致密砂岩油藏绿泥石胶结特征及其对储集性能的影响——以鄂尔多斯盆地延长组长6油藏为例

仵洁.

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西西安 710075)

致密砂岩油藏绿泥石胶结特征及其对储集性能的影响
——以鄂尔多斯盆地延长组长6油藏为例

仵洁1,2.

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西西安 710065；2.陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司，陕西西安 710075)

本文通过孔渗、压汞分析、薄片鉴定及扫描电镜等分析手段，对鄂尔多斯盆地七里村油田延长组长6油藏储层砂岩进行了系统分析。研究表明，绿泥石黏土膜是最重要的成岩特征之一，该类型的胶结可形成于早成岩期初期并持续到中成岩期A期。其沉淀受多因素控制，早期主要受沉积环境和物源条件影响。研究区三角洲前缘水下分流河道砂体在沉积过程中带来了丰富的铁、镁等物质，为早期绿泥石黏土膜在碱性环境中的沉淀提供了物质条件。随着砂岩埋深增加及温度升高，蒙脱石及高岭石等开始向绿泥石转化。到中成岩后期碱性成岩环境中，由于富铁、镁碎屑颗粒的溶蚀，铁及镁离子进入孔隙流体。当其达到过饱和时即从孔隙流体中析出，形成分散状分布的绿泥石晶体。自生绿泥石黏土膜发育样品具有较高的孔渗条件，对储层物性有较大的改善作用，主要体现在保护粒间孔隙以及有利于形成较好的孔喉结构。

绿泥石胶结物；成岩作用；延长组；七里村油田；鄂尔多斯盆地

绿泥石胶结物常见于三角洲及浅海相砂岩地层，是砂岩储集层在碱性成岩环境中发育的重要成岩矿物之一，也是目前对其认识较少的自生矿物之一。其形成及演化受物质来源、孔隙流体、早期黏土矿物性质，以及系统的封闭性与开放性等多因素控制[1]。在早成岩阶段早期(～20℃)到晚成岩阶段中后期均见发育，发育深度可达6000 m以上[2-4]。绿泥石胶结物的发育，特别是绿泥石黏土膜的发育对储层物性的建设性作用已受到国内外学者的广泛关注[5-7]。大量研究发现，含高异常孔隙度的储层往往与绿泥石黏土膜有关[8]，特别是致密砂岩储层中“甜点”区的发育与绿泥石胶结物发育紧密相关[4,9]。

本文以鄂尔多斯盆地七里村油田延长组致密砂岩油藏为研究目标，对长6砂岩储层开展了系统的储层物性特征及成岩作用研究。探究储集砂岩主要成岩作用特征及绿泥石胶结物发育阶段，刻画绿泥石的产状及分布特征，重点分析绿泥石物质来源及其对研究区砂岩储集性能的影响，进而为研究区致密砂岩油藏“甜点”区预测提供科学依据。

1 区域地质概况

1.1 概况

鄂尔多斯盆地是在华北克拉通基底之上发展起来的多旋回叠合盆地，构造形态整体呈东翼宽缓、西翼陡窄的南北向不对称矩形盆地[10-12]，可划分为伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷及西缘逆冲断构造带等六个一级构造单元。陕北斜坡占据着盆地中部的广大地区，是盆地内部最大的构造单元。其构造为一西倾的平缓单斜，倾角小于1°，以发育鼻状隆起为主要构造特征。

七里村油田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡东部，面积约293 km2。其西部与姚店油田及川口油田相邻，北部与甘谷驿油田相接。区域构造为一平缓的西倾单斜，地层倾角小于1°，千米坡降约为7～10 m，局部发育差异压实形成的低幅鼻状隆起。

