劉佳慶,陽興華,康 銳,高鋒博

(1.陜西延安石油天然氣有限公司,陜西西安710018; 2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710021)

鄂爾多斯盆地東部太原組致密砂巖伊利石特征及成因分析

劉佳慶1,陽興華1,康 銳2,高鋒博1

(1.陜西延安石油天然氣有限公司,陜西西安710018; 2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710021)

鄂爾多斯盆地東部太原組儲(chǔ)層砂巖十分致密,非均質(zhì)性強(qiáng),黏土礦物種類和含量是影響其物性的重要因素。利用巖心觀察、鑄體薄片、掃描電鏡和X射線衍射等手段,對(duì)黏土礦物中的伊利石進(jìn)行了特征分析和成因研究。結(jié)果表明:①盆地東部太原組致密砂巖中以高伊利石含量和相對(duì)低高嶺石含量為主要特征,伊利石的產(chǎn)狀存在薄膜式、粒間孔膠結(jié)和充填式等多種類型;②長石伊利石化及高嶺石伊利石化是太原組儲(chǔ)層在成巖晚期經(jīng)歷的主要成巖作用類型,剩余的鉀長石和致密且封閉的砂巖提供了持續(xù)向伊利石轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境,最終導(dǎo)致了伊利石的大面積富集;③研究區(qū)伊利石含量自三角洲平原向三角洲前緣逐漸升高,自水下分流河道砂體的中部向邊部逐漸升高,自河道交匯處向分岔處逐漸升高,勘探過程中應(yīng)盡量避開伊利石含量較高的相帶。

成巖作用;伊利石化;成因分析;定性預(yù)測;致密砂巖;太原組

黏土礦物的種類、含量及其在孔隙中的分布位置均對(duì)儲(chǔ)層物性具有較強(qiáng)的影響和控制作用。自生黏土礦物在砂巖孔隙中的不同產(chǎn)狀對(duì)砂巖孔隙度、滲透率的影響程度不同,基本上按分散質(zhì)點(diǎn)式—薄膜式—搭橋式的順序依次升高[1]。開展黏土礦物研究對(duì)鄂爾多斯盆地及類似的“三低”油藏的勘探開發(fā)具有重要意義[2-4]。本文在系統(tǒng)總結(jié)鄂爾多斯盆地東部太原組砂巖儲(chǔ)層伊利石特征的基礎(chǔ)上,對(duì)比分析伊利石形成的幾種可能成因機(jī)制,探討其在砂巖中富集的控制因素;追溯成巖作用晚期伊利石化對(duì)儲(chǔ)層物性的影響,為預(yù)測儲(chǔ)層品質(zhì)提供參考。

1 儲(chǔ)層基本特征

鄂爾多斯盆地東部(下文簡稱東部地區(qū))太原組砂巖十分致密(孔隙度為5％～10％),非均質(zhì)性強(qiáng),微觀孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。砂巖類型主要為巖屑石英砂巖,占全部砂巖樣品的70.0％左右;次為巖屑砂巖,占15.3％左右;含極少量石英砂巖。面孔率平均為3.6％,以巖屑溶孔為主,雜基溶孔、長石溶孔、粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、粒間孔、晶間孔次之。研究區(qū)太原組孔隙度分布區(qū)間為0.08％～13.26％,平均值是6.24％,峰值區(qū)間為6％～10％;滲透率分布區(qū)間為0.002～14.31mD,平均值是0.36mD,峰值區(qū)間為0.01～0.5mD(圖1)。根據(jù)研究區(qū)太原組50塊樣品X射線衍射—全巖及黏土礦物分析,黏土礦物以伊利石為主,高嶺石次之,伊利石平均含量為6.75％;伊利石組分顯著發(fā)育,是其區(qū)別于鄂爾多斯盆地東部上古生界其他層位砂巖的顯著特征[5-7]。

2 伊利石特征

太原組儲(chǔ)層經(jīng)歷了強(qiáng)烈的成巖改造,黏土礦物有多種賦存形態(tài),在巖心觀察的基礎(chǔ)上,對(duì)鑄體薄片進(jìn)行系統(tǒng)研究,結(jié)合掃描電鏡,將伊利石形態(tài)總結(jié)為以下6種。

