2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津 300459
2. Tianjin Branch of CNOOC, Tianjin 300459, China
0 引言
高岭石是储层中常见的一种1:1型层状黏土矿物[1]，经常以“蠕虫状”及“手风琴状”[2]的形态分布于粒间溶蚀孔隙、长石溶蚀孔隙中或溶蚀裂缝中。由于高岭石的形成与储层物性之间有着紧密的联系，因而受到石油地质学家的关注[3-5]。在油气储层中高岭石主要以自生黏土矿物的形式充填于次生孔隙中，由于高岭石之间含有大量晶间孔，其体积分数最高可达4%，且与高岭石体积分数正相关，故高岭石与储层物性之间并非绝对的负相关[6]。自生高岭石按成因可以分为两种类型：一种是储层砂岩暴露地表, 由酸性大气水对长石与云母的溶解而形成；另一种是在深埋藏的砂岩储层中，由有机质生成的有机酸对长石、岩屑等硅酸盐矿物溶蚀而形成[7]。前人对环渤中凹陷沙垒田凸起及周边的物源演化、构造演化、沉积相的分析做了大量的研究工作，探讨了它们与优质砂岩储集体之间的关系[8-11]，也有学者探讨了储层与源-汇的关系[12]；但是对研究区深部碎屑岩储层中一些与储层物性相关的成岩现象的研究较少，比如对高岭石充填及其与储层物性关系的研究也比较少见。本文借助偏光显微镜及扫描电镜的镜下分析，并结合储层物性等数据，对环渤中凹陷沙东南构造带CFD18-2油田东三段高岭石的特征、类型、成因进行了分析，并进一步探讨了高岭石对储层物性的影响，以期为该地区今后的储层评价工作提供帮助。
1 区域地质背景渤海湾盆地的构造格局形成于新生代，整体表现出裂陷盆地的发育特点，即多幕裂陷、多成因盆地叠加与复合的构造演化特点[13]。沙垒田凸起是渤海海域发育在古潜山之上面积最大的凸起，该凸起位于渤海海域西部，东侧紧临渤中凹陷，南北两侧分别与南堡凹陷与沙南凹陷相连[14]。本次的研究区CFD18-2油田位于渤海西部，118o54′14″E-119o00′20″E，38o33′04″N-38o36′16″N，在构造位置上处于沙垒田凸起东南部构造带的第二构造带上，北邻CFD18-1油田，南接BZ13-1油田。CFD18-2油田介于渤中凹陷与沙南凹陷两大生烃凹陷之间，油气资源丰富(图 1)。
CFD18-2油田地层由老到新依次为太古界，新生界古近系的东营组、新近系的馆陶组和明化镇组以及第四系的平原组，并且太古界地层之上直接披覆古近系东三段的地层。研究区东三段底部砂砾岩是近源快速堆积的碎屑岩储层，为扇三角洲近端前缘相沉积。而东三段中上部主要以浅湖-半深湖巨厚泥岩沉积为主，与下伏底部的砂砾岩以及潜山基岩构成了良好的储盖组合。
1994年渤海公司以古近系为主要目的层于西高点钻CFD18-2-1井，在古近系东三段砾岩中发现了34 m含气层段、59 m含油层段，测试油层低产，气层获日产气约19×104 m3、凝析油约175 m3的高产凝析油气流，表明研究区古近系地层具备良好的储集空间。1995年在东高点钻CFD18-2E-1井，全井段裸眼测试，日产气约17.8×104m3、凝析油约95 m3。至此发现了CFD18-2油田[16]。
2 储层岩石学特征本次对CFD18-2-2D、CFD18-2-2DS两口井共计60块薄片进行了鉴定，所采用的60块薄片均来自中海石油(中国)天津分公司。通过薄片鉴定与扫描电镜观察研究区目的层位的骨架碎屑颗粒与自生矿物的特征，确定岩石类型与胶结物类型，并统计了骨架颗粒体积分数、主要自生矿物与黏土矿物的体积分数。其中，骨架颗粒体积分数采用单个薄片的记点法(大于300个颗粒)，自生矿物体积分数与黏土矿物体积分数则采用十个视域面估法来进行定量测量。
2.1 骨架碎屑成分对60块薄片中27块铸体薄片的骨架颗粒及胶结物体积分数进行了定量统计。统计结果显示，研究区的岩石类型主要为长石砂岩和岩屑长石砂岩(图 2)，以岩屑长石砂岩为主。由表 1可见，储层砂岩成分中：石英体积分数在31.35%~55.01%之间，平均为43.24%；长石体积分数在29.15%~38.25%之间，平均为34.01%；岩屑体积分数在9.37%~ 20.76%之间，平均14.10%。岩屑类型主要为混合花岗岩岩屑，其次为石英岩岩屑，其中混合花岗岩岩屑体积分数约占总岩屑体积分数的70%。储层砂岩成分成熟度中等，平均值为0.87。从铸体薄片的镜下观察来看，储层砂岩颗粒的分选性较差，骨架颗粒主要呈现次棱角状-次圆状，接触关系主要表现为点-线接触以及凹凸接触(图 3a)，胶结物主要以孔隙式胶结为主(图 3b)。
