普光气田须家河组黏土矿物及胶结物对致密砂岩储层的影响
颜其彬1，陈培元1，杨辉廷1，杨新涛1，何超红1，刘欣2
(1. 西南石油大学 资源与环境学院，四川 成都，610500；
2. 中石化中原油田分公司 勘探开发科学研究院，河南 濮阳，457001)
摘要：普光气田须家河组属于典型的特低孔、特低渗致密砂岩储层，在储层常规薄片、X线衍射、阴极发光和扫描电镜分析的基础上，研究黏土矿物和胶结物的主要类型、赋存方式及其对储集性能的影响。研究结果表明：须家河组黏土矿物主要为高岭石、伊利石与绿泥石，其中高岭石与伊利石随埋深的增加逐渐减少，而绿泥石则相反；受砂岩成熟度影响，黏土矿物绝对含量对储层物性影响不大，仅起填隙的作用，绿泥石对储层的发育具有积极性影响，且搭桥式的赋存方式对储层渗透率影响显著。须家河组储层中的胶结物主要包括泥质、碳酸盐与硅质胶结物，其中，碳酸盐胶结物纵向均有发育，硅质胶结物自上而下分布逐渐减少，碳酸盐胶结物与硅质胶结物均不利于储层的发育。
关键词：黏土矿物；胶结物；储层物性；须家河组；普光气田
中图分类号：TE122 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2014)05-1574-09
Effect of clay minerals and cements in Xujiahe formation of Puguang gasfield, Sichuan Basin on tight sandstone reservoir formation
YAN Qibin1, CHEN Peiyuan1, YANG Huiting1, YANG Xintao1, HE Chaohong1, LIU Xin2
(1. School of Resources & Environment, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
2. Exploration and Development Research Institute, Zhongyuan Oilfield Company, SINOPEC, Puyang 457001, China)
Abstract: The Upper Triassic Xujiahe Formation of the Puguang gasfield, northeastern Sichuan Basin belongs to a typical type of tight sandstone reservoir, with ultra-low porosities and permeabilities. Based on conventional thin section, X-ray diffraction, cathode luminescence and scanning electronic microscope analyses, the types, occurrence of clay minerals and cements and their influence on reservoir properties of Xujiahe Formation were studied. The result shows that the clay minerals in Xujiahe Formation mainly consist of kaolinite, chlorite and illite. The content of kaolinite and illite gradually degrades with the increase of buried depth, but the chlorite is just the opposite. The influence of clay mineral absolute content on the sandstone properties is slight on account of the sandstone maturation, only with the effect of filling. In contrast, the chlorite is beneficial to the reservoir develop, and the occurrence of pore bridging has the biggest influence on reservoir permeability. The cements mainly consist of argillaceous, carbonate and siliceous cements. Among them, the carbonate cement can be found on the vertical. The distribution of siliceous cement gradually decreases from top to base. Carbonate cement and siliceous cement are detrimental to the development of the reservoir.
