川西侏罗系上沙溪庙组砂岩中绿泥石的成岩耗水作用及其油气地质意义

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1、Ill川西侏罗系上沙溪庙组砂岩中绿泥石的成岩耗水作用及其油气地质意义张慧娟;时志强;安红艳;曾德勇;张华【摘 要】通过对川西坳陷中侏罗统上沙溪庙组砂岩储层样品的普通薄片和铸体薄 片观察分析,讨论了砂岩中绿泥石环边胶结物的特征、形成期次以及油气地质意义.研究表明，富SiO2的孔隙流体对初期形成的绿泥石环边胶结物产生溶蚀作用如果 孔隙流体性质呈现适合石英胶结物形成时,当流体渗透过绿泥石环边到达石英碎屑 颗粒表面,由于对绿泥石环边的溶蚀作用使得流体中SiO2浓度降低,则不足以形成 石英胶结物，从而保护了孔隙空间不被充填.在成岩过程中矿物蚀变成绿泥石发生的 成岩耗水作用使得地层水减少,地层压力降低,与

2、围岩形成压力差,有利于油气运移 和富集.期刊名称】四川地质学报年(卷),期】2010(030)004【总页数】5页(P431-435) 【关键词】 绿泥石;环边胶结物;上沙溪庙组;川西【作 者】 张慧娟;时志强;安红艳;曾德勇;张华【作者单位】 成都理工大学沉积地质研究院,成都,610059;成都理工大学沉积地质 研究院,成都,610059;成都理工大学沉积地质研究院,成都,610059;成都理工大学沉 积地质研究院,成都,610059;成都理工大学沉积地质研究院,成都,610059正文语种】 中 文【中图分类】P618.130绿泥石对深埋藏砂岩储层质量的影响是众所周知的，在多数储层中常见绿泥

3、石胶结 物以颗粒环边的形式产出。许多学者的研究表明绿泥石在砂岩的早成岩作用过程中 抑制了石英的次生加大，对深埋藏储层异常高的粒间孔隙保存具有决定性的作用 1-5。但也有部分学者认为，绿泥石环边的存在降低了原生孔隙度，堵塞孔隙喉 道，导致了储层渗透率大幅度降低6-8。深埋藏砂岩中孔隙的保存与绿泥石的发 育肯定有一定关系，但对孔隙保存的机制至今仍存在着争论，对油气运移和聚集过 程的影响还鲜有研究涉及。通常人们认为绿泥石是在早成岩阶段形成的2、9-12，并且孤立的存在于碎屑颗 粒的表面,与孔隙水存在着必要联系，从而防止了自生石英发生结晶。由此也提出 了许多关于绿泥石砂岩中很少或几乎没有石英次生加大现

4、象的的假设：由于压溶 作用很弱以致没有产生石英的次生加大(Pittman E.D. & Lumsden D.N. 1968 )。绿泥石包膜的存在使得石英碎屑颗粒表面与孔隙水分离，抑制了石英的生长，所以次生石英是不可能形成的2、4、13。研究中，我们通过对川西坳陷侏罗系上 沙溪庙组砂岩样品的研究分析，以及砂岩在形成绿泥石的过程中发生化学反应的研 究，并且利用化学方程式计算出绿泥石在形成过程中的耗水作用，从而进一步说明 绿泥石环边胶结物对储层孔隙保存的机制以及对油气运移聚集过程的制约机制。1 地质背景图1 川西地区上沙溪庙组沉积相及取心井分布位置图 位于上扬子地块西北边缘的川西前陆盆地，外貌近似菱

5、形，构造上其西以龙门山冲 断推覆带为界，东以龙泉山构造带为界，南起峨眉一荥经，北至米仓山-大巴山冲 断推覆带15。川西龙门山前缘侏罗纪沉积物颜色由下侏罗统总体为暗色组合向中 侏罗统的紫色和棕红色组合剧变16。主要研究对象为川西地区中侏罗统上沙溪庙 组(J2s )储层砂岩，其与上覆的上侏罗统遂宁组和下伏中侏罗统下沙溪庙组均整 合接触，J2s总体由十余个较大的砂泥岩韵律组成，底部砂岩俗称“嘉祥寨砂岩” 厚度数米至数十米，延伸稳定，分布范围广，是主要的产气层段之一。J2s厚 400-2 000m，在整个四川盆地明显呈由北东向西和向南厚度变薄、粒度由粗变 细的趋势，在北西一南东向剖面上呈两侧薄中间厚的

