自生綠泥石對碎屑巖儲層物性影響的研究現狀

劉定坤 李圣 卿元華

摘要：自生綠泥石是碎屑巖儲層中常見的粘土礦物，對儲層物性的影響較大。通過對前人的研究成果進行總結歸納，包括自生綠泥石形成的物質條件、微觀賦存狀態、形成時間與世代、與儲層物性的關系等。主要結論有：（1）自生綠泥石形成于富鐵鎂、高孔、高滲的沉積環境，廣泛分布于濱岸、三角洲以及河流環境中;（2）自生綠泥石主要有3種賦存狀態，分別為顆粒包膜、孔隙襯里和孔隙充填，形成的先后順序大致為包膜→襯里→充填;

（3）自生綠泥石對儲層物性的影響具有兩面性，主要取決于綠泥石的厚度及連續性、形成時間及產狀、碎屑顆粒結構、巖屑類型及含量等方面。對儲層最具建設性意義的是厚度適中、連續性好的孔隙襯里綠泥石。

關鍵詞：砂巖儲層;自生綠泥石;形成條件;賦存狀態;兩面性影響

1.引言

自生綠泥石是碎屑巖儲集層中一種重要的成巖礦物，其對儲層物性具有控制作用已成為一種共識[1-2]。自生綠泥石與儲層物性關系的研究始于20世紀50年代，Heald（1950）在研究西弗吉尼亞砂巖中自生礦物時，注意到圍繞碎屑顆粒或石英次生加大生長的自生綠泥石環邊，并指出該種綠泥石來源于初始沉積物[3]。20世紀中后期，國內外對儲層中自生綠泥石的研究側重于現象的描述。國內外學者對綠泥石的產出狀態、對儲層物性的影響做了詳細的研究[4-6]。進入21世紀后，伴隨勘探技術和實驗方法的進步，尤其是致密砂巖油氣勘探所占比例的大幅增加，自生綠泥石對儲層的影響越來越引起重視。采用綠泥石與砂巖或儲層為關鍵詞進行檢索，國內外學者近十幾年的發文總量是20世紀的近兩倍，研究主要側重于自生綠泥石的物質來源[7-8]、不同產狀綠泥石的形成機理[9]、與石英次生加大的關系[5，10]、對儲層物性影響的定量化[10-11]等方面。

2.自生綠泥石的形成機制

自生綠泥石的形成受多種因素控制，其中物質基礎和沉積環境是兩個最重要的因素[12]。首先，鐵和鎂是自生綠泥石形成的物質基礎，其來源有：

（1）河水中溶解的鐵離子在含有大量電解質的堿性環境中會產生絮凝沉淀，可提供綠泥石形成所需的鐵[13]。（2）黑云母、角閃石以及部分火山巖巖屑在成巖過程中蝕變和水解可產生大量鐵[14];（3）泥巖的壓實脫水[15];（4）外來物質的層間流入[16]。其次，自生綠泥石的形成需要一個有利于溶解物質帶入與帶出的相對高孔、高滲、開放的體系沉積和堿性的成巖環境[17-19]。因此，自生綠泥石主要發育在河流、三角洲和濱岸等環境[20]。最后，在滿足上述兩個條件的情況下，自生綠泥石主要通過以下方式形成：（1）成巖早期或晚期，由孔隙流體直接沉淀;（2）高嶺石、蒙脫石和伊利石在富鎂、鐵的還原條件下的轉變[21];（3）碎屑物質的交代。

3.自生綠泥石的產出狀態

自生綠泥石在砂巖儲層中主要有3種賦存狀態[22-26，28]：（1）顆粒包膜。晶體呈針狀、片狀或蜂窩狀，以薄膜的形式垂直顆粒表面生長并包裹整個顆粒，厚度通常不足1μm，在顆粒接觸處會因擠壓而平行于顆粒分布;（2）孔隙襯里。晶體呈針狀或竹葉狀，垂直于顆粒表面或顆粒包膜呈等厚櫛殼狀結晶生長，集合體厚約為5μm～10μm;（3）孔隙充填。晶體形態呈絨球狀、玫瑰花狀或分散片狀，不像前兩者那樣有規律的生長而是呈分散質點的形式分布在孔隙里。三種產出狀態中，孔隙襯里最為普遍。

顆粒包膜綠泥石和孔隙襯里綠泥石的區別在于顆粒包膜可生長在顆粒接觸處而孔隙襯里則不能，且孔隙襯里晶體較大，較厚。部分學者未將孔隙襯里綠泥石與顆粒包膜綠泥石進行區分，而是把孔隙襯里、綠泥石環邊、綠泥石包殼（或包膜）統稱為孔隙襯里[4，27]。但鑒于二者形成于不同成巖階段，筆者認為有必要進行概念上的區分。

