致密油储层中自生绿泥石成因及其对物性的影响——以川中东北部沙溪庙组为例

吴家洋，吕正祥，2，卿元华，3，杨家静，金 涛

（1.成都理工大学能源学院，成都 610059；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，成都 610059；3.中国石油塔里木油田分公司勘探事业部，新疆库尔勒 836000；4.中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院，成都 610041）

0 引言

自生绿泥石是砂岩储集层中重要的成岩矿物之一，其含量、产状及其时空分布，对储层原生孔隙的保存具有重要意义［1-2］。关于自生绿泥石与储层物性的关系的研究始于20 世纪50 年代，Heald［3］在研究西弗吉尼亚砂岩自生矿物时，注意到围绕碎屑颗粒或第一期次生加大石英生长的自生绿泥石环边，并指出自生绿泥石形成与砂岩黏土杂基提供的Si，Al，Fe 有关。进入21 世纪后，致密油气所占比例逐年升高，其中，致密砂岩储层形成机理是热点研究课题之一［4］。众多学者研究表明，孔隙衬垫和包膜绿泥石对原生孔隙的保护和改造起建设性作用［5-6］，以及阻碍了碎屑颗粒与孔隙流体的接触，有利于抑制石英和碳酸盐矿物的胶结作用，对致密砂岩储层的形成具有积极作用［7-8］。倪祥龙等［9］认为，柴达木盆地扎哈泉地区渐新统致密砂岩中的优质储层形成主要得益于绿泥石环边（包括狭义的衬包膜和衬垫）的抗压实作用及其对碳酸盐胶结和石英次生加大的抑制作用，但是，对于自生绿泥石的形成时期、形成机理的研究主要基于成岩现象的观察的定性研究，缺乏定量分析的支撑。目前研究认为，颗粒包膜绿泥石形成机制包括同生期咸化水体中绿泥石的沉淀、同生期—早成岩A 期暗色矿物水化水解提供Fe，Mg 离子使蒙脱石转化为绿泥石［10-11］；孔隙衬垫绿泥石的形成主要与早成岩A 期暗色矿物水化水解、早成岩B 期火成岩岩屑、长石等的早期溶蚀有关［12-13］；孔隙充填绿泥石的形成机制包括从富Fe，Mg 离子孔隙流体中直接沉淀、高岭石或伊利石转化为绿泥石［14-15］。

基于对川中东北部中侏罗统沙溪庙组大量砂岩样品的显微薄片、扫描电镜的观察，结合全岩、黏土矿物X 射线衍射、电子探针、能谱分析等多项资料，研究自生绿泥石的产出特征及其成因，分析自生绿泥石对储集层物性的影响，以期为致密砂岩中有利储层预测提供依据。

1 地质背景

川中地区为四川盆地中部稳定区，地层产状平缓（倾角1°～5°），断层不发育，整体表现为一个北西向倾斜的大斜坡［16］，研究区位于川中东北部地区（图1）。侏罗系广泛出露于盆地内，为大型湖泊及平原河流相沉积，总厚度1 500～4 700 m。侏罗系自下而上包括下统自流井组、凉高山组，中统沙溪庙组，上统遂宁组、蓬莱镇组。自流井组（J1z）、凉高山组（J1l）及沙溪庙组（J2s）均是致密油勘探的目的层，凉高山组进一步划分为凉高山组下段（凉下段，J1l1）和上段（凉上段，J1l2），沙溪庙组则进一步划分为沙溪庙组一段（沙一段，J2s1）和二段（沙二段，J2s2）。在中侏罗统大规模湖退背景下，川中沙溪庙组（J2s）主要发育一套河流—辫状河三角洲—湖泊沉积体系，形成了一套紫红色泥岩、泥质粉砂岩夹砂岩组合。沙溪庙组致密油藏主要为下伏凉上段暗色泥岩生成的原油近距离运移形成，为典型的连续型致密砂岩油藏［17］。本区油气资源丰富，截至2016 年12 月，川中沙溪庙组累计开采原油21.43 万t［18］。

