西湖凹陷花港组低孔低渗砂岩储层中绿泥石环边的成因及其意义

钟 韬, 曹 冰, 刘金水, 高红艳, 刘创新

(中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335)

西湖凹陷花港组低孔低渗砂岩储层中绿泥石环边的成因及其意义

钟 韬, 曹 冰, 刘金水, 高红艳, 刘创新

(中海石油(中国)有限公司上海分公司,上海 200335)

西湖凹陷中北部渐新统花港组深层砂岩储层物性整体为低孔低渗，物性较好、测试产能高的优质储层以发育绿泥石环边为特征。根据铸体薄片、扫描电镜、X射线衍射、能谱等分析绿泥石环边成因及形成时间并探讨其意义。结果表明：环边里层是沉积时包裹碎屑颗粒的黏土微粒在成岩过程中铁离子的影响下绿泥石化而成；外层是由于铁离子的持续供给，围绕里层环边生长而成。绿泥石环边形成于溶蚀作用发生以前，并且早于石英加大边形成，既能缓解压实作用，又能抑制其他胶结物的形成，利于在深埋条件下保存原生孔隙；同时还能在保存原生孔隙的基础上促进后期溶蚀作用；另外，绿泥石环边利于形成较好的孔喉结构，并能提高成藏时油气充注程度。绿泥石环边是花港组深层形成优质储层的重要因素，对寻找优质储层和指导油气勘探具有重要意义。

西湖凹陷；花港组；低孔低渗储层；绿泥石环边；优质储层

图1 西湖凹陷构造区划简图Fig.1 Simplified map showing tectonic units of Xihu sag

西湖凹陷位于东海陆架盆地东部拗陷带，东邻钓鱼岛隆褶带，西邻海礁隆起和渔山东隆起，凹陷内部总体呈“两洼夹一隆”的构造格局，且具有“东西分带、南北分块”的特征(图1)。渐新统花港组是西湖凹陷油气勘探的主要目的层段，与下伏始新统平湖组呈不整合接触，是在始新世断陷作用之后向拗陷转变阶段沉积充填的地层，为陆相浅水湖泊-三角洲沉积体系。始新世末期，由于太平洋板块的俯冲，东海陆架盆地由强烈断陷逐步向拗陷转变，海水退去，陆架外缘隆起，进入了典型的沿海陆相盆地沉积阶段。东侧早期形成的边界断裂依然在活动，形成了比较陡峭的古地貌，盆地外缘大片隆起区为凹陷提供了充足的物源。西湖凹陷中央反转构造带东北部靠近东侧陡坡带，大量沉积物由隆起区直接进入湖泊，形成了花港组巨厚的粗碎屑建造。西湖凹陷中北部花港组发现的气田均分布在埋深gt;3.5 km的深层，储层沉积微相为三角洲平原分流河道和三角洲前缘水下分流河道；储层岩石类型主要为长石岩屑质石英砂岩，少量长石质石英砂岩和岩屑质石英砂岩，碎屑的分选性为中等-较好，磨圆度以次棱-次圆状为主。储层非均质性强，物性总体为低孔低渗，孔隙度(q)为6%～18%，渗透率(K)为0.1×10-3～10×10-3μm2。

大量薄片及扫描电镜分析发现，花港组低孔低渗储层中物性较好、测试产能高的优质储层常以发育绿泥石环边为特征，这使得研究绿泥石环边的成因及其对储层的影响很有意义。国内外关于自生绿泥石对储层的影响已有大量的研究，20 世纪60 年代就有学者关注绿泥石环边对储层的影响，E.D.Pittman[1]认为等厚连续的绿泥石黏土包壳可以抑制碎屑石英的成核作用，从而抑制石英次生加大；S.N.Ehrenberg[2]将挪威陆棚砂岩深埋藏条件下异常高孔的保存机理归因于包膜绿泥石；朱平等[3]研究了绿泥石在碎屑岩中的各种赋存状态并探讨了绿泥石在储集岩孔隙保护和演化中所起的积极作用；黄思静等[4]通过对中国三叠系陆相砂岩中绿泥石的形成机制及其与孔隙保存关系的研究，也充分肯定了绿泥石环边对储层孔隙的保护作用。前人尚无针对西湖凹陷花港组砂岩储层中绿泥石环边的研究，其成因及意义尚不明确，本文试图论证花港组绿泥石环边的成因及演化，并探讨其对花港组低孔低渗储层的意义，为寻找优质储层和油气勘探提供依据。

