砂巖中自生粘土礦物的研究現狀、內容和方法

摘 要：自生粘土礦物是砂巖中重要的填隙物，也是砂巖成巖階段劃分的重要指示礦物。該類礦物在油氣勘探開發過程中備受關注。隨著石油工業的大發展，砂巖中自生粘土礦物的研究，目前已取得了長足進展。本文以高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等砂巖中常見自生粘土礦物為例，從研究現狀、內容和方法三方面綜述砂巖中的自生粘土礦物。通過大量的文獻調研認為：研究內容主要包括礦物學特征、賦存狀態（產狀）、發育機理及對儲層物性的影響等方面；薄片鑒定、染色分析、熱分析、X-射線衍射分析和掃描電鏡相結合是研究砂巖中自生粘土礦物的常規手段，目前亟待發展特色研究方法。

關鍵詞：自生粘土礦物 產狀 物性 砂巖

中圖分類號：P57 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0053-03

自生粘土礦物通常晶形好、透明度高，是砂巖中較重要的填隙物，也是砂巖成巖階段劃分的重要指示礦物。砂巖中自生粘土礦物的研究源于沉積巖石學，其研究水平在砂巖成巖作用和儲層保護機理的研究中得到很大提高。雖然自20世紀60年代起，人們就已經開始關注自生粘土礦物與砂巖儲層質量的關系，但是有關砂巖中自生粘土礦物研究現狀、研究內容和研究方法等方面的論述僅散見于沉積巖石學和儲層地質學等教材和相關專業文獻中，缺乏系統綜述。鑒于此，本文主要以高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等自生粘土礦物為例，對砂巖中常見自生粘土礦物的研究現狀、內容和方法進行較全面的綜述，期望該領域的研究水平不斷攀升，科研碩果壓滿枝頭。

1 研究現狀

20世紀20年代X射線技術誕生時，人們才知道粘土的本質[1]。Hadding（1923）和Rinne（1924）提出了粘土均為結晶質的結論，美國的Ross（1925）和Shannon（1926）再次肯定了他們的結論。Hendricks（1940）指出粘土礦物晶體構造中廣泛存在著規則和不規則的變化。1949年至1950年Kerr主持編寫了《粘土礦物基準》，1953年Grim出版了的《粘土礦物學》，同年，日本的須藤俊男也出版了《粘土礦物》，使粘土礦物作為地質學科領域中一門獨立的學科走向歷史舞臺。1980年國際粘土學會提出的層狀粘土礦物的晶體化學分類表，使粘土礦物研究進入了一個新的階段[2]。

在油氣勘探領域，20世紀60年代以來，粘土礦物與儲層的關系，愈來愈受到人們的關注。70年代以后，粘土礦物分析已列為設計鉆井、完井、油田開發和油層改造等各項工程設計時必須提供的基礎資料。

Neasham（1977）研究后首先發現，自生粘土礦物在砂巖孔隙中的不同產狀對砂巖的孔隙度、滲透率的影響基本上按分散質點式—薄膜式—搭橋式的順序依次降低。Ehrenberg（1993）、Baker等（2000）注意到綠泥石包膜對海相砂巖儲層中孔隙的保護機制，Berger（1999），Gill和Yemane（1999），Lanson（2002），Turkmenoglu和Tankut（2002），Grevenitz（2003），Shaw（2006）主要研究儲層中粘土礦物的成巖作用及發生機制[3]。Needham等（2005）在實驗室內研究了粘土礦物的生成。21世紀，在砂巖儲層中自生粘土礦物研究方面典型的代表是國際沉積學家聯合會在2003年出版的第34期特輯《Clay Mineral Cements in Sandstones》，這為未來的研究指明了方向。

我國石油系統從20世紀60年代開始對粘土礦物進行研究。1986年，由趙杏媛、張有瑜等人承擔部級“七五”課題《粘土礦物研究及其在石油勘探開發中的應用》；1993年，中國石油天然氣總公司科技局設立“中國含油氣盆地粘土礦物圖冊”（徐同臺等，2003）；1995年，由趙杏媛、王行信等人出版了《中國含油氣盆地粘土礦物》，代表了20世紀我國對儲層粘土礦物研究的最高水平。

21世紀以來，隨著科學技術的發展，埋藏成巖過程中粘土礦物的演化預測、動力學研究、微生物對粘土礦物的作用；沉積有機質與粘土礦物的有機—無機相互作用；砂巖中自生伊利石的形成機制以及顆粒包膜和孔隙襯里的自生綠泥與孔隙保存或演化的關系等都是近幾年碎屑巖沉積學和石油地質學的研究熱點。

