烏石凹陷流沙港組高嶺石的分布特征、影響因素及演化

2020-06-24 01:03:20楊香華姚光慶邱凌越

石油地質與工程 2020年3期

婁敏，楊香華，姚光慶，姜平，邱凌越

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中國地質大學資源學院，湖北武漢 430074； 3.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057；4.中國石油大學，北京 102249）

高嶺石是砂巖儲層中最常見的自生黏土礦物之一，其發育程度與儲層物性、油氣富集有密切的關系。因此，高嶺石受到石油地質學家和礦物學家的普遍關注[1–2]。自生高嶺石的形成與鋁硅酸鹽的溶蝕有關。高嶺石是長石溶蝕后形成的產物，在充分的Al3+物質來源的基礎上，呈酸性的流體、較強的流體動力有利于Al3+的絡合、Na+和K+的遷移，可以形成晶形良好的自生高嶺石[3]。不同產狀的高嶺石對儲層的物性影響不同，流體動力強且高嶺石在異地沉淀時，儲層物性最好[4]。本文以烏石凹陷流沙港組高嶺石作為研究對象，通過光學顯微鏡、掃描電鏡、陰極發光和X 衍射等測試手段，分析了高嶺石形態、與其他礦物的接觸關系以及不同層位和構造區的高嶺石相對含量差異，探討了高嶺石的發育特征及其影響因素，明確了其成因及演化，并建立了高嶺石溶蝕型儲層的孔隙演化模式，為預測深部致密儲層中甜點的分布提供科學依據。

1 地質背景

烏石凹陷屬于北部灣盆地的一個次級構造單元，其北邊以企西隆起南緣為界，西邊、南邊以流沙凸起與海頭北凹陷為界，東邊與流沙凸起相鄰。自中生代以來，盆地裂陷活動開始，經歷了古近紀裂陷期及新近紀裂后沉降期，凹陷新生界自下而上發育古近系長流組、流沙港組、潿洲組，新近系下洋組、角尾組、燈樓角組、望樓港組和第四系地層，其中流沙港組二段被認為是主力烴源巖段。研究區位于烏石凹陷東區（圖1），主要涉及WSA、WSB、WSC 三個構造區，研究的層段為流沙港組，是重要的油氣勘探目的層。流沙港組以湖相、三角洲相沉積為主，自上而下分為流一段、流二段和流三段。流一段主要發育濱淺湖、沖積扇和扇三角洲沉積；流二段為中深湖沉積；流三段以濱淺湖相沉積為主，在凹陷邊界處發育粗粒的沖積扇和扇三角洲沉積[5–6]。烏石凹陷北部的巖石成分以巖屑長石砂巖為主，南部以巖屑砂巖為主。

2 高嶺石的發育與分布特征

圖1 研究區構造位置

從巖心、陰極發光、鑄體薄片、掃描電鏡觀察，均表明烏石凹陷發育大量高嶺石。巖心觀察可見白色粉末物質為鋁硅酸鹽礦物溶蝕后形成的高嶺石（圖2a）。陰極發光可見鉀長石高嶺石化，高嶺石陰極發光為靛藍色，鉀長石殘余發亮藍色光（圖2b）。鑄體薄片可見長石溶解，高嶺石異地沉淀，生成大量次生孔隙（圖2c）。高嶺石的發育與長石有密切的關系，長石溶蝕后形成坑洼（圖2d），生成次生孔隙，并伴隨自生高嶺石沉淀（圖2e）。高嶺石分為自生高嶺石和他生高嶺石，自生高嶺石集合體呈書頁狀或蠕蟲狀，結晶度較高；而他生高嶺石為陸源碎屑搬運而來，由于搬運過程中的磨蝕，多呈碎片狀、結晶度低、棱角處磨損嚴重，多位于顆粒表面[7]。烏石凹陷流沙港組砂巖中的高嶺石多為薄板狀（圖2e）、假六方板狀（圖2f），極少數為碎片狀，集合體呈書頁狀或蠕蟲狀、結晶度較高、不具明顯的磨蝕現象，以自生高嶺石為主。

流沙港組處于中成巖A 期，黏土礦物組合為伊利石、高嶺石、綠泥石和伊蒙混層，不含蒙脫石。砂巖和泥巖中的黏土礦物發育的影響因素不同，泥巖中黏土礦物分布主要受溫度壓力的影響，而砂巖中的黏土礦物還與地層流體密切相關。隨著埋深增加，泥巖中的黏土礦物發生蒙脫石–伊蒙混層–伊利石的轉化，高嶺石含量隨深度增加而減少。不同部位的高嶺石因溫度、壓力梯度不同，含量變化速率有差異。

