0 引言

自20世纪50年代Heald^[1]发现储层中围绕颗粒发育绿泥石以来：国外学者针对绿泥石的研究一直持续至今，主要涉及绿泥石物质来源、成因过程、产出状态及其与储层物性的关系等方面^[2-8]；近年来国内学者对绿泥石的研究主要集中在鄂尔多斯延长组^[9-13]和四川须家河组、沙溪庙组^[14-18]低孔低渗-致密储层。自生绿泥石主要源自早期黏土矿物以及其他不稳定矿物的转化或直接由孔隙流体结晶而成，其对于储层物性具有重要影响，但尚未形成统一的认识：一般认为绿泥石通过抑制石英次生加大来保护孔隙^[14-16]；绿泥石发育的储层物性是由强水动力条件下砂体自身岩石学特征所决定的^[10]；当绿泥石超过一定厚度不但不能有效地保护孔隙，反而堵塞孔喉，对储层造成损害^[12]。西湖凹陷是东海盆地油气勘探的主战场，主力层位于古近系花港组，在低孔低渗的背景下，局部发育相对异常高孔高渗带，并伴随绿泥石的富集。因此有必要在理清花港组储层基本特征的基础上，通过对绿泥石特征和成因机理的分析，得出不同产状绿泥石对不同类型储层的具体影响，进而有助于更好地进行储层评价。

1 储层基本特征

西湖凹陷古近系渐新统花港组以辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积环境为主。铸体薄片统计表明：石英体积分数主要为60.2%~75.8%，平均63.29%；长石体积分数为6.4%~20.6%，平均17.99%；岩屑体积分数为11.3%~47.7%，平均18.72%；以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主(图 1)，成分成熟度较好。岩屑主要以火山岩岩屑和变质岩岩屑(石英岩、千枚岩等)为主，体积分数分别为7.46%和7.04%，其他类型岩屑(泥岩、燧石等)体积分数为4.22%。胶结物类型主要为黏土胶结，X衍射全岩分析表明黏土矿物平均质量分数为7.94%，以绿泥石为主，约占黏土矿物的41.31%，伊利石和伊蒙混层次之，分别为26.02%和25.17%，高岭石体积分数较少，约为7.50%。发育至少两期石英次生加大，但体积分数较低，平均仅为1.46%。碳酸盐胶结物发育极不均匀，以方解石和含铁方解石为主，可见少量铁白云石，平均体积分数为1.65%，仅在少量与泥岩紧邻的砂岩储层中较为发育。粒度分析表明：储层以中砂岩和细砂岩为主，含少量粉砂岩、粗砂岩和砂砾岩，分选中等，磨圆以次棱角-次圆状为主，结构成熟度中等。

花港组储层孔隙度主要集中在5%~15%之间，平均为9.0%，渗透率变化较大，主要为(0.1~50.0)×10^-3 μm²，储层物性总体表现为低孔低渗-特低渗特征。但局部优质储层发育，颗粒以点-线接触为主，原生孔隙发育，孔隙度为10%~15%，渗透率为(5.0~50.0)×10^-3 μm²。花港组优质储层最显著的特征是绿泥石胶结物富集，其甚至可占到黏土矿物的50%~70%。

2 绿泥石特征

绿泥石按照产出状态、形成时期、分布位置等可分为黏土包膜、孔隙衬里绿泥石和孔隙充填绿泥石。其中，孔隙衬里绿泥石又可细分为Ⅰ类孔隙衬里绿泥石和Ⅱ类孔隙衬里绿泥石(图 2)。

2.1 黏土包膜特征

黏土包膜成分复杂，且自形程度低，难以分辨具体的黏土矿物类型，呈较为致密的等厚均匀分布，厚度小于1 μm。颗粒接触处和孔隙边缘均有分布，表明其形成在早期压实之前，在后期压实作用下，颗粒接触处黏土包膜塑性流动减薄。由于厚度较薄，且基本重结晶为孔隙衬里绿泥石，通常黏土包膜难以被观察到。