Key words: clay mineral; cement; physical properties; Xujiahe Formation; Puguang gasfield
储层是储集石油天然气的空间场所和油气藏勘探开发研究的主要对象，始终是油气藏研究的核心。近年来，随着常规天然气资源的开采逐渐枯竭，开发和利用非常规天然气资源，尤其是致密砂岩天然气资源显得十分迫切[1-2]。中国的致密砂岩气藏勘探领域广阔，四川盆地、鄂尔多斯盆地、松辽断陷带等广泛分布的致密砂岩中蕴藏着丰富的天然气资源，其远景资源量达12×1012 m3，占天然气总资源量的1/5以上[3]。其中四川和鄂尔多斯盆地的致密砂岩气较为丰富[4]。目前，随着在四川盆地川中、川东北、川南以及川西南须家河组先后发现气藏，致密砂岩气藏在盆地勘探中的地位也日趋重要。研究和开发实践证明，砂岩储层除受沉积相带、成岩作用以及岩石粒度等因素影响外，黏土矿物以及胶结物的种类和产状也是导致砂岩储层低孔低渗的重要因素之一[5]。黏土矿物的数量、种类、分布以及胶结物在孔隙中的位置均对储层物性具有较强的影响和控制作用，同时也影响着油藏开发后期的生产动态[6-7]。鉴于此，本文作者以川东北普光气田须家河组为例，借助常规薄片观察、X线衍射、阴极发光以及扫描电镜，对黏土矿物种类、产状及胶结物特征进行研究，并在此基础上分析了其对储层发育的影响，为今后研究区致密砂岩储层的研究提供经验积累。
1 地质概况和须家河组储层基本特征
普光地区位于四川盆地东北部，隶属四川省达州市宣汉县、达县，构造上介于大巴山推覆带前缘褶断带与川中平缓褶皱带之间[8]。东北部紧靠铁山坡气田，东南部距渡口河约17.5 km，距罗家寨约26.5 km(图1)。普光地区自志留系沉积以来，经历了加里东、昆明、川黔、印支、燕山及喜山等多期构造运动，特别是后期燕山期、喜山期构造活动，控制了普光地区构造的形成，形成了北东向和北西向2种不同方向的构造体系[9-10]。
本区陆相沉积同四川盆地基本相似，属于四川前陆盆地的一部分，位于前缘隆起带[8]。陆相地层自上而下大致可划分为侏罗系蓬莱镇组、遂宁组、上沙溪庙组、下沙溪庙组、千佛崖组、自流井组和三叠系须家河组。其中，须家河组厚446~800 m，与下伏中三叠统雷口坡组海相碳酸盐岩呈不整合接触。根据区域地层特征可分为6个岩性段。其中，须一、须三、须五段及须六段上部主要为暗色泥岩夹煤层，须二、须四段及须六段下部主要为砂岩(图1)。区域上，须家河组岩性特征与川东北地区一致，产Pterophyllum sp.，Ptilozamites chinensis.，Dictyophyllum nathorsti.，Nilssonia sp.植物化石，纵向上存在3个沉积旋回(须 二-须一、须四-须三、须六-须五)，横向上具有自南向北、自西向东沉积厚度呈逐渐减薄趋势。
图1 研究区构造位置及须家河组地层剖面图
Fig. 1 Tectonic location of study area and stratigraphic section of Xujiahe Formation
须家河组主要发育辫状河三角洲相，进一步可划分为三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲三类亚相[11]。储层以细—中粒岩屑砂岩为主，其次为长石岩屑砂岩，岩芯物性分析结果表明，研究区须家河组储层整体上物性较差，孔喉结构为小孔-细喉型和微孔-微喉型，属典型的特低孔-特低渗储层。
2 样品与方法
共采集研究区3011-5井须家河组岩石样品66块、普陆1井须家河组样品86块、回注1井须家河组岩石样品54块(样品涉及须家河组须二段-须六段，由于须一段主要岩性致密，未进行取样)，分别用于常规薄片、扫描电镜、X线衍射以及阴极发光分析。常规薄片、扫描电镜以及X线衍射在中石化中原油田勘探开发科学研究院完成。其中，岩石薄片采用透射偏光显微镜XP-200观测。扫描电镜样品取自岩石的新鲜断面，首先将岩样破碎成小样，同时在样品的表面镀金，减少电子束对样品的损伤作用，然后采用XL30扫描电镜仪研究样品的矿物成分、结构以及孔隙特征，检测温度为20 ℃，湿度为45%。X线能谱仪943003040001，检测温度为20 ℃，湿度为45%。阴极发光在中石油辽河油田公司勘探开发研究院试验中心完成，CLB200 MK5阴极发光显微镜，检测温度为20 ℃，湿度为30%。
