自生黏土矿物与甜点储层的关系——以涠西南凹陷和文昌A凹陷为例

娄敏， 杨香华， 姚光庆， 姜平

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 200335； 2.中国地质大学资源学院，武汉 430074； 3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，湛江 524057)

0 引言

黏土矿物是含油气盆地砂岩储集层中最重要的填隙物与胶结物，其形成与分布受沉积与成岩两大作用控制[1]。原始的沉积环境会决定原生黏土矿物的组合类型，如在酸性环境中高岭石较发育，碱性环境中伊利石发育，富铁镁的环境中绿泥石较发育等。成岩作用也会影响黏土矿物的发育，如长石的溶蚀会产生自生高岭石等。在一定的温压条件以及水介质环境下，黏土矿物还会发生相互转化。砂岩储层中主要的矿物颗粒是石英和长石，颗粒表面发育绿泥石、伊利石、高岭石以及蒙脱石、伊蒙混层等黏土矿物，这些矿物在沉积岩表面以碎屑和自生两种形式存在，前者主要来源于物源的供给，后者则多来自储层矿物的溶蚀或黏土矿物之间的转变。相比于碎屑黏土，自生黏土对储层的物性影响更为明显。只有对黏土矿物的分布规律有了清楚的认识，才能准确而具体地分析黏土矿物对储层物性、孔隙结构及储集层产能的影响，从而正确评价储层，制定有效的勘探开发措施，提高油气井的产能。

前人对涠西南凹陷流沙港组和文昌A凹陷珠海组低渗储层中甜点储层发育的控制因素进行了较多研究[2-5]，但较少对黏土矿物与甜点的关系进行深入的分析。而黏土矿物对储层物性有较大的影响，是制约低渗储层甜点发育的重要因素之一。本文选取涠西南凹陷10井、11井区流沙港组和文昌A凹陷9井、10井区珠海组储层，通过薄片观察、阴极发光、压汞测试、扫描电镜、X衍射、物性分析等研究，首先认清了研究区黏土矿物的总体特征，然后针对与甜点储层发育有关的黏土矿物进行深入研究，明确了黏土矿物对甜点储层发育的影响，对寻找甜点储层和指导油气勘探具有重要的意义。

1 研究区地质概况

北部湾盆地是南海大陆架西北部的一个以新生代沉积为主的断陷、坳陷叠合盆地。涠西南凹陷位于北部湾盆地北部坳陷(图1(a))，是一个南断北超的箕状半地堑，呈EW向展布，面积约3 800 km2。该凹陷已被证实为富烃凹陷，其中流三段勘探前景好，为主要的目的勘探层系[3]。本次涠西南凹陷具体研究区为北部陡坡带1号断层下降盘的10井、11井区(图1(a))。

珠江口盆地是南海大陆架边缘的大陆边缘张性盆地。文昌A凹陷位于珠江口盆地珠三坳陷东北部(图1(b))，是一个南断北超的箕状凹陷，呈NE—SW向展布，面积约3 350 km2。该凹陷油气资源丰富，珠海组为重要的勘探层系。本次文昌A凹陷具体研究区为珠三南断裂下降盘的9井、10井区(图1(b))。