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| Ⅰ.长石砂岩; Ⅱ.岩屑长石砂岩; Ⅲ.长石岩屑砂岩; Ⅳ.岩屑砂岩。 图 2 CFD18-2油田东三段储层砂岩分类 Fig. 2 Classification of sandstonesin the third member of Dongying Formation of CFD18-2 oil field |
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| 井号 | 编号 | 深度/m | 体积分数/% | |||||||
| 石英 | 长石 | 岩屑 | 硅质加大边 | 碳酸盐胶结物 | 高岭石 | 黄铁矿 | 杂基 | |||
| 4 119.00 | 44.99 | 34.12 | 14.26 | 0.00 | 0.00 | 6.62 | 0.00 | 0.00 | ||
| a | 4 119.54 | 38.26 | 38.25 | 13.92 | 0.18 | 0.44 | 8.55 | 1.31 | 1.49 | |
| b | 4 119.54 | 37.57 | 33.95 | 16.06 | 0.64 | 2.26 | 9.13 | 1.20 | 0.64 | |
| 4 122.55 | 43.38 | 33.60 | 15.84 | 0.00 | 0.00 | 7.18 | 0.00 | 0.00 | ||
| CFD18-2-2D | a | 4 121.96 | 34.08 | 34.31 | 20.58 | 0.15 | 3.43 | 4.45 | 1.46 | 1.76 |
| b | 4 121.96 | 31.35 | 36.30 | 18.24 | 0.43 | 3.38 | 6.11 | 3.11 | 2.07 | |
| a | 4 124.31 | 36.16 | 33.88 | 19.25 | 0.15 | 2.66 | 6.77 | 2.06 | 1.53 | |
| b | 4 124.31 | 38.92 | 35.99 | 15.93 | 0.00 | 0.00 | 9.25 | 0.00 | 0.00 | |
| 4 126.00 | 37.58 | 36.15 | 14.96 | 0.25 | 3.41 | 6.23 | 1.57 | 2.79 | ||
| a | 4 127.54 | 35.85 | 30.02 | 20.76 | 0.25 | 2.72 | 10.45 | 0.83 | 0.41 | |
| b | 4 127.54 | 34.95 | 29.77 | 18.87 | 0.31 | 2.05 | 10.95 | 2.31 | 0.94 | |
| CFD18-2-2DS | 3 950.86 | 42.98 | 36.77 | 17.51 | 0.27 | 1.87 | 2.48 | 0.27 | 0.72 | |
| 3 951.32 | 45.43 | 34.99 | 11.81 | 0.26 | 1.00 | 4.05 | 2.08 | 1.94 | ||
| 3 951.78 | 45.51 | 34.88 | 11.13 | 0.09 | 0.67 | 6.61 | 1.03 | 2.01 | ||
| 3 952.30 | 45.97 | 33.86 | 10.02 | 0.09 | 2.74 | 7.07 | 0.71 | 0.79 | ||
| 3 952.38 | 52.51 | 29.15 | 15.79 | 0.20 | 0.00 | 0.00 | 0.89 | 1.47 | ||
| 3 952.67 | 44.14 | 34.68 | 11.53 | 0.09 | 1.18 | 4.83 | 2.36 | 1.18 | ||
| 3 953.26 | 40.82 | 32.83 | 14.97 | 0.27 | 0.45 | 4.73 | 2.72 | 3.24 | ||
| 3 953.53 | 45.25 | 34.88 | 9.37 | 0.36 | 1.28 | 6.57 | 1.37 | 1.00 | ||
| 3 954.41 | 44.38 | 33.25 | 10.52 | 0.08 | 3.22 | 6.73 | 2.48 | 2.32 | ||
| 3 955.21 | 52.67 | 32.52 | 9.57 | 0.00 | 0.00 | 4.24 | 0.00 | 0.00 | ||