1 绿泥石环边的成因

1.1 沉积条件

国外研究认为自生绿泥石多形成于海相砂岩中[2,4]，而黄思静等[5]研究认为中国中新生代湖泊可能不是真正的淡水湖泊，或多或少具有一定的盐度，湖泊三角洲砂岩中的自生绿泥石与海相砂岩具有类似的成因，其大量存在指示陆相三角洲前缘的推进。另外，公繁浩等[6]研究认为中国内陆湖盆陆相砂岩发育绿泥石胶结的时期均经历过不同程度的咸化，导致后期沉积物处于碱性的成岩环境，能为绿泥石胶结物的形成提供有利环境。花港组沉积时期，西湖凹陷为陆相湖盆环境，发育绿泥石胶结说明此阶段西湖凹陷可能也经历过一定程度的咸化，导致砂岩埋藏后处于碱性成岩环境，为绿泥石环边形成提供了条件。

花港组储层中的绿泥石环边都发育在三角洲前缘水下分流河道砂岩中。由于水下分流河道砂岩沉积时水动力较强，沉积下来的砂岩粒度较粗，粒间原始孔隙发育，强水动力搅动下极细的黏土无法沉淀，在碎屑颗粒表面吸附，逐渐形成等厚环边。如果水动力较弱，黏土会直接沉淀在孔隙中形成杂基。另外，三角洲水下分流河道处于河水和湖水交汇处，两种水介质中的电解质、胶体性质的差异，容易使得陆源黏土以吸附方式附着于碎屑颗粒表面形成黏土膜[6]。因此，从沉积条件分析，三角洲前缘水下分流河道较强的水动力条件和河湖过渡咸化环境是西湖凹陷花港组储层形成绿泥石环边的重要条件。

1.2 形成时间

扫描电镜观察发现，花港组绿泥石环边垂直于颗粒表面生长且近于等厚，并具有双层结构(图2-A,B)，里层包裹碎屑颗粒的绿泥石自形程度低且致密，外层靠近孔隙的绿泥石自形程度高，呈针叶状。里层绿泥石是在强水动力环境下极细的黏土无法沉淀而吸附在颗粒表面，后期在富铁离子流体作用下绿泥石化而成，因此是同沉积阶段形成的黏土在埋藏后转化的产物。而外层绿泥石晶形好，呈针叶状围绕里层绿泥石向孔隙生长，是埋藏成岩阶段的产物。

被绿泥石环边包裹的岩石颗粒接触强度较低，多为点-线接触，原生孔隙保存较好(图2-B,C;图3)，表明绿泥石环边在成岩较早阶段已经形成；同时，扫描电镜还可以观察到绿泥石环边包裹的颗粒溶蚀形成粒内溶孔(图2-D,E,F)，甚至颗粒溶蚀殆尽，只剩下绿泥石外壳，充分说明绿泥石环边形成时间早于溶蚀作用。另外，绿泥石环边与岩石颗粒之间无其他先期胶结物(图2-A,B,C)，而在相邻不发育绿泥石环边的储层中，石英次生加大边最早发育，绿泥石环边形成时间早于石英次生加大边。流体包裹体均一温度测定结果表明，石英次生加大边形成的温度最早为110 ℃左右(表1)。综合上述分析，绿泥石环边在中成岩阶段A期早期或之前的早成岩阶段就已形成，这对于保存原生孔和促进溶蚀作用至关重要。

