孔隙襯里綠泥石的成因及對儲層性能的影響

田建鋒，喻 建，張慶洲

1.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065

2.中國石油長慶油田分公司油藏評價處，西安 710021

3.中國石油長慶油田超低滲透油藏研究中心，西安 710018

0 引言

砂巖中呈放射狀圍繞顆粒表面生長的綠泥石被稱為孔隙襯里綠泥石，是自生綠泥石最常見的產(chǎn)出狀態(tài)；除此之外，還包括顆粒包膜綠泥石（呈包膜狀圍繞顆粒生長）和孔隙充填綠泥石（不圍繞顆粒）［1］。早在20世紀60年代，Heald［2］就已經(jīng)注意到孔隙襯里綠泥石對砂巖原生孔隙的保護作用，隨著挪威陸棚、北海盆地等深層異常高孔砂巖的發(fā)現(xiàn)［3－4］，孔隙襯里綠泥石的成因及對儲層性能的影響受到國內(nèi)外廣 大 學(xué) 者 的 關(guān) 注。Ehrenberg［3］、Ryan 等［5］、Grigsby［6］、Billault等［7］、Anjos等［8］、Berger等［9］、Thomas等［10］、Gould等［11］、Ajdukiewicz等［12］先后分析了不同盆地海相砂巖和風(fēng)成砂巖中孔隙襯里綠泥石的成因，并一致認為，孔隙襯里綠泥石可以抑制石英膠結(jié)，是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的根本原因，但是孔隙襯里綠泥石對石英膠結(jié)的抑制機理還存在爭議；我國對孔隙襯里綠泥石的研究，主要集中于鄂爾多斯盆地延長組河湖三角洲沉積砂巖，柳益群等［13］、黃思靜等［14－15］、羅靜蘭等［16］、高輝等［17］、姚涇利等［18］、田建鋒等［19－20］對延長組孔隙襯里綠泥石的研究表明，孔隙襯里綠泥石的發(fā)育有利于優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育，但孔隙襯里綠泥石的成因及對儲層的影響機理均存在爭議。不管是國內(nèi)還是國外，孔隙襯里綠泥石對儲層物性的影響，還主要停留在定性評價上，且沒有考慮孔隙襯里綠泥石的成因類型、砂巖組分特征及成巖演化過程等因素的差異，制約了孔隙襯里綠泥石對儲層影響的精細評價。為此，在前人研究基礎(chǔ)上，筆者對國內(nèi)、外的研究對象和研究成果進行反復(fù)比對和系統(tǒng)分析，以孔隙襯里綠泥石成因分析為基礎(chǔ)，結(jié)合砂巖組分特征和成巖演化階段，將現(xiàn)有看似分歧的觀點進行了統(tǒng)一化和系統(tǒng)化，提出了定量分析孔隙襯里綠泥石對儲層孔隙度影響的評價方法。

1 孔隙襯里綠泥石的主要成因模式

世界上許多盆地都發(fā)育孔隙襯里綠泥石砂巖，且均為富鐵綠泥石（表1）。豐富的鐵質(zhì)來源是控制孔隙襯里綠泥石形成和分布的關(guān)鍵因素，根據(jù)鐵質(zhì)來源，可將國內(nèi)外孔隙襯里綠泥石的成因分為以下3種類型。

