致密砂岩气藏黏土矿物特征及其对储层性质的影响——以鄂尔多斯盆地苏里格气田为例

任大忠 ，周兆华 ，梁睿翔 ，周 然 ，柳 娜 ，南郡祥

（1.西安石油大学石油工程学院，西安710065；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安710069；3.中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北廊坊065007；4.中国石油长庆油田分公司第八采油厂，西安710021；5.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，西安710021；6.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；7.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，西安710018）

0 引言

致密砂岩气藏是典型的非常规油气资源，在勘探开发上已取得了突破性进展。由于致密砂岩气藏具有复杂的微-纳米孔喉系统构成的储集空间，相对于常规储层该类油气运移-聚集复杂程度高［1-3］。黏土矿物作为致密砂岩气藏重要的成岩期产物之一，其类型、产状及各不同组分比例等在储层孔隙结构的评价、渗流规律推导、储层储集能力评估、开发方案制定及油气藏“甜点”预测等方面具有重要意义［4-5］。黏土矿物是致密砂岩气藏主要的填隙物之一，由于其类型多样、结构复杂及数目相对庞大，使原本细小的孔喉很容易被黏土矿物充填，储集空间进一步复杂化且渗流规律更加难寻［6-7］。

近年来，国内外已有许多学者开展了关于黏土矿物对储层物性、孔隙结构、渗流规律等方面的影响研究，如Stroker等［8］研究认为，复杂化学作用下产生的黏土矿物可以导致孔隙类型及连通性发生变化；Keller等［9］认为低黏土含量样品孔隙度与渗流门槛相近，而高黏土含量的样品孔隙度通常低于渗流门槛；Desbois等［1］认为颗粒支撑的储层黏土矿物直径通常为几纳米至几微米；Sakhaee-Pour等［10］证实了随着黏土矿物含量的增加，储层渗流规律发生明显变化，具体表现在滞留环变小及连通性改善；Zapata等［11］认为黏土矿物通常具有较大的比表面积，连续分布，内部相互连通且对应于较高的退汞率，能够提供具有较大潜力的储集空间；Xiao等［12］基于压实作用及黏土矿物胶结，将致密砂岩储层划分为3种类型：压实型、胶结破坏孔隙型及混合型，认为黏土矿物对储层的控制并不能简单局限于阻塞孔隙空间及破坏渗流通道；Zhao等［13］认为黏土矿物晶间孔是致密砂岩储层储集能力及基质渗流能力重要的贡献者之一。黏土矿物的相对含量是控制微观孔隙结构及物性的重要参数［14］。因此，准确评价致密砂岩气藏黏土矿物的赋存性质及其对储层性质的影响，可为今后的生产实践提供理论依据。

图1 苏里格气田位置Fig.1 Structural location of Sulige Gas Field

1 区域地质背景及实验方法

1.1 区域地质概况及样品信息

鄂尔多斯盆地苏里格气田横跨伊陕斜坡、伊蒙隆起及天环凹陷（图1），是该盆地重要的天然气富集区之一。其中，二叠系上石盒子组、下石盒子组及山西组是该区主要的含气层系，苏里格气田属于典型的“低孔、低渗、低压、低丰度”气田，储层常规孔隙度＜10%，常规渗透率＜1 mD，整体物性致密且微观非均质性强［15-16］。二叠系上石盒子组、下石盒子组及山西组储层主要为河流相沉积，地温梯度约为 30.3 ℃/100 m，压力系数约为 0.86［17］。上、下石盒子组主要为中粗砂岩、中细砂岩夹泥岩，山西组发育少量煤线。本次研究的15块样品主要来源于苏里格气田苏48井区二叠系盒8段、山1段。

