川西坳陷上三叠统须家河组砂岩粘土矿物沉淀作用研究

川西坳陷上三叠统须家河组砂岩粘土矿物沉淀作用研究

粘土是一种含水层状的盐矿床，由无序过渡结构组成。它是含油气盆地中分布最广泛、含量最丰富的矿物,也是各种碎屑岩储集层最重要的胶结物和填隙物。碎屑岩中的粘土矿物按其成因可分为陆源和自生两类。与陆源粘土矿物相比,自生粘土矿物具有良好的晶形。川西坳陷须家河组成岩作用研究结果表明:在该区主要含油气层位充填于砂岩孔隙中的粘土矿物一般都有很好的晶形,呈典型的自生矿物特征,早期沉积的含较多陆源粘土矿物的储层,可能因为受后期成岩作用的改造,使原来充填于孔隙中的陆源粘土矿物发生了成岩变化,成为当前阶段的自生粘土矿物。1孝-新-合地区须家河组层划分川西坳陷须家河组是晚三叠世的一套河流-湖沼沉积,层位界于上覆侏罗系白田坝组石英砂砾岩和下伏上三叠统小塘子组之间。本文采用中石化西南分公司勘探开发研究院提供的地层划分及对比方案,该方案将川西坳陷孝泉-新场-合兴场地区(以下简称孝-新-合地区)须家河组地层自下而上分别划分为须家河2段、须家河3段、须家河4段和须家河5段(以下分别简称为须2段、须3段、须4段和须5段)。总体上,须2段、须4段以储集砂岩(主要包括岩屑石英砂岩、长石岩屑石英砂岩、岩屑砂岩)为主,须3段、须5段以含煤泥质烃源岩为主。前人研究发现,研究区古地理演化经历了由海相环境(小塘子期发育海相三角洲、滨岸相沉积)-海陆过渡相环境(须2期发育海相三角洲沉积、须3期基本结束海相沉积)-陆相环境(须4早期,受安县运动的影响,龙门山褶皱成山,研究区真正进入陆相沉积环境)的转变。2矿物以伊利石为主孝-新-合地区须家河组砂岩中自生粘土矿物以伊利石为主,它在该区主力储层(须2段、须4段)中百分含量平均为60.5%,其次为绿泥石和高岭石及混层伊利石/蒙皂石等(图1)。2.1纵向和平面分布孝-新-合地区内自生绿泥石的含量很低,435个薄片分析的平均值只有0.21%。我们对180个样品进行了X射线衍射分析(XRD分析)(图1),获得了绿泥石在纵向和平面上分布的一些信息。在纵向上,无论是须2段还是须4段均有绿泥石分布,但薄片分析自生绿泥石含量>2%的样品只出现在须2段;在平面上,孝-新-合地区偏NE方向自生绿泥石含量相对较高。总的来说,研究所涉及的地区范围较小,有关绿泥石分布的定量信息还有待进一步证实。2.2须家河组砂岩自生高岭石的分布特征孝-新-合地区须家河组储层砂岩主要自生粘土矿物的构成中,高岭石在岩石中的平均含量仅有0.29%。所进行的薄片自生粘土矿物分析和岩石粘粒XRD分析结果表明:须家河组储层砂岩自生高岭石的纵向分布具有显著的地层专属性,基本上只分布在须4段顶部或紧靠顶部的砂岩中,这可能与晚三叠世全球海平面变化有关。晚三叠世中-晚期全球海平面总体上是下降的,造成大气淡水(和煤系地层酸性水)对孝-新-合地区长石等碎屑沉积物的溶解,且(须4段上部砂岩中长石总量的显著减少和阴极发光观察结果表明)溶解作用最强的出现在须4段末期。2.3伊利石/蒙皂石混合储层XRD分析结果表明,在伊利石和混层伊利石/蒙皂石两类矿物中,孝-新-合地区须家河组以伊利石为主,混层伊利石/蒙皂石在储层中的含量可以忽略不计,伊利石也是孝-新-合地区须家河组含量最多的自生粘土矿物。然而,砂岩中的伊利石主要以杂基方式存在,真正自生的伊利石在数量上是极少的,且在砂岩中定量区分自生或非自生伊利石也是十分困难的。