砂巖中黏土礦物與儲層物性關系密切，其分布特征是本次研究的重點。烏石凹陷埋深1 500.00 m時出現高嶺石，主要分布在1 500.00～3 500.00 m，總體平均含量為35.00%。不同層段高嶺石的相對含量不同，其中流一段的平均含量為50.84%，流二段為35.89%，流三段為23.13%。不同構造區高嶺石的分布也有差異：WSA 區高嶺石相對含量最高、WSC區中等、WSB 區最低（圖3）。WSA 區高嶺石主要分布在2 200.00～2 600.00 m，平均含量為48.57%，高嶺石在2 200.00 m 附近含量最高，可達58.00%；WSB區高嶺石主要分布在2 300.00～2 800.00 m，平均含量為18.51%，高嶺石在2 400.00 m 附近含量最高，可達42.00%；WSC 區高嶺石主要分布在3 500.00 m附近，平均含量為25.11%。砂巖中高嶺石相對高值段與長石含量減少段有一定的對應關系（圖4）。砂巖中的黏土礦物與地層流體作用密切相關，生油門限深度附近，長石含量減少，砂巖中高嶺石相對含量增加，這一階段與長石受地層酸性流體溶蝕產生次生孔隙和高嶺石有關。但是，高嶺石增加與長石減少在深度段上也并非完全對應，間接表明長石溶解后部分Al3+在一定的流體動力條件下，發生了遷移，在異地沉淀形成高嶺石。

圖2 高嶺石宏觀及微觀特征

圖3 烏石凹陷流三段高嶺石平面分布

3 高嶺石分布的影響因素

圖4 烏石凹陷高嶺石含量及長石含量垂向變化

3.1 溫度和壓力

溫度和壓力的變化會影響有機酸的生成，進而影響高嶺石的分布。烏石凹陷流沙港組主要埋深為2 000.00～3 000.00 m，處于中成巖A 期，地溫為85～140 ℃，有機質處于半成熟到成熟階段。該階段有機質熱演化過程中會產生大量的有機酸，為鋁硅酸鹽礦物溶解產生高嶺石提供酸性溶解介質。不同構造區，有機質熱演化程度不同，生烴門限不同，產生有機酸的深度段也有差異。WSC 區埋深比WSB 區大，有機質熱演化產生的有機酸豐度更大，更有利于高嶺石的富集。

3.2 構造運動

烏石凹陷發育以拉張–走滑為特征的北東東向斷層和以走滑為主的北西向斷層，斷裂的活動期次與主要排烴期有良好的匹配性[8]。這些活動的斷層為流二段烴源巖生烴過程中排出的有機酸垂向運移提供了通道。總體上，烏石凹陷流沙港組高嶺石相對含量較高，與斷裂發育有著密切的關系。即構造運動越強烈、斷層越發育，越有利于酸性流體運移進入儲層溶蝕長石產生更多的高嶺石。

3.3 不同巖性

不同巖性的砂巖中高嶺石的含量具有差異性。統計發現，研究區高嶺石相對含量在含礫砂巖、粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖中分別為22.65%、70.67%、39.63%、39.12%、32.50%、16.33%。高嶺石相對含量在物性較好的粗砂巖中最高，在物性較差的含礫砂巖和泥質粉砂巖中相對較低。這說明分選好、原始物性好的砂巖，具有較好的滲流系統，更有利于高嶺石的形成。

3.4 物源性質

烏石凹陷北部的大型扇三角洲礫級沉積無法推進到南部，南北物源體系不同。北部WSA 區和WSB區的物源來自鼻狀低凸起，南部的WSC 區的物源來自流沙凸起[9]。不同物源提供的物質基礎不一樣，導致北部的巖石成分以巖屑長石砂巖為主，南部以巖屑砂巖為主。長石等鋁硅酸鹽礦物是產生高嶺石的重要物質來源。巖屑長石砂巖中長石的含量高于巖屑砂巖，為高嶺石的生成提供了更多的物質基礎，從而導致WSA 區高嶺石相對含量高于WSC 區。