3 黏土矿物及胶结物类型
3.1 黏土矿物特征
样品中黏土矿物以自生黏土矿物为主，主要有伊利石、绿泥石、高岭石以及少量的伊蒙混层、绿蒙混层，观察统计伊利石、高岭石及绿泥石体积分数见表1。
高岭石集合体主要分布于须家河组须四至须六段，岩石样品中高岭石集合体分布广泛，含量最高达17%(体积分数)，作为主要黏土矿物类型产出，随着井深的增加，高岭石集合体含量呈递减趋势，其中须三段与须二段仅在个别岩石样品中可见。高岭石呈书页状集合体充填于粒间孔隙中，集合体受压实作用影响，晶体间呈镶嵌状，晶间微孔隙消失(图2(a))；受溶蚀作用影响，片状高岭石晶体边缘呈锯齿状、港湾状，随着井深的增加，高岭石溶蚀作用呈逐渐增加的趋势，高岭石晶体被强烈溶蚀，片状高岭石晶体发生卷曲，晶体边缘丝缕化(图2(a))，部分高岭石晶体转化为片丝状伊利石，片丝状伊利石集合体中仍可见部分高岭石集合体特征。
伊利石分布广泛，但含量较低，绝大多数样品中体积分数小于5%，只有个别样品中的体积分数达8%，其中，须三段仅在极个别样品中见伊利石发育，随井深增加，伊利石含量呈递减趋势。伊利石呈片丝状集合体充填于颗粒之间的粒间孔隙中，或呈薄膜结构覆盖于碎屑颗粒表面(图2(b))，片丝状伊利石交代碎屑颗粒边缘现象普遍。须六段、须五段片丝状伊利石集合体中保留部分高岭石集合体特征。须四段与须二段伊利石形态与须六、须五段片丝状伊利石不同，呈丝带状、毛发状(图2(c))，伊利石常与绿泥石混杂共同充填于颗粒之间的孔隙中或附着于颗粒表面。
绿泥石主要发育在须四段、须三段以及须二段岩石样品中，并且为该段岩石样品中的主要黏土矿物种类，其体积分数最高达15%，须六段、须五段岩石样品中基本上未观察到绿泥石。随井深的增加，绿泥石呈递增趋势，绿泥石集合体逐渐成为岩石中的主要黏土矿物类型。须三段与须二段岩石样品中绿泥石形态呈片状、叶片状集合体，表面洁净，属于自生绿泥石，常与次生石英晶体及次生钠长石晶体共生充填于颗粒之间的粒间孔隙中(图2(d))，或呈薄膜结构附着于颗粒表面，部分样品中见绿泥石交代碎屑颗粒边缘或表面(图2(d))。须四段岩石样品中绿泥石大部分由片状云母蚀变形成，仍保持片状云母的部分形态特征。
表1 须家河组黏土矿物体积分数(据镜下观察统计)
Table 1 Content of clay minerals of Xujiahe Formation
图2 须家河组黏土矿物及胶结物扫描电镜照片
Fig. 2 Scanning electron microscope images of clay minerals and cements of Xujiahe Formation
3.2 胶结物特征
研究区除发育大量的自生黏土矿物外，还发育硅质胶结物与碳酸盐类胶结物，菱铁矿晶体、黄铁矿晶体、硬石膏晶体及石盐晶体零星出现。
硅质胶结物在须家河组各段岩石中均有发育，较为普遍，包括石英次生加大、自生石英晶体和微晶硅质，石英次生加大充填了部分孔隙，见石英次生加大晶体间呈镶嵌状(图2(e))；次生石英晶体、自生石英晶体和微晶硅质均以胶结物形式产出，充填于粒间孔隙中；微晶硅质通常与片状伊利石、绿泥石及片状云母碎片混杂充填于粒间孔隙中。硅质发育使岩石胶结作用强烈结构较为致密，是岩石结构致密，孔隙少见的重要原因之一。
碳酸盐类胶结物在须家河组各段岩石样品中均有发育。其类型有：方解石晶体、铁方解石晶体、白云石晶体及铁白云石晶体，碳酸盐胶结物晶体均呈微晶结构。碳酸盐胶结物晶体充填于粒间孔隙中，胶结作用较为强烈。部分碳酸盐胶结物晶体晶形较好，见较为自形的白云石及铁白云石晶体(图2(f))，碳酸盐胶结物与碎屑颗粒间呈紧密镶嵌状接触，碳酸盐岩胶结物的出现加强了岩石的胶结作用，填充堵塞了粒间孔隙。
菱铁矿晶体、黄铁矿晶体以及硬石膏晶体仅在须家河组个别岩石样品中可见。菱铁矿呈棱角状菱形晶体，自形良好。黄铁矿呈球状集合体充填于孔隙中，或呈星点状散布与颗粒表面(图2(g))。硬石膏晶体呈细柱纤维状，附着于颗粒表面(图2(h))。