图1 涠西南凹陷(a)和文昌A凹陷(b)地质简图

2 涠西南凹陷流沙港组黏土矿物与甜点储层的关系

2.1 黏土矿物的发育特征

X衍射(X-ray diffraction,XRD)分析表明，涠西南凹陷流三段储层中黏土矿物以伊利石、高岭石、伊蒙混层为主，同时含有少量绿泥石，不含蒙脱石。其中，伊利石平均相对含量为48.36%，高岭石为22.95%，伊蒙混层为19.98%，绿泥石为8.71%。随着埋深的增加，黏土矿物发生了一系列的转化(图2)。蒙脱石在涠洲组(深度2 000 m附近)已经消失，伊利石和伊蒙混层随深度变化趋势刚好相反，表明存在伊蒙混层向伊利石的转化。砂岩中的黏土矿物与泥岩中的黏土矿物分布也具有一定的差异性。砂岩中高岭石相对含量明显高于泥岩，这与长石等铝硅酸盐溶蚀产生自生高岭石有关。砂岩中伊蒙混层相对含量明显低于泥岩，这可能是热流体加速伊蒙混层向伊利石转化的结果。深度3 000 m以下，砂岩中伊利石含量高，高岭石、伊蒙混层大部分已经向伊利石转化。砂岩中高岭石高值段与孔隙度高值段有较好的对应关系，与甜点储层的发育有着密切关系。

深度800～1 300 m为新近系，1 300～2 100 m为涠洲组，2 100～3 400 m为流沙港组

2.2 黏土矿物与甜点储层的关系

黏土矿物相对含量与物性交会图(图3)显示，高岭石与孔隙度、渗透率有正相关关系，伊利石、绿泥石和伊蒙混层与物性呈负相关关系。通过扫描电镜对研究区黏土矿物观察，进一步分析其产状对储层物性的影响。涠西南凹陷中的伊利石有片状(图4(a),(d))、蜂巢状(图4(b),(e))和丝缕状(图4(c),(f))3种产状，不同产状的伊利石对储层物性的影响不同(表1)。研究区伊利石主要呈瘤状、短纤维状和毛发状产出，伊利石包膜少见，伊利石丝化搭桥现象多见于深层砂体。成岩中晚期的伊利石丝化搭桥，堵塞孔喉并破坏储层的连通性，严重降低储层的渗透率，是深部储层物性变差的重要原因之一。一般认为包壳状绿泥石可以抑制石英加大，抵抗压溶作用，对储层物性有利，但是在研究区绿泥石多呈针叶状、绒球状产出(图5)，绿泥石包壳少见。总体上，高岭石与相对优质储层有关，伊利石、绿泥石对储层物性具有负面影响。

图3 涠西南凹陷流沙港组黏土矿物含量与物性的关系

Q.石英； F.长石; R.岩屑

表1 涠西南凹陷砂岩中伊利石的类型及其对储层的影响

图5 涠西南凹陷流沙港组储层绿泥石微观特征

研究区高岭石多以孔隙充填方式产出，与次生溶蚀关系密切，两者经常伴生在一起(图6(a))。通过阴极发光可以看到钾长石高岭石化蚀变(图6(b))，其中阴极发光靛蓝色的为高岭石，钾长石残余发亮蓝色光。高岭石是比较典型的黏土矿物之一，常见的有物源高岭石和成岩高岭石2种类型。其中对储层影响较大的是成岩高岭石，该类高岭石常常具有结晶完好的六边形晶体，轮廓清晰； 而物源高岭石由于会受到搬运的改造，多呈碎片状，晶体形态较差。涠西南凹陷流沙港组三段砂岩中的高岭石多为薄板状(图6(c))、假六方板状(图6(d))，极少数为碎片状，集合体呈书页状或蠕虫状。高岭石一般认为是酸性介质下，铝硅酸盐受酸性流体溶蚀后的产物。高岭石的发育与长石有着密切的关系，长石溶蚀后会生成次生孔隙，并伴随自生高岭石的沉淀。

K.高岭石

由埋藏史图(图7)可以分析出研究区有2种酸性流体: 第一种为开放性成岩环境,以WZ10-B井为例，32 Ma左右时地层抬升，流三段地层埋深1 000 m，受地表淋滤作用发生早期溶蚀; 第二种为相对封闭性成岩环境,以WZ11-A井为例，地层抬升时间短，抬升时期流沙港组埋深大于2 000 m，受大气淋滤作用弱，主要受有机酸影响。此外，泥岩压实过程排出的层间水也是产生高岭石的酸性流体来源之一。成岩过程中砂岩和泥岩会相互作用，随着埋深的加大，不同的成岩阶段，泥岩和砂岩相互作用不同。中成岩A期，泥岩受热力作用排出大量层间水(酸性)会溶蚀砂岩中的铝硅酸盐矿物产生自生高岭石。

