川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組砂巖粘土礦物特征及其地質(zhì)意義

川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組砂巖粘土礦物特征及其地質(zhì)意義

須家河組砂巖固相沉積相粘土是構(gòu)成巖石和土壤細(xì)粒的主要礦物組成（2）m。一般情況下,粘土礦物是細(xì)分散的、含水的層狀構(gòu)造硅酸鹽礦物、層鏈狀構(gòu)造硅酸鹽礦物和含水的非晶質(zhì)硅酸鹽礦物的總稱(chēng)。它廣泛分布于川中上三疊統(tǒng)須家河組的各個(gè)層段中,是須家河組重要的烴源巖和致密砂巖儲(chǔ)集層中的填隙物,對(duì)砂巖儲(chǔ)集性能起著至關(guān)重要的作用。在用徠卡顯微鏡鑒定巖芯鑄體薄片的基礎(chǔ)上,通過(guò)掃描電鏡、能譜儀以及X–衍射儀等對(duì)須家河組砂巖中的粘土礦物進(jìn)行了全面系統(tǒng)的分析鑒定,明確了川中地區(qū)須家河組粘土礦物的種類(lèi)、產(chǎn)狀和分布特征,探討了各種粘土礦物形成機(jī)理,指出了粘土礦物與儲(chǔ)層物性的關(guān)系。這項(xiàng)基礎(chǔ)性的地質(zhì)研究將對(duì)四川盆地低孔低滲致密砂巖的形成機(jī)理、尋找優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布規(guī)律以及低孔低滲儲(chǔ)層的勘探和開(kāi)發(fā)提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。1須家河組砂巖儲(chǔ)集層特征川中廣安地區(qū)位于四川盆地中部,構(gòu)造上隸屬于川中古隆中斜平緩構(gòu)造帶的東北部。廣安地區(qū)地處華鎣山褶皺帶與樂(lè)山—龍女寺古隆起及大巴山褶皺帶的交匯部位(圖1)。廣安地區(qū)地層發(fā)育齊全,上三疊統(tǒng)須家河組不整合于中三疊統(tǒng)雷口坡組碳酸鹽巖之上,是潮濕環(huán)境下的含煤地層,其頂部是侏羅系干旱環(huán)境下的湖相碳酸鹽巖或碎屑巖。須家河組的沉積經(jīng)歷了三次較大的水侵,形成了砂泥互層的沉積結(jié)構(gòu),其中須一段、須三段、須五段及須六段上部以泥巖沉積為主,須二段、須四段與須六段下部主要發(fā)育致密砂巖,各砂巖厚度在80～180m。須家河組儲(chǔ)層在巖石學(xué)特征上表現(xiàn)為低成分成熟度、低膠結(jié)物含量和中等結(jié)構(gòu)成熟度的“兩低一中”的特點(diǎn)。巖石類(lèi)型通常是巖屑砂巖和長(zhǎng)石巖屑砂巖,個(gè)別地區(qū)(如廣安12井T3x6)為巖屑石英砂巖。在成巖過(guò)程中,強(qiáng)烈的壓實(shí)作用、Ⅱ—Ⅲ期的硅質(zhì)膠結(jié)作用和粘土礦物是造成廣安須家河組砂巖儲(chǔ)集層低孔低滲的主要控制因素。本文著重討論須家河組砂巖儲(chǔ)層中的粘土礦物對(duì)儲(chǔ)層物性的控制作用。2粘土礦物相對(duì)含量碎屑巖中的粘土礦物按其成因可分為陸源和自生兩類(lèi)。川中廣安地區(qū)須家河組須一、須三、須五段烴源巖粘土礦物為陸源成因,而須二、須四、須六段砂巖儲(chǔ)集層中的粘土礦物(淀雜基)具有含量低(通常為2%左右)、晶形好的特點(diǎn),為典型自生成因。從川中廣安地區(qū)須家河組砂巖X–衍射全巖分析結(jié)果來(lái)看(圖2a、2b),粘土礦物的絕對(duì)含量通常在11.6%～30.8%,平均含量高達(dá)21.1%,須六段粘土礦物的絕對(duì)含量大于須四段。這說(shuō)明,砂巖中骨架顆粒(長(zhǎng)石和火山巖屑)和孔隙流體的相互作用形成的自生粘土礦物在砂巖儲(chǔ)層中占主導(dǎo)地位,并控制了成巖過(guò)程中自生粘土礦物的種類(lèi)、形態(tài)和數(shù)量,同時(shí)也控制著砂巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能。