自生黏土矿物对储集层性质和油田开发的影响—以鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组为例

黄 静，张才利，解古巍，刘学刚，丁雅琴，张仁燕，雷 钰

（1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

油气地质

自生黏土矿物对储集层性质和油田开发的影响—以鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组为例

黄 静1，2，张才利1，2，解古巍1，2，刘学刚1，2，丁雅琴1，2，张仁燕1，2，雷 钰1，2

（1.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安 710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西西安 710018）

利用X射线衍射及扫描电镜技术，研究了鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组自生黏土矿物的类型、分布和产状。结果表明研究区自生黏土矿物以高岭石和绿泥石为主，有少量自生伊利石和伊利石/蒙皂石间层黏土矿物，自生高岭石主要分布在姬塬地区西部的X1小层，自生绿泥石在姬塬-华庆地区各小层均有不同程度的分布，但西部自生绿泥石的含量都高于东部。自生黏土矿物的产状主要有分散质点式、孔隙衬里式和网状交织式。同时对自生黏土矿物的形成机理进行了探讨，并指出了研究区黏土矿物对油田开发的影响，为后期油田的合理开发提供了地质依据。

鄂尔多斯盆地；姬塬-华庆地区X油层组；自生黏土矿物；油田开发

黏土矿物是储集层砂岩中较为普遍的层状铝硅酸盐矿物，是影响砂岩储集性能的重要因素之一。沉积岩中的黏土矿物包括了沉积和成岩两种截然不同的成因，沉积成因的黏土矿物主要是指与陆源碎屑颗粒一起沉积的陆源碎屑黏土矿物，而成岩成因的黏土矿物则是指在成岩过程中形成的自生黏土矿物。自生黏土矿物的含量、产状、时空分布等与原生孔隙的保存、次生孔隙的发育以及油气的开发等都有着密切的关系，因而分布于孔隙中的自生黏土矿物具有更为重要的意义。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期发育大型克拉通坳陷湖盆，整体上具有盆大、坡缓、水浅、源多、构造稳定等的特征[1]。盆地从晚三叠世开始进入内陆坳陷盆地沉积阶段，上三叠统延长组为第一个沉积旋回，沉积基本以北纬38°为界，碎屑粒度北粗南细，北薄南厚。三叠系延长组经历了湖盆产生、发展直至消亡的整个演化过程，为一套在盆地持续坳陷和稳定沉降过程中堆积的河流-湖泊相陆源碎屑岩沉积体系[2]。姬塬-华庆地区X油层组即为在此基础上沉积的一套湖泊、三角洲体系[3]，为了研究需要和讨论方便，本文根据地理位置将姬塬-华庆地区划分为姬塬和华庆两个地区，在此基础上划分出东西方向上的姬塬西、姬塬东、华庆西和华庆东四个亚区。

2 黏土矿物特征

2.1 黏土矿物的类型

对姬塬-华庆地区X油层组147个砂岩样品进行了系统的黏土矿物X射线衍射分析，表明伊利石是含量最多的黏土矿物，占了黏土矿物总量的一半，但其中绝大部分并不是自生成因，这些伊利石主要赋存于杂基、泥岩岩屑和其他含泥岩石（如泥质粉砂岩或粉砂质泥岩）的岩屑中。所有样品中都没有检测到蒙皂石，这些蒙皂石都已转化成间层伊利石/蒙皂石或伊利石。间层伊利石/蒙皂石在姬塬-华庆地区X油层组的含量在10%～15%，是含量相对较少的黏土矿物类型，而且伊利石层的含量较高，平均值大于80%，已非常靠近伊利石端元。另外，据X射线衍射分析结果，少数样品中还存在间层比为1∶1的规律交替排列的间层伊利石/蒙皂石，即累托石（Re）[4]。总体上说，姬塬-华庆地区X油层组自生黏土矿物以高岭石和绿泥石为主（见表1，图1）。