图1 研究区位置及侏罗系地层柱状图Fig.1 Location of the study area and stratigraphic column of Jurassic

2 砂岩岩石学与储集性特征

川中东北部沙一段下部主要为半深湖相泥质岩类沉积，部分地区则以滩坝相占为主，且发育平行层理；上部则以三角洲平原相沉积的砂岩为主，砂岩中发育有高角度交错层理。砂岩类型以细粒、中粒岩屑长石砂岩、长石岩屑砂岩为主，质量分数共占91.5%（图2），分选性中等—好，磨圆度次棱—次圆，接触方式以点—线和线接触为主。全岩X 射线衍射分析（表1）表明，碎屑以斜长石为主（质量分数为31%～47%，平均为38.7%），少量钾长石（质量分数为0～17%，平均为8.7%）。X 射线衍射分析（表1）表明，黏土矿物以绿泥石为主（质量分数为56%～87%，平均为73.8%），其次为伊利石（质量分数为13%～35%，平均为23.2%），少量高岭石、蒙脱石及混层黏土矿物。

川中东北部沙溪庙组砂岩储层孔隙度为0.23%～9.60%，渗透率为0.000 1～35.700 0 mD，整体属于致密—超致密储层，但在整体致密背景下，仍然存在物性相对较好的有利储层。这些有利储层孔隙度为5%～6%，部分可达8%～10%，渗透率为0.1～1.0 mD，致密油的分布和产出与有利储层发育关系密切。

图2 沙溪庙组砂岩三角分类图Ⅰ.石英砂岩；Ⅱ.长石石英砂岩；Ⅲ.岩屑石英砂岩；Ⅳ.长石砂岩；Ⅴ.岩屑长石砂岩；Ⅵ.长石岩屑砂岩；Ⅶ.岩屑砂岩Fig.2 Triangle diagram of sandstone classification of Shaximiao Formation

表1 川中东北部沙溪庙组砂岩全岩和黏土矿物X 射线衍射结果Table 1 X-ray diffraction results of sandstone and clay minerals of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

3 自生绿泥石的产出状态及形成时期

3.1 产出状态

川中东北部自生绿泥石在砂岩储层中主要有3 种产出状态：①颗粒包膜。以薄膜的形式垂直颗粒表面生长并包裹整个颗粒［图3（a）］，厚度小于4 μm，在颗粒接触处（厚度小于1 μm）会因挤压而平行于颗粒分布；绿泥石晶体呈针状、片状，集合体呈蜂窝状［6，13］。②孔隙衬垫。仅发育于颗粒接触点之外的孔隙边缘或颗粒包膜绿泥石上呈栉壳状生长，绿泥石晶体呈针状或竹叶状［图3（b）］，在颗粒接触点附近绿泥石晶形较差、衬垫厚度减小，越接近孔隙中心，晶体自形程度越好［11-12］，厚度介于4～15 μm。③孔隙充填，以自形晶（直径3～14 μm）集合体（主要呈似玫瑰花状）或分散单体充填于粒间内［图3（c），（d）］，晶体生长方向和颗粒表面不具定向关系。以孔隙衬垫绿泥石分布最为普遍。

图3 川中东北部自生绿泥石的产出状态（a）绿泥石包膜包覆整个颗粒，X20 井，J2s1，1 606.58 m，单偏光；（b）砂岩颗粒呈线接触，且绿泥石膜包覆的颗粒发生溶蚀，X20 井，J2s1，1 613.19 m，单偏光；（c）孔隙边缘到中心绿泥石表现为孔隙衬垫、充填2 个世代，G27 井，J2s1，2 467.15 m，SEM；（d）粒间充填叶片状（生长于充填石英之上）和玫瑰花状绿泥石，J2s1，3 279.22 m，SEMFig.3 Occurrence of authigenic chlorite in NE of central Sichuan Basin in NE of central Sichuan Basin

