張永旺，李 峰，曲正陽(yáng)

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249;3.長(zhǎng)慶油田 第四采油廠，陜西 榆林 718500)

0 引 言

深層油氣藏能否形成的關(guān)鍵問題之一是盆地碎屑巖致密儲(chǔ)層是否發(fā)育次生孔隙。成巖作用過程中長(zhǎng)石、巖屑以及碳酸鹽類膠結(jié)物的溶蝕淋濾是碎屑巖儲(chǔ)層形成次生孔隙的重要作用。作為砂巖骨架顆粒的長(zhǎng)石，在成巖作用過程中其溶蝕普遍，在次生孔隙形成過程中占有重要的地位，被認(rèn)為是次生孔隙產(chǎn)生的主要原因[1-8]。溶蝕長(zhǎng)石以及超大孔的存在揭示出侵蝕性流體對(duì)骨架顆粒的部分或者全部溶解，是次生孔隙形成的重要標(biāo)志[9]。長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物高嶺石是砂巖儲(chǔ)集層中最常見的自生黏土礦物之一，其發(fā)育程度是影響儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的一個(gè)重要因素，并且和油氣聚集關(guān)系密切，受到了石油地質(zhì)學(xué)家和礦物學(xué)家的普遍關(guān)注[10-11]。

長(zhǎng)石的溶蝕反應(yīng)中元素的活動(dòng)性有很大的差異。Al的活動(dòng)性最低，只有在“高流速”反應(yīng)條件下才能使Al運(yùn)移一定的距離；而對(duì)于Na、K、Ca和Si來說，在“低流速”和靜態(tài)反應(yīng)條件下較易遷移[9,12-13]。因此，長(zhǎng)石溶蝕反應(yīng)中高嶺石的形成分布主要受Al的遷移富集能力控制。當(dāng)成巖環(huán)境開放，地層水有利于長(zhǎng)石類礦物發(fā)生溶蝕作用，且地層水能將溶解組分Al及時(shí)遷移出去時(shí)，將導(dǎo)致儲(chǔ)層中長(zhǎng)石持續(xù)發(fā)生溶蝕，有利于次生孔隙的形成，造成孔隙度加大。如果成巖環(huán)境封閉，地層水流動(dòng)緩慢，Al的含量超過了該條件下飽和溶解度，就會(huì)發(fā)生沉淀形成高嶺石等黏土礦物，從而充填原生或次生孔隙，不利于孔隙度的提高。因此研究成巖元素Al在流體中遷移富集的過程以及特征對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)具有重要意義。

如果成巖環(huán)境封閉，流體動(dòng)力較弱，長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al就不會(huì)發(fā)生明顯的遷移作用，Al的含量就容易超過該條件下飽和溶解度，從而發(fā)生沉淀形成高嶺石等黏土礦物，充填原生或次生孔隙，不利于孔隙度的提高。

東營(yíng)凹陷位于渤海灣盆地、濟(jì)陽(yáng)坳陷的南部，是一個(gè)古新世發(fā)育起來的、具有典型“北斷南超”特點(diǎn)的裂陷盆地，是濟(jì)陽(yáng)坳陷油氣資源最豐富的凹陷，其中沙河街組(Es)地層是東營(yíng)凹陷主要的油氣富集層位。前人對(duì)東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層自生高嶺石發(fā)育特征與成因機(jī)制[11]進(jìn)行了探討，但對(duì)成巖過程中長(zhǎng)石溶蝕以及其溶蝕產(chǎn)物Al的遷移富集特征研究甚少。本文通過鑄體薄片、掃描電鏡、黏土礦物粉晶衍射等分析測(cè)試手段，對(duì)東營(yíng)凹陷砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石溶蝕、Al遷移富集特征進(jìn)行了分析，研究成果對(duì)于儲(chǔ)層評(píng)價(jià)以及油氣成藏研究具有一定指導(dǎo)意義。

