阜东斜坡区齐古组自生绿泥石的赋存状态与影响因素

祁利祺,张晓童,张浩宇,陈可欣,梅红婧,于景维

(中国石油大学(北京) 克拉玛依校区, 新疆 克拉玛依 834000)

黏土矿物为地壳中重要的组成单元,粒径常小于2 μm,且类型多样。绿泥石是最常见也是最重要的黏土矿物之一(李仁泽等, 2016; 李海东等, 2017; 张娟等, 2021; 谭双等, 2022),在砂岩储层中不同含量以及赋存状态的绿泥石可能会造成储层的储集性能、润湿性等方面产生较大差异,影响优质储层的分布以及储层后期开发方式的选择(黄思静等, 2004; 谢武仁等, 2010; 孙全力等, 2012; 田建锋等, 2014)。由于在多个中新生代的含油气盆地优质储集砂岩中都发现有绿泥石,其赋存状态、成因机制及其对储层储集性能的影响成为众多学者的重点关注对象(Hillieretal., 1996; Salmanetal., 2002; Wordernetal., 2006; 田建锋等, 2008; 刘栋等, 2011; 杨巍等, 2012, 2013; 颜其彬等, 2014)。

准噶尔盆地中央坳陷带内阜康凹陷为富烃凹陷之一,凹陷东部斜坡带(简称阜东斜坡区)为油气聚集指向区(于景维等, 2014; 唐勇等, 2022)。斜坡带侏罗系砂体普遍发育,有利于油气聚集,受到较多关注(陈丹丹等, 2015; 曾治平, 2017; 于景维等, 2019, 2022)。近几年阜东斜坡区在上侏罗统齐古组(J3q)获得重要油气突破,多口井在该层获得工业油流,油气勘探潜力较大(于景维等, 2016)。前人通过研究发现绿泥石在齐古组中较为普遍,明确绿泥石为优质储层形成控制因素之一(于景维等, 2018)。随着勘探开发的深入,发现储层酸化效果极差,油气开采遇阻,究其原因为绿泥石遇酸会产生大量氢氧化铁,堵塞孔隙,严重破坏油层孔隙结构;不同含量及赋存状态的绿泥石造成相邻井产能差异较大,难以对区块产能进行有效性评价。由于前人针对研究区齐古组绿泥石缺乏系统性研究,面对现场问题难以进行有效地质指导。针对上述问题,本次研究利用野外剖面、岩心观察等宏观分析手段和薄片鉴定、扫描电镜等微观分析手段,详细分析了阜东斜坡区齐古组砂岩储层中自生绿泥石赋存状态、分布特征以及形成机制,重点加强了优质储层中绿泥石含量及其赋存状态的分析,为推动研究区滚动勘探和提高开发效益提供重要的地质指导。

1 研究区概况

准噶尔盆地可划分包括中央坳陷等7个一级构造单元,研究区位于中央坳陷东南部阜康凹陷的东部斜坡带,面积约800 km2,主体同北三台凸起相连,表现为向西北倾斜的单斜构造(图1a)。由于紧邻富烃凹陷,斜坡带为有利成藏区域。区内共有40余口钻井钻遇齐古组(图1b),其中出油井12口,取芯井20口,芯长超过200 m。上侏罗统齐古组埋深小于2 500 m,目前钻井显示其厚度最厚可达400 m,自下而上可划分为3段,受燕山运动影响,齐古组三段受到较为严重的剥蚀,齐古组一段最为完整。

图1 准噶尔盆地构造图(a)、研究区井位图(b)和阜东021井沉积相柱状图(c)Fig.1 Tectonic diagram of Junggar Basin(a), well location of the study area(b) and sedimentary facies column of well FD021(c)