(1)伊利石呈薄膜式膠結(jié):產(chǎn)出狀態(tài)類似于綠泥石膜,是早成巖的標(biāo)志。巖石顆粒點(diǎn)接觸,巖屑蝕變?nèi)?無變形,伊利石呈薄膜式在碎屑顆粒邊緣生長,在正交光下形成碎屑顆粒的亮邊,類似于貝克線(圖2a)。

(2)伊利石充填原生粒間孔式膠結(jié):碎屑顆粒點(diǎn)接觸,石英無自生加大,巖屑蝕變?nèi)?無變形,伊利石孔隙式充填(圖2b)。

(3)伊利石充填石英Ⅰ級(jí)加大粒間孔:充填方式與高嶺石充填石英Ⅰ級(jí)加大粒間孔的方式相同,偶爾可見伊利石晶間發(fā)育高嶺石顆粒和自生石英顆粒,但碎屑組分與高嶺石充填不同,表現(xiàn)為石英顆粒含量較低,交代長石顆粒較多,巖屑,尤其是片巖和千枚巖巖屑較發(fā)育(圖2c)。

(4)與碳酸鹽共同充填粒間孔:伊利石與方解石同時(shí)充填于孔隙中,多數(shù)情況下,在高嶺石與碳酸鹽接觸處,出現(xiàn)碳酸鹽的溶蝕作用面,粒間溶孔多發(fā)育于作用面附近(圖2d)。

(5)伊利石與高嶺石共同充填粒間孔:高嶺石與伊利石同時(shí)充填于孔隙中,多數(shù)情況下,高嶺石膠結(jié)物被伊利石膠結(jié)物包裹(圖2e)。

(6)伊利石、高嶺石和碳酸鹽共同充填粒間孔:這種膠結(jié)方式在東部地區(qū)太原組中很常見,一般碳酸鹽呈斑塊狀分布,與高嶺石相連,在高嶺石區(qū)域發(fā)育伊利石,形成碳酸鹽溶蝕后被高嶺石和伊利石同時(shí)充填的假象(圖2f)。

3 伊利石成因分析

3.1 海水導(dǎo)致伊利石生成的成因

在伊利石的形成過程中,K+是主線。伊利石的摩爾體積為135.2cm3/mol,即生成135.2cm3的伊利石需要29.25g的K+,相當(dāng)于每生成1cm3伊利石需要0.216g鉀。研究區(qū)目的儲(chǔ)層砂巖中伊利石平均含量約為8％,也就是每升砂巖中含17.3g鉀。海水中,K+的平均濃度為0.399g/L[9],研究區(qū)主體沉積環(huán)境處于三角洲,K+的含量較均值偏低,相當(dāng)于現(xiàn)今渤海灣水域的濃度,約為0.317g/ L。砂巖成分成熟度低,巖屑含量高,原始孔隙度較低,以30％來估算,每升原始砂巖中K+含量為0.089g,即形成目前砂巖中的伊利石含量需要195倍于砂巖體積的海水。現(xiàn)今太原組砂巖平均厚度約為6m,按伊利石對(duì)鉀源的需求條件計(jì)算,至少需要1170m厚的海水濃縮才能達(dá)到形成伊利石的最低要求。但原始沉積地層的平均厚度約為45m,因此,原始地層水中的K+含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以形成東部太原組伊利石富集的需求量。

值得注意的是,以上分析并不涵蓋所有情況。從成巖地質(zhì)產(chǎn)狀分析,研究區(qū)目的儲(chǔ)層個(gè)別伊利石膜發(fā)育帶是成巖早期埋藏海水形成的(圖3a、b),證實(shí)在埋藏海水中K+濃度相對(duì)極高的局部區(qū)域能夠?yàn)橐晾さ男纬商峁┳銐蛭镔|(zhì)來源。

3.2 蒙皂石轉(zhuǎn)化成因分析

隨埋藏深度增加,儲(chǔ)層中蒙皂石向伊利石轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)研究證實(shí),溫度為100～130℃、K+與H+比值接近正常海水時(shí),蒙皂石失去層間水向伊利石轉(zhuǎn)化[10]。

