准噶尔盆地阜北地区头屯河组砂岩自生绿泥石特征

刘亚鹏, 文华国, 黄建良, 蒋　欢,徐文礼, 李　云, 于景维, 王　涛

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.克拉玛依红山油田有限责任公司,新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油新疆油田公司实验检测研究院,新疆 克拉玛依 834000；4.中国石油大学(北京)克拉玛依校区,新疆 克拉玛依 834000)



准噶尔盆地阜北地区头屯河组砂岩自生绿泥石特征

刘亚鹏1, 文华国1, 黄建良2, 蒋欢3,徐文礼1, 李云1, 于景维4, 王涛1

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059;2.克拉玛依红山油田有限责任公司,新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油新疆油田公司实验检测研究院,新疆 克拉玛依 834000；4.中国石油大学(北京)克拉玛依校区,新疆 克拉玛依 834000)

自生绿泥石是砂岩储层中常见的成岩矿物。为了完善碎屑岩储层黏土矿物研究成果，并对准噶尔盆地阜北地区侏罗系头屯河组油气勘探提供地质依据，通过岩心采样观察、铸体薄片、扫描电镜、X射线衍射、核磁共振等测试分析手段，对阜北地区头屯河组砂岩储层中自生绿泥石胶结物的产状及其对储层物性的影响进行了研究。结果表明：头屯河组砂岩储层常见自生绿泥石胶结，形成于早成岩阶段早期，主要以孔隙衬里式胶结产出。头屯河组自生绿泥石包膜对于提高岩石的机械强度和抗压实能力有限，只有当自生绿泥石环边呈连续分布且有一定厚度时，才能抑制石英的次生加大；在保留更多原生孔隙的同时，也堵塞孔喉，导致储层渗透率降低。头屯河组自生绿泥石薄膜厚度临界值为8 μm，当厚度<8 μm时，随着自生绿泥石薄膜厚度增大，对压实作用的减缓能力越强，储层物性越好；一旦厚度>8 μm，自生绿泥石薄膜厚度与储层物性呈明显负相关，不利于储层发育。

自生绿泥石；头屯河组；侏罗系；砂岩储层；阜北斜坡；准噶尔盆地

自生绿泥石广泛分布于砂岩储层中，是砂岩储层胶结物中常见的黏土矿物，其形成主要受早期黏土矿物的性质、物质来源、孔隙流体以及系统的开放性与封闭性等因素制约，并对储层物性具有重要影响[1-3]。自生绿泥石黏土膜的发育对储层物性的影响涉及到对储层岩石的抗压实性、抑制石英次生加大以及对储层孔隙的充填等方面，且存在不同的研究观点：①绿泥石环边的形成会显著提高岩石的抗压实能力和机械强度，且能够有效抑制压溶作用的进行[1,3,4]；②绿泥石的抗压实能力有限[5,6]；③绿泥石膜包裹于石英颗粒表面，通过隔离自生石英的颗粒表面与孔隙流体的方式，来阻止富含SiO2的孔隙流体在碎屑石英表面成核，从而抑制了石英次生加大[1,3,6]；④孔隙衬里绿泥石通过占据孔隙空间来抑制石英加大的发育[7,8]；⑤绿泥石环边对储层孔隙保存起积极作用[9,10]；⑥绿泥石环边堵塞孔隙喉道，降低了储层渗透率[11]。本文针对准噶尔盆地阜北地区侏罗系头屯河组砂岩储层中广泛发育的自生绿泥石，通过薄片鉴定、电子探针、扫描电镜等测试分析手段，对自生绿泥石的产状、赋存形式等特征进行分析，并探讨自生绿泥石对砂岩储层储集性能的影响，以期为该地区油气勘探提供地质依据。

