廣安地區侏羅系涼高山組粘土礦物研究

王永生，朱國華，王瑩

(中國石油 杭州地質研究院，碳酸巖鹽重點實驗室，杭州 310023)

圖1 研究區區域構造示意圖

粘土礦物是沉積巖中分布最豐富的礦物，在沉積巖石學、石油地質學以及油氣勘探開發中的應用越來越廣。在石油工業中，粘土礦物的研究涉及地殼結構運動和盆地構造發展史研究、地層沉積和成巖作用研究及油氣的生成、運移、富集和鉆井工程、油層保護油田開發、三次采油、煉油等各個方面，與油氣勘探開發的各個環節都有著十分密切的關系[1]。粘土礦物一般存在礫巖、砂巖、粉砂巖等陸源碎屑巖中，常見粘土礦物有蒙皂石、伊利石、高嶺石、綠泥石，以及伊蒙混層和綠蒙混層等，其組成、含量、物理化學性質和成巖變化特征以及它們在儲層孔隙中的分布特征等；不僅對沉積盆地內油氣的運移和聚集起著重要作用，而且對油氣勘探開發過程也有著重要影響。廣安地區涼高山組儲集層巖性為一套細砂巖-粉砂巖夾黑色泥巖與泥質粉砂巖呈條紋或帶狀互層，巖石類型主要為長石巖屑砂巖，其孔隙度為一般1%～5%，平均2%左右；滲透率平均 0.055×10-3μm2，屬于特低滲透儲層，該類儲層一般無自然產能需要人工壓裂，本文對該區開展粘土礦物特征研究，并探討了該區儲集層的成巖階段及粘土礦物與孔隙結構的相關性。

圖2 川中地區涼高山組生儲蓋組合綜合柱狀圖

1 研究區的地質背景

研究區(圖1)區域構造位置處于四川盆地川中古隆起平緩構造區，行政位置位于四川省南充市、廣安市境內。地理位置包括南充以東，營山以南、華鎣山以西和合川以北，共5 100km2。根據前人的研究成果對涼高山組進行了地層對比與劃分，將涼高山組分為涼上、涼下兩段（圖2），涼上段再細分為涼I、涼I～II及涼II三層[2]，涼高山組是繼大安寨末湖盆萎縮后又一次大規模的湖侵的沉積產物，為內陸淡水湖泊沉積環境。依據12口井的50個粘土礦物x衍射分析、全巖x衍射、物性和掃描電鏡微觀結構圖像對涼高山組粘土礦物特征進行綜合分析。

2 粘土礦物含量及對孔隙度的影響

表1從上到下：各井在平面上從北東到西南向分布，粘土在全巖礦物中的含量增加，從7.7%到35.7%，孔隙度則具降低趨勢。基本表現為，粘土含量≤21% ，孔隙度>2.5%；粘土含量>21%，孔隙度<2%。

表1 涼高山組巖石成分及孔隙度數據 （單位：%）

3 粘土礦物類型與孔隙結構及孔隙度的關系

本區粘土礦物主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石四種礦物組成，以伊/蒙混層為主，其次為綠泥石、伊利石和高嶺石（表2）。

粘土礦物種類在研究區內沒有明顯的差異，比較明顯特征的是伊蒙混層含量普遍較高，多為有序混層；同一口井隨著深度的增加，伊蒙混層中的蒙脫石混層比下降，有序度變好，在蒙皂石伊利石化是通過固態轉變途徑[3],該途徑涉及伊利石對蒙皂石的形衍替代(固態反應轉變),替代過程中伊利石的Reichweite有序、多型、大小和形態均逐步變化,且在顆粒大小和形態上繼承了先前的蒙皂石。高嶺石和綠泥石變化不明顯，含量較高，可能與取樣的井深覆蓋的范圍有關，規律性不強。隨著伊利石、伊蒙混層在粘土礦物中的相對含量降低，綠泥石、高嶺石在粘土礦物中的相對含量增加，巖石孔隙結構變好，儲集層物性也有所改善。

表2 粘土礦物類型與孔隙度對比表

4 粘土礦物分布狀態與孔喉特征

該區的粘土礦物種類有主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石等四種礦物，粘土礦物主要作為膠結物和雜基形式存在于巖石組構中。通過掃描電鏡對粘土礦物的微觀形態觀察：

1）高嶺石的產狀為：①粒間孔隙充填：呈分散質點狀、書狀集合體，晶粒一般5μm，見圖3a；②粒間孔充填蠕蟲狀高嶺石，個別呈絨球狀，晶形完好，粒徑可達10μm，見圖3b；

2）伊利石的產狀有：①粒間孔充填：呈彎片狀，邊緣略卷曲，或絲狀與綠泥石共生；②交代式：伊利石交代長石；③薄膜式：包圍顆粒表面，晶片平行顆粒表面排列(切線方向),在本區較普遍；

3）伊/蒙間層的產狀有：①顆粒包殼(包被)，對于間層比＞30%的樣品常見，呈類似蜂窩狀到不規則的破網狀，如圖3c；②粒間孔隙充填，與綠泥石、高嶺石、伊利石等共存，見圖3f；