| 3 955.57 | 43.22 | 34.65 | 11.86 | 0.18 | 0.36 | 6.07 | 1.07 | 4.00 | ||
| 3 956.58 | 54.06 | 32.76 | 11.46 | 0.00 | 0.00 | 1.71 | 0.00 | 0.00 | ||
| 3 956.69 | 44.69 | 33.22 | 12.38 | 1.49 | 0.00 | 8.23 | 0.74 | 0.28 | ||
| 3 957.04 | 55.01 | 35.00 | 9.98 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | ||
| 3 957.30 | 48.27 | 34.55 | 11.21 | 0.00 | 0.00 | 6.01 | 0.00 | 0.00 | ||
| 3 957.88 | 49.48 | 33.96 | 12.93 | 0.00 | 0.00 | 4.47 | 0.00 | 0.00 | ||
| 注：编号a, b分别代表相同深度不同取样点。 | ||||||||||
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| a.混合花岗岩岩屑以及主要骨架颗粒接触关系，CFD18-2-2D井，4 122.55 m, 正交光；b.方解石胶结物孔隙式充填，CFD18-2-2D井，单偏光，铸体，4 121.96 m；c.碳酸盐胶结物(方解石)被溶蚀形成的中心溶孔后期被高岭石充填，CFD18-2-2D井，4 121.96 m，铸体，单偏光；d.高岭石，单晶呈现假六方片状，CFD18-2-2D井，4 121.31 m(SEM)；e.发育良好的“蠕虫状”高岭石，CFD18-2-2D井，4 119.54 m (SEM)；f.方解石胶结-交代颗粒，CFD18-2-2D井，4 121.96 m，正交光；g.白云石胶结-交代颗粒，CFD18-2-2D井，4 124.31 m，正交光；h.白云石发生溶蚀，高岭石充填胶结物溶蚀后的空间，CFD18-2-2DS井，3 952.30 m, 正交光；i.高岭石充填周围方解石溶蚀空间中，CFD18-2-2D井，4 121.96 m，正交光；j.铁方解石交代高岭石，CFD18-2-2D井，4 119.54 m，单偏光，铸体；k.高岭石出现溶解，CFD18-2-2D井，4 127.54 m，单偏光，铸体；l.铁方解石溶解，高岭石充填，CFD18-2-2DS井，3 957.88 m，单偏光，铸体；m.铁白云石溶解，高岭石充填，CFD18-2-2DS井，3 957.88 m，单偏光，铸体。SEM.扫描电子显微镜。 图 3 研究区东三段成岩作用及高岭石主要特征 Fig. 3 Main characteristics of kaolinite and diagenesis in the third member of Dongying Formation in the study area |
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研究区储层砂岩的自生胶结物包括高岭石、碳酸盐岩胶结物、硅质胶结物和黄铁矿(表 1)，以高岭石为主：高岭石体积分数在0.00%~10.95%之间，平均为5.95%；碳酸盐胶结物体积分数平均值为1.52%；硅质胶结物体积分数平均值为0.26%；黄铁矿体积分数平均值为1.34%。
研究区的自生高岭石常充填于粒间孔、长石次生溶孔及碳酸盐胶结物溶孔中(图 3c)，晶间孔隙发育。通过扫描电镜观察发现高岭石具有典型的形貌特征，其单晶呈假六角形片状(图 3d)，集合体呈“手风琴状”或“蠕虫状”，晶形良好(图 3e)。研究区存在两期高岭石充填：第一期高岭石形成于早期无铁碳酸盐胶结物溶蚀时期，高岭石充填于无铁碳酸盐胶结物溶孔中(图 3f, i)，在这一期形成的高岭石中可以观察到部分高岭石的大面积溶蚀，且存在铁质胶结物交代第一期高岭石的现象(图 3j, k)；第二期高岭石出现在晚期含铁碳酸盐胶结物溶蚀时期(图 3l, m)，且与晚期出现的伊利石之间存在交代关系(图 3n)。高岭石的形成期次及其溶蚀交代关系间接反映出研究区至少经历了2期酸性和2期碱性的成岩流体环境。