高岭石是砂岩储层中最常见的自生黏土矿物之一，其发育程度与储集层物性有着密切的关系。不同学者对此看法不同，有学者认为高岭石会充填粒间孔隙使储层物性变差[6]，也有学者认为溶蚀产生的孔隙与产生的高岭石相互抵消，对储层无明显影响； 还有学者认为高岭石的出现，代表强烈的溶蚀作用，是有利储层发育的标志[7]。这些都是在静态的条件下考虑高岭石对储层的影响。在动态条件下考虑长石溶蚀与高岭石差异沉淀，会造成储层物性的两极分化[8]。沉积时期物性较差的区域，因高岭石沉淀物性进一步变差； 原生粒间孔发育区，长石溶蚀产物被带走，物性会进一步变好，从而形成甜点储层。高岭石与长石反应的方程式为

4KAlSi3O8(钾长石)+2CO2+4H2O→Al4(Si4O10)(OH)8(高岭石)+8SiO2(石英)+2K2CO3

4NaAlSi3O8(钠长石)+2CO2+4H2O→Al4(Si4O10)(OH)8(高岭石)+8SiO2(石英)+2Na2CO3

Fm.地层(组)； Nd.登楼角组; Nj1.角尾组一段; Nj2.角尾组二段; Nx1.下洋组一段; Nx2.下洋组二段; El1.流沙港组一段; El2.流沙港组二段; El3.流沙港组三段; Ec.长流组； E.古近系; N.新近系; Q.第四系

研究区高岭石发育型储层为相对优质储层，其孔隙演化与高岭石的发育关系密切。总体上可以划分为4个阶段(图8)： 早期(a期)原生粒间孔发育，不发育自生高岭石； 中期(b期)长石被地层酸性流体溶蚀，原生粒间孔减少，次生溶孔增加； 中晚期(c期)长石溶蚀加剧，同时产生自生高岭石，原生粒间孔进一步减少，次生溶孔增加； 晚期(d期)自生高岭石向伊利石转化，原生孔和次生溶孔均减少，储层致密。花港组储层大部分处于中期—中晚期阶段，高岭石次生溶孔发育型储层是目的层的甜点储层。

Fm.地层(组)； Nd.登楼角组; Nj1.角尾组一段; Nj2.角尾组二段; Nx1.下洋组一段; Nx2.下洋组二段; El1.流沙港组一段; El2.流沙港组二段; El3.流沙港组三段; Ec.长流组； E.古近系; N.新近系; Q.第四系

3 文昌A凹陷珠海组黏土矿物与甜点储层的关系

3.1 黏土矿物的发育特征

文昌凹陷珠海组储层中黏土矿物以绿泥石、伊利石、伊蒙混层为主，同时含有少量高岭石，9、10井区珠海组储层绿泥石含量相对较高。其中，绿泥石平均相对含量39.80%，伊利石为30.79%，伊蒙混层为24.33%，高岭石为5.08%。珠海组(3 300～4 400 m)对应成岩阶段主要为中成岩A期，黏土矿物组合为伊利石、高岭石、伊蒙混层和绿泥石，不含蒙脱石。随着深度的加深，黏土矿物中蒙脱石发生了向伊蒙混层、伊利石的转化(图9)。生油门限深度(2 700 m)附近，砂岩中存在高岭石高值段，这与有机酸溶蚀长石生成高岭石有关。深度3 700 m附近出现了另一高孔层段，与绿泥石的高值段对应关系较好，表明绿泥石的发育与深部相对优质储层关系密切。