1.1 同沉積黏土膜轉(zhuǎn)化型（轉(zhuǎn)化型）

同沉積黏土膜轉(zhuǎn)化型模式由Ehrenberg［3］正式提出，隨后 Ryan等［5］、Grigsby等［6］、Billault等［7］、Anjos等［8］、Gould等［11］對其進行了補充完善。該成因模式可分為4個階段：①鐵泥質(zhì)絮凝：Ehrenberg［3］在總結(jié)前人研究成果及分析挪威大陸架邊緣盆地侏羅系自生綠泥石時發(fā)現(xiàn)，自生綠泥石的分布受海相三角洲控制，認為鐵質(zhì)主要來源于物源區(qū)火山巖碎屑和各種暗色礦物的風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物以鐵的氧化物和氫氧化物的形式通過河流帶至入?？冢蚝Ｋc河水鹽度的差異，導(dǎo)致鐵質(zhì)在三角洲前緣發(fā)生絮凝；②形成黏土膜：受表層地球化學(xué)條件的控制，鐵泥質(zhì)在硫酸鹽還原帶之上形成包裹顆粒的早期黏土膜（鈦云母或磁綠泥石）［11，21］；③形成顆粒包膜綠泥石：隨著埋深和溫度的增加，在砂巖大量壓實發(fā)生前，早期黏土膜轉(zhuǎn)化成富鐵綠泥石膜［5－7］；④形成孔隙襯里綠泥石：在較大埋深條件下，早期形成綠泥石膜中相對小的顆粒熱力學(xué)穩(wěn)定性差，其溶解度比大顆粒大，因此會自發(fā)地發(fā)生小顆粒溶解和大顆粒長大的過程，即Ostwald熟化過程，將部分顆粒包膜綠泥石轉(zhuǎn)化成孔隙襯里綠泥石［6－7，25］。由于孔隙襯里綠泥石前身黏土膜形成時間早，發(fā)生在砂巖大量壓實前，因此在顆粒表面（包括顆粒接觸處）可見顆粒包膜綠泥石的存在，但孔隙襯里綠泥石僅分布于非顆粒接觸處。

表1 孔隙襯里綠泥石的主要成分Table 1 The composition of pore-lining chlorite

1.2 富鐵鎂物質(zhì)溶蝕再結(jié)晶型（溶蝕結(jié)晶型）

Berger等［9］在研究巴基斯坦Indus盆地白堊系Goru組砂巖時發(fā)現(xiàn)，顆粒接觸處無綠泥石存在，且X－衍射分析未發(fā)現(xiàn)可能存在磁綠泥石或鈦云母結(jié)構(gòu)的信息，表明孔隙襯里綠泥石形成于砂巖大量壓實之后；同時孔隙襯里綠泥石與自生石英和方解石的接觸關(guān)系表明，孔隙襯里綠泥石形成于石英膠結(jié)和方解石膠結(jié)之前，鐵質(zhì)來源于成巖階段火山物質(zhì)、角閃石、黑云母等富鐵鎂物質(zhì)的溶蝕。即孔隙襯里綠泥石在砂巖大量壓實之后，由富鐵鎂物質(zhì)溶蝕再結(jié)晶形成，室內(nèi)實驗已經(jīng)證實了該轉(zhuǎn)化過程的存在［26］。

1.3 轉(zhuǎn)化與直接結(jié)晶混合型（混合型）

該成因類型為上述2種模式的綜合。Gould等［11］通過對Scotian盆地上白堊統(tǒng)Missisauga組砂巖研究認為，包裹顆粒的綠泥石大多具有雙層結(jié)構(gòu)，靠近顆粒的自生綠泥石自形程度差，是早期沉積時期形成黏土膜轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物，而向孔隙延伸、自形程度高的孔隙襯里綠泥石是富鐵鎂物質(zhì)溶蝕再結(jié)晶的產(chǎn)物，且鐵鎂物質(zhì)溶蝕提供的鐵質(zhì)是其主要來源。

2 孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響方式

挪威大陸架中下侏羅統(tǒng)孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖孔隙度比預(yù)測的高10%～15%［3］；巴基斯坦Indus盆地白堊系Goru組孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖，在埋深3 000m以上、溫度175℃的條件下，孔隙度高達20%［9］；巴西Santos盆地白堊系砂巖埋深在4 000m以上，富孔隙襯里綠泥石砂巖仍保留20%的孔隙［8］；加拿大東部Scotian盆地早白堊世Missisauga組砂巖，孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖物性明顯偏好［11］；鄂爾多斯盆地三疊系延長組砂巖中，孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖大多屬于相對優(yōu)質(zhì)儲層［14，19－20］?？梢娍紫兑r里綠泥石的發(fā)育與優(yōu)質(zhì)儲層具有一定的內(nèi)在聯(lián)系，但是孔隙襯里綠泥石究竟如何影響儲層性能，卻存在較大爭議。其主要有抑制石英生長、提高抗壓能力、指示早期堿性溶蝕發(fā)育程度、堵塞孔喉等幾種觀點。