电子探针分析表明，沙一段砂岩中自生绿泥石均为富铁绿泥石（表2），FeO/（FeO+MgO）比值（0.72～0.78）明显高于标准绿泥石（0.59）。晶形较差的衬垫绿泥石（绿/蒙混层黏土矿物）Fe，Mg，Al 含量低，Si 含量高；晶形良好，晶体粗大的衬垫绿泥石以及孔隙充填绿泥石Fe，Mg，Al 含量高，Si 含量低。

表2 川中东北部沙一段不同产状自生绿泥石化学成分Table 2 Chemical composition of authigenic chlorites with different occurrences of the first member of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

3.2 形成时期

图4 川中东北部自生绿泥石对致密砂岩储层物性的影响（a）绿泥石孔隙衬垫，砂岩颗粒呈点—线接触，绿泥石膜包覆的长石、岩浆岩屑（红色箭头）发生强烈溶蚀形成近铸模孔，X20 井，J2s1，1 613.69 m，单偏光；（b）绿泥石衬垫发育的砂岩残余原生孔隙的保护，X20 井，J2s1，1 603.25 m，单偏光；（c）绿泥石孔隙衬垫（厚度为14.01 μm），X20 井，J2s1，1 603.25 m，SEM；（d）绿泥石孔隙衬垫（厚度小于5 μm），（红色箭头）孔隙内部充填自生石英，X20 井，J2s1，1 603.25 m，SEMFig.4 Effect of authigenic chlorite on physical properties of tight sandstone reservoirs in NE of central Sichuan Basin

图5 川中东北部自生绿泥石与其他成岩现象的赋存关系（a）绿泥石衬垫（红色箭头）发育，颗粒呈点—线接触，原生粒间孔保存良好，X20 井，1 614.94 m，J2s1，单偏光；（b）绿泥石衬垫形成于颗粒呈点—线接触之后，G46 井，J2s1，2 195.25 m，SEM；（c）连晶方解石形成晚于绿泥石衬垫（红色箭头），J1 井，J2s1，3 279.22 m，单偏光；（d）连晶浊沸石形成晚于绿泥石衬垫（红色箭头），X20 井，J2s1，1 613.69 m，单偏光；（e）具绿泥石（晶形差）衬垫的孔隙中充填短柱状石英晶体，G36 井，J2s1，2 186.27 m，SEM；（f）具绿泥石衬垫的孔隙中充填不规则粒状石英晶体，G36 井，J2s1，2 189.81 m，SEM；（g）具绿泥石衬垫的孔隙中充填短柱状钠长石晶体，G36 井，J2s1，2 189.81 m，SEM；（h）高岭石、绿泥石与自生石英共生，X20 井，J1l2，1 719.16 m，SEM；Ab：钠长石；K：高岭石；Chl：绿泥石；Q：石英Fig.5 Relationship between authigenic chlorite and other diagenetic phenomena in NE of central Sichuan Basin

