川中地区黏土中绿泥石成因及储层意义

川中地区黏土中绿泥石成因及储层意义

粘土是沉积相的最丰富材料。其组成、含量、矿物性质、成岩性质和孔隙发育对储层的产量有显著影响。尤其是绿色粘土。自生绿泥石广泛分布在四川盆地上三叠统须家河组储集层砂岩中,在盆地中部尤为发育,大多数自生绿泥石作为孔隙环边衬里产出。关于绿泥石对储集层的影响,近几年来各有纷争,一种观点认为绿泥石包绕碎屑颗粒,堵塞吼道,导致原生孔隙与渗透率降低;另一种观点认为绿泥石衬边碎屑颗粒阻碍碎屑颗粒与孔隙接触,从而减少了其他胶结物的沉淀,对孔隙保存起到积极的作用[14,15,16,17,18,19,20]。本文对川中地区钻井样品中黏土矿物进行X-衍射分析、岩心铸体测试及电镜扫描微观图像观察,从川中地区上三叠统砂岩储集层中自生绿泥石的产状、成因及其与孔隙保存机制的关系来说明其对储集层物性的影响。1研究区与铁-镁绿泥石成分比较绿泥石(chlorite,C)是一种2∶1层型含水的层状铝硅酸盐矿物,其结构单元层的层间域被带有正电荷的八面体片所充填,构成高温下稳定的14×10-1nm基本结构单元。绿泥石的层间物是氢氧化物八面体片(似水镁石层或似滑石层),故过去也称绿泥石为2∶2层型或2∶1∶1层型黏土矿物。其一般结构式为(Mg·Fe·A1)6[(Si·A1)4O6](OH)8。绿泥石族矿物可划分为三八面体、二八面体和二八—三八面体3个亚族。自然界大多数绿泥石属于三八面体绿泥石亚族,另外2个亚族绿泥石矿物少得多。应用能谱方法对研究区绿泥石化学成分进行分析(见表1、图1),并与杨雅秀等应用化学方法所测的镁绿泥石端元矿物(辽宁本溪斜绿泥石)和铁绿泥石端元矿物(山西化县绿泥石)比较后发现,研究区绿泥石化学成分中铁氧化物(FeO+Fe2O3)含量较高(27.91%~38.34%),与铁绿泥石端元矿物(FeO+Fe2O3含量41.13%)较接近,而与镁绿泥石端元矿物(FeO+Fe2O3含量1.95%)差异悬殊。除铁成分外,研究区绿泥石中还有少量MgO(4.60%~5.16%),也与铁绿泥石端元矿物(MgO含量4.11%)较接近。此外研究区绿泥石SiO2/Al2O3值为1.16~1.17,也较接近铁绿泥石端元矿物(SiO2/Al2O3值1.24),而与镁绿泥石端元矿物(SiO2/Al2O3值1.62)差异较大。通过定向样品的X-射线衍射对黏土矿物进行定性定量鉴定,并将研究区绿泥石含量较高样品的X-衍射谱图与杨雅秀等获得的2个较纯绿泥石样品的定向X-衍射谱图进行对比,结果显示,研究区绿泥石五级衍射峰之间的强度关系接近于铁绿泥石端元矿物的谱图,而与镁绿泥石端元矿物谱图差异显著。因此,研究区的绿泥石属于铁—镁过渡型中偏富铁的绿泥石(简称富铁绿泥石)。扫描电镜下观察绿泥石发现,绿泥石单个晶体呈叶片状或针叶状,绿泥石片呈薄膜覆盖在砂岩骨架颗粒表面(粒表),或以片状—针叶片状集合体充填堆积于粒间孔隙中,呈衬垫式胶结(见图2)。2绿泥石成岩环境黏土矿物的形成、转化和消失受古环境、成岩作用、母岩性质等多种因素控制,是一个极其复杂的地质作用过程。研究区绿泥石属于三八面体富含铁的铁—镁过渡型,形成条件是中等古盐度、偏富铁镁离子(尤其富铁离子)的碱性(pH值7~9)古水介质,尤其是在中—晚成岩阶段更有利于自生绿泥石的形成。研究发现,研究区须家河组砂岩中铁方解石胶结作用十分普遍,强度变化较大,这与须家河组砂岩普遍存在富铁绿泥石且含量变化较大的现象也相一致。研究区呈包膜或孔隙衬里的绿泥石,多形成于中成岩阶段,与富铁沉积环境有关,河流带来丰富的溶解铁,给绿泥石的形成提供了铁的来源,这种绿泥石主要产于三角洲前缘环境;以单矿物在孔隙中充填的绿泥石,可呈几个世代层层向孔隙中心生长,直至将孔隙充满为止,或者不具世代性直接充填,这种绿泥石通常是在孔隙水高铁和镁含量的碱性成岩环境中形成。在适宜的条件下,绿泥石可以从其他矿物(如高岭石、蒙皂石)转化而来,也可以直接从介质中晶析而成,但这种现象在川中地区极少见到。3绿色粘土石与储存层之间的关系3.1细砂岩绿泥石相对含量和渗透率从研究区绿泥石相对含量(绿泥石在黏土矿物中所占比例)与孔渗数据的统计分析来看,两者有一定的正相关性(见图3),绿泥石相对含量高的样品孔隙度、渗透率往往也较高或很高。广安5井2388.0m处须四段细砂中绿泥石占黏土矿物的83%,孔隙度和渗透率分别为15.98%和65.8×10-3μm2;该井2394.4m处细砂岩中绿泥石相对含量占65%,孔隙度和渗透率分别为11.46%和13.5×10-3μm2。包浅001-16井须家河组87个砂岩样品中,绿泥石相对含量低于40%的砂岩,孔隙度往往低于10%,渗透率多小于0.1×10-3μm2。