盒8段含气砂岩段共9块样品，其中7块为岩屑砂岩，另2块为岩屑石英砂岩，粒度分选中等，主要为中粗砂岩、中细砂岩及少量含砾砂岩，气测孔隙度为6.50%～15.20%，平均为9.75%；气测渗透率为0.084～1.416 mD，平均为0.362 mD；黏土矿物体积分数为2.18%～13.57%，平均为6.79%，且以伊利石、高岭石（表1）为主。山1段含气砂岩段共 6块样品，其中4块为岩屑砂岩，另2块为岩屑石英砂岩，粒度分选中等，主要为中粗砂岩、中细砂岩及少量含砾砂岩，气测孔隙度为7.40%～18.30%，平均为10.51%；气测渗透率为 0.065～0.586 mD，平均为0.275 mD，黏土矿物体积分数为2.14%～10.32%，平均为5.13%，且以伊利石、高岭石（表1）为主。由表1统计表明，15块样品孔隙度及渗透率较低、颗粒分选中等、黏土胶结物含量较高，盒8段和山1段均属于典型的致密砂岩［18］，所选取的样品渗透率差异较大，表明不同渗透率级别的样品储层孔喉结构和渗流规律定量表征难度较大。

表1 苏里格气田致密砂岩样品岩性、物性及黏土矿物统计Table 1 Lithologies，properties and clay minerals of tight sandstone samples in Sulige Gas Field

1.2 实验方法

本次实验测试分析主要依托西安石油大学“西部低渗-特低渗透油田开发与治理教育部工程研究中心”，并利用基础地质和实验分析，在垂直于岩心柱方向钻取15块岩心（长度约为5.0 cm，直径约为2.5 cm及碎样块）。采用蒸馏法将岩心放置于装有酒精和三氯甲烷混合溶液的洗油仪中，在110℃下蒸馏150 h除去样品中的残留沥青。

再将洗油后的岩心制备成长为4.0 cm，直径为2.5 cm的样品，采用覆压孔渗仪（CM300）测量样品的孔隙度和渗透率，对平行样品，采用多功能显微镜与图像分析软件（Leica DM4500），以及场发射环境扫描电子显微镜与图像分析软件（MAIA3 LMH）鉴定样品岩石粒度、矿物、孔隙、黏土矿物等。检测完的样品抽真空饱和地层水，采用MesoMR23-60 H-I型低场核磁共振仪进行核磁共振测试。对于测试完核磁共振的样品采用高压压汞仪（PoreMaster 33）进行高压压汞测试，本次实验最大进汞压力为200 MPa，根据Washburn公式，设定表面张力（γ）为 0.485 J/m2，汞与矿物颗粒接触角（θ）为140 °，则最小孔喉半径（γ）对应于 3.675 nm［19-20］。

对15块样品分别取200 g，并粉碎至1 mm以下，再利用多功能显微镜和场发射环境扫描电子显微镜进行鉴定，结果发现，黏土矿物大多数颗粒粒径均小于 2.0 μm，部分颗粒粒径为 2.0～10.0 μm。因此，依据石油天然气行业标准［21］，选取 2.0 μm 和10 μm的粒径开展对比实验。分别采用激光粒度仪（Mastersizer 2000），测试悬浮溶液中颗粒粒径的分布特征；采用X射线衍射仪（D8 Focus）测试15块样品中的黏土矿物类型及相对含量；利用林西生等［22］的沉积岩黏土矿物XRD分析软件解读图谱计算2 μm和10 μm提取物黏土矿物相对含量。

2 结果

2.1 黏土矿物含量及形态特征

基于铸体薄片、扫描电镜及X射线衍射分析结果，对苏里格地区样品开展黏土矿物形态特征及含量的研究。结果表明：伊利石、高岭石、绿泥石及伊/蒙混层是研究区主要的黏土矿物类型（表1，图2）；黏土矿物体积分数为2.14%～13.57%，平均为6.13%（表 1）。

图2 苏里格气田致密砂岩样品电镜特征和黏土的E片图谱Fig.2 Distribution characteristics in SEM，thin section and diffractograms of clay minerals of tight sandstone samples in Sulige Gas Field

研究区伊利石主要呈板片状、丝缕状或搭桥状［图3（a）—（b）］，体积分数为 0.12%～9.28%，平均为3.07%（表1）。伊利石在该区致密砂岩储层中起破坏性作用，即填充孔隙缩窄喉道，导致储层性质急遽变差。

