準噶爾盆地阜北地區頭屯河組砂巖自生綠泥石特征

劉亞鵬, 文華國, 黃建良, 蔣　歡,徐文禮, 李　云, 于景維, 王　濤

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059;2.克拉瑪依紅山油田有限責任公司,新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院,新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區,新疆 克拉瑪依 834000)

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準噶爾盆地阜北地區頭屯河組砂巖自生綠泥石特征

劉亞鵬1, 文華國1, 黃建良2, 蔣歡3,徐文禮1, 李云1, 于景維4, 王濤1

(1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059;2.克拉瑪依紅山油田有限責任公司,新疆 克拉瑪依 834000；3.中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院,新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油大學(北京)克拉瑪依校區,新疆 克拉瑪依 834000)

自生綠泥石是砂巖儲層中常見的成巖礦物。為了完善碎屑巖儲層黏土礦物研究成果，并對準噶爾盆地阜北地區侏羅系頭屯河組油氣勘探提供地質依據，通過巖心采樣觀察、鑄體薄片、掃描電鏡、X射線衍射、核磁共振等測試分析手段，對阜北地區頭屯河組砂巖儲層中自生綠泥石膠結物的產狀及其對儲層物性的影響進行了研究。結果表明：頭屯河組砂巖儲層常見自生綠泥石膠結，形成于早成巖階段早期，主要以孔隙襯里式膠結產出。頭屯河組自生綠泥石包膜對于提高巖石的機械強度和抗壓實能力有限，只有當自生綠泥石環邊呈連續分布且有一定厚度時，才能抑制石英的次生加大；在保留更多原生孔隙的同時，也堵塞孔喉，導致儲層滲透率降低。頭屯河組自生綠泥石薄膜厚度臨界值為8 μm，當厚度<8 μm時，隨著自生綠泥石薄膜厚度增大，對壓實作用的減緩能力越強，儲層物性越好；一旦厚度>8 μm，自生綠泥石薄膜厚度與儲層物性呈明顯負相關，不利于儲層發育。

自生綠泥石；頭屯河組；侏羅系；砂巖儲層；阜北斜坡；準噶爾盆地

自生綠泥石廣泛分布于砂巖儲層中，是砂巖儲層膠結物中常見的黏土礦物，其形成主要受早期黏土礦物的性質、物質來源、孔隙流體以及系統的開放性與封閉性等因素制約，并對儲層物性具有重要影響[1-3]。自生綠泥石黏土膜的發育對儲層物性的影響涉及到對儲層巖石的抗壓實性、抑制石英次生加大以及對儲層孔隙的充填等方面，且存在不同的研究觀點：①綠泥石環邊的形成會顯著提高巖石的抗壓實能力和機械強度，且能夠有效抑制壓溶作用的進行[1,3,4]；②綠泥石的抗壓實能力有限[5,6]；③綠泥石膜包裹于石英顆粒表面，通過隔離自生石英的顆粒表面與孔隙流體的方式，來阻止富含SiO2的孔隙流體在碎屑石英表面成核，從而抑制了石英次生加大[1,3,6]；④孔隙襯里綠泥石通過占據孔隙空間來抑制石英加大的發育[7,8]；⑤綠泥石環邊對儲層孔隙保存起積極作用[9,10]；⑥綠泥石環邊堵塞孔隙喉道，降低了儲層滲透率[11]。本文針對準噶爾盆地阜北地區侏羅系頭屯河組砂巖儲層中廣泛發育的自生綠泥石，通過薄片鑒定、電子探針、掃描電鏡等測試分析手段，對自生綠泥石的產狀、賦存形式等特征進行分析，并探討自生綠泥石對砂巖儲層儲集性能的影響，以期為該地區油氣勘探提供地質依據。

1　區域地質背景

準噶爾盆地是一個晚石炭世-第四紀沉積的復合型前陸盆地。大地構造位置上，準噶爾盆地位于西伯利亞古板塊、塔里木古板塊及哈薩克斯坦古板塊的交匯部位。研究區位于準噶爾盆地東南部的阜北斜坡區，天山北麓北段，構造整體單一；地理位置處于阜康市以東，吉木薩爾縣以西(圖1-A)，三維工區總面積約5 000 km2[12,13]。