表1 西湖凹陷花港组石英加大边盐水包裹体均一温度Table 1 Homogeneous temperature of fluid inclusions in secondary concrescence of quartz edges, Huagang Formation, Xihu sag

1.3 铁离子来源

自生绿泥石的形成需要富铁环境[7-9]，从表2可以看出，花港组绿泥石环边富铁，Fe2O3质量分数(w)多在10%以上。一般认为铁离子的来源可能有以下几种[10-11]：①邻层泥岩中的铁离子随压实水灌入储层；②河流中的溶解铁；③黑云母水解产生的铁离子；④同期沉积的富铁沉积物，以火山碎屑或火山凝灰质沉淀为主。

如果是邻层泥岩中的含铁物质沉积后向储层挤入，在随后的成岩演化中形成绿泥石包裹砂岩颗粒，必然富集在储层段上下靠近泥岩层段；而花港组储层中的绿泥石并不遵循这一分布特征，故可排除这一可能。花港组沉积时期西湖凹陷为陆相湖盆，三角洲进入湖泊后水体盐度改变不大，河流中的溶解铁不可能产生大量絮凝沉淀，为形成绿泥石提供铁离子，这一来源也不可能。岩矿分析结果显示，花港组砂岩中基本不含黑云母矿物，也就不存在黑云母水解提供铁离子。而花港组砂岩中含有大量火山岩碎屑，其在溶蚀过程中会产生大量铁离子；同时薄片观察发现绿泥石发育的孔隙中可见残余凝灰质填隙物(图3-C,D)，火山碎屑和火山凝灰质物质为绿泥石环边的形成提供了丰富的铁离子。由此推断，西湖凹陷花港组绿泥石环边铁离子来源于沉积的火山岩屑和火山凝灰质蚀变。

图2 发育绿泥石环边砂岩的扫描电镜照片Fig.2 SEM images showing sandstones with chlorite rims(A)B-2井，深度3 742 m，绿泥石环边分布在颗粒表面，近于等厚且具有双层结构，黄色箭头所指为里层，自形程度低且较致密，红色箭头所指为外层，自形程度高，呈针叶状，保存原生孔隙; (B)A-1井，深度3 464.3 m，绿泥石环边分布在颗粒表面，近于等厚且具有双层结构，黄色箭头所指为里层，红色箭头所指为外层，保存原生孔隙; (C)B-1井，深度3 755 m，绿泥石环边发育，原生孔隙保存较好; (D)D-1井，深度4 324.8 m，被绿泥石环边包裹的长石颗粒被溶蚀，形成粒内孔，上部见三角形原生孔; (E)B-1井，深度3 798 m，被绿泥石环边包裹的长石颗粒被溶蚀，形成粒内孔; (F)B-2井，深度3 778 m， 被绿泥石环边包裹的长石颗粒被溶蚀，包裹长石的绿泥石环边仍保持其颗粒外形。Chl.自生绿泥石; Q.碎屑石英; F.碎屑长石

井号样品深度/mw/%MgOAl2O3SiO2K2OFe2O3A-13824.910.5613.2063.781.1411.31A-13825.319.2314.0254.000.0012.75B-23771.214.8216.0653.361.7913.97B-23775.212.4414.9150.491.3720.79D-14332.133.4717.2328.381.7019.22D-14338.46.588.5172.390.0012.51

2 绿泥石环边形成模式

通过对绿泥石环边的成因分析，提出了西湖凹陷花港组储层绿泥石环边的形成模式(图4)，可划分为4个阶段。

阶段Ⅰ为同沉积黏土微粒在颗粒表面吸附阶段。在强水动力条件下形成的水下分流河道砂岩中，极细的黏土由于无法沉淀而在碎屑颗粒表面吸附，逐渐形成等厚黏土环边。

阶段Ⅱ为黏土环边的绿泥石化阶段。碎屑颗粒沉积埋藏之后，受压实作用影响，颗粒之间相互以点接触，在后期富铁孔隙流体的作用下，颗粒表面的黏土环边发生绿泥石化，形成里层的绿泥石环边。