高岭石是研究区含量仅次于伊利石的黏土矿物，体积分数为0.12%～5.92%，平均为1.86%（表1）。高岭石是溶蚀作用的直接产物之一，在薄片下常常可见长石或岩屑溶蚀孔相伴而生；扫描电镜下高岭石主要呈片状及书页状，连续分布，充填孔隙导致储层性质变差［图3（c）—（d）］。

苏里格地区致密砂岩气藏伊/蒙混层中混层比通常＞90%，主要呈片状产出［图3（e）］，体积分数为0.07%～2.38%，平均为0.64%（表1）。该区伊/蒙混层主要起到充填孔隙、破坏储层的作用，但由于含量低，相对于伊利石而言对储层的破坏作用较小。

绿泥石在苏里格地区致密砂岩气藏中含量最低，体积分数为 0～2.17%，平均为0.56%（表 1），主要呈鳞片状产出，具有2种产状形式：包膜状绿泥石及充填型绿泥石。包膜状绿泥石主要覆盖在矿物颗粒表面，在一定程度下能抑制压实作用，防止后续胶结作用破坏孔隙［图3（f）］；充填型绿泥石直接占据孔隙空间，降低粒间孔隙比例，虽然绿泥石本身能提供少量储集空间［12］，但与粒间孔隙相比所能贡献的空间太小，且基本不具有渗流能力。

利用表1黏土矿物数据，并结合图2分析表明：高岭石、伊利石、绿泥石黏土矿物粒径均大于2.0 μm，而且所占比例较高。样品在粒径为10 μm的提取物中的高岭石、伊利石、绿泥石及石英含量均明显高于粒径为2.0 μm的提取物。表明采用粒径为2.0 μm标准的提取物不能准确地表征黏土矿物的含量和分布特征。

图3 苏里格气田致密砂岩气藏高压压汞毛细管压力曲线Fig.3 High pressure mercury capillary pressure curves of tight sandstone gas reservoirs in Sulige Gas Field

2.2 孔隙结构定性特征及定量评价

镜下鉴定结果表明，苏里格地区致密砂岩气藏孔隙类型主要包括粒间孔、溶孔（长石溶孔及岩屑溶孔）及黏土矿物晶间孔。其中，粒间孔是半径最大的孔隙类型，其直径通常为40～100 μm（图2），部分孔隙甚至达到200 μm（图2），对储集性及渗流能力的贡献较大。溶孔包括长石及岩屑溶孔，主要由酸液对矿物颗粒的腐蚀而产生，半径跨度较大，通常为5～200 μm，部分甚至出现整个矿物颗粒被溶蚀而形成铸模孔［图2（c）］。黏土矿物晶间孔是研究区主要的孔隙类型，伊利石、高岭石、伊/蒙混层及绿泥石矿物均能形成晶间孔（图2）。晶间孔仅能提供有限的储集能力且几乎不具备渗流能力［23］，因此该类孔隙的大量出现通常意味着储层性质变差。

高压压汞作为典型的浸入式求取孔隙分布的研究手段通常被研究人员广泛采用［24］。通过分析15块样品高压压汞参数和毛管曲线形态特征，将样品分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类共4种孔喉类型（表2，图3）。毛管压力曲线的分布不均匀性及参数的强烈差异性，表明了致密砂岩气藏孔隙结构的非均质性较强，因此，需要用分类评价来准确表征储层的性质。

Ⅰ类孔喉以中—细微孔喉为主，占总样品数的26.66%，其中盒8段与山1段储层各占13.33%；排驱压力为0.05～0.19 MPa，最大孔喉半径为3.868～14.700 μm，中值孔喉半径为 0.071～1.838 μm，分选系数为0.30～0.45；最大进汞饱和度为71.14%～93.89%，平均为 84.75%［表 2，图 3（a）］。由表 1黏土矿物数据分析可知，黏土矿物体积分数为2.58%，伊利石为 0.43%，绿泥石为 0.26/%，高岭石为1.76%，伊/蒙混层为0.13%。