1 長(zhǎng)石溶蝕、Al遷移富集特征

東營(yíng)凹陷沙河街組長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al主要是以高嶺石的形式保存下來[11]。東營(yíng)凹陷沙河街組碎屑巖儲(chǔ)層長(zhǎng)石溶蝕普遍，鏡下自生高嶺石分布微觀特征明顯(圖1)。在牛47井可見到長(zhǎng)石強(qiáng)烈溶蝕形成的溶蝕孔和溶蝕縫，坨135井也可觀察到長(zhǎng)石顆粒的溶蝕作用，而自生高嶺石基本沒有原位充填長(zhǎng)石溶蝕粒間孔隙，說明Al發(fā)生了明顯的遷移(圖1(A)、(B))。在牛48井長(zhǎng)石溶蝕較強(qiáng)，高嶺石和自生石英充填粒間和粒內(nèi)孔隙，Al基本沒有發(fā)生明顯的遷移作用(圖1(C))。而在鹽22-22、官104和官107井，自生高嶺石充填粒間和粒內(nèi)孔隙，而周圍長(zhǎng)石溶蝕特征不明顯，說明Al元素是從其他長(zhǎng)石溶蝕位置遷移而來，發(fā)生了明顯的富集作用(圖1(D)、(E)、(F))。高嶺石沒有同時(shí)沉淀到長(zhǎng)石溶蝕孔隙是因?yàn)殚L(zhǎng)石溶蝕釋放的Al擴(kuò)散遷移到了高嶺石生長(zhǎng)的位置，而高嶺石的生長(zhǎng)受聚核位置控制[8]。最好的聚核位置可能是相同類型的碎屑黏土碎片，然后自生高嶺石從這些起聚核作用的碎屑高嶺石向外生長(zhǎng)，結(jié)果導(dǎo)致這些高嶺石傾向于以斑狀形式充填孔隙(圖1(D))。

對(duì)河140井2 921.3～2 925.8 m深度段的砂巖進(jìn)行了理論計(jì)算高嶺石和實(shí)際形成高嶺石含量比較。假設(shè)在封閉的成巖體系，斜長(zhǎng)石溶解形成的Al在原位以高嶺石的形式沉淀下來。我們對(duì)該井埋深較淺樣品的斜長(zhǎng)石含量取平均值作為研究層段成巖早期斜長(zhǎng)石的含量。通過成巖前后斜長(zhǎng)石含量的變化，運(yùn)用以下化學(xué)反應(yīng)方程式(1)計(jì)算了斜長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石的含量(理論計(jì)算值)。這種理論計(jì)算值和實(shí)際形成高嶺石含量曲線的差異(圖2)說明相對(duì)開放體系里長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al發(fā)生了遷移富集。

圖2 理論計(jì)算的和觀察到的高嶺石含量隨深度變化特征(河140井,2921.3～2925.8 m)Fig.2 The distribution of observed and theoretical kaolinite with depth

(2NaAlSi3O8·CaAl2Si2O8)(斜長(zhǎng)石)+4H++2H2O——2Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(石英)+2Na++Ca2+

(1)

儲(chǔ)層砂巖關(guān)于礦物溶解沉淀的Al質(zhì)量平衡在巖相特征上一般表現(xiàn)為Al的凈損失[14]。其他研究則認(rèn)為成巖過程中礦物溶解沉淀保存了Al。地層水Al的濃度一般少于1×10-6[15]，沒有揭示出Al的活動(dòng)性。深埋儲(chǔ)層的壓實(shí)地層水流速一年為毫米級(jí)到厘米級(jí)，流速很低[16]。這種地層流體的低流速以及Al的低濃度不能說明硅酸鹽礦物溶解可以增加孔隙度。我們?cè)趲r石里觀察到的Al的活動(dòng)性與地層流體里表現(xiàn)出來Al的不活動(dòng)性的矛盾還沒有很好的解釋。

長(zhǎng)石溶蝕、反應(yīng)產(chǎn)物就近沉淀，也就是Al元素的這種薄片尺度的遷移特征，不會(huì)真正改變砂巖的孔隙度，只能引起次生孔隙的重新分布，增加砂體的非均值性[9]。

以鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石和石英為例，我們對(duì)成巖反應(yīng)前后巖石體積變化進(jìn)行了理論計(jì)算。鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石可以用以下化學(xué)反應(yīng)式表達(dá)：

