砂岩中自生粘土矿物的研究现状、内容和方法

摘 要：自生粘土矿物是砂岩中重要的填隙物，也是砂岩成岩阶段划分的重要指示矿物。该类矿物在油气勘探开发过程中备受关注。随着石油工业的大发展，砂岩中自生粘土矿物的研究，目前已取得了长足进展。本文以高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石等砂岩中常见自生粘土矿物为例，从研究现状、内容和方法三方面综述砂岩中的自生粘土矿物。通过大量的文献调研认为：研究内容主要包括矿物学特征、赋存状态（产状）、发育机理及对储层物性的影响等方面；薄片鉴定、染色分析、热分析、X-射线衍射分析和扫描电镜相结合是研究砂岩中自生粘土矿物的常规手段，目前亟待发展特色研究方法。

关键词：自生粘土矿物 产状 物性 砂岩

中图分类号：P57 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0053-03

自生粘土矿物通常晶形好、透明度高，是砂岩中较重要的填隙物，也是砂岩成岩阶段划分的重要指示矿物。砂岩中自生粘土矿物的研究源于沉积岩石学，其研究水平在砂岩成岩作用和储层保护机理的研究中得到很大提高。虽然自20世纪60年代起，人们就已经开始关注自生粘土矿物与砂岩储层质量的关系，但是有关砂岩中自生粘土矿物研究现状、研究内容和研究方法等方面的论述仅散见于沉积岩石学和储层地质学等教材和相关专业文献中，缺乏系统综述。鉴于此，本文主要以高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石等自生粘土矿物为例，对砂岩中常见自生粘土矿物的研究现状、内容和方法进行较全面的综述，期望该领域的研究水平不断攀升，科研硕果压满枝头。

1 研究现状

20世纪20年代X射线技术诞生时，人们才知道粘土的本质[1]。Hadding（1923）和Rinne（1924）提出了粘土均为结晶质的结论，美国的Ross（1925）和Shannon（1926）再次肯定了他们的结论。Hendricks（1940）指出粘土矿物晶体构造中广泛存在着规则和不规则的变化。1949年至1950年Kerr主持编写了《粘土矿物基准》，1953年Grim出版了的《粘土矿物学》，同年，日本的须藤俊男也出版了《粘土矿物》，使粘土矿物作为地质学科领域中一门独立的学科走向历史舞台。1980年国际粘土学会提出的层状粘土矿物的晶体化学分类表，使粘土矿物研究进入了一个新的阶段[2]。

在油气勘探领域，20世纪60年代以来，粘土矿物与储层的关系，愈来愈受到人们的关注。70年代以后，粘土矿物分析已列为设计钻井、完井、油田开发和油层改造等各项工程设计时必须提供的基础资料。

Neasham（1977）研究后首先发现，自生粘土矿物在砂岩孔隙中的不同产状对砂岩的孔隙度、渗透率的影响基本上按分散质点式—薄膜式—搭桥式的顺序依次降低。Ehrenberg（1993）、Baker等（2000）注意到绿泥石包膜对海相砂岩储层中孔隙的保护机制，Berger（1999），Gill和Yemane（1999），Lanson（2002），Turkmenoglu和Tankut（2002），Grevenitz（2003），Shaw（2006）主要研究储层中粘土矿物的成岩作用及发生机制[3]。Needham等（2005）在实验室内研究了粘土矿物的生成。21世纪，在砂岩储层中自生粘土矿物研究方面典型的代表是国际沉积学家联合会在2003年出版的第34期特辑《Clay Mineral Cements in Sandstones》，这为未来的研究指明了方向。

我国石油系统从20世纪60年代开始对粘土矿物进行研究。1986年，由赵杏媛、张有瑜等人承担部级“七五”课题《粘土矿物研究及其在石油勘探开发中的应用》；1993年，中国石油天然气总公司科技局设立“中国含油气盆地粘土矿物图册”（徐同台等，2003）；1995年，由赵杏媛、王行信等人出版了《中国含油气盆地粘土矿物》，代表了20世纪我国对储层粘土矿物研究的最高水平。

21世纪以来，随着科学技术的发展，埋藏成岩过程中粘土矿物的演化预测、动力学研究、微生物对粘土矿物的作用；沉积有机质与粘土矿物的有机—无机相互作用；砂岩中自生伊利石的形成机制以及颗粒包膜和孔隙衬里的自生绿泥与孔隙保存或演化的关系等都是近几年碎屑岩沉积学和石油地质学的研究热点。

