粘土礦物與砂巖儲集性能關(guān)系的探討

粘土礦物與砂巖儲集性能關(guān)系的探討

砂質(zhì)粘土是影響儲存性能的重要因素。本文在研究塔里木和陜甘寧盆地砂巖儲層及其粘土礦物的基礎(chǔ)上,就粘土礦物成因、含量、成分、組合類型、產(chǎn)狀等對砂巖儲集性能的影響進(jìn)行討論。1積體礦物和自生粘土礦物沉積巖中的粘土礦物按其成因可分為兩類:與陸源碎屑顆粒一起沉積的陸源碎屑粘土礦物和在成巖過程中形成的自生粘土礦物。研究表明,陸源碎屑粘土礦物的類型、成分及分布主要取決于古氣候、物源和沉積環(huán)境,而自生粘土礦物的形成主要受成巖流體酸堿度的控制。1.1陸源碎屑粘土成因砂巖儲層中的碎屑粘土礦物以伊利石和高嶺石為主,蒙脫石和綠泥石偶見。(1)伊利石的來源塔里木盆地東河塘白堊系、第三系,塔中地區(qū)侏羅系及其以上地層,滿加爾坳陷東部和塔中1井新、老第三系中均含一定數(shù)量的碎屑伊利石。陜甘寧盆地東部洲4井太原組和山西組中也含有一定數(shù)量的碎屑伊利石。伊利石是在氣溫稍低的條件下,由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物經(jīng)風(fēng)化脫鉀而成,是地層土壤中分布最多的粘土礦物。儲層中的碎屑伊利石多數(shù)以孔隙充填形式存在,少數(shù)以薄膜形式分布于顆粒表面,在電鏡下碎屑伊利石呈碎屑片狀或彎曲片狀,晶形不完整,略具定向性。(2)盆地英買地層陸源碎屑高嶺石是在溫暖、潮濕的氣候條件下,酸性介質(zhì)不斷對鋁硅酸鹽礦物強(qiáng)烈風(fēng)化淋濾而形成的。塔里木盆地英買701井老第三系碎屑巖儲層個別層段碎屑高嶺石含量達(dá)27%。陸源碎屑高嶺石在搬運過程中被不斷磨蝕,又在埋藏過程中受到擠壓變形,因而很少保存高嶺石假六方片狀的外形,在掃描電鏡下可見碎屑高嶺石呈不規(guī)則片狀充填于孔隙之中。(3).煤系密閉石分布陜甘寧盆地洲4井山西組河流三角洲沉積顆粒表面有碎屑蒙脫石分布。碎屑蒙脫石的分布同時受物源和氣候的雙重影響,花崗質(zhì)母巖中所含輝石、角閃石、黑云母等在化學(xué)風(fēng)化不徹底的情況下可形成蒙脫石。由此可見,根據(jù)儲層中碎屑粘土礦物的種類可以推斷母巖區(qū)的氣候條件及母巖性質(zhì)。1.2酸性介質(zhì)中粘土礦物的組成砂巖中自生粘土礦物的形成與地層水的性質(zhì)(礦化度、離子成份、酸堿度等)密切相關(guān)。在酸性介質(zhì)中形成的粘土礦物有非晶質(zhì)體、迪開石和高嶺石;在堿性介質(zhì)中形成的粘土礦物有伊利石、蒙脫石、伊/蒙間層、綠泥石、綠/蒙間層及坡縷石。(1)世紀(jì)三大沉積盆地的熱液作用在塔里木盆地滿參1井二疊系和石炭系部分層段中發(fā)現(xiàn)了迪開石。迪開石具有重要的成巖意義,是一種重要的成巖溫度計。首次發(fā)現(xiàn)的迪開石與熱液作用有關(guān)(Dick,1888,1908),這說明迪開石的形成溫度較高。后來不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)砂巖的自生礦物中與熱液作用無明顯聯(lián)系的沉積巖中也有迪開石分布。