鄂尔多斯盆地神木-榆林地区太原组砂岩中自生高岭石对孔隙发育的影响

刘 涛

鄂尔多斯盆地神木-榆林地区太原组砂岩中自生高岭石对孔隙发育的影响

刘 涛

（甘肃省地质调查院，兰州 730000）

鄂尔多斯盆地东北部地区太原组为较为典型的致密砂岩储层，其粘土矿物含量相对较高，自生高岭石作为在陆相沉积碎屑岩中常见的黏土矿物之一，在碎屑颗粒之间的孔隙当中出现，与储集层的质量具有紧密的相关性，本文选取位于鄂尔多斯盆地东北部的神木-榆林地区太原组砂岩为研究对象，对较为代表性的岩心样品进行薄片观察，全岩XRD以及扫描电镜等实验分析，探讨其中自生高岭石对砂岩中孔隙发育的影响。

自生高岭石；孔隙发育；太原组；神木-榆林地区

鄂尔多斯盆地是地处中国西北地区的超大型含油气陆相沉积盆地，经过中国石油长庆油田公司等单位几十年的勘探开发，于2020年底油气当量突破6000万吨（其中原油2451.8万吨、天然气445.31亿m3），已成为我国最大的油气勘探和生产基地。

自生高岭石是鄂尔多斯盆地陆相碎屑岩中常见自生粘土矿物，作为成岩过程中形成的具有无序过渡结构的微粒质点含水层状硅酸盐矿之一，是碎屑岩储集层重要的胶结物和填隙物，与碎屑颗粒骨架间的原生孔隙和成岩过程中形成的次生孔隙有紧密的联系。

图1 研究区区域位置图

图2 太原期沉积相展布图（据覃小丽（2016年）改）

本文选取鄂尔多斯盆地东北部神木-榆林地区作为研究区域，将下二叠统太原组砂岩中的自生高岭石作为研究对象，在前人研究成果的基础之上，通过岩石学、矿物学、成岩作用等角度出发，对砂岩中自生高岭石的含量、赋存状态、形成机制等方面综合分析，探讨自生高岭石对孔隙的发育影响，为该区域砂岩储层进一步研究打下基础。

1 地质背景

神木-榆林地区处于鄂尔多斯盆地东北部，行政区划隶属于陕西省，分别与内蒙古自治区伊金霍洛旗和山西省保德县相邻，大地构造位置处于晋西挠褶带和陕北斜坡之间，整体构造稳定，地层相对平缓，为一北东高、南西低的平缓单斜形态，地层倾角0.3°～0.6°，局部发育鼻状隆起（图1）（长庆石油地质志编写组，1992；何自新等，2004；杨俊杰，2002）。

表1 鄂尔多斯盆地二叠系太原组地层划分*

*波浪线表示平行不整合接触关系，实线表示整合接触（参照《鄂尔多斯盆地上古生界图册》）

从岩相古地理特征中，研究区在早二叠世太原期，地壳下沉的同时，海水自东西两侧向中央古隆起扩大，使中央古隆起沦于水下，东西两侧形成统一的海域。古地理格局由北向南总体表现为冲积扇、三角洲、潮坪-浅水陆棚碳酸盐岩等沉积体系（覃小丽等，2016）。研究区内为较为稳定的三角洲平原和潮坪沉积环境，由北向南表现为浅水三角洲—碳酸盐潮坪—碎屑岩潮坪沉积相逐渐过渡的特征，在岩性上大体表现为：浅海相灰岩向陆源碎屑岩逐渐变化的趋势，在剖面上局部可见煤层出现（图2）。

太原组顶底分别与下二叠统山西组、上石炭统本溪组呈稳定整合接触关系（表1），地层中砂体自东向西逐渐变薄的趋势，神木以东区域中砂体厚度超30m，向南西至榆林逐渐变薄至不足10m，总体呈现北东厚南西薄的特点（刘涛，2020）。

图3 砂岩类型分布直方图

图4 胶结物组分的占比直方图

2 自生高岭石的特征分析

2.1 砂岩的岩石学特征

通过对研究区典型的岩心取样进行薄片观察，对太原组砂岩的岩石学特征有了较为全面的把握，砂岩主要类型为富岩屑砂岩，具体分别为岩屑石英砂岩，其次为岩屑砂岩，局部出现有石英砂岩，比重相对较少（图3）。砂岩的粒级以中—粗砂居多，局部见有粒径达至砾级，碎屑颗粒分选性较好，磨圆度中等，以次棱—次圆为主，颗粒接触类型为线接触、凹凸接触，偶见点接触关系，总体上太原组砂岩成分成熟度和结构成熟度较高。

