自生绿泥石对碎屑岩储层物性影响的研究现状

刘定坤 李圣 卿元华

摘要：自生绿泥石是碎屑岩储层中常见的粘土矿物，对储层物性的影响较大。通过对前人的研究成果进行总结归纳，包括自生绿泥石形成的物质条件、微观赋存状态、形成时间与世代、与储层物性的关系等。主要结论有：（1）自生绿泥石形成于富铁镁、高孔、高渗的沉积环境，广泛分布于滨岸、三角洲以及河流环境中;（2）自生绿泥石主要有3种赋存状態，分别为颗粒包膜、孔隙衬里和孔隙充填，形成的先后顺序大致为包膜→衬里→充填;

（3）自生绿泥石对储层物性的影响具有两面性，主要取决于绿泥石的厚度及连续性、形成时间及产状、碎屑颗粒结构、岩屑类型及含量等方面。对储层最具建设性意义的是厚度适中、连续性好的孔隙衬里绿泥石。

关键词：砂岩储层;自生绿泥石;形成条件;赋存状态;两面性影响

1.引言

自生绿泥石是碎屑岩储集层中一种重要的成岩矿物，其对储层物性具有控制作用已成为一种共识[1-2]。自生绿泥石与储层物性关系的研究始于20世纪50年代，Heald（1950）在研究西弗吉尼亚砂岩中自生矿物时，注意到围绕碎屑颗粒或石英次生加大生长的自生绿泥石环边，并指出该种绿泥石来源于初始沉积物[3]。20世纪中后期，国内外对储层中自生绿泥石的研究侧重于现象的描述。国内外学者对绿泥石的产出状态、对储层物性的影响做了详细的研究[4-6]。进入21世纪后，伴随勘探技术和实验方法的进步，尤其是致密砂岩油气勘探所占比例的大幅增加，自生绿泥石对储层的影响越来越引起重视。采用绿泥石与砂岩或储层为关键词进行检索，国内外学者近十几年的发文总量是20世纪的近两倍，研究主要侧重于自生绿泥石的物质来源[7-8]、不同产状绿泥石的形成机理[9]、与石英次生加大的关系[5，10]、对储层物性影响的定量化[10-11]等方面。

2.自生绿泥石的形成机制

自生绿泥石的形成受多种因素控制，其中物质基础和沉积环境是两个最重要的因素[12]。首先，铁和镁是自生绿泥石形成的物质基础，其来源有：

（1）河水中溶解的铁离子在含有大量电解质的碱性环境中会产生絮凝沉淀，可提供绿泥石形成所需的铁[13]。（2）黑云母、角闪石以及部分火山岩岩屑在成岩过程中蚀变和水解可产生大量铁[14];（3）泥岩的压实脱水[15];（4）外来物质的层间流入[16]。其次，自生绿泥石的形成需要一个有利于溶解物质带入与带出的相对高孔、高渗、开放的体系沉积和碱性的成岩环境[17-19]。因此，自生绿泥石主要发育在河流、三角洲和滨岸等环境[20]。最后，在满足上述两个条件的情况下，自生绿泥石主要通过以下方式形成：（1）成岩早期或晚期，由孔隙流体直接沉淀;（2）高岭石、蒙脱石和伊利石在富镁、铁的还原条件下的转变[21];（3）碎屑物质的交代。

3.自生绿泥石的产出状态

自生绿泥石在砂岩储层中主要有3种赋存状态[22-26，28]：（1）颗粒包膜。晶体呈针状、片状或蜂窝状，以薄膜的形式垂直颗粒表面生长并包裹整个颗粒，厚度通常不足1μm，在颗粒接触处会因挤压而平行于颗粒分布;（2）孔隙衬里。晶体呈针状或竹叶状，垂直于颗粒表面或颗粒包膜呈等厚栉壳状结晶生长，集合体厚约为5μm～10μm;（3）孔隙充填。晶体形态呈绒球状、玫瑰花状或分散片状，不像前两者那样有规律的生长而是呈分散质点的形式分布在孔隙里。三种产出状态中，孔隙衬里最为普遍。

颗粒包膜绿泥石和孔隙衬里绿泥石的区别在于颗粒包膜可生长在颗粒接触处而孔隙衬里则不能，且孔隙衬里晶体较大，较厚。部分学者未将孔隙衬里绿泥石与颗粒包膜绿泥石进行区分，而是把孔隙衬里、绿泥石环边、绿泥石包壳（或包膜）统称为孔隙衬里[4，27]。但鉴于二者形成于不同成岩阶段，笔者认为有必要进行概念上的区分。

4.自生绿泥石的形成时间与世代

自生绿泥石的形成时间可以根据绿泥石与颗粒的空间关系来确定[29]。颗粒包膜绿泥石通常形成于机械压实作用广泛发生之前。而孔隙衬里绿泥石仅存在于孔隙边缘，在骨架颗粒接触处消失，说明其形成晚于主压实作用。前人依据铁、镁离子来源、温度及成因将自生绿泥石划分为三个世代[15，25]：（1）在碱性的孔隙环境中沉淀出的早期绿泥石为第一世代绿泥石，表现为覆盖于颗粒表面或包裹整个颗粒，晶体小而密集且自形程度低、铁含量较高;（2）第二世代自生绿泥石形成温度较第一世代高，主要为孔隙衬里绿泥石，晶体较第一时代大且自形程度高、铁含量较低;（3）第三世代自生绿泥石晶体最大、自形程度最高，主要表现为孔隙充填绿泥石。