研究區有鉆井30余口。中侏羅統頭屯河組(J2t)厚度為120～430 m，在工區內分布穩定，垂向上自下而上發育3個段。其中頭屯河組第一段(簡稱“頭一段”，J2t1)巖性主要為褐灰色、紫灰色泥巖夾薄層綠灰色泥質粉砂巖、細砂巖；頭二段(J2t2)巖性主要為褐灰色泥質粉砂巖、細-中砂巖；頭三段(J2t3)巖性主要為紫灰色細-中砂巖、泥質粉砂巖。下部第一段與部分第二段為辮狀河三角洲前緣亞相沉積，第二段上部與第三段為辮狀河三角洲平原亞相沉積，儲集微相主要為分流河道和水下分流河道。

2　樣品分析方法

測試分析樣品共計98個，取自研究區29口侏羅系頭屯河組鉆井中的新鮮巖心(圖1-B)，所有樣品以顯微鏡下的巖石學鑒定分析為依據，盡量避開雜質，以保證樣品的純度及可靠性，所做的研究包括鑄體薄片、X射線衍射、掃描電鏡及核磁共振數據。

X射線衍射黏土礦物及全巖礦物含量分析在中原油田勘探開發研究院完成，以《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X射線衍射分析方法》(SY/T5163-2010)為檢測依據，采用X衍射分析儀 Ultima Ⅳ型。

掃描電鏡分析在中原油田勘探開發研究院完 成，測試儀器：掃描電子顯微鏡JSM-5500LV、X射線能譜儀QUANTAX400。

圖1　研究區位置及取樣鉆井分布Fig.1　Geological background of the study area and the distribution of the drilling wells

核磁共振分析在中國地質大學(北京)完成，實驗所用儀器為蘇州紐邁電子科技有限公司生產的MiniMR60分析儀器；實驗中選用的主要核磁共振測量參數為：等待時間4 000 ms，回波個數10 000個，半回波時間0.1 ms，疊加次數128次。

3　巖石學特征

阜北地區頭屯河組砂巖儲層以長石巖屑砂巖為主(圖2-A、B)，少量巖屑砂巖，成分成熟度低，石英主要為巖漿巖來源，少量為變質巖來源；長石主要是鉀長石，斜長石較少；巖屑類型主要為凝灰巖、安山巖等，少量硅質巖、片巖和千枚巖等變質 巖，沉積巖碎屑少見。頭屯河組砂巖結構成熟度 較高，大多數磨圓度以次棱角-次圓、次棱角狀為主，分選中等，膠結類型主要為孔隙-壓嵌型和壓嵌型為主，粒度多為細-中粒(圖2-C、D)。通過鑄體薄片鑒定和掃描電鏡觀察，膠結物類型主要為自生黏土礦物、長石次生加大、自生長石晶體、硬石膏、方解石等(表1,表2,圖2-C、D)。

4　結果及討論

4.1綠泥石膠結物的賦存特征

據X射線衍射、鑄體薄片觀察及掃描電鏡分析，阜北地區頭屯河組自生黏土礦物環邊較發育，以綠泥石環邊為主(表2)。砂巖孔隙中的綠泥石常見的賦存形式大致可以分為4類：①孔隙充填 綠泥石，綠泥石充填于孔隙中，分布不均勻，不圍繞顆粒表面生長[1,5,7]；②孔隙襯里綠泥石，即綠泥石呈放射狀沿顆粒表面垂直生長[9,14,15]；③玫瑰花狀或葉片狀綠泥石，形成時期較晚，在空間開闊處產出，結晶較好，呈規則玫瑰花瓣狀[7,16]；④絨球狀或蜂窩狀綠泥石[17,18]。

表1　頭屯河組儲層砂巖雜基及膠結物含量Table 1　Statistical table of the impurity and cement content of the reservoir in Toutunhe Formation

表2　頭屯河組砂巖中黏土礦物相對含量Table 2　Relative content of clay minerals in sandstone of Toutunhe Formation