從理論上講,高嶺石呈板狀,吸水能力弱,搬動(dòng)能量較高,分布于近海岸;綠泥石呈書頁狀或花瓣?duì)?搬運(yùn)能量比高嶺石低,分布于高嶺石向盆地方向;伊利石呈片狀到絲狀,吸水能力較強(qiáng),分布于綠泥石帶外緣向盆地方向;蒙皂石(伊/蒙混層礦物)吸水能力最強(qiáng),最易于搬運(yùn),分布于盆地中部[11]?，F(xiàn)代海洋中黏土礦物的分布規(guī)律是:由海岸向盆地,依次為高嶺石分布帶、綠泥石分布帶、伊利石分布帶、蒙皂石分布帶。

東部地區(qū)太原組泥巖和石灰?guī)r中黏土礦物組合的分布趨勢與現(xiàn)代海洋基本相同(圖4),北部三角洲平原到內(nèi)前緣發(fā)育高嶺石帶;南部三角洲外前緣發(fā)育伊利石帶;過渡帶自北向南高嶺石含量逐漸降低,伊利石含量逐漸升高。而現(xiàn)今地層達(dá)到晚成巖階段時(shí),原始沉積的蒙皂石已轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾蛞?蒙混層礦物,因此未出現(xiàn)蒙皂石帶。泥巖和石灰?guī)r中黏土礦物主要發(fā)生蒙皂石向伊利石的轉(zhuǎn)化,而高嶺石和綠泥石含量在成巖過程中基本不發(fā)生明顯變化。綜上所述,伊利石+伊/蒙混層礦物與高嶺石和綠泥石的相對(duì)含量能代表沉積時(shí)所處環(huán)境的黏土礦物原始組合。

砂巖中黏土礦物的分布特征與泥巖和石灰?guī)r中明顯不同(圖5):黏土礦物組合北部以高嶺石為主,伊利石+蒙皂石次之,有少量的綠泥石;南部以伊利石+蒙皂石為主,高嶺石次之,有少量綠泥石。由于河流作用較強(qiáng),黏土礦物發(fā)育帶可能向南部三角洲外前緣帶偏移,即高嶺石帶和伊利石帶發(fā)育帶主要在南部。但目前東部砂巖中黏土礦物的分布特征是:從三角洲平原到三角洲前緣,普遍發(fā)育伊利石帶。由此可見,砂巖中的伊利石并非主要由蒙皂石轉(zhuǎn)化而來。

3.3 堿性長石轉(zhuǎn)化成因分析

表1 東部太原組太2下伊利石成分測試成果表單位:％Table1 Testing results of illite composition in the eastern Taiyuan formation

伊利石形成既要有充足的難遷移元素硅、鋁,又要有易遷移元素鉀。鉀是一種相對(duì)特殊的元素,對(duì)碎屑礦物而言,主要賦存于堿性長石中,只有堿性長石分解才能釋放出K+。

為實(shí)現(xiàn)K+的相對(duì)富集,需要鉀長石分解過程中流體不流動(dòng)或難流動(dòng),要求相對(duì)封閉的體系空間,即要求儲(chǔ)層物性差。分流河道砂巖只有在晚成巖階段溶蝕孔隙被充填后,才能滿足這種K+富集的環(huán)境要求。

地層中高的鍶同位素比值說明富鉀礦物分解釋放出K+。東部碎屑巖中,只有鉀長石具備這種物質(zhì)條件;鐵方解石出現(xiàn)說明富鉀礦物分解溫度在125℃左右,這一時(shí)期是前文所述鉀長石發(fā)生高嶺石化的時(shí)期。而伊利石的形成需要相對(duì)封閉的成巖環(huán)境,即只有高嶺石、鐵方解石及鐵白云石大量充填溶蝕孔隙后,才能發(fā)生伊利石膠結(jié)。

關(guān)于東部地區(qū)太原組砂巖的伊利石膠結(jié),其物源是長石蝕變;形成環(huán)境是晚成巖期物性變差的較封閉環(huán)境;形成時(shí)間在鐵方解石、鐵白云石和堿性長石高嶺石化之后。

庫車坳陷陽霞組也同樣存在鉀長石的伊利石化。以依南2井區(qū)為例,該井地層壓力系數(shù)為1.8,處于異常高壓體系下,定義為異常高壓封存箱。該封存箱內(nèi)長石解體成骸晶狀,伊利石正在形成(圖6a)。進(jìn)一步分析其巖石組分時(shí)發(fā)現(xiàn),長石含量與伊利石含量呈良好的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6b),這些均證明了在封閉體系下,長石蝕變形成伊利石膠結(jié)。