1.2 延长组地层特征

目前研究区钻井仅揭示了三叠系延长组中上部地层、局部发育薄层侏罗系及第四系地层。由于研究区内白垩系地层缺失，第四系直接不整合覆盖在三叠系或侏罗系之上。三叠系延长组根据岩性特征可划分为5个岩性段，自下而上依次为长石砂岩带(T3y1)、油页岩带(T3y2)、含油带(T3y3)、块状砂岩带(T3y4)及瓦窑堡煤系(T3y5)。这5个岩性段又进一步划分为10个油层组，主要含油层位为长6油层，亦是本次研究目的层。长6油层组厚70～170 m，平均厚度约150 m，岩性以灰绿色、灰黑色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩和浅灰、褐灰、浅灰绿色细砂岩、粉砂岩互层。泥岩页理发育，层面多见植物茎化石。

图1 研究区构造位置及井位分布图 Fig.1 Location map of the drilling wells in the study area

表1 七里村油田三叠系延长组地层发育特征

2 储层岩石学特征

图2 延长组长6油层砂岩组分特征

长6储层砂岩样品主要为细粒长石砂岩，其次为中粒、细—极细粒长石砂岩及粉砂岩(图2)。砂岩石英平均含量为30%；长石含量高，其中钾长石平均含量约27%，斜长石平均含量为20%。岩屑主要为沉积岩屑及黑云母，沉积岩屑平均含量为3%，黑云母平均含量约为5%。砂岩分选性中—好，次棱角状—次圆状，颗粒呈点接触—线接触，胶结物主要呈接触式胶结—孔隙式胶结，主要粒径区间为0.12～0.27 mm。自生胶结物包括方解石(0～5%)及绿泥石胶结(0～5%)，石英次生加大发育(0～2%)，水云母(1.5%)及少量浊沸石胶结(0～2%)。

图3 延长组长6油层砂岩矿物成分特征

3 主要成岩作用特征

研究区长6储层砂岩碎屑颗粒遭受压实作用强烈改造，表现为碎屑颗粒呈稳定排列、云母片等塑性碎屑发生严重变形，见碎屑颗粒压裂现象。碎屑颗粒呈线-面接触、凹凸接触，甚至形成缝合线接触，产生致密镶嵌结构(图4a)。强烈的压实作用是研究区储层砂岩孔隙度降低的主要原因。溶蚀作用在研究区广泛发育，主要包括长石颗粒、浊沸石胶结物及暗色矿物颗粒等的溶蚀，其中长石颗粒及浊沸石胶结物颗粒溶蚀是研究区储层有效改善的关键因素(图4b、4c)。由于溶蚀作用的普遍发生，孔隙组合类型主要为粒间孔-溶孔型孔隙组合、溶孔型-粒间孔型孔隙组合(图4c、4h)等。砂岩样品扫描电镜观察及薄片面孔率统计表明，次生溶孔面孔率为1.5%～4.5%。

绿泥石胶结、浊沸石胶结、碳酸盐胶结及石英次生加大作用是研究区砂岩中最为典型的胶结类型(图4c～4e)。绿泥石胶结物主要呈黏土膜等形式产出，其在成岩作用早期到晚成岩A期均可形成。绿泥石包膜的存在能抑制碎屑颗粒进一步挤压并发生压溶作用，阻止岩石的进一步致密化，能有效保护储层砂岩孔隙。浊沸石胶结物的发育对研究区砂岩孔隙演化起建设性作用(图4g)，表现为其形成于成岩作用早期，在碎屑颗粒弱压实条件下，浊沸石胶结物析出并充填粒间孔隙，其在成岩演化过程中对保存粒间孔隙体积起到积极意义；同时，在成岩作用后期酸性成岩环境条件下，其遭受酸性流体溶蚀，为广泛发育的浊沸石胶结物次生孔隙提供了物质基础。硅质胶结以石英次生加大为主，其在砂岩样品中广泛发育，但含量较低，通常含量变化在0～2%之间。方解石胶结物亦广泛发育，主要呈孔隙式胶结或方解石晶体颗粒充填粒间孔隙，其含量变化在0～10%之间，平均含量约为1%(图4b)。