2.2 孔隙衬里绿泥石特征

孔隙衬里是研究区最主要的绿泥石产出状态，约占绿泥石体积分数的70%以上，其中又以Ⅰ类孔隙衬里绿泥石为主。

2.2.1 Ⅰ类孔隙衬里绿泥石

Ⅰ类孔隙衬里绿泥石发育在早压实期前后，往往包裹颗粒表面的大部分，仅在颗粒点接触附近缺失，在扫描电镜下观察到极细的喉道处也发育此类绿泥石(图 2a)。颗粒在后期机械压实作用下以点-线接触为主，早期的孔隙部分演化为细小喉道，保存下来的绿泥石往往被误认为是在喉道处发育。绿泥石单晶呈直径2.45~3.27 μm的半自形假六边形片状，平均2.86 μm，FeO质量分数相对较低，平均23.50%。晶体并非严格的垂直颗粒表面生长，多呈不同角度斜切颗粒，且单晶之间排列杂乱，集合体呈等厚层状，厚度为2.68~5.83 μm，平均为3.63 μm。若颗粒表面被相对等厚均匀的绿泥石完全覆盖，局部绿泥石以早期绿泥石为基底继续向孔隙中心方向生长，在相对充足的空间中呈放射状向外生长，集合体往往呈现花状(图 2b)，直径为5.21~8.54 μm，平均为7.59 μm。

2.2.2 Ⅱ类孔隙衬里绿泥石

Ⅱ类孔隙衬里绿泥石的发育贯穿整个早成岩到中成岩阶段，并主要发育在早压实之后，其他胶结物和溶蚀作用形成之前(图 2c、d)，也可见少量发育在硅质胶结之后(图 2e)。此类绿泥石仅在孔隙边缘发育，颗粒接触处和细小吼道内不发育(图 2f)。绿泥石单晶呈直径为3.14~7.52 μm的相对自形六方片状，单晶大小变化较大，平均为5.42 μm，FeO质量分数高于Ⅰ类孔隙衬里绿泥石，平均质量分数29.68%。晶体主要垂直或高角度斜切颗粒表面发育，单个晶体之间排列相对有序，集合体层状厚度5.51~9.23 μm，平均为7.12 μm。

2.3 孔隙充填绿泥石特征

孔隙充填绿泥石主要形成于中成岩早期之后，以分散片状和绒球状集合体为主，少量以书页状产出。

2.3.1 分散片状

火山岩岩屑溶蚀提供绿泥石胶结所必须的铁镁物质，且此时的流体活动性弱，往往形成局部的高铁镁含量区域，导致形成分布极不均匀的分散片状绿泥石，多集中在较大粒间孔以及溶蚀孔内。单晶呈自形六边形片状，直径变化较大，在5.46~15.25 μm之间，平均8.65 μm，单晶往往平行排列形成集合体，多个集合体相互交错排列(图 2g)。该类绿泥石晶体FeO质量分数最高，平均35.21%。

2.3.2 绒球状

绿泥石以伊利石为基底生长，形成伊利石和绿泥石共生现象，绿泥石生长受到伊利石的限制，晶体自形程度和FeO质量分数均低于其他类型孔隙充填绿泥石，以绒球状产出(图 2i)。绒球状集合体直径在5~20 μm间均有分布，平均13.53 μm，FeO平均质量分数33.14%。

2.3.3 书页状

铁镁离子对高岭石晶格中铝和硅进行置换，在保留了高岭石原始书页状集合体形态下重结晶形成书页状绿泥石(图 2h)。研究区该类绿泥石体积分数较少，仅在少量溶蚀孔隙内发育，绿泥石单晶呈平均直径5.64 μm的相对自形片状，单个晶体间紧密平行排列。该类绿泥石晶体FeO质量分数略低于分散片状绿泥石，平均33.96%。

3 绿泥石成因

在绿泥石基本特征表征的基础上，综合绿泥石单晶形态、集合体产状、形成阶段、分布位置、成分含量以及与其他成岩作用的相互关系等，对各类绿泥石成因进行分析，建立了不同产状绿泥石基本特征及其成因图(图 3)。结合研究区地质背景来看，此图版基于花港组辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积环境提出，综合考虑了研究区的沉积水动力条件、物质来源、孔隙水性质以及相关成岩作用等因素，旨在对相同地质背景下的研究提供参考和借鉴。