2NaAlSi3O8(鈉長(zhǎng)石) +2H++4H2O——2Na++Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(石英)

(2)

2KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石) +2H++4H2O——2K++Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(石英)

(3)

鈉長(zhǎng)石形成高嶺石的體積V體積改變=2V鈉長(zhǎng)石-V高嶺石-4V石英=2×100.4-99.5-4×22.7=10.5 cm3

鉀長(zhǎng)石形成高嶺石的體積V體積改變=2V鉀長(zhǎng)石-V高嶺石-4V石英=2×108.2-99.5-4×22.7=26.1 cm3

其中V鈉長(zhǎng)石、V鉀長(zhǎng)石、V高嶺石、V石英分別為鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、高嶺石和石英的摩爾體積[8]。

上述反應(yīng)式給出的是2摩爾鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石溶蝕形成高嶺石和石英的體積改變量，鈉長(zhǎng)石溶蝕提高孔隙度的體積百分?jǐn)?shù)是：10.5/(2×100.4)=0.05；鉀長(zhǎng)石溶蝕提高孔隙度的體積百分?jǐn)?shù)是：26.1/(2×108.2)=0.12。假如10%的鈉長(zhǎng)石溶解增加巖石的孔隙度為10%×0.05 = 0.5%，而鉀長(zhǎng)石為10%×0.12=1.2%(圖3)。因此如果長(zhǎng)石溶解產(chǎn)物Al沒有發(fā)生較大尺度的遷移，那么長(zhǎng)石溶蝕后幾乎相等體積的次生礦物將會(huì)沉淀充填孔隙。這種長(zhǎng)石溶蝕形成的次生孔隙幾乎在砂巖中普遍存在。大多數(shù)觀察到的次生孔隙尤其是來自鋁硅酸鹽礦物溶解產(chǎn)生的，對(duì)巖石總體孔隙度影響甚微。上述研究表明次生孔隙發(fā)育的巖相學(xué)特征只能說明砂巖骨架顆粒發(fā)生了溶蝕作用，不足以說明砂巖孔隙度是否會(huì)真正提高。為了說明長(zhǎng)石溶蝕引起孔隙度提高，只能分析比較物源、巖性、沉積相及埋深等有相似特征的未淋濾砂巖和淋濾砂巖的孔隙度。

圖3 鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石溶解體積與砂巖孔隙度增加關(guān)系Fig.3 Percentage enhancement in porosity versus volume of albite and potassium feldspar dissolved

為了研究流體巖石相互作用過程中長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al的遷移富集特征以及對(duì)儲(chǔ)層物性的影響，我們選擇了牛莊洼陷中砂巖透鏡體發(fā)育的井來做研究。牛莊洼陷沙河街組Es3主要由暗色泥巖組成，其中透鏡體砂巖發(fā)育。在泥巖與砂巖透鏡體接觸位置，是沉積盆地流體巖石相互作用最強(qiáng)烈的地方[17]。地層水與烴源巖相互作用生成的酸性流體，在一定的地質(zhì)壓力驅(qū)動(dòng)下，向緊鄰的砂巖儲(chǔ)集層內(nèi)運(yùn)移。這些酸性流體是導(dǎo)致研究區(qū)砂巖儲(chǔ)集層內(nèi)長(zhǎng)石等骨架顆粒發(fā)生溶解的主要介質(zhì)，也是成巖反應(yīng)過程中長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al遷移富集的載體。

圖4 牛35井夾于泥巖之中的砂巖層高嶺石分布特征(2 946.9～2 951.8 m)Fig.4 The kaolinite distributary characteristics of intercalated sandstone in well Niu 35

圖5 牛18井夾于泥巖之中的砂巖層高嶺石分布特征(3 097.8～3 112.8 m)Fig.5 The kaolinite distributary characteristics of intercalated sandstone in well Niu 18

