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(2) 碎屑高岭石 陆源碎屑高岭石是在温暖 、潮湿的气候条件下 ,酸性介质不断对铝硅酸 盐矿物强烈风化淋滤而形成的 。塔里木盆地英买 701 井老第三系碎屑岩储层个别层段碎屑高 岭石含量达 27 %。陆源碎屑高岭石在搬运过程中被不断磨蚀 ,又在埋藏过程中受到挤压变 形 ,因而很少保存高岭石假六方片状的外形 ,在扫描电镜下可见碎屑高岭石呈不规则片状充填 于孔隙之中 。
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第 3 期 伏万军 :粘土矿物成因及对砂岩储集性能的影响
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石含量会增高 。
造成此时期形成的粘土矿物组合多变 ,
组合类型多样 。
三叠纪塔里木盆地进入内陆盆地发
展时期 。早三叠世时期湖泊还未全面发
育 ,山麓 、河流相沉积占主体 ,气候仍比
较干旱 。中三叠世湖泊已经很发育 ,气
候变为温暖潮湿 。晚三叠世时期水体进
一步扩大 ,出现了深湖 、半深湖沉积 ,晚
三叠世后期由于印支运动的影响 ,凹陷
关系 (图 1) 。塔里木盆地奥陶纪 —泥盆纪处于加里东运动时期 ,奥陶系以正常海相沉积为主 ,
气候温暖潮湿 ,镁碳酸盐沉积广布 ,为成岩期绿泥石的形成提供了物质基础 。盆地在晚奥陶世
抬升 ,志留系变为滨海相 - 海陆交互相沉积 ,气候由潮湿转向干旱 ;志留系与泥盆系为连续沉
积 ,泥盆纪保持了志留纪末的沉积气候特征 ;下泥盆统为海陆交互相沉积 ,中上泥盆统为陆相
砂岩储层中的碎屑粘土矿物以伊利石和高岭石为主 ,蒙脱石和绿泥石偶见 。 (1) 碎屑伊利石 塔里木盆地东河塘白垩系 、第三系 ,塔中地区侏罗系及其以上地层 ,满 加尔坳陷东部和塔中 1 井新 、老第三系中均含一定数量的碎屑伊利石 。陕甘宁盆地东部洲 4 井太原组和山西组中也含有一定数量的碎屑伊利石 。伊利石是在气温稍低的条件下 ,由长石 、 云母等铝硅酸盐矿物经风化脱钾而成 ,是地层土壤中分布最多的粘土矿物 。储层中的碎屑伊 利石多数以孔隙充填形式存在 ,少数以薄膜形式分布于颗粒表面 ,在电镜下碎屑伊利石呈碎屑 片状或弯曲片状 ,晶形不完整 ,略具定向性 。
Ξ 本文为“八五”国家科技攻关课题 (85 - 101 - 01 - 05 - 14) 及合作课题“陕甘宁盆地中 - 东部上古生界粘土矿物演化 及其对储层物性影响”的部分研究内容 。
收稿日期 :1999 年 5 月 25 日 改回日期 :1999 年 8 月 12 日
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积 (河流 →浅湖 →深湖 →浅湖) 、气候 (潮湿 →干旱) 演化的又一次旋回 ,这一旋回的建造具有独 特的粘土矿物组合 。
2 粘土矿物含量对砂岩储集性能的影响
国内外研究表明 ,在沉积 、成岩条件大致相同的情况下 ,粘土矿物含量越高 ,砂岩的孔隙 度 、渗透率越低 ,储集性能越差 ,砂岩中的粘土含量为 1 %～5 %时 ,属储集性能较好的油气层 , 当粘土含量超过 10 %时 ,则认为是较差的油气层[6] 。本文的研究表明 ,粘土矿物绝对含量对 砂岩储集性能的影响与砂岩的成熟度有关 。 2. 1 粘土矿物含量对高成熟砂岩物性的影响