4 绿泥石胶结物

4.1 绿泥石胶结物产状及赋存方式

绿泥石胶结物是研究区致密砂岩最重要的成岩特征之一，薄片及扫描电镜研究表明，研究区致密砂岩中绿泥石胶结物赋存状态有3种：①绿泥石黏土膜，这是最常见的产出形式。晶体自形程度较高，其垂直于颗粒表面，并向孔隙中心生长，在颗粒表面形成一层环状薄膜，甚至包裹整个碎屑颗粒，厚度通常为5～10μm(图5a、5b)。黏土膜既见于碎屑颗粒表面，也发育于颗粒与颗粒接触面上。②作为孔隙充填物的绿泥石，这类胶结物在样品中含量较低。通常不连续，多呈叶片状晶体附着在颗粒表面或充填碎屑颗粒粒间孔隙，其自形程度较高，常与伊利石等黏土矿物共生(图5c)。③分散产出的叶片状晶体。这种类型的绿泥石含量较少(图5d)。

4.2 绿泥石胶结的成岩阶段

对绿泥石胶结物发育样品的薄片及扫描电镜的研究表明，绿泥石为早期发育，并持续到晚成岩作用A期早期(图6)。早成岩期绿泥石表现为黏土膜包裹碎屑颗粒，其形成早于有效压实作用。黏土膜形成后，随着压实作用的增强而受到改造，见绿泥石环边发育于刚性颗粒接触面上(图4b～4f)。此外，绿泥石胶结砂岩样品中，绿泥石胶结包裹的岩屑颗粒及长石未遭受溶蚀，而未被胶结的岩屑及长石颗粒被部分或强烈溶蚀。其表明绿泥石的发育早于溶蚀作用(图5e～5g)。

图6 七里村油田长6储层砂岩成岩作用阶段划分

对于硅质胶结，溶解于孔隙水中的SiO2达到局部过饱和后即发生沉淀，形成自生石英胶结物。绿泥石黏土膜对石英次生加大边的抑制作用主要表现为：其包裹石英颗粒表面，阻止石英颗粒与孔隙流体接触，从而抑制石英晶体胶结。绿泥石胶结发育样品中，石英次生加大极少量或不发育(图4b～4f，图5d)，同时也见细小石英颗粒发育于绿泥石黏土膜较薄或不连续的颗粒表面。

4.3 形成机制

4.3.1 绿泥石来源简述

绿泥石通常代表碱性水质环境，其物质来源和形成方式可分3种类型：①绿泥石胶结在水动力较强的三角洲环境，特别是在三角洲前缘环境中较易发育[1]。沉积过程中，河流会带来丰富的溶解铁，在河口砂坝和远砂坝等沉积环境中因沉积盆地电解质的加入发生絮凝而形成含铁沉积物，可为绿泥石环边的形成提供丰富的铁质来源。沉积早期絮凝的富铁的胶体发生水解溶蚀，导致砂岩中孔隙液体内铁镁含量不断升高。此外，泥岩也能不断脱水释放出铁与镁[3-4,8]。当孔隙液体中铁、镁离子达到饱和时，绿泥石便从碱性孔隙流体中析出。②黏土矿物的转化，主要是蒙脱石的绿泥石化及高岭石的转化[2,13]。蒙脱石在富铁、镁的碱性环境时转化为绿泥石。高温时蒙脱石发生脱水反应，导致晶格的重新排列和碱性阳离子的吸附，首先形成蒙脱石-绿泥石混层，进而转变为绿泥石[4,14]。随着埋深的增大及温度的升高，高岭石在富铁、镁环境中转化形成绿泥石[15]。此外，早成岩阶段形成的矿物，如鲕绿泥石及富铁、镁黏土矿物等，随着温度的升高，均能转化为绿泥石。③孔隙流体中直接析出。富铁或富镁的黑云母、角闪石等火山岩屑及长石颗粒在溶蚀作用等成岩转化过程中释放出铁和镁[16]，这种绿泥石主要发育在晚期，埋藏深度较大[13-14]。绿泥石胶结所需的铁、镁物质主要来源于孔隙流体的带入及硅质碎屑砂岩中的铁、镁矿物，碎屑颗粒、赤铁矿及泥岩的转化与溶蚀作用[9]。

