西湖凹陷中北部綠泥石對儲層發育的控制作用

席敏紅

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司，上海 200120）

西湖凹陷位于東海陸架盆地的東部坳陷，呈北北東向展布，面積約5.9×104km2。古新世至始新世中期為陸緣斷陷發展階段，始新世晚期發生斷-拗轉換，漸新世為拗陷發育階段，新近紀盆地開始發生區域沉降。較早的斷-拗轉換構造運動的發生，造成西湖凹陷的含油氣系統埋深較大。近年在凹陷中央背斜帶中北部深層（＞3 500 m）的漸新統花港組不斷獲得油氣勘探的重大突破，證實了其深部三角洲前緣儲集砂體的勘探前景。但深部儲層的非均質性、復雜性也嚴重制約了勘探效果。因此落實優質儲層發育規律及儲層非均質性的主控因素是提高勘探成功率的關鍵。

儲層發育的普遍規律是隨著埋深加大，溫度壓力上升，儲層的特性不斷變差，但勘探實踐證實在中深部地層中也存在異常高孔滲儲層。近年來通過對西湖凹陷深部儲層的大量巖心與巖石薄片觀察、掃描電鏡、X 衍射等實驗數據分析和研究，發現與研究區優質儲層形成有關的幾類成巖反應有：綠泥石膜-殘留粒間孔，高嶺石期次與溶蝕作用的關系，超壓與黏土礦物發育，熱液作用下碳酸鹽膠結等。而其中綠泥石膜在深層砂巖儲層的成巖作用過程中，抑制碎屑巖硅質膠結與壓溶作用，從而促進了深層砂巖儲層孔隙的保存，其對儲層發育的控制作用是本文討論的重點。

1 綠泥石發育的成因

1.1 沉積環境

工內區發育的綠泥石膜屬于高Fe 貧Mg 的類型[1]。通常情況下富鐵綠泥石的形成需要富含Fe 離子的堿性環境。但是海水（或湖水）中的Fe 離子的濃度并不高，有陸源輸入的沉積環境更有利于富鐵綠泥石的發育[2-3]。研究區G 與H 構造位于三角洲平原與前緣交互地帶，受陸源河流攜帶的Fe 離子及湖相堿性條件雙重影響，為偏富鐵綠泥石膜的形成提供了物質與環境基礎，適合綠泥石的發育。

1.2 沉積巖屑溶蝕

Berger 等人（2009）研究表明[4]，自生綠泥石析出產生的Fe、Mg、Si、Al 離子與火成巖巖屑、長石、黑云母的蝕變與溶解有關。對G2 井全井取心層段巖屑含量進行統計發現，在3 700～3 800 m、4 000 m附近、4 250 m 附近出現火成巖巖屑含量明顯增加，可達5%～15%（圖1），由此可見研究區有自生綠泥石生成的有利地質條件。同時，對取心段研究發現綠泥石含量曲線與巖屑含量變化趨勢相似，與重礦物穩定指數變化趨勢相反（圖2），證實巖屑溶蝕對綠泥石的形成產生一定作用[5]。

圖1 G2 井不同深度火成巖巖屑含量變化圖Fig.1 Variation of igneous cuttings content at different depths in Well G2

圖2 G2 井儲層單井對比分析柱狀圖Fig.2 Column diagram of single well comparative analysis in Well G2

1.3 超壓

在淺層開放流體環境中微斜長石溶蝕形成高嶺石，而到深層半封閉-封閉流體環境，常壓下，微斜長石轉化為伊利石，而在超壓環境下鉀長石（微斜長石）溶解反應產物都含有K+。開放流體環境下，K+被流體帶走，有利于高嶺石的形成；半封閉-封閉環境下，K+部分被帶走，有利于伊利石的形成；強封閉環境下，K+等反應產物難以移出，隨著其濃度不斷升高，阻礙鉀長石溶蝕反應的進行。需要指出的是，在超壓流體環境下，當地層溫度達到120～140 ℃，鉀長石的活性受到超壓抑制，高嶺石與多硅白云母變得活躍，有利于綠泥石的形成，綠泥石膜對儲層孔隙的保護深度范圍擴大[6]。

2 綠泥石膜對儲層孔滲的保護機理

2.1 抑制石英次生加大機理

隨著儲層埋深的加大，成巖作用越來越強烈，石英次生加大和機械壓實作用對儲層的物性起破壞作用。Paxton 等[7]通過實驗研究證實深部儲層僅1%的石英加大邊生成可導致11%的孔隙度損失，因此，中深層儲層成巖作用中，抑制石英的化學壓實進程成為關注的重點。而綠泥石黏土膜在成巖作用過程中可以抑制石英次生加大的進程，同時也一定程度地抵制了壓實作用，這一觀點已經得到國內外的廣泛認同。因此，綠泥石膜的建設性成巖作用，保存了深部儲層的原生、次生、混合成因孔隙及孔隙結構，對深部優質儲層發育起到了關鍵作用。

