东营凹陷古近系深部碎屑岩储层中的黏土矿物.pdf
收稿日期2008 - 09 - 18 基金项目“十五”国家科技攻关项目(2001BA605A09) 作者简介陈鑫(1981 - ),男(汉族),湖南新宁人,博士研究生,从事沉积学和石油地质研究。 文章编号1673- 5005(2009)02- 0029- 05 东营凹陷古近系深部碎屑岩储层中的黏土矿物 陈 鑫, 袁 静, 钟建华, 杨玉平, 杨玉芳 (中国石油大学 地球资源与信息学院,山东 东营 257061) 摘要通过钻井岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜观察、X 射线衍射、岩心物性分析等手段对东营凹陷古近系深部碎屑岩 储层中的黏土矿物和储层物性进行研究。 结果表明研究区古近系深部碎屑岩储层黏土矿物以伊利石和伊/ 蒙混层 为主,绿泥石次之,高岭石含量比较低;净砂岩中的黏土矿物主要由长石和岩屑溶解形成,储层物性表现为高孔高 渗,杂砂岩中的黏土矿物主要是沉积黏土矿物及其转化产物,易损害储层物性;黏土矿物含量小于 15%的储层勘探 方向是寻找与油气充注匹配的次生孔隙,黏土矿物含量大于 15%的储层勘探方向是寻找裂缝发育带及裂缝发育带 附近的淋滤带。 关键词 黏土矿物; 储层物性; 深层; 东营凹陷; 古近系 中图分类号P 575; TE 258 文献标识码A Clay minerals in clastic rock reservoir of deep ation in Paleogene of Dongying sag CHEN Xin, YUAN Jing, ZHONG Jian- hua, YANG Yu- ping, YANG Yu- fang (College of Geo- Resources and Ination in China University of Petroleum,Dongying 257061,China) Abstract The characteristics of clay minerals and reservoir physical properties in clastic reservoir of deep formation in Paleo- gene of Dongying sag were studied through cores observation, rock slices identification, scanning electron observation and physical properties analysis. The results show that illite and I/ S are main clay minerals, chlorite takes the second place, and the content of kaolinite is low. The clay minerals of pure sandstone are mainly formed by feldspar and debris dissolution, and the reservoir property belongs to high porosity and high permeability.The clay minerals of greywacke are mainly depositional clay minerals and their transferred products, which tend to damage the reservoir properties.The exploration direction of the reservoirs with clay mineral content being less than 15% is to search the secondary pores with matching oil and gas injected, and the exploration direction of the reservoirs with clay mineral content being more than 15% is to search the fissure zones and leached zones near the fissure zones. Key words clay minerals; reservoir physical properties; deep formation; Dongying sag; Paleogene 黏土矿物的成岩变化与油气的生成、运移和富 集以及储层的孔隙演化有着密切的关系,受到国内 外石油地质工作者的普遍重视,取得了丰硕的成 果 [1- 12] 。 