4.3.2 研究区砂岩绿泥石物质来源

研究区砂岩中绿泥石的形成表现为多来源特征。 研究区延长组长6油层组为浅水三角洲沉积环境，沉积时期水动力较强。沉积过程中，河流会带来丰富的溶解铁，在水下分流河道、席状砂等沉积环境中因沉积盆地电解质的加入发生絮凝而形成含铁沉积物，其可作为绿泥石环边的形成提供丰富的铁来源。对于早期形成的绿泥石黏土膜，在无碎屑颗粒溶蚀及黏土矿物转化提供物质来源的情况下，其胶结最可能是受到沉积环境的影响。因此，在研究区三角洲前缘水下分流河道砂岩早成岩过程中(有效压实作用发生前)，绿泥石黏土膜的形成主要来源于河流物质的带入以及早期富铁胶体的转化。同时，水下分流河道砂体由于基质含量低，也为绿泥石膜的形成提供了条件。

随着砂岩埋深的加深，地层温度升高，成岩作用进一步加强。黏土矿物开始发育并发生相互转化，其是早成岩期到中成岩期绿泥石形成的重要来源。通常而言，自形程度较高的叶片状绿泥石与伊利石常共生产出，往往是黏土矿物相互转化的证据之一。蒙脱石的绿泥石化是一个溶解-再沉淀过程，中间包含一个绿-蒙混层阶段。研究表明，高岭石的绿泥石化常发生在埋深3500～4500 m，成岩温度介于165～200℃[17]。研究区样品测试分析表明，研究区储层砂岩中，蒙脱石及绿蒙混层均未检测到，说明其在成岩过程中很可能已全部被绿泥石化或伊利石化。这种类型形成的绿泥石通常含量较少，呈分散状、小团簇状不连续产出，不能形成环边包裹碎屑颗粒。对于本研究区砂岩，埋深小于3300 m，其远未达到165～200℃的成岩温度，故推测，高岭石尚未向绿泥石转化。

绿泥石胶结在中成岩期所需的铁、镁、硅及铝离子最重要的来源为储层砂岩中火山碎屑、长石及少量浅变质岩屑的溶蚀作用。绿泥石胶结物少量来源于火山岩屑在成岩转化过程中的贡献，但研究区储层砂岩中火山碎屑小于3%，含量较低，对绿泥石胶结物的形成贡献有限。而研究区中长石颗粒含量较高，其溶蚀为绿泥石胶结提供所需的重要物质条件。扫描电镜研究发现，叶片状绿泥石晶体直接生长在被溶蚀的长石颗粒表面(图5f)，绿泥石胶结物最主要的来源为长石颗粒在成岩转化过程中的贡献(图5e、5f)。以钾长石为例，反应式如下：

KAlSi3O8(钾长石)+Fe2++Mg2++H2O→(Fe14Mg12Al2.5)[Al0.7Si3.3O10(OH)8](绿泥石) +Si2O5+H++K+

分散产出的叶片状绿泥石晶体含量较少，其通常为晚期胶结物。此阶段，成岩作用较强，有机质演化程度升高，有机酸被破坏，脱羧基作用减弱，CO2来源减少，以及各种成岩蚀变反应对有机酸的消耗，必然导致孔隙流体性质逐渐由酸性向碱性演变[13]。孔隙流体中的铁、镁、硅及铝离子即在碱性环境中析出形成绿泥石胶结物。

5 绿泥石胶结物对储集性能的影响

5.1 物性特征

绿泥石胶结砂岩样品中，粒间孔是最为发育的孔隙类型(图3a、3d)，主要包括残余原生粒间孔隙和次生溶蚀粒间孔隙。孔隙分布不均匀，但连通性较好，孔径一般分布在10～200 μm之间。粒内溶孔少量发育，其孔径较小，连通性较差。次生孔隙含量一般不超过5%，其主要来自未被绿泥石黏土膜包裹或少量包裹的火山岩屑及长石颗粒的溶蚀作用，孔径一般小于100 μm，偶见颗粒被全部溶蚀形成大孔隙。砂岩样品总体以粒间孔及粒间溶孔为主，粒间孔+粒间溶孔平均占95%，粒内溶孔占5%。粒内溶孔一般含有大量颗粒残骸和自生矿物，对储层的渗透率贡献相对较小。