1　区域地质背景

准噶尔盆地是一个晚石炭世-第四纪沉积的复合型前陆盆地。大地构造位置上，准噶尔盆地位于西伯利亚古板块、塔里木古板块及哈萨克斯坦古板块的交汇部位。研究区位于准噶尔盆地东南部的阜北斜坡区，天山北麓北段，构造整体单一；地理位置处于阜康市以东，吉木萨尔县以西(图1-A)，三维工区总面积约5 000 km2[12,13]。

研究区有钻井30余口。中侏罗统头屯河组(J2t)厚度为120～430 m，在工区内分布稳定，垂向上自下而上发育3个段。其中头屯河组第一段(简称“头一段”，J2t1)岩性主要为褐灰色、紫灰色泥岩夹薄层绿灰色泥质粉砂岩、细砂岩；头二段(J2t2)岩性主要为褐灰色泥质粉砂岩、细-中砂岩；头三段(J2t3)岩性主要为紫灰色细-中砂岩、泥质粉砂岩。下部第一段与部分第二段为辫状河三角洲前缘亚相沉积，第二段上部与第三段为辫状河三角洲平原亚相沉积，储集微相主要为分流河道和水下分流河道。

2　样品分析方法

测试分析样品共计98个，取自研究区29口侏罗系头屯河组钻井中的新鲜岩心(图1-B)，所有样品以显微镜下的岩石学鉴定分析为依据，尽量避开杂质，以保证样品的纯度及可靠性，所做的研究包括铸体薄片、X射线衍射、扫描电镜及核磁共振数据。

X射线衍射黏土矿物及全岩矿物含量分析在中原油田勘探开发研究院完成，以《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》(SY/T5163-2010)为检测依据，采用X衍射分析仪 Ultima Ⅳ型。

扫描电镜分析在中原油田勘探开发研究院完 成，测试仪器：扫描电子显微镜JSM-5500LV、X射线能谱仪QUANTAX400。

图1　研究区位置及取样钻井分布Fig.1　Geological background of the study area and the distribution of the drilling wells

核磁共振分析在中国地质大学(北京)完成，实验所用仪器为苏州纽迈电子科技有限公司生产的MiniMR60分析仪器；实验中选用的主要核磁共振测量参数为：等待时间4 000 ms，回波个数10 000个，半回波时间0.1 ms，叠加次数128次。

3　岩石学特征

阜北地区头屯河组砂岩储层以长石岩屑砂岩为主(图2-A、B)，少量岩屑砂岩，成分成熟度低，石英主要为岩浆岩来源，少量为变质岩来源；长石主要是钾长石，斜长石较少；岩屑类型主要为凝灰岩、安山岩等，少量硅质岩、片岩和千枚岩等变质 岩，沉积岩碎屑少见。头屯河组砂岩结构成熟度 较高，大多数磨圆度以次棱角-次圆、次棱角状为主，分选中等，胶结类型主要为孔隙-压嵌型和压嵌型为主，粒度多为细-中粒(图2-C、D)。通过铸体薄片鉴定和扫描电镜观察，胶结物类型主要为自生黏土矿物、长石次生加大、自生长石晶体、硬石膏、方解石等(表1,表2,图2-C、D)。

4　结果及讨论

4.1绿泥石胶结物的赋存特征

据X射线衍射、铸体薄片观察及扫描电镜分析，阜北地区头屯河组自生黏土矿物环边较发育，以绿泥石环边为主(表2)。砂岩孔隙中的绿泥石常见的赋存形式大致可以分为4类：①孔隙充填 绿泥石，绿泥石充填于孔隙中，分布不均匀，不围绕颗粒表面生长[1,5,7]；②孔隙衬里绿泥石，即绿泥石呈放射状沿颗粒表面垂直生长[9,14,15]；③玫瑰花状或叶片状绿泥石，形成时期较晚，在空间开阔处产出，结晶较好，呈规则玫瑰花瓣状[7,16]；④绒球状或蜂窝状绿泥石[17,18]。

表1　头屯河组储层砂岩杂基及胶结物含量Table 1　Statistical table of the impurity and cement content of the reservoir in Toutunhe Formation