Ⅱ类孔喉以细—微孔喉为主，占总样品数的26.67%，其中盒8段储层占20.0%，山1段储层占6.67%；排驱压力为0.44～0.72 MPa，最大孔喉半径为1.021～1.671 μm，中值孔喉半径为 0.104～0.243 μm，分选系数为0.18～0.20；最大进汞饱和度为89.81%～97.01%，平均为 92.63%［表 2，图 3（b）］。由表 1黏土矿物数据分析可知，黏土矿物体积分数为5.77%，伊利石为2.74%，绿泥石为0.84/%，高岭石为1.60%，伊/蒙混层为0.6%。

Ⅲ类孔喉以微孔喉为主，占总样品数的33.33%，其中盒8段储层占20.0%，山1段储层占13.33%；排驱压力为0.45～0.73 MPa，最大孔喉半径为1.007～1.633 μm，中值孔喉半径为 0.037～0.175 μm，分选系数为0.21～0.42；最大进汞饱和度为71.01%～88.49%，平均为 82.87%［表 2，图 3（c）］。由表 1黏土矿物数据分析可知，黏土矿物体积分数为6.93%，伊利石为3.41%，绿泥石为0.75/%，高岭石为2.09%，伊/蒙混层为0.68%。

Ⅳ类孔喉以吸附—微孔喉为主，占总样品数的13.33%，其中盒8段储层占6.67%，山1段储层占6.67%；排驱压力为1.8～1.9 MPa，最大孔喉半径为0.387～0.408 μm，中值孔喉半径为 0.063～0.104 μm，分选系数为0.2～2.0；最大进汞饱和度为85.53%～88.78%，平均为 87.16%［表 2，图 3（d）］。由表 1黏土矿物数据分析可知，黏土矿物体积分数为11.95%，伊利石为8.14%，绿泥石为0.14%，高岭石为2.03%，伊/蒙混层为1.64%。

表2 苏里格气田高压压汞参数统计Table 2 Parameters from pressure-controlled mercury intrusion analysis in Sulige Gas Field

核磁共振作为典型的非侵入式实验手段，由于其对岩心不产生明显的破坏作用，以及能够在一定程度上反映原位孔隙结构，近年来为研究人员所使用［25-27］。图 3（d）和图 4（a）—（d）显示：苏里格地区致密砂岩气藏核磁共振T2谱曲线分为左偏双峰型、右偏双峰型及单峰型，不同样品峰值分布情况各不相同，左偏双峰型在该区所占比例相对较高，表明该区储层整体致密且双孔隙型孔隙结构发育程度相对较高。以10 ms及100 ms为界限将孔隙划分为3个区间（＜10 ms，10～100 ms，＞100 ms）［28］，发现小孔隙所占比例最高（66.01%），中孔次之（27.79%），大孔最低（6.20%）（表3），表明致密砂岩气藏中的微—小孔隙主导着整体的孔喉结构［图3（d）和图4（a）—（d）］。依照地区经验值（13.895 ms）将可动与不可动流体分界线进行划分［29］，4类孔喉结构（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类）对应的可动流体饱和度分别为66.15%，25.66%，11.78%和6.70%；对应的可动流体孔隙度分别为10.19%，2.59%，0.86%和0.49%。上述表明研究区致密砂岩气藏属于典型的低渗可动流体储层［30］。

图4 苏里格气田致密砂岩气藏核磁共振T2弛豫时间分布Fig.4 NMR T2relaxation time distribution of tight sandstone gas reservoirs in Sulige Gas Field