2 研究內容

2.1 礦物學特征

粘土礦物是一種含水的硅酸鹽或鋁硅酸鹽，分為非晶質和結晶質兩類。后者分為層狀和鏈層狀兩種結構類型，最常見的是層狀結構的粘土礦物。層狀結構的粘土礦物根據結構單元層分為1∶1型（高嶺石族礦物）、2∶1（水云母族礦物）型和2∶1∶1（綠泥石族礦物）型三種類型。不同類型的粘土礦物表現的礦物學特征各不相同[4～6]（表1）。

2.2 賦存狀態

自生粘土礦物的賦存狀態是指粘土礦物分布特征及其與巖石骨架顆粒之間的相互關系，表現了粘土礦物在油氣層巖石孔道中的存在位置，以及粘土礦物本身的聚集狀態[7]。通常分為三種基本類型，即充填式（分散質點式）、襯墊式（薄膜式）和搭橋式。

孔隙充填式是指粘土礦物以假六片狀，絮狀等單體形態或以花朵狀、花瓣狀等集合體充填于砂巖顆粒之間的孔隙中或微裂隙壁上。按其充填的程度可分為完全充填與不完全充填（圖1）；薄膜式指粘土礦物在碎屑巖顆粒表面呈定向排列，組成連續的貼付于孔隙壁上的薄膜。在鏡下看，粘土礦物在顆粒表面排列具明顯的方向性，根據其排列方向與顆粒表面夾角的關系，可分為兩種：一種是其排列與顆粒表面近于平行；另一種是垂直于顆粒表面向孔隙內生長，即櫛殼狀。搭橋式是粘土礦物自顆粒表面向孔隙中垂直生長，生長快者可到達孔隙的彼岸，在孔隙中形成粘土礦物渡橋，其間有空洞存在，故稱為搭橋式（圖1）。

2.3 發育機理

自生粘土礦物是在砂巖儲層的成巖過程中，由某些先驅物質蝕變或者孔隙水直接沉淀形成的粘土礦物，自生粘土礦物的形成條件取決于砂巖中礦物的成分、孔隙流體的性質、溫度及氫離子濃度。砂巖中常見自生粘土礦物的反應過程式如下：

2NaAlSi3O8（鈉長石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+4SiO2+2Na+

2KAlSi3O8（鉀長石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+4SiO2+2K+

3KAlSi3O8（鉀長石）+2H++H2O= KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+6SiO2（硅質）+2K++H2O

3NaAlSi3O8（鈉長石）+K++2H++H2O =KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+3Na++6SiO2（硅質）+H2O

3Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+2K+= 2KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+2H++3H2O

4.5K++8Al3++蒙皂石→伊利石+Na++ 2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

4Fe2++2Mg2++3Al2Si2O5（OH）4（高嶺石）+9H2O=Fe4Mg4Al6Si6O20（OH）16（綠泥石）+14H+

KAlSi（鉀長石）+0.4Fe2++0.3Mg2++ 1.4H2O=0.3（Fe14Mg12Al2.5）（Al0.7Si3.3）O10（OH）8（綠泥石）+2SiO2+0.4H++K+

2Al（OH）3+3H4SiO4+Fe2++4Mg2+= FeMg4Al2Si3O10（OH）8（綠泥石）+10H+

2.4 對儲層物性的影響

砂巖的滲透率隨著自生粘土礦物在孔隙中的產狀不同，按分散質點式，薄膜式，搭橋式，依次降低，主要是因為儲層的滲透率有砂巖的孔喉半徑大小和連通性所決定Neasham（1977）。對多個油氣田砂巖儲集層自生粘土礦物成分統計表明，膠結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[8～11]。

分散質點式充填的自生高嶺石，充填于孔隙內，在一定的程度上抑制了其他的膠結作用壓和實作用的進行，保護了砂巖的原生孔隙，而且自生高嶺石發育的晶間孔，也增大了儲層的儲集空間；薄膜式或搭橋式充填的伊利石晶間孔不發育，纖維狀和發絲狀的伊利石圍繞顆粒表面生長，使孔隙喉道的空間減小，把大量的孔隙切割成微細的束縛孔隙，孔滲性降低，物性變差[12]；綠泥石一方面使砂巖的抗壓實作用增強，保護了砂巖的原生孔隙；另一方面在顆粒表面形成粘土薄膜，或以集合體充填孔隙，能有效地減少孔隙的有效半徑，堵塞喉道，使物性變差。研究表明，在孔隙度相同的情況下，砂巖的滲透率從高嶺石-綠泥石-伊利石逐漸降低（Willson，1982）。通過對鄂爾多斯盆地砂巖中自生粘土礦物產狀與壓汞關系的分析，也證明了粘土礦物產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。