深度1 300～3 200 m为新近系，3 200～4 400 m为珠海组

通过岩心、铸体薄片、扫描电镜和能谱等测试手段，对研究区绿泥石进行了观察分析。绿泥石多发育在中砂岩中(图10(a))，在铸体薄片中我们可以清晰地看到绿泥石发育在石英颗粒边缘(图10(b))，扫描电镜下绿泥石主要有薄膜状(图10(c))、栉壳状(图10(d),(e))和玫瑰花状(图10(f))3种形态，前两者主要附着在碎屑颗粒表面，玫瑰花状绿泥石主要充填在孔隙中。研究区绿泥石膜高Fe贫Mg，为富铁绿泥石。沉积环境(相带)是控制绿泥石形成的重要因素。富铁绿泥石的形成需要富含Fe离子的弱碱性水介质环境。而海水(湖水)中的Fe浓度是有限的，因此一定的陆源输入是必须的[9]。带能谱的扫描电镜分析(图11)发现，文昌凹陷珠海组储层发育3期绿泥石，早期绿泥石Fe含量较低，晚期绿泥石Fe含量增高。各期次的绿泥石特征见表2。研究区绿泥石主要为第一期颗粒包膜绿泥石和第二期孔隙衬里绿泥石，孔隙充填式绿泥石少见，第一期和第二期绿泥石对储层物性有利，第三期绿泥石破坏孔渗。早期绿泥石膜主要形成于三角洲前缘区，由于海水与河水盐度的差异，陆源的铁质会沉淀下来以化学方式吸附在颗粒表面，形成初期的黏土质膜。中成岩阶段A—B期，含云母、角闪石等火山岩岩屑的溶解为绿泥石的形成提供了丰富的铁、镁离子。随着压实作用的增强，颗粒之间以点接触向线状接触甚至凹凸接触转变，绿泥石便垂直于颗粒表面向着剩余的原生三角形孔隙或不规则孔隙生长，形成孔隙衬里绿泥石。晚期，其他黏土矿物在外部含铁、镁离子流体的影响下形成绿泥石。当K、Na含量较低时，蒙脱石、伊利石在富Fe的环境中会转化为绿泥石。此外，高岭石在富Mg的环境中也能转化为绿泥石，钾长石在富Fe和Mg的环境中也能发生绿泥石，其化学式为

图10 文昌A凹陷珠海组绿泥石发育特征典型图版

图11 文昌A凹陷珠海组绿泥石能谱图及元素含量

表2 绿泥石期次及其特征

3Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4Mg2++2Fe2++9H2O=

Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16(绿泥石)+14H+

伊利石+1.64Mg2++1.89Fe2++8.24H2O=

0.82绿泥石+0.6K++1.37H4SiO4+6.46H+

KAlSi3O8(钾长石)+0.4Fe2++0.3Mg2++14H2O=0.3(Fe14Mg12Al2.5)(Al0.7Si3.3)O10(OH)8(绿泥石)+2SiO2+K++0.4H+

3.2 黏土矿物与甜点储层的关系

关于绿泥石对储层的物性影响，大部分学者认为绿泥石膜可以增强储层抗压实能力，抑制石英加大，起到保护储层物性的作用[10-11]。也有部分学者认为，在一定的条件下，绿泥石膜可以起到抑制石英加大并保护储层的作用。如浅埋低地温阶段绿泥石膜可以抑制石英加大，但是深埋高地温阶段绿泥石膜难以抑制石英加大[12]。绿泥石环边只有在连续分布且有一定的厚度的条件下，才能抑制石英加大[13]。还有少部分学者认为绿泥石膜不能抑制石英加大，也不能增强砂岩抗压实的能力[14]，甚至破坏储层物性[15]。但是不管是绿泥石膜保护储层物性，还是物性好的储层发育绿泥石膜，绿泥石膜发育型储层与相对优质储层有着密切的关系。研究区绿泥石膜发育型砂岩主要形成于沉积水动力较强的背景下，原生孔隙发育。河流作用主导的河水-湖水过渡带，有利于绿泥石质黏土的沉淀，埋藏期砂体抗机械压实与化学压实强度较大，保留了足够的流体活动空间，次生溶孔发育。不同期次绿泥石的发育对储层具有截然不同的影响，有别于早期的薄膜状绿泥石对孔隙的保护作用，后期的结晶片状和玫瑰化状绿泥石充填孔隙喉道，对储层物性产生消极影响。研究区绿泥石多以绿泥石膜和栉壳状产出，玫瑰花状绿泥石少见。总体上绿泥石可作为研究区相对优质储层发育的标志。