3粘土矿的形成机制3.1绿色粘土石的形成机制根据自生绿泥石的赋存方式以及分布特征,孝-新-合地区须家河组砂岩中自生绿泥石具有如下形成机制:3.1.1自生绿泥石的沉淀作用孝-新-合地区须家河组(尤其是须2段)大多数的自生绿泥石的沉淀作用是在较早的成岩阶段发生的,主要依据是有绿泥石衬里的岩石颗粒间接触强度较低,颗粒接触处没有绿泥石。3.1.2富中基性岩岩结构绿泥石既可来源于母岩风化的碎屑物质,也可以在成岩作用中自生形成,我们可以利用扫描电镜对绿泥石的晶体形态进行辨别。陆源他生绿泥石,常因为搬运过程中的磨损,片体呈浑圆或次棱角状轮廓;自生绿泥石晶体一般呈叶片状,可具直边,尖角状或圆滑的轮廓,形态较完整(图版Ⅰ-1～3)。由于绿泥石的形成需要同沉积的富铁沉积物,因而富岩屑物源的地层,尤其是富中基性岩浆岩岩屑及镁暗色矿物的物源地层可以为绿泥石提供更多的物质来源。先驱粘土矿物(机械渗滤的蒙皂石、自生蒙皂石等富铁粘土矿物)也可以形成自生绿泥石,而且这种自生绿泥石的产状均是以包膜形式存在。须2段比须4段有较高的自生绿泥石,推测可能是由于须4段存在更多的早期成岩阶段的长石溶解,由此提供的K+离子(也包括Na+离子等)和须4段孔隙流体较低的总矿化度都会降低孔隙流体中Fe2+,Mg2+离子的相对浓度和绝对浓度,使得须4段砂岩中绿泥石难以大量沉淀。另外,可能也与须2期沉积环境的盐度(包括早期成岩阶段孔隙流体的盐度)有关。3.2矿物的晶形貌高岭石的理想化学式为Al2Si2O5(OH)4,碎屑岩储层中形成自生高岭石Al的来源与迁移一直是一个令人关注的问题。前人的研究表明,碎屑岩地层中自生高岭石的形成所需要的Al的来源主要与长石等铝硅酸盐的溶解有关,无论是钾长石、钠长石还是钙长石,在酸性溶液作用下脱去碱性离子,表面形成三水铝石[Al(OH)2]+,当硅铝富集到一定程度时便晶化形成高岭石,基本反应方程是:2KAlSi3O8(钾长石)+2H+H2O=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2(硅质)+2K2NaAlSi3O8(钠长石)+2H+H2O=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+4SiO2(硅质)+2Na+CaAl2Si2O8(钙长石)+2H+H2O=Al2Si2O5(OH)4(高岭石)+Ca2+这种高岭石晶形较差,呈分散片状分布于长石表面(图版Ⅰ-4)。另一种是成岩期从孔隙溶液中直接沉淀形成的高岭石,其晶形发育较好,单晶呈假六方片状,集合体呈书页或蠕虫状,储层中多见(图版Ⅰ-5)。3.3钾长石溶解成岩后伊利石的形成机理孝-新-合地区须家河组砂岩中的自生伊利石的成因可能与埋藏成岩作用的相对封闭条件下长石溶解有关,如果孔隙流体富钾,或钾长石溶解产生的钾不能有效移走,则长石溶解更容易形成伊利石而不是高岭石,并伴随自生石英的沉淀,其反应方程为:3KAlSi3O8(钾长石)+CH3COOH(乙酸)+14H2O=KAl3Si3O10(OH)2(伊利石)+2K+6H4SiO4(硅质)+2CH3COO-一般地,随着埋深增大,温度、压力升高,成岩程度加深,地层中的伊利石含量会增高。4内源性粘土矿与储层发育关系粘土矿物在该区致密砂岩储层中扮演了一个较为重要的作用,人们逐渐认识到,粘土矿物对储层物性既有破坏性作用也有建设性作用和保持性作用。4.1绿泥石孔隙发育机理越来越多的研究表明,在储层发育过程中,作为孔隙衬里的绿泥石(尤其是在较早期阶段沉淀的绿泥石)对孔隙发育的影响是正面的,这种绿泥石主要从以下几方面使砂岩孔隙得以保护。