3 自生高岭石成因前人在对自生高岭石发育所需的条件中指出，自生高岭石的形成取决于酸性的成岩流体环境、Al3+的供应和砂岩储层中良好的孔渗性[17]；但也有学者从矿物岩石学的角度指出，高岭石主要是由硅酸盐矿物的溶蚀作用产生的，而在砂岩储层中最主要的硅酸盐矿物就是长石，故自生高岭石的成因与长石的溶蚀密不可分[18]。本次研究主要从酸性流体来源、形成高岭石的物质来源及良好的孔渗空间3个方面探讨研究区高岭石的形成过程。
3.1 酸性流体来源通常来说，能够对地下岩石矿物进行溶解的流体主要包括碳酸、大气淡水及有机酸。碳酸溶蚀是有机酸在脱羧过程中形成的CO2或者幔源CO2溶于水后所形成的一种酸性流体对不稳定矿物进行溶解[19]。大气淡水溶蚀主要是在成岩作用早期或者表生时期，在开放的体系中对硅酸盐等不稳定矿物进行溶解[20]。有机酸溶蚀则是由有机质经过热演化达到成熟后形成的酸性流体，主要对深部不稳定的矿物进行溶蚀[21]。
通过研究区东三段的天然气组分及CO2同位素特征可知，研究区东三段天然气组分中CO2的δ13C值在0.14%~2.92%之间，CH4体积分数在62.18%~77.66%之间，CO2的δ13C值在-29.1‰~-27.6‰(PDB)之间。当δ13C值为-39.14‰~-10.00‰时，CO2的形成以有机成因为主[22]，因此研究区CO2的形成属于有机成因；又因为CO2体积分数较低，溶于水中形成的碳酸不足以溶蚀大量长石并形成高岭石，故排除深部幔源CO2流体侵位对研究区目的层位长石进行溶蚀的可能。
CFD18-2油田东三段砂岩储层埋藏深度为3 600.00~4 130.00 m，属深部碎屑岩储层。目前所搜集到的研究区井资料显示，CFD18-2油田东三段以上为连续地层而在东三段以下为前寒武纪太古界地层，从而在研究区东三段底部形成了一套不整合地层。CFD18-2-2DS井东三段底部深度为3 956.00 m, 其下部为太古界基岩。从该井中高岭石与不整合面的关系上看，伴随着埋藏深度接近下部不整合面，高岭石体积分数总体呈现降低趋势(图 4)。所以通过综合分析排除了研究区东三段高岭石的形成与大气淡水淋滤作用有关。
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| 图 4 CFD18-2-2DS井不整合面与高岭石体积分数的关系 Fig. 4 Relationship between unconformity surface and kaolinite volume fraction in Well CFD18-2-2DS |
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渤海盆地平均地温梯度为3.3 ℃/hm，其中凹陷区地温梯度为2.5~3.5 ℃/hm, 凸起区为3.0~4.5 ℃/hm[23]。CFD18-2油田位于沙南凹陷东北部，东三段深度在3 600.00~4 130.00 m之间，地温梯度约3.4 ℃/hm，且不存在超压(压力系数近于1.0)。根据研究区东三段地温(120~140 ℃)和镜质体反射率(Ro)(平均值为0.62)数据，参考我国石油天然气行业《碎屑岩成岩阶段划分》(SY/T5477 - 2003)标准[24]，研究区东三段处于生烃排酸时期，且地层温度总体上有利于有机酸的保存。另外，在CFD18-2油田的两侧发育大型断层，由新近系地层延伸至潜山花岗岩基底；而且在两条大型断层之间发育早期活动的“阶梯状”小型断层，这些断层可以沟通烃源岩地层与东三段砂砾岩地层，为有机酸向储集层运移提供良好通道(图 5)。综上，研究区东三段酸性流体来源为有机质在生烃高峰时期排出的有机酸。
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| 图 5 CFD18-2油田构造剖面图(a)及平面示意图(b) Fig. 5 Section structure (a) and plan view (b) of CFD18-2 oilfield |
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CFD18-2油田东三段长石的溶蚀作用十分普遍，主要表现为长石矿物颗粒的溶蚀，具体形态包括颗粒沿长石解理方向形成的条带状粒内溶孔(图 6a)、网格状粒内溶孔(图 6b)，沿着压实作用形成的裂隙溶蚀、粒内溶蚀裂缝(图 6b)，有的长石颗粒甚至被完全溶蚀，只保留基本的颗粒形态轮廓，形成铸模孔(图 6c)；除了长石溶孔外，还可见混合花岗岩岩屑的粒内溶孔，主要是长石组分的溶蚀，在形态上呈现出局部小型似“蜂窝状”溶孔(图 6d)。
