西湖凹陷中北部绿泥石对储层发育的控制作用

2024-01-04席敏红

海洋石油 2023年4期

席敏红

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司，上海 200120）

西湖凹陷位于东海陆架盆地的东部坳陷，呈北北东向展布，面积约5.9×104km2。古新世至始新世中期为陆缘断陷发展阶段，始新世晚期发生断-拗转换，渐新世为拗陷发育阶段，新近纪盆地开始发生区域沉降。较早的断-拗转换构造运动的发生，造成西湖凹陷的含油气系统埋深较大。近年在凹陷中央背斜带中北部深层（＞3 500 m）的渐新统花港组不断获得油气勘探的重大突破，证实了其深部三角洲前缘储集砂体的勘探前景。但深部储层的非均质性、复杂性也严重制约了勘探效果。因此落实优质储层发育规律及储层非均质性的主控因素是提高勘探成功率的关键。

储层发育的普遍规律是随着埋深加大，温度压力上升，储层的特性不断变差，但勘探实践证实在中深部地层中也存在异常高孔渗储层。近年来通过对西湖凹陷深部储层的大量岩心与岩石薄片观察、扫描电镜、X 衍射等实验数据分析和研究，发现与研究区优质储层形成有关的几类成岩反应有：绿泥石膜-残留粒间孔，高岭石期次与溶蚀作用的关系，超压与黏土矿物发育，热液作用下碳酸盐胶结等。而其中绿泥石膜在深层砂岩储层的成岩作用过程中，抑制碎屑岩硅质胶结与压溶作用，从而促进了深层砂岩储层孔隙的保存，其对储层发育的控制作用是本文讨论的重点。

1 绿泥石发育的成因

1.1 沉积环境

工内区发育的绿泥石膜属于高Fe 贫Mg 的类型[1]。通常情况下富铁绿泥石的形成需要富含Fe 离子的碱性环境。但是海水（或湖水）中的Fe 离子的浓度并不高，有陆源输入的沉积环境更有利于富铁绿泥石的发育[2-3]。研究区G 与H 构造位于三角洲平原与前缘交互地带，受陆源河流携带的Fe 离子及湖相碱性条件双重影响，为偏富铁绿泥石膜的形成提供了物质与环境基础，适合绿泥石的发育。

1.2 沉积岩屑溶蚀

Berger 等人（2009）研究表明[4]，自生绿泥石析出产生的Fe、Mg、Si、Al 离子与火成岩岩屑、长石、黑云母的蚀变与溶解有关。对G2 井全井取心层段岩屑含量进行统计发现，在3 700～3 800 m、4 000 m附近、4 250 m 附近出现火成岩岩屑含量明显增加，可达5%～15%（图1），由此可见研究区有自生绿泥石生成的有利地质条件。同时，对取心段研究发现绿泥石含量曲线与岩屑含量变化趋势相似，与重矿物稳定指数变化趋势相反（图2），证实岩屑溶蚀对绿泥石的形成产生一定作用[5]。

图1 G2 井不同深度火成岩岩屑含量变化图Fig.1 Variation of igneous cuttings content at different depths in Well G2

图2 G2 井储层单井对比分析柱状图Fig.2 Column diagram of single well comparative analysis in Well G2

1.3 超压

在浅层开放流体环境中微斜长石溶蚀形成高岭石，而到深层半封闭-封闭流体环境，常压下，微斜长石转化为伊利石，而在超压环境下钾长石（微斜长石）溶解反应产物都含有K+。开放流体环境下，K+被流体带走，有利于高岭石的形成；半封闭-封闭环境下，K+部分被带走，有利于伊利石的形成；强封闭环境下，K+等反应产物难以移出，随着其浓度不断升高，阻碍钾长石溶蚀反应的进行。需要指出的是，在超压流体环境下，当地层温度达到120～140 ℃，钾长石的活性受到超压抑制，高岭石与多硅白云母变得活跃，有利于绿泥石的形成，绿泥石膜对储层孔隙的保护深度范围扩大[6]。

2 绿泥石膜对储层孔渗的保护机理

2.1 抑制石英次生加大机理

随着储层埋深的加大，成岩作用越来越强烈，石英次生加大和机械压实作用对储层的物性起破坏作用。Paxton 等[7]通过实验研究证实深部储层仅1%的石英加大边生成可导致11%的孔隙度损失，因此，中深层储层成岩作用中，抑制石英的化学压实进程成为关注的重点。而绿泥石黏土膜在成岩作用过程中可以抑制石英次生加大的进程，同时也一定程度地抵制了压实作用，这一观点已经得到国内外的广泛认同。因此，绿泥石膜的建设性成岩作用，保存了深部储层的原生、次生、混合成因孔隙及孔隙结构，对深部优质储层发育起到了关键作用。

绿泥石对石英加大的抑制作用在不同成岩阶段是不同的，研究发现在埋深较浅，温度较低（实验数据为＜115 ℃），绿泥石的阻碍加大了石英胶结物成核作用的动力学障碍，绿泥石膜通过抑制石英胶结物的成核作用从而抑制了硅质胶结，薄膜缺口处发育自形石英加大[8]。随着埋深加大，温度升高（115～164 ℃），石英胶结物克服成核作用动力学障碍，通过绿泥石晶片间缝隙贴近石英颗粒表面成核，他形石英加大快速生长充填黏土微孔隙。埋深继续加大，温度升高（＞164 ℃）他形石英加大继续生长充满绿泥石晶片间微孔隙[9-10]。但受绿泥石微孔隙边界限制，石英加大生长受阻（图3）。

图3 绿泥石膜抑制石英加大机理示意图Fig.3 Schematic diagram of mechanism of chlorite film inhibiting quartz enlargement

