致密油儲層中自生綠泥石成因及其對物性的影響
——以川中東北部沙溪廟組為例

吳家洋，呂正祥，2，卿元華，3，楊家靜，金 濤

（1.成都理工大學能源學院，成都 610059；2.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610059；3.中國石油塔里木油田分公司勘探事業部，新疆庫爾勒 836000；4.中國石油西南油氣田分公司勘探開發研究院，成都 610041）

0 引言

自生綠泥石是砂巖儲集層中重要的成巖礦物之一，其含量、產狀及其時空分布，對儲層原生孔隙的保存具有重要意義［1-2］。關于自生綠泥石與儲層物性的關系的研究始于20 世紀50 年代，Heald［3］在研究西弗吉尼亞砂巖自生礦物時，注意到圍繞碎屑顆粒或第一期次生加大石英生長的自生綠泥石環邊，并指出自生綠泥石形成與砂巖黏土雜基提供的Si，Al，Fe 有關。進入21 世紀后，致密油氣所占比例逐年升高，其中，致密砂巖儲層形成機理是熱點研究課題之一［4］。眾多學者研究表明，孔隙襯墊和包膜綠泥石對原生孔隙的保護和改造起建設性作用［5-6］，以及阻礙了碎屑顆粒與孔隙流體的接觸，有利于抑制石英和碳酸鹽礦物的膠結作用，對致密砂巖儲層的形成具有積極作用［7-8］。倪祥龍等［9］認為，柴達木盆地扎哈泉地區漸新統致密砂巖中的優質儲層形成主要得益于綠泥石環邊（包括狹義的襯包膜和襯墊）的抗壓實作用及其對碳酸鹽膠結和石英次生加大的抑制作用，但是，對于自生綠泥石的形成時期、形成機理的研究主要基于成巖現象的觀察的定性研究，缺乏定量分析的支撐。目前研究認為，顆粒包膜綠泥石形成機制包括同生期咸化水體中綠泥石的沉淀、同生期—早成巖A 期暗色礦物水化水解提供Fe，Mg 離子使蒙脫石轉化為綠泥石［10-11］；孔隙襯墊綠泥石的形成主要與早成巖A 期暗色礦物水化水解、早成巖B 期火成巖巖屑、長石等的早期溶蝕有關［12-13］；孔隙充填綠泥石的形成機制包括從富Fe，Mg 離子孔隙流體中直接沉淀、高嶺石或伊利石轉化為綠泥石［14-15］。

基于對川中東北部中侏羅統沙溪廟組大量砂巖樣品的顯微薄片、掃描電鏡的觀察，結合全巖、黏土礦物X 射線衍射、電子探針、能譜分析等多項資料，研究自生綠泥石的產出特征及其成因，分析自生綠泥石對儲集層物性的影響，以期為致密砂巖中有利儲層預測提供依據。

1 地質背景

川中地區為四川盆地中部穩定區，地層產狀平緩（傾角1°～5°），斷層不發育，整體表現為一個北西向傾斜的大斜坡［16］，研究區位于川中東北部地區（圖1）。侏羅系廣泛出露于盆地內，為大型湖泊及平原河流相沉積，總厚度1 500～4 700 m。侏羅系自下而上包括下統自流井組、涼高山組，中統沙溪廟組，上統遂寧組、蓬萊鎮組。自流井組（J1z）、涼高山組（J1l）及沙溪廟組（J2s）均是致密油勘探的目的層，涼高山組進一步劃分為涼高山組下段（涼下段，J1l1）和上段（涼上段，J1l2），沙溪廟組則進一步劃分為沙溪廟組一段（沙一段，J2s1）和二段（沙二段，J2s2）。在中侏羅統大規模湖退背景下，川中沙溪廟組（J2s）主要發育一套河流—辮狀河三角洲—湖泊沉積體系，形成了一套紫紅色泥巖、泥質粉砂巖夾砂巖組合。沙溪廟組致密油藏主要為下伏涼上段暗色泥巖生成的原油近距離運移形成，為典型的連續型致密砂巖油藏［17］。本區油氣資源豐富，截至2016 年12 月，川中沙溪廟組累計開采原油21.43 萬t［18］。