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| a.长石沿解理形成定向的“长条状”溶孔，CFD18-2-2D井，4 119.54 m，单偏光，铸体；b.长石溶蚀形成的“网格状”粒内溶孔，CFD18-2-2DS井, 3 951.78 m单偏光，铸体；c.长石铸模孔，整个长石几乎全部被溶蚀, 只剩下部分长石骨架，CFD18-2-2D井，4 119.54 m，单偏光，铸体; d.混合花岗岩岩屑中长石组分被溶蚀，形态上呈现出小型似“蜂窝状”溶孔，CFD18-2-2D井，4 127.54 m，正交光。 图 6 研究区东三段长石溶蚀特征 Fig. 6 Characteristics of feldspar dissolution in the third member of Dongying Formation in the study area |
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研究区长石体积分数平均值为33.95%，主要类型以斜长石和钾长石为主，其中：钾长石体积分数分布在7.13%~20.03%之间，平均值为15.92%；斜长石体积分数分布在9.86%~24.92%之间，平均值为17.74%。长石在砂岩储层骨架颗粒中占有较大的比例，为高岭石的形成奠定了物质基础。通过长石与高岭石体积分数的定量统计发现，除去部分异常值外，研究区高岭石体积分数值越高，长石的体积分数值越低(图 7a)，说明在CFD18-2油田东三段砂岩储层中高岭石的形成可能与酸性流体溶蚀长石有关。另外从埋藏深度来看，伴随着埋藏深度的增加，除CFD18-2-2DS井3 957.88 m深度下长石体积分数与高岭石体积分数之间不存在此消彼长的关系外(图 7c)，CFD18-2-2D井与CFD18-2-2DS井其余深度下长石体积分数与高岭石体积分数之间均呈现此消彼长的关系(图 7b, c)；说明研究区自生高岭石的形成与长石的溶蚀作用之间存在一定的相关性。
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| a. CFD18-2油田东三段高岭石与长石体积分数关系；b. CFD18-2-2DS井东三段长石与高岭石体积分数垂向对比；c. CFD18-2-2D井东三段长石与高岭石体积分数垂向对比。 图 7 研究区东三段长石与高岭石体积分数关系 Fig. 7 Relationship of volume fraction between feldspar and kaolinite in the third member of Dongying Formation(Ed3) in the study area |
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从CFD18-2-2D井东三段孔隙度垂向演化图(图 8)上可以看出，在4 118.00~4 130.00 m这段深度区间出现了孔隙度异常高值区，这恰与长石溶蚀、高岭石充填孔隙的深度段吻合。这间接证明研究区东三段砂岩储层具备一定的渗流能力，在一定程度上可使酸性流体将长石溶蚀形成的“副产物”带走，减少它们对储层物性的影响。但从总体趋势上看，孔隙度最终还是会伴随着埋藏深度的加深而逐渐减小。这说明在压实、胶结等破坏性成岩作用下，流体在储层中流动能力会逐渐减弱，导致长石溶蚀所形成的“副产物”在孔隙中逐渐堆积，从而使储层物性降低(图 8)。
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| 图 8 研究区CFD18-2-2D井东三段孔隙度垂向演化图 Fig. 8 Vertical evolution of porosity in the third member of Dongying of Well CFD18-2-2D in the study area |
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通过次生孔隙、长石溶蚀孔隙以及高岭石晶间孔的面孔率的定量统计发现，长石体积分数与总次生孔隙面孔率之间存在正相关关系(图 9)。结合长石与高岭石体积分数的负相关关系图(图 7a)可以看出，长石体积分数越高，酸性流体对长石的溶蚀量越大，越容易形成大量的长石粒内溶孔和溶蚀粒间孔，在一定程度上越有利于改善储层物性。此外酸性流体对于胶结物的溶蚀形成的孔隙也为高岭石充填提供了进一步的空间。从由于高岭石之间存在晶间孔，接触关系没有碳酸盐胶结物致密，碱性流体溶蚀高岭石可以使晶间孔扩大，故在一定程度上也可作为次生孔隙空间改善储层物性(图 10a，b)。研究区酸性成因的次生孔隙占总次生孔隙的15.52%~94.75%，平均为46.38%；碱性成因的次生孔隙占总次生孔隙的0.67%~59.29%，平均值为17.93%，酸性流体对于次生孔隙的贡献程度要远大于碱性流体。