6、透镜状17。总体上由北东向 西南显示了由滨浅湖向三角洲相和河流相沉积连续过渡变浅的演化特点。J2s四川盆地西部主体以发育河流相、洪泛平原相、间夹湖泊相和三角洲相的砂、 泥岩互层组合为主，在龙门山前缘主要为河流-冲积扇沉积相沉积(图1 ) ，岩石 粒度较粗，砂岩夹层较多。广元地区则以三角洲相沉积为主，而到邛崃火井由J2s 底部河流相沉积向上演化为三角洲相沉积18。近年来在川西J2s砂岩储层中发现 了多个气田，勘探成效显著，充分显示了其广阔的天然气勘探前景。2 储层岩石学特征2.1 储层岩石总体特征通过钻井岩心的大量普通薄片、铸体薄片的镜下分析表明，川西地区J2s砂岩主要 为细-中粒长石岩屑砂岩和

7、岩屑长石砂岩，次为长石石英砂岩。碎屑颗粒中石英 (Q) 41%64%，长石(F) 9%33%，岩屑(R) 15%41%。长石颗粒主要为钾长 石和斜长石，多数颗粒表面不干净，发生了不同程度的高岭石化、绿泥石化现象。 也有一部分长石被溶蚀，形成粒内溶孔。岩石中还见大量局部富集的黑云母碎屑， 呈半定向排列，且多数的黑云母已绿泥石化。且碎屑颗粒有一部分是粘土岩屑，压 实后常呈假杂基产出。胶结物主要为绿泥石、方解石，其中方解石约 1%-12%，绿泥石约 1%-11%。 各岩心中砂岩岩石组分存在一定的差别，但它们也存在一些共同的特征：研究区内 砂岩中粘土较多，陆源碎屑呈次棱角状，分选、磨圆度中等较差，岩石

8、结构成 熟度较低。岩石中石英颗粒次生加大现象不多见；绿泥石则多数以颗粒环边的形式 产出。研究区砂岩储集空间主要为孔隙，只有少部分岩石中可见裂缝。原生粒间孔隙在经 历了机械压实、石英的次生加大、自生绿泥石环边以及其它胶结物的作用后保存了 剩余粒间孔隙。次生的溶蚀孔隙可见粒间溶孔和粒内溶孔两种，粒间溶孔大部分是 在原始孔隙被充填后剩余的孔隙的基础上发育而成的，粒内溶孔则主要是长石颗粒 被溶蚀形成的，在岩石中存在较多。2.2 绿泥石环边胶结物的特征图2川西地区上沙溪庙组砂岩中绿泥石胶结物特征（a）绿泥石环边不依赖于碎屑颗 粒的大小而沉淀（wx3井，埋深2464.70m，对角线长：1.73mm，-）

9、； （b）绿泥石 环边不依赖于碎屑颗粒的成分而沉淀（wx3井，埋深2464.70m，对角线长： 1.73mm，-） ； （c）长石颗粒溶蚀后留下的绿泥石环边（ds2井，埋深2445.23m， 对角线长：0.86mm，-） ； （d）碎屑颗粒边缘被溶蚀但绿泥石环边保存完好（wx3井， 埋深2464.70m，对角线长： 目前许多学者研究了不同地区的绿泥石环边胶结物特征，田建锋等（2008）通过 对砂岩中自生绿泥石的研究，提出了在不同成岩期形成的自生绿泥石具有不同的特 征，沉积期和早成岩A期形成者常呈颗粒包膜，主要受沉积环境控制，早成岩B 期到晚成岩A期主要呈孔隙衬里，主要受砂岩中富含铁、镁的岩屑和

10、黑云母等控 制，而晚成岩B期-晚成岩C期形成的呈孔隙充填式，主要受外来流体的渗流特征 控制。刘金库等2对川中-川南过渡带包界地区须家河组储层砂岩中绿泥石的研究 表明：绿泥石呈叶片状垂直颗粒生长，具有层薄、等厚且致密连续的特点，大小一 般在35p m,形成时间较早，在沉积物被完全压实之前以及在溶蚀作用之前形 成的，并且通过孔隙水的沉淀作用形成了从边缘到孔隙中心的第二世代、第三世代 的绿泥石胶结物。李弘等4也提出了在鄂尔多斯盆地M油田延长组2段储层砂岩 中靠近碎屑颗粒的早期绿泥石较为富铁，自形程度较低，靠近孔隙边缘的绿泥石含 铁量相对较低，自形程度较高，表明了是在同生成岩阶段陆源绿泥石环边沉淀后，