2.1 抑制石英生長

國外海相或海陸過渡相大量研究實例表明［3，6，9，11］：相同條件下，孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)少，物性好；而缺少孔隙襯里綠泥石的砂巖中石英次生加大強烈，物性差。可見孔隙襯里綠泥石對石英膠結(jié)具有明顯的抑制作用。但是孔隙襯里綠泥石對石英的抑制機理卻一直存在爭議：Ehrenberg［3］、Hillier等［27］、Aagaard等［28］、黃思靜等［14］認為綠泥石從空間上將自生石英的結(jié)晶基底（顆粒表面）與孔隙流體隔離，從而抑制了石英自生加大；而Billault等［7］發(fā)現(xiàn)孔隙襯里綠泥石晶體間存在大量的晶間孔，它不能真正地將孔隙流體與顆粒表面分開，而是通過占據(jù)石英加大的生長空間抑制其發(fā)育；田建鋒等［19］認為孔隙襯里綠泥石是通過占據(jù)石英的結(jié)晶基底并保持孔隙流體和顆粒表面的堿性條件來抑制石英顆粒的次生加大的，因為孔隙襯里綠泥石占據(jù)的僅是部分孔隙，如果孔隙流體適宜于石英膠結(jié)，大量的原生孔內(nèi)可以形成自生石英雛晶?？傊还芸紫兑r里綠泥石對石英的抑制機理如何，孔隙襯里綠泥石能夠抑制石英次生加大的形成是一個不爭的事實。

2.2 提高儲層抗壓能力

黃思靜等［14］、丁曉琪等［29］、蘭葉芳等［30］發(fā)現(xiàn)，孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖與類似埋藏深度的其他砂巖相比，通常具有較低的顆粒接觸強度，并據(jù)此認為是孔隙襯里綠泥石提高儲層抗壓能力的結(jié)果［14，29－30］，除此之外，尚無進一步的證據(jù)。對于準同生期形成的黏土膜，在早成巖階段砂巖整體壓實弱的情況下，可起到提高砂巖抗壓實能力的作用。但由于綠泥石的摩氏硬度低（2～3），隨著埋深的加大、壓實作用的加強，該積極因素難以在砂巖中得到保留；同樣，顆粒大量壓實之后形成的溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石，對砂巖抗壓實能力的提高也十分有限。

2.3 指示早期堿性溶蝕程度

田建鋒等［20］通過對延長組砂巖孔隙結(jié)構(gòu)、巖石組分和孔隙襯里綠泥石化學(xué)成分等方面的研究認為，鄂爾多斯盆地延長組火山物質(zhì)（火山灰雜基和火山巖巖屑）發(fā)育，它們的溶蝕是孔隙襯里綠泥石形成的主要原因，孔隙襯里綠泥石的含量指示火山物質(zhì)早期堿性溶蝕的程度。大量火山物質(zhì)溶蝕可能才是該類砂巖顆粒接觸強度較低的原因。巴基斯坦Indus盆地白堊系Goru組孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖中火山物質(zhì)也十分豐富，Berger等［9］認為孔隙襯里綠泥石是早成巖A期大量火山物質(zhì)溶蝕的產(chǎn)物，卻將相對優(yōu)質(zhì)儲層的形成全部歸功于孔隙襯里綠泥石對自生石英生長的抑制作用，而未考慮溶蝕作用本身的積極意義。

2.4 堵塞孔喉

Patrick等［31］通過對世界上54個公開報道較詳細的自生綠泥石發(fā)育區(qū)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，43個實例發(fā)育孔隙襯里綠泥石，且孔隙襯里綠泥石均抑制了石英生長，但其中20個實例綠泥石通過占據(jù)孔喉對儲層性能有一定的負面影響。因為不管是何種膠結(jié)物，其形成過程就是占據(jù)一定孔喉的過程，如不考慮后期對石英生長的抑制作用和形成時期其他物質(zhì)的溶蝕，孔隙襯里綠泥石形成過程本身就是堵塞孔喉、降低儲層性能的過程。

