川西拗陷须家河组第四段致密砂岩高岭石及其对储层物性的影响

王亚男, 林良彪, 余 瑜, 李晔寒, 郭 炎, 邓小亮

(油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059)

川西拗陷上三叠统须家河组(T3x)是典型的低孔、低渗、高含水饱和度的致密砂岩储层，前人对该致密砂岩油气藏已经进行了40余年的详细研究，在层序格架特征[1]、沉积相划分[2]、砂体展布[3-4]、储层类型、储层成因与分布[5-6]等方面均取得了较为深入的认识。王允诚等[7]认为川西拗陷须家河组砂岩储层致密化的根本原因是复杂而强烈的成岩作用，而盆地长期受到挤压则使得储层更为致密。现今学者们的研究重点主要为如何在普遍低孔隙度、低渗透率的储层中寻找到物性相对较好的“优质储层”。

高岭石是出现在致密砂岩储层孔隙喉道中的一种常见黏土矿物，前人普遍认为高岭石的发育程度和分布特征对储层物性和油气聚集有重要影响[8-10]。本文通过对研究区27口钻井铸体薄片镜下观察，结合扫描电镜、黏土矿物X射线衍射、物性分析、压汞测试等手段对须家河组第四段(简称“须四段”)致密砂岩高岭石矿物发育特征进行研究，讨论自生高岭石的形成条件和成因机理，分析自生高岭石对致密砂岩储层物性的影响，以期对该地区的油气勘探有指导作用。

1 区域地质背景

川西拗陷(也称川西前陆盆地)地处四川盆地西部的龙门山前缘地带，呈北东-南西向展布。研究区位于川西拗陷中段，东至中江斜坡，西临龙门山冲断带，南至大邑-成都一带，北达安县-绵阳一带，面积约为 10 570.159 km2[11](图1)。在经历了早期的被动大陆边缘盆地、印支期的局限盆地、燕山期的类前陆盆地和喜马拉雅期的构造残余盆地演化之后，形成了现今“三带两拗一斜坡”的构造格局，即：龙门山前构造带、新场构造带、龙泉山构造带3个隆起区，被隆起区隔开的成都凹陷、梓潼凹陷以及中江斜坡[11-13]。

四川盆地须家河组为一套呈簸箕状分布、西厚东薄的以砂岩、泥岩为主的煤系地层[11]，须四段主要发育灰黄色厚层块状细砂岩、中砂岩夹灰黑色薄层状页岩[3]。根据岩性组合特征可分为3个亚段，各个亚段的埋藏深度随着研究区位置的不同存在一定差异，一般龙门山前缘地区较浅、新场-丰谷地区较深。前人对川西拗陷须四段埋藏演化史进行了详细研究[14]，认为晚三叠世末期须四段埋深在1.6 km左右，后因三叠纪与侏罗纪之交的地壳运动抬升了近600 m；随着埋藏作用的不断进行，须四段的历史最大埋深达5.2 km；现今须四段的埋藏深度稳定在3～5 km。

2 高岭石发育与分布特征

2.1 高岭石的发育特征

根据成因的不同高岭石可分为陆源碎屑高岭石和自生高岭石2种，本文以自生高岭石为研究对象。

在铸体薄片中，须四段自生高岭石多以蠕虫状散布充填于粒间溶孔中(图2-A、B)，在扫描电镜下，自生高岭石则呈片状、书页状集合体填充于粒间孔隙之中(图2-D、E、F)，并伴生丝片状伊利石(图2-D、E)；须四段砂岩储层存在2种重要的孔隙类型：铸体薄片中多见自生高岭石充填的粒间溶蚀微孔(图2-A、B)，扫描电镜下可见充填于粒间孔中的书页状高岭石保存了大量晶间孔(图2-F)；铸体薄片中还可观察到部分石英颗粒的次生加大和长石颗粒表面的强烈溶蚀(图2-A、B、C)。

2.2 高岭石的分布特征

由于在碎屑岩的成岩过程中长石向黏土矿物的转化，以及高岭石、伊利石等黏土矿物之间的相互转化对储层物性具有一定影响[8]，因此探究它们在纵向上的分布规律具有重要意义。

川西拗陷须四段22口钻井48件样品的全岩、黏土矿物X射线衍射测试结果显示，部分样品发育高岭石，平均质量分数(w)为11.95%，在深度为3～3.8 km的须四段中上部高岭石平均质量分数高达20.11%；当深度>3.8 km时高岭石含量急剧下降，平均质量分数仅为2.29%。样品中长石的质量分数为0.1%～13%，平均为3.53%，其中须四段中上部长石平均质量分数为2.03%，随着深度的增加在须四段中下部升高至6.62%。样品中伊利石的平均质量分数为49.3%，与深度呈明显正相关关系(表1、图3)。

图1 研究区位置图Fig.1 The location of the study area(据孟昊等[11])