綠泥石對石英加大的抑制作用在不同成巖階段是不同的，研究發現在埋深較淺，溫度較低（實驗數據為＜115 ℃），綠泥石的阻礙加大了石英膠結物成核作用的動力學障礙，綠泥石膜通過抑制石英膠結物的成核作用從而抑制了硅質膠結，薄膜缺口處發育自形石英加大[8]。隨著埋深加大，溫度升高（115～164 ℃），石英膠結物克服成核作用動力學障礙，通過綠泥石晶片間縫隙貼近石英顆粒表面成核，他形石英加大快速生長充填黏土微孔隙。埋深繼續加大，溫度升高（＞164 ℃）他形石英加大繼續生長充滿綠泥石晶片間微孔隙[9-10]。但受綠泥石微孔隙邊界限制，石英加大生長受阻（圖3）。

圖3 綠泥石膜抑制石英加大機理示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanism of chlorite film inhibiting quartz enlargement

流體溫度對黏土礦物的影響較大[11]：正常流體環境下，當地層溫度達到120～140 ℃，高嶺石、鉀長石與多硅白云母變得活躍，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，導致綠泥石膜對儲層保護效果降低。因此伴隨著深度增加，成巖強度的變化，綠泥石對石英壓溶的作用將會降低。

2.2 其他機理

研究發現綠泥石膜對儲層孔滲的保護機理主要是通過抑制壓溶作用進行的。除了通過綠泥石膜形成環邊，抑制壓溶作用保護孔隙外，綠泥石黏土膜不易溶解有利于鑄?？椎男纬桑▓D4），而長石溶蝕產生的鑄?？着c粒內溶孔一般存在黏土殘邊，表明長石等碎屑顆粒完全被溶蝕。

圖4 西湖凹陷花港組綠泥石膜對儲層孔隙的保護作用圖解Fig.4 Diagram of the protective effect of chlorite film on reservoir pores of Huagang Formation in Xihu Depression

綠泥石膜對儲層孔滲的保護作用還表現在促進孔隙結構改善。統計發現研究區主要產層中綠泥石發育段的儲集空間多為溶蝕粒間孔，在實驗室中對相關儲層薄片的掃描圖片中，發現綠泥石中的Fe、Al 元素可以清晰地將綠泥石膜形態進行元素“還原”，富鐵綠泥石膜呈薄層狀，沿碎屑顆粒表面均一分布，綠泥石膜抑制了顆粒的石英加大，保護了喉道，有利于后期酸性流體溶蝕及復合溶蝕粒間孔、溶蝕孔的發育[12]。

當然，并非綠泥石含量越高儲層物性越好，通過掃描電鏡、背散射等手段方法，對綠泥石形貌觀察及成分分析發現，研究區綠泥石呈多期發育。共識別出三個期次，第一期次為準同生期混層綠泥石，多為附著于顆粒表面生長； 第二期次為成巖期綠泥石，多垂直顆粒表面生長； 第三個期次為成巖后期的玫瑰花簇狀綠泥石，一般充填了孔隙。這三個期次發育的綠泥石，對儲集空間產生了不同的影響，有別于成巖第一期的薄膜狀綠泥石對孔隙的保護作用，第二、三期的結晶片狀和玫瑰花狀綠泥石充填孔隙喉道，對儲層物性產生消極影響。

2.3 研究區綠泥石作用范圍

G1 井Ro、Tmax數據值顯示成巖階段位于中成巖A 段與B 段之間，依據砂巖中伊蒙混層中蒙脫石含量在3 900～4 000 m 之間降低至15%，進入中成巖B 段，且MDT 地溫測試顯示超過140 ℃?？梢哉J為，G1 井3 900～4 000 m 之間成巖演化進入中成巖B 段。隨著溫度的升高，伴隨著高嶺石的消失，流體溫度對黏土礦物的影響較大，正常流體環境下，當地層溫度達到120～140 ℃，高嶺石、鉀長石與多硅白云母變得活躍，有利于伊利石的形成，孔喉部分堵塞，導致綠泥石膜對儲層保護效果降低。同時綠泥石部分向簇狀轉化，石英加大隨之增強，物性開始下降。