填隙物含量占岩石含量的12.3%，杂基主要为泥质，水云母、凝灰质等。胶结物主要为碳酸盐和硅质等，胶结类型主要以孔隙式胶结为主；自生粘土矿物主要为自生高岭石、自生伊利石等，各种胶结物占比如图4。

2.2 自生高岭石的特征

2.2.1 自生高岭石的赋存特征

通过岩石薄片镜下观察，研究区太原组自生高岭石主要的赋存状态有两种：

图5 研究区太原组自生高岭石赋存状态

（1）以集合体的形态充填于长石、岩屑溶蚀形成的次生孔隙中，是多见的自生高岭石产出形式（图5-1）。

（2）局部可见自生高岭石以分散、游离状的形式沉淀残余粒间孔当中，常见有自生绿泥石以衬里形式出现在粒间孔隙四周（图5-2）。

扫描电镜下观察表明，研究区太原组砂岩中的自生高岭石单体的形态较多呈假六方板状产出，集合体以书页状或蠕虫状出现在孔隙当中（图5-3），少数的自生高岭石晶体边缘存在卷曲丝缕化的现象（图5-4），这可能说明存在有自生高岭石的伊利石化的现象。

2.2.2 自生高岭石的形成机制特征

砂岩在成岩过程中，长石、岩屑等不稳定组分与自生高岭石的生成有紧密的联系，其中大部分自生高岭石来源于长石、岩屑等的溶蚀。

结合前人的研究成果（黄思静，2004；田建锋，2008；冯文立，2010）以及对岩石薄片镜下观察，可知太原组中自生高岭石的产生主要为两个期次，首先在早成岩期（太原期后至晚三叠世，鄂尔多斯盆地处于印支期），太原组砂岩处于浅埋藏阶段，部分不稳定的岩屑和长石组分（主要为钾长石）处于地下水的环境中，极易发生溶解或者交代作用而蚀变，生成一定数量的自生高岭石，在镜下主要表现为机械压实作用导致成岩空间大大压缩，在原生粒间残余孔隙中，自生高岭石与其他次生矿物混杂以假杂基的形式充填孔隙空间，几乎不见有晶间孔隙发育。

在此过程中，长石与地下水的化学反应如下：

2KAlSi3O8+2CO2+4H2O→Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2（硅质）+2K++2CO32-

进入早白垩世，鄂尔多斯盆地发生一次大规模的热异常事件（任战利，1996；杨兴科，2006）.，与之相伴随的是区域性快速沉降过程。随着太原组砂岩埋藏不断加深（d＞1800m），进入深埋藏阶段时，太原组煤系地层热演化达到成熟阶段，在生烃的同时形成以甲烷和有机酸为主的酸性有机流体析出，逐渐进入储层砂岩中，致使成岩环境发生较大改变，导致砂岩中长石、岩屑和火山物质等不稳定矿物组分较多溶蚀。形成大量伊利石、高岭石、铁白云石等自生矿物胶结物。

（1）长石溶蚀生成自生高岭石的简易化学反应如下：

①钾长石→高岭石：2KAlSi3O8（钾长石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+4SiO2（硅质）+2K+

②钠长石→高岭石：2NaAlSi3O8（钠长石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+4SiO2（硅质）+2Na+

③钙长石→高岭石：CaAl2Si3O8（钙长石）+2H++H2O→Al2Si2O5(OH)4（高岭石）+Ca2+

（2）岩屑中角闪石遇酸溶蚀的简易化学反应如下：

NaCa2Fe4Al3Si6O22(OH)2+26H+→2Ca2++4Fe2++13H2O+4SiO2+NaAlSi3O8+Al2Si2O5(OH)4

此时形成的自生高岭石大多以晶体集合体的形态出现，由XRD观察这种晶体较为完整.其间有晶间孔隙产出。另在自生高岭石周围常见有较多次生溶蚀孔隙发育。

3 自生高岭石对砂岩储层孔隙发育的影响

在成岩过程中自生高岭石和碳酸盐、硅质的生成与沉淀，以胶结物充填的形式会占据部分的孔隙空间，因此可以从这个角度具体分析自生高岭石对孔隙发育的影响。

将研究区太原组砂岩中三种主要的胶结物含量与对应的总面孔率进行定量对比分析。由图6可见，伴随碳酸盐胶结物、硅质胶结物和自生高岭石含量的不断增多，面孔率数值均呈现逐渐减少的趋势，两者均呈现负相关的关系，总体上这三种胶结物对孔隙的发育表现为破坏性的作用。

图6 主要胶结物与面孔率之间相关投点图

其中碳酸盐胶结物与总面孔率的相关性R=-0.202，硅质胶结物R=-0.166，两者对孔隙发育均呈现出明显的不利影响，表现为在成岩过程中碳酸盐胶结物和硅质胶结物充填在孔隙之中，缩小孔隙空间；另一方面自生高岭石与总面孔率的相关性数值R=-0.028，对孔隙的发育同样呈现不利的影响，但其程度不及碳酸盐和硅质胶结物，伴随自生高岭石含量的增多，岩石中孔隙呈现缓慢的缩减的特点。