圖1 研究區位置及侏羅系地層柱狀圖Fig.1 Location of the study area and stratigraphic column of Jurassic

2 砂巖巖石學與儲集性特征

川中東北部沙一段下部主要為半深湖相泥質巖類沉積，部分地區則以灘壩相占為主，且發育平行層理；上部則以三角洲平原相沉積的砂巖為主，砂巖中發育有高角度交錯層理。砂巖類型以細粒、中粒巖屑長石砂巖、長石巖屑砂巖為主，質量分數共占91.5%（圖2），分選性中等—好，磨圓度次棱—次圓，接觸方式以點—線和線接觸為主。全巖X 射線衍射分析（表1）表明，碎屑以斜長石為主（質量分數為31%～47%，平均為38.7%），少量鉀長石（質量分數為0～17%，平均為8.7%）。X 射線衍射分析（表1）表明，黏土礦物以綠泥石為主（質量分數為56%～87%，平均為73.8%），其次為伊利石（質量分數為13%～35%，平均為23.2%），少量高嶺石、蒙脫石及混層黏土礦物。

川中東北部沙溪廟組砂巖儲層孔隙度為0.23%～9.60%，滲透率為0.000 1～35.700 0 mD，整體屬于致密—超致密儲層，但在整體致密背景下，仍然存在物性相對較好的有利儲層。這些有利儲層孔隙度為5%～6%，部分可達8%～10%，滲透率為0.1～1.0 mD，致密油的分布和產出與有利儲層發育關系密切。

圖2 沙溪廟組砂巖三角分類圖Ⅰ.石英砂巖；Ⅱ.長石石英砂巖；Ⅲ.巖屑石英砂巖；Ⅳ.長石砂巖；Ⅴ.巖屑長石砂巖；Ⅵ.長石巖屑砂巖；Ⅶ.巖屑砂巖Fig.2 Triangle diagram of sandstone classification of Shaximiao Formation

表1 川中東北部沙溪廟組砂巖全巖和黏土礦物X 射線衍射結果Table 1 X-ray diffraction results of sandstone and clay minerals of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

3 自生綠泥石的產出狀態及形成時期

3.1 產出狀態

川中東北部自生綠泥石在砂巖儲層中主要有3 種產出狀態：①顆粒包膜。以薄膜的形式垂直顆粒表面生長并包裹整個顆粒［圖3（a）］，厚度小于4 μm，在顆粒接觸處（厚度小于1 μm）會因擠壓而平行于顆粒分布；綠泥石晶體呈針狀、片狀，集合體呈蜂窩狀［6，13］。②孔隙襯墊。僅發育于顆粒接觸點之外的孔隙邊緣或顆粒包膜綠泥石上呈櫛殼狀生長，綠泥石晶體呈針狀或竹葉狀［圖3（b）］，在顆粒接觸點附近綠泥石晶形較差、襯墊厚度減小，越接近孔隙中心，晶體自形程度越好［11-12］，厚度介于4～15 μm。③孔隙充填，以自形晶（直徑3～14 μm）集合體（主要呈似玫瑰花狀）或分散單體充填于粒間內［圖3（c），（d）］，晶體生長方向和顆粒表面不具定向關系。以孔隙襯墊綠泥石分布最為普遍。

圖3 川中東北部自生綠泥石的產出狀態（a）綠泥石包膜包覆整個顆粒，X20 井，J2s1，1 606.58 m，單偏光；（b）砂巖顆粒呈線接觸，且綠泥石膜包覆的顆粒發生溶蝕，X20 井，J2s1，1 613.19 m，單偏光；（c）孔隙邊緣到中心綠泥石表現為孔隙襯墊、充填2 個世代，G27 井，J2s1，2 467.15 m，SEM；（d）粒間充填葉片狀（生長于充填石英之上）和玫瑰花狀綠泥石，J2s1，3 279.22 m，SEMFig.3 Occurrence of authigenic chlorite in NE of central Sichuan Basin in NE of central Sichuan Basin