3 自生高岭石与次生孔隙的形成机制

3.1 自生高岭石的形成机制

3.1.1 Al3+的来源

长石等铝硅酸盐矿物的溶蚀为自生高岭石的形成提供了Al3+，长石的溶蚀具有先后次序----偏基性的斜长石优先发生溶蚀作用，偏酸性的斜长石后发生溶蚀作用；而碱性长石如钾长石，由于在热力学上具有相对稳定性，其溶解介质为有机质成熟后形成的有机酸，因此多于中成岩A期发生溶蚀[8]。

以下地质现象证明研究区须四段致密砂岩储层中自生高岭石是长石的溶蚀产物：①自生高岭石的出现常伴随着长石的溶蚀(图2-A)，薄片中可见高岭石粒间溶蚀微孔(图2-A、B)，扫描电镜中晶形较好的高岭石占据了粒间孔隙并与伊利石相伴生(图2-D、F)，高岭石的产出也伴随着石英的次生加大(图2-C)。②图3显示，高岭石发育的地层中长石、伊利石的发育程度不好，单井数据也显示出自生高岭石与长石的含量具有明显的消长关系，如长石含量极低的川合139井样品具有相当高的高岭石含量，而长石含量较高的新场27井样品高岭石含量却很低(图4)。③刘四兵等[15]发现研究区须四段长石的溶解主要发生在其顶部靠近须五段泥岩层的部分，阴极发光分析结果显示须四段储层原始长石的质量分数可达5%以上，认为其顶部应有5%左右的长石被完全溶解。

图2 须四段储层高岭石显微照片Fig.2 Microphotographs showing kaolinite of the T3x4 reservoir(A)蠕虫状高岭石，部分长石表面溶蚀强烈，可见自生高岭石粒间溶蚀微孔，鸭3井，深度3 426.20 m, 50×，单偏光; (B)自生高岭石呈斑块状分布，粒间溶蚀孔隙以自生高岭石充填的粒间溶蚀微孔为主，川绵39井，深度3 016.60 m, 50×，单偏光; (C)石英次生加大，高岭石集合体充填于粒间孔隙中，片状高岭石被溶蚀发生蚀变，金深1井，深度3 275.22 m; (D)高岭石集合体充填于粒间孔隙中，片状高岭石晶体被溶蚀，颗粒表面附着片丝状伊利石，金深1井，深度3 278.50 m; (E)片状高岭石晶体及片丝状伊利石附着于颗粒表面，充填于颗粒之间，见个别次生溶蚀微孔隙，金深1井，深度3 267.32 m; (F)充填于粒间孔中的书页状高岭石集合体，高岭石晶形完好，表面附着毛发状伊利石，新11井，深度3 446.37 m

图3 伊利石、高岭石、长石的矿物含量随深度变化关系图Fig.3 Diagrams showing the content variation of kaolinite, feldspar and illite with the depth

3.1.2 溶解介质的来源与机制

造成铝硅酸盐矿物溶蚀的酸性流体的来源包括与隆升暴露有关的大气淡水淋滤、改变底层流体环境的煤系地层酸性水和来自烃源岩的有机酸3种[9,16-18]，反应方程式如下[8]

表1 川西拗陷须四段X射线衍射分析结果Table 1 X-ray diffraction analysis of the T3x4 in west Sichuan Depression

图4 长石和自生高岭石在井位中的对应关系直方图Fig.4 Histogram showing the corresponding relations between feldspar and kaolinite for different wells

(1)

(2)

(3)

当地温超过120～140℃时认为该地层已基本处于封闭状态，此时若钾长石溶解，产生的K+不能被流体带走，自生高岭石能够通过这种本地K+来源再次发生向伊利石转化的反应，反应方程式如下[8]

(4)

前人研究表明，川西地区的地温梯度为20～30 ℃/km[14]，若沉积之时地表温度为20 ℃，则现今埋藏深度3.8 km处的温度为(20×3.8+20)～(30×3.8+20)=96～134℃，须四段深度>3.8 km的地层达到了高岭石向伊利石转化的驱动温度。

经铸体薄片、扫描电镜观察以及X射线衍射分析并结合构造埋藏史和前人研究成果[8-10,14]，认为研究区须四段共经历了2期长石的溶蚀。

第一期溶蚀发生于同生到埋藏成岩作用初期，须四段长石的溶解介质为由构造隆升接触的大气淡水和临近煤系地层的酸性水，长石的溶蚀主要集中在须四段中上部，钙长石先溶蚀为高岭石，钾长石则保存下来。在这一阶段，须四段顶部由于温度的不足和临近泥岩的有机酸性流体抑制了高岭石的伊利石化反应，而当达到理想驱动温度时则由于早期开放-半开放的成岩环境造成K+的逃逸，使得高岭石的伊利石化作用有限[13]，因此须四上亚段高岭石含量较高，伊利石、长石发育不足。

第二期溶蚀发生于有机质成熟度较高的中成岩阶段，来自烃源岩有机酸性流体的进入使得钾长石发生溶蚀。由于此时具有封闭-半封闭的成岩环境和合适的驱动温度，由长石溶解生成的高岭石几乎全部转化为伊利石[8]，因此须四段中下部高岭石含量较低而伊利石、长石较发育。