东营凹陷位于济阳坳陷的东南部,东临莱 州湾,西至高青城,南至广饶凸起,北至陈家庄凸起, 面积为 5 700 km 2,是济阳坳陷中储量丰富、产量最 高的一个凹陷。 前人对东营凹陷深层(埋深大于 3畅 5 km)黏土矿物的类型特征、分布及其对储层物 性的损害等方面已经取得了丰硕的研究成果 [13- 15] 。 笔者更加深入地分析东营凹陷深层黏土矿物特征及 其与油层物性的关系,指明黏土矿物因素影响下的 勘探方向。 1 黏土矿物的类型和特征 东营凹陷古近系深部碎屑岩储层中的黏土矿物 以伊利石和伊/ 蒙混层为主,绿泥石次之,高岭石含量 2009 年 第33 卷 中国石油大学学报(自然科学版) Vol. 33 No. 2 第 2 期 Journal of China University of Petroleum Apr. 2009 比较低(图1,wI/ S,wI,wK,wC和wI/ wS分别为伊/ 蒙混 层、伊利石、高岭石、绿泥石含量和伊/ 蒙混层比)。 图1 黏土矿物相对含量垂向演化特征 Fig. 1 Vertical evolution characteristics of clay mineral relative content 1畅 1 伊/ 蒙混层 伊/ 蒙混层常呈棉絮状、蜂窝状充填于粒间或包 裹在颗粒表面(图2(a))。 研究区内埋深 2畅 8 ~ 5畅 5 km 层段伊/ 蒙混层含量为 5% ~ 82%,一般为 10% ~ 60%,在3畅 0 ~ 3畅 3 km 出现一迅速转化带,伊/ 蒙 混层比由35%降到20%。 1畅 2 伊利石 研究区内伊利石常呈片状、蜂窝状、丝缕状(图 2(b))。 含量一般为 20% ~70%,3畅 4,4畅 7 和 5畅 2 km 附近是其高含量段,可达80%。 在3畅 8 ~ 4畅 4 km 和4畅 8 ~ 5畅 2 km 伊利石含量明显降低。 1畅 3 绿泥石 镜下自生绿泥石为淡绿色,偶尔为嫩绿色,有时 具异常干涉色,呈鳞片状。 自生绿泥石产出于粒间, 有时交代石英颗粒,也可充填岩石裂缝(图 2(c)), 含量一般为10% ~ 40%,东营凹陷古近系深层绿泥 石在3畅 5 ~ 3畅 7 km,3畅 9 ~ 4畅 3 km 和4畅 8 ~ 5畅 2 km 含 量高。 1畅 4 高岭石 研究区内高岭石单体形态为假六边形鳞片状, 集合体为书页状、蠕虫状,多充填于粒间孔隙中(图 2(d)),含量一般不超过 20%,埋深在 3畅 2 km 以下 含量急剧减少。 图2 东营凹陷古近系深层黏土矿物特征 Fig. 2 Clay mineral characteristics of deep ation in Paleogene of Dongying sag 2 黏土矿物的形成和转化 东营凹陷古近系深部碎屑岩储层黏土矿物的形 成主要有两种方式一是储层中长石和岩屑的溶蚀 产物,在水溶液中直接结晶而成;二是沉积成因的黏 土矿物及其成岩转化形成的新的黏土矿物。 研究区深层颗粒支撑的孔隙式胶结净砂岩中, 黏土矿物含量与长石和岩屑的总量呈明显的负相关 关系(图3),黏土矿物和其他自生矿物的总量与长 石和岩屑的总量也呈明显的负相关关系(图 4)。 结 合黏土矿物以自生沉淀的形式充填在孔隙中或包裹 在颗粒表面形成孔隙衬垫的产状特征,长石和岩屑 03中国石油大学学报(自然科学版) 2009 年 4 月 的溶蚀应与黏土矿物具有一定的成因关系。 研究区内杂砂岩中的黏土矿物含量一般高于 15%。 这些黏土矿物主要是沉积成因的以及这些沉 积黏土矿物成岩转化而成的新生黏土矿物。 