表3 苏里格气田核磁共振参数统计Table 3 Parameters from NMR analysis in Sulige Gas Field

3 讨论

3.1 黏土矿物对储层物性的影响

研究表明，黏土矿物类型及含量对储层物性影响较大［9，12］。利用孔隙度及渗透率与黏土矿物绝对含量及单项黏土矿物含量关系研究发现，黏土矿物对致密砂岩气藏储集能力的贡献明显高于渗流能力［图 5（a），（b）］，黏土矿物总含量、伊利石及伊/蒙混层含量与孔隙度和渗透率呈一定的负相关性［图5（c）—（f）］。整体而言，三者与孔隙度的相关性略好于渗透率，而绿泥石和高岭石对物性的影响规律性不明显［图 5（b），（c），（e），（f）］。史洪亮等［30］、孟万斌等［31］的研究均得出黏土矿物对储层破坏作用明显的结论。图2和图5同样表明伊利石及伊/蒙混层能直接充填孔隙从而破坏储层孔隙结构，降低储层的储集能力，但伊利石和伊/蒙混层对孔隙度和渗透率的影响相近，该结论与前人结论明显相悖，其认为黏土矿物对渗透率的影响要强于孔隙度。产生的原因可归结为2方面：一是伊利石和伊/蒙混层本身提供了广泛发育的晶间孔，由于氦气分子直径细小，导致该部分空间能通过氦测孔隙度手段完全反映出来，使得所测量得到的孔隙度较高；二是伊利石的广泛发育是长石溶蚀的间接证据［32-35］，虽然伊利石充填了部分孔隙，但长石溶孔的出现在一定程度上改善了储层孔隙，孔喉配位处被伊利石和伊/蒙混层分割降低了流体的渗流能力。由于伊利石为研究区主要黏土矿物类型，因此黏土矿物含量与伊利石基本一致［表 1，图 5（b），（e）］。包膜式及充填式绿泥石与物性相关性不明显［图 5（b），（e）］。

高岭石能直接充填孔隙导致储集和渗流能力下降，同时高岭石的出现通常伴随着长石的溶蚀及次生石英的沉淀［32-35］，导致其与物性的相关性较为复杂。因此，绿泥石和高岭石与渗透率的低相关性证明，致密砂岩气藏黏土矿物含量与渗流能力关系非常复杂，并非类似前人研究成果所表明的直接破坏储层渗流能力［30-31］，二者关系需要进一步探究。

图5 苏里格气田致密砂岩气藏黏土矿物含量与储层物性的相关性Fig.5 Relationship between clay mineral contents and reservoir properties of tight sandstone gas reservoirs in Sulige Gas Field

3.2 黏土矿物对微观孔隙结构的影响

对致密砂岩气藏微观孔隙结构进行准确表征和影响因素分析，是储层合理开发及有效规划的重要工作之一［36-37］。任大忠等［38］、周康等［39］研究表明，黏土矿物的充填对储层微观孔喉结构具有明显的破坏作用，具体体现在孔喉空间减小、配置关系复杂、连通性降低、孔喉非均质性增强等方面，但与此同时，以往研究往往忽略了其他成岩作用对微观孔喉结构的控制作用，因此，只能单凭黏土矿物含量与孔隙结构参数相关性来判断二者的关系。对于致密砂岩储层而言，压实作用是影响苏里格地区致密储层微观孔隙结构的主要因素之一［40］，压实强度对储层起到改造作用，胶结物（本次研究仅关注黏土矿物）对储层微观孔隙结构产生影响。

深度越深通常对应着上覆地层压力越大，导致储层经受的压实作用越强烈，因而埋深较大的样品孔喉通常相对较小，而孔隙结构则相对均质。从图6可以看出，黏土矿物含量与微观孔隙结构参数关系复杂，为了阐明其关系，挑选出4类黏土矿物含量最高的样品，其中S49样品的伊利石和伊/蒙混层体积分数分别为9.28%和2.38%，Z451样品的绿泥石体积分数为2.17%，D326样品的高岭石体积分数为5.92%，其对应的黏土矿物体积分数分别为13.57%，7.22%和8.28%，对应的中值压力分别为11.75 MPa，3.81 MPa和 7.09 MPa，对应的最大进汞饱和度分别为85.53%，92.00%和97.01%。对比表明，伊利石和伊/蒙混层对储层起到破坏作用，属中晚期胶结的产物［41］，而绿泥石胶结主要发生在早中成岩期，高岭石主要发生在早成岩B期和中成岩阶段的酸性环境中。