牛莊洼陷牛35井埋深2 946.9～2 951.8 m處發(fā)育頂?shù)妆荒鄮r層包裹的細(xì)砂巖夾層。發(fā)現(xiàn)高嶺石在細(xì)砂巖中呈不均一分布趨勢(shì)，在2 951.4 m深度處高嶺石含量較高。而這個(gè)高嶺石含量高值點(diǎn)對(duì)應(yīng)于巖性剖面上靠下面的砂-泥巖界面，基本上對(duì)應(yīng)2 951.8 m深度的砂-泥界面之上(圖4)。但靠近2 946.9 m處的上部砂泥巖界面，長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al沒有發(fā)生明顯的遷移富集?？赡苁怯捎谏喜康哪鄮r層厚度較薄，排出的壓實(shí)成巖水較少，不足以使Al發(fā)生明顯的遷移作用。牛莊洼陷牛18井埋深3 098.1～3 112.2 m處發(fā)育粉砂巖層，頂?shù)妆话瞪鄮r層包裹，研究結(jié)果表明，粉砂巖儲(chǔ)層中的高嶺石分布也表現(xiàn)出和牛35井相似的特征。在埋藏深度為3 097.6～3 113 m處的粉砂巖儲(chǔ)集層中，高嶺石含量出現(xiàn)了兩個(gè)高值點(diǎn)，與儲(chǔ)層剖面中的砂泥巖界面相對(duì)應(yīng)，但高嶺石峰值點(diǎn)和砂泥巖界面都有一定的距離，沒有完全對(duì)應(yīng)(圖5)。研究區(qū)自生高嶺石的來源主要為長(zhǎng)石的溶蝕作用，而從泥巖中排出的含有氫離子的酸性流體主要來自泥巖中的壓實(shí)地層水，同時(shí)伊蒙混層黏土礦物中蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過程中釋放的自由水也有一定貢獻(xiàn)，這些酸性流體提供了溶解長(zhǎng)石的溶劑。儲(chǔ)層剖面中砂泥巖界面處流體和長(zhǎng)石相互作用強(qiáng)烈，產(chǎn)生了惰性較強(qiáng)的Al元素，在較強(qiáng)的流體動(dòng)力條件下，成巖流體攜帶Al元素從泥巖向砂巖發(fā)生了一定的遷移，Al元素和Si飽和沉淀產(chǎn)生了高嶺石，因此在砂泥巖界面的靠近砂體一側(cè)出現(xiàn)高嶺石的富集，表現(xiàn)為高嶺石峰值。此外，研究區(qū)的砂巖儲(chǔ)層中裂隙以及次生孔隙有相當(dāng)數(shù)量的高嶺石充填分布，說明長(zhǎng)石溶蝕后產(chǎn)生的Al和Si等元素并未在原地沉淀形成高嶺石，而是在地層流體的滲流作用下，發(fā)生了遷移富集，因此砂巖儲(chǔ)層中砂泥界面與高嶺石峰值并不完全對(duì)應(yīng)，而是有一定偏離。

研究區(qū)砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石溶解以及高嶺石的形成分布基本上受砂泥巖界面位置和儲(chǔ)層物性的控制。從泥巖圍巖中排出的酸性流體進(jìn)入砂巖后致使長(zhǎng)石類礦物發(fā)生溶蝕作用，形成自生高嶺石和石英[18]。含有長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物Al的流體在砂/泥巖界面靠砂體一側(cè)發(fā)生富集，并在孔隙地層水的滲流作用下發(fā)生進(jìn)一步遷移作用，在遷移過程中部分Al沿砂巖中物性較好的通道被地層水搬運(yùn)到物性較差的地方富集沉淀下來，在本區(qū)可以觀察到砂巖儲(chǔ)層中物性好的地方長(zhǎng)石溶蝕強(qiáng)烈，而物性相對(duì)較差的砂巖高嶺石含量較高的現(xiàn)象，證實(shí)了Al發(fā)生了遷移富集，從而進(jìn)一步影響了長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物高嶺石的形成與分布。