阜北地區頭屯河組碎屑巖儲層中自生黏土礦物主要分布于碎屑顆粒表面，沿碎屑顆粒邊緣向 孔隙中心呈定向垂直生長，形成近等厚環邊狀，呈現薄膜式膠結。在掃描電鏡下，自生綠泥石呈葉片狀、絨球狀、花朵狀分布于碎屑顆粒表面(圖2-D、E、F)。其賦存狀態主要有2種：①孔隙襯里式綠泥石，是該地區最常見也是主要的綠泥石產出形式。葉片狀綠泥石在顆粒表面呈集合體定向排列垂直顆粒表面生長。在顆粒與顆粒的接觸處，綠泥石包膜較少甚至不存在，環邊綠泥石包膜常近于等厚狀分布，厚度為5～9 μm，個別可以達到10 μm(圖2-D、E)。在倍數較高的顯微鏡下觀察，可見綠泥石包膜并非僅有單層排列，靠近顆粒處綠泥石包膜較致密，厚度相對較??；向外的綠泥石晶體晶形發育好于內層，呈針狀或葉片狀垂直于顆粒向外生長，且越接近孔隙自形程度越好。②玫瑰花瓣狀綠泥石(圖2-F)，大多直接覆蓋于綠泥石包膜表面或顆粒表面，出現在較大的孔隙中，自形程度好，但在研究區產出較少。

圖2　頭屯河組砂巖巖石學特征Fig.2　Petrological characteristics of sandstone in Toutunhe Formation(A,B)長石巖屑砂巖; (C)砂巖,以次棱角-次圓、次棱角狀為主，分選性中等，黃色箭頭所指為長石，空心箭頭為石英,藍色鑄體薄片，單偏光; (D)膠結物類型主要為綠泥石環邊，綠泥石呈薄膜結構附著于粒表，砂巖壓實現象明顯(黃色箭頭),藍色鑄體薄片，單偏光; (E)掃面電鏡下的玫瑰花瓣狀綠泥石(黃色箭頭); (F)葉片狀綠泥石(黃色箭頭)附著于次生石英晶體表面(黃色空心箭頭)， 粒間孔隙轉化為晶間孔隙; (G)綠泥石充填于粒間孔隙中(箭頭所示)， 綠泥石集合體中夾雜次生鈉長石晶體(黃色空心箭頭)

4.2自生綠泥石的形成時間

通過對阜北地區頭屯河組砂巖鑄體薄片和掃描電鏡觀察，可利用顆粒與綠泥石膠結物之間的空間關系來確定自生綠泥石大致的形成時間。通過研究發現：①發育綠泥石環邊的砂巖主要以點接觸和線接觸為主，塑性顆粒已發生彎曲變形，表明機械壓實作用已使沉積顆粒進入接觸階段(圖2-C、D)。②在部分顆粒接觸處沒有自生黏土礦物包膜，因此自生黏土礦物包膜形成的時候，已發生一定程度的機械壓實作用(圖2-C、D)。③發育自生黏土礦物包膜的砂巖顆粒接觸強度低。④發育自生黏土礦物包膜的砂巖未見深埋藏砂巖中常見的石英次生加大，而僅在掃描電鏡下見到少量自生石英晶體充填于粒間孔隙中、附著于自生黏土礦物包膜之上(圖2-E)，表明自生黏土礦物包膜形成于自生石英晶體之前。綜上可推斷自生綠泥石包膜形成于早成巖階段早期。

4.3綠泥石包膜對儲層物性的影響

前已敘及，自生綠泥石對砂巖儲層質量的影響表現為提高巖石的抗壓實能力、抑制石英次生加大、抑制壓溶作用的進行和促進溶蝕作用及其對喉道的影響等。阜北地區頭屯河組自生綠泥石對砂巖儲層的影響主要表現在如下幾個方面。

a.提高巖石抗壓實能力有限

自生綠泥石環邊發育的砂巖與類似埋藏深度的其他砂巖相比，通常具有較低的顆粒接觸強度，這是自生綠泥石環邊提高儲層抗壓能力的結果[6,16,19]。研究區頭屯河組砂巖中發育有大量綠泥石包膜，砂巖中的塑性火山巖碎屑和泥質巖碎屑具有壓實變形特征；另外從薄片中可見，在顆粒呈點-線接觸的位置往往只有少量的綠泥石黏土膜存在，這種現象說明其抗壓實能力有限。綠泥石的硬度和密度均較低，而且其孔隙中充填了大量的束縛水及孔隙水，因此綠泥石包膜實際上處于塑性狀態。在壓實作用過程中，當顆粒與顆粒之間由于擠壓相互接觸時，其間的綠泥石膜容易被壓薄或擠出，反映出研究區頭屯河組綠泥石膜抗壓實能力有限，有關綠泥石包膜能夠顯著提高巖石的機械強度和抗壓實能力的觀點可能在本研究區并不適用[6]。