研究区绿泥石与孔隙度、渗透率的交会图(图12)显示，绿泥石的相对含量与储层的物性表现出较好的正相关性。不同产状的绿泥石对储层的物性影响不同，总体上研究区绿泥石以膜状和栉壳状产出，对储层物性有建设性作用。

图12 绿泥石相对含量与物性的关系

研究区绿泥石发育型储层为相对优质储层，其孔隙演化与绿泥石的发育关系密切。总体上可以划分为4个阶段(图13)。早期(a期)长石蚀变程度弱，黏土附着在颗粒表面，形成平行于颗粒表面的黏土膜，原始孔隙度40%左右。中期(b期)地层快速沉降，水介质盐度升高，还原性增强，粒表黏土膜受Fe2+影响逐渐结晶呈薄膜状绿泥石。绿泥石膜发育区，石英压溶受到抑制； 绿泥石膜不发育区域压溶作用明显，颗粒之间线接触，原生孔隙破坏严重。中晚期(c期)，即现今优质储层段所处成岩阶段，受早期绿泥石膜保护，残余粒间孔隙较发育的砂岩，由于生烃过程排出的有机酸流体进入，水介质由碱性变为酸性，长石、岩屑等碎屑颗粒溶解，形成次生溶孔与铸模孔。同时受成岩孔隙流体的影响，在早期膜状绿泥石的基础上，结晶形成第二期片状绿泥石。晚期(d期)受热演化程度的影响，第二期片状绿泥石垂直碎屑颗粒表面生长，局部区域绿泥石呈玫瑰花状结晶产出，占据孔隙空间，同时，黏土矿物伊利石化，在粒间孔隙沉淀自生丝状伊利石，孔喉缩小，致使储层物性变差。不发育绿泥石膜的区域，石英加大边现象明显，孔隙不发育。

Fm.地层(组)； Qq.琼海组； Nws.万山组； Nyh.粤海组； Nhj.韩江组； Nzj.珠江组； Nzh.珠海组； Ee.恩平组； Ew.文昌组； Basement.基底

4 结论

(1)明确了低孔渗背景两类相对优质储层的黏土矿物组合特征与孔隙类型。中深层储层中的自生高岭石和深层储层中的颗粒包膜、孔隙衬里型绿泥石是甜点储层的黏土矿物指标。

(2)涠西南凹陷流沙港组相对优质储层中，高岭石相对含量高，溶蚀作用强烈，发育大量次生孔隙。高岭石可以分为浅层淡水淋滤和中深层有机酸作用两种成因。高岭石与次生孔隙发育型甜点孔隙演化关系密切。

(3)文昌A凹陷珠海组优质储层中，绿泥石相对含量高，发育大量原生粒间残余孔隙。绿泥石可以分为3期，分别为早期颗粒包膜绿泥石、中期孔隙衬里绿泥石和晚期粒间充填的团簇状绿泥石，第一期和第二期绿泥石对储层物性有利，第三期绿泥石破坏孔渗。研究区绿泥石总体上以颗粒包膜和孔隙衬里型为主，粒间充填的团簇状绿泥石为辅，对储层有建设作用。绿泥石与原生粒间孔发育型甜点孔隙演化关系密切。