(2) 埃洛石 在塔里木盆地满参 1 井泥盆系和志留系砂岩中 ,在轮南 46 井志留系粉砂岩 中 ,有管状 、丝管状埃洛石分布 。
埃洛石大量分布于土壤层中 ,这说明其形成于表生淋滤阶段 ,在温暖潮湿的气候条件下 , 酸性水介质 (pH = 4～6. 5) 不断对铝硅酸盐产生淋滤 ,Na 、K、Ca 、Fe 、Mg 等离子被带走 ,形成硅 铝富集的环境 ,最后 Al - Si 胶体晶化形成埃洛石 。
(3) 碎屑蒙脱石 陕甘宁盆地洲 4 井山西组河流三角洲沉积颗粒表面有碎屑蒙脱石分 布 。碎屑蒙脱石的分布同时受物源和气候的双重影响 ,花岗质母岩中所含辉石 、角闪石 、黑云 母等在化学风化不彻底的情况下可形成蒙脱石 。
由此可见 ,根据储层中碎屑粘土矿物的种类可以推断母岩区的气候条件及母岩性质 。 1. 2 自生粘土矿物的成因
由于燕山早期运动的影响 ,塔里木盆地在侏罗纪末期进一步抬升 ,白垩系 、第三系为干旱 气候下的湖泊 、河流相沉积 。在此条件下出现了坡缕石矿物 ,并出现碎屑伊利石和绿泥石 。
虽然砂岩中的粘土矿物主要受后期成岩环境的影响 ,但沉积建造是粘土矿物形成转化的 物质基础 。由于不同时期沉积物的成分 、孔隙水的性质和泥岩生成有机酸的能力不同 ,其成岩 期所形成的环境也不同 ,这种差异往往是粘土矿物成岩转化的决定因素 。因此 ,从某种意义上 来说 ,盆地的构造 、沉积及气候演化在宏观上控制了粘土矿物的形成和演化 。
1 砂岩中粘土矿物的成因
沉积岩中的粘土矿物按其成因可分为两类 :与陆源碎屑颗粒一起沉积的陆源碎屑粘土矿 物和在成岩过程中形成的自生粘土矿物 。研究表明 ,陆源碎屑粘土矿物的类型 、成分及分布主 要取决于古气候 、物源和沉积环境 ,而自生粘土矿物的形成主要受成岩流体酸碱度的控制 。 1. 1 陆源碎屑粘土矿物的成因
当砂岩的成熟度高时 ,砂岩的主要胶结物为钙质或自生粘土矿物 ,在这种条件下粘土矿物 绝对含量对砂岩储集性能的影响比较明显 。研究表明 ,塔里木盆地砂岩中粘土矿物绝对含量 的多少与其孔隙度和渗透率的大小一般呈负相关 ,其中 ,对渗透率的影响要比对孔隙度的影响 大得多 。例如 ,塔中 4 井 3597～3725 m 井段为东河砂岩 ,是陆源滩坝砂体 ,属前滨 - 临滨亚 相[7] 。由于波浪的反复淘洗 ,东河砂岩具有较高的成分和结构成熟度 ,砂质纯净 ,粘土矿物绝 对含量多为 3 %～5 % ,致使砂岩储层物性较好 ,平均孔隙度达 14. 35 % ,最大为 22. 53 % ;平均 渗透率为 163. 57 ×10 - 3μm2 ,最高为 952. 4 ×10 - 3μm2 ,是塔中地区重要的储集层 (表 1) 。
纪早期气候已变得温暖潮湿 ,海西运动
第二幕之后 ,海水大规模退出盆地 ,早二
叠世晚期海水全部退出盆地 ,完全变为
河湖相沉积 ,气候由潮湿变为干 →抬升) 、沉积 (海相 →陆相) 、气候 (潮
湿 →干旱) 演化的第二旋回期 。由于处
于海陆交互相沉积期 ,环境 、气候多变 ,
抬升 ,湖盆水体收缩 ,深度减小 ,但仍为
潮湿气候 ,这一景观一直延伸到早侏罗
世 ,这一时期沉积了大量的含煤地层 ,为 后期 高 岭 石 的 形 成 提 供 了 酸 性 介 质 条 件 。晚侏罗世气候变为干热 ,出现了浅 湖沉积 ,这是盆地构造 (下降 →抬升) 、沉