3.1 黏土包膜成因

早期黏土包膜的形成存在多种方式：同沉积期至早压实期，浑浊的地表流体携带的黏土矿物随机渗入附着于颗粒表面或充填孔隙^[19]；碎屑颗粒继承性黏土包膜，包括颗粒的原始黏土包膜以及搬运过程中风化剥蚀形成或吸附的黏土矿物^[20]；泥质经过生物吞噬消化，与生物黏液一起被排出，黏附于颗粒表面，并吸附粒间悬浮颗粒形成黏土包膜^[21-22]。目前对于大量发育绿泥石的地层，铁镁物质絮凝吸附形成早期黏土包膜的观点被大多数的学者所认可^{[3-4, 10]}。研究区火山岩岩屑发育，为黏土包膜的形成奠定了物质基础；花港组储层辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积环境，为黏土包膜的形成提供了强水动力条件。河流携带的铁镁物质由于盐度和pH等条件的改变而呈无定形和高活性状态絮凝，在强水动力条件下，絮凝胶体难以沉淀，大多以吸附方式附着于颗粒表面，同时吸附悬浮黏土矿物形成富铁镁黏土包膜^[10]。

3.2 孔隙衬里绿泥石成因

通过铸体薄片和扫描电镜观察，结合能谱成分分析，表明研究区内孔隙衬里绿泥石难以用简单的一种成因来解释，Ⅰ类孔隙衬里绿泥石主要由早期黏土包膜转化形成，Ⅱ类孔隙衬里绿泥石主要由孔隙流体直接沉淀而成。

3.2.1 Ⅰ类孔隙衬里绿泥石

早期压实作用使颗粒之间以点接触为主，储层物性较好，孔隙流体成分较为均匀，铁镁物质质量分数较高，早期黏土包膜重结晶，迅速生长为Ⅰ类孔隙衬里绿泥石。在适宜的生长环境下，其生长速度较快，大量绿泥石晶体短时间内占据了黏土包膜较为发育的有利区域，过快的生长速度和过多的晶体数量使得绿泥石单个晶体之间相互制约，结晶程度较差，以半自形晶体为主，且铁镁物质难以在短时间内充分占据绿泥石晶格，铁镁物质质量分数低于后期形成的绿泥石。

3.2.2 Ⅱ类孔隙衬里绿泥石

Haile等^[23]通过模拟实验证明绿泥石可以在洁净的长石和石英颗粒表面成核和生长。随着埋深增加，颗粒压实作用增强，以点-线接触为主，同时铁镁物质质量分数也逐渐减少，成岩体系开放性减弱，导致孔隙流体活动性降低，使绿泥石在洁净的颗粒表面成核成为可能，但晶体数量明显减少，生长速率显著降低，单个绿泥石晶体拥有相对充足的生长空间和时间，晶体相对自形，铁镁质量分数也略有增加。

3.3 孔隙充填绿泥石成因

随着储层进入深埋藏阶段，颗粒之间以线接触为主，溶蚀和胶结作用使储层孔隙结构复杂化，加之花港组上下厚层的泥岩广泛分布，有效地阻止了上下地层的流体交换，溶蚀产物往往在较近区域内重新胶结，成岩中后期形成的绿泥石主要以孔隙充填状产出。

3.3.1 孔隙流体沉淀

早期黏土包膜和孔隙衬里绿泥石消耗了孔隙流体携带的大部分铁镁物质，但中成岩阶段富铁镁火山碎屑的选择性溶蚀形成了局部铁镁物质富集区域。该阶段储层物性整体较差，流体活动性减弱，后期孔隙充填绿泥石是选择空间最充足的孔隙内生长。此时单个绿泥石晶体拥有充足的时间和空间来生长，形成全自形六方片状绿泥石单晶。铁离子有充足的时间取代绿泥石晶格中的阳离子，因此分散片状绿泥石具有最高的铁质量分数。

3.3.2 高岭石重结晶

研究区储层长石体积分数较高，以斜长石和钾长石为主。斜长石(尤其是钙长石)在低温条件下具有较低的溶解反应吉布斯自由能增量，因此偏基性的斜长石具有显著的低温条件下的不稳定性，在缺少额外的钾离子来源情况下，溶蚀产物以高岭石为主^[24]。火山碎屑溶蚀提供铁镁物质，随着溶蚀耗酸以及金属阳离子的生成，孔隙流体pH值升高，在碱性条件下，铁镁离子对高岭石晶格中铝和硅进行置换，在保留了高岭石的原始书页状集合体形态下重结晶形成绿泥石。