4 高嶺石發育型儲層的演化

研究區高嶺石發育型儲層原始沉積環境水動力較強，原生孔隙發育；埋深不大，砂體機械壓實與化學壓實相對較弱，長期處于酸性流體活動環境，次生溶蝕孔與片狀、柱狀高嶺石發育。隨著埋深增加，高嶺石發生了一系列的演化（圖5）。早成巖A 期：流沙港組沉積過程中，發生抬升剝蝕，部分長石受到大氣水淋濾影響發生溶蝕，產生早期溶蝕高嶺石；但早期蝕變的顆粒多易受到后期壓實影響，產生塑性變形，高嶺石晶形差，充填在粒間孔隙中。早成巖B 期：地層持續緩慢沉降，受壓實作用影響，早期高嶺石壓入孔隙，充填了部分孔隙，受抬升大氣水淋濾及有機酸流體影響，長石發生溶蝕，孔隙內高嶺石產生重結晶，發育部分高嶺石晶間孔，硅作為溶蝕產物也促進了石英加大邊的發育。中成巖A 期：受酸性流體影響，長石大量溶蝕，高嶺石作為溶蝕產物在孔隙內大量沉淀，并逐漸向地開石轉化，其晶間孔發育。反應過程中部分產物可能被帶出，所以可見大量溶蝕孔隙。隨著埋深增大，高嶺石發生重結晶，結晶度變高、晶形較好。中成巖B 期：隨著熱演化進一步加深，高嶺石開始向伊利石轉化，自生伊利石占據孔隙空間，縮小孔喉，石英加大邊現象也較發育，儲層物性變差。目前，流沙港組儲層處于中成巖A 期，長石溶蝕形成大量次生孔隙，是研究區優質儲層發育的重要基礎。

5 高嶺石對儲層物性的影響

黏土礦物作為砂巖儲層中的膠結物，其含量和類型對儲層物性有較大的影響。高嶺石是長石溶蝕和次生孔隙發育指示的黏土礦物。從高嶺石含量與物性的交會圖來看（圖6），高嶺石的相對含量與物性呈正相關關系；但高嶺石的絕對含量較高時，儲層的物性較差。有學者認為高嶺石會充填粒間孔隙使儲層物性變差；也有學者認為高嶺石的出現，代表強烈的溶蝕作用，是有利儲層發育的標志；也有學者認為長石高嶺石化一方面產生次生孔隙，另一方面生成的自生高嶺石充填孔隙，兩者會相互抵消對物性無明顯影響。以上觀點都是在靜態條件下，考慮高嶺石與儲層物性的關系。高嶺石是長石溶蝕后的產物，在有充分的Al3+物質來源的基礎上，呈酸性的流體、較強的流體動力有利于Al3+的絡合，同時有利于Na+和K+的遷移，形成晶形良好的自生高嶺石。長石溶蝕與高嶺石的沉淀會造成儲層物性的兩極分化：在原生粒間孔發育區，原始物性好。當酸性流體進入地層時，原生粒間孔可以作為流體運移的通道。酸性流體使長石發生溶解，高嶺石異地沉淀，產生次生溶孔，物性會進一步變好；沉積時期物性較差的區域，流體流動性差，長石溶解的產物被帶到該區域沉淀，生成自生高嶺石，物性進一步變差。這也表明沉積作用趨向于物質分異的均一化，粒度相似、成分相近的碎屑顆粒會沉積在一起；而成巖作用會造成儲層的差異化，長石溶蝕、高嶺石差異沉淀會導致優質儲層局部發育，增強儲層的非均質性。高嶺石在平面上的分布與甜點儲層有較好的對應關系，高嶺石相對含量高值區往往與甜點儲層相對應。

圖5 高嶺石發育型儲層成巖序列及孔隙演化模式（以WSA–1–2 井為例）

圖6 高嶺石含量與物性的關系

在對研究區高嶺石與長石溶蝕的關系分析的基礎上，建立高嶺石發育型儲層中優質儲層的發育模式。將高嶺石發育型儲層依據孔隙、成巖礦物特征、儲集物性，并結合流體運移強度劃分為4 個區帶（圖7a）。區帶Ⅰ：以中粗砂巖為主，物性好；發育粒間溶孔、粒內溶孔、基質溶孔；自生高嶺石、石英常見。區帶Ⅱ：巖性主要為底礫巖、含礫粗砂巖，巖屑含量高；以粒內溶孔為主，發育少量粒間溶孔。區帶Ⅲ：主要巖性為中細砂巖；物性較差，以粒內溶孔為主；泥質含量較高，高嶺石大量沉淀。區帶Ⅳ：為致密層，巖石粒度細，泥質含量高，以碎屑黏土為主，自生礦物不發育。總體上，區帶Ⅰ物性最好，為甜點發育層段；區帶Ⅱ、區帶Ⅲ其次；區帶Ⅳ物性最差。不同的流體運移條件下，各區帶的空間分布位置不同。泥巖在壓實作用和生烴作用下，會排出層間水和有機酸。此處，酸性流體運移強度最大，為高壓帶，并依次降低為過渡帶和低壓帶。在單向流體運移模式下（圖7b），優質儲層主要位于砂體的中部；雙向流體運移時（圖7c），優質儲層主要位于砂體中上部和中下部。