挪威陸棚的三大沉積盆地的侏羅系儲層中均有高嶺石轉(zhuǎn)化為迪開石的現(xiàn)象(S.N.Ehrenberg,1993)。Hoffaman,Hower(1979)認(rèn)為高嶺石轉(zhuǎn)化為迪開石的溫度是110～140°C,S.N.Ehrenberg(1993)認(rèn)為成巖溫度達(dá)到120°C時,高嶺石才開始轉(zhuǎn)化為迪開石,溫度大于300°C時迪開石則會消失,這說明迪開石是一種很好的成巖溫度計。(2)土壤中al-sisi資源量的影響在塔里木盆地滿參1井泥盆系和志留系砂巖中,在輪南46井志留系粉砂巖中,有管狀、絲管狀埃洛石分布。埃洛石大量分布于土壤層中,這說明其形成于表生淋濾階段,在溫暖潮濕的氣候條件下,酸性水介質(zhì)(pH=4～6.5)不斷對鋁硅酸鹽產(chǎn)生淋濾,Na、K、Ca、Fe、Mg等離子被帶走,形成硅鋁富集的環(huán)境,最后Al-Si膠體晶化形成埃洛石。由于早海西運動的影響,塔里木盆地泥盆系、志留系淺埋或暴露地表遭受大氣淡水的淋濾,形成了埃洛石。因此,埃洛石富集的層段代表一定程度的大氣淡水淋濾和地層間斷。(3)礦物晶形通常把地層中結(jié)晶較好,形態(tài)完整的高嶺石統(tǒng)稱為成巖自生高嶺石,而實際上成巖自生高嶺石有兩種類型:一種是長石經(jīng)酸性水溶蝕而成,長石在酸性溶液作用下脫去堿性離子,表面形成三水鋁石[Al(OH)2]+,當(dāng)硅鋁富集到一定程度時便晶化形成高嶺石,這種高嶺石晶形較差,呈分散片狀分布于長石表面,其(001)晶面與長石的(001)晶面一致;另一種是成巖期從孔隙溶液中直接沉淀形成的高嶺石,其晶形發(fā)育較好,單晶呈假六方片狀,集合體呈書頁或蠕蟲狀,儲層中多見。(4)發(fā)展生長實石自生伊利石有兩種類型:成巖早期各種礦物的演化處于低級階段,鉀長石極易水解形成伊利石,掃描電鏡下長石溶孔中可見絲狀伊利石;大量的伊利石是由蒙脫石成巖轉(zhuǎn)化形成,掃描電鏡下在卷曲片狀伊/蒙間層礦物的表面見發(fā)絲狀的伊利石。蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的條件是:在溫度、壓力增加,富鉀的堿性條件下,水介質(zhì)中的Al3+、K+,置換蒙脫石中的Fe2+、Mg2+,轉(zhuǎn)化為伊利石。一般隨埋深增大,溫度、壓力升高,成巖程度加深,地層中的伊利石含量會增高。(5)與高嶺石的關(guān)系掃描電鏡觀察表明,綠泥石呈針葉狀分布于顆粒表面,或與高嶺石一起以充填形式存在于孔隙之中。研究證明,在pH=7～9的水介質(zhì)中,高嶺石與泥巖水溶液中攜帶的Fe2+、Mg2+反應(yīng)可生成綠泥石。1.3石炭紀(jì)—塔里木盆地粘土礦物組合與盆地的演化關(guān)系研究表明,塔里木盆地的粘土礦物組合與盆地的構(gòu)造、沉積演化、氣候旋回之間存在一定關(guān)系(圖1)。塔里木盆地奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)處于加里東運動時期,奧陶系以正常海相沉積為主,氣候溫暖潮濕,鎂碳酸鹽沉積廣布,為成巖期綠泥石的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。