4.自生綠泥石的形成時間與世代

自生綠泥石的形成時間可以根據綠泥石與顆粒的空間關系來確定[29]。顆粒包膜綠泥石通常形成于機械壓實作用廣泛發生之前。而孔隙襯里綠泥石僅存在于孔隙邊緣，在骨架顆粒接觸處消失，說明其形成晚于主壓實作用。前人依據鐵、鎂離子來源、溫度及成因將自生綠泥石劃分為三個世代[15，25]：（1）在堿性的孔隙環境中沉淀出的早期綠泥石為第一世代綠泥石，表現為覆蓋于顆粒表面或包裹整個顆粒，晶體小而密集且自形程度低、鐵含量較高;（2）第二世代自生綠泥石形成溫度較第一世代高，主要為孔隙襯里綠泥石，晶體較第一時代大且自形程度高、鐵含量較低;（3）第三世代自生綠泥石晶體最大、自形程度最高，主要表現為孔隙充填綠泥石。

5.自生綠泥石對碎屑巖儲層物性的影響

自生綠泥石對碎屑巖儲層物性的影響具有兩面性，建設性主要體現在提高巖石抗壓能力、抑制壓溶作用、促進溶蝕作用、抑制石英加大等方面;而破壞性為會堵塞吼道。

5.1提高巖石抗壓能力

部分學者認為[11，12，23]，自生綠泥石雖占據了部分孔隙空間，但可以抵消一部分上覆地層壓力，且相同深度下，發育孔隙襯里綠泥石的砂巖層段比不發育的層段受壓實作用影響更弱，顆粒之間更松散，原生孔隙更多。但也有學者持不同觀點[30，31，32]，認為自生綠泥石的硬度和密度均較低，抗壓實能力有限，發育自生綠泥石的砂巖物性較好主要是由砂體自身特性決定的。

5.2抑制壓溶作用

在孔隙襯里綠泥石發育的地方，碎屑顆粒呈縫合線接觸的情況較少，因此孔隙襯里能有效地抑制壓溶作用[31，32]。

5.3促進溶蝕作用

砂巖中孔隙襯里綠泥石含有大量的晶間孔，可以在深埋條件下為酸性水介質流動提供運移通道，促進后期溶蝕作用進行，形成次生孔隙[23，33]。

5.4抑制石英次生加大

國內外大量的研究和實踐表明[1-2，17，27]，孔隙襯里綠泥石的發育對石英次生加大有較強的抑制作用。但其抑制的機理還沒有定論，主要有以下幾種觀點[1，3，23，24，27，32]：（1）早期形成的孔隙襯里綠泥石抑制了砂巖中的石英壓溶作用，這在一定程度上限制了SiO2的來源;（2）自生綠泥石的存在和生長占據了自生石英的生長空間;（3）自生綠泥石阻止了自生石英在碎屑石英表面成核;（4）通常發育自生綠泥石的高孔滲、開放、堿性環境不利于自生石英的生長。

5.5堵塞喉道

自生綠泥石作為一種膠結物，它本身的存在就占據了一定的孔隙空間。任何產狀的自生綠泥石，當其含量達到一定程度后都會引起孔喉堵塞[10，34]。

6.綠泥石影響儲層物性的主要控制因素

總體來說，自生綠泥石對儲層物性起何種影響主要取決于綠泥石和砂巖儲層本身的性質，包括厚度及連續性、形成時間及產狀、碎屑顆粒結構、巖屑類型及含量等方面。

6.1自生綠泥石的厚度及連續性

只有自生綠泥石達到一定厚度且連續分布時，才能有效抑制石英次生加大的成核生長，從而有利于儲集空間的保存。然而統計表明[30]，綠泥石膜厚度在5μm～8μm時對孔隙保存具有積極作用，當厚度>8μm時將嚴重堵塞孔隙喉道，降低儲層物性。

6.2自生綠泥石的形成時間及產狀

成巖早期形成的綠泥石襯里厚度適中，能抵抗部分壓實作用和抑制石英的次生加大，有利于原生孔隙保存;綠泥石包膜的貢獻則十分有效;孔隙充填綠泥石往往只堵塞孔喉。而成巖晚期形成的綠泥石對孔隙保存方面起的作用同樣極其有限。

6.3碎屑顆粒結構

粗顆粒比細顆粒具有更小的比表面積，覆蓋顆粒表面需要較少的綠泥石，進而石英次生加大的抑制能力相對較強，進而有利于孔隙的保存。

6.4巖屑類型以及含量

含鐵、鎂礦物的巖漿巖巖屑的蝕變和水解是形成綠泥石的重要物質來源之一。但是，當火成巖巖屑含量很高，而石英顆粒含量很低時，壓實作用明顯較大，則不利于原生孔隙的保存。

7.結論

（1）自生綠泥石形成的兩個關鍵因素為物質來源和沉積環境，其主要分布于具有富含鐵鎂、高孔、高滲的濱岸相、三角洲相以及河流相砂體中。（2）自生綠泥石在碎屑儲層中主要呈顆粒包膜、孔隙襯里、孔隙充填三中微觀賦存狀態。不同產出狀態的自生綠泥石形成于不同成巖階段：顆粒包膜綠泥石形成于機械壓實作用廣泛發生之前;孔隙襯里綠泥石形成于主壓實作用之后;孔隙充填綠泥石形成一般晚于前兩者。（3）自生綠泥石對碎屑巖儲層物性的影響具有兩面性，主要取決于綠泥石和砂巖儲層本身的性質，包括厚度及連續性、形成時間及產狀、碎屑顆粒結構、巖屑類型及含量等方面。對儲層最具建設性意義的是厚度適中、連續性好的孔隙襯里綠泥石。

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