石盐晶体作为胶结物产出，在须家河组各层段均有发育。石盐晶体呈立方体状，个别岩石样品中立方体石盐晶体完整(图2(i))，大部分岩石样品中石盐晶体被部分溶解，呈骨骸状或枝状(图2(i))。石盐晶体集合体充填于粒间孔隙中或附着于颗粒表面，粒间孔隙中的石盐集合体常与绿泥石等黏土矿物混杂共同填充粒间孔隙。
4 黏土矿物及胶结物对储层的影响
4.1 黏土矿物对储层的影响
国内外的研究表明，在沉积成岩条件大致相同的情况下，黏土矿物绝对含量越高，砂岩的孔隙度和渗透率越低，储集性能越差，砂岩的黏土体积分数为1%~5%时，为储集性能较好的油气层；当黏土体积分数超过10%时，一般为储集性能较差的油气层[12]。然而，由研究区黏土矿物含量与储层物性的关系(图3)可见：两者之前不存在明显的相关性。伏万军[13]认为：黏土矿物对砂岩储集性能的影响程度与砂岩本身的成熟度有关，当砂岩的结构和成分成熟度比较低时，黏土矿物对其储集物性影响较小，而主要与岩石本身的成分和结构有关。由普陆1井86块岩石薄片观察统计其碎屑颗粒成分(表2)可知：须家河组砂岩结构较致密，成岩作用强烈，岩屑含量较高，储集层为一套成分成熟度低，结构成熟度中等的陆源碎屑岩(图4)。因此，可认为研究区砂岩自身较低的成熟度是导致黏土矿物含量不能从根本上影响储层物性的根本原因。
为了研究黏土矿物成分对储层物性的影响，分别对高岭石、伊利石以及绿泥石进行了分析。发现高岭石与伊利石与储层物性之间不具有明显的相关性，但绿泥石的含量与储层物性之间整体上表现为储层物性随绿泥石含量的增加而增大(图5)。且从整个须家河组实测物性来看(表3)，储层物性纵向变化规律与绿泥石含量纵向变化规律一致。故认为，绿泥石对研究区储层的发育具有积极的一面。
关于绿泥石对储层发育的积极性，主要是由于绿泥石环边对石英的胶结的抑制作用，导致储层的孔隙能够得到有效的保护[14-19]。一般说来，作为孔隙衬里的环边绿泥石是通过分隔孔隙水与石英颗粒的表面来阻止自生石英胶结物在碎屑石英表面成核的，从而导致在绿泥石发育的地方，很少有自生石英的生长现象[20]。自生石英产出形态多样，其中石英颗粒的次生加大是一种重要的产出形式[21]。普陆1井阴极发光显示(图6)，石英次生加大自上而下逐渐减弱，其中须六段普遍发育石英次生加大，至须二段基本不发育，而绿泥石含量自上而下逐渐增加，显示了两者之间具有明显的相关性。因此，研究区绿泥石对储层发育具有积极性的根本原因是由于绿泥石环边抑制了石英的次生加大，从而使更多的原生粒间孔隙得以保存。
图3 须家河组黏土矿物体积分数与孔隙度、渗透率关系
Fig. 3 Relationship of clay minerals content and physical properties of Xujiahe Formation
表2 普陆1井碎屑颗粒成分(据镜下观察统计)
Table 2 Statistics table of clastic particles of well Pulu1
图4 普陆1井须家河组岩石薄片显微特征
Fig. 4 Thin section microscopic characteristics of Xujiahe Formation of well Pulu1
图5 须家河组绿泥石体积分数与储层物性关系
Fig. 5 Relationship between chlorite content and reservoir physical properties of Xujiahe Formation
表3 须家河组孔隙度、渗透率纵向分布特征
Table 3 Vertical distribution of porosity and permeability of Xujiahe Formation
此外，黏土矿物的产状是影响储层物性的重要因素之一[22]。黏土矿物的产状通常可以分为分散质点式、薄膜式与搭桥式3种类型[13]。通过对比3口取芯井同一层段、孔隙度大致相同的几个岩样(表4)，可以发现储层的渗透率按照分散质点式→薄膜式→搭桥式的顺序递减，表明了搭桥式对储层渗透率的影响最大，搭桥式的分布方式在一定程度上将粒间孔进行分割成许多的微细孔隙，严重的降低了储层的渗透率。