表2　头屯河组砂岩中黏土矿物相对含量Table 2　Relative content of clay minerals in sandstone of Toutunhe Formation

阜北地区头屯河组碎屑岩储层中自生黏土矿物主要分布于碎屑颗粒表面，沿碎屑颗粒边缘向 孔隙中心呈定向垂直生长，形成近等厚环边状，呈现薄膜式胶结。在扫描电镜下，自生绿泥石呈叶片状、绒球状、花朵状分布于碎屑颗粒表面(图2-D、E、F)。其赋存状态主要有2种：①孔隙衬里式绿泥石，是该地区最常见也是主要的绿泥石产出形式。叶片状绿泥石在颗粒表面呈集合体定向排列垂直颗粒表面生长。在颗粒与颗粒的接触处，绿泥石包膜较少甚至不存在，环边绿泥石包膜常近于等厚状分布，厚度为5～9 μm，个别可以达到10 μm(图2-D、E)。在倍数较高的显微镜下观察，可见绿泥石包膜并非仅有单层排列，靠近颗粒处绿泥石包膜较致密，厚度相对较小；向外的绿泥石晶体晶形发育好于内层，呈针状或叶片状垂直于颗粒向外生长，且越接近孔隙自形程度越好。②玫瑰花瓣状绿泥石(图2-F)，大多直接覆盖于绿泥石包膜表面或颗粒表面，出现在较大的孔隙中，自形程度好，但在研究区产出较少。

图2　头屯河组砂岩岩石学特征Fig.2　Petrological characteristics of sandstone in Toutunhe Formation(A,B)长石岩屑砂岩; (C)砂岩,以次棱角-次圆、次棱角状为主，分选性中等，黄色箭头所指为长石，空心箭头为石英,蓝色铸体薄片，单偏光; (D)胶结物类型主要为绿泥石环边，绿泥石呈薄膜结构附着于粒表，砂岩压实现象明显(黄色箭头),蓝色铸体薄片，单偏光; (E)扫面电镜下的玫瑰花瓣状绿泥石(黄色箭头); (F)叶片状绿泥石(黄色箭头)附着于次生石英晶体表面(黄色空心箭头)， 粒间孔隙转化为晶间孔隙; (G)绿泥石充填于粒间孔隙中(箭头所示)， 绿泥石集合体中夹杂次生钠长石晶体(黄色空心箭头)

4.2自生绿泥石的形成时间

通过对阜北地区头屯河组砂岩铸体薄片和扫描电镜观察，可利用颗粒与绿泥石胶结物之间的空间关系来确定自生绿泥石大致的形成时间。通过研究发现：①发育绿泥石环边的砂岩主要以点接触和线接触为主，塑性颗粒已发生弯曲变形，表明机械压实作用已使沉积颗粒进入接触阶段(图2-C、D)。②在部分颗粒接触处没有自生黏土矿物包膜，因此自生黏土矿物包膜形成的时候，已发生一定程度的机械压实作用(图2-C、D)。③发育自生黏土矿物包膜的砂岩颗粒接触强度低。④发育自生黏土矿物包膜的砂岩未见深埋藏砂岩中常见的石英次生加大，而仅在扫描电镜下见到少量自生石英晶体充填于粒间孔隙中、附着于自生黏土矿物包膜之上(图2-E)，表明自生黏土矿物包膜形成于自生石英晶体之前。综上可推断自生绿泥石包膜形成于早成岩阶段早期。