图3 长石和岩屑总量与黏土矿物含量的关系 Fig. 3 Relationship between gross of feldspar and detritus and clay mineral contents 图4 长石和岩屑总量与黏土矿物及其他自生 矿物总量关系 Fig. 4 Relationship between gross of feldspar and detritus and gross of clay minerals and other cements 2畅 1 长石和岩屑溶蚀形成的黏土矿物 长石类矿物、岩屑中的云母类矿物和火山玻璃 在酸性水介质运移条件下,很容易发生溶蚀生成黏 土矿物。 2. 1. 1 长石类矿物 长石类矿物在地下水介质中最容易发生溶蚀, 长石类矿物溶蚀产生黏土矿物有如下简化的表达 式 [16- 21] (1)钾长石(KAlSi3O8)的蚀变。 3KAlSi3O8+2CO2+3H2O =Al2Si2O5(OH)4(高岭 石) + 2K + + 2HCO3 - + 4SiO2,(1) 2KAlSi3O8+ 3H2O = Al2Si2O5(OH)4+ 4SiO2+ 2K + + 2(OH) -, (2) 2KAlSi3O8+ 2CH3COO - + 2H2O + 2H + = Al2Si2O5(OH)4+ 4SiO2+ 2CH3COOK,(3) 3KAlSi3O8+ 2H + + 12H2O = 6H4SiO4+ KAl3Si3O10(OH)2(伊利石) + 2K +, (4) KAlSi3O8+ Al2Si2O5(OH)4= KAl3Si3O10(OH)2+ 2SiO2+ H2O,(5) NaAlSi3O8+ 0畅 4Fe 2 + + 0畅 3Mg 2 + + 14H2O = 2SiO2+ Na + + 0畅 3(Fe1畅 4Mg1畅 2Al2畅 5) (Al0畅 7Si3畅 3) O18(OH)8 (绿泥石) + 0畅 4H +. (6) (2)钠长石(NaAlSi3O8)的蚀变。 7NaAlSi3O8+ 6H2CO3+ 20H2O = 3Na 0. . 33Al2畅 33Si3畅 67 O10(OH)2(蒙脱石) + 6Na + + 6HCO3 - + 10H4SiO4, (7) 2NaAlSi3O8+ 2H2CO3+ H2O = Al2Si2O5(OH)4(高岭 石) + 2Na + + 2HCO3 - + 4SiO2.(8) (3)钙长石的蚀变。 CaAl2Si2O8+ 2H2CO3+ H2O = Al2Si2O5(OH)4(高岭 石) + Ca 2 + + 2HCO3 -. (9) 2. 1. 2 岩屑中的云母类矿物和火山玻璃的蚀变 2K[Si3Al3]O10(OH)2(白云母) + 2H + + 3H2O = 3Al2Si2O5(OH)4(高岭石) + 2K +, (10) 火山玻璃→蒙脱石→伊利石.(11) 2畅 2 黏土矿物之间的转化 随着成岩环境的改变,自生黏土矿物和原生黏 土矿物都会发生改变,高岭石和伊/ 蒙混层向伊利石 和绿泥石的转化是研究区深层黏土矿物转化的主要 形式,它们的转化可以简化为以下表达式 [20- 21] 3NaAl7Si11O30(OH)6(蒙脱石) + 7K +→3Na+ + 7KAl3Si3O10(OH)2(伊利石) + 4H + + 12SiO2, (12) Al2Si2O5(OH)4(高岭石) + 2K + + OH -→ 2KAl3Si3O10(OH)2(伊利石) + 5H2O,(13) Al2Si2O5(OH)4(高岭石) + 4Fe 2 + + 4Mg 2 + + 9H2O = Fe4Mg4Al6Si6O20(OH)16(绿泥石) + 14H +. (14) 3 黏土矿物对储层物性的影响 黏土矿物是砂岩中重要的填隙物,其含量及分 布特征对砂岩储层的孔隙结构、储集性能和油层特 性都有重要的影响。 研究区深层黏土矿物含量虽然 与孔隙度和渗透率总体呈负相关关系,但是当黏土 矿物含量低于15%时,孔隙度和渗透率并没有受到 黏土矿物抑制,储层物性往往表现为高孔高渗,特别 在黏土矿物含量低于 8%时,甚至出现储层物性随 黏土矿物的增加而变好的反常现象;在黏土矿物含 13第33 卷 第2 期 陈 鑫,等东营凹陷古近系深部碎屑岩储层中的黏土矿物 量高于15%时,储层物性表现为低孔低渗,几乎没 有孔隙度超过 12%,很少有渗透率超过 10 10 - 3 μ m 2(图5,6)。 