4 伊利石對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響及分布預(yù)測

4.1 伊利石對(duì)儲(chǔ)層孔隙的影響

黏土礦物是上古生界砂巖中重要的孔隙充填物,對(duì)儲(chǔ)層孔隙度和滲透率的影響最大。自生伊利石具較大的比表面積及纖維狀的晶體形態(tài),存在于溶蝕強(qiáng)烈的粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔中。尤其在粒內(nèi)溶孔中,其單體多成絲狀-絲片狀,集合體呈網(wǎng)狀為主,以分割孔隙空間方式導(dǎo)致砂巖儲(chǔ)層質(zhì)量(特別是滲透率)的嚴(yán)重惡化[8]。

伊利石膠結(jié)分為早期薄膜式膠結(jié)、中晚期堿性長石伊利石化膠結(jié)及高嶺石伊利石化膠結(jié),研究區(qū)太原組伊利石膠結(jié)以中晚期堿性長石伊利石化膠結(jié)及高嶺石伊利石化膠結(jié)為主。堿性長石伊利石化膠結(jié)充填孔隙,絲狀的伊利石更容易堵塞喉道;高嶺石伊利石化充填晶間孔則表現(xiàn)為堵塞晶間孔喉道,具有強(qiáng)烈的破壞作用(圖7)。

4.2 伊利石轉(zhuǎn)化機(jī)理及分布預(yù)測

伊利石化是東部太原組晚成巖階段經(jīng)歷的主要成巖作用類型[13-14],其產(chǎn)出方式有多種,物質(zhì)來源主要為長石。

鉀長石伊利石化反應(yīng):9KAlSi3O8+R2++2CO2+ 4H2O→4K0.75(Al1.75R0.25)[Si3.5Al0.5O10](OH)2+6K++2CO3

2-+13SiO2。該反應(yīng)形成伊利石和石英。據(jù)摩爾體系計(jì)算,參與反應(yīng)鉀長石體積為861.5,形成伊利石體積為540.7,相當(dāng)于鉀長石體積的62.7％;形成石英體積為294.3,相當(dāng)于鉀長石體積的34.2％;反應(yīng)后固體體積減少26.4,相當(dāng)于鉀長石體積的3％;消耗水的體積為72,相當(dāng)于鉀長石體積的8.4％。反應(yīng)中固體體積和流體體積均減少,表面上看有利于儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育,但實(shí)際上呈絲狀分布的伊利石會(huì)在顆粒表面形成水膜,導(dǎo)致孔隙水鎖,使有效孔隙減少。因此,伊利石化是破壞性成巖作用。

值得說明的是,鉀長石伊利石化除需要封閉環(huán)境外,還需要有機(jī)質(zhì)高熟、有機(jī)酸裂解的條件[15-16]。

鈉長石發(fā)生伊利石化需要的條件是地層水中有K+、Mg2+和Fe2+。反應(yīng)最佳時(shí)期是有機(jī)酸裂解排出Fe2+的階段,與鉀長石伊利石化同時(shí)進(jìn)行,反應(yīng)式為:9NaAlSi3O8+3K++R2++2CO2+4H2O→4K0.75(Al1.75R0.25)[Si3.5Al0.5O10](OH)2+9Na++ 2CO3

2-+13SiO2。鈉長石伊利石化形成高嶺石和石英。根據(jù)摩爾體系計(jì)算,參與反應(yīng)鈉長石體積為784.1,形成伊利石體積為540.7,相當(dāng)于鈉長石體積的68.9％;形成石英體積為294.3,相當(dāng)于鈉長石體積的37.5％;反應(yīng)固體體積增加50.9,相當(dāng)于鈉長石體積的6.5％;消耗水的體積為72,相當(dāng)于鈉長石體積的9.2％。

