗粒表面伊利石膜SiO2的质量分数(75.67%)最高，长石颗粒表面的伊利石膜K2O(质量分数4.94%)、Al2O3(质量分数24.34%)含量最高，火山岩屑表面的伊利石膜FeO质量分数(21.17%)最高，这标示着骨架颗粒的特征化学组分富集于其黏土膜中。对比不同骨架颗粒表面内、外层膜化学组分的质量分数可知，内层膜的颗粒特征化学组分的含量明显高于外层膜，说明内层膜的生长受其依附颗粒的影响大，而外层膜主要受控于孔隙内流体。

Ⅱ型伊利石膜中，长石颗粒表面内层膜的K2O、SiO2含量低于外层膜，而MgO、FeO、Al2O3含量高于外层膜，推测内层膜的化学组分不受所依附的骨架颗粒影响。

4 伊利石膜的成因

碎屑岩中的自生伊利石主要是通过蒙皂石、高岭石、长石和岩屑等蚀变或溶蚀转化而来[15,21-24]，若聚集在颗粒表面便形成了伊利石膜。

富K+离子的流体环境是伊利石生长的前提条件。学者们[5-26]通过伊利石测年认为，垂直于颗粒表面向孔隙伸展的长条状和丝状伊利石是由富K+离子的外来流体进入孔隙形成。也有学者[7-28]强调，伊利石膜是先期黏土膜成岩转化形成的，所需K+离子由钾长石的溶蚀提供。延长组沉积期，鄂尔多斯为一个淡水湖盆[9]，不具备提供外源K+离子的可能性；成岩期，构造稳定，尚无证据表明有富K+离子的热流体进入，因此，不存在外源K+离子形成伊利石膜的地质条件。致密砂岩油储层中，钾长石质量分数高达10%，溶蚀现象普遍，溶蚀过程中产生大量的K+离子；柔性组分(质量分数为21%)含量高，且沉积时期频繁的火山活动带来了丰富的凝灰质，凝灰质水解产生大量K+离子[14,30-31]。因此，从研究区的地质情况分析，认为K+离子主要来源于钾长石的溶解及柔性组分的水解。

依据显微观察、化学组分测试以及成岩环境分析所获得的证据(图2，表1)，结合前人的研究成果[15,21-28]，笔者认为Ⅱ型伊利石膜为蒙皂石蚀变形成，膜的化学组分与依附的骨架颗粒没有相关性，二者间仅仅是空间上的接触关系，接触界面清楚；从蒙皂石蚀变为片状、长条状及丝状伊利石的形貌可以推断，其蚀变机制为溶解-重结晶机制，以消耗蒙皂石为代价形成伊利石[21-22]。Ⅰ型伊利石膜是Ⅱ型伊利石膜在朝着骨架颗粒方向生长过程中形成的，表现在颗粒与黏土膜之间的界面模糊不清，且骨架颗粒的特征化学组分富集于内层膜中。

已有大量关于蒙皂石转化成伊利石以及长石、岩屑(骨架颗粒)为伊利石的形成提供物质来源的论述[15,21-28]，但石英颗粒蚀变形成伊利石(膜)的现象尚未见报道。究其原因，石英作为砂岩中一种非常稳定的碎屑组分，普遍认为它难以被溶解。但也有不少学者对石英颗粒溶解的可能性及相关问题进行了探讨[32-36]，结果都认为石英是可以发生溶解的。Dove[35]获得了石英随温度、碱性离子含量以及pH值变化而呈现不同溶解速率的经验公式，油气储层的碱驱作业也观察到了溶解现象[37]，对砂岩中石英溶解现象也有所认识[9,12]。研究表明，砂岩孔隙水pH值大于8.5时，有利于石英溶解[38]；pH值大于9时，石英的溶解度随pH值的升高而增大[39]。

鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层为淡水湖泊环境的沉积物，随着埋深的增加、古地温的升高，经历了从早成岩A期到中成岩A期的演化过程[2-6]。在早成岩阶段，云母、凝灰质等柔性组分水解，大量的K+、Ca2+、Mg2+等碱和碱土金属离子进入孔隙水中，使孔隙水的pH值升高，碱性程度增强，由此形成有利于石英溶蚀的成岩环境。进入中成岩阶段，有机酸和碳酸随油气一起进入储层，使储层中地层水的性质由碱性变为酸性。储层流体性质的改变必将对成岩进程和成岩方向产生影响，一方面形成长石溶孔，改善储层质量；另一方面消耗H+离子，溶蚀而来的碱和碱土金属离子使溶液的pH值升高。油气充注的时间跨度不足50万年[40]，这在延长组砂岩的成岩地质历史中仅占不到四分之一的时间，因此，在研究区储层孔隙水中尽管存在pH值偏酸性的地质条件，但碱性成岩环境仍占主导地位。综上所述，酸性成岩环境时间短，碱性成岩环境时间长，说明石英多数时间是处于不稳定状态的，从而有利于其溶解。在富K+离子的碱性流体中，石英溶解出来的Si4+离子就极有可能就地参与形成Ⅰ型伊利石膜。这已经在带有能谱仪的扫描电镜下得到了证实(图1(b)，表1)。