图 1 塔里木盆地构造沉积演化与粘土矿物组合关系 Fig. 1 Structural evolution and clay mineral assemblages of Tarim Basin
(5) 绿泥石 扫描电镜观察表明 ,绿泥石呈针叶状分布于颗粒表面 ,或与高岭石一起以充
填形式存在于孔隙之中 。研究证明 ,在 pH = 7～9 的水介质中 ,高岭石与泥岩水溶液中携带的
Fe2 + 、Mg2 + 反应可生成绿泥石 。
1. 3 塔里木盆地粘土矿物组合与盆地的演化关系
研究表明 ,塔里木盆地的粘土矿物组合与盆地的构造 、沉积演化 、气候旋回之间存在一定
沉积 ,气候转为干旱 。奥陶纪 —泥盆纪是塔里木盆地构造 、沉积 (海 →陆) 、气候 (潮湿 →干旱)
演化的第一旋回期 ,处于这一旋回期的粘土矿物具有相似的特征 ,且组合中伊利石 、绿泥石的
含量较高 。
由于海西运动第一幕的影响 ,石炭
纪初期 ,塔里木盆地又开始了一次大规
模的海侵 ,广泛发育海相沉积 。早石炭
砂岩中自生粘土矿物的形成与地层水的性质(矿化度 、离子成份 、酸碱度等) 密切相关 。在 酸性介质中形成的粘土矿物有非晶质体 、迪开石和高岭石 ;在碱性介质中形成的粘土矿物有伊 利石 、蒙脱石 、伊/ 蒙间层 、绿泥石 、绿/ 蒙间层及坡缕石 。
(1) 迪开石 在塔里木盆地满参 1 井二叠系和石炭系部分层段中发现了迪开石 。迪开石 具有重要的成岩意义 ,是一种重要的成岩温度计 。首次发现的迪开石与热液作用有关 (Dick , 1888 ,1908) ,这说明迪开石的形成温度较高 。后来不少学者发现砂岩的自生矿物中与热液作 用无明显联系的沉积岩中也有迪开石分布[1～2] 。挪威陆棚的三大沉积盆地的侏罗系储层中均 有高岭石转化为迪开石的现象 (S. N. Ehrenberg ,1993) 。Hoffaman ,Hower (1979) 认为高岭石转化 为迪开石的温度是 110～140°C , S. N. Ehrenberg (1993) 认为成岩温度达到 120°C 时 ,高岭石才 开始转化为迪开石 ,温度大于 300°C 时迪开石则会消失 ,这说明迪开石是一种很好的成岩温度 计[3～5 ] 。
第 2 卷 第 3 期 古 地 理 学 报
Vol12 No13
2000年8月
JOURNAL OF PALAEOGEOGRAPHY
Aug. 2000
Ξ
粘土矿物成因及对砂岩储集性能的影响 3
伏万军
(中国海洋石油南海西部石油公司研究院 ,广东湛江 524057)
摘 要 粘土矿物是影响砂岩储集性能的重要因素 。结合实例讨论了粘土矿物成因 、绝对含 量 、成分 、产状及晶体形态等与砂岩储集性能的关系 。研究表明 ,粘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 。当砂岩成熟度高时 ,随粘土矿物绝对含量的增加 ,其储集性能降 低 ,尤其是渗透率降低 ;但高成熟度砂岩随高岭石和充填状粘土矿物含量增高 ,物性相对变好 。当 砂岩的结构和成分成熟度比较低时 ,粘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 。研究还表明 ,不同形态的伊利石对砂岩的物性影响也不同 ,片状伊利石有利于改善 储层物性 ,而纤维状和发丝状伊利石增多会使砂岩储集物性降低或变为非储层 。