根據(jù)川中廣安地區(qū)須家河組29塊巖芯樣品的粘土礦物X–衍射分析,結(jié)合掃描電鏡和鑄體薄片鑒定結(jié)果,認(rèn)為粘土礦物的種類(lèi)為伊利石、綠泥石、高嶺石、伊/蒙混層,其中伊利石相對(duì)含量20.0%～85.0%,平均59.2%,產(chǎn)狀通常呈骨架顆粒蝕變和孔隙充填狀(見(jiàn)圖3a～圖3c);綠泥石相對(duì)含量0～73.0%,平均32.6%,通常呈孔隙襯里狀(見(jiàn)圖3e、3f);高嶺石一般為0,偶見(jiàn)4%和51%,呈骨架顆粒蝕變狀和細(xì)分散的孔隙充填狀(見(jiàn)圖3c、圖3d);伊/蒙混層(有序和無(wú)序間層)相對(duì)含量2.0%～18.0%,平均6.3%,通常呈孔隙充填狀;偶見(jiàn)2%蒙皂石,蒙皂石層在I/S混層中所占的比例大多<15%,屬超點(diǎn)陣的特征。3富鉀富鉀充填的成礦粘土礦物的形成、保存、轉(zhuǎn)變、消失是古氣候、水介質(zhì)、成巖作用、母質(zhì)、沉積相帶、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等多種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果[11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25]。粘土礦物的沉淀是其形成環(huán)境、條件的直接反映。在富鈣的堿性介質(zhì)條件下有利于形成蒙皂石;富鉀的堿性條件下多形成伊利石,而在酸性的介質(zhì)條件下有利于形成高嶺石;當(dāng)pH>7和很低的氧化電位時(shí),在含有Fe2+、Mg2+、Fe3+和SiO2的介質(zhì)條件下高嶺石和伊利石可轉(zhuǎn)化為綠泥石;蒙皂石隨著地層機(jī)械壓實(shí)作用增強(qiáng),地層溫度增高,逐漸失去晶體結(jié)構(gòu)中的層間水,又從孔隙水中得到K+、Al3+,逐漸向伊/蒙混層礦物或伊利石轉(zhuǎn)化。3.1綠泥石成因機(jī)理綠泥石是一種特殊的2:1層型粘土礦物,其結(jié)構(gòu)單元層的層間域被帶有正電荷的八面體片(似水鎂石層或似滑石層)所充填,故也把綠泥石稱(chēng)為2:2層型或2:1+1層型的粘土礦物,其一般結(jié)構(gòu)式為(Mg·Fe·Al)6[(Si·Al)4O8](OH)8,通常存在于富含鐵、鎂的堿性(pH值為7～9)環(huán)境。掃描電鏡和能譜分析顯示,川中廣安地區(qū)須家河組砂巖儲(chǔ)層中的綠泥石為綠泥石族中的葉綠泥石,掃描電鏡下,可見(jiàn)綠泥石單個(gè)晶體呈葉片狀、針葉狀或者薄膜狀覆蓋在砂巖骨架顆粒的表面,少量充填于粒間。這些與孔隙度具有很好的正相關(guān)性,即綠泥石發(fā)育的地方,孔隙亦發(fā)育,因此,綠泥石的形成機(jī)理備受廣大研究者的關(guān)注。在鑄體薄片中(圖3e),綠泥石膠結(jié)物的含量一般在0.5%～2.0%,薄膜狀的綠泥石對(duì)后期的硅質(zhì)膠結(jié)具有一定的抑制作用。綠泥石呈薄膜(或孔隙襯里)狀分布于顆粒之間線接觸的地方,而點(diǎn)接觸處卻未見(jiàn)綠泥石,這說(shuō)明綠泥石薄膜形成于早成巖B階段。一定厚度(3～5μm)的綠泥石包裹著石英顆粒,使其失去了成核作用的能力,因而就不能形成共軸生長(zhǎng)的石英,有效地阻止之后的石英次生加大,從而間接地保護(hù)了原生粒間孔。原生孔隙是酸性流體的進(jìn)出通道,可以將溶蝕后的顆粒帶出砂巖,酸性流體如此循環(huán)往復(fù),便在少量原生孔的基礎(chǔ)之上疊加發(fā)育了次生孔,使儲(chǔ)層物性變得相對(duì)較好。由于綠泥石的形成需要同沉積的富鐵沉積物,因而富巖屑物源的地層,尤其是富中基性巖漿巖屑及暗色鎂礦物的物源地層可以為綠泥石提供較多的物質(zhì)來(lái)源。先驅(qū)粘土礦物(機(jī)械滲濾的蒙皂石、自生蒙皂石等富鐵粘土礦物)也可以形成自生綠泥石,這種綠泥石均是以薄膜狀的形式存在。