绿泥石包膜发育于颗粒未接触阶段［图3（a），图4（a）］，最早形成。绿泥石衬垫发育于颗粒点（或线）接触之后［图5（a），（b）］，充填状绿泥石发育于外层绿泥石衬垫充填后的孔隙内，在部分样品绿泥石衬垫与充填状绿泥石呈现2 个世代［图3（c）］。绿泥石衬垫发育的薄片中，粒间方解石、浊沸石充填的孔隙绿泥石孔隙衬垫发育极差或不发育［图5（c），（d）］，说明粒间连晶方解石、浊沸石形成稍晚于绿泥石衬垫。自生石英有2 种赋存形式：一种是早期沿石英颗粒边缘呈1 级次生加大，生长于绿泥石衬垫之上［图5（e），图4（b）］，说明石英次生加大边稍晚于绿泥石衬垫；另一种自生石英充填于溶蚀孔隙中，镜下可观察到石英晶体充填于绿泥石衬垫环绕的粒间孔隙内并被充填绿泥石部分覆盖［图5（f）］，说明充填状绿泥石晚于粒间自生石英充填。常见绿泥石衬垫环绕的长石发生溶蚀，而长石溶蚀的产物主要为高岭石，溶孔内充填自生石英（或钠长石）且被充填绿泥石部分覆盖［图5（f），（g）］，说明部分充填绿泥石晚于自生高岭石，扫描电镜下可见少量高岭石、绿泥石与自生石英晶体共生［图5（h）］。沙一段裂缝充填自生石英内流体包裹体均一温度介于100～140 ℃；下伏凉上段烃源岩镜质体反射率Ro一般为1.02%～1.30%，表明沙一段经历的最晚成岩阶段为中成岩A2 期。因此，结合碎屑岩成岩作用阶段划分标准［20］，可以推测不同产状自生绿泥石的主要形成时期：①颗粒包膜绿泥石形成于同生期—早成岩A 期；②孔隙衬垫绿泥石形成于早成岩A 期；③充填绿泥石形成中成岩A2 期（图6）。

图6 川中东北部沙溪庙组成岩演化序列图Fig.6 Diagenetic evolution sequence of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

4 自生绿泥石的形成机制

自生绿泥石的形成受多种因素控制，其中沉积环境和物源条件是2 个重要的因素［9］。本区自生绿泥石形成所必需的铁、镁，可能的来源主要有3 种：①沙一段砂岩富含酸性岩浆岩岩屑（质量分数平均为4.4%）以及黑云母（质量分数平均为4.9%；FeO质量分数大于16%）（表3），其水化水解以及溶蚀均可以析出较多Fe，Mg 离子。②沙一段泥岩富含Fe，Mg（表3），黏土矿物转化以及有机质成熟期间酸性流体对泥岩溶蚀释放的Fe，Mg 离子可随压实流体进入邻近砂岩。③沙溪庙组下部紧邻凉高山组，川中东北部凉高山组为浅湖—半深湖沉积环境，发育大量砂、泥岩互层。在成岩过程中凉高山组上部的泥岩层遭受压实会向沙溪庙组下部的砂岩层中释放层间吸附的Fe，Mg 离子，从而可为自生绿泥石在成岩过程中生长提供充足的铁、镁来源。因此，绿泥石的形成具有丰富的物质来源。

表3 川中东北部沙一段砂岩中于绿泥石形成有关的岩石的化学成分Table 3 Chemical composition of rocks associated with chlorite of the first member of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

川中东北部中侏罗统为中等干热气候，沉积水体为咸化淡水［16］。颗粒包膜和早期衬垫绿泥石具有如下2 种形成机制：①在同生期—早成岩A 期，沙一段砂岩中大量的斜长石、岩浆岩岩屑和黑云母等强烈水化水解，析出Na+，Ca2+，Mg2+，Fe2+等离子，使孔隙流体矿化度提高并向碱性转变，且碎屑颗粒主要呈“飘浮状”或点状接触［参见图5（a），（b），图4（d）］，从而围绕碎屑颗粒沉淀形成绿泥石膜壳绿泥石［图4（a）］。②由河流搬运入湖的蒙脱石围绕碎屑颗粒沉淀形成蒙脱石包膜，受到上述富含Fe2+，Mg2+流体的影响，在碱性成岩环境下，直接转化成绿泥石［12，15］。其反应式如下：Ca0.1Na0.2Fe1.1MgAlSi3.6O10（OH）2（蒙脱石）+1.5 Fe2++1.2 Mg2++1.4 Al3++7.6 H2O=Fe3.5Mg3.5Al6Si6O20（OH）10（绿 泥 石）+0.1 Ca2++0.2 Na++0.8 SiO2+9.2 H+，可知绿泥石的形成过程中伴随着自生石英的产生，但是，同生期—早成岩A 期温度、压力低，Fe，Mg 离子水化作用强烈而难以进入矿物晶格［21］，因此，形成的绿泥石晶形较差［参见图5（e）］且Fe，Mg 含量低（参见表2）。