5.自生绿泥石对碎屑岩储层物性的影响

自生绿泥石对碎屑岩储层物性的影响具有两面性，建设性主要体现在提高岩石抗压能力、抑制压溶作用、促进溶蚀作用、抑制石英加大等方面;而破坏性为会堵塞吼道。

5.1提高岩石抗压能力

部分学者认为[11，12，23]，自生绿泥石虽占据了部分孔隙空间，但可以抵消一部分上覆地层压力，且相同深度下，发育孔隙衬里绿泥石的砂岩层段比不发育的层段受压实作用影响更弱，颗粒之间更松散，原生孔隙更多。但也有学者持不同观点[30，31，32]，认为自生绿泥石的硬度和密度均较低，抗压实能力有限，发育自生绿泥石的砂岩物性较好主要是由砂体自身特性决定的。

5.2抑制压溶作用

在孔隙衬里绿泥石发育的地方，碎屑颗粒呈缝合线接触的情况较少，因此孔隙衬里能有效地抑制压溶作用[31，32]。

5.3促进溶蚀作用

砂岩中孔隙衬里绿泥石含有大量的晶间孔，可以在深埋条件下为酸性水介质流动提供运移通道，促进后期溶蚀作用进行，形成次生孔隙[23，33]。

5.4抑制石英次生加大

国内外大量的研究和实践表明[1-2，17，27]，孔隙衬里绿泥石的发育对石英次生加大有较强的抑制作用。但其抑制的机理还没有定论，主要有以下几种观点[1，3，23，24，27，32]：（1）早期形成的孔隙衬里绿泥石抑制了砂岩中的石英压溶作用，这在一定程度上限制了SiO2的来源;（2）自生绿泥石的存在和生长占据了自生石英的生长空间;（3）自生绿泥石阻止了自生石英在碎屑石英表面成核;（4）通常发育自生绿泥石的高孔渗、开放、碱性环境不利于自生石英的生长。

5.5堵塞喉道

自生绿泥石作为一种胶结物，它本身的存在就占据了一定的孔隙空间。任何产状的自生绿泥石，当其含量达到一定程度后都会引起孔喉堵塞[10，34]。

6.绿泥石影响储层物性的主要控制因素

总体来说，自生绿泥石对储层物性起何种影响主要取决于绿泥石和砂巖储层本身的性质，包括厚度及连续性、形成时间及产状、碎屑颗粒结构、岩屑类型及含量等方面。

6.1自生绿泥石的厚度及连续性

只有自生绿泥石达到一定厚度且连续分布时，才能有效抑制石英次生加大的成核生长，从而有利于储集空间的保存。然而统计表明[30]，绿泥石膜厚度在5μm～8μm时对孔隙保存具有积极作用，当厚度>8μm时将严重堵塞孔隙喉道，降低储层物性。

6.2自生绿泥石的形成时间及产状

成岩早期形成的绿泥石衬里厚度适中，能抵抗部分压实作用和抑制石英的次生加大，有利于原生孔隙保存;绿泥石包膜的贡献则十分有效;孔隙充填绿泥石往往只堵塞孔喉。而成岩晚期形成的绿泥石对孔隙保存方面起的作用同样极其有限。

6.3碎屑颗粒结构

粗颗粒比细颗粒具有更小的比表面积，覆盖颗粒表面需要较少的绿泥石，进而石英次生加大的抑制能力相对较强，进而有利于孔隙的保存。

6.4岩屑类型以及含量

含铁、镁矿物的岩浆岩岩屑的蚀变和水解是形成绿泥石的重要物质来源之一。但是，当火成岩岩屑含量很高，而石英颗粒含量很低时，压实作用明显较大，则不利于原生孔隙的保存。

7.结论

（1）自生绿泥石形成的两个关键因素为物质来源和沉积环境，其主要分布于具有富含铁镁、高孔、高渗的滨岸相、三角洲相以及河流相砂体中。（2）自生绿泥石在碎屑储层中主要呈颗粒包膜、孔隙衬里、孔隙充填三中微观赋存状态。不同产出状态的自生绿泥石形成于不同成岩阶段：颗粒包膜绿泥石形成于机械压实作用广泛发生之前;孔隙衬里绿泥石形成于主压实作用之后;孔隙充填绿泥石形成一般晚于前两者。（3）自生绿泥石对碎屑岩储层物性的影响具有两面性，主要取决于绿泥石和砂岩储层本身的性质，包括厚度及连续性、形成时间及产状、碎屑颗粒结构、岩屑类型及含量等方面。对储层最具建设性意义的是厚度适中、连续性好的孔隙衬里绿泥石。

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