3.2 须四段次生孔隙的形成机制

虽然上述两期溶蚀作用均可产生次生孔隙，但在孔隙的形成机制方面却有一定差别(图5)：第一期溶蚀作用形成的次生孔隙极易随着埋深的增大、成岩作用的增强而难以保存，不过由于须四段中上部发育了大量的高岭石，高岭石的晶间微孔能够在一定程度上保持储层的孔隙度。第二期溶蚀作用由于发生时间较晚，所产生的孔隙一般可以有效保存，但片丝状伊利石的产出对储层孔隙的发育则会起到消极作用。

4 高岭石对储层物性的影响

须四段致密砂岩储层主要的储集空间为次生孔隙(粒间、粒内溶孔)和晶间孔(高岭石晶间孔)，铸体薄片统计结果显示须四段平均面孔率在5.2%左右，其中包含4.0%的次生孔隙和1.1%的晶间孔。研究区须四段孔渗分布频率直方图显示(图6)，须四段储层孔隙度(q)最小值0.51%，最大值13.6%，平均孔隙度为5.56%，孔隙度为4%～8%的样品占总样品的55.47%，须四段样品的孔隙度优于整个须家河组平均水平(4.77%[19])；须四段储层渗透率(K)最小为0.001×10-3μm2，最大为0.099×10-3μm2，平均为0.042×10-3μm2。从研究区须四段孔渗与深度变化关系图可以发现(图7)，须四段孔隙度与深度具有明显的负相关性，整体上孔隙度随着埋藏深度的增加而降低，而渗透率与深度不具有明显的相关性。

通过对比含高岭石与不含高岭石样品孔渗关系，能够明确高岭石的发育对储层物性的影响(图8)。含高岭石样品的孔隙度平均为6.3%，渗透率中位数为0.076×10-3μm2(排除部分裂缝较大的样品)；不含高岭石的样品孔隙度平均为3.36%，渗透率中位数为0.052 4×10-3μm2(排除部分裂缝较大的样品)。从数据点的分布情况可以发现，虽然高岭石的发育保持了储层的孔隙度，但在改善储层渗透率方面没有起到太大作用。

为了进一步探究高岭石的发育与储层渗透率的关系，笔者对比了川罗562井(发育高岭石)和川孝93井(不发育高岭石)两组孔隙度相近的压汞曲线(图9)，结果显示：在孔隙度相近的情况下，不含高岭石样品的压汞曲线更平直，孔喉的分选、连通性更好。产生这一现象的原因可能有以下几方面：①晶间微孔在须四段总面孔率中占21%左右，高岭石晶间微孔(图2-F)的直径普遍小于10 μm，甚至小于5 μm，在增加储层孔隙度的同时也使得孔喉半径普遍较小且分选差；②须四段高岭石多呈片状、书页状堆积，这种产状的高岭石与基质附着力小且层间结合力弱，在流体的冲刷下容易分散运移造成喉道的堵塞[20]；③伊利石的含量与储层物性呈负相关，须四段发育的片丝状伊利石阻碍了孔喉的连通，降低了储层的渗透率[20]。

图5 须四段次生孔隙形成机制Fig.5 Diagram showing formation mechanism of secondary pores in the T3x4

图7 须四段孔隙度、渗透率随深度变化关系图Fig.7 Diagram demonstrating the variation of porosity and permeability in T3x4 with depth

图8 含/不含高岭石样品孔渗关系对比图Fig.8 Comparison of pore and permeability relationship of kaolinite-bearing samples and kaolinite free samples

图9 须四段压汞图Fig.9 Capillary curve of T3x4

综上所述，虽然自生高岭石的发育对保持川西拗陷须四段致密砂岩储层孔隙度起到了一定作用，但高岭石及其伴生矿物伊利石也导致了孔喉的分选、连通性变差，降低了储层渗透率，总体上不利于储层物性的提高。

5 结 论

a.川西拗陷须家河组第四段高岭石在铸体薄片中呈蠕虫状充填于砂岩颗粒间，孔隙类型为高岭石粒间溶孔；扫描电镜下呈六方片状单晶或书页状集合体，单晶多伴生片丝状伊利石，集合体见大量晶间微孔；须四段高岭石集中发育在深度<3.8 km的须四段中上部。

b.研究区须四段经历了分别发生在早、中成岩阶段的2期长石的溶蚀，第一期溶蚀作用的溶解介质为大气淡水和煤系地层酸性水，溶蚀产物高岭石保存，在溶蚀过程中形成的次生孔隙会随着成岩、埋藏作用的不断进行逐渐消失；第二期溶蚀作用的溶解介质为有机质酸性流体，并且随着埋深和温度的增加部分高岭石进一步生成了伊利石，该期溶蚀作用产生的次生孔隙虽可以有效保存，但由于成岩环境的封闭性，反应生成的高岭石、伊利石会占据储集空间，不利于储层孔隙的发育。

c.孔渗和压汞资料的分析结果表明，高岭石的发育虽然在一定程度上提高了储层孔隙度，但同样由于高岭石及其伴生矿物伊利石对孔隙喉道的堵塞降低了渗透率，因此，自生高岭石的发育对川西拗陷须四段致密砂岩储层的储集性能产生负面影响。