太原組砂巖的伊利石含量理論上主要取決于原始沉積物中堿性長石的含量,但研究區(qū)堿性長石多發(fā)生高嶺石化或伊利石化,因此從物源上無法分析伊利石膠結(jié)物含量與碎屑組分含量之間的關(guān)系。從形成條件來說,巖屑組分,尤其是板巖和千枚巖組分在成巖過程中塑性變形,能增強(qiáng)儲(chǔ)層封閉性;從膠結(jié)原則“物以類聚”的角度來說,板巖和千枚巖巖屑中富含伊利石和絹云母,有利于伊利石形成。因此伊利石主要發(fā)育于巖屑發(fā)育區(qū)域。

伊利石膠結(jié)物含量與千枚巖+板巖巖屑含量總體呈正相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性較差;原因可能與碎屑及孔隙式膠結(jié)伊利石與交代伊利石無法區(qū)分有關(guān)。但此相關(guān)關(guān)系基本證實(shí)伊利石易形成于板巖和千枚巖巖屑發(fā)育的區(qū)域。

從沉積分異規(guī)律分析,板巖和千枚巖巖屑中伊利石和絹云母含量高,水化能力強(qiáng),主要分布于河道側(cè)緣和前緣,在河道中部相對(duì)不發(fā)育[17]。根據(jù)碎屑組分中千枚巖+板巖+片巖含量,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)砂巖中伊利石的平面分布進(jìn)行預(yù)測如下:伊利石含量在三角洲平原到前緣的過渡帶最低,向南升高;在分流河道砂體的中部最低,向邊部逐漸升高;在河道交匯處最低,順直處居中,分岔處最高。建議勘探時(shí)應(yīng)盡量避開河道邊部及分叉處等伊利石含量較高的相帶。

5 結(jié) 論

(1)鄂爾多斯盆地東部太原組致密砂巖儲(chǔ)層黏土礦物以高伊利石含量和相對(duì)低高嶺石含量為主要特征。伊利石產(chǎn)狀存在薄膜式、粒間孔膠結(jié)和充填式等多種類型。

(2)長石伊利石化、高嶺石伊利石化是目的儲(chǔ)層在成巖晚期經(jīng)歷的主要作用類型。剩余的鉀長石和致密且封閉的砂巖提供了持續(xù)向伊利石轉(zhuǎn)化的物質(zhì)基礎(chǔ)和環(huán)境,最終導(dǎo)致了伊利石的大面積富集。

(3)基于砂巖中伊利石成因的分析,預(yù)測伊利石含量在研究區(qū)三角洲平原到前緣的過渡帶最低,向南升高;在分流河道砂體的中部最低,向邊部逐漸升高;在河道交匯處最低,順直處居中,分岔處最高。建議勘探過程中應(yīng)盡量避開河道邊部及分叉處等伊利石含量較高的相帶。

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Characteristics and Origin Analysis of Illite in Taiyuan Tight Sandstones Formation,Eastern Ordos Basin

Liu Jiaqing1,Yang Xinghua1,Kang Rui2,Gao Fengbo1
(1.Yan′an Oil＆amp;Gas Ltd.Xi′an 710018 Shaanxi,China;2.Petroleum Exploration and Development Research Institute of PetroChina Changqing Oilfield Company,Xi′an,Shaanxi 710021,China)

The sandstones of Taiyuan formation and reservoir in eastern part of Ordos basin is very tight and strong heterogeneity,the type and content of clay minerals are the important factors affecting the physical properties of the sandstone. The characteristics and origin of illite in the clay mineral have been studied by means of core observation,cast thin sheet, scanning electron microscope and X ray diffraction,etc.Results showed that:①high illite content and low kaolinite content relatively are the typical features of the Taiyuan formation sandstones at eastern part of Ordos Basin.There are thinfilms,intergranular hole cementation and filled status of illite;②The main diagenesis was illitization,which happened in feldspar and kaolinite in the late diagenesis.Remaining K-feldspar and tight closed sandstones provided materials and environment for transforming it into illite continuously,eventually led to a large area of illite enrichment.③The content of illite in the study area increased gradually from the delta plain to the front of delta,especially from the middle part of sand body to the edge of underwater diversion channel,or from the confluence of the river to the bifurcation point,so,the facies belt with high content of illite should be bypassed in the course of exploration as far as possible.

diagenesis;illite;origin analysis;qualitative prediction;tight sandstones;Taiyuan Formation

TE122

:A

劉佳慶(1982年生),女,工程師,主要從事于油氣田勘探方面的研究與應(yīng)用工作。郵箱:lemontreenan@163.com。