3.3.3 绿泥石-伊利石共生

稳定的钾长石在相对封闭成岩流体环境下溶蚀，钾离子难以带出反应体系，当达到伊利石沉淀所需的钾离子临界饱和度时，迅速生成大量的伊利石^[24]，并占据粒间孔隙。相邻的岩屑溶蚀提供一定的铁镁物质，绿泥石则以伊利石为基底生长。这种阶段性的伊利石和绿泥石共生，使得绿泥石生长受伊利石限制成绒球状，且绿泥石晶体自形程度和铁镁物质质量分数均略低于其他类型的孔隙充填绿泥石。

4 绿泥石对储层物性影响

研究区X衍射黏土分析绿泥石相对质量分数与储层孔隙度和渗透率具有较好的正相关性(图 4)，但尚不明确其对储层物性的具体影响。本文通过结合不同类型绿泥石特征、成因机制、储层岩石组构及成岩演化过程等因素综合探讨研究区绿泥石对储层物性的影响。

4.1 黏土包膜绿泥石对储层物性的影响

研究区黏土包膜绿泥石厚度大都小于1 μm，且体积分数较低(基本重结晶为孔隙衬里绿泥石)，其形成于同沉积期至早期压实，压实和胶结等成岩作用程度较弱，储层孔隙较为发育，因而此时期黏土包膜绿泥石对储层物性的影响较小。但从另一个角度来看，早期黏土包膜绿泥石的形成对后期孔隙衬里绿泥石的发育影响很大。黏土包膜绿泥石由于化学成分上的不稳定性^[25]，在后续埋藏成岩过程中很容易重结晶转化为Ⅰ类孔隙衬里绿泥石，同时也可以作为有效成核点供Ⅱ类孔隙衬里绿泥石继续发育，降低了结晶生长所需的活化能^[25]。这也解释了为何早期黏土包膜绿泥石相对富集的地方，后期孔隙衬里绿泥石也相对发育。

4.2 孔隙衬里绿泥石对储层物性的保护机理

通常认为，孔隙衬里绿泥石对储层物性影响最大。大部分学者研究表明，孔隙衬里绿泥石能通过抑制压实压溶和石英加大以及促进溶蚀等起到建设性作用^[14-16]，也有部分学者研究认为孔隙衬里绿泥石并不能有效地保护孔隙发育，反而会堵塞孔隙，降低储层质量^[12]。下文考虑孔隙衬里绿泥石产出状态、体积分数、厚度和连续性等特征，探讨此类绿泥石与其他成岩作用的关系，从而揭示其对研究区储层物性的影响过程。

4.2.1 与压实压溶作用的关系

研究区Ⅰ类孔隙衬里绿泥石在孔隙和喉道处均有发育，主要形成于早期压实前后。但由于绿泥石自身硬度和密度均较低(莫氏硬度为2~3)，加之发育大量的晶间孔隙，束缚水饱和度高，增强了绿泥石的塑性，在强烈挤压下往往发生塑性变形流动而减薄，不具备有效的抗压实能力。而Ⅱ类孔隙衬里绿泥石形成时间更晚，主要发育在早期压实调整之后，仅沿孔隙边缘生长，分布范围有限。因此无论从自身属性还是时序性来说，也都不能有效地抑制压实作用。研究区可以观察到碎屑颗粒完全溶蚀，孔隙衬里绿泥石保持原始颗粒轮廓形态的现象(图 2d)，这是由于溶蚀作用主要发生在早期压实作用之后，颗粒排列相对稳定，绿泥石周围的颗粒支撑了上覆地层压力，而绿泥石本身并不具有抗压实能力。同时研究区还可以观察到在孔隙衬里不连续或缺陷处有碎屑颗粒呈缝合接触，这表明孔隙衬里绿泥石虽然不能有效地缓解压实作用，但能在一定程度上抑制碎屑颗粒之间的压溶作用，从而减少硅质来源。