3 研究方法

砂巖中自生粘土礦物的研究主要是在室內借助分析測試儀器進行。利用薄片鑒定、染色分析、差熱分析、熱重分析、X射線衍射分析、掃描電鏡等方法（表2）。

3.1 染色分析和熱分析

染色分析是利用染料與研究對象所發生的物理化學反應現象，按照粘土礦物的染色特征，可以鑒定粘土礦物的類型。在孔雀綠色劑的作用下，高嶺石呈藍-藍綠；伊利石呈綠藍-綠；蒙脫石呈黃-紅黃；綠泥石呈綠藍[13]。

熱分析主要是熱重分析和差熱分析。熱重分析（TG）是程序控制溫度下測量物質的質量與溫度的關系的一種技術。差熱分析（DTA）是在程序溫度控制下，測量物質與參比物（具熱惰性）之間的溫度差與溫度關系的一種技術，其結果是以熱效應對爐溫的連續曲線的形式繪出[14]。法國H.Chatelier在1887年將差熱分析法應用于研究粘土類礦物熱效應。利用差熱分析鑒定粘土礦物主要是將獲得的DTA曲線與純礦物的標準曲線比較。

常見自生粘土礦物的差熱曲線（圖2），高嶺石在400 ℃～500 ℃開始失去結晶水，表現強烈、尖銳的吸熱谷；950 ℃～1050 ℃時有一放熱峰。伊利石在100 ℃～200 ℃出現吸熱谷，550 ℃～650 ℃有一寬緩的吸熱谷出現。蒙皂石在100 ℃～300 ℃出現吸熱谷，形成復谷，是逸出吸附水的反應；在800 ℃的吸熱谷是蒙皂石的特征谷[15]。

3.2 X—射線衍射

X射線衍射分析方法基本原理：是利用X射線衍射圖譜進行粘上礦物的定量分析，根據衍射峰值計算出晶面間距，判斷出礦物類型，并半定量的推斷出樣品中各種粘土礦物的百分含量。晶面間距根據布拉格定律計算，布拉格定律表達式為：

（d為晶面間距；n為正整數；λ為入射X射線的波長；θ為產生衍射峰值時X射線入射角）

某一種粘土礦物在樣品中的含量比越高則它的衍射蜂強度越強。X—射線衍射圖譜常常也可以獲得存在于樣品之中的各主要粘土礦物組分的化學成分方面的信息[16]。

3.3 掃描電鏡

掃描電鏡能直接觀察巖石樣品原始表面，具有景深大、圖像立體感強、分辨率較高，放大倍數大等特點，是自生粘土礦物定性分析的一種常用手段[17]。在電鏡掃描下不同類型的粘土礦物表現出不同的晶體形態（表1），掃描電鏡下也可以直觀地看到粘土礦物的空間分布特征（圖1）。

3.4 陰極發光

陰極發光顯微鏡技術用于研究巖石礦物組分特征的一種快速簡便的分析手段。其原理是：電子束轟擊到樣品上，激發樣品中發光物質產生熒光，又稱陰極發光[18]。礦物陰極射線致發光的主要原因有兩種：一是礦物中含雜質元素或微量元素（激活劑）；二是礦物晶格內有結構缺陷。

大多數高嶺石為靛色發光，如靛青色、靛藍色等。其發光程度與晶體結晶程度以及成因有關。結晶度良好，發光性強，反之，則發光微弱。

3.5 電子探針

電子探針是在電子光學和X射線光譜學原理的基礎上發展的一種高效率分析儀器，主要是進行微區成分分析。原理是：用細聚焦電子束入射樣品表面，并在一個微米級的有限深度和側向擴展的微區體積內激發，主要用二次電子和背射電子觀察樣品的形貌，測量特征X射線波長與強度，對樣品中元素進行定性、定量分析進行成份分析[19]。

奧比（1966）根據綠泥石的光性特征及與Fe/（Fe+Mg）的關系將綠泥石劃分為富Mg、Mg—Fe、Fe—Mg、富Fe的四個亞類。對綠泥石玉進行電子探針分析，發現其屬于富鎂亞類的斜綠泥石。

4 結語

隨著石油工業的大發展，砂巖中自生粘土礦物的研究目前已經取得了長足發展。對于高嶺石、伊利石、綠泥石和蒙皂石等砂巖中常見自生粘土礦物的研究已經比較深入。對于自生粘土礦物的礦物學特征和賦存狀態（產狀）的認識目前已經比較清晰，自生粘土礦物的發育機理及其對儲層物性的影響等方面還有許多疑惑需要研究。多種分析方法相結合是研究砂巖中自生粘土礦物的常規手段，目前亟待發展特色研究方法。

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