阶段Ⅲ为外层绿泥石环边生长阶段。成岩过程中铁离子持续供给，后期形成的绿泥石会在里层环边表面吸附，形成晶形较好的针叶状晶体，也就是外层绿泥石环边。由于外层绿泥石环边占据的粒间孔隙有限，对孔隙破坏并不大；但由于隔断了碎屑石英颗粒与孔隙流体的接触，反而抑制了石英加大边的形成。

阶段Ⅳ为绿泥石环边形成后改造阶段。随着成岩演化的深入，成岩环境变为弱碱性，钾长石也可以通过水-岩反应溶蚀形成绒球状绿泥石集合体和石英晶体充填在孔隙中，钾长石溶蚀后，常见包裹钾长石颗粒的绿泥石环边依然被保留。

3 绿泥石环边对储层的意义

关于绿泥石环边对储层的影响一直以来争议颇多，多数学者认为绿泥石环边能够有效保护砂岩孔隙[1-5]，也有部分学者认为绿泥石环边对砂岩孔隙的保护有限[12]。笔者选取只发育环边状绿泥石的X射线衍射分析样品，分析绿泥石含量与铸体薄片在显微镜下面孔率的关系，得出西湖凹陷花港组绿泥石含量与原生孔和次生孔含量均有明显的正相关关系(图5)，认为绿泥石环边不仅对西湖凹陷花港组储层的储集物性有积极的改善作用，而且对改善储层孔喉结构和促进油气成藏也有重要贡献。

3.1 绿泥石环边能缓解压实作用

发育绿泥石环边的砂岩具有较低的颗粒接触强度，多数为点-线接触，而相近埋深下不发育绿泥石环边的砂岩多为线-凹凸接触，绿泥石环边可以很好的缓解后期的压实作用。砂岩能保持点-线接触关系，说明绿泥石环边在成岩较早阶段就能抑制压实作用。原因在于绿泥石包裹固结在碎屑颗粒表面以后，阻碍了颗粒受压实作用而发生位移和塑性变形，使得颗粒间的原生孔隙能够得到有效的保存，再加上发育绿泥石环边的砂岩形成时水动力强，初始孔隙含量较高，因此，与不发育绿泥石环边的砂岩相比具有更高的剩余原生孔隙度(表3)。

图5 绿泥石环边含量与孔隙的关系Fig.5 Relation between contents of chlorite rims and pores

3.2 绿泥石环边能抑制胶结物充填孔隙

绿泥石环边对胶结物的抑制，最主要体现在对石英次生加大的抑制，原理是其包裹碎屑石英颗粒，阻止了富含SiO2的孔隙流体在碎屑石英颗粒表面成核，进而阻止形成次生加大边[11]。同时绿泥石环边极大地降低了石英颗粒间的接触面积，能有效抑制压溶作用的发生，压溶的石英会以某种方式沉淀在孔隙中，绿泥石环边因此减少了自生石英晶体沉淀的物质供给，自生石英晶体仅在绿泥石环边薄弱处少量发育(图3-B)。在这种既抑制了石英次生加大边又减少了自生石英充填的双重保护下，使得孔隙得以保存。

表3 西湖凹陷花港组储层铸体薄片图像分析面孔率Table 3 Area porosities obtained from microscopy image analysis of casting thin sections for Huagang Formation reservoir in Xihu sag

薄片及扫描电镜观察发现，早期绿泥石环边包裹的孔隙中后期形成的其他胶结物含量也很少(图2-A,B,C;图3-A,B)，基本不发育碳酸盐胶结物。从X射线衍射黏土矿物含量分析可以看出，绿泥石与伊利石含量呈明显的负相关关系(图6)。自生伊利石的大量存在会严重降低储层渗透性，绿泥石能有效地抑制自生伊利石在孔隙中的沉淀，这对改善储层渗透性也有积极意义。