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| 图 9 研究区长石体积分数与总次生面孔率之间的关系 Fig. 9 Relationship between feldspar volume fraction and total secondary facial porosity rate in the study area |
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| 图 10 研究区高岭石溶蚀形成次生晶间孔 Fig. 10 Relationship between kaolinite volume fraction and the facial porosity rate of intercrystalline pores of kaolinite in the study area |
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虽然在一定阶段内长石的溶蚀可直接或间接地为次生孔隙的形成提供帮助，但高岭石对于储层物性的影响并非都是正相关的，伴随着有机酸对长石的溶蚀，会产生高岭石和硅质胶结物，随着这些长石溶蚀副产物的增加，最终会阻塞孔隙，缩小次生孔隙空间，降低储层物性。依据表 1数据计算可知，在研究区长石溶蚀产物中，高岭石体积分数占溶蚀产物的95.69%，硅质加大边体积分数占溶蚀产物体积分数的4.31%。从面孔率的定量统计结果可以看出：当高岭石以及硅质体积分数之和在4.47%~6.81%之间时，长石次生溶孔面孔率与二者体积分数之和呈现出正相关关系，有利于长石次生溶孔的保存；而当高岭石与硅质体积分数之和分布在6.81%~7.16%之间时，长石次生溶孔面孔率开始出现下降趋势，则不利于长石次生溶孔的保存；最终当而二者体积分数大于7.16%时，长石次生溶孔面孔率基本上保持在很低的状态。上述现象说明自生高岭石对于储层物性的影响并不是一成不变的正相关关系，而是处于一种“双刃剑”的状态(图 11)。
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| 图 11 研究区高岭石-硅质总体积分数与长石次生溶孔面孔率之间的关系 Fig. 11 Relationship between total kaolinite-silica volume fraction and secondary facial porosity rate of feldspar in the study area |
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1) CFD18-2油田东三段高岭石呈现典型的“手风琴状”及“蠕虫状”，常充填于粒间孔、长石次生溶孔及碳酸盐胶结物溶孔中并形成良好的晶间孔隙。研究区东三段发育两期高岭石，说明至少经历了2期酸性和2期碱性的成岩流体环境：第一期高岭石充填于无铁碳酸盐胶结物溶孔中；第二期高岭石充填于铁质碳酸盐胶结物溶孔中，且具有碱性溶蚀特征。
2) 研究区东三段的酸性流体来源为有机质生烃时期排出的有机酸，长石与高岭石体积分数之间总体上存在着此消彼长的关系。自生高岭石的来源主要是由生烃形成的有机酸溶蚀长石形成。
3) 研究区东三段砂岩储层具备一定的渗流能力，在一定程度上可使酸性流体将长石溶蚀形成的高岭石及硅质带走，减少它们对储层物性的影响。但在压实、胶结等破坏性成岩作用下，流体在储层中流动能力会逐渐减弱，长石溶蚀所形成的“副产物”在孔隙中逐渐堆积，使储层物性降低。
4) 长石体积分数与总次生孔隙面孔率之间存在正相关关系，说明在一定程度上长石溶蚀会改善储层物性。但是长石次生溶孔面孔率与高岭石及硅质加大边体积分数之和的关系呈现先增高后降低的趋势，说明高岭石及同期硅质胶结物对储层物性的影响是一把“双刃剑”，当高岭石及硅质体积分数低于6.81%时，有利于长石次生溶孔的保存；当高岭石及硅质体积分数超过6.81%时，则不利于长石次生溶孔的保存。
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