2.2 主要自生黏土矿物的分布特征

主要作为化学成岩作用产物的自生黏土矿物的存在不是孤立的，其形成与作为骨架颗粒的各种铝硅酸盐矿物的溶解有关，也可能与黏土矿物自身的演化有关，也可能与其他有关机制（如火山作用）有关，如自生石英、自生碳酸盐矿物和自生黏土矿物可能都与长石溶解有关，因而不能孤立研究自生黏土矿物。要得出与黏土矿物形成机制有关的正确结论，对砂岩中其他主要自生矿物进行综合研究是非常必要的。鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组自生矿物的主要类型除自生黏土矿物以外，还包括自生碳酸盐矿物（主要为方解石、白云石和菱铁矿）、自生石英、自生长石（主要为钠长石）以及其它含量较低的自生矿物（如浊沸石、硬石膏、黄铁矿等）。

表1 鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组自生矿物构成据薄片统计的总体特征Tab.1 The overall features of sheet statistics of authigenic minerals constitute of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

图1 黏土矿物X射线衍射谱图（B279井X2乙二醇饱和片）Fig.1 X ray diffraction spectrum of clay minerals（B279 well X2ethylene glycol saturation tablets）

2.2.1 自生高岭石 据薄片资料统计（见表1），姬塬-华庆地区X油层组自生高岭石主要分布在X1小层，其含量平均值为1.03%，而X2小层中的自生高岭石的含量平均值只有0.25%。自生高岭石主要分布在姬塬地区西部的X1小层（见图2），其高岭石平均含量为2.64%，X1的其余三个亚区（姬塬东、华庆东和华庆西）高岭石的平均含量分别只有0.47%、0%和0.03%；X2的四个亚区（姬塬东、姬塬西、华庆东和华庆西）高岭石的平均含量分别只有0%、0.24%、0.15%和0.30%，这些数值与姬塬地区西部的X1小层的高岭石含量相比，都可以认为基本没有高岭石的存在。

图2 鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组不同地区不同小层自生高岭石含量分布直方图Fig.2 Histogram of authigenic kaolinite content distribution in different areas and small layer of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

图3 鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组不同地区不同小层自生绿泥石含量分布直方图Fig.3 Histogram of authigenic chlorite content distribution in different areas and small layer of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

图4 姬塬-华庆地区X油层组不同亚区自生绿泥石含量分布直方图Fig.4 Histogram of authigenic chlorite content distribution in different sub region of X formation in Jiyuan&Huaqing area

2.2.2 自生绿泥石 姬塬-华庆地区X油层组自生绿泥石含量的变化范围都显著少于高岭石，就薄片分析结果的平均值而言，X1和X2自生绿泥石含量的平均值分别为2.54%和2.10%，两个层位没有明显的差别，这与高岭石在层位上巨大的含量变化形成强烈反差（X1高岭石含量大致是X2的4倍）。在X1小层，自生绿泥石含量的平均值华庆地区高于姬塬地区。然而，无论是华庆地区还是姬塬地区，西部自生绿泥石的含量都高于东部（见图3）。在X2小层，姬塬和华庆两个地区自生绿泥石含量的变化也相对较小，薄片分析资料的平均值分别为2.33%和1.92%，但仍然显示出自生绿泥石含量西部地区高于东部地区的总体特征（见图4）。

2.3 自生黏土矿物的产状

姬塬-华庆地区X油层组自生黏土矿物在砂岩孔隙中的产状主要有三种类型，即分散质点式、薄膜式和网格交织式。

2.3.1 分散质点式 姬塬-华庆地区X油层组黏土矿物以分散质点式的形式充填在砂岩孔隙中（见图5a），以高岭石最为典型。部分高岭石呈晶型较好的书页状、蠕虫状集合体直接充填孔隙，还有一些高岭石是由长石溶蚀后形成的（见图5b），部分高岭石则系蚀变成因，结晶程度差。

图5 鄂尔多斯盆地姬塬-华庆地区X油层组砂岩黏土矿物显微特征Fig.5 Sandstone microscopic characteristics of clay minerals of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

2.3.2 孔隙衬里（或薄膜）式 铸体薄片观察表明，在姬塬-华庆地区X油层组砂岩黏土矿物中，作为孔隙衬里薄膜或颗粒表面薄膜的黏土矿物主要为绿泥石（见图5c），有部分绿泥石边缘发生卷曲，有的绿泥石有向孔隙中间延伸的趋势（见图5d）。扫描电子显微镜观察表明，自生绿泥石的形态以叶片状居多（见图5e），有极少量的自生伊利石也是作为孔隙衬里出现的（见图 5f）。