4.3绿泥石包膜对储层物性的影响

前已叙及，自生绿泥石对砂岩储层质量的影响表现为提高岩石的抗压实能力、抑制石英次生加大、抑制压溶作用的进行和促进溶蚀作用及其对喉道的影响等。阜北地区头屯河组自生绿泥石对砂岩储层的影响主要表现在如下几个方面。

a.提高岩石抗压实能力有限

自生绿泥石环边发育的砂岩与类似埋藏深度的其他砂岩相比，通常具有较低的颗粒接触强度，这是自生绿泥石环边提高储层抗压能力的结果[6,16,19]。研究区头屯河组砂岩中发育有大量绿泥石包膜，砂岩中的塑性火山岩碎屑和泥质岩碎屑具有压实变形特征；另外从薄片中可见，在颗粒呈点-线接触的位置往往只有少量的绿泥石黏土膜存在，这种现象说明其抗压实能力有限。绿泥石的硬度和密度均较低，而且其孔隙中充填了大量的束缚水及孔隙水，因此绿泥石包膜实际上处于塑性状态。在压实作用过程中，当颗粒与颗粒之间由于挤压相互接触时，其间的绿泥石膜容易被压薄或挤出，反映出研究区头屯河组绿泥石膜抗压实能力有限，有关绿泥石包膜能够显著提高岩石的机械强度和抗压实能力的观点可能在本研究区并不适用[6]。

b.有条件地抑制自生石英生长

砂岩储层中，石英次生加大通常使粒间孔隙度明显减小[6,20]。通过薄片可见，研究区自生绿泥石含量较少的地区，石英次生加大现象往往较常见，次生石英晶形好，而自生绿泥石环边发育层段石英次生加大现象少见，但仍可见大量的石英雏晶存在。大多数学者认为自生绿泥石环边形成先于自生石英，一般发生在早成岩A期[1,9,16,21]。头屯河组砂岩样品薄片显示，在发育黏土矿物颗粒包膜的砂岩储层中，自生加大的现象往往较少。自生绿泥石晶体之间存在大量的晶间孔，并与外部孔隙流体无法完全隔绝，可见被绿泥石环边包裹的长石颗粒依然会发生粒内溶蚀，也进一步说明溶蚀流体可以穿过绿泥石包膜(图3-E、K)；绿泥石环边发育的地方，虽然石英的次生加大不发育，但仍可见大量的石英雏晶存在(图2-F)。已有研究证实，当成岩体系呈封闭—半封闭状态，孔隙水中的SiO2不能被带出成岩体系时，过饱和的SiO2便会沉淀下来[6,7]。由于自生绿泥石环边的产生，阻止了自生石英胶结物在碎屑石英的表面成核，使石英的次生加大被限制在绿泥石晶体之间，自生石英只能以雏晶的形式沉淀来；而当绿泥石环边呈不连续分布时，石英仍可以加大边的形式出现(图2-F)。因此，有理由相信环边绿泥石主要是通过占据颗粒表面空间孔隙和改变微区环境来阻止自生石英在碎屑石英表面的成核，且只有当绿泥石环边呈连续分布且有一定厚度时，才能抑制石英的次生加大[6]。

c.堵塞孔喉

Patrick等人通过对世界上来自62个科学论文中54个公开报道较详细的自生绿泥石发育区的统计发现，其中的43个实例发育自生绿泥石环边，且自生绿泥石环边的存在均抑制了石英生长；但其中20个实例是绿泥石通过占据孔喉对储层性能有一定的负面影响[22]。

对研究区头屯河组部分样品进行了饱和水岩心核磁共振分析，结合该样品点绿泥石含量进行统计对比(表3)，饱和水岩心核磁共振特征显示，绿泥石含量与孔隙度正相关性弱，与渗透率和毛管半径呈明显负相关，说明无论何种产状的自生绿泥石，含量达到一定程度后越高越堵塞孔喉，从而越不利于储层的发育(图4)。研究区头屯河组绿泥石包膜多以孔隙衬边形式出现，兰叶芳等提出，随着砂岩中自生绿泥石含量的增加，喉道分选性变好，粗喉道的数量减少，以孔隙衬里形式存在的自生绿泥石会堵塞或减小喉道[23]。有学者研究也认为，自生绿泥石包膜的存在有利于原生孔隙的保存；但作为颗粒包膜的绿泥石在抑制石英次生加大而保留更多原生孔隙空间的同时，也占据了喉道的空间，导致储层渗透率的降低[18,24]。