研究区绿泥石以针叶状、叶片状自生为主,有利于形成绿泥石的古水介质优先进入孔喉大、流通性好的砂岩孔隙中,才能有绿泥石晶体发育生长的空间,形成形态好的绿泥石,故孔隙度高、渗透性好的砂岩是绿泥石形成的有利区域。虽然绿泥石形成后占据了一定空间,减少了原始的孔隙体积,但相比古水介质难以进入因而难以形成绿泥石的低孔、低渗砂岩,仍有较大的孔隙度和渗透率;同时利于绿泥石形成的碱性水还可以溶蚀石英,使孔隙空间扩大。因此,绿泥石含量与孔隙度、渗透率等物性参数呈正相关关系。3.2绿色粘土石与石英的自生增加3.2.1i4+的来源形成绿泥石与形成石英自生加大的古环境(尤其是古水介质性质)有明显差异。石英加大和自生石英形成于弱酸性介质(pH值5~6),要求水介质中富含硅离子(Si4+)并需要较高的温度。Si4+的来源有:硅质生物骨骼溶解,如硅藻土、放射虫、硅质海绵等硅质生物非晶质氧化硅的溶解;火山玻璃蚀变;黏土矿物转变(如蒙皂石向伊利石转化)过程中产生的SiO2;硅酸盐类矿物(如长石)风化溶解形成的高岭石和SiO2;石英压溶等途径产生的SiO2和Si4+。同时,石英在碱性水介质中受到溶蚀,尤其当pH值增高到9.0以上时,石英溶解量急剧增加。绿泥石形成于富铁、镁离子的碱性介质(pH值7~9)环境,较高的温度有利于绿泥石形成。绿泥石可以从高岭石与蒙皂石转化而来,当溶液中各种离子浓度关系达到一定比例时可以从孔隙水介质中晶析而成。3.2.2其他期次发育期镜下薄片观察发现,绿泥石膜与石英自生加大形成的时期也不相同。根据包裹体分析,须家河组包裹体均一温度主要分布在80~140℃,主峰在100~120℃。结合包裹体测温和岩石薄片观察,研究区石英胶结有3期,第一期发育在早成岩B期,主要为石英次生加大围绕颗粒生长,数量少;第二期发育在中成岩A1时期,为石英加大的主要发育期,这一期的石英加大对孔隙的充填起关键作用;第三期发育在中成岩A2期,出现了较多的硅质胶结,石英加大的现象较第二期少。而环边绿泥石由富铁黏土(主要是磁绿泥石berthierine)转化而来,形成的适宜温度为90~100℃,结合镜下薄片分析,绿泥石形成时期主要为中成岩A1期,介于硅质胶结形成的第一期和第二期之间。根据水介质条件的不同,绿泥石膜和石英自生加大形成的先后次序也不同,主要有两类:①若先为弱酸性介质,且介质中富含Si4+,则先形成石英加大,后转变为富铁、镁(尤其富铁)离子的碱性介质,在石英自生加大上形成自生针叶状和叶片状绿泥石;或先形成自生石英,后来在碱性介质中自生石英受到溶蚀,在被溶蚀处生长出绿泥石(见图4a、4b)。②先为富铁、镁离子的碱性介质的情况下,则先形成针叶状和叶片状自生绿泥石,后在富Si4+的弱酸性介质中形成石英加大(见图4c、4d)。3.3环边绿泥石胶结作用从上面分析可知,绿泥石与自生石英的发育没有直接的联系,两者分别为不同时期和条件下的产物。但在沉积过程中,岩石受上覆岩层压实,可造成孔隙减少;绿泥石包膜形成后,压实作用一直在进行,绿泥石生长并没有停止,它可以包裹石英,在原生孔隙发育、石英颗粒较大的环境下,使原来的点接触变成类似线接触,使颗粒之间的接触表面积变大,这样就增加了岩石抗机械压实的强度,使孔隙得以较好地保存。研究区存在环边绿泥石胶结物的砂岩中,虽然强烈的压实作用已造成碎屑颗粒破裂,但粒间孔保存很好。在砂岩储集层中,环边绿泥石形成的时间主要在中成岩A1期,早于硅质胶结大量形成的时期,针叶状绿泥石中发育少量的自生石英,这些石英一般朝没有被绿泥石包裹的单方向扩张,说明早期形成的绿泥石可以抑制自生石英的生长,绿泥石的存在使得残余原生粒间孔得到保存(见图4e、图4f、图5)。同时,衬边的绿泥石可以分隔孔隙水与石英颗粒,阻止自生石英胶结物在碎屑石英的表面成核,从而产生在绿泥石胶结作用发生的地方很少有自生石英生长的现象。研究区残余粒间孔中见有自形的自生石英晶体生成,与碎屑颗粒紧紧相连;而在黏土膜发育的孔隙中只有少量的自生石英生成,说明黏土膜可阻止自生石英生长,或减小石英生成的数量,达到保护孔隙的作用。研究区储集层致密程度主要受压实作用和胶结作用的影响,而环边绿泥石可以增强岩石的抗压能力,还能抑制石英的胶结,有效地保存原生孔隙度,间接地保护储集层质量。对广安地区埋藏深度基本相同的储集层段分析发现,有绿泥石衬里的砂岩具很低的颗粒接触强度,基本上没有石英加大,孔隙度较高;缺乏绿泥石衬里的砂岩具很高的颗粒接触强度,并有石英加大,孔隙度较低。该现象从侧面说明绿泥石虽然和石英的形成没有直接的关系,但是绿泥石的存在能影响石英形成的规模,影响储集层的物性。4绿泥石