2 研究内容

2.1 矿物学特征

粘土矿物是一种含水的硅酸盐或铝硅酸盐，分为非晶质和结晶质两类。后者分为层状和链层状两种结构类型，最常见的是层状结构的粘土矿物。层状结构的粘土矿物根据结构单元层分为1∶1型（高岭石族矿物）、2∶1（水云母族矿物）型和2∶1∶1（绿泥石族矿物）型三种类型。不同类型的粘土矿物表现的矿物学特征各不相同[4～6]（表1）。

2.2 赋存状态

自生粘土矿物的赋存状态是指粘土矿物分布特征及其与岩石骨架颗粒之间的相互关系，表现了粘土矿物在油气层岩石孔道中的存在位置，以及粘土矿物本身的聚集状态[7]。通常分为三种基本类型，即充填式（分散质点式）、衬垫式（薄膜式）和搭桥式。

孔隙充填式是指粘土矿物以假六片状，絮状等单体形态或以花朵状、花瓣状等集合体充填于砂岩颗粒之间的孔隙中或微裂隙壁上。按其充填的程度可分为完全充填与不完全充填（图1）；薄膜式指粘土矿物在碎屑岩颗粒表面呈定向排列，组成连续的贴付于孔隙壁上的薄膜。在镜下看，粘土矿物在颗粒表面排列具明显的方向性，根据其排列方向与颗粒表面夹角的关系，可分为两种：一种是其排列与颗粒表面近于平行；另一种是垂直于颗粒表面向孔隙内生长，即栉壳状。搭桥式是粘土矿物自颗粒表面向孔隙中垂直生长，生长快者可到达孔隙的彼岸，在孔隙中形成粘土矿物渡桥，其间有空洞存在，故称为搭桥式（图1）。

2.3 发育机理

自生粘土矿物是在砂岩储层的成岩过程中，由某些先驱物质蚀变或者孔隙水直接沉淀形成的粘土矿物，自生粘土矿物的形成条件取决于砂岩中矿物的成分、孔隙流体的性质、温度及氢离子浓度。砂岩中常见自生粘土矿物的反应过程式如下：

2NaAlSi3O8（钠长石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+4SiO2+2Na+

2KAlSi3O8（钾长石）+H2O+2H+= Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+4SiO2+2K+

3KAlSi3O8（钾长石）+2H++H2O= KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+6SiO2（硅质）+2K++H2O

3NaAlSi3O8（钠长石）+K++2H++H2O =KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+3Na++6SiO2（硅质）+H2O

3Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+2K+= 2KAl3Si3O10（OH）2（伊利石）+2H++3H2O

4.5K++8Al3++蒙皂石→伊利石+Na++ 2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

4Fe2++2Mg2++3Al2Si2O5（OH）4（高岭石）+9H2O=Fe4Mg4Al6Si6O20（OH）16（绿泥石）+14H+

KAlSi（钾长石）+0.4Fe2++0.3Mg2++ 1.4H2O=0.3（Fe14Mg12Al2.5）（Al0.7Si3.3）O10（OH）8（绿泥石）+2SiO2+0.4H++K+

2Al（OH）3+3H4SiO4+Fe2++4Mg2+= FeMg4Al2Si3O10（OH）8（绿泥石）+10H+

2.4 对储层物性的影响

砂岩的渗透率随着自生粘土矿物在孔隙中的产状不同，按分散质点式，薄膜式，搭桥式，依次降低，主要是因为储层的渗透率有砂岩的孔喉半径大小和连通性所决定Neasham（1977）。对多个油气田砂岩储集层自生粘土矿物成分统计表明，胶结物中高岭石含量高的砂岩，比绿泥石、蒙脱石、伊利石含量高的砂岩储集物性好[8～11]。

分散质点式充填的自生高岭石，充填于孔隙内，在一定的程度上抑制了其他的胶结作用压和实作用的进行，保护了砂岩的原生孔隙，而且自生高岭石发育的晶间孔，也增大了储层的储集空间；薄膜式或搭桥式充填的伊利石晶间孔不发育，纤维状和发丝状的伊利石围绕颗粒表面生长，使孔隙喉道的空间减小，把大量的孔隙切割成微细的束缚孔隙，孔渗性降低，物性变差[12]；绿泥石一方面使砂岩的抗压实作用增强，保护了砂岩的原生孔隙；另一方面在颗粒表面形成粘土薄膜，或以集合体充填孔隙，能有效地减少孔隙的有效半径，堵塞喉道，使物性变差。研究表明，在孔隙度相同的情况下，砂岩的渗透率从高岭石-绿泥石-伊利石逐渐降低（Willson，1982）。通过对鄂尔多斯盆地砂岩中自生粘土矿物产状与压汞关系的分析，也证明了粘土矿物产状对砂岩的储集性能具有明显影响，充填式的物性最好，衬垫、搭桥式较差。