2.3.3 网格交织式 在观察的铸体薄片样品中，有18%样品中的填隙物，以网格交织的形式存在于孔隙中，称之为网状黏土，网状黏土在个别井的存在还非常普遍。黏土矿物X射线衍射资料表明，姬塬-华庆地区X油层组伊/蒙间层黏土矿物中伊利石层的含量较高，因而在形态和产出方式上都与自生伊利石类似，一些伊利石层含量较低的伊/蒙规则间层黏土矿物则更趋向于卷曲片状的形态，也有少量蜂窝状似累托石（Re）的存在（见图5g），从黏土矿物X射线衍射谱图（见图6）上可以观察到有27.88反射峰的出现。伊/蒙间层比越大，说明含蒙皂石层的比例也就越大，引起地层的敏感性（水敏）就越强，有些网状黏土矿物的形成与云母有关，有个别网状黏土的形成与绿泥石有关。

2.3.4 其他产状的黏土矿物 通过铸体薄片和扫描电镜观察，自生伊利石的存在不是普遍现象，大多以杂基形式充填孔隙中。在扫描电镜下观察，自生伊利石常以片状、丝状、片丝状、毛发状或卷曲片状附着于碎屑颗粒表面（见图5h），或者充填于粒间孔隙中，极少数伊利石向颗粒中间伸展，形成搭桥状（见图5i）。

3 黏土矿物的形成机理

图6 黏土矿物X射线衍射谱图（H55井X1乙二醇饱和片有27 峰的出现）Fig.6 X ray diffraction spectrum of clay minerals（H55 well X1the emergence of 27 peak on ethylene glycol saturation tablets）

砂岩中自生黏土矿物的形成与地层水的性质（矿化度、离子成分、酸碱度等）密切相关[5]。X油层组处于生油层之下，生油层中的泥岩在成岩过程中析出的大量无机和有机组分，随着压实流体进入砂岩孔隙后，打破了砂岩内原有的固相-液相之间的平衡，从而影响着黏土矿物形成时的水介质条件。

3.1 自生高岭石的形成机理

姬塬-华庆地区X地层中自生高岭石的成因主要与长石等铝硅酸盐的溶解有关。经研究表明，生油层烃源岩的有机酸和大气水为高岭石的形成提供丰富的介质环境，使砂岩孔隙流体的pH值呈酸性，另外大气水对骨架颗粒有溶解作用，使砂岩中的长石组分溶解，产生次生孔隙和自生高岭石沉淀[6，7]。无论是钾长石、钠长石还是钙长石，其溶解的主要产物均有高岭石，基本反应方程式：

3.2 自生绿泥石的形成机理

从物质来源来说，姬塬-华庆地区X油层组砂岩的埋藏前组成中存在较多的基性火山物质，这些火山物质主要在大气水环境中溶解，同时大多数的铁也只能在淡水环境中搬运，因而河流带来的溶解铁需要在具有一定盐度的水体中卸载，这在海洋三角洲沉积环境很容易实现[8]，海洋环境电解质的加入发生絮凝而形成含铁沉积物，这种含铁沉积物将为成岩过程中绿泥石环边的形成提供丰富的铁的来源。绿泥石的形成阶段主要是在埋藏-成岩的早期，形成了叶片状、针叶状的绿泥石，一般作为孔隙衬里出现，绿泥石形成需要富铁（有的还需要镁）的碱性介质条件，加之绿泥石在较早的成岩阶段就开始沉淀，因而成岩环境是否能为自生绿泥石的沉淀提供这样的碱性流体条件是控制自生绿泥石是否发育，或发育程度的关键因素之一。

3.3 其他自生黏土矿物的形成机理

其他自生黏土矿物主要有自生伊利石和伊/蒙间层。姬塬-华庆地区X油层组砂岩中大多数的伊利石和伊/蒙间层都是碎屑成因或由同期火山物质转化的（如存在盐度较高的湖水中细粒火山物质的蒙皂石化及以后向伊利石的继续转化），自生成因的伊利石和伊/蒙间层在数量上很少。自生伊利石常以片状、丝状、片丝状、毛发状或卷曲片状充填于粒间原生孔与次生溶蚀孔中，或桥接于各种孔隙中，其形成机制与埋藏成岩过程中富钾流体的存在有关，当长石溶解产生钾离子、且流体pH值因长石溶解受到缓冲时，自生伊利石沉淀，其沉淀时间也主要是在有机酸大量排出，长石广泛溶解之后。