電子探針分析表明，沙一段砂巖中自生綠泥石均為富鐵綠泥石（表2），FeO/（FeO+MgO）比值（0.72～0.78）明顯高于標準綠泥石（0.59）。晶形較差的襯墊綠泥石（綠/蒙混層黏土礦物）Fe，Mg，Al 含量低，Si 含量高；晶形良好，晶體粗大的襯墊綠泥石以及孔隙充填綠泥石Fe，Mg，Al 含量高，Si 含量低。

表2 川中東北部沙一段不同產狀自生綠泥石化學成分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 形成時期

圖4 川中東北部自生綠泥石對致密砂巖儲層物性的影響（a）綠泥石孔隙襯墊，砂巖顆粒呈點—線接觸，綠泥石膜包覆的長石、巖漿巖屑（紅色箭頭）發生強烈溶蝕形成近鑄模孔，X20 井，J2s1，1 613.69 m，單偏光；（b）綠泥石襯墊發育的砂巖殘余原生孔隙的保護，X20 井，J2s1，1 603.25 m，單偏光；（c）綠泥石孔隙襯墊（厚度為14.01 μm），X20 井，J2s1，1 603.25 m，SEM；（d）綠泥石孔隙襯墊（厚度小于5 μm），（紅色箭頭）孔隙內部充填自生石英，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

圖5 川中東北部自生綠泥石與其他成巖現象的賦存關系（a）綠泥石襯墊（紅色箭頭）發育，顆粒呈點—線接觸，原生粒間孔保存良好，X20 井，1 614.94 m，J2s1，單偏光；（b）綠泥石襯墊形成于顆粒呈點—線接觸之后，G46 井，J2s1，2 195.25 m，SEM；（c）連晶方解石形成晚于綠泥石襯墊（紅色箭頭），J1 井，J2s1，3 279.22 m，單偏光；（d）連晶濁沸石形成晚于綠泥石襯墊（紅色箭頭），X20 井，J2s1，1 613.69 m，單偏光；（e）具綠泥石（晶形差）襯墊的孔隙中充填短柱狀石英晶體，G36 井，J2s1，2 186.27 m，SEM；（f）具綠泥石襯墊的孔隙中充填不規則粒狀石英晶體，G36 井，J2s1，2 189.81 m，SEM；（g）具綠泥石襯墊的孔隙中充填短柱狀鈉長石晶體，G36 井，J2s1，2 189.81 m，SEM；（h）高嶺石、綠泥石與自生石英共生，X20 井，J1l2，1 719.16 m，SEM；Ab：鈉長石；K：高嶺石；Chl：綠泥石；Q：石英Fig.5 Relationship between authigenic chlorite and other diagenetic phenomena in NE of central Sichuan Basin

綠泥石包膜發育于顆粒未接觸階段［圖3（a），圖4（a）］，最早形成。綠泥石襯墊發育于顆粒點（或線）接觸之后［圖5（a），（b）］，充填狀綠泥石發育于外層綠泥石襯墊充填后的孔隙內，在部分樣品綠泥石襯墊與充填狀綠泥石呈現2 個世代［圖3（c）］。綠泥石襯墊發育的薄片中，粒間方解石、濁沸石充填的孔隙綠泥石孔隙襯墊發育極差或不發育［圖5（c），（d）］，說明粒間連晶方解石、濁沸石形成稍晚于綠泥石襯墊。自生石英有2 種賦存形式：一種是早期沿石英顆粒邊緣呈1 級次生加大，生長于綠泥石襯墊之上［圖5（e），圖4（b）］，說明石英次生加大邊稍晚于綠泥石襯墊；另一種自生石英充填于溶蝕孔隙中，鏡下可觀察到石英晶體充填于綠泥石襯墊環繞的粒間孔隙內并被充填綠泥石部分覆蓋［圖5（f）］，說明充填狀綠泥石晚于粒間自生石英充填。常見綠泥石襯墊環繞的長石發生溶蝕，而長石溶蝕的產物主要為高嶺石，溶孔內充填自生石英（或鈉長石）且被充填綠泥石部分覆蓋［圖5（f），（g）］，說明部分充填綠泥石晚于自生高嶺石，掃描電鏡下可見少量高嶺石、綠泥石與自生石英晶體共生［圖5（h）］。沙一段裂縫充填自生石英內流體包裹體均一溫度介于100～140 ℃；下伏涼上段烴源巖鏡質體反射率Ro一般為1.02%～1.30%，表明沙一段經歷的最晚成巖階段為中成巖A2 期。因此，結合碎屑巖成巖作用階段劃分標準［20］，可以推測不同產狀自生綠泥石的主要形成時期：①顆粒包膜綠泥石形成于同生期—早成巖A 期；②孔隙襯墊綠泥石形成于早成巖A 期；③充填綠泥石形成中成巖A2 期（圖6）。