盆地在晚奧陶世抬升,志留系變?yōu)闉I海相-海陸交互相沉積,氣候由潮濕轉(zhuǎn)向干旱;志留系與泥盆系為連續(xù)沉積,泥盆紀(jì)保持了志留紀(jì)末的沉積氣候特征;下泥盆統(tǒng)為海陸交互相沉積,中上泥盆統(tǒng)為陸相沉積,氣候轉(zhuǎn)為干旱。奧陶紀(jì)—泥盆紀(jì)是塔里木盆地構(gòu)造、沉積(?！?、氣候(潮濕→干旱)演化的第一旋回期,處于這一旋回期的粘土礦物具有相似的特征,且組合中伊利石、綠泥石的含量較高。由于海西運動第一幕的影響,石炭紀(jì)初期,塔里木盆地又開始了一次大規(guī)模的海侵,廣泛發(fā)育海相沉積。早石炭紀(jì)早期氣候已變得溫暖潮濕,海西運動第二幕之后,海水大規(guī)模退出盆地,早二疊世晚期海水全部退出盆地,完全變?yōu)楹雍喑练e,氣候由潮濕變?yōu)楦珊?因此石炭紀(jì)—二疊紀(jì)是塔里木盆地構(gòu)造(下降→抬升)、沉積(海相→陸相)、氣候(潮濕→干旱)演化的第二旋回期。由于處于海陸交互相沉積期,環(huán)境、氣候多變,造成此時期形成的粘土礦物組合多變,組合類型多樣。三疊紀(jì)塔里木盆地進(jìn)入內(nèi)陸盆地發(fā)展時期。早三疊世時期湖泊還未全面發(fā)育,山麓、河流相沉積占主體,氣候仍比較干旱。中三疊世湖泊已經(jīng)很發(fā)育,氣候變?yōu)闇嘏睗?。晚三疊世時期水體進(jìn)一步擴(kuò)大,出現(xiàn)了深湖、半深湖沉積,晚三疊世后期由于印支運動的影響,凹陷抬升,湖盆水體收縮,深度減小,但仍為潮濕氣候,這一景觀一直延伸到早侏羅世,這一時期沉積了大量的含煤地層,為后期高嶺石的形成提供了酸性介質(zhì)條件。晚侏羅世氣候變?yōu)楦蔁?出現(xiàn)了淺湖沉積,這是盆地構(gòu)造(下降→抬升)、沉積(河流→淺湖→深湖→淺湖)、氣候(潮濕→干旱)演化的又一次旋回,這一旋回的建造具有獨特的粘土礦物組合。由于燕山早期運動的影響,塔里木盆地在侏羅紀(jì)末期進(jìn)一步抬升,白堊系、第三系為干旱氣候下的湖泊、河流相沉積。在此條件下出現(xiàn)了坡縷石礦物,并出現(xiàn)碎屑伊利石和綠泥石。雖然砂巖中的粘土礦物主要受后期成巖環(huán)境的影響,但沉積建造是粘土礦物形成轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于不同時期沉積物的成分、孔隙水的性質(zhì)和泥巖生成有機(jī)酸的能力不同,其成巖期所形成的環(huán)境也不同,這種差異往往是粘土礦物成巖轉(zhuǎn)化的決定因素。因此,從某種意義上來說,盆地的構(gòu)造、沉積及氣候演化在宏觀上控制了粘土礦物的形成和演化。2砂巖中粘土的含量國內(nèi)外研究表明,在沉積、成巖條件大致相同的情況下,粘土礦物含量越高,砂巖的孔隙度、滲透率越低,儲集性能越差,砂巖中的粘土含量為1%～5%時,屬儲集性能較好的油氣層,當(dāng)粘土含量超過10%時,則認(rèn)為是較差的油氣層。