對研究區幾口鉆井高嶺石含量變化與物性關系進行垂向對比，探討綠泥石作用效率隨深度的變化。以G3 井為例（圖5），不同深度4 個取心段進行對比發現綠泥石含量與孔滲性具有較好的匹配關系。A 段3 600～3 620 m 左右，綠泥石含量高，相對含量大部分高于60%，物性最好；B 段深度增加到3 960～4 000 m 左右，伴隨著綠泥石含量升高，物性隨之上升；C 段深度到4 100 m 以下，綠泥石含量變化不大，物性下降。

圖5 G3 井取心段綠泥石含量與物性變化關系圖Fig.5 Relationship between chlorite content and physical properties in the core section of Well G3

因此可以推論在研究區正常流體壓力環境下：3 400～4 000 m 為綠泥石高效深度，儲層物性與綠泥石含量正相關明顯，4 000～4 200 m，綠泥石膜效應降低帶，相關性變差；4 200～4 500 m，綠泥石膜效應低效帶，局部綠泥石對應較高孔滲儲層；＞4 500 m，綠泥石膜效應失效帶，異常高孔滲儲層基本消失，但在超壓流體壓力環境下，作用深度下限可能達到4 600 m 甚至更深。

3 綠泥石對優質儲層發育的保護作用

3.1 綠泥石相關儲層非均質性分析

研究區綠泥石膜優質儲層發育區，儲層的非均質性依然很強。對G2 井130 m 連續取心段綠泥石分布進行討論，G2 井在主力產層段進行了連續130 m 以上的取心，為微相級、砂層級綠泥石相關儲層及其非均質性分析提供了樣品條件。對不同含氣性儲層總體成巖特征進行了對比（圖6），發現氣層顆粒溶蝕強烈，綠泥石含量高，多數顆粒具有綠泥石膜，且球狀綠泥石較少，石英加大程度弱，次生石英顆粒大；而非氣層顆粒溶蝕形成溶蝕孔較小，綠泥石含量低，少數顆粒局部粒表具有綠泥石膜，石英次生生長相對較為強烈，且顆粒小。

圖6 G2 井氣層與非氣層溶蝕作用的差異性對比Fig.6 Difference comparison of dissolution between gas and non-gas formations in Well G2

同時，研究發現粒度大小對孔滲性的控制體現在顆粒大小與表面積和孔喉大小的關系。體積一定的砂體，粒度越大，表面積越小，需要綠泥石包殼抑制石英加大的面積就越小，因此在粗粒碎屑中所需要的綠泥石越少，故細粒砂體較粗粒砂體石英加大更容易發育。同時相同厚度的綠泥石包殼對細粒沉積物滲透率的消極影響更大，因為在剛性顆粒與膠結物含量一定的情況下，粗粒碎屑孔隙與孔喉較細粒砂巖更大，而綠泥石膜對窄孔喉的消極作用更加明顯。

3.2 綠泥石對儲層保護作用實例

本次研究的重點地區是西湖凹陷中北部已獲天然氣發現的H 和G 兩個構造，鉆井證實在漸新統花港組H3、H4 兩個砂層組均存在異常高孔滲儲層。X 衍射黏土礦物定量分析發現，研究區H 和G 構造H3、H4主力產層黏土礦物以綠泥石為主，相對含量大部分超過40%，部分甚至超過80%。例如，對G2 井連續取心段

4 結論

黏土礦物中綠泥石相對含量與實測物性進行投點，其正相關性非常明顯（圖7），異常高孔滲儲層其綠泥石相對含量超過50%?？碧斤@示綠泥石相關儲層為該構造優質儲層發育段，證實綠泥石對儲層孔隙的保護作用。

圖7 G2 井綠泥石含量與儲層物性關系Fig.7 Relationship between chlorite content and reservoir physical properties in Well G2

（1）通過H 和G 構造鉆井砂巖的黏土礦物分析發現，研究區漸新統花港組優質儲層發育與高綠泥石含量有關，綠泥石膜在成巖作用過程中，對原生孔隙保存及次生孔隙發育具有建設性作用。

（2）綠泥石對石英加大的抑制，是優質儲層發育的重要控制因素。深部儲層石英加大及壓實作用是儲層物性變差的重要原因，綠泥石膜在成巖過程中產生對石英加大的抑制作用，并抵制壓實作用對儲層物性的破壞，從而保護了儲層原生孔隙、次生孔隙，混合成因孔隙及孔隙結構，是優質儲層發育的主要因素。

（3）通過對研究區綠泥石發育的控制因素及不同期次成因、綠泥石的作用效率及作用范圍的分析研究，明確了研究區深層存在優質儲層發育的條件，對于該地區的油氣勘探工作具有參考意義。