齐古组时期物源来自于北部奇台凸起,研究区发育进积型辫状河三角洲沉积,由底至顶由辫状河三角洲前缘亚相过渡到平原亚相(图1c)。岩性以中粒、细粒岩屑砂岩为主,岩屑成分多样,其中中酸性凝灰质含量平均超过60%。填隙物以胶结物为主,胶结类型多样,常见绿泥石以及方解石,砂体成分成熟度较低;颗粒分选较好,磨圆表现为次棱状-次圆状,反映颗粒结构成熟度较高。颗粒之间接触关系常见点-线接触,储集空间以原生粒间孔为主,平均孔隙度为16.95%,平均渗透率为116.1×10-3μm2,属于中孔中低渗型储层(于景维等, 2017)。前人利用自生矿物的组合、演化顺序以及岩石的结构构造等资料,综合认定研究区齐古组储集砂岩处于中成岩阶段A期(况昊等, 2015)。

2 样品和分析方法

对研究区阜东16井、阜东162井等20口井的齐古组储集砂岩岩心进行了全面采集,共采集237块样品。

2.1 电子探针

在新疆油田实验检测研究院采用日本电子(JEOL)公司的型号为JXA-8230电子探针对20块样品进行了成分分析,电流束斑最小<1 μm, 定量分析检出限一般约100×10-6,可分析B～U之间的所有元素,整体按照《GBT15074-2008-电子探针定量分析方法通则》进行实验。

2.2 常规以及铸体薄片制定

每块样品切取直径为25 mm×5 mm的岩样,经过洗油、铸胶、胶固、磨平等步骤,其中铸胶的压力为6 MPa,在新疆油田实验检测研究院按照SY-T 5913-2004岩石制片标准进行制片,共制得126张薄片。

2.3 扫描电镜及X衍射分析

在新疆油田实验检测研究院进行了扫描电镜和X衍射分析。扫描电镜的样品直径10～15 mm,长为5 mm,电子束强度为10.9 mA,高压为5 kV,按照《岩石样品扫描电子显微镜分析方法》SY/T5162-1997,用扫描电子显微镜JSM-5500LV对72块样品进行了扫描分析。

将砂岩样品磨成粉末,将待测粉末在试样架里均匀分布并用玻璃板压实,用X射线能谱仪QUANTAX400按照《岩石矿物能谱定量分析方法》SY/T6189-1996对100块砂岩样品进行了X衍射分析,仪器电压40 kV,电流250 mA,测试温度20℃,湿度50%。

3 自生绿泥石镜下赋存状态及分布规律

绿泥石在砂岩储层中的赋存状态主要有衬垫式、薄膜式以及充填式3种,衬垫式绿泥石晶体形态主要为叶片状,晶体垂直于颗粒边缘生长;薄膜式绿泥石存在于颗粒边缘,在颗粒接触处缺失;充填式绿泥石晶体形态受生长空间和时间影响较为完整,同颗粒无明显定向接触关系,常见石英或者方解石伴生(蔡来星等, 2023)。

根据铸体薄片以及扫描电镜的观察,发现研究区齐古组砂岩储层中绿泥石以衬垫式赋存方式为主,绿泥石垂直颗粒生长,单一颗粒外绿泥石晶体厚度大小相似且整体连续性较好,衬垫式绿泥石的厚度分布于5～23.2 μm之间,平均值为11.79 μm(图2a)。扫描电镜下可见绿泥石晶间孔发育,同时晶体自形程度越接近孔隙越好(图2b)。其次为薄膜式,薄膜厚度较小,通常小于5 μm(图2c)。扫描电镜下常见片状集合体,局部绿泥石受沥青质浸染,晶形不太完整(图2d)。填充式绿泥石常伴随薄膜式和衬垫式绿泥石发育,范围较为局限,表现为塑性绿泥石充填于粒间孔隙或次生溶孔中(图2e),在扫描电镜下常以鳞片状集合体产出,伴生次生石英晶体(图2f)。前人研究发现,随着衬垫式绿泥石厚度的增大,储层物性逐渐变好,反映衬垫式绿泥石能够增强对原生孔隙的保护(田建锋等, 2014; 蒋艳霞等, 2015)。可一旦酸性流体进入,绿泥石对于储层孔隙结构的破坏也会增强。