早成岩A期，随着温度、压力的升高，Fe，Mg离子水化作用持续进行，以及邻近泥岩层蒙脱石向伊利石转化形成伊蒙混层黏土矿物或伊利石，析出Fe，Mg，Si 等离子均有利于绿泥石的形成。该阶段砂岩孔渗性相对较高，物质来源充足，温度、压力高，绿泥石晶形完整且发育充分，因此，绿泥石衬垫晶形发育好、厚度大［参见图3（c）］。早成岩B 期—中成岩A1 期油气充注带来的大量有机酸、碳酸对长石、岩浆岩岩屑和黑云母等进行溶蚀，绿泥石衬垫包覆的长石（或岩屑）溶蚀而绿泥石衬垫未溶蚀［图5（a），（d）］，表明该阶段绿泥石衬垫稳定存在，故其形成时期早于早成岩B 期—中成岩A1 期，为早成岩A 期的产物。

中成岩A2 期，有机酸大规模脱羧以及前期硅酸盐矿物溶蚀对H+的消耗，孔隙流体由偏酸性逐渐转为碱性，从而在孔隙中充填叶片状和似玫瑰花状绿泥石，其物质来源、形成机理与孔隙衬垫绿泥石相似［14］。沙一段砂岩缺失高岭石，伊利石含量与绿泥石含量呈显著负相关（图7），以及扫描电镜下见高岭石（或伊利石）向绿泥石转化的现象［参见图5（h）］，其反应方程式如下：3.5 Fe2++3.5 Mg2++3 A12Si2O3（OH）4（高岭石）+9 H2O=Fe4Mg4Al16Si6O20（OH）16（绿泥石）+14 H+，表明在中成岩A2 期较高的温度（＞110℃）和压力条件下，高岭石、伊利石在富Fe，Mg 流体中向绿泥石的转化［14］也是充填状绿泥石的形成机制。由于前期压实作用，溶蚀作用和黏土矿物转化持续进行，至中成岩A2 期，Fe，Mg 来源明显减少；砂岩、泥岩的孔渗性已变得相当低，物质传输非常缓慢［25］，因此，充填状绿泥石极少发育。

图7 川中东北部沙溪庙组自生绿泥石与伊利石含量的关系（注：数据见表1，去掉一个异常点）Fig.7 Relationship between authigenic chlorite and illite of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

5 自生绿泥石对致密砂岩储层物性的影响

自生绿泥石对储层物性具有双重影响，消极影响表现为堵塞孔隙和喉道，损害储层物性［12］；多数学者认为孔隙衬垫绿泥石主要产生积极影响，孔隙衬垫绿泥石与孔隙度之间呈显著正相关（R=0.68）（图8）也证实了这种观点。

图8 川中东北部沙溪庙组孔隙度与自生绿泥石含量的关系Fig.8 Relationship between porosity and content of authigenic chlorite of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

5.1 有利于孔隙和喉道保存

孔隙衬垫绿泥石发育的砂岩中，颗粒以点接触和点—线接触为主［图4（b），（d）］，压实作用较弱，颗粒变形小，具有较低的颗粒接触强度，原生粒间孔隙和喉道保存较好，而在不发育孔隙衬垫绿泥石的砂岩，颗粒之间常表现为凹凸接触，甚至缝合线接触，残余原生孔隙和喉道发育差，可见孔隙衬垫绿泥石的发育对原生孔隙和喉道的保存具有积极影响。薄片观察表明残余原生粒间孔发育的砂岩中多数具有绿泥石孔隙衬垫［图4（a），（b），图4（b），（c）］，因此，绿泥石衬垫可以有效提高砂岩的抗压强度，阻止残余粒间孔被其他物质进一步充填、胶结，有利于孔隙和喉道的保存［26-27］。