圖6 川中東北部沙溪廟組成巖演化序列圖Fig.6 Diagenetic evolution sequence of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

4 自生綠泥石的形成機制

自生綠泥石的形成受多種因素控制，其中沉積環境和物源條件是2 個重要的因素［9］。本區自生綠泥石形成所必需的鐵、鎂，可能的來源主要有3 種：①沙一段砂巖富含酸性巖漿巖巖屑（質量分數平均為4.4%）以及黑云母（質量分數平均為4.9%；FeO質量分數大于16%）（表3），其水化水解以及溶蝕均可以析出較多Fe，Mg 離子。②沙一段泥巖富含Fe，Mg（表3），黏土礦物轉化以及有機質成熟期間酸性流體對泥巖溶蝕釋放的Fe，Mg 離子可隨壓實流體進入鄰近砂巖。③沙溪廟組下部緊鄰涼高山組，川中東北部涼高山組為淺湖—半深湖沉積環境，發育大量砂、泥巖互層。在成巖過程中涼高山組上部的泥巖層遭受壓實會向沙溪廟組下部的砂巖層中釋放層間吸附的Fe，Mg 離子，從而可為自生綠泥石在成巖過程中生長提供充足的鐵、鎂來源。因此，綠泥石的形成具有豐富的物質來源。

表3 川中東北部沙一段砂巖中于綠泥石形成有關的巖石的化學成分Table 3 Chemical composition of rocks associated with chlorite of the first member of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

川中東北部中侏羅統為中等干熱氣候，沉積水體為咸化淡水［16］。顆粒包膜和早期襯墊綠泥石具有如下2 種形成機制：①在同生期—早成巖A 期，沙一段砂巖中大量的斜長石、巖漿巖巖屑和黑云母等強烈水化水解，析出Na+，Ca2+，Mg2+，Fe2+等離子，使孔隙流體礦化度提高并向堿性轉變，且碎屑顆粒主要呈“飄浮狀”或點狀接觸［參見圖5（a），（b），圖4（d）］，從而圍繞碎屑顆粒沉淀形成綠泥石膜殼綠泥石［圖4（a）］。②由河流搬運入湖的蒙脫石圍繞碎屑顆粒沉淀形成蒙脫石包膜，受到上述富含Fe2+，Mg2+流體的影響，在堿性成巖環境下，直接轉化成綠泥石［12，15］。其反應式如下：Ca0.1Na0.2Fe1.1MgAlSi3.6O10（OH）2（蒙脫石）+1.5 Fe2++1.2 Mg2++1.4 Al3++7.6 H2O=Fe3.5Mg3.5Al6Si6O20（OH）10（綠 泥 石）+0.1 Ca2++0.2 Na++0.8 SiO2+9.2 H+，可知綠泥石的形成過程中伴隨著自生石英的產生，但是，同生期—早成巖A 期溫度、壓力低，Fe，Mg 離子水化作用強烈而難以進入礦物晶格［21］，因此，形成的綠泥石晶形較差［參見圖5（e）］且Fe，Mg 含量低（參見表2）。