在縱向分布上,隨著深度的增加,綠泥石相對(duì)含量有逐漸增加的趨勢(shì)(圖4a),這可能受上三疊統(tǒng)須家河組須二、須四段沉積環(huán)境為濱海湖盆沉積中的海水影響,與高鹽度的古水介質(zhì)有關(guān)。3.2巖屑中的儲(chǔ)層設(shè)置伊利石是所有粘土粒級(jí)云母的總稱(chēng),是須家河組砂巖儲(chǔ)層中粘土礦物相對(duì)含量最高的一種,分布廣泛,對(duì)砂巖儲(chǔ)層低孔低滲特點(diǎn)的形成影響很大。由于須家河組砂巖儲(chǔ)層中伊/蒙混層具有含量低,性質(zhì)、產(chǎn)狀和分布與伊利石相似的特點(diǎn),所以把它歸入伊利石類(lèi)進(jìn)行研究。掃描電鏡下,通常呈絲縷狀或片狀分布于粒間、長(zhǎng)石溶蝕粒內(nèi)孔內(nèi)(圖3a～圖3d)或火山巖屑中的溶蝕孔(或表面)中,多是成巖過(guò)程中形成的。這種絲縷狀伊利石在粒間和溶蝕孔隙中縱橫交錯(cuò)分布,使原生的粒間孔和次生溶蝕孔變成大量的微孔隙,使得流體在孔隙中的通道變得曲折,導(dǎo)致砂巖儲(chǔ)層的滲透率大大降低;這種伊利石具有很大的比表面和強(qiáng)吸水能力,在孔內(nèi)形成一個(gè)強(qiáng)吸水區(qū),使巖石具有非常高的束縛水飽和度。伊利石的形成需要孔隙流體中含有較多的鉀離子,鉀長(zhǎng)石的溶蝕可能是其主要的物質(zhì)來(lái)源。須家河組砂巖儲(chǔ)層的成巖作用多數(shù)在相對(duì)封閉條件下進(jìn)行,鉀長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的鉀離子不能及時(shí)被流體帶走,形成儲(chǔ)層中相對(duì)富鉀的環(huán)境,因此須家河組儲(chǔ)層中的鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)溶蝕更容易形成的是伊利石(KAl3Si3O10(OH)2)而不是高嶺石,同時(shí)伴隨自生石英的沉淀,其反應(yīng)方程式為:在縱向分布上,隨著深度的增加伊利石相對(duì)含量有逐漸增加的趨勢(shì)(圖4b),這主要是由于深度增加,溫度、壓力升高,成巖速度加快,地層中的粘土礦物(如高嶺石、伊/蒙混層)均向伊利石轉(zhuǎn)化,使得伊利石相對(duì)百分含量呈增加的態(tài)勢(shì)。3.3埋深對(duì)于高嶺石成因的影響高嶺石是1:1型含鋁層狀硅酸鹽礦物,分子式為Al4[Si4O8](OH)8。在川中廣安地區(qū)須家河組砂巖儲(chǔ)層中,主要呈細(xì)分散狀充填于粒間或長(zhǎng)石蝕變的顆粒產(chǎn)出(見(jiàn)圖3c、3d)。高嶺石的形成要求成巖環(huán)境處于弱酸性,然而在2088.81m左右的埋深條件下出現(xiàn)這種成巖環(huán)境,有兩種可能的原因:(1)油氣成熟過(guò)程中有機(jī)質(zhì)反應(yīng)提供了酸性溶液;(2)近地表的酸性溶液沿?cái)鄬恿严断蛳铝転V造成。川中廣安地區(qū)須家河組砂巖儲(chǔ)層是煤系地層,在酸性環(huán)境中高嶺石應(yīng)該是相對(duì)穩(wěn)定的粘土礦物。然而除須六段常見(jiàn)高嶺石外,須四和須二高嶺石含量出現(xiàn)異常低值(0)(圖4c),分析其原因有三:首先,隨著深度的增加,壓實(shí)作用逐漸增強(qiáng),使得巖石異常致密,酸性水在煤系地層中流動(dòng)不暢;其次,須二、須四受沉積環(huán)境的影響古鹽度偏高,導(dǎo)致高嶺石變得不穩(wěn)定;另外,隨著埋深的增加和成巖溫度的升高,成巖環(huán)境變成堿性的環(huán)境,使得高嶺石極不穩(wěn)定,全部轉(zhuǎn)化為伊利石和綠泥石。在酸性條件下,鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)生成高嶺石(Al2Si2O5(OH)4)的反應(yīng)方程式如下:4層物性的控制作用粘土礦物的種類(lèi)、含量和產(chǎn)狀對(duì)川中廣安地區(qū)須家河組致密砂巖儲(chǔ)層物性起著重要的控制作用。