在扫描电镜观察中见到一些具有伊/蒙间层卷曲片状形态而又具有较高铁、镁含量的黏土矿物，它们可能是绿/蒙间层黏土矿物，数量很少，其形成机制不同于以孔隙衬里方式产生的自生绿泥石，它们可能是蒙皂石在相对富铁、镁的碱性环境中转化形成的，在一些缺乏长石溶解或缺乏钾离子的局部地区，部分蒙皂石将转化成绿/蒙间层，但对于姬塬-华庆地区来说，这些黏土矿物在数量上没有多少实际意义。

4 黏土矿物对油田开发的影响与建议

据姬塬-华庆地区X油层组部分试油井射孔段对应的薄片资料分析，油层段储集砂岩具以下特点：黏土矿物以绿泥石为主，普遍含少量水云母杂基，个别试油产量偏低的井段高岭石含量相对较高，绿泥石膜发育过厚。而致密储集层绿泥石含量偏高，孔隙的连通性差。因而黏土矿物对油田开发有着至关重要的影响，尤其是作为孔隙衬里产出的绿泥石和分散质点式产出的高岭石，很容易与注进地层的流体迅速发生反应，引起对油层的伤害。黏土矿物对油层的伤害问题大致有酸敏、速敏和水敏等三个方面。

4.1 易引起酸敏的矿物-孔隙衬里式的绿泥石

据X射线衍射资料分析，姬塬-华庆地区X油层组砂岩填隙物中所含绿泥石普遍都是富铁绿泥石，而且普遍是三八面体的富铁绿泥石。绿泥石对油田开发的影响主要有以下几点：

（1）由于自生绿泥石含量的增加会造成压汞实验中退出效率的显著降低，因而砂岩中自生绿泥石含量较高时，虽然此时孔隙度可能较高，但采收率可能较低。

（2）薄片观察表明，以孔隙衬里方式存在的自生绿泥石具有显著的亲油性，经常有较多的有机质分布于纤维状绿泥石中，在油水共存的情况下，尤其是当含油饱和度较低时，绿泥石中可能有较多的油，粒间孔隙中则更多的是水，由于绿泥石的亲油性可能造成开发效果较差，地层可能产水而不产油；当然，如果含油饱和度较高，粒间孔隙中也是油，尽管存在孔隙衬里方式的自生绿泥石，地层可以产油，但采收率可能较低。

（3）鄂尔多斯盆地X油层组绿泥石含量较高（黏土中绿泥石含量平均值73%）样品的酸敏实验结果表明这些样品酸敏损害率变化在43.6%～69.5%，因而对绿泥石含量较高的地层的酸化处理方法也需要注意。

4.2 能引起速敏的矿物-分散质点式充填孔隙的高岭石

据姬塬-华庆地区X油层组储集砂岩薄片观察，含充填孔隙的高岭石敏感性评价是弱速敏。高岭石对油田开发的影响主要有以下几点：

（1）自生高岭石主要以分散质点式充填在孔隙中，占据包括原生粒间孔和长石等铝硅酸盐矿物溶解形成的次生孔隙，对岩石物性的影响是直接的，即造成孔隙度或总面孔率的直接降低，与以孔隙衬里方式产出的自生绿泥石相比，其对渗透率和孔隙结构参数的伤害相对较小。

（2）由于高岭石的沉淀实质上是把粒间孔或长石等铝硅酸盐矿物溶解形成的次生孔隙转变成了晶间孔，由于晶间孔的小孔小喉特征会对孔隙结构参数造成实质性的影响，这种影响主要出现在渗透率1 mD附近，并可能造成岩石渗透率降低的相应渗透率伤害，但与绿泥石相比，这并不具有实际意义。

（3）高岭石没有显著的亲油性，虽然也存在一些富含有机质的高岭石晶间孔，但更多的高岭石的晶间孔往往是比较干净而不富含有机质，实验表明，一些自生高岭石含量较高的样品仍然具有相对较高的退出效率，因而与富含绿泥石的地层相比，富含高岭石的地层的采收率可能相对较高，当然与完全不含黏土矿物的非常干净的砂岩地层相比，其退出效率仍然较低，因而高岭石对采收率仍然存在一定的影响。高速流体可能使这些微粒状矿物发生迁移而使喉道堵塞降低渗透率。因此，应作流动实验确定临界流速来防止可能发生的速敏伤害。

