自生黏土礦物對儲集層性質和油田開發的影響—以鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組為例

黃 靜，張才利，解古巍，劉學剛，丁雅琴，張仁燕，雷 鈺

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018）

油氣地質

自生黏土礦物對儲集層性質和油田開發的影響—以鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組為例

黃 靜1，2，張才利1，2，解古巍1，2，劉學剛1，2，丁雅琴1，2，張仁燕1，2，雷 鈺1，2

（1.中國石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西西安 710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，陜西西安 710018）

利用X射線衍射及掃描電鏡技術，研究了鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組自生黏土礦物的類型、分布和產狀。結果表明研究區自生黏土礦物以高嶺石和綠泥石為主，有少量自生伊利石和伊利石/蒙皂石間層黏土礦物，自生高嶺石主要分布在姬塬地區西部的X1小層，自生綠泥石在姬塬-華慶地區各小層均有不同程度的分布，但西部自生綠泥石的含量都高于東部。自生黏土礦物的產狀主要有分散質點式、孔隙襯里式和網狀交織式。同時對自生黏土礦物的形成機理進行了探討，并指出了研究區黏土礦物對油田開發的影響，為后期油田的合理開發提供了地質依據。

鄂爾多斯盆地；姬塬-華慶地區X油層組；自生黏土礦物；油田開發

黏土礦物是儲集層砂巖中較為普遍的層狀鋁硅酸鹽礦物，是影響砂巖儲集性能的重要因素之一。沉積巖中的黏土礦物包括了沉積和成巖兩種截然不同的成因，沉積成因的黏土礦物主要是指與陸源碎屑顆粒一起沉積的陸源碎屑黏土礦物，而成巖成因的黏土礦物則是指在成巖過程中形成的自生黏土礦物。自生黏土礦物的含量、產狀、時空分布等與原生孔隙的保存、次生孔隙的發育以及油氣的開發等都有著密切的關系，因而分布于孔隙中的自生黏土礦物具有更為重要的意義。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地晚三疊世延長期發育大型克拉通坳陷湖盆，整體上具有盆大、坡緩、水淺、源多、構造穩定等的特征[1]。盆地從晚三疊世開始進入內陸坳陷盆地沉積階段，上三疊統延長組為第一個沉積旋回，沉積基本以北緯38°為界，碎屑粒度北粗南細，北薄南厚。三疊系延長組經歷了湖盆產生、發展直至消亡的整個演化過程，為一套在盆地持續坳陷和穩定沉降過程中堆積的河流-湖泊相陸源碎屑巖沉積體系[2]。姬塬-華慶地區X油層組即為在此基礎上沉積的一套湖泊、三角洲體系[3]，為了研究需要和討論方便，本文根據地理位置將姬塬-華慶地區劃分為姬塬和華慶兩個地區，在此基礎上劃分出東西方向上的姬塬西、姬塬東、華慶西和華慶東四個亞區。

2 黏土礦物特征

2.1 黏土礦物的類型

對姬塬-華慶地區X油層組147個砂巖樣品進行了系統的黏土礦物X射線衍射分析，表明伊利石是含量最多的黏土礦物，占了黏土礦物總量的一半，但其中絕大部分并不是自生成因，這些伊利石主要賦存于雜基、泥巖巖屑和其他含泥巖石（如泥質粉砂巖或粉砂質泥巖）的巖屑中。所有樣品中都沒有檢測到蒙皂石，這些蒙皂石都已轉化成間層伊利石/蒙皂石或伊利石。間層伊利石/蒙皂石在姬塬-華慶地區X油層組的含量在10%～15%，是含量相對較少的黏土礦物類型，而且伊利石層的含量較高，平均值大于80%，已非常靠近伊利石端元。另外，據X射線衍射分析結果，少數樣品中還存在間層比為1∶1的規律交替排列的間層伊利石/蒙皂石，即累托石（Re）[4]。總體上說，姬塬-華慶地區X油層組自生黏土礦物以高嶺石和綠泥石為主（見表1，圖1）。