早成巖A期，隨著溫度、壓力的升高，Fe，Mg離子水化作用持續進行，以及鄰近泥巖層蒙脫石向伊利石轉化形成伊蒙混層黏土礦物或伊利石，析出Fe，Mg，Si 等離子均有利于綠泥石的形成。該階段砂巖孔滲性相對較高，物質來源充足，溫度、壓力高，綠泥石晶形完整且發育充分，因此，綠泥石襯墊晶形發育好、厚度大［參見圖3（c）］。早成巖B 期—中成巖A1 期油氣充注帶來的大量有機酸、碳酸對長石、巖漿巖巖屑和黑云母等進行溶蝕，綠泥石襯墊包覆的長石（或巖屑）溶蝕而綠泥石襯墊未溶蝕［圖5（a），（d）］，表明該階段綠泥石襯墊穩定存在，故其形成時期早于早成巖B 期—中成巖A1 期，為早成巖A 期的產物。

中成巖A2 期，有機酸大規模脫羧以及前期硅酸鹽礦物溶蝕對H+的消耗，孔隙流體由偏酸性逐漸轉為堿性，從而在孔隙中充填葉片狀和似玫瑰花狀綠泥石，其物質來源、形成機理與孔隙襯墊綠泥石相似［14］。沙一段砂巖缺失高嶺石，伊利石含量與綠泥石含量呈顯著負相關（圖7），以及掃描電鏡下見高嶺石（或伊利石）向綠泥石轉化的現象［參見圖5（h）］，其反應方程式如下：3.5 Fe2++3.5 Mg2++3 A12Si2O3（OH）4（高嶺石）+9 H2O=Fe4Mg4Al16Si6O20（OH）16（綠泥石）+14 H+，表明在中成巖A2 期較高的溫度（＞110℃）和壓力條件下，高嶺石、伊利石在富Fe，Mg 流體中向綠泥石的轉化［14］也是充填狀綠泥石的形成機制。由于前期壓實作用，溶蝕作用和黏土礦物轉化持續進行，至中成巖A2 期，Fe，Mg 來源明顯減少；砂巖、泥巖的孔滲性已變得相當低，物質傳輸非常緩慢［25］，因此，充填狀綠泥石極少發育。

圖7 川中東北部沙溪廟組自生綠泥石與伊利石含量的關系（注：數據見表1，去掉一個異常點）Fig.7 Relationship between authigenic chlorite and illite of Shaximiao Formation in NE of central Sichuan Basin

5 自生綠泥石對致密砂巖儲層物性的影響

自生綠泥石對儲層物性具有雙重影響，消極影響表現為堵塞孔隙和喉道，損害儲層物性［12］；多數學者認為孔隙襯墊綠泥石主要產生積極影響，孔隙襯墊綠泥石與孔隙度之間呈顯著正相關（R=0.68）（圖8）也證實了這種觀點。

圖8 川中東北部沙溪廟組孔隙度與自生綠泥石含量的關系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

孔隙襯墊綠泥石發育的砂巖中，顆粒以點接觸和點—線接觸為主［圖4（b），（d）］，壓實作用較弱，顆粒變形小，具有較低的顆粒接觸強度，原生粒間孔隙和喉道保存較好，而在不發育孔隙襯墊綠泥石的砂巖，顆粒之間常表現為凹凸接觸，甚至縫合線接觸，殘余原生孔隙和喉道發育差，可見孔隙襯墊綠泥石的發育對原生孔隙和喉道的保存具有積極影響。薄片觀察表明殘余原生粒間孔發育的砂巖中多數具有綠泥石孔隙襯墊［圖4（a），（b），圖4（b），（c）］，因此，綠泥石襯墊可以有效提高砂巖的抗壓強度，阻止殘余粒間孔被其他物質進一步充填、膠結，有利于孔隙和喉道的保存［26-27］。