4.3 能够引起水敏的黏土矿物-伊/蒙间层

据X衍射数据统计，在姬塬-华庆地区X油层组储集砂岩中普遍含伊/蒙间层黏土矿物，间层比大于10的占45.6%，在薄片下观察可能就是网状黏土，因而存在着明显的水敏伤害因素。含有蒙脱石层的黏土矿物都具有一定的膨胀性，蒙脱石有三层结构，易吸附Na+，当黏土在含水介质中被水化时，钠蒙脱石聚集体很容易膨胀，其薄层分离的很远，所以水很容易侵入到薄层的间隙中，并且在钠蒙脱石周围形成水包裹层。K+浓度高时，黏土薄层原封不动，因为小尺寸的K+能轻易渗入到黏土的间层，使黏土层维系在一起，因此保持水溶液中K+的高浓度可以防止黏土膨胀[9]。

5 结论

（1）姬塬-华庆地区X油层组自生黏土矿物类型主要为绿泥石和高岭石，伊利石和伊/蒙间层黏土矿物也是本研究区常见的黏土矿物类型，但自生成因的相对较少，能谱分析存在一些具伊/蒙间层形态而又具有较高铁、镁含量的黏土矿物，它们可能是绿/蒙间层黏土矿物，但数量很少。

（2）自生高岭石主要分布在姬塬地区西部的X1小层，自生绿泥石在姬塬-华庆地区各小层均有不同程度的分布，但西部自生绿泥石的含量都高于东部。

（3）自生黏土矿物在砂岩孔隙中的产状主要有三种，高岭石以分散质点式充填在砂岩孔隙中，绿泥石是作为孔隙衬里（或薄膜式）生长在颗粒表面，伊/蒙间层黏土矿物以网状交织式充填在孔隙中。

（4）地层中自生高岭石的形成机制与来自烃源岩的有机酸对长石等铝硅酸盐的溶解有关，自生绿泥石的形成与一定的物质来源、一定的盐度和碱性介质条件有关。

（5）黏土矿物对油层的伤害问题大致有酸敏、速敏和水敏等三个方面。孔隙衬里式的绿泥石是易引起酸敏的矿物，分散质点式充填孔隙的高岭石是能够引起速敏的矿物，伊/蒙间层是能够引起水敏的矿物。

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Effects of authigenic clay minerals on reservoir properties and oilfield development—Take X reservoir formation in Jiyuan and Huaqing areas in Ordos basin as an example

HUANG Jing1，2，ZHANG Caili1，2，XIE Guwei1，2，LIU Xuegang1，2，DING Yaqin1，2，ZHANG Renyan1，2，LEI Yu1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China；2.National Engineering Laboratory for Low-Permeability Petroleum Exploration and Development，Xi'an Shanxi 710018，China）

X-ray diffraction and scanning electron microscopy are applied to analyze types,distribution and occurrence of X reservoir formation authigenic clay mineral in Jiyuan&Huaqing area.The result shows that the types of authigenic clay mineral mainly consist ofkaolinite and chlorite in study area,including a small amount of authigenic illite and illite/smectite mixed clay minerals.The authigenic kaolinite is mainly distributed in X1reservoir formation ofthe western Jiyuan area,the authigenic chlorite is distributed in each layer of different level in Jiyuan&Huaqing area,but the content of authigenic chlorite in western is higher than in eastern.The occurrences of authigenic clay mineral are mainly included dispersed particle type,pore lining type and mesh type.The formation mechanism of authigenic clay mineral is discussed,and pointing out the influence of clay minerals on the research area of oilfield development at the same time.This provides the geological basis for rational at the late period of oilfield development.

Ordos basin；X formation in Jiyuan&Huaqing area；authigenic clay mineral；oilfield development

TE122.22

A

1673-5285（2017）07-0090-08

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.07.021

2017－06-12

国家科技项目资助，项目编号：2014CB239003。

黄静，女（1977-），硕士研究生，工程师，主要从事黏土矿物和元素分析方面的研究工作，邮箱：huangj1_cq@petrochina.com.cn。