流体温度对黏土矿物的影响较大[11]：正常流体环境下，当地层温度达到120～140 ℃，高岭石、钾长石与多硅白云母变得活跃，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，导致绿泥石膜对储层保护效果降低。因此伴随着深度增加，成岩强度的变化，绿泥石对石英压溶的作用将会降低。

2.2 其他机理

研究发现绿泥石膜对储层孔渗的保护机理主要是通过抑制压溶作用进行的。除了通过绿泥石膜形成环边，抑制压溶作用保护孔隙外，绿泥石黏土膜不易溶解有利于铸模孔的形成（图4），而长石溶蚀产生的铸模孔与粒内溶孔一般存在黏土残边，表明长石等碎屑颗粒完全被溶蚀。

图4 西湖凹陷花港组绿泥石膜对储层孔隙的保护作用图解Fig.4 Diagram of the protective effect of chlorite film on reservoir pores of Huagang Formation in Xihu Depression

绿泥石膜对储层孔渗的保护作用还表现在促进孔隙结构改善。统计发现研究区主要产层中绿泥石发育段的储集空间多为溶蚀粒间孔，在实验室中对相关储层薄片的扫描图片中，发现绿泥石中的Fe、Al 元素可以清晰地将绿泥石膜形态进行元素“还原”，富铁绿泥石膜呈薄层状，沿碎屑颗粒表面均一分布，绿泥石膜抑制了颗粒的石英加大，保护了喉道，有利于后期酸性流体溶蚀及复合溶蚀粒间孔、溶蚀孔的发育[12]。

当然，并非绿泥石含量越高储层物性越好，通过扫描电镜、背散射等手段方法，对绿泥石形貌观察及成分分析发现，研究区绿泥石呈多期发育。共识别出三个期次，第一期次为准同生期混层绿泥石，多为附着于颗粒表面生长；第二期次为成岩期绿泥石，多垂直颗粒表面生长；第三个期次为成岩后期的玫瑰花簇状绿泥石，一般充填了孔隙。这三个期次发育的绿泥石，对储集空间产生了不同的影响，有别于成岩第一期的薄膜状绿泥石对孔隙的保护作用，第二、三期的结晶片状和玫瑰花状绿泥石充填孔隙喉道，对储层物性产生消极影响。

2.3 研究区绿泥石作用范围

G1 井Ro、Tmax数据值显示成岩阶段位于中成岩A 段与B 段之间，依据砂岩中伊蒙混层中蒙脱石含量在3 900～4 000 m 之间降低至15%，进入中成岩B 段，且MDT 地温测试显示超过140 ℃。可以认为，G1 井3 900～4 000 m 之间成岩演化进入中成岩B 段。随着温度的升高，伴随着高岭石的消失，流体温度对黏土矿物的影响较大，正常流体环境下，当地层温度达到120～140 ℃，高岭石、钾长石与多硅白云母变得活跃，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，导致绿泥石膜对储层保护效果降低。同时绿泥石部分向簇状转化，石英加大随之增强，物性开始下降。

对研究区几口钻井高岭石含量变化与物性关系进行垂向对比，探讨绿泥石作用效率随深度的变化。以G3 井为例（图5），不同深度4 个取心段进行对比发现绿泥石含量与孔渗性具有较好的匹配关系。A 段3 600～3 620 m 左右，绿泥石含量高，相对含量大部分高于60%，物性最好；B 段深度增加到3 960～4 000 m 左右，伴随着绿泥石含量升高，物性随之上升；C 段深度到4 100 m 以下，绿泥石含量变化不大，物性下降。

图5 G3 井取心段绿泥石含量与物性变化关系图Fig.5 Relationship between chlorite content and physical properties in the core section of Well G3

因此可以推论在研究区正常流体压力环境下：3 400～4 000 m 为绿泥石高效深度，储层物性与绿泥石含量正相关明显，4 000～4 200 m，绿泥石膜效应降低带，相关性变差；4 200～4 500 m，绿泥石膜效应低效带，局部绿泥石对应较高孔渗储层；＞4 500 m，绿泥石膜效应失效带，异常高孔渗储层基本消失，但在超压流体压力环境下，作用深度下限可能达到4 600 m 甚至更深。

3 绿泥石对优质储层发育的保护作用

3.1 绿泥石相关储层非均质性分析

研究区绿泥石膜优质储层发育区，储层的非均质性依然很强。对G2 井130 m 连续取心段绿泥石分布进行讨论，G2 井在主力产层段进行了连续130 m 以上的取心，为微相级、砂层级绿泥石相关储层及其非均质性分析提供了样品条件。对不同含气性储层总体成岩特征进行了对比（图6），发现气层颗粒溶蚀强烈，绿泥石含量高，多数颗粒具有绿泥石膜，且球状绿泥石较少，石英加大程度弱，次生石英颗粒大；而非气层颗粒溶蚀形成溶蚀孔较小，绿泥石含量低，少数颗粒局部粒表具有绿泥石膜，石英次生生长相对较为强烈，且颗粒小。

图6 G2 井气层与非气层溶蚀作用的差异性对比Fig.6 Difference comparison of dissolution between gas and non-gas formations in Well G2

同时，研究发现粒度大小对孔渗性的控制体现在颗粒大小与表面积和孔喉大小的关系。体积一定的砂体，粒度越大，表面积越小，需要绿泥石包壳抑制石英加大的面积就越小，因此在粗粒碎屑中所需要的绿泥石越少，故细粒砂体较粗粒砂体石英加大更容易发育。同时相同厚度的绿泥石包壳对细粒沉积物渗透率的消极影响更大，因为在刚性颗粒与胶结物含量一定的情况下，粗粒碎屑孔隙与孔喉较细粒砂岩更大，而绿泥石膜对窄孔喉的消极作用更加明显。