d.自生绿泥石包膜厚度变化对储层物性影响至关重要

前人对于自生绿泥石的研究，大多针对自生 绿泥石的生长时间、形成机制、对孔隙影响机制，即便对储层物性的影响方面也仅停留在定性评价。已有研究提出，自生黏土矿物包膜厚度一定时(>5 μm)可抑制碎屑颗粒表面次生石英的成核生长[5,6]，从而有利于储集空间的保存。阜北地区头屯河组自生绿泥石包膜形成于成岩作用的早期阶段，并以孔隙衬边赋存方式发育于粒间孔中，使原生粒间孔隙和喉道半径减小，降低了储层的孔渗性；但在一定程度上使岩石内部颗粒的支撑性加强，对压实作用有一定减缓，保留了部分原生孔隙。那么这种孔隙衬边赋存方式为主的自生绿泥石包膜厚度是否存在决定储层物性好坏的临界值呢？本文选取了研究区均匀分布于12口钻井中的富含自生绿泥石环边胶结物的砂岩样品进行环边厚度定量测量和统计(图3、表4)，绿泥石薄膜厚度与物性及平均孔喉半径的相关性分析(图5)，确定自生绿泥石薄膜厚度临界值为8 μm。当薄膜厚度<8 μm时，随着自生绿泥石薄膜厚度越大，对压实作用的减缓能力越强，储层物性越好；一旦薄膜厚度>8 μm，由于严重堵塞孔喉，自生绿泥石薄膜厚度与储层物性呈明显负相关，储层物性变差。

图3　头屯河组自生绿泥石环边厚度测点示意图Fig.3　Diagram of measuring points of authigenic chlorite rim thickness in Toutunhe Formation (A)压实作用强烈，溶蚀孔隙常见, FB64，蓝色铸体薄片，单偏光; (B)颗粒接触处绿泥石薄膜很少或较薄, 20个测点(红色标记),FB67,蓝色铸体薄片，单偏光; (C)压实作用强烈，颗粒接触处绿泥石薄膜呈塑性被挤散, 20个测点(红色标记),FB168，蓝色铸体薄片，单偏光; (D)压实作用强烈，颗粒接触处绿泥石薄膜呈塑性被挤散,20个测点(红色标记),FB289,蓝色铸体薄片，单偏光; (E)长石溶蚀残余，表明绿泥石包膜出现后，仍然有孔隙水流入溶蚀长石，20个测点(红色标记)，FB175,蓝色铸体薄片，单偏光; (F)颗粒磨圆度较差，点线接触处绿泥石较少, 20个测点(红色标记)，FB170，蓝色铸体薄片，单偏光; (G)颗粒磨圆度较差，点线接触处绿泥石较少,20个测点(红色标记),FB171，蓝色铸体薄片，单偏光; (H)长石溶蚀残余，20个测点(红色标记)，FB174; (I)薄膜厚度不均匀,20个测点(红色标记)，FB201，蓝色铸体薄片，单偏光; (J)颗粒磨圆度较差，点线接触处绿泥石较少,20个测点(红色标记)，FB305，蓝色铸体薄片，单偏光; (K)长石溶蚀残余，表明绿泥石包膜出现后，仍然有孔隙水流入溶蚀长石,20个测点(红色标记)， FB308, 蓝色铸体薄片， 单偏光; (L)压实作用强烈， 颗粒接触处绿泥石少见, 20个测点(红色标记)，FB311，蓝色铸体薄片，单偏光

并通过 表3　头屯河组样品核磁共振孔渗数据及黏土矿物含量和常规孔渗数据统计Table 3　Nuclear magnetic resonance data and statistics of clay mineral content and conventional porosity and permeability data in Toutunhe Formation

图4　头屯河组自生绿泥石含量与孔隙度、渗透率、平均毛管半径的相关性Fig.4Correlation of authigenic chlorite content and permeability, the average capillary radius in Toutunhe Formation