图6 绿泥石含量与伊利石含量相关性Fig.6 Relation between chlorite and illite contents

3.3 绿泥石环边能促进后期溶蚀作用

酸性流体进入储层需要渗流通道，如果原生孔隙未受保存，储层缺少渗流通道而难以被酸性流体溶蚀改造形成次生孔隙。但在原生孔发育的绿泥石环边储层中，酸性流体可以顺利通过原生粒间孔及绿泥石晶间孔进入储层，对长石等碎屑颗粒进行溶蚀并形成次生孔隙。铸体薄片显微镜下观察发现，受绿泥石环边保护的储层，溶蚀强度大，次生孔隙发育，常见长石被完全溶蚀只残留绿泥石外壳的现象(图2-D,E,F)。面孔率统计结果表明不仅原生孔面孔率高，也具有较高的次生孔面孔率(表3)。图5也充分说明了绿泥石含量与次生溶孔发育的正相关关系。

3.4 绿泥石环边能形成好的孔喉结构

图7 花港组储层典型孔喉半径分布及压汞曲线特征对比Fig.7 Typical pore throat distribution and mercury injection curve of Huagang Formation红色曲线为发育绿泥石环边砂岩样品,蓝色曲线为不发育绿泥石环边砂岩样品

刘金库等[13]通过对川中-川南过渡带包界地区须家河组储层的研究，认为发育绿泥石环边胶结物的砂岩储层保存了大量的剩余粒间孔，喉道类型以缩颈型喉道为主，该孔喉组合可形成大孔粗喉型孔喉结构。同样，西湖凹陷花港组发育绿泥石环边的砂岩，其孔喉结构明显好于不发育绿泥石环边的砂岩。选取埋深相近的2种类型砂岩孔喉半径分布曲线和压汞曲线进行对比(图7)，可以看出发育绿泥石环边的砂岩孔喉分选好，分布呈“单峰态”，歪度粗，孔喉连通性好，因此排驱压力和中值压力均低，压汞曲线表现出具有明显低缓的平台；而不发育绿泥石环边的砂岩孔喉分选差且细喉道多，排驱压力和中值压力均较高。绿泥石环边对储层孔喉结构的改善，原因在于其有效缓解了储层在深埋藏条件下的压实强度，岩石颗粒能保持点-线或者线接触类型且后期不发育石英加大边及伊利石等胶结物。虽然绿泥石本身作为胶结物会占据部分孔喉，但相对于相同埋深条件下压实作用以及石英加大边和伊利石对孔喉的破坏而言，绿泥石对孔喉的负面影响明显较小，并且保存下来的原生孔隙大多形成缩颈型喉道，喉道宽度大且迂曲度低，有利于油气渗流。而无绿泥石环边的储层，岩石颗粒多为凹凸接触，同时存在石英加大边及伊利石占据喉道，喉道类型多为弯片状和管束状，喉道宽度窄且迂曲度高，不利于油气渗流。

3.5 绿泥石环边能提高油气充注程度

岩石骨架颗粒中石英、长石都是亲水矿物，在油气充注的过程中会阻碍油气进入孔隙；而自生绿泥石具有相对高铁低镁的特点，有很强的表面能，是一种亲油的黏土矿物，岩石颗粒表面被绿泥石包裹，砂岩由亲水性变为亲油性，这对油气的充注过程起到积极作用[6,14]。油气成藏分析表明，花港组储层油气主充注期发生在中成岩阶段A期后期，充注时间晚于绿泥石环边形成时间。绿泥石环边对油气充注起到双重的积极作用，一方面，保存的原生孔隙为油气进入储层提供渗流通道，另一方面，储层变为亲油性，降低油气充注的阻力。因此，绿泥石环边胶结是促进花港组储层油气成藏的重要因素之一。