本文的研究表明,粘土礦物絕對含量對砂巖儲集性能的影響與砂巖的成熟度有關(guān)。2.1東河砂巖儲層物性當(dāng)砂巖的成熟度高時,砂巖的主要膠結(jié)物為鈣質(zhì)或自生粘土礦物,在這種條件下粘土礦物絕對含量對砂巖儲集性能的影響比較明顯。研究表明,塔里木盆地砂巖中粘土礦物絕對含量的多少與其孔隙度和滲透率的大小一般呈負(fù)相關(guān),其中,對滲透率的影響要比對孔隙度的影響大得多。例如,塔中4井3597～3725m井段為東河砂巖,是陸源灘壩砂體,屬前濱-臨濱亞相。由于波浪的反復(fù)淘洗,東河砂巖具有較高的成分和結(jié)構(gòu)成熟度,砂質(zhì)純凈,粘土礦物絕對含量多為3%～5%,致使砂巖儲層物性較好,平均孔隙度達(dá)14.35%,最大為22.53%;平均滲透率為163.57×10-3μm2,最高為952.4×10-3μm2,是塔中地區(qū)重要的儲集層(表1)。隨著粘土礦物含量的增高,東河砂巖的孔隙度和滲透率都有所減小,而滲透率的變化更為明顯。如3614.5～3659.5m段砂巖,粘土平均含量為4.35%時,其平均孔隙度為19.54%,平均滲透率為191.21×10-3μm2;當(dāng)粘土平均含量為5.57%時,平均孔隙度為19.37%,平均滲透率為157.88×10-3μm2(表1)。由此可見,當(dāng)砂巖的成分和結(jié)構(gòu)成熟度較高時,粘土礦物的絕對含量是影響其儲集物性的一個重要因素。陜甘寧盆地中—東部上古生界砂巖以石英砂巖和巖屑砂巖為主,其成分和結(jié)構(gòu)成熟度較高。砂巖中粘土礦物含量為4%～33%,孔隙度為1.6%～10.1%,滲透率為(0.01～1.29)×10-3μm2。壓汞實驗表明,砂巖中的累計進(jìn)貢量、累計退貢量與砂巖中的粘土礦物含量之間具有明顯的關(guān)系(圖2)。在加壓30MPa的條件下,累計進(jìn)汞量為3.01%～87.55%,累計退汞量為3.01%～70.32%。當(dāng)粘土礦物絕對含量<6%時,累計進(jìn)汞量介于37%～87%,一般為58%;當(dāng)粘土總量>12%時,累計進(jìn)汞量急劇降低,僅為3.0%～31%;當(dāng)粘土總量<5%時,K·?值一般為(1～10)×10-5μm2,而當(dāng)粘土總量>6%時,K·?值則<0.5×10-5μm2,說明隨砂巖中粘土礦物含量的增加其儲集物性變差。2.2儲集物性影響粘土礦物絕對含量對砂巖儲集性能的影響不能一概而論,當(dāng)砂巖的成分和結(jié)構(gòu)成熟度較低時,粘土礦物絕對含量對砂巖的儲集物性影響不明顯。例如,塔里木盆地滿加爾坳陷滿參1井二疊系、志留系砂巖屬低成熟度砂巖,無論細(xì)砂巖還是中砂巖,粘土礦物絕對含量對其孔隙度、滲透率的影響均不大(表2)。另據(jù)鄭承光(1990)對陜甘寧盆地上古生界各層位砂巖中粘土含量的統(tǒng)計,當(dāng)砂巖中多種膠結(jié)物總量一定時,其粘土礦物含量與孔隙度之間呈正相關(guān)(圖3)。3儲集砂巖成分和結(jié)構(gòu)成熟度對多個油氣田砂巖儲層粘土礦物成分統(tǒng)計表明,膠結(jié)物中高嶺石含量高的砂巖,比綠泥石、蒙脫石、伊利石含量高的砂巖儲集物性好。