11、 在埋藏成岩阶段继续生长而形成的。通过对川西地区不同取心井 J2s 砂岩样品的光学显微镜的观察分析表明，虽然样品 来自不同的取心井，但是各地砂岩中绿泥石的存在特征却都很相似，且岩石中绿泥 石含量在部分井段较高，常以以下四种方式产出：1、颗粒环边绿泥石（大量而普 遍）；口、黑云母蚀变的绿泥石（局部富集）；皿、孔隙充填的结晶程度较高的绿 泥石（较普遍）；IV、部分长石蚀变形成的绿泥石（少量）。归结起来，绿泥石呈现 以下几个特点：绿泥石环边的厚度在川西地区不同井位的上沙溪庙组砂岩中有所不 同，大多数绿泥石环边的形成不依赖于碎屑颗粒的大小以及成分（图 2a、b）， 在孔隙空间的厚度通常215pm,垂直

12、于颗粒的表面呈一种特殊的放射状排布。显微薄片观察可见绿泥石呈纤维状垂直颗粒生长，绿泥石环边内常见其包绕的空心 构造（图2c、d），这种空心构造是一些被溶蚀颗粒的的轮廓（多数为长石），说明了 这些绿泥石包膜在长石被溶蚀之前已经形成。3 油气地质意义讨论3.1 绿泥石环边对储层孔隙的保存作用分析 前人做了大量关于绿泥石环边胶结物对砂岩储层影响的研究，绿泥石环边胶结物对 原生孔隙的保护作用以及提高岩石的抗压实能力、抑制压溶作用、抑制石英次生加 大、促进溶蚀作用以及形成有利的孔喉结构2、4等方面做了探讨。刘金库等2 通过对川中-川南过渡带包界地区须家河组储层绿泥石环边胶结物对致密砂岩孔隙 的保存机制的

13、研究，提出绿泥石环边胶结物在储层遭受强烈压实作用之前已经占据 了一部分孔隙空间，它的存在增加了岩石的抗压实能力，使原生粒间孔隙得以保存 王芙蓉等14对准噶尔盆地腹部永进地区深埋侏罗系砂岩内绿泥石环边的研究提出 了：绿泥石环边使孔隙免受石英次生加大的破坏,减轻颗粒接触的紧密程度,也抑制 了一些易堵塞孔喉的自生矿物的形成,最终保存了部分原生孔隙和次生溶蚀孔隙.而 且绿泥石包膜也可以发生结晶，形成晶间孔，即使储层埋深再大,颗粒之间的孔隙也仍具连通性,并为酸性水介质流动提供了通道,有利于后期方解石溶解作用的不断 进行,进而改善储层孔隙性,为溶解作用的持续进行提供了物质交换的流体通道。李 弘等4通过对鄂

14、尔多斯盆地M油田延长组2段绿泥环边对储层孔隙度影响的研究 提出了绿泥环边主要通过抑制石英次生加大、增加颗粒抗压实强度和占有晚成岩时 期生成的碳酸盐胶结物生长空间这3个方面来保护储集岩孔隙度。3.1.1 绿泥石环边胶结物与石英胶结物的关系 多数学者研究认为绿泥石环边能有效的抑制石英胶结作用的发生，由于绿泥石环边 包裹了石英颗粒的表面，阻止了富含SiO2的孔隙流体在碎屑石英表面成核，就不 能形成自生石英晶体，防止了自生石英胶结物占据孔隙空间，从而有效的保护了岩 石的孔隙1、2、4、14。本文通过研究则认为，由于形成绿泥石需要碱性的孔隙 流体，而形成石英胶结物则需要酸性流体，当孔隙流体性质适合石英胶

15、结物形成时， 流体对绿泥石环边胶结物有溶蚀作用，从而降低了流体中SiO2浓度，当流体到达 石英碎屑颗粒表面时，则使得流体条件不足以形成石英胶结物，保护了孔隙空间不 被充填。3.1.2 绿泥石环边胶结物与颗粒压实强度的关系 绿泥石环边胶结物能增加岩石的抗岩石强度，减轻了颗粒的紧密接触程度，并且由 于绿泥石环边的存在可抑制颗粒进一步遭受压溶作用，阻止岩石的进一步致密化， 保护砂岩中部分原生孔隙的这一说法1、2、4、14被大多数的学者认同。显微镜 下观察，川西地区J2s储层砂岩中有绿泥石环边存在的碎屑其接触程度低，多以点、 线式接触，部分也有凹凸接触，但凹凸接触部位无绿泥石胶结物的形成，因此，绿 泥

16、石环边胶结物的存在维持了原始碎屑颗粒的基本格架，保护了原生孔隙。3.2 绿泥石形成过程中的成岩耗水据前人研究表明川西凹陷J2s储层属于超低孔渗和超高压地层，属非常规的超致密 储层，该层普遍具异常高压，且异常压力与地层密度无对应关系，这显然不是由于 地层欠压实作用而引起的气体压力20。所以储层异常压力的高低可衡量其含气规 模，压力越大，产能也就越高。由于该区侏罗系本身不具大量生烃能力20，因此 气源只能来自下伏上三叠统煤系烃源岩，有学者认为，来自于下伏地层的天然气沿 着各种可能的通道在浓度差的作用下气体分子不断扩散，上覆遂宁组和蓬莱镇组含 泥质成分多，是宏观区域盖层，致使天然气较多的富集在其下的