4）綠泥石的產狀有：①包殼或襯邊：晶體近于垂直顆粒表面排列，大小為 2～5μm，②粒間孔隙中充填的綠泥石：呈片狀，與伊利石共生，晶體＜5μm，見（圖3d、3e）；③絨球狀或扇形：為深層系的綠泥石主要產狀，晶片10～15μm ，集合體 10～30μm，④絮團狀：由＜5μm 的綠泥石構成的集合體，絮團形狀不規則，其內微孔發育。

該區粘土礦物對孔隙的影響是雙重的，一方面隨著粘土礦物含量的增加，原生孔隙被充填，導致原生孔隙和喉道的進一步減少和降低，另一方面粘土礦物中的微孔和次生變化形成的晶間孔和高嶺石、綠泥石等在成巖過程中形成的收縮孔等增加了有效孔隙和喉道，改善了儲層的儲集性能。研究表明，該區粘土礦物內微孔和粒內溶孔較發育，對儲集層的孔隙結構有改善作用，其余孔隙不發育，因而對該區而言，粘土礦物內的微孔值得重視，需要進一步加強研究，無論對于儲層研究還是油田開發等都有著深刻的現實意義。

圖3 粘土礦物微觀形態圖

5 粘土礦物種類與成巖作用

一定的礦物組合與一定的成巖環境密切相關，該區的礦物組合為高嶺石（K）、伊利石（I）、伊/蒙混層（I/S）及綠泥石（C）；I（伊利石）和I/S（伊/蒙混層）含量基本大于70%，K（高嶺石）和 C（綠泥石）含量之和一般小于 30%，按照王行信[4]等人根據粘土礦物組合對成巖階段的劃分，應歸于晚成巖階段A亞期砂泥巖（尤其是泥巖）典型的粘土礦物組合，一般與有機質低成熟-成熟階段相對應，這和對該區的鏡質體反射率（RO）介于0.7～1.2之間相吻合。

6 粘土礦物與成巖階段的劃分

粘土礦物及其演化一直作為碎屑巖成巖作用中重要的“序參量”加以研究，特別是蒙脫石向伊利石轉化反應受到石油地質家的極大關注，混層粘土礦物I/S的混層比參數%S可以作為成巖階段劃分的重要標志，該區的研究表明，隨著深度的增加，成巖作用加強，巖石中蒙皂石已經消失，轉化為間層礦物，間層礦物先增加后減少，伊/蒙混層中蒙脫石層（S）含量減少且由無序向有序轉變，最終轉化成伊利石，參照張一偉[5]等的粘土礦物轉化帶劃分，對本區的粘土礦物的演化進行分析：1）蒙皂石帶：伊蒙混層中的蒙脫石含量高于70%，離散狀分布，結合粘土X衍射和掃描電鏡微區分析，本區未發現。2）蒙脫石間變帶：埋深1 800～2 000m,伊蒙混層中的蒙脫石含量50%～70%，有機質未成熟，RO＜0.5%,相當于早成巖B期[6]。3）第一迅速轉化帶：埋深2 200～2 620m, 伊蒙混層中的蒙脫石含量35%～50%，對有機質的催化起著重要作用，促進了干酪根的熱裂解，產生的短鏈羧酸和二氧化碳氣體，改變了酸堿環境，同時有機酸的產生加速了長石等鋁硅酸鹽的溶解，本區的粘土礦物部分處于該階段，是生油的重要階段。4）第二迅速轉化帶：埋深＞2 650m, 伊蒙混層中的蒙脫石含量約小于 35%，次生孔隙局部發育，對應與晚成巖階段，生油的高峰期階段，結合其它手段研究表明，涼高山組正處于生油高峰期階段。5）伊利石帶：伊蒙混層中的蒙脫石含量約小于10%，伊利石大量出現，本區基本未見。

7 結論

1）本區涼高山組粘土礦物主要由高嶺石、伊利石、伊/蒙混層及綠泥石四種礦物組成，以伊/蒙混層為主，混層比中蒙脫石含量低于50%，其次為綠泥石、伊利石和高嶺石。

2）研究表明，涼高山組目前正處于生油高峰期，RO介于0.7%～1.2%之間。

3）該區粘土礦物中的微孔對改善儲層的儲集性能有較大的貢獻，值得進一步加強研究。

[1]王行信. 我國油氣勘探開發中粘土礦物研究的現狀與建議[J]. 石油勘探與開發，1997，24（6）：99～100.

[2]唐大海. 川中東部侏羅系涼高山組儲層特征研究[J]. 天然氣勘探與開發，2002，23（4）：25～29

[3]AltanerSP,Yla ganrf.com.parison of structural model of mixed-layer illite-smectite and reaction mechanisms of smectite illitization[J].clays and clayminerals,1997,45:517-533

[4]王行信. 韓守華，中國含油氣盆地砂泥巖黏土礦物的組合類型[J]. 石油勘探與開發，2002，8（12）：36～38

[5]張一偉. 熊綺華，王志章, 等. 陸相油藏描述[M]. 北京：石油工業出版社，1997, 99～120

[6]劉蒙慧. 碎屑巖儲層成巖演化模式[M]. 北京. 中國石油大學出版社，1993.