2.2 主要自生黏土礦物的分布特征

主要作為化學成巖作用產物的自生黏土礦物的存在不是孤立的，其形成與作為骨架顆粒的各種鋁硅酸鹽礦物的溶解有關，也可能與黏土礦物自身的演化有關，也可能與其他有關機制（如火山作用）有關，如自生石英、自生碳酸鹽礦物和自生黏土礦物可能都與長石溶解有關，因而不能孤立研究自生黏土礦物。要得出與黏土礦物形成機制有關的正確結論，對砂巖中其他主要自生礦物進行綜合研究是非常必要的。鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組自生礦物的主要類型除自生黏土礦物以外，還包括自生碳酸鹽礦物（主要為方解石、白云石和菱鐵礦）、自生石英、自生長石（主要為鈉長石）以及其它含量較低的自生礦物（如濁沸石、硬石膏、黃鐵礦等）。

表1 鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組自生礦物構成據薄片統計的總體特征Tab.1 The overall features of sheet statistics of authigenic minerals constitute of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

圖1 黏土礦物X射線衍射譜圖（B279井X2乙二醇飽和片）Fig.1 X ray diffraction spectrum of clay minerals（B279 well X2ethylene glycol saturation tablets）

2.2.1 自生高嶺石 據薄片資料統計（見表1），姬塬-華慶地區X油層組自生高嶺石主要分布在X1小層，其含量平均值為1.03%，而X2小層中的自生高嶺石的含量平均值只有0.25%。自生高嶺石主要分布在姬塬地區西部的X1小層（見圖2），其高嶺石平均含量為2.64%，X1的其余三個亞區（姬塬東、華慶東和華慶西）高嶺石的平均含量分別只有0.47%、0%和0.03%；X2的四個亞區（姬塬東、姬塬西、華慶東和華慶西）高嶺石的平均含量分別只有0%、0.24%、0.15%和0.30%，這些數值與姬塬地區西部的X1小層的高嶺石含量相比，都可以認為基本沒有高嶺石的存在。

圖2 鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組不同地區不同小層自生高嶺石含量分布直方圖Fig.2 Histogram of authigenic kaolinite content distribution in different areas and small layer of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

圖3 鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組不同地區不同小層自生綠泥石含量分布直方圖Fig.3 Histogram of authigenic chlorite content distribution in different areas and small layer of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

圖4 姬塬-華慶地區X油層組不同亞區自生綠泥石含量分布直方圖Fig.4 Histogram of authigenic chlorite content distribution in different sub region of X formation in Jiyuan&Huaqing area

2.2.2 自生綠泥石 姬塬-華慶地區X油層組自生綠泥石含量的變化范圍都顯著少于高嶺石，就薄片分析結果的平均值而言，X1和X2自生綠泥石含量的平均值分別為2.54%和2.10%，兩個層位沒有明顯的差別，這與高嶺石在層位上巨大的含量變化形成強烈反差（X1高嶺石含量大致是X2的4倍）。在X1小層，自生綠泥石含量的平均值華慶地區高于姬塬地區。然而，無論是華慶地區還是姬塬地區，西部自生綠泥石的含量都高于東部（見圖3）。在X2小層，姬塬和華慶兩個地區自生綠泥石含量的變化也相對較小，薄片分析資料的平均值分別為2.33%和1.92%，但仍然顯示出自生綠泥石含量西部地區高于東部地區的總體特征（見圖4）。

2.3 自生黏土礦物的產狀

姬塬-華慶地區X油層組自生黏土礦物在砂巖孔隙中的產狀主要有三種類型，即分散質點式、薄膜式和網格交織式。

2.3.1 分散質點式 姬塬-華慶地區X油層組黏土礦物以分散質點式的形式充填在砂巖孔隙中（見圖5a），以高嶺石最為典型。部分高嶺石呈晶型較好的書頁狀、蠕蟲狀集合體直接充填孔隙，還有一些高嶺石是由長石溶蝕后形成的（見圖5b），部分高嶺石則系蝕變成因，結晶程度差。

圖5 鄂爾多斯盆地姬塬-華慶地區X油層組砂巖黏土礦物顯微特征Fig.5 Sandstone microscopic characteristics of clay minerals of X formation in Jiyuan&Huaqing area of Ordos basin

2.3.2 孔隙襯里（或薄膜）式 鑄體薄片觀察表明，在姬塬-華慶地區X油層組砂巖黏土礦物中，作為孔隙襯里薄膜或顆粒表面薄膜的黏土礦物主要為綠泥石（見圖5c），有部分綠泥石邊緣發生卷曲，有的綠泥石有向孔隙中間延伸的趨勢（見圖5d）。掃描電子顯微鏡觀察表明，自生綠泥石的形態以葉片狀居多（見圖5e），有極少量的自生伊利石也是作為孔隙襯里出現的（見圖 5f）。