对砂岩的实测物性分析表明，所采样品的孔隙度在5.3%～13.9%之间，平均为9%。渗透率为0.09～1.90 mD，平均值为0.53 mD。其中，绿泥石胶结物不发育样品孔隙度为5.3%～13.3%(平均值8.8%)，渗透率为0.09～1.90 mD (平均值为0.44 mD)；绿泥石胶结物发育的样品孔隙度为6.6%～13.9%(平均值9.5%)，渗透率为0.16～1.58 mD (平均值为0.7 mD)。 整体来看，绿泥石胶结物发育样品孔隙度平均值较未发育样品高约0.7%，渗透率平均值高约0.26 mD 。

岩心孔渗分布特征结合砂岩样品成岩相分析表明，研究区致密砂岩储层物性集中分布在Ⅰ区间，孔隙度主要在6.0%～11.7%之间，渗透率在0.1～0.8 mD之间。区间Ⅱ为溶蚀作用发育区，储层砂岩中长石及岩屑的溶蚀导致样品孔隙度的增加，其孔隙度平均值较Ⅰ区间样品高约40%。但由于孔隙连通性差，导致该区间样品渗透率并未得到明显提高。Ⅲ区间样品为孔渗异常高值区，岩相主要发育绿泥石胶结相及溶蚀相。绿泥石胶结物发育样品孔隙度约为7%～12%，渗透率值为0.8～1.4 mD。

图7 研究区储层砂岩孔隙度-渗透率关系图

5.2 绿泥石对储层质量的影响

绿泥石胶结物对储层砂岩孔隙度的影响体现在多个方面。对原生孔隙而言，绿泥石包膜有助于剩余原生孔隙的保护。

5.2.1 对压实、压溶作用的影响

研究区砂岩样品表现为强压实特征，少量弱及较强压实特征，碎屑颗粒呈稳定排列，云母片等塑性碎屑发生严重变形。碎屑颗粒见压裂现象，呈线-面接触、凹凸接触，见致密镶嵌结构。绿泥石胶结物发育样品中，绿泥石黏土膜多形成于碎屑沉积物沉淀之后及有效压实作用发育之前，并包裹碎屑颗粒。铸体薄片及扫描电镜研究表明，黏土膜同样存在于颗粒接触面上，说明其形成时间较早，后期遭受压实作用的变形改造。随着压实强度的增加，绿泥石包膜的存在能抑制碎屑颗粒进一步发生压溶作用，阻止岩石的进一步致密化。

5.2.2 抑制石英次生加大

石英次生加大作为碱性成岩作用的代表产物，因充填储层孔隙空间而成为储层砂岩成岩作用过程中的重点关注对象。研究区砂岩中，硅质胶结少量到不发育，其主要以石英次生加大边的形式存在，含量变化在0～2%之间，对研究区储层物性的影响较小。石英次生加大的发育及分布与绿泥石胶结关系密切。绿泥石胶结物含量较高的砂岩样品中，其主要以环边形式存在并包裹碎屑颗粒，这种条件下，石英次生加大边几乎不发育。扫描电镜研究表明，石英次生加大仅在绿泥石膜较薄或是不连续的颗粒表面发育。绿泥石对石英次生加大的抑制作用主要在于其包裹石英颗粒表面，阻止富含SiO2的孔隙流体与碎屑颗粒接触而形成自生石英晶体。极少数情况下，富含硅质的孔隙流体会在较薄的绿泥石黏土膜外部重新结晶，形成石英次生加大并充填粒间孔隙。在未发现绿泥石胶结的样品中，石英次生加大则较普遍。