3 研究方法

砂岩中自生粘土矿物的研究主要是在室内借助分析测试仪器进行。利用薄片鉴定、染色分析、差热分析、热重分析、X射线衍射分析、扫描电镜等方法（表2）。

3.1 染色分析和热分析

染色分析是利用染料与研究对象所发生的物理化学反应现象，按照粘土矿物的染色特征，可以鉴定粘土矿物的类型。在孔雀绿色剂的作用下，高岭石呈蓝-蓝绿；伊利石呈绿蓝-绿；蒙脱石呈黄-红黄；绿泥石呈绿蓝[13]。

热分析主要是热重分析和差热分析。热重分析（TG）是程序控制温度下测量物质的质量与温度的关系的一种技术。差热分析（DTA）是在程序温度控制下，测量物质与参比物（具热惰性）之间的温度差与温度关系的一种技术，其结果是以热效应对炉温的连续曲线的形式绘出[14]。法国H.Chatelier在1887年将差热分析法应用于研究粘土类矿物热效应。利用差热分析鉴定粘土矿物主要是将获得的DTA曲线与纯矿物的标准曲线比较。

常见自生粘土矿物的差热曲线（图2），高岭石在400 ℃～500 ℃开始失去结晶水，表现强烈、尖锐的吸热谷；950 ℃～1050 ℃时有一放热峰。伊利石在100 ℃～200 ℃出现吸热谷，550 ℃～650 ℃有一宽缓的吸热谷出现。蒙皂石在100 ℃～300 ℃出现吸热谷，形成复谷，是逸出吸附水的反应；在800 ℃的吸热谷是蒙皂石的特征谷[15]。

3.2 X—射线衍射

X射线衍射分析方法基本原理：是利用X射线衍射图谱进行粘上矿物的定量分析，根据衍射峰值计算出晶面间距，判断出矿物类型，并半定量的推断出样品中各种粘土矿物的百分含量。晶面间距根据布拉格定律计算，布拉格定律表达式为：

（d为晶面间距；n为正整数；λ为入射X射线的波长；θ为产生衍射峰值时X射线入射角）

某一种粘土矿物在样品中的含量比越高则它的衍射蜂强度越强。X—射线衍射图谱常常也可以获得存在于样品之中的各主要粘土矿物组分的化学成分方面的信息[16]。

3.3 扫描电镜

扫描电镜能直接观察岩石样品原始表面，具有景深大、图像立体感强、分辨率较高，放大倍数大等特点，是自生粘土矿物定性分析的一种常用手段[17]。在电镜扫描下不同类型的粘土矿物表现出不同的晶体形态（表1），扫描电镜下也可以直观地看到粘土矿物的空间分布特征（图1）。

3.4 阴极发光

阴极发光显微镜技术用于研究岩石矿物组分特征的一种快速简便的分析手段。其原理是：电子束轰击到样品上，激发样品中发光物质产生荧光，又称阴极发光[18]。矿物阴极射线致发光的主要原因有两种：一是矿物中含杂质元素或微量元素（激活剂）；二是矿物晶格内有结构缺陷。

大多数高岭石为靛色发光，如靛青色、靛蓝色等。其发光程度与晶体结晶程度以及成因有关。结晶度良好，发光性强，反之，则发光微弱。

3.5 电子探针

电子探针是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展的一种高效率分析仪器，主要是进行微区成分分析。原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，并在一个微米级的有限深度和侧向扩展的微区体积内激发，主要用二次电子和背射电子观察样品的形貌，测量特征X射线波长与强度，对样品中元素进行定性、定量分析进行成份分析[19]。

奥比（1966）根据绿泥石的光性特征及与Fe/（Fe+Mg）的关系将绿泥石划分为富Mg、Mg—Fe、Fe—Mg、富Fe的四个亚类。对绿泥石玉进行电子探针分析，发现其属于富镁亚类的斜绿泥石。

4 结语

随着石油工业的大发展，砂岩中自生粘土矿物的研究目前已经取得了长足发展。对于高岭石、伊利石、绿泥石和蒙皂石等砂岩中常见自生粘土矿物的研究已经比较深入。对于自生粘土矿物的矿物学特征和赋存状态（产状）的认识目前已经比较清晰，自生粘土矿物的发育机理及其对储层物性的影响等方面还有许多疑惑需要研究。多种分析方法相结合是研究砂岩中自生粘土矿物的常规手段，目前亟待发展特色研究方法。

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