3 孔隙襯里綠泥石對儲層性能影響過程分析

通過上述分析表明：孔隙襯里綠泥石對儲層影響較大的方式主要為抑制石英生長、指示早期堿性溶蝕程度和堵塞孔喉3種；不同地區(qū)孔隙襯里綠泥石對儲層影響程度和方式均不同，甚至部分地區(qū)孔隙襯里綠泥石對儲層的影響還存在明顯爭議，主要是因為現(xiàn)今還沒有充分認識到，不同成因孔隙綠泥石對儲層性能的影響方式不同，相同成因孔隙襯里綠泥石所處的成巖階段不同，對儲層性能的影響方式和程度均不同。因此，需依據(jù)成因分類，按成巖演化階段分析孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響。因混合型孔隙襯里綠泥石是前2種綠泥石形成過程的綜合，下面重點討論前2種孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響過程。

3.1 轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響

砂巖沉積時期形成鐵質(zhì)絮凝物，占據(jù)了部分原生孔隙，導(dǎo)致砂巖原始沉積孔隙度偏?。煌蓭r期，絮凝物轉(zhuǎn)化為早期黏土包膜，此時對沉積物的孔隙度無明顯影響，但堵塞了部分沉積物喉道，降低了儲層滲透率；早成巖A期，砂巖發(fā)生大量壓實，但早期黏土膜的形成增加了沉積物的抗壓能力，有利于原生孔隙保存；早成巖B期，早期黏土膜發(fā)生綠泥石化，形成顆粒包膜綠泥石，但該過程對儲層性能整體無明顯影響；中成巖A期，有機酸進入儲層砂體，導(dǎo)致長石及部分巖屑發(fā)生酸性溶蝕，顆粒包膜綠泥石轉(zhuǎn)化為孔隙襯里綠泥石，?？梢婇L石部分溶蝕或溶蝕殆盡而殘余孔隙襯里綠泥石，該過程中孔隙襯里綠泥石對石英生長具有很強的抑制能力，但此時石英膠結(jié)整體不發(fā)育，與無孔隙襯里綠泥石的砂巖相比，其對石英生長的抑制程度較低，但壓實作用較強；中成巖B期－晚成巖期，隨著埋深加大，溫度、壓力升高，在缺少孔隙襯里綠泥石的地方，石英膠結(jié)不斷加強（圖1A），而孔隙襯里綠泥石發(fā)育的地方，其抑制石英生長的能力得到充分發(fā)揮，抑制程度越來越明顯（圖1B）。

3.2 溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響

沉積時期，富鐵鎂物質(zhì)與其他顆粒一起沉積，形成初始顆粒骨架。早成巖A期，砂巖發(fā)生大量壓實，開始生成孔隙襯里綠泥石，原生孔隙大幅減少；因整體壓實強度較弱，富鐵鎂物質(zhì)含量的多少對沉積物物性無明顯影響。早成巖B期，達到富鐵鎂物質(zhì)溶蝕的高峰，形成了大量溶蝕孔和孔隙襯里綠泥石［20］，同時降低了砂巖的抗壓實能力并占據(jù)了部分孔喉；由于此成巖階段砂巖物性好、流體活動通暢，大量溶蝕產(chǎn)物被帶出，溶蝕作用的積極意義大于綠泥石膠結(jié)的消極影響，但壓實作用導(dǎo)致的孔隙損失相對較大。中成巖A期，溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石對儲層的影響與轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石相同，但壓實作用相對更強。中成巖B期－晚成巖期，在缺少孔隙襯里綠泥石的地方石英膠結(jié)不斷加強，而孔隙襯里綠泥石發(fā)育的地方，其抑制石英生長的能力一樣得到充分發(fā)揮，抑制程度越來越明顯；但是形成該類孔隙襯里綠泥石的砂巖中，長石、巖屑等塑性組分含量一般較高，且因早期溶蝕導(dǎo)致砂巖抗壓能力下降，晚成巖階段機械壓實作用相對十分強烈，即使孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖，物性也較差（圖1C）。

圖1 孔隙襯里綠泥石的形成及對儲層性能的影響過程示意圖Fig.1 The pore-lining chlorite formation process and its influence on reservoir quality