b.有條件地抑制自生石英生長

砂巖儲層中，石英次生加大通常使粒間孔隙度明顯減小[6,20]。通過薄片可見，研究區自生綠泥石含量較少的地區，石英次生加大現象往往較常見，次生石英晶形好，而自生綠泥石環邊發育層段石英次生加大現象少見，但仍可見大量的石英雛晶存在。大多數學者認為自生綠泥石環邊形成先于自生石英，一般發生在早成巖A期[1,9,16,21]。頭屯河組砂巖樣品薄片顯示，在發育黏土礦物顆粒包膜的砂巖儲層中，自生加大的現象往往較少。自生綠泥石晶體之間存在大量的晶間孔，并與外部孔隙流體無法完全隔絕，可見被綠泥石環邊包裹的長石顆粒依然會發生粒內溶蝕，也進一步說明溶蝕流體可以穿過綠泥石包膜(圖3-E、K)；綠泥石環邊發育的地方，雖然石英的次生加大不發育，但仍可見大量的石英雛晶存在(圖2-F)。已有研究證實，當成巖體系呈封閉—半封閉狀態，孔隙水中的SiO2不能被帶出成巖體系時，過飽和的SiO2便會沉淀下來[6,7]。由于自生綠泥石環邊的產生，阻止了自生石英膠結物在碎屑石英的表面成核，使石英的次生加大被限制在綠泥石晶體之間，自生石英只能以雛晶的形式沉淀來；而當綠泥石環邊呈不連續分布時，石英仍可以加大邊的形式出現(圖2-F)。因此，有理由相信環邊綠泥石主要是通過占據顆粒表面空間孔隙和改變微區環境來阻止自生石英在碎屑石英表面的成核，且只有當綠泥石環邊呈連續分布且有一定厚度時，才能抑制石英的次生加大[6]。

c.堵塞孔喉

Patrick等人通過對世界上來自62個科學論文中54個公開報道較詳細的自生綠泥石發育區的統計發現，其中的43個實例發育自生綠泥石環邊，且自生綠泥石環邊的存在均抑制了石英生長；但其中20個實例是綠泥石通過占據孔喉對儲層性能有一定的負面影響[22]。

對研究區頭屯河組部分樣品進行了飽和水巖心核磁共振分析，結合該樣品點綠泥石含量進行統計對比(表3)，飽和水巖心核磁共振特征顯示，綠泥石含量與孔隙度正相關性弱，與滲透率和毛管半徑呈明顯負相關，說明無論何種產狀的自生綠泥石，含量達到一定程度后越高越堵塞孔喉，從而越不利于儲層的發育(圖4)。研究區頭屯河組綠泥石包膜多以孔隙襯邊形式出現，蘭葉芳等提出，隨著砂巖中自生綠泥石含量的增加，喉道分選性變好，粗喉道的數量減少，以孔隙襯里形式存在的自生綠泥石會堵塞或減小喉道[23]。有學者研究也認為，自生綠泥石包膜的存在有利于原生孔隙的保存；但作為顆粒包膜的綠泥石在抑制石英次生加大而保留更多原生孔隙空間的同時，也占據了喉道的空間，導致儲層滲透率的降低[18,24]。

d.自生綠泥石包膜厚度變化對儲層物性影響至關重要

前人對于自生綠泥石的研究，大多針對自生 綠泥石的生長時間、形成機制、對孔隙影響機制，即便對儲層物性的影響方面也僅停留在定性評價。已有研究提出，自生黏土礦物包膜厚度一定時(>5 μm)可抑制碎屑顆粒表面次生石英的成核生長[5,6]，從而有利于儲集空間的保存。阜北地區頭屯河組自生綠泥石包膜形成于成巖作用的早期階段，并以孔隙襯邊賦存方式發育于粒間孔中，使原生粒間孔隙和喉道半徑減小，降低了儲層的孔滲性；但在一定程度上使巖石內部顆粒的支撐性加強，對壓實作用有一定減緩，保留了部分原生孔隙。那么這種孔隙襯邊賦存方式為主的自生綠泥石包膜厚度是否存在決定儲層物性好壞的臨界值呢？本文選取了研究區均勻分布于12口鉆井中的富含自生綠泥石環邊膠結物的砂巖樣品進行環邊厚度定量測量和統計(圖3、表4)，綠泥石薄膜厚度與物性及平均孔喉半徑的相關性分析(圖5)，確定自生綠泥石薄膜厚度臨界值為8 μm。當薄膜厚度<8 μm時，隨著自生綠泥石薄膜厚度越大，對壓實作用的減緩能力越強，儲層物性越好；一旦薄膜厚度>8 μm，由于嚴重堵塞孔喉，自生綠泥石薄膜厚度與儲層物性呈明顯負相關，儲層物性變差。