5.2.3 对溶蚀作用的影响

次生孔隙的发育主要是由于不稳定碎屑颗粒的溶蚀作用，如长石颗粒及火山岩屑等。研究区砂岩中，长石含量较高(平均高于50%)，而岩屑组分含量相对较低。次生孔隙主要来源于长石颗粒在成岩过程中的溶蚀作用。从取样的砂岩样品来看，储层砂岩溶蚀作用较为强烈。粒间及粒内溶孔孔隙度为3%～8%(平均为5%)。在绿泥石发育的样品中，绿泥石黏土膜包裹的岩屑及长石颗粒未发生溶蚀现象(图3a)。没有被包裹的颗粒则遭受不同程度的溶蚀，少量不稳定颗粒被全部溶蚀而形成超大孔隙(图3b)。总体来看，绿泥石发育样品中，次生孔隙发育较低，其原因在于绿泥石黏土膜能隔阻酸性流体与碎屑颗粒接触，保护颗粒免遭溶蚀；另一方面，绿泥石膜的发育形成了较好的孔喉结构，有利于后期流体的运移并进一步溶蚀不稳定碎屑颗粒。

6 结论

(1)研究区绿泥石胶结物主要以绿泥石黏土膜、孔隙衬里绿泥石及分散叶片状绿泥石等3种赋存形式存在于储层砂岩中。研究区绿泥石胶结物均为铁绿泥石，是研究区储层砂岩中最重要的胶结类型，其形成于成岩早期(有效压实之前)，并一直延续到晚成岩A期。

(2)研究区三角洲前缘水下分流河道携带丰富的铁离子进入孔隙流体是早期绿泥石环边形成的主要原因。此外，随着埋深的增加及成岩温度升高，早期黏土矿物开始向绿泥石转化。随着成岩流体中有机酸的加入，大量含铁矿物在溶解过程中释放绿泥石胶结所需的铁离子，成为研究区中晚成岩期绿泥石胶结物的重要来源。

(3)绿泥石胶结砂岩普遍发育较高的孔隙度和渗透率，其对储层物性的演化起建设性作用，主要体现在抑制压溶作用、抑制石英次生加大并能形成有利的孔喉结构等方面。绿泥石环边的存在有助于大量原生孔隙的保存，且为后期酸性孔隙流体提供运移通道，有利于后期溶蚀作用的进行。

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Characteristics of Chlorite Cementing in Tight Sandstone Reservoir and Its Significance on Reservoir Performance —Taking Chang 6 Reservoir of Yanchang Formation in Ordos Basin as an Example

Wu Jie1,2

(1.CollegeofPetroleumEngineeringofXi＇anShiyouUniversity,Xi＇an,Shaanxi710065,China; 2.ShaanxiYanchangPetroleumInternationalExplorationandDevelopmentEngineeringCo.,Ltd.,Xi＇an,Shaanxi710075,China)

Based on porosity and permeability measurements, mercury intrusion, thin section authentication, SEM observations, and so on, diagenetic features are examined on reservoir sandstones taken from Yanchang formation in Qilicun oilfield of Ordos Basin.This study shows that chlorite cement is one of the most important diagenetic features in the reservoir sandstones.Precipitation of chlorite is controlled by multiple factors and its development occurs early in eo-diagenesis and continues to early stage of meso-diagenesis.The precipitation of chlorite in early stage is mainly affected by sedimentary environment and provenance.Abundant Fe and Mg materials were supplied during the deposition of distributary channel sediments in deltaic front setting and provided materials for precipitation of early chlorite coatings in alkaline conditions.With burial depth increases, smectite and kaolinite tended to transform into chlorite.Smectite cements were completely transformed into chlorite in the sandstones of the studied area.Volcanic lithics that rich in Fe and Mg materials were dissolved and released Fe2+, Mg2+into pore waters.They precipitated as chlorite cements in meso-diagenesis and in alkaline diagenetic environment.Chlorite coatings acted as porosity and permeability preserving cements in the chlorite cemented sandstones.Reservoir quality of chlorite cemented sandstones is much better than sandstones that without chlorite cements.It played an important role in reservoir quality evolution was mainly characterized in preserving intergranular porosity and forming better pore-throat structure.

chlorite cement; diagenesis; Yanchang formation; Qilicun oilfield; Ordos Basin

仵洁(1983—)，女，陕西西安人，西安石油大学石油工程学院在职研究生，现就职于陕西延长石油国际勘探开发工程有限公司。邮箱：lanyu218@163.com.

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