4.2.2 与胶结作用的关系

国内外学者普遍认为孔隙衬里绿泥石可以有效地抑制石英加大，从而保存孔隙空间。其抑制机理包括：孔隙衬里绿泥石通过隔绝碎屑颗粒表面与孔隙流体接触，阻止石英成核^[3]；绿泥石占据碎屑颗粒表面自生石英的成核基底，减少了石英的生长空间^[5]；绿泥石层间所含的氢氧化物孔隙流体具有酸碱性的调节作用，增大了硅质的溶解度，使其难以达到过饱和结晶^[26]。研究区碎屑石英体积分数相对较高，主力层地温介于100~140 ℃之间，已经达到了石英加大成核生长的温度条件，而在孔隙衬里绿泥石发育较好的情况下，连续完整的石英加大少见，仅有局部柱状自形石英晶体在衬里缺陷处孤立产出，这表明孔隙衬里绿泥石确实在一定时空范围上有效抑制了石英次生加大。研究区Ⅰ类孔隙衬里绿泥石结晶程度较差，单晶排列杂乱交错，晶间孔复杂，虽然石英加大已具备成核生长条件，但由于石英加大的外延生长受限于狭小有限的晶间孔间隙之中^{[5, 27]}。因而Ⅰ类孔隙衬里绿泥石对其抑制作用较为显著，只有达到适宜厚度且连续分布的绿泥石才能有效地抑制石英加大，当厚度过薄或连续性较差时，则难以有效抑制石英加大。Ⅱ类孔隙衬里绿泥石虽然厚度较大，但晶体自形程度高，单晶垂直或高角度斜切颗粒表面，晶间孔有序发育，同时其形成时间较晚，体积分数较低，分布局限，连续性相对较差，对石英加大的抑制效果大大减弱。除了考虑孔隙衬里绿泥石自身属性外，地层温度同样影响着孔隙衬里绿泥石对石英加大的抑制效果。研究区发育较好的石英次生加大边中盐水包裹体均一温度大都在110 ℃之上，这是由于地层温度小于110 ℃时，早期石英胶结多在Ⅰ类孔隙衬里绿泥石内部成核或在不连续或过薄之处以柱状自形石英晶体产出，难以大面积相连形成覆盖颗粒表面生长的石英次生加大边；当地层温度大于110 ℃时，随着孔隙流体中硅质扩散率和动能的增加，孔隙衬里绿泥石作为成核屏障的效果可能会降低，从而使更多的硅质通过衬里层扩散，孔隙衬里绿泥石对硅质胶结的抑制作用减弱，石英次生加大开始连片发育^[27-28]。

除此之外，研究区还可以观察到关于硅质胶结和含铁方解石等充填衬里绿泥石保护的孔隙空间，这是由于这两种孔隙充填型胶结物沉淀机制主要受控于物质来源和孔隙水介质等条件且无需在碎屑颗粒表面成核生长^[29-30]。因此，孔隙衬里绿泥石并不能抑制孔隙充填胶结物的形成。

4.3 孔隙充填绿泥石对储层物性的破坏作用

研究区孔隙充填绿泥石形成时间最晚，此时储层已经进入深埋阶段，强烈的机械压实和多期溶蚀-胶结过程导致孔隙空间复杂化。而由多个晶形较大和自形程度较高的单晶集合而成的晚期绿泥石对其他成岩作用影响微弱，同时其集合体常呈分散片状、玫瑰花状或绒球状等充填较大原生粒间孔和粒间溶孔，对渗透率影响较小，在一定程度上减小了孔隙度^[30]。