17、J2s中21。 张善文（2007）提出了在成岩过程中，矿物蚀变造成的体积变化改变储集层的孔隙 结构，矿物性质的变化必然引起储集层润湿性的变化，以及与深层次生孔隙发育带 与矿物的耗水作用紧密相关。绿泥石形成过程中亦发生“成岩耗水”21作用，其 影响储层物性并引起地层压力改变，与天然气运移和富集之间的关系密切。在研究区的样品观察中，主要发生的矿物蚀变是钾长石的高岭石化、绿泥石化，高 岭石、伊利石的绿泥石化，以及黑云母的绿泥石化，用张善文21关于耗水作用计 算方法我们将以上成岩过程发生的化学方程式以及计算结果分别如下：1）钾长石蚀变为高岭石：计算可得，每生成1000g的绿泥石需要耗水209.3g。2

18、）钾长石蚀变为绿泥石：计算可得，每生成1000g的绿泥石需要耗水1117g。3）高岭石蚀变为绿泥石：计算可得，每生成1000g的绿泥石需要耗水130.4g。4）伊利石蚀变为绿泥石计算可得，每生成1 OOOg的绿泥石需要耗水145.4g。5）黑云母蚀变为绿泥石计算可得，每生成1000g的绿泥石需要耗水21.6g。通过上述计算可以看出，在矿物颗粒蚀变成绿泥石的过程中，耗水量较大，消耗了 孔隙中存在的孔隙水，使得当时地层压力减小，与周围的其他地层产生了压力差， 创造了同期油气运移的动力条件。徐国盛等通过对川西前陆盆地天然气运移相态的 分析研究提出，侏罗系红层系氧化环境下的产物，不具备生烃能力，侏罗系

19、储层中 的天然气由下伏须家河组烃源层运移而来，上三叠统须家河组高压天然气一部分溶 于地层水中，另一部分天然气呈单相游离态。天然气的运移通道主要为构造运动产 生断层及裂缝22。刘树根等通过对川西前陆盆地侏罗系研究提出，川西侏罗系地 层中的酸性孔隙流体主要来源于地层外部，是上升而来的三叠系须家河组地层水 23。上述研究均认为川西凹陷侏罗系砂岩储层中的酸性孔隙流体以及天然气都来 源于下伏上三叠系须家河组。我们认为，当下伏地层中的酸性流体到达侏罗系砂岩 储层中，酸性流体对长石和岩屑产生溶蚀作用形成绿泥石，这一过程将大量消耗孔 隙水，使得原来由水占据的孔隙空间得以释放，地层压力降低，天然气则充填原来 孔

20、隙水占据的孔隙空间形成油气富集。由于岩石原始孔隙空间及长石、岩屑颗粒的 分布具有非均质性，在酸性孔隙流体到达砂岩储集岩过程里，绿泥石的形成以及其 造成的孔隙空间分布均呈现非均质性，这在一定程度上会使得天然气的赋存有非均 质性，故而使上沙溪庙组砂岩气藏具有岩性油气藏的特征。4 结论1）通过对川西地区不同取心井上沙溪庙组砂岩样品的光学显微镜的观察分析表明， 虽然样品来自不同的取心井，但是各地砂岩中绿泥石的存在特征却都很相似，大多 数绿泥石环边的形成不依赖于碎屑颗粒的大小以及成分，在孔隙空间的厚度通常 215pm,垂直于颗粒的表面呈一种特殊的放射状排布。2）富 SiO2 的孔隙流体对起初形成的绿泥石

21、环边胶结物产生溶蚀作用。如果孔隙 流体性质呈现适合石英胶结物形成的条件时，当流体渗透过绿泥石环边到达石英碎 屑颗粒表面，由于对绿泥石环边的溶蚀作用使得流体中SiO2浓度降低，此时石英 颗粒表面的流体条件不足以形成石英胶结物，从而保护了孔隙空间不被充填。3) 川西凹陷侏罗系上沙溪庙组砂岩储层中的酸性孔隙流体以及天然气均来源于下 伏上三叠系须家河组，酸性流体对砂岩中碎屑矿物产生溶蚀形成大量自生绿泥石的 过程中，由于成岩耗水作用导致孔隙水的消耗，降低了地层压力，与周围地层产生 了压力差而有利于油气的运移、富集。【相关文献】1 朱平，黄思静,李德敏，等粘土矿物绿泥石对碎屑储集岩孔隙的保护J成都理工大学

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