图2 研究区齐古组自生绿泥石镜下赋存状态Fig. 2 The occurrence states of authigenic chlorite in the Qigu Formation of study area under microscopea、b—衬垫式绿泥石,阜东161井,2 052 m; c、d—薄膜式绿泥石,阜东16井, 2 030.2 m; e、f—充填式绿泥石,阜东19井, 2 351 ma, b—liner-type chlorite, well FD161, 2 052 m; c, d—membrane-type chlorite, well FD16, 2 030.2 m; e, f—filling-type chlorite, well FD19, 2 351 m

对不同赋存状态的绿泥石在垂向和平面上分布进行分析,一方面有助于优质储层的寻找,另一方面也有利于后期开发方案的调整。前人认为早期大量发育的绿泥石是三角洲推进的一个主要标志(黄思静等, 2004),研究区辫状河三角洲前缘亚相中绿泥石相对含量平均为10.6%,辫状河三角洲平原亚相中绿泥石含量增长到30.1%,符合前人分析观点。同一沉积环境中,以位于研究区中部阜东17井为例,绿泥石在纵向上相对含量表现为逐渐增大的趋势,特别在单砂体中尤为明显。在2 070～2 874 m深度范围内,绿泥石的相对含量由29%迅速增加为54%,冲刷面附近绿泥石的相对含量最高(图3),推测较强的水动力条件下更有利于绿泥石的形成。利用镜下薄片资料,发现随着深度的增加,绿泥石的赋存状态由薄膜式逐渐过渡为薄膜式+充填式,最终富集为衬垫式(图3)。单套砂体底部受绿泥石的影响,物性较好,易形成优质储层,但在后期开发过程中需要注意酸敏破坏。

图3 阜东17井黏土矿物相对含量变化Fig. 3 Relative contents of clay minerals changing in vertical in well FD17a—薄膜式绿泥石, 2 879.9 m; b—薄膜式和充填式绿泥石, 2 882 m; c—衬垫式绿泥石, 2 886 m a—membrane-type chlorite, 2 879.9 m; b—membrane-type and filling-type chlorite, 2 882 m; c—liner-type chlorite, 2 886 m

绿泥石在平面上的分布具有一定的规律。以齐古组一段为例,薄膜式绿泥石主要发育在辫状河三角洲平原亚相,岩石中颗粒分选较差,泥质含量较高,绿泥石结晶程度较差(图4a);衬垫式绿泥石主要发育在辫状河三角洲前缘亚相(图4b、4c),部分发育于靠剥蚀线较近构造高部位的辫状河三角洲平原亚相(图4d),岩石中颗粒分选较好,泥质含量较低,绿泥石结晶程度逐渐变好;薄膜式绿泥石主要发育于辫状河三角洲前缘,岩石内流体流动性较好,利于绿泥石充填孔隙和交代颗粒。

4 自生绿泥石的影响因素

砂岩储层中黏土矿物的形成受沉积、成岩环境多种因素的控制,具体包括多种离子的含量、温度、压力、孔隙流体pH值及其流动性等。绿泥石主要形成于富Fe2+和Mg2+的碱性条件(黄思静等, 2004),根据绿泥石的镜下特征,发现绿泥石形成的控制因素主要包括物质来源、孔隙流体的pH值和流动性。

4.1 物质来源

绿泥石是一种2∶1层型铝硅酸盐矿物,化学式为(MgFeAl)6[(SiAl)4O6](OH)8。自生绿泥石的形成同Fe2+、Mg2+来源密切相关,前人认为(FeO+Fe2O3)以及MgO的含量对绿泥石的成因有一定的指示意义(白清华, 2009)。对不同赋存状态下绿泥石进行电子探针分析(表1),发现FeO+Fe2O3的含量平均为30%左右,MgO的含量平均仅为10%左右,整体表现为高FeO、低MgO的特征,绿泥石整体属于富铁绿泥石,反映绿泥石八面体位置内Fe对Mg发生明显置换作用(梁树能等, 2014),这种绿泥石常见于火山成因绿泥石。

表1 研究区齐古组自生绿泥石电子探针成分分析结果 wB/%Table 1 Electron probe data of the authigenic chlorites in the Qigu Formation of study area