圖3　頭屯河組自生綠泥石環邊厚度測點示意圖Fig.3　Diagram of measuring points of authigenic chlorite rim thickness in Toutunhe Formation (A)壓實作用強烈，溶蝕孔隙常見, FB64，藍色鑄體薄片，單偏光; (B)顆粒接觸處綠泥石薄膜很少或較薄, 20個測點(紅色標記),FB67,藍色鑄體薄片，單偏光; (C)壓實作用強烈，顆粒接觸處綠泥石薄膜呈塑性被擠散, 20個測點(紅色標記),FB168，藍色鑄體薄片，單偏光; (D)壓實作用強烈，顆粒接觸處綠泥石薄膜呈塑性被擠散,20個測點(紅色標記),FB289,藍色鑄體薄片，單偏光; (E)長石溶蝕殘余，表明綠泥石包膜出現后，仍然有孔隙水流入溶蝕長石，20個測點(紅色標記)，FB175,藍色鑄體薄片，單偏光; (F)顆粒磨圓度較差，點線接觸處綠泥石較少, 20個測點(紅色標記)，FB170，藍色鑄體薄片，單偏光; (G)顆粒磨圓度較差，點線接觸處綠泥石較少,20個測點(紅色標記),FB171，藍色鑄體薄片，單偏光; (H)長石溶蝕殘余，20個測點(紅色標記)，FB174; (I)薄膜厚度不均勻,20個測點(紅色標記)，FB201，藍色鑄體薄片，單偏光; (J)顆粒磨圓度較差，點線接觸處綠泥石較少,20個測點(紅色標記)，FB305，藍色鑄體薄片，單偏光; (K)長石溶蝕殘余，表明綠泥石包膜出現后，仍然有孔隙水流入溶蝕長石,20個測點(紅色標記)， FB308, 藍色鑄體薄片， 單偏光; (L)壓實作用強烈， 顆粒接觸處綠泥石少見, 20個測點(紅色標記)，FB311，藍色鑄體薄片，單偏光

并通過 表3　頭屯河組樣品核磁共振孔滲數據及黏土礦物含量和常規孔滲數據統計Table 3　Nuclear magnetic resonance data and statistics of clay mineral content and conventional porosity and permeability data in Toutunhe Formation

圖4　頭屯河組自生綠泥石含量與孔隙度、滲透率、平均毛管半徑的相關性Fig.4Correlation of authigenic chlorite content and permeability, the average capillary radius in Toutunhe Formation

樣品號深度/m綠泥石環邊厚度/μm最小值最大值平均值測點數q/%K/10-3μm2平均孔喉半徑/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

圖5　自生綠泥石薄膜厚度與物性、平均孔喉半徑關系圖Fig.5　Correlation of authigenic chlorite film thickness and physical properties and average pore throat radius

5　結 論

a.阜北地區頭屯河組砂巖儲層常見自生綠泥石膠結，主要以孔隙襯里方式產出，其次為玫瑰花瓣狀產出。

b.頭屯河組自生綠泥石包膜對于提高巖石的機械強度和抗壓實能力有限，只有當自生綠泥石環邊呈連續分布且有一定厚度時，才能抑制石英的次生加大；在保留更多原生孔隙的同時，也堵塞孔喉，導致儲層滲透率降低。

c.確定頭屯河組自生綠泥石薄膜厚度臨界值為8 μm，當薄膜厚度<8 μm時，隨著自生綠泥石薄膜厚度增大，對壓實作用的減緩能力越強，儲層物性越好；一旦薄膜厚度>8 μm，自生綠泥石薄膜厚度與儲層物性呈明顯負相關，不利于儲層發育。

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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。

中國石油新疆油田分公司項目(2014-C4032)。

劉亞鵬(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：沉積學, E-mail:690813205@qq.com。

文華國(1979-),男,博士,教授,主要從事沉積學的教學和科研工作, E-mail:wenhuaguo@qq.com。

P578.962

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