4 实例分析

西湖凹陷B气田花港组主要含气层段埋深gt;3.5 km，储层沉积微相为水下分流河道，储层总体低孔低渗，发育绿泥石环边的优质储层段不仅物性和孔喉结构好而且含气饱和度高，测试产能高；而不发育绿泥石环边的储层，物性和孔喉结构差且含气饱和度较低，测试产能低(表4)。B-1井H3-1和H3-2测试层发育绿泥石环边，平均孔隙度分别为11.8%和13.1%，平均渗透率分别为4.07×10-3μm2和8.16×10-3μm2，含气饱和度均为gt;70%，测试日产天然气39×104m3和54×104m3。B-3井H2-1测试层不发育绿泥石环边，平均孔隙度为9.3%，渗透率为0.40×10-3μm2，含气饱和度为48.4%，测试日产天然气仅有0.65×104m3。B-2井H5-1测试层也不发育绿泥石环边，平均孔隙度为7.3%，渗透率为0.25×10-3μm2，含气饱和度为56.8%，测试日产天然气也仅为5×104m3(表4、图8)。

表4 西湖凹陷B气田含气饱和度与绿泥石发育的关系Table 4 Relation of gas saturation, tested productivities and chlorite rims, for gas field B in Xihu sag

图8 西湖凹陷B气田绿泥石环边发育情况与测试产能的关系Fig.8 Relation between tested hydrocarbon productivities and chlorite rims for gas field B in Xihu sag

5 结 论

a.西湖凹陷花港组绿泥石环边发育在代表高能环境的三角洲前缘水下分流河道，由同沉积的黏土包裹于碎屑颗粒表面，在后期富铁流体的影响下绿泥石化而成。

b.绿泥石环边形成于溶蚀作用和石英次生加大发生之前的成岩阶段，维持了颗粒间的点-线接触关系，缓解压实作用对粒间原生孔隙的破坏，为后期酸性流体对储层进行溶蚀改造提供渗流通道，促进次生孔隙的发育，也抑制了石英次生加大边和自生伊利石等破坏性胶结物的形成，有效保护了原生孔和次生溶孔。

c.绿泥石环边能使储层形成较好的孔喉结构，具有较低的排驱压力和中值压力，并能通过改变颗粒表面的润湿性使储层变为亲油，利于油气成藏。

d.绿泥石环边是西湖凹陷花港组深层形成优质储层的重要因素，对寻找优质储层和指导油气勘探具有重要意义。

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GenesisofchloriterimsanditssignificancetolowporosityandlowpermeabilitysandstonereservoirofHuagangFormationinnorthcentralXihusag,EastSeaofChina

ZHONG Tao, CAO Bing, LIU Jinshui, GAO Hongyan, LIU Chuangxin

ShanghaiBranchofCNOOCCo.Ltd.,Shanghai200335,China

Sandstone reservoir of Oligocene Huagang Formation in north central Xihu sag is characterized by low porosity and low permeability with good physical property and its high-quality reservoir with high tested productivities attributes to the development of chlorite rims in the sandstones. Based on the study of casting thin sections, SEM, X-ray diffraction and quartz fluid inclusion, the genesis of chlorite rims is determined and its significance to the reservoir is discussed. It reveals that the innermost layer of chlorite rims is formed by clay particles unable to precipitate surrounding clastic grains, influenced by ferric ions in later digenesis，and the outer layer of the rims surrounded the inner layer and resulted from continuous supply of ferric ion from volcanic debris and volcanic tuff. Chlorite rims are formed before dissolution and quartz overgrowth, so the rims can not only relieve subsequent compaction and restrain cementation, but also protect primary pores and promote later dissolution. In addition, chlorite rims plays a role in the formation of favorable pore throat structure and in the improvement of oil and gas saturation. Therefore, the occurrence of chlorite rims is an important factor for the development of high quality reservoirs. The study of chlorite rims in sandstones can promote the exploration of oil and gas.

Xihu sag; Huagang Formation; low porosity and low permeability reservoir; chlorite rims; high-quality reservoir

TE122.24; P588.212.3

A

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.06.08

1671-9727(2017)06-0708-09

2017-03-29。

“十三五”国家科技重大专项(2016ZX05027-003)。

钟韬(1983-)，男，硕士，工程师，从事石油天然气地质综合研究, E-mail:zhongtao@cnooc.com.cn。