4.2 胶结物对储层的影响
碳酸盐类胶结物和硅质胶结物是普光地区须家河组砂岩储层中仅次于泥质胶结物发育的胶结物类型，其含量和分布形式与储层的储集性能密切相关[23-24]。就碳酸盐类胶结物而言，它的出现对储层具有双重的影响：一方面使原生孔隙大幅度减少，使储层物性受到损害；另一方面可阻碍压实作用的进行，在合适的条件下发生的溶解作用可将占据的孔隙空间释放出来[25-26]。普光地区须家河组碳酸盐类胶结物种类多样，以铁方解石晶体、白云石晶体以及铁白云石晶体为主，体积分数为0~28.4%，碳酸盐组分的含量与储层物性整体上呈现明显的负相关(图7(a))，即储层孔隙度随着碳酸盐含量的增加而变小。吕成福等[27]认为碳酸盐胶结物溶解的一个必要条件是储层内部发育流体运移的通道。然而，研究区岩芯及成像测井资料显示，须家河组储层中裂缝不发育，仅局部偶见细小且极短的层内微裂缝，且也都被干沥青充填[28]，不能为酸性流体进入储层内部提供了良好的运移通道，那么就不能打破碳酸盐矿物的化学平衡。导致碳酸盐胶结物占据全部的储集空间，从而对储层物性具有极大的破坏性。
图6 普陆1井须家河组阴极发光特征
Fig. 6 Cathode luminescence feature of Xujiahe Formation of well Pulu1
表4 须家河组自生黏土矿物产状与物性关系
Table 4 Relationship between clay mineral occurrence and physical properties of Xujiahe Formation
图7 须家河组碳酸盐含量硅质胶结物含量与孔隙度关系
Fig. 7 Relationship between carbonate cement and siliceous cement and physical properties of Xujiahe Formation
研究区硅质胶结物主要以石英颗粒的加大边形式出现，是本区储层最为重要的堵塞孔隙矿物。通过对硅质胶结物含量与储集物性的关系研究发现，储层的物性随着硅质含量的增加而变小，尤其是当硅质体积分数小于12%时，两者之间具有良好的负相关关系(图7(b))，表明当硅质胶结物体积分数小于12%时，对储层的物性影响最大，是降低储层孔隙度的最主要原因。
5 结论
(1) 研究区黏土矿物主要发育高岭石、伊利石和绿泥石；胶结物以泥质胶结物为主，其次为硅质胶结物与碳酸盐类胶结物。
(2) 不同黏土矿物与胶结物纵向呈现不同的分布规律：高岭石、伊利石随井深增加呈递减趋势，绿泥石随井深增加呈递增趋势；硅质胶结物随井深增加呈递减趋势，碳酸盐胶结物在须家河组各段均有发育。
(3) 研究区岩石成分成熟度和结构成熟度较低，黏土矿物总含量不能从根本上改善储层的物性，仅仅起到填隙的作用；但绿泥石对研究区储层发育具有积极的一面，主要是由于绿泥石环边抑制了石英的次生加大，使更多的原生孔隙得以保存。黏土矿物产状对储层储集性能也有一定的影响，其中搭桥式对储层渗透率影响最大。研究区碳酸盐胶结物与硅质胶结物与储层物性呈明显的负相关性，是须家河组岩石致密的主要因素之一。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2013-05-09；修回日期：2013-08-28
基金项目：中国石油科技创新基金资助项目(2011D-5006-0105)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2012CB214803)；“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05017-001，2011ZX05049)；四川省重点建设学科项目(SZD0414)
通信作者：陈培元(1984-)，男，河南平顶山人，博士研究生，从事储层地质及开发地质研究；电话：13708191360；E-mail: swpua409@163.com