上述现象产生的主要原因为自生 黏土矿物的形成伴随长石、岩屑的溶蚀;少量的黏土 矿物的胶结物对储层物性有保护作用;过量的黏土 矿物损害储层物性。 图5 粘土矿物含量与孔隙度的关系 Fig. 5 Relationship between porosity and clay mineral content 图6 粘土矿物含量与渗透率的关系 Fig. 6 Relationship between permeability and clay mineral content 3畅 1 自生黏土矿物的形成伴随长石、岩屑的溶蚀 从长石、岩屑溶蚀的简化表达式(1) ~ (11)可 以看出,黏土矿物是伴随长石和岩屑的溶蚀而生的。 张善文 [21]发现,1 kg 钾长石蚀变成高岭石时体积缩 小率为 15畅 4%,钠长石蚀变成高岭石时体积缩小 19畅 8%。 因此,长石溶蚀形成黏土矿物的过程,有利 于储层孔隙度和渗透率增加。 从图 5、图 6 中也可 以看出在黏土矿物含量低于 8%时,储层孔隙度和 渗透率随着黏土矿物含量的增加呈上升趋势。 3畅 2 少量黏土矿物对孔隙的保护作用 研究区黏土矿物对孔隙的保护主要表现在抑制 压实作用和后期胶结作用两个方面。 一方面,岩石 受到上覆岩层压实时,颗粒衬边式胶结的黏土矿物 不但增加了颗粒之间的摩擦力,而且增强了颗粒的 抗压能力,削弱压实对孔隙的破坏作用,使长石粒内 溶孔、铸模孔等得以较好的保留。 另一方面,由于黏 土环边的存在,自生矿物不易附着在黏土环边上生 长,从而抑制了后期胶结作用对孔隙的破坏作用。 研究区内很少见到其他自生矿物附着在黏土矿物环 边上生长,在有黏土环边的储层中溶蚀孔隙比较发 育(图7)。 因此,黏土矿物含量低于 15%时一般不 会抑制孔隙的发育,而且还会对孔隙起到保护作用, 使储层物性通常表现为高孔高渗(图 5)。 黏土矿物 含量低于15%的储层,其勘探方向应该以寻找“生 储 盖”有效匹配的次生孔隙为主。 图 7 粘土矿物薄膜包壳抑制后期胶结作用 (T762 井,3畅 43163 km) Fig. 7 Clay mineral film restrain anaphase cementation (well T762, 3. 43163 km) 3畅 3 过量黏土矿物损害储层物性 当储层中有过量的黏土矿物出现时,如事件性 沉积形成的杂砂岩中大量的黏土矿物受压后挤入粒 间孔隙,使原生孔隙迅速减少(图 8),并抑制后期地 图 8 流纹状绿泥石受压变形充填孔隙 (Fsh1 井, 4畅 495 km) Fig. 8 Pore filled with deational rhyotaxitic chlorite (well Fsh1, 4畅 495 km) 23中国石油大学学报(自然科学版) 2009 年 4 月 层水在其中渗流而不利于次生孔隙形成,形成低孔 低渗储层。 这类储层只有在裂缝发育部位和裂缝附 近的淋滤带物性才能得到有效改善。 因此,对黏土 矿物含量超过15%的地层,勘探方向应以黏土矿物 相变脱水形成的成岩收缩缝以及裂缝发育带附近的 淋滤带为主。 4 结 论 (1) 东营凹陷古近系深部碎屑岩储层中的黏土 矿物以伊利石和伊/ 蒙混层为主,绿泥石次之,高岭 石含量比较低。 (2) 研究区内黏土矿物含量低于 15%的储层 (通常为净砂岩)中的黏土矿物主要是长石和岩屑 的溶蚀产物,黏土矿物含量高于 15%的储层(通常 为杂砂岩)中的黏土矿物主要是沉积成因的原生黏 土矿物及其转化产物。 (3) 净砂岩中的黏土矿物不会损害储层物性, 储层物性通常表现为高孔高渗,生储盖有效匹配的 次生孔隙是其有利储集空间,也是该类储层的勘探 目标。 杂砂岩中的黏土矿物容易受压变形并充填到 孔隙中损害储层物性,储层物性主要表现为低孔低 渗,寻找裂缝发育带及其附近的“淋滤带”是该类储 层的勘探目标。 参考文献 [1] BURST J F.Diagenesis of gulf coast clayey sediments and its possible relation to petroleum migration [ J]. 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