受燕山运动影响,盆地内部普遍发育大量火山活动,大量火山碎屑经河流或者以火山灰的形式搬运到研究区(图5a、5b),充填于储层砂岩。区内齐古组岩石类型主要为岩屑砂岩,凝灰质岩屑为岩屑的主要类型(图5c),平均含量为35.2%。镜下所观察的凝灰质成分具有颗粒包膜(图5f)、充填粒间孔隙(图5e)、网状充填粒间孔隙和充填破裂缝(图5d)等赋存特征。凝灰质成分的赋存方式类似于绿泥石的镜下存在特征,同时大量证据表明凝灰质成分在受溶液溶解后会形成大量K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Fe2+等离子,形成碱性溶液(朱世发等, 2014)。富Mg2+和Fe2+的碱性溶液对于绿泥石的形成是十分有利的,推断凝灰质岩屑的溶蚀为自生绿泥石的形成提供了重要的物质基础。

图5 研究区齐古组凝灰质成分的赋存状态Fig. 5 Occurrence states of tuffaceous components in the Qigu Formation of study areaa—水磨沟剖面凝灰质砂岩; b—水磨沟剖面部分凝灰质黏土化; c—细-中砂岩中凝灰岩岩屑,阜东19井, 2 414.1 m; d—中砂岩中充填于刚性颗粒破裂缝中的凝灰质,北38井, 1 837.7 m; e—细中砂岩中凝灰质填隙粒间孔, 阜东18井, 1 925.5 m; f—中砂岩中凝灰质蚀变形成绿泥石环边, 北38井, 1 837.7 ma—tuffaceous sandstone in Shuimogou profile; b—tuffaceous clay in Shuimogou profile; c—tuff debris in fine-medium grain sandstone, well FD19, 2 414.1 m; d—tuff in cracks of rigid particles in medium grain sandstone, well B38, 1 837.7 m; e—tuff in intergranular pore, fine-medium grain sandstone, well FD18, 1 925.5 m; f—loop side of chlorite formed by tuff in medium grain sandstone, well B38, 1 837.7 m

除凝灰质成分的直接溶解提供物质成分外,由凝灰质蚀变导致黏土矿物之间的转化也可以形成绿泥石(田建锋等, 2008),蒙脱石或者高岭石的绿泥石化为自生绿泥石形成的一个重要途径。随着温度的升高,蒙皂石的绿泥石化会造成某些层间塌陷,导致晶格的重新排列和碱性阳离子的吸附,首先形成蒙脱石/绿泥石混层,进而转化为绿泥石。黏土矿物的垂向上变化也可反映该种成因(图3),绿泥石含量随深度逐渐增加,蒙脱石类矿物随深度逐渐降低。同时区内部分地区出现绿/蒙混层,也反映出这种成因的存在。高岭石也会随着温度的升高而形成绿泥石(杨威等, 2013),在区内黏土矿物相对含量纵向变化中可看到(图3),绿泥石含量升高阶段,高岭石下降比较明显。具体转化为:

3.5 Fe2++3.5 Mg2++9 H2O+3 Al2Si2O5(OH)4(高岭石)=
Fe3.5Mg3.5Al6.0Si6.0O20(OH)16(绿泥石)+14 H+

镜下绿泥石占据长石溶蚀形成的粒内孔隙,而且绿泥石的形成常与长石溶蚀现象伴生(图2e、4c),在绿泥石发育的区域,长石的溶蚀也是十分明显。对齐古组砂岩储层中矿物含量进行统计,发现长石类的矿物含量同绿泥石含量呈负相关关系,反映出长石含量减小,绿泥石的含量相应增加(图6),总体揭示出自生绿泥石是长石类矿物的溶蚀产物。

图6 研究区齐古组绿泥石和长石含量随深度变化Fig. 6 Chlorite and feldspar contents versus depth in the Qigu Formation of study area

研究区齐古组储集砂岩中长石含量约为13%,以钾长石为主。除了花岗岩的风化剥蚀外,凝灰质成分一定程度的水解也会析出钾长石。砂岩储层中钾长石溶解成绿泥石的化学方程式为:

KAlSi3O8(钾长石) +0.4 Fe2++0.3 Mg2++1.4 H2O=
0.3(Fe14Mg12Al2.5)(Al0.7Si3.3)O10(OH)8(绿泥石)+
2 SiO2+0.4 H++K+