样品号深度/m绿泥石环边厚度/μm最小值最大值平均值测点数q/%K/10-3μm2平均孔喉半径/μmFB643862.606.07.06.82014.8022.3003.00FB673863.408.010.09.02016.5021.3002.15FB1682905.558.011.08.72020.1041.3006.80FB1702905.857.011.08.82020.2050.500FB1712906.157.08.07.82020.8062.700FB1742906.587.010.08.32020.4069.3006.20FB1752906.828.011.09.52019.0043.5004.20FB2013020.785.08.06.32010.711.0262.10FB2894097.885.010.06.72011.782.6913.20FB3053274.928.011.09.62021.6348.1903.05FB3083304.266.09.07.32017.125.1103.95FB3113307.4910.010.010.02018.142.0011.52

图5　自生绿泥石薄膜厚度与物性、平均孔喉半径关系图Fig.5　Correlation of authigenic chlorite film thickness and physical properties and average pore throat radius

5　结 论

a.阜北地区头屯河组砂岩储层常见自生绿泥石胶结，主要以孔隙衬里方式产出，其次为玫瑰花瓣状产出。

b.头屯河组自生绿泥石包膜对于提高岩石的机械强度和抗压实能力有限，只有当自生绿泥石环边呈连续分布且有一定厚度时，才能抑制石英的次生加大；在保留更多原生孔隙的同时，也堵塞孔喉，导致储层渗透率降低。

c.确定头屯河组自生绿泥石薄膜厚度临界值为8 μm，当薄膜厚度<8 μm时，随着自生绿泥石薄膜厚度增大，对压实作用的减缓能力越强，储层物性越好；一旦薄膜厚度>8 μm，自生绿泥石薄膜厚度与储层物性呈明显负相关，不利于储层发育。

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Characteristics of authigenic chlorite of Toutunhe Formation in the northern region of Fubei, Junggar Basin, China

LIU Ya-peng1, WEN Hua-guo1, HUANG Jian-liang2, JIANG Huan3,XU Wen-li1, LI Yun1, YU Jing-wei4, WANG Tao1

1.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,ChengduUnverisityofTechnology,Chengdu610059,China;2.KaramayHongshanOilfieldCo.Ltd.,Karamay834000,China;3.InstituteofExperimentandDetection,XinjiangOilfieldCompanyofPetroChina,Karamay834000,China;4.ChinaUniversityofPetroleum(Beijing)KaramayCampus,Karamay834000,China

The attitude of authigenic chlorite in the sandstone reservoir of Toutunhe Formation and its effect on the physical property of reservoir is studied by application of drilling core observation, cast thin section, X-ray diffraction, scanning electron microscope (SEM) and nuclear magnetic resonance test analysis. It shows that authigenic chlorites cementation commonly occur as pore lining in the Toutunhe Formation of Junggar Basin and form in the early stage of diagenesis. Only when the rims distribute continuously with a certain thickness, can they inhibit quartz overgrowth. Though authigenic chlorites preserve more primary pores, they also block the throat as well, resulting in lower permeability of the reservoir. The study shows that the cut-off value of film thickness of authigenic chlorite is 8 μm. When film thickness is less than 8 μm, the resistance ability to compaction become stronger and the physical property of reservoir becomes better. If the film thickness of authigenic chlorite is over 8 μm, it obviously affects the development of physical property of reservoir.

authigenic chlorite; Toutunhe Formation; Jurassic; sandstone reservoir; Fubei slope; Junggar Basin

10.3969/j.issn.1671-9727.2016.04.13

1671-9727(2016)04-0487-10

2016-04-30。

中国石油新疆油田分公司项目(2014-C4032)。

刘亚鹏(1991-)，男，硕士研究生，研究方向：沉积学, E-mail:690813205@qq.com。

文华国(1979-),男,博士,教授,主要从事沉积学的教学和科研工作, E-mail:wenhuaguo@qq.com。

P578.962

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