2.3.3 網格交織式 在觀察的鑄體薄片樣品中，有18%樣品中的填隙物，以網格交織的形式存在于孔隙中，稱之為網狀黏土，網狀黏土在個別井的存在還非常普遍。黏土礦物X射線衍射資料表明，姬塬-華慶地區X油層組伊/蒙間層黏土礦物中伊利石層的含量較高，因而在形態和產出方式上都與自生伊利石類似，一些伊利石層含量較低的伊/蒙規則間層黏土礦物則更趨向于卷曲片狀的形態，也有少量蜂窩狀似累托石（Re）的存在（見圖5g），從黏土礦物X射線衍射譜圖（見圖6）上可以觀察到有27.88反射峰的出現。伊/蒙間層比越大，說明含蒙皂石層的比例也就越大，引起地層的敏感性（水敏）就越強，有些網狀黏土礦物的形成與云母有關，有個別網狀黏土的形成與綠泥石有關。

2.3.4 其他產狀的黏土礦物 通過鑄體薄片和掃描電鏡觀察，自生伊利石的存在不是普遍現象，大多以雜基形式充填孔隙中。在掃描電鏡下觀察，自生伊利石常以片狀、絲狀、片絲狀、毛發狀或卷曲片狀附著于碎屑顆粒表面（見圖5h），或者充填于粒間孔隙中，極少數伊利石向顆粒中間伸展，形成搭橋狀（見圖5i）。

3 黏土礦物的形成機理

圖6 黏土礦物X射線衍射譜圖（H55井X1乙二醇飽和片有27 峰的出現）Fig.6 X ray diffraction spectrum of clay minerals（H55 well X1the emergence of 27 peak on ethylene glycol saturation tablets）

砂巖中自生黏土礦物的形成與地層水的性質（礦化度、離子成分、酸堿度等）密切相關[5]。X油層組處于生油層之下，生油層中的泥巖在成巖過程中析出的大量無機和有機組分，隨著壓實流體進入砂巖孔隙后，打破了砂巖內原有的固相-液相之間的平衡，從而影響著黏土礦物形成時的水介質條件。

3.1 自生高嶺石的形成機理

姬塬-華慶地區X地層中自生高嶺石的成因主要與長石等鋁硅酸鹽的溶解有關。經研究表明，生油層烴源巖的有機酸和大氣水為高嶺石的形成提供豐富的介質環境，使砂巖孔隙流體的pH值呈酸性，另外大氣水對骨架顆粒有溶解作用，使砂巖中的長石組分溶解，產生次生孔隙和自生高嶺石沉淀[6，7]。無論是鉀長石、鈉長石還是鈣長石，其溶解的主要產物均有高嶺石，基本反應方程式：

3.2 自生綠泥石的形成機理

從物質來源來說，姬塬-華慶地區X油層組砂巖的埋藏前組成中存在較多的基性火山物質，這些火山物質主要在大氣水環境中溶解，同時大多數的鐵也只能在淡水環境中搬運，因而河流帶來的溶解鐵需要在具有一定鹽度的水體中卸載，這在海洋三角洲沉積環境很容易實現[8]，海洋環境電解質的加入發生絮凝而形成含鐵沉積物，這種含鐵沉積物將為成巖過程中綠泥石環邊的形成提供豐富的鐵的來源。綠泥石的形成階段主要是在埋藏-成巖的早期，形成了葉片狀、針葉狀的綠泥石，一般作為孔隙襯里出現，綠泥石形成需要富鐵（有的還需要鎂）的堿性介質條件，加之綠泥石在較早的成巖階段就開始沉淀，因而成巖環境是否能為自生綠泥石的沉淀提供這樣的堿性流體條件是控制自生綠泥石是否發育，或發育程度的關鍵因素之一。

3.3 其他自生黏土礦物的形成機理

其他自生黏土礦物主要有自生伊利石和伊/蒙間層。姬塬-華慶地區X油層組砂巖中大多數的伊利石和伊/蒙間層都是碎屑成因或由同期火山物質轉化的（如存在鹽度較高的湖水中細?；鹕轿镔|的蒙皂石化及以后向伊利石的繼續轉化），自生成因的伊利石和伊/蒙間層在數量上很少。自生伊利石常以片狀、絲狀、片絲狀、毛發狀或卷曲片狀充填于粒間原生孔與次生溶蝕孔中，或橋接于各種孔隙中，其形成機制與埋藏成巖過程中富鉀流體的存在有關，當長石溶解產生鉀離子、且流體pH值因長石溶解受到緩沖時，自生伊利石沉淀，其沉淀時間也主要是在有機酸大量排出，長石廣泛溶解之后。