4.1.1绿泥石衬里的砂岩通过对同一口井两个埋藏深度相同的2个样品薄片观察发现,具有绿泥石衬里的砂岩具很低的颗粒接触强度,没有石英加大和较高的孔隙度;而缺乏绿泥石衬里的砂岩具有很高的颗粒接触强度、较强的石英加大和极低的孔隙度。显示出绿泥石的存在大大降低了压实作用对岩石粒间孔隙的破坏作用。绿泥石的沉淀作用是在长石溶解前的早期成岩阶段发生的,绿泥石沉淀后会在埋藏成岩过程中继续生长,并持续到自生石英沉淀以后,这会不断增加岩石的机械强度并平衡埋藏成岩过程中不段增加的上覆载荷,从而使砂岩的原生粒间孔隙和次生溶蚀孔隙得以保存。4.1.2绿泥石胶结生长机理绿泥石的形成会抑制相对晚期石英的胶结作用,从而使孔隙得以保存。一般来说,作为孔隙衬里的环边绿泥石是通过分隔孔隙水与石英颗粒的表面来阻止自生石英胶结物在碎屑石英表面成核或碎屑石英共轴生长边的形成,从而导致在绿泥石胶结作用发生的地方,很少有自生石英的生长。进一步研究认为,绿泥石主要是通过降低每个砂岩颗粒上单晶生长部位的数量来起到对石英胶结的抑制作用。需要注意的是,绿泥石的保持性成岩作用要求砂岩中的作为孔隙衬里的自生绿泥石必须是早成岩的、有一定厚度,其含量必须达到一定数量。如果埋藏成岩过程缺乏绿泥石沉淀所需要的Fe3+,Mg2+离子,或孔隙介质物理化学条件改变(如大量的K+介入),孔隙衬里的绿泥石不能继续生长,其厚度及相应的机械强度不足以平衡埋藏成岩过程中不断增加的上覆载荷,绿泥石对孔隙的保存机制就难以成立。4.2孔隙结构对原生孔隙检出率的影响从储层演化的角度来说,高岭石通常是长石溶解和次生孔隙发育的指示矿物。在面孔率(包括总面孔率、次生孔隙面孔率和原生孔隙面孔率)与自生高岭石含量投点图中(图2a),高岭石与面孔率之间表现为一种正相关关系。与绿泥石-面孔率关系不同的是:自生绿泥石含量与原生孔隙面孔率的相关性较好,与次生孔隙间缺乏良好的相关性(图2b),但自生高岭石含量则与次生孔隙之间表现出良好的相关性,而与原生孔隙之间相关性较差(图2c),说明与高岭石伴生的主要是次生孔隙而不是原生孔隙。尽管如此,砂岩中自生高岭石含量和原生孔隙间仍为一种正相关关系,同时自生高岭石含量和总面孔率间的相关性还稍好于其与次生孔隙间的相关性,这说明长石溶解是在有一定原生孔隙、且允许流体流通的岩石中发生的,或者是长石溶解的时候,岩石尚未经历有效的压实作用,由长石溶解形成的次孔隙是在原生孔隙的基础上发展起来的,当然也可能说明,须4段的一些粒间孔隙在一定程度上具有次生性质,它们可能具有粒间溶孔或粒间溶蚀扩大孔的性质。4.3伊利石包膜的潜在孔隙研究发现,砂岩中不同形态的自生伊利石对储层发育有不同的影响。以纤维状、卷曲片状(图版Ⅰ-6)存在的自生伊利石,呈网状搭桥式分布于砂岩中,把大量的孔隙和吼道切割成微细的束缚孔隙,致使孔喉减小、储层渗透率降低;以颗粒包膜存在的自生伊利石(图版Ⅰ-7),理论上应该有利于孔隙的保存。然而,孝-新-合地区伊利石包膜没有显示出对孔隙的明显保护作用,其原因可能是因为:(1)自生伊利石的沉淀作用可能较晚(可能发生在晚期成岩阶段),甚至在石英次生加大作用之后(图版Ⅰ-7);(2)伊利石包膜(或衬里)的厚度较薄;(3)一部分作为孔隙衬里(或颗粒包膜)的伊利石平行于颗粒生长(图版Ⅰ-8),电镜观察表明,以这种方式存在的伊利石可能并非自生成因。另外,作为孔隙充填的伊利石中的大部分可能都是杂基成因。对于混层伊利石/蒙皂石,由于其含量非常少,且其产状又与伊利石近似,我们认为它对于储层的影响于伊利石是类似的。5储层质量发育分类(1)孝-新