4.4 绿泥石胶结与储层物性的关系

一般而言，储层物性主要受控于原始沉积组构和埋藏成岩改造等因素。对于研究区储层来说，压实作用是储层孔隙损失的最重要原因，胶结作用次之(图 5、6)，而后续溶蚀增孔则有效地改善了孔隙系统^[31-33]。其中压实程度往往与碎屑颗粒成分、粒度大小和形状等密切相关。由于研究区储层整体刚性石英体积分数较高，具有一定的抗压实能力，此时粒度大小和塑性颗粒体积分数等影响着不同岩性砂岩压实程度以及溶蚀和胶结过程。由图 6可知，研究区粒度大小对储层物性和绿泥石相对质量分数具有决定性的影响，随着粒度增大，储层物性和绿泥石相对质量分数均呈现先上升后下降的趋势。这是由于粒度增加反映了储层水动力条件不断增强，粗粒砂岩所在的强水动力条件使同沉积期悬浮黏土矿物和絮凝铁镁物质胶体得以以吸附状态附着于颗粒表面，形成大量早期黏土包膜绿泥石，有利于埋藏演化过程中Ⅰ类孔隙衬里绿泥石的重结晶转化和Ⅱ类孔隙衬里绿泥石的继续生长，有效抑制了早期石英加大；同时粗粒砂岩中石英等刚性成分体积分数较高，杂基等塑性成分体积分数较少，有效的抗压实和抑制石英加大能力使得原生孔隙保存较好，有利于后期溶蚀作用的进行，虽然埋藏晚期石英连片加大和孔隙充填绿泥石开始出现，但由于绿泥石质量分数较低，对粗粒储层物性影响较小。需要注意的是，含泥砾砂岩和砂质砾岩虽然也体现了强水动力条件，但塑性泥砾的存在和较差的分选导致孔隙空间在早期压实就已经消失殆尽，使得储层物性和绿泥石发育较差。相比而言，细砂岩形成时期水动力条件较弱，吸附形成的黏土包膜绿泥石相对不发育，导致其Ⅰ类和Ⅱ类孔隙衬里绿泥石不如粗砂岩质量分数高，但也足以有效抑制早期石英加大，其较差的抗压实能力不利于孔隙保存和后期溶蚀的增孔，整体孔隙发育较差。虽然埋藏晚期石英连片加大和孔隙充填绿泥石由于缺少生长空间而发育较少，但足以进一步加剧细砂岩孔隙系统的复杂程度。

综上所述，虽然研究区中孔隙衬里绿泥石能够有效抑制早期石英次生加大，但这并不是富绿泥石砂岩具有较好物性最主要的原因。现今储层物性更多取决于不同岩性砂岩的原始沉积组构以及相应的压实和溶蚀强度的改造过程。绿泥石的富集指示着粗粒洁净和原生孔保存较好的高能沉积砂体^{[12, 29-32]}。

5 结论

1) 西湖凹陷绿泥石分为黏土包膜、孔隙衬里和孔隙充填3种产出状态。黏土包膜成分复杂，自形程度低，呈现较为致密的等厚均匀分布。孔隙衬里是绿泥石的主要产状：Ⅰ类孔隙衬里绿泥石生长数量多，晶体小，单晶呈半自形片状，排列杂乱，铁镁质量分数较低；Ⅱ类孔隙衬里绿泥石生长数量减少，晶体较大，单晶呈相对自形六方片状，多垂直颗粒表面有序排列，铁镁质量分数较高。孔隙充填绿泥石数量最少，但结晶程度和铁镁质量分数均最高，按照其特征可细分为分散片状、书页状和绒球状。

2) 辫状河三角洲前缘水下分流河道沉积环境下，同沉积期铁镁物质絮凝吸附形成黏土包膜；早压实期前后黏土包膜重结晶形成Ⅰ类孔隙衬里绿泥石，而早压实期后孔隙流体在碎屑颗粒表面或Ⅰ类孔隙衬里绿泥石上继续成核生长，形成Ⅱ类孔隙衬里绿泥石；孔隙充填绿泥石与铁镁质岩屑和长石的溶蚀作用密切相关，孔隙流体直接结晶形成分散片状绿泥石，高岭石重结晶形成书页状绿泥石，伊利石和绿泥石共生则以绒球状集合体产出。

3) 黏土包膜绿泥石对储层物性的影响较小，但有助于衬里绿泥石的形成。孔隙衬里绿泥石难以缓解压实作用，但能在一定程度上抑制压溶作用，从而减少硅质来源，并能有效地抑制早期石英加大。孔隙充填绿泥石仅充填较大原生粒间孔和粒间溶孔，对渗透率影响较小，在一定程度上减小了孔隙度。现今储层物性更多受控于储层砂岩的原始沉积组构以及相应的压实和溶蚀强度的改造过程，绿泥石的富集对优质储层具指示作用。