从图6可以看出：深度由浅至深，黏土矿物总量与孔喉结构参数之间的变化关系具有较好的响应性；随着黏土矿物（伊利石和伊/蒙混层）含量的增加孔喉偏向细歪度、分选性变差，表明黏土矿物由于其本身的均质性变化，导致孔喉的结构非均质性发生变化［41］。同时，黏土矿物在一定程度上能减缓压实作用［12］，使得一定量的大孔隙得以保存，孔喉偏向粗歪度。

图6 苏里格气田黏土矿物体含量及高压压汞参数纵向分布Fig.6 Clay mineral content and longitudinal distribution of high pressure mercury intrusion parameters in Sulige Gas Field

3.3 黏土矿物对可动流体参数的影响

致密砂岩储层可动流体赋存特征在生产评价、开发工程设计、储层精细描述等方面均具有重要意义［42-43］。苏里格地区致密砂岩气藏可动流体参数与黏土矿物含量均呈偏弱的负相关性，表明黏土矿物在一定程度上阻碍了储层的可动流体运动的范围与自由度。与此同时，可动流体饱和度及可动流体孔隙度与黏土矿物总量及各类黏土矿物含量均呈中等偏弱的趋势（R2均高于0.7），一方面说明了孔喉结构的复杂性增加了黏土矿物评价储层流体的难度，另一方面表明了储层的这种现象与所采用的实验手段有直接关系。

伊利石和伊/蒙混层与可动流体饱和度和可动流体孔隙度均呈较好的负相关性，而与绿泥石和高岭石之间规律不明显，表明不同类型的黏土矿物含量、晶体结构、分布特征的差异性对致密砂岩全尺度孔喉的表征和流体赋存特征的影响不可忽略。因此，评价黏土矿物对可动流体赋存特征的影响是校正可动流体参数及储层评价的重要工作。本次研究采取的手段如下：

由于苏里格地区致密砂岩储层黏土矿物中仅有伊利石和伊/蒙混层，且具有亲水性，因此统计二者的相对含量之和（S）为

S=Si+SI/S（1）

式中：Si为伊利石相对含量，%；SI/S为伊/蒙混层相对含量，%。由于仅有这2种黏土矿物能赋存流体，因此，将岩样中所有孔隙均等效为被伊利石或伊/蒙混层包裹的孔隙。

式中：Sm为可动流体饱和度，%；τs为可动流体饱和度指数，该数值乘以气测孔隙度φ，即为可动流体孔隙度指数τp。

修正指数与黏土矿物总含量及各类黏土矿物相关性明显提高，对于可动流体而言，黏土矿物的出现减小了可动流体赋存的空间，尤其是亲水型的伊利石及伊/蒙混层的出现对可动流体参数下降有直接的关系。

4 结论

（1）伊利石、高岭石、绿泥石及伊/蒙混层是研究区主要的黏土矿物类型，且含量依次降低；粒径为10 μm提取物获取的黏土矿物含量明显高于粒径为2.0 μm的提取物，证明了在苏里格地区大粒径黏土矿物所占总比例较高。

（2）粒间孔、溶孔（长石溶孔及岩屑溶孔）及黏土矿物晶间孔是研究区主要的孔喉类型；高压压汞及核磁共振结果显示，储层孔喉非均质性较强，小孔喉占主导地位。盒8段储层主要为Ⅱ类和Ⅲ类孔隙结构，其次是Ⅰ类；山1段储层主要为Ⅰ类和Ⅲ类孔隙结构，其次是Ⅱ类。总之，盒8段储层品质略优于山1段储层，微观非均质性也强于山1段储层。

（3）大面积发育的伊利石和伊/蒙混层对储层物性和可动流体的影响远高于绿泥石和高岭石，表现出中等偏强的负相关性；伊利石和伊/蒙混层填充孔隙和分割孔喉降低了储集空间和孔喉的连通性，同时也可作为溶孔出现的间接证据。黏土矿物绝对含量与渗流能力关系非常复杂，并非前人研究成果所表明的直接降低储层的渗流能力。

（4）可动流体修正指数充分考虑了黏土矿物的亲水性对储层可动流体赋存特征的影响，伊利石及伊/蒙混层的大量出现严重压缩了致密砂岩气藏可动流体的赋存空间。