3.3 典型地區(qū)孔隙襯里綠泥石對儲層的影響分析

3.3.1 挪威大陸架中下侏羅統(tǒng)轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石對儲層的影響

據(jù)Ehrenberg［3］報道，該區(qū)最高成巖演化階段為中成巖B期，發(fā)育5%左右的轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石，孔隙襯里綠泥石發(fā)育區(qū)石英膠結(jié)物體積分數(shù)平均為2%左右，而綠泥石不發(fā)育區(qū)自生石英加大平均達16%，可見孔隙襯里綠泥石對石英生長的抑制作用為14%，減除孔隙襯里綠泥石占據(jù)的孔隙，孔隙襯里綠泥石的實際貢獻為9%（表2）。該區(qū)綠泥石發(fā)育區(qū)孔隙度較不發(fā)育區(qū)平均高11%，表明孔隙襯里綠泥石的發(fā)育是該區(qū)儲層物性好的主要原因，但不是唯一原因。因為孔隙襯里綠泥石一般發(fā)育于粒度粗、分選好、雜基含量低的砂巖中，砂巖結(jié)構(gòu)較綠泥石不發(fā)育區(qū)優(yōu)越［18］，還可能存在差異溶蝕作用，這些因素的影響以前也常被歸功于綠泥石的保護作用。同時國外孔隙襯里綠泥石發(fā)育區(qū)石英顆粒含量一般較高（表1），抗壓實能力強，是晚成巖階段依然具有較高孔隙度的重要保證。

3.3.2 鄂爾多斯盆地延長組溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石對儲層的影響

鄂爾多斯盆地延長組成巖演化的最高階段為中成巖A期，發(fā)育3%的溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石，綠泥石的形成過程中產(chǎn)生了8%的堿性溶蝕孔，孔隙襯里綠泥石發(fā)育區(qū)石英膠結(jié)物為1.1%，而綠泥石不發(fā)育區(qū)為1.6%，可見孔隙襯里綠泥石對石英的抑制量僅為0.5%（成巖演化程度低的緣故），孔隙襯里綠泥石對儲層的實際貢獻值為5.5%［20］（表2）。而實際孔隙襯里綠泥石發(fā)育的砂巖孔隙度僅比不發(fā)育綠泥石的砂巖高3%（表2），這是由于堿性溶蝕作用發(fā)生在早成巖階段［20］，大量火山物質(zhì)的溶蝕降低了砂巖的抗壓實能力，堿性溶蝕產(chǎn)生的孔隙因后期壓實作用而未能全部保留，同時可能還有差異溶蝕和其他膠結(jié)物不均勻分布的影響。

表2 孔隙襯里綠泥石對儲層孔隙度的影響Table 2 The influence of pore-lining chlorite on the porosity of sandstone reservoir

4 結(jié)論

1）依據(jù)孔隙襯里綠泥石形成的鐵質(zhì)來源，可將其劃分為同沉積黏土膜轉(zhuǎn)化型、富鐵鎂物質(zhì)溶蝕再結(jié)晶型和轉(zhuǎn)化與直接結(jié)晶混合型3種類型。

2）孔隙襯里綠泥石可以通過抑制石英生長、提高抗壓實能力、指示早期堿性溶蝕發(fā)育程度和堵塞孔喉等4種方式影響儲層性能。轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石同生成巖期占據(jù)孔喉，早成巖階段提高抗壓能力，中成巖A期抑制少量石英生長，中成巖B期－晚成巖階段對石英加大的抑制量愈來愈大；溶蝕結(jié)晶型孔隙襯里綠泥石早成巖階段指示火山物質(zhì)堿性溶蝕程度，中成巖階段－晚成巖階段的作用與轉(zhuǎn)化型孔隙襯里綠泥石一致，但機械壓實作用更強。

3）孔隙襯里綠泥石是否指示堿性溶蝕程度，由綠泥石的成因決定；而是否抑制石英生長及抑制石英生長量的多少，受砂巖成巖演化階段影響。評價孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響時，需充分考慮砂巖的成分和結(jié)構(gòu)特征，才能客觀評價孔隙襯里綠泥石對儲層性能的影響。

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