当然,这种自生绿泥石的形成需要介质流动性好,可将酸性离子带出或者使其沉淀。

在薄片中可见大量绿泥石存在于颗粒接触点之间(图2a、2c),尤其是在成岩早期形成的绿泥石,往往与河流溶解的Fe有关,它会在高盐度的情况下形成絮状沉淀,生成绿泥石。齐古组大部分是辫状河三角洲平原沉积,气候的干燥使得孔隙水的盐度增高,为绿泥石的形成提供了有效条件。

4.2 孔隙流体的酸碱度

绿泥石的四面体上,黏土表面的结构电荷Si4+被Al3+所替换,矿物晶层带有负电荷;在绿泥石的八面体上,Al3+被Fe2+所替换,也会导致矿物晶层带有负电荷(田建锋等, 2008),因此这种阳离子的不等价替换造成基面带负电,只有在表面电荷也呈负电的条件下,晶体相互排斥,绿泥石才能形成和保存。由于Al2O3水解的性质不同,只有在碱性条件下才能使黏土表面电荷呈负电(田建锋等, 2008)。总体来说,碱性环境有利于绿泥石的形成和保存。

蒋艳霞等(2015)对研究区齐古组成岩作用进行分析,发现储集砂体中绿泥石和连晶状方解石共存,反映二者形成于相似流体环境。通过C、O同位素分析,发现方解石沉淀温度较高,揭示连晶状方解石同有机酸脱羧作用有关,认为有机质成熟产生的富CO2流体为方解石提供了碳源。杨威等(2013)通过模拟实验,揭示了孔隙流体pH值同温度之间的关系,反映出随着温度的增长,孔隙中的流体pH值也会增大,使其变为碱性环境,同时这种碱性的环境会持续存在。同时酸性流体对长石等硅酸盐矿物的溶蚀所释放的碱性离子造成流体逐渐偏碱性,大量晶形较好的方解石形成侧面反映出成岩过程中碱性环境持续时间较长(蒋艳霞等, 2015),可为绿泥石的形成提供有利环境条件,这同研究区齐古组内绿泥石在纵向以及平面上广泛分布的现象是一致的。

4.3 孔隙流体的流动性

除了上述碱性的流体环境外,孔隙流体的流动性也是自生绿泥石形成的关键性因素。

通过统计不同粒度绿泥石含量,发现粗砂岩中绿泥石的含量为33.5%,中砂岩中绿泥石的含量为23.8%,细砂岩中绿泥石的含量为15.8%,而像含砾粗、中砂岩这类粒径很大的岩性以及像粉砂岩、泥质粉砂岩这类粒径较小的岩性中绿泥石的含量大部分不超过5%(图7)。可见粒径较大的砂体中,原生孔隙保存较多,孔隙流体整体流动能力较强,长石等矿物容易受到流体影响发生溶蚀,为绿泥石的形成提供了重要物质保障;而粒径较小的砂体中,原生孔隙保存较少,砂岩中凝灰质成分或长石类矿物不能充分溶蚀,不利于绿泥石的广泛发育。

图7 研究区齐古组不同粒度砂岩绿泥石(相对)含量Fig. 7 Chlorite (relative) content in sandstone with different granularity in Qigu Formation in study area

类似上述钾长石以及高岭石等矿物转化成绿泥石过程中,都伴随有相应的酸性离子H+生成,如果这些离子不断积累,不能被孔隙水带出,则孔隙流体中的pH值会慢慢发生改变,逐渐由碱性变为酸性,有利于高岭石等黏土矿物的形成。侏罗纪末期到白垩纪初期发生的燕山运动使得天山造山带以及博格达山楔状体隆升并向北挤压,造成研究区异常压力分布广泛(于景维等, 2014)。而异常压力的出现会形成封闭环境,会阻碍流体与岩体之间的接触,阻止流体中离子之间的交换,尤其是对绿泥石形成所需的Mg2+和Fe2+,酸性离子H+逐渐富集,因此绿泥石的含量随深度的增加而降低(图5)。而在较好的孔渗或者冲刷面附近,由于流体活动性不受到限制,离子之间交换要频繁得多,绿泥石的含量大大增加。