在掃描電鏡觀察中見到一些具有伊/蒙間層卷曲片狀形態而又具有較高鐵、鎂含量的黏土礦物，它們可能是綠/蒙間層黏土礦物，數量很少，其形成機制不同于以孔隙襯里方式產生的自生綠泥石，它們可能是蒙皂石在相對富鐵、鎂的堿性環境中轉化形成的，在一些缺乏長石溶解或缺乏鉀離子的局部地區，部分蒙皂石將轉化成綠/蒙間層，但對于姬塬-華慶地區來說，這些黏土礦物在數量上沒有多少實際意義。

4 黏土礦物對油田開發的影響與建議

據姬塬-華慶地區X油層組部分試油井射孔段對應的薄片資料分析，油層段儲集砂巖具以下特點：黏土礦物以綠泥石為主，普遍含少量水云母雜基，個別試油產量偏低的井段高嶺石含量相對較高，綠泥石膜發育過厚。而致密儲集層綠泥石含量偏高，孔隙的連通性差。因而黏土礦物對油田開發有著至關重要的影響，尤其是作為孔隙襯里產出的綠泥石和分散質點式產出的高嶺石，很容易與注進地層的流體迅速發生反應，引起對油層的傷害。黏土礦物對油層的傷害問題大致有酸敏、速敏和水敏等三個方面。

4.1 易引起酸敏的礦物-孔隙襯里式的綠泥石

據X射線衍射資料分析，姬塬-華慶地區X油層組砂巖填隙物中所含綠泥石普遍都是富鐵綠泥石，而且普遍是三八面體的富鐵綠泥石。綠泥石對油田開發的影響主要有以下幾點：

（1）由于自生綠泥石含量的增加會造成壓汞實驗中退出效率的顯著降低，因而砂巖中自生綠泥石含量較高時，雖然此時孔隙度可能較高，但采收率可能較低。

（2）薄片觀察表明，以孔隙襯里方式存在的自生綠泥石具有顯著的親油性，經常有較多的有機質分布于纖維狀綠泥石中，在油水共存的情況下，尤其是當含油飽和度較低時，綠泥石中可能有較多的油，粒間孔隙中則更多的是水，由于綠泥石的親油性可能造成開發效果較差，地層可能產水而不產油；當然，如果含油飽和度較高，粒間孔隙中也是油，盡管存在孔隙襯里方式的自生綠泥石，地層可以產油，但采收率可能較低。

（3）鄂爾多斯盆地X油層組綠泥石含量較高（黏土中綠泥石含量平均值73%）樣品的酸敏實驗結果表明這些樣品酸敏損害率變化在43.6%～69.5%，因而對綠泥石含量較高的地層的酸化處理方法也需要注意。

4.2 能引起速敏的礦物-分散質點式充填孔隙的高嶺石

據姬塬-華慶地區X油層組儲集砂巖薄片觀察，含充填孔隙的高嶺石敏感性評價是弱速敏。高嶺石對油田開發的影響主要有以下幾點：

（1）自生高嶺石主要以分散質點式充填在孔隙中，占據包括原生粒間孔和長石等鋁硅酸鹽礦物溶解形成的次生孔隙，對巖石物性的影響是直接的，即造成孔隙度或總面孔率的直接降低，與以孔隙襯里方式產出的自生綠泥石相比，其對滲透率和孔隙結構參數的傷害相對較小。

（2）由于高嶺石的沉淀實質上是把粒間孔或長石等鋁硅酸鹽礦物溶解形成的次生孔隙轉變成了晶間孔，由于晶間孔的小孔小喉特征會對孔隙結構參數造成實質性的影響，這種影響主要出現在滲透率1 mD附近，并可能造成巖石滲透率降低的相應滲透率傷害，但與綠泥石相比，這并不具有實際意義。

（3）高嶺石沒有顯著的親油性，雖然也存在一些富含有機質的高嶺石晶間孔，但更多的高嶺石的晶間孔往往是比較干凈而不富含有機質，實驗表明，一些自生高嶺石含量較高的樣品仍然具有相對較高的退出效率，因而與富含綠泥石的地層相比，富含高嶺石的地層的采收率可能相對較高，當然與完全不含黏土礦物的非常干凈的砂巖地層相比，其退出效率仍然較低，因而高嶺石對采收率仍然存在一定的影響。高速流體可能使這些微粒狀礦物發生遷移而使喉道堵塞降低滲透率。因此，應作流動實驗確定臨界流速來防止可能發生的速敏傷害。