2 長(zhǎng)石溶蝕、Al遷移富集及其和儲(chǔ)層物性的關(guān)系

長(zhǎng)石的溶蝕產(chǎn)物高嶺石是砂巖儲(chǔ)層中最常見的自生黏土礦物之一，其分布特征和發(fā)育程度直接關(guān)系到砂巖儲(chǔ)集層物性和油氣成藏，受到了石油地質(zhì)學(xué)家和礦物學(xué)家的普遍關(guān)注[19]。高嶺石的出現(xiàn)意味著長(zhǎng)石溶蝕作用的發(fā)生，所以是有利儲(chǔ)集層發(fā)育的標(biāo)志；也有學(xué)者認(rèn)為，高嶺石的存在會(huì)充填巖石粒間孔隙，使得儲(chǔ)層物性變差[19-22]。

圖6 牛18井高嶺石對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響(高嶺石峰值處取樣點(diǎn)) Fig.6 The effect of kaolinite on porosity of reservoir in well Niu 18

對(duì)牛18井剖面上高嶺石(峰值)富集處取樣點(diǎn)的儲(chǔ)層孔隙度和高嶺石含量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在Al遷移富集的區(qū)域，隨高嶺石含量的增加，砂巖的孔隙度有減小的趨勢(shì)，兩者之間呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系(圖6)，說明遷移來的Al富集沉淀堵塞了粒間孔隙，從而降低了儲(chǔ)層的物性。通過對(duì)牛18井兩個(gè)高嶺石峰值之間，牛35井靠近砂層內(nèi)部的各取樣點(diǎn)的高嶺石含量和孔隙度關(guān)系研究結(jié)果表明，在該段高嶺石含量和儲(chǔ)層物性之間相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為0.008(圖7)，說明在流體活動(dòng)能力較弱，高嶺石基本沒有遷移或遷移程度不大的層段，高嶺石的形成對(duì)孔隙度基本沒有影響。因此說明高嶺石含量不能作為有效次生孔隙發(fā)育的標(biāo)志，只有在Al發(fā)生遷移凈輸出之后，才能真正提高儲(chǔ)集層的物性。

圖7 牛18井、牛35井高嶺石對(duì)儲(chǔ)層孔隙度的影響(靠近砂層內(nèi)部，高嶺石峰值之間的取樣點(diǎn))Fig.7 The effect of kaolinite on porosity of reservoir in wells Niu 18 and Niu 35

3 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)石溶蝕過程中各元素的活動(dòng)性有很大的差異。對(duì)于Na、K、Ca和Si來說，Al的活動(dòng)性最低。長(zhǎng)石溶蝕以及高嶺石的形成分布主要受Al的遷移富集能力控制。

(2)在鏡下可以看到長(zhǎng)石溶蝕以及Al遷移富集的微觀特征，本區(qū)儲(chǔ)層中長(zhǎng)石溶解后形成的高嶺石的分布基本上受砂/泥巖界面位置和物性的控制。儲(chǔ)層剖面中砂泥巖界面處酸性流體與長(zhǎng)石相互作用強(qiáng)烈，產(chǎn)生了惰性較強(qiáng)的Al元素，在較強(qiáng)的流體動(dòng)力條件下，成巖流體攜帶Al元素從泥巖向砂巖發(fā)生了一定的遷移，Al元素和Si飽和沉淀產(chǎn)生了高嶺石，導(dǎo)致高嶺石峰值與砂泥界面并不完全對(duì)應(yīng)。在本區(qū)可以觀察到砂巖儲(chǔ)層中物性好的地方長(zhǎng)石溶蝕強(qiáng)烈，而物性相對(duì)較差的砂巖高嶺石含量較高的現(xiàn)象，證實(shí)了Al發(fā)生了遷移富集，從而進(jìn)一步影響了長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物高嶺石的形成與分布。

(3)碎屑巖儲(chǔ)集層次生孔隙發(fā)育的巖相學(xué)特征只能說明砂巖骨架顆粒發(fā)生了溶蝕作用，引起了孔隙重新分布，增加了砂體的非均值性，不足以說明砂巖孔隙度是否會(huì)真正提高。

(4)對(duì)于碎屑巖儲(chǔ)集層，Al的輸出意味著儲(chǔ)層物性的提高，而Al的輸入會(huì)降低儲(chǔ)層的物性。高嶺石含量不能作為有效次生孔隙發(fā)育的標(biāo)志。

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