5.2 抑制石英次生加大

大部分沉積盆地中硅質膠結物形成于60～139 ℃的成巖溫度條件下，即從成巖早期到成巖晚期都可以發生［28］。自生綠泥石形成早于自生石英或石英次生加大時，可抑制自生石英或石英次生加大的發育［13］。目前，自生綠泥石對自生石英起抑制作用主要有以下幾種觀點：①早期形成的孔隙襯墊綠泥石抑制了石英的壓溶作用［29］；②自生綠泥石占據了自生石英的生長空間［30］；③自生綠泥石阻止了自生石英在碎屑石英的表面成核［31］；④自生綠泥石通過占據石英結晶基底并保持流體的堿性條件來共同抑制石英加大［32］。

研究區沙溪廟組次生加大石英主要發育于不具有綠泥石襯墊或綠泥石襯墊薄（＜5 μm）的砂巖中［參見圖4（b）］，綠泥石環邊厚度大（＞7 μm）的砂巖中次生加大以及充填狀石英均不發育［參見圖4（c）］。中成巖階段硅酸鹽礦物溶蝕、黏土礦物轉化均會析出大量SiO2，Na+，Ca2+等，由于綠泥石環邊對石英（或長石）次生加大石英成核作用的抑制以及占據部分孔隙，石英（或長石）以充填形式原地沉淀或運移至別處沉淀并占據儲集空間，因此，適當厚度（＞7 μm）的綠泥石襯墊可以有效抑制石英次生加大（或充填）對喉道和孔隙的破壞。

5.3 促進溶蝕作用

研究區沙溪廟組致密砂巖儲層里的粒內溶孔和粒間溶孔主要是由酸性流體（涼高山組有機質進入成熟階段產生大量有機酸）對長石、巖屑以及碳酸鹽膠結物等酸易容物質進行溶蝕產生的，而孔隙襯墊綠泥石發育儲層的喉道發育良好，保留了原始孔隙，為下伏涼高山組酸性流體的流動提供了通道，促進后期的溶解作用，改善儲層孔隙性［參見圖5（a），（d）］。據薄片鑒定和掃描電鏡觀察，孔隙襯墊綠泥石常與粒間溶孔、粒內溶孔或鑄模孔伴生［參見圖3（a），圖4（a）］。可見，孔隙襯墊綠泥石的發育有利于儲層原生孔的保存，使孔隙水能夠與圍巖顆粒發生進一步的反應，保證后期溶蝕作用的進行。

6 結論

（1）川中東北部沙溪廟組自生綠泥石以孔隙襯墊的形式產出為主，少量綠泥石呈包膜和充填狀產出。孔隙包膜綠泥石形成于同生期—早成巖A 期；孔隙襯墊綠泥石形成于早成巖A 期；充填綠泥石形成中成巖A2 期。

（2）川中東北部沙溪廟組自生綠泥石形成機制有3 種：在同生期—早成巖A 期，富含鐵（鎂）等礦物強烈水化水解，使孔隙流體礦化度提高，沉淀綠泥石及早期蒙脫石在堿性成巖環境下直接轉化成綠泥石；早成巖A 期，下伏涼高山組泥巖中蒙脫石向伊利石轉化，為沙一段綠泥石的形成提供了充足的Fe，Mg 離子；中成巖A2 期，有機酸大規模脫羧以及前期硅酸鹽礦物溶蝕，使孔隙流體轉變為堿性，從而在孔隙中充填葉片狀和似玫瑰花狀綠泥石以及在較高的溫度和壓力條件下，高嶺石、伊利石在富Fe，Mg 的流體中向綠泥石的轉化。

（3）川中東北部沙溪廟組自生綠泥石對儲層的影響表現在：早期形成的綠泥石襯墊能在一定程度上抵抗壓實作用，有利于孔隙和喉道的保存；適當厚度（＞7 μm）的綠泥石襯墊可以有效抑制石英次生加大（或充填）對孔喉的破壞；保存完好的孔喉可以為酸性水介質流動提供通道，促進后期的溶解作用的進行，改善儲層物性。