它一方面堵塞原生孔隙或次生孔隙、起破壞作用,如伊利石、伊/蒙混層,另一方面又具有保護(hù)原生粒間孔隙、次生粒內(nèi)溶孔和晶間孔、起保護(hù)作用,如綠泥石、高嶺石。4.1利石轉(zhuǎn)化提供了sio川中廣安地區(qū)須家河組砂巖儲(chǔ)層孔隙流體中總體上富含硅質(zhì),這主要是因?yàn)樵诔蓭r過(guò)程中有充足的SiO2作物質(zhì)來(lái)源。首先,須一、須三、須五段的烴源巖與須二、須四、須六段砂巖儲(chǔ)層中的粘土礦物向伊利石轉(zhuǎn)化能夠析出數(shù)量可觀的SiO2;其次,長(zhǎng)石溶蝕也能提供相當(dāng)數(shù)量的SiO2;另外,石英顆粒間的壓溶作用也能提供一定數(shù)量的SiO2。早成巖期形成的一定厚度(3～5μm)的綠泥石薄膜均勻覆蓋顆粒表面,尤其是石英顆粒,使其喪失成核能力,抑制石英次生加大,而砂巖儲(chǔ)層中孔隙流體(飽和的SiO2溶液)則在顆粒之間以粉砂級(jí)石英小雛晶的形式出現(xiàn)。綠泥石薄膜必須達(dá)到一定的厚度才能對(duì)石英加大起抑制作用,所以綠泥石薄膜不發(fā)育的地方石英加大通常為Ⅲ級(jí),甚至Ⅳ級(jí),起充填孔隙、堵塞喉道的作用。一定厚度的綠泥石無(wú)疑對(duì)廣安須家河組致密砂巖儲(chǔ)層物性具有極其重要的積極意義。4.2油氣儲(chǔ)層巖石含水率飽和度的提高機(jī)械壓實(shí)和壓溶作用為廣安地區(qū)須家河組最重要的成巖事件之一,是使巖石固結(jié)成巖最主要的因素,在早成巖期機(jī)械壓實(shí)作用強(qiáng)度最大,使沉積物由未接觸到點(diǎn)接觸、線接觸,使巖石由疏松到固結(jié),使巖石損失大量的原生粒間孔隙。從上面的分析結(jié)果可知,隨著深度的增加伊利石相對(duì)含量有逐漸增加的趨勢(shì),使得巖石的抗壓強(qiáng)度大大降低,這勢(shì)必造成剩余的原生粒間孔和次生溶蝕孔進(jìn)一步減少;與此同時(shí),絲縷狀、片狀的自生伊利石,在砂巖儲(chǔ)層中將原生孔和次生孔分割成無(wú)數(shù)微孔,降低有效孔隙的同時(shí),也大大降低了儲(chǔ)層的滲透性。由于伊利石本身具有強(qiáng)吸附性,使須家河組砂巖儲(chǔ)層巖石具有較高的含水飽和度。這也是造成川中須家河組砂巖儲(chǔ)集層低孔低滲的重要原因之一。4.3產(chǎn)狀及儲(chǔ)層的孔滲高嶺石是在酸性條件下鉀長(zhǎng)石和富長(zhǎng)石的火山巖屑溶蝕作用形成的粘土礦物,顆粒溶蝕形成粒內(nèi)溶蝕孔或高嶺石晶間孔,對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性具有良好的積極意義。高嶺石主要呈細(xì)分散狀充填粒間或長(zhǎng)石蝕變的顆粒產(chǎn)出,這種產(chǎn)狀的高嶺石對(duì)廣安須家河組致密砂巖的孔滲影響不大。廣安須家河組大部分層段發(fā)育含煤地層,由于煤系地層是早期酸性水的成巖環(huán)境,早期碳酸鹽巖膠結(jié)物不發(fā)育,顆粒壓實(shí)變形很劇烈,造成孔隙度的大量減少;后期煤系烴源巖大量生排烴時(shí),顆粒間已大部分壓實(shí)致密,煤系酸性水在地層中流動(dòng)不暢,如顯微鏡下見(jiàn)到高嶺石充填在長(zhǎng)石溶蝕形成的粒內(nèi)溶孔中而沒(méi)有移動(dòng)即為一個(gè)證據(jù),從而沒(méi)有造成大量的溶蝕現(xiàn)象,這也就是廣安須家河組砂巖儲(chǔ)層低孔低滲形成的原因之一。通常情況下,高嶺石含量高的地方,往往預(yù)示著次生孔隙發(fā)育區(qū)帶。在廣安地區(qū)這種特定的沉積和構(gòu)造背景下,高嶺石分布有限,僅在須六段見(jiàn)到。5儲(chǔ)層及致密巖石(1)早成巖形成的具有一定厚度(3～5μm)的綠泥石薄膜均勻覆蓋顆粒表面,使其喪失成核能力,抑制石英次生加大,有效地保護(hù)了原生孔,對(duì)致密砂巖儲(chǔ)層物性具有極其重要的積極意義。(2)儲(chǔ)層中自生伊利石相對(duì)含量最高,使得巖石的抗壓強(qiáng)度大大降低;同時(shí)