0 地质背景

大安油田扶余油层为典型致密砂岩储集层，位于松辽盆地南部红岗—大安阶地上的最深洼槽轴线上，东邻松南最好的生油凹陷——大安凹陷，东北部为古龙凹陷，西部为斜坡区(赵澄林和朱筱敏，2001)。研究层段为下白垩统泉四段扶余油层，为洼槽中央的特低渗致密油藏(图 1)。其发育的典型河控缓坡三角洲沉积体系，主要包括分流河道、主体河道、废弃河道、天然堤和席状砂5种沉积微相，是河流向盆地推进形成的面积可观的低水位浅水三角洲。研究区储集层岩石属于长石岩屑砂岩或岩屑长石砂岩，以细砂岩和粉砂岩为主，有部分为泥质粉砂岩和中砂岩。岩石颗粒间接触紧密，自生伊利石多分布于岩石颗粒孔喉中，缩小了孔隙有效半径，增加了储集层喉道弯曲程度。但自生伊利石促进形成了钾长石的次生溶蚀孔隙，增加了致密储集层储集空间。通过对自生伊利石进行微观镜下观察及平面垂向分布数据分析，并结合沉积微相分布规律，探究伊利石的产状、成因机制及其分布对于致密砂岩优质储集层分布的重要意义。

1 自生伊利石产状及分布特征

研究区黏土矿物主要有伊利石、绿泥石和伊蒙混层，伊利石约占黏土矿物总量的67.4%，绿泥石约占1%，伊蒙混层约占31.6%。伊利石的含量最高，是影响储集层物性的关键因素之一，也是泉四段扶余油层的重要特点之一。

通过大量扫描电镜观察分析，发现研究区自生伊利石主要有3种产状: ①岩石颗粒表面的蜂窝式伊利石(图 2a)，这种伊利石包裹在岩石表面，分布面积由被包裹颗粒决定，具有伊蒙混层的特点，认为是蒙脱石转化而来的; ②颗粒间或黏土矿物边缘处产出的丝状伊利石，有些呈搭桥式连接较近的岩石颗粒，有些呈毛发状在其他黏土矿物周边延伸出来(图 2b)，其延伸长度一般为0.1~10μm，认为是高岭石转化而成; ③充填于岩石颗粒间的片状伊利石(图 2c)，厚度为纳米级别，单个伊利石薄片展布面积一般为0.5~10μm²，这些伊利石在可能是蒙皂石在经过溶解沉淀的过程后形成的，也可能是伊利石直接结晶形成的。

不同产状的伊利石在研究区都有分布，在电镜下观察可以发现，蜂窝式伊利石相对较少，丝状伊利石和片状伊利石相对较常见，其中丝状伊利石最多(图 3)。丝状伊利石常伴随其他产状伊利石产出，例如片状伊利石周边，而片状伊利石大都在岩石颗粒间充填。总体上，大安油田泉四段储集层孔隙中广泛存在自生伊利石。

2 自生伊利石成因分析

自生伊利石一般通过其他黏土矿物转化而成。蒙皂石和高岭石在早成岩阶段开始形成，到了中成岩阶段开始向伊利石转化。长石碎屑特别是钾长石是形成伊利石所需要的重要矿物。正是这些前期形成的矿物使得研究区伊利石在中成岩阶段大量生成。

2.1 蜂窝式伊利石成因

研究区蜂窝式伊利石包裹在岩石颗粒表面，且一般未完全包裹，未包裹处有次生石英产出。能谱仪分析发现，蜂窝状伊利石具有伊蒙混层的特征，K₂O小于2%，推测由蒙皂石转化形成，也可能是转化过程中伊蒙混层的形态(图 4)。随着岩石矿物的埋深，温度的增加，60℃时蒙皂石就在富钾环境下向伊利石转化(焦巧平，2008)，K⁺一般由钾长石供应，直到120℃时蒙皂石的伊利石化才基本停止(杨起等，1988)。反应中A1³⁺替换Si⁴⁺，生成的硅质可以形成石英胶结物沉淀下来(田建锋等，2013)。在未被伊利石包裹的岩石颗粒表面常见石英次生加大的现象(图 2d)。反应式如下:

(1)

蒙皂石伊利石化所需要的K⁺可由钾长石在酸性环境下产生，同时产生高岭石和石英次生加大或胶结物。只要蒙皂石的伊利石化正在进行，钾长石的溶解过程就不断进行，直至完全耗尽为止。反应式如下:

(2)

2.2 丝状伊利石成因

能谱仪分析发现丝状伊利石的SiO₂含量与Al₂O₃含量比例稳定1︰2，与高岭石类似，推测其应由高岭石伊利石化形成(图 4)。丝状伊利石一般在岩石颗粒之间产出，可以通过高温环境及高浓度K⁺环境形成。K⁺可通过钾长石在酸性环境下生成，这种酸性环境的H⁺可由高岭石在富钾环境中的伊利石化生成，这2个反应过程组合是高岭石和钾长石反应形成伊利石和硅质胶结物的过程，也可以说高岭石和钾长石可以持续发生反应(孟万斌等，2011)。当地层温度达到120℃时，高岭石的伊利石化开始大量形成，直到高岭石或钾长石耗尽为止。而该地区的高岭石几乎不存在，可以认为原始矿物组成中钾长石含量较高，使得几乎全部的高岭石伊利石化，而钾长石部分溶解。反应式如下:

(3)

(4)

(5)

2.3 片状伊利石成因

研究区片状伊利石推断有2种生成途径，一是蒙皂石溶解后沉淀重新形成伊利石，这种伊利石的元素分析结果与蜂窝状伊利石类似。这种反应仍需要大量K⁺，生成铁、镁、硅离子，不同于蜂窝式伊利石成因的是，由蒙皂石反应生成的片状伊利石是在开放环境下形成的，而在封闭环境下一般生成包裹在岩石颗粒表面上的蜂窝式伊利石，且片状伊利石成分较单一(Yauet al.，1987)。反应式如下:

(6)

能谱元素分析发现另一种K元素含量很高的片状伊利石，推测其是钾长石在地下高温酸性条件下生成的，酸性流体主要来自于外界淋滤水等流体，产状一般为片状、板状，且在岩石孔隙内分布不均匀，也可能在长石溶蚀孔内形成，生成硅质沉淀物。反应式如下:

(7)

综合来看，大安油田泉四段储集层发育的伊利石主要有3种途径产生: 一是通过蒙皂石在封闭或开放富钾环境中转化为伊利石，同时生成次生石英胶结物; 二是高岭石的伊利石化形成的，钾离子常由钾长石提供; 三是钾长石在高温环境下遇酸性流体分解为伊利石和硅质沉淀物。不同生成途径的反应物、反应条件不同，导致最终伊利石的产状及分布特征也有所不同。

3 自生伊利石对储集层发育的控制作用

黏土矿物总量与储集层物性整体呈负相关(庞军刚等，2015)，而其中自生伊利石的形成却对储集层孔渗有影响，总体表现为对储集层物性的积极作用，特别是对次生孔隙的形成有着很大的贡献。

3.1 自生伊利石对储集层物性的控制作用

致密砂岩储集层物性对石油勘探和开发过程都很重要。成岩中后期的孔喉堵塞很容易形成连通差、阻力大的渗流通道，进而造成微观储集层非均质性，使大量剩余油赋存。储集层有效孔喉的分布决定了石油开采过程中的驱油效率及剩余油赋存情况(杨圣方等，2014)。

从表面上看，无论是孔隙间的丝状或是片状伊利石都会增加岩石孔隙的弯曲度，降低储集层的渗透率。理论上讲自生伊利石应该会从2个方面降低储集层渗透率，进而降低油层的开发效果: 一是降低喉道半径和有效喉道个数，总体上降低了储集层渗流能力; 二是改变有效孔喉的分布特征，可能会使驱油过程中绕流情况，降低驱油效率。