4.3 能夠引起水敏的黏土礦物-伊/蒙間層

據X衍射數據統計，在姬塬-華慶地區X油層組儲集砂巖中普遍含伊/蒙間層黏土礦物，間層比大于10的占45.6%，在薄片下觀察可能就是網狀黏土，因而存在著明顯的水敏傷害因素。含有蒙脫石層的黏土礦物都具有一定的膨脹性，蒙脫石有三層結構，易吸附Na+，當黏土在含水介質中被水化時，鈉蒙脫石聚集體很容易膨脹，其薄層分離的很遠，所以水很容易侵入到薄層的間隙中，并且在鈉蒙脫石周圍形成水包裹層。K+濃度高時，黏土薄層原封不動，因為小尺寸的K+能輕易滲入到黏土的間層，使黏土層維系在一起，因此保持水溶液中K+的高濃度可以防止黏土膨脹[9]。

5 結論

（1）姬塬-華慶地區X油層組自生黏土礦物類型主要為綠泥石和高嶺石，伊利石和伊/蒙間層黏土礦物也是本研究區常見的黏土礦物類型，但自生成因的相對較少，能譜分析存在一些具伊/蒙間層形態而又具有較高鐵、鎂含量的黏土礦物，它們可能是綠/蒙間層黏土礦物，但數量很少。

（2）自生高嶺石主要分布在姬塬地區西部的X1小層，自生綠泥石在姬塬-華慶地區各小層均有不同程度的分布，但西部自生綠泥石的含量都高于東部。

（3）自生黏土礦物在砂巖孔隙中的產狀主要有三種，高嶺石以分散質點式充填在砂巖孔隙中，綠泥石是作為孔隙襯里（或薄膜式）生長在顆粒表面，伊/蒙間層黏土礦物以網狀交織式充填在孔隙中。

（4）地層中自生高嶺石的形成機制與來自烴源巖的有機酸對長石等鋁硅酸鹽的溶解有關，自生綠泥石的形成與一定的物質來源、一定的鹽度和堿性介質條件有關。

（5）黏土礦物對油層的傷害問題大致有酸敏、速敏和水敏等三個方面。孔隙襯里式的綠泥石是易引起酸敏的礦物，分散質點式充填孔隙的高嶺石是能夠引起速敏的礦物，伊/蒙間層是能夠引起水敏的礦物。

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Effects of authigenic clay minerals on reservoir properties and oilfield development—Take X reservoir formation in Jiyuan and Huaqing areas in Ordos basin as an example

HUANG Jing1，2，ZHANG Caili1，2，XIE Guwei1，2，LIU Xuegang1，2，DING Yaqin1，2，ZHANG Renyan1，2，LEI Yu1，2
（1.Research Institute of Exploration and Development，PetroChina Changqing Oilfield Company，Xi'an Shanxi 710018，China；2.National Engineering Laboratory for Low-Permeability Petroleum Exploration and Development，Xi'an Shanxi 710018，China）

X-ray diffraction and scanning electron microscopy are applied to analyze types,distribution and occurrence of X reservoir formation authigenic clay mineral in Jiyuan&Huaqing area.The result shows that the types of authigenic clay mineral mainly consist ofkaolinite and chlorite in study area,including a small amount of authigenic illite and illite/smectite mixed clay minerals.The authigenic kaolinite is mainly distributed in X1reservoir formation ofthe western Jiyuan area,the authigenic chlorite is distributed in each layer of different level in Jiyuan&Huaqing area,but the content of authigenic chlorite in western is higher than in eastern.The occurrences of authigenic clay mineral are mainly included dispersed particle type,pore lining type and mesh type.The formation mechanism of authigenic clay mineral is discussed,and pointing out the influence of clay minerals on the research area of oilfield development at the same time.This provides the geological basis for rational at the late period of oilfield development.

Ordos basin；X formation in Jiyuan&Huaqing area；authigenic clay mineral；oilfield development

TE122.22

A

1673-5285（2017）07-0090-08

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.07.021

2017－06-12

國家科技項目資助，項目編號：2014CB239003。

黃靜，女（1977-），碩士研究生，工程師，主要從事黏土礦物和元素分析方面的研究工作，郵箱：huangj1_cq@petrochina.com.cn。