但是,這種變化與砂巖的成分和結(jié)構(gòu)成熟度有密切的關(guān)系。當(dāng)成熟度高時,粘土礦物成分對砂巖儲集性能有顯著影響。3.1里木盆地塔中粘土礦物的儲集性能研究表明,陜甘寧盆地中—東部上古生界砂巖中的高嶺石含量與孔隙度呈明顯的正相關(guān)(圖4),隨砂巖中高嶺石含量的增多,K·?值和累計進(jìn)汞量增高。塔里木盆地塔中3井石炭系—二疊系砂巖儲層中的粘土礦物明顯受沉積相帶的控制。以高嶺石為主的礦物組合具有較好的儲集性能(表3)。塔里木盆地英買9井白堊系細(xì)砂巖具有較高的成分和結(jié)構(gòu)成熟度,粘土礦物成分與物性之間有明顯的相關(guān)性(圖5)。隨伊利石、綠泥石含量的增加,砂巖的滲透率有減小的趨勢;而隨伊/蒙間層礦物的增加,滲透率有增加的趨勢。滲透率與高嶺石含量呈負(fù)相關(guān),經(jīng)電子掃描顯微鏡研究證明,這種高嶺石為碎屑高嶺石,而非自生高嶺石。3.2地層巖性與沉積相的關(guān)系當(dāng)砂巖的成熟度很低時,粘土礦物的成分無論如何變化,其對砂巖儲集物性的影響甚微,參見表4。塔里木盆地滿參1井石炭系、泥盆系和志留系砂巖粘土礦物成分與其物性關(guān)系。這說明低成熟度砂巖的物性可能主要受巖石結(jié)構(gòu)的影響,粘土礦物僅僅起到填隙作用,不能改善儲層的物性。4墊式與伊利石粘土礦物的產(chǎn)狀是指自生粘土礦物分布特征及其與巖石骨架顆粒之間的相互關(guān)系,通常分為3種基本類型,即充填式(分散質(zhì)點式)、襯墊式(薄膜式)和搭橋式。研究證明,自生高嶺石多為充填式分布,綠泥石、蒙皂石為襯墊式,伊利石呈搭橋式分布。它們對砂巖儲層的儲集性能具有不同的影響。對塔里木盆地和陜甘寧盆地砂巖儲層粘土礦物的研究證明,粘土礦物的產(chǎn)狀對砂巖儲集性能的影響具有一定的規(guī)律。在孔隙度大體相同的條件下,砂巖的滲透率隨自生粘土礦物產(chǎn)狀降低的順序是:充填式(分散質(zhì)點式)→襯墊式(薄膜式)和→搭橋式(表5)。對陜甘寧盆地砂巖中粘土礦物產(chǎn)狀與壓汞關(guān)系的分析證明,以充填式或充填-混合式為主的砂巖的累計進(jìn)汞量明顯高于以薄膜式和搭橋式為主的砂巖(圖6)。它們的壓汞曲線形態(tài)也明顯不同,以充填式為主的砂巖,其壓汞曲線形態(tài)呈上斜平臺式。說明粘土礦物產(chǎn)狀對砂巖的儲集性能具有明顯影響,充填式的物性最好,襯墊、搭橋式較差。5儲層砂巖孔隙度較高,滲透率好研究證明,不同形態(tài)的伊利石對砂巖孔隙結(jié)構(gòu)和儲層物性等方面往往產(chǎn)生不同的影響(表6)。Ⅰ類伊利石多為葉片狀,銳度比較低,以它生碎屑伊利石為主,大都貼附在顆粒表面。塔里木盆地一些儲層砂巖的表面伊利石薄膜極為發(fā)育,阻止了石英顆粒的次生加大,有利于孔隙的保存,此類砂巖的孔隙度和滲透率都較高。Ⅱ類伊利石多為瘤狀和短纖維狀,此類伊利石部分增加了束縛孔隙,降低了孔隙度和滲透率,其中滲透率的降低更為明顯。Ⅲ類伊利石為典型的自生礦物,多為纖維狀或發(fā)絲狀,呈網(wǎng)狀搭橋式分布于砂巖之中,致使孔喉減小,彎曲度增加,