但是研究区相关数据表明，随着伊利石含量的增加，渗透率并没有随之降低，而是出现了增加的趋势(图 5)。原因是伊利石形成所需的大量K⁺促进了钾长石溶解，也就为储集层喉道提供了相当的空间，弥补了自生伊利石对于储集层物性的负面影响。对研究区样品扫描电镜观察发现，岩石孔隙喉道普遍存在丝状、片状伊利石占据一部分喉道空间，而同时也可见很多溶蚀了的钾长石骨架产生的额外渗流通道，直观观察结果表明，自生伊利石没有最终导致储集层渗流能力变弱(图 2f)，反而伊利石的生成有利于储集层渗透率的提高。

从整体上看，大安油田泉四段储集层孔隙度随伊利石含量增大而上升(图 6)，但自生伊利石对储集层孔隙度的控制作用比较复杂。一方面，岩石颗粒表面包膜状伊利石可有效保护孔隙空间，减少石英的次生加大。这种保护作用并不是完全的，即使在石英胶结之前，伊利石或其他黏土矿物已经包裹在颗粒表面，在未被包裹的地方或其他岩石颗粒表面仍可能发生石英的次生加大现象(图 2d、2e)。即自生伊利石对岩石孔隙度有一定的保护作用，但是相对于石英次生加大占据孔隙空间，其保护作用可能很小。

另一方面，自生伊利石对储集层次生孔隙的形成又有一定的促进作用。虽然自生伊利石的形成会占据一定的孔隙空间，但无论是通过什么途径生成自生伊利石的形成都需要大量的K⁺，而这些K⁺大都来自岩石矿物中的钾长石溶解(图 2f)，从而形成大量的次生孔隙。钾长石溶解生成自生伊利石的过程中，反应整体为体积损失、孔隙空间增加，大约会形成10.7%的额外空间(黄思静等，2009)。3种产状的伊利石都具有增加储集层物性的特征，而其间没有明显差别。

3.2 自生伊利石对优质储集层分布的控制作用

由于致密砂岩压实程度高，孔隙空间很少，优质储集层的发育是勘探研究的重点。自生伊利石对致密砂岩储集层孔隙度具有控制和提高作用，可以促进优质储集层的发育，对查明"甜点"分布具有重要的指导作用。

3.2.1 垂向控制

从垂向上看，储集层物性与伊利石和钾长石有着良好的对应关系，即自生伊利石含量高的深度段对应的储集层物性好。研究层段主要发育一个高孔渗带(2150~2170m)，对应高伊利石含量和低钾长石含量，及一个低孔渗带(2190~2210m)，对应着低伊利石含量和高钾长石含量。由此可见，研究区储集层孔隙中次生孔占有一定的比例，并且大都与伊利石有关，并且随着伊利石的增多，钾长石含量逐渐减少(图 7)。在岩石孔喉空间中，随着钾长石含量的上升，岩石孔隙度和渗透率都下降。钾长石在岩石孔隙当中充当占据孔隙空间和堵塞喉道的角色。自生伊利石的形成过程中，需要的K^＋主要由钾长石溶解后提供，并且随着温度压力的升高，自生伊利石的形成路径有所改变，K^＋的来源没有改变，仍主要由钾长石提供。这可以从侧面解释伊利石对储集层物性的控制作用。由此可以根据伊利石含量或钾长石含量预测研究区优质储集层的分布情况，局部次生孔带是大安油田泉四段致密储集层勘探重点，自生伊利石的形成对致密储集层"甜点"发育是具有重要意义的。

3.2.2 平面控制

根据垂向上确定的高孔渗带挑选研究层段主力油层(2155~2163m)，在主力油层平面上可以通过伊利石含量高的区域预测优质储集层分布，特别是将其与其他控制因素相结合，更能准确地预测储集层物性分布情况。研究区黏土矿物数据较少，不能精确描述平面伊利石含量变化，所以通过观察研究区镜下观察判定储集层成岩相来预测储集层分布(图 8)。在平面上可以通过伊利石分布情况预测优质储集层分布，亦可以通过划分成岩相来区分不同物性储集层分布。