下面我们从自生高岭石含量与研究区太原组砂岩的原生孔隙及次生孔隙之间的相互关系上分析自生高岭石对孔隙发育的影响。

如图7、图8所示：

图7 自生高岭石含量与原生面孔率相关性图

图8 自生高岭石含量与次生面孔率相关性图

（1）自生高岭石与原生孔隙面孔率呈现明显的负相关（R=-0.212），近似于碳酸盐胶结物、硅质胶结物和总面孔率的相关性，伴随高岭石的生成与沉淀，含量的增多会占据孔隙空间，导致较多原生粒间孔隙的减少。

（2）其与次生孔隙之间表现为正相关的关系（R=+0.281），结合镜下观察可得，自生高岭石含量增多的同时，次生孔隙如晶间孔隙、长石、岩屑溶孔等也呈一定程度的增多。

综上所述可以看出，自生高岭石在成岩过程中对孔隙整体的发育是呈破坏性的，随着高岭石含量的增多，孔隙空间是逐渐减少的；但这种影响不同于碳酸盐、硅质等胶结物明显的减少孔隙空间的特点，表现为一种相对缓慢的趋势。

具体表现在：在成岩早期自生高岭石的出现逐渐压缩着原生孔隙的空间，伴随埋藏加深，外部的有机酸流体的介入，促使长石等的溶解和自生高岭石的沉淀，伴生的部分次生孔隙对整体孔隙的减小具有一定程度的弥补作用，这种特征对孔隙发育会产生积极的影响，但随着自生高岭石在孔隙中生成的不断增多，孔隙空间总体还是一种减少的趋势。

4 结论

（1）太原组砂岩岩石类型以岩屑石英砂岩和岩屑砂岩为主，具较高的成分成熟度和结构成熟度。在填隙物中，胶结物以碳酸盐胶结物为主，其次为硅质和自生高岭石等。

（2）自生高岭石常以充填在残余的原始粒间孔和长石溶孔等次生孔隙中的形式产出，其间以集合体形态产出时伴随有晶间孔隙的出现。

（3）自生高岭石的含量和分布特点与成岩作用过程中大气水和有机酸对长石等铝硅酸盐的溶解作用有关。在成岩过程中，自生高岭石的生成主要有两个期次，首次在早成岩期浅埋藏阶段，主要与地下水的溶蚀相关，表现为充填原生粒间孔隙的形式产出；第二次是在深埋藏成岩阶段，由于太原组煤系地层的酸性流体介入，对岩石中长石等不稳定碎屑的溶解密切相关，多以集合体形式出现于次生溶孔和原生残余孔中，伴有晶间孔隙出现。

（4）自生高岭石与总面孔率之间呈现程度较轻的负相关关系，表现在伴随着自生高岭石沉淀的不断增多，总面孔率是缓慢降低的趋势；其中，对原生孔隙有较为明显的不利的影响，其沉淀会占据部分原生孔隙和次生孔隙空间，导致其面孔率的降低；另一方面对次生孔隙的发育具有建设性的作用，表现为自生高岭石指示着长石等的溶蚀和长石溶孔，晶间孔隙等次生孔隙的出现，在一定程度上可弥补孔隙空间的减小。

总体来说，研究区太原组砂岩中的自生高岭石对孔隙发育呈现的影响是不利的，相对其他胶结物而言，这种不利影响程度相对较轻。

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The Influence of Authigenic Kaolin on Pore Development of Sandstone of the Taiyuan Formation in the Shenmu-Yulin Area, Ordos Basin

LIU Tao

(Gansu Institute of Geological Survey, Lanzhou 730000)

The Taiyuan Formation in the northeast of the Ordos basin is a typical tight sandstone reservoir with relatively high content of clay minerals. Authigenic kaolin, as one of the common clay minerals in continental sedimentary clastic rocks, occurs in the pores between clastic particles, which is closely related to the quality of the reservoir. The sandstone of the Taiyuan Formation in the Shenmu-Yulin area, northeastern Ordos Basin is selected as the research object. The thin section observation, whole rock XRD and SEM experiments of representative core samples are carried out in order to find out the influence of authigenic kaolin on the pore development of the sandstone.

authigenic kaolin; pore development; Taiyuan Formation; Shenmu-Yulin area

P583

A

1006-0995（2022）02-0202-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.005

2021-08-18

刘涛（1984— ），男，甘肃天水人，硕士研究生，工程师，研究方向：沉积岩石学