5.2 抑制石英次生加大

大部分沉积盆地中硅质胶结物形成于60～139 ℃的成岩温度条件下，即从成岩早期到成岩晚期都可以发生［28］。自生绿泥石形成早于自生石英或石英次生加大时，可抑制自生石英或石英次生加大的发育［13］。目前，自生绿泥石对自生石英起抑制作用主要有以下几种观点：①早期形成的孔隙衬垫绿泥石抑制了石英的压溶作用［29］；②自生绿泥石占据了自生石英的生长空间［30］；③自生绿泥石阻止了自生石英在碎屑石英的表面成核［31］；④自生绿泥石通过占据石英结晶基底并保持流体的碱性条件来共同抑制石英加大［32］。

研究区沙溪庙组次生加大石英主要发育于不具有绿泥石衬垫或绿泥石衬垫薄（＜5 μm）的砂岩中［参见图4（b）］，绿泥石环边厚度大（＞7 μm）的砂岩中次生加大以及充填状石英均不发育［参见图4（c）］。中成岩阶段硅酸盐矿物溶蚀、黏土矿物转化均会析出大量SiO2，Na+，Ca2+等，由于绿泥石环边对石英（或长石）次生加大石英成核作用的抑制以及占据部分孔隙，石英（或长石）以充填形式原地沉淀或运移至别处沉淀并占据储集空间，因此，适当厚度（＞7 μm）的绿泥石衬垫可以有效抑制石英次生加大（或充填）对喉道和孔隙的破坏。

5.3 促进溶蚀作用

研究区沙溪庙组致密砂岩储层里的粒内溶孔和粒间溶孔主要是由酸性流体（凉高山组有机质进入成熟阶段产生大量有机酸）对长石、岩屑以及碳酸盐胶结物等酸易容物质进行溶蚀产生的，而孔隙衬垫绿泥石发育储层的喉道发育良好，保留了原始孔隙，为下伏凉高山组酸性流体的流动提供了通道，促进后期的溶解作用，改善储层孔隙性［参见图5（a），（d）］。据薄片鉴定和扫描电镜观察，孔隙衬垫绿泥石常与粒间溶孔、粒内溶孔或铸模孔伴生［参见图3（a），图4（a）］。可见，孔隙衬垫绿泥石的发育有利于储层原生孔的保存，使孔隙水能够与围岩颗粒发生进一步的反应，保证后期溶蚀作用的进行。

6 结论

（1）川中东北部沙溪庙组自生绿泥石以孔隙衬垫的形式产出为主，少量绿泥石呈包膜和充填状产出。孔隙包膜绿泥石形成于同生期—早成岩A 期；孔隙衬垫绿泥石形成于早成岩A 期；充填绿泥石形成中成岩A2 期。

（2）川中东北部沙溪庙组自生绿泥石形成机制有3 种：在同生期—早成岩A 期，富含铁（镁）等矿物强烈水化水解，使孔隙流体矿化度提高，沉淀绿泥石及早期蒙脱石在碱性成岩环境下直接转化成绿泥石；早成岩A 期，下伏凉高山组泥岩中蒙脱石向伊利石转化，为沙一段绿泥石的形成提供了充足的Fe，Mg 离子；中成岩A2 期，有机酸大规模脱羧以及前期硅酸盐矿物溶蚀，使孔隙流体转变为碱性，从而在孔隙中充填叶片状和似玫瑰花状绿泥石以及在较高的温度和压力条件下，高岭石、伊利石在富Fe，Mg 的流体中向绿泥石的转化。

（3）川中东北部沙溪庙组自生绿泥石对储层的影响表现在：早期形成的绿泥石衬垫能在一定程度上抵抗压实作用，有利于孔隙和喉道的保存；适当厚度（＞7 μm）的绿泥石衬垫可以有效抑制石英次生加大（或充填）对孔喉的破坏；保存完好的孔喉可以为酸性水介质流动提供通道，促进后期的溶解作用的进行，改善储层物性。