从成岩相来看，伊利石发育区即钾长石次生溶蚀孔发育区，其储集层物性良好，属建设性成岩相(图 8a)。而伊利石含量较少的弱胶结成岩相，由于形成的伊利石较少，所以消耗的钾长石较少，形成溶蚀孔也较少，其物性要差一些(图 8b)。其他成岩相例如强压实成岩相或强碳酸盐胶结成岩相，其物性都较次生孔发育区要差，都属于破坏性成岩相(图 8c、8d)。研究区主要发育有4种成岩相: 强溶蚀成岩相、弱胶结成岩相、强压实成岩相和强碳酸盐胶结成岩相。4种成岩相物性依次变差。在此，挑选研究层段主力油层即在垂向上处于伊利石较为发育的储集层高孔段进行研究，通过主力层镜下成岩相判定，综合确定不同成岩相在主力层展布规律，发现4处物性较好的区域，为强溶蚀成岩相，即自生伊利石发育较好区域(图 9)。

4 优质储集层预测

影响储集层物性的主要因素有沉积作用和成岩作用。强溶蚀成岩相自生伊利石含量较高，造成次生孔隙发育，配合研究区发育的典型河控缓坡三角洲沉积体系，可有效预测优质储集层。综合考虑沉积作用及后期成岩改造对储集层物性的控制作用，将研究区主力油层沉积微相和成岩相相互叠合(图 10)，发现对应物性较好的成岩相同时也是发育分流河道微相的区域，并根据叠合后不同区域储集层物性进行储集层分类(表 1)。其中Ⅰ类储集层平均孔隙度11.096%，渗透率0.427×10^-3μm²，Ⅱ类储集层平均孔隙度10.599%，渗透率0.271×10^-3μm²，Ⅲ类储集层平均孔隙度9.685%，渗透率0.207×10^-3μm²，Ⅳ类储集层平均孔隙度8.092%，渗透率0.166×10^-3μm²，Ⅰ类到Ⅳ类储集层物性逐渐变差。

结合两相叠合图及4类储集层特征可以发现: ①沉积作用和成岩作用共同控制储集层物性，成岩作用具有更强的控制作用。例如，伊利石胶结-长石溶蚀成岩储集相对储集层物性的改善、强碳酸盐胶结成岩储集相对储集层物性的消极作用，可将原始同一沉积微相的储集层改造成具有不同物性的储集层类别; ②沉积作用和成岩作用对储集层控制作用又相互补充，例如，处于决口扇砂体的伊利石胶结-长石溶蚀成岩储集相和处于河道砂体的中等胶结混合孔隙成岩储集相，二者物性相近，属同一类别储集层; ③强溶蚀成岩储集相发育区大都在原始沉积物性较好的地方，这样孔喉较大的开放性流体环境有利于钾长石溶解，有利于自生伊利石形成。

根据研究区主力储集层特征规律可以明显看出，处于河道砂体的强溶蚀成岩储集相即Ⅰ类储集层物性最好，配合观察两相叠合图发现，研究区主力层有好几处Ⅰ类储集层。如果排除开发程度较高的Ⅰ类储集层，仅有研究区西北方向的A区可以作为大安油田泉四段主力油层勘探的有利目标。因此，除A区外，还可以选择物性稍差的B区。B区为Ⅱ类储集层，虽然物性较Ⅰ类储集层差些，但分布范围广、开发程度低，仍可能发现工业油流，成为研究区今后的勘探重点。

5 结论和认识

(1) 大安油田泉四段储集层黏土矿物中伊利石最为发育，其主要以3种形态产出，并且不同形态伊利石的生成方式不同。岩石颗粒表面的蜂窝式伊利石为蒙皂石转化而成，丝状或搭桥式伊利石为高岭石伊利石化的结果，而片状伊利石则可能是由蒙皂石转化或钾长石直接结晶而成的。

(2) 自生伊利石的形成对研究区储集层物性有着积极的影响，垂向上自生伊利石发育段对应高孔渗段(2150~2170m)，平面上自生伊利石发育区对应强溶蚀成岩相，其对次生孔隙的形成有着很大的贡献，有利于优质储集层的形成。

(3) 不同沉积微相和不同成岩相组合成不同物性的储集层，通过垂向上储集层物性及自生伊利石含量确定主力层，并叠合主力油层沉积微相图和成岩相，综合判定伊利石含量较高的A区和胶结程度较弱的B区为今后勘探有利目标。