5 伊利石膜的生长过程

形态学证据[16-19]表明，伊利石成熟化进程中伊利石单体形貌逐渐由板片状向长条状或丝状转化。鄂尔多斯盆地延长组伊利石膜的双层结构中，内层膜的伊利石单体为片状或长条状，外层膜的伊利石单体为长条状或丝状，伊利石的形貌特征反映从颗粒向孔隙方向伊利石晶体不断成熟化。内、外层膜化学组分的含量分析结果也有力地支持了这种观点：外层膜的伊利石长期与较为稳定的孔隙流体成岩系统发生水-岩反应，导致其化学组分的质量分数相近；新近形成的内层膜的伊利石尚未来得及与孔隙流体充分反应，因而较多地保留了所依附颗粒的成分。

综合分析形貌特征、化学组分含量以及成因可知，外层膜形成在先，内层膜产生在后，在颗粒不断遭受溶蚀的作用下，伊利石膜向着骨架颗粒方向生长，不断地占据颗粒溶蚀的空间(图3)。由图3可以看出，以外层膜的演化为主线，鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层伊利石膜的形成经历了3个阶段：片状阶段、长条化阶段和丝化阶段。

图3 鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层伊利石膜的生长过程Fig.3 Growth process of illite films in tight sandstone oil reservoir of Ordos Basin

片状阶段：长7沉积时期，盆地周缘火山活动强烈，部分火山物质(凝灰质)和其他碎屑物质随水流进入湖盆，在深水重力流环境中堆积下来，形成含漂浮泥砾的块状砂岩和无任何组构的块状砂岩。由于颗粒细小、分选差、柔性组分含量高，导致压实作用极为强烈，表现为柔性组分挤压变形成为假杂基，骨架颗粒与柔性组分凹凸接触，原生孔隙损失殆尽。在压实过程中，凝灰质转化成蒙皂石[29-30]；水解作用下，蒙皂石排出Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+和Si4+等离子，并产生次生微孔。在次生微孔中，富K+离子的流体与蒙皂石发生反应，形成片状伊利石，即外层膜的雏形。

长条化阶段：水-岩反应继续进行，孔隙水与蒙皂石发生反应，形成新的片状伊利石；孔隙水与先期形成的伊利石持续作用，使片状伊利石转化为长条状伊利石，这2种反应均引起次生微孔不断扩容。

丝化阶段：在K+离子来源相对稳定的成岩系统中，蒙皂石形成片状伊利石，而先期的片状和长条状伊利石分别转化为长条状和丝状。至现阶段，若蒙皂石的片状伊利石化仍在进行，就会形成Ⅱ型伊利石膜；若骨架颗粒溶蚀而来的物质已就地参与形成内层膜，则产生Ⅰ型伊利石膜。相应地，伴生的次生孔隙进一步扩容，有效地改善了致密砂岩油储层物性。

6 结 论

(1)鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层伊利石膜可分为Ⅰ型和Ⅱ型2种类型。Ⅰ型伊利石膜与骨架颗粒的界限模糊，膜的化学组分含量与其所依附颗粒的特征组分密切相关。Ⅱ型伊利石膜与骨架颗粒的界限清楚，其化学组分与所依附的骨架颗粒无关，二者之间仅表现为接触关系。

(2)鄂尔多斯盆地致密砂岩油储层伊利石膜具有双层结构，内层膜中的伊利石单体为片状或长条状，外层膜中的单体为丝状。单体形貌标示了内层膜形成的时间晚于外层膜，在外层膜中的片状或长条状伊利石转化为丝状的过程中，向着颗粒方向又新产生了片状伊利石。

(3)伊利石膜的生长伴生次生孔隙，且伊利石膜的形成演化过程中次生孔隙不断扩容，有效地改善了致密砂岩油储层的物性。

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责任编辑：王 辉

Features of Illite Films in Tight Sandstone Reservoir of Ordos Basin

ZHOU Xiaofeng1,ZHAO Lixia2,JIAO Shujing3,LIU Zhipeng4

(1.Key Laboratory of MOE for Petroleum Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China;2.No.2 Oil Production Plant,PetroChina Changqing Oilfield Company,Qingcheng 745100,Gansu,China;3.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing)，Beijing 102249,China;4.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,SINOPEC,Beijing 100083,China)

The occurrence and chemical composition of the illite films in Yanchang Formation tight sandstone reservoir in Ordos Basin were observed and analyzed by means of thin section analysis and scanning electron microscopic analysis with energy disperse spectroscopy,and the genesis and the growth process of the illite films and their impact to the reservoir physical properties were systematically discussed.The study shows that the growth of the illite films was after the compaction of the early diagenetic phase,the hydrolysis of smectite as pseudomatrix provided the substance and the space for the illite films,andⅡ-type illite film was formed.With the participation of the material produced by the dissolution of the skeleton particles,theⅡ-type illite film developed intoⅠ-type illite film.The illite film is of the structure of double layers,and the features of the illite crystals illustrate that the growth time of the outer layer is earlier than that of the inner layer.When the flake-shaped and long stripe-shaped illite crystals in the inner layer were formed,the flake-shaped and long stripe-shaped illite crystals in the outer layer became filaceous.A large number of secondary pores have been produced in the process of the growth of illite films and the filamentation of illite crystals,which can effectively improve the physical properties of tight sandstone reservoir.

illite film;tight sandstone;Yanchang Formation;physical property of reservoir;Ordos Basin

2016-06-23

国家科技重大专项“特低渗油藏有效开发技术”(编号：2011ZX05013-006)

周晓峰(1973-)，男，讲师，博士，主要从事油气田地质学研究。E-mail:zhouxf@cup.edu.cn

10.3969/j.issn.1673-064X.2016.06.001

TE122.2

1673-064X(2016)06-0001-08

A