5 绿泥石对储层储集性能影响

为进一步明确绿泥石对于研究区齐古组储集性能的影响,针对临近两口井的同一产油层各项特征进行了对比(图8)。两个油层在沉积微相、碎屑含量等方面基本一致,但是在绿泥石含量上却有很大差别,而绿泥石的含量差异又造成了两口井在物性、孔喉半径以及酸敏等方面各有不同。

两口井齐古组为辫状河三角洲平原沉积环境,成岩早期自生绿泥石呈环带状胶结,赋存状态基本一致,减缓压实作用对岩石物性的破坏,保存了一部分的原生孔隙,为溶蚀流体注入提供通道。但过多的绿泥石胶结会破坏大量喉道,造成渗透率的急速下降,导致有些孔隙成为死孔(图9a、9b)。阜东16井齐古组绿泥石绝对含量为1.59%,薄片中显示颗粒之间的接触关系多为点接触,薄片面孔率较大,孔隙类型包括原生粒间孔和次生溶孔,油层的渗透率超过200 mD,孔喉的中值半径达到1.67 μm,产量较高;阜东161井绿泥石的绝对含量达到10.21%,薄片中显示颗粒之间的接触关系以线接触为主,薄片面孔率明显较低,孔隙类型以原生粒间孔为主。在埋藏较深的前提下,孔隙度值和阜东16井相差不大,但渗透率之间的差距很大,导致产能存在一定的差异。由于绿泥石发育在流体活动性较大的区域,保存的原生孔隙以及次生溶孔为成岩后期发育胶结物提供空间。受成岩后期热液充注的影响(蒋艳霞等, 2015),阜东161井成岩后期铁方解石明显高于阜东16井;同时不同含量的环边绿泥石胶结物可限制石英次生加大,通过扫描电镜的观察,发现绿泥石含量较少的阜东16井石英次生加大现象较阜东161井石英次生加大更为明显(图9c、9d),同前人的认识基本一致(杨威等, 2013)。结合前人的研究,发现辫状河三角洲平原沉积砂体连续性较差,绿泥石的发育非均质性很强(于景维等, 2017)。由于阜东161井及阜东16井主要靠近剥蚀线,因此砂体孔隙内流体流动性较强,但距离剥蚀线越远,绿泥石的发育差异就越大。

绿泥石的含量对于储集层的酸敏有很大影响。阜东161井绿泥石含量较高的储层酸敏程度为中等偏强,阜东16井绿泥石含量较低的储层酸敏程度很弱。绿泥石含量较高的储层,在开发过程中需要克服储层酸敏。根据上述分析,结合前人齐古组沉积相及储层的相关研究,认为辫状河三角洲前缘沉积有利于绿泥石的大面积发育,是下一步的勘探重点。

6 结论

(1) 研究区齐古组砂岩储层中自生绿泥石赋存状态以衬垫式为主,其次为薄膜式和充填式。绿泥石含量纵向上表现为逐渐增高,绿泥石赋存状态由薄膜式逐渐过渡为薄膜式+充填式,最终富集为衬垫式;平面上自辫状河三角洲平原向辫状河三角洲前缘,绿泥石赋存状态整体由薄膜式逐渐向衬垫式发展。

(2) 研究区绿泥石属于富铁绿泥石,砂岩储层中凝灰质岩屑的溶蚀为自生绿泥石的形成提供重要的物质基础,同时长石的溶解、黏土矿物之间的转化以及河流溶解的Fe所形成的絮状沉淀也是形成绿泥石的重要途径。碱性环境有利于绿泥石的形成和保存,异常压力由于限制孔隙内流体的流动,影响绿泥石的垂向分布。在物质供给以及碱性流体的基础上,流体的流动性也是自生绿泥石形成的重要影响因素。

(3) 富衬垫式绿泥石的辫状河三角洲前缘砂体为有利储集砂体,为下一步油气勘探的重点。绿泥石含量较高的储层,在开发过程中需要克服储层酸敏。