北部湾盆地位于中国南海大陆架的北部。涠西南凹陷位于该盆地北部涠洲岛的西南方向, 总面积约为3800 km², 资源量丰富, 油气富集, 是北部湾盆地勘探程度最高、发现油气田最多的凹陷。涠洲12-X油田位于涠西南凹陷, 由北块、中块和南块3个区块组成。中块可进一步细分为3井区和4井区2个井区(图 1-A)。北部湾盆地基底之上, 从下到上依次发育古近系长流组、流沙港组、涠洲组, 新近系下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组(图 1-B)和第四系。流沙港组二段发育半深湖— 深湖亚相的暗色泥岩, 是主要的生油层段; 涠洲组三段发育一套辫状河三角洲前缘亚相的砂泥岩互层的细砂岩储集层(图 1-C), 是主要的储油层段; 涠洲组二段发育浅湖— 半深湖亚相的厚层泥岩, 是一套良好的区域盖层, 形成了比较良好的正常式生储盖组合。涠洲12-X油田涠三段储集层成岩作用早期阶段以机械压实作用为主, 中期阶段以胶结作用和溶蚀作用为主, 且不同井区溶蚀作用和胶结作用对储集层物性的影响存在差异(许月明等, 2020), 目前总体处于中成岩阶段 A12微期— A22微期, 储集层中黏土矿物含量较高, 成分以高岭石为主, 其次为绿泥石和伊利石, 并含少量伊蒙混层矿物。

图 1

Fig.1

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	图 1 北部湾盆地涠西南凹陷涠洲12-X油田地质背景综合图(据许月明等, 2020; 修改) A— 涠洲12-X油田位置; B— 涠洲组三段沉积相平面分布; C— 地层— 岩性— 沉积柱状图Fig.1 Comprehensive map of geological background of Weizhou-12-X oilfield in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin(modified from Xu et al., 2020)

本研究所涉及的相关数据由中海石油(中国)有限公司湛江分公司提供, 相关实验由中海油湛江实验中心完成, 共计5口取心井, 包括2B井、A5井、A7井、2井和4井。其中, 全岩分析和黏土矿物XRD衍射由全自动多功能(Ultima Ⅳ )X射线衍射仪完成, 共计310个样品; 薄片鉴定由偏光显微镜观察, 共计366个样品; 岩心常规分析实验由自动孔隙度测量仪(Auto Porosmeter)和超渗仪(Ultra Permeameter)完成, 共计2450个样品; 颗粒粒度分析实验由激光粒度分析仪(Mastersizer)完成, 共计286个样品; 扫描电镜样品分析由钨灯丝扫描电子显微镜(Tescan-Vega)完成, 共计12个样品。

诸多学者的研究表明, 碎屑岩储集层中自生绿泥石的产状主要有以下3种类型: (1)颗粒包膜绿泥石: 自生绿泥石常垂直于颗粒表面生长, 并完全包裹碎屑颗粒(Billault et al., 2003; 黄思静等, 2004; ); (2)孔隙衬里绿泥石: 碎屑颗粒接触处不见自生绿泥石, 而与孔隙接触的碎屑颗粒表面不同程度地被自生绿泥石包裹(Ajdukiewicz and Larese, 2012; Bahlis and De Ros, 2013); (3)孔隙充填式绿泥石: 有的呈单个绿泥石晶体独立的分散于碎屑颗粒的表面或其他自生胶结物的表面, 如叶片状(Jeffery, 2001; Billault et al., 2003); 有的呈绿泥石集合体与碎屑颗粒呈线或面状接触, 如玫瑰花状、绒球状或蜂窝状(Hillier et al., 1996; 陈宝赟等, 2014)。

观察研究区涠三段扫描电镜镜下照片发现, 不同井的自生绿泥石产状存在差异: 除B33井外, 多数井(如2井、2B井和4井等)以颗粒包膜和孔隙衬里绿泥石(图 2-A, 2-B)为主, 孔隙充填绿泥石少见; B33井以孔隙充填式绿泥石为主(图 2-C, 2-D), 有的呈分散片状附着于颗粒表面(图 2-C), 有的呈不同形状的绿泥石集合体充填粒间孔隙(图 2-D), 而包膜绿泥石较少见。

图 2

Fig.2

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	图 2 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段扫描电镜下自生绿泥石产状 A— 颗粒包膜绿泥石(Ch), 单个晶体垂直于碎屑颗粒表面, 2B井, 2388 m; B— 孔隙衬里绿泥石(Ch), 2B井, 2368.19 m; C— 分散片状绿泥石(Ch), 颗粒间伴有石英加大(Qz)、白云石(D)、钠长石(Ab)和钾长石(Or), B33井, 2947.95 m; D— 绿泥石(Ch)集合体呈玫瑰花状, 球状黄铁矿充填粒间孔隙(Pr), B33井, 2465.35 mFig.2 Occurrence of authigenic chlorite in the Member 3 of Weizhou Formation in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin under scanning electron microscope

前人的研究结果表明, 自生绿泥石成因和产状之间存在一定的联系(Ehrenberg, 1993; Ryan and Reynods, 1996; Baker et al., 2000; Grigsby, 2001; 黄思静等, 2004; 田建锋等, 2008a; 谢武仁等, 2010)。通过研究区薄片鉴定、扫描电镜观察(图 3), 并与自生绿泥石对储集层物性影响结果的相互验证, 可在一定程度上推断自生绿泥石的成因。结果表明, 涠三段砂岩储集层中自生绿泥石主要存在以下2种成因机制:

1)黏土矿物转化, 包括蒙皂石、伊利石及高岭石向绿泥石转化: 随着埋藏深度和温度的增加, 在富含铁、镁离子的碱性成岩环境下, 蒙皂石经绿/蒙混层向绿泥石转化(图 3-A)。Bloch等(2002)也指出蒙皂石黏土包膜在埋藏成岩过程中能够向富镁绿泥石转化。此外, 在富含铁、镁离子的碱性成岩环境下, 高岭石胶结物开始溶蚀(图 3-B), 向绿泥石转化。Boles和Franks(1979)、Hillier和Velde(1992)的研究也表明, 随着埋藏深度和温度的增加, 高岭石可以向绿泥石转化。

2)长石的绿泥石化: 在涠三段砂岩储集层中, 长石的绿泥石化现象普遍存在(图 3-C, 3-D), 单个绿泥石晶体呈叶片状。然而, 关于长石的绿泥石化研究的相关文献较少见(Walker et al., 1978; Al-Shaieb et al., 1980; Morad, 1984), 并没有得到足够的重视。Morad和Aldahan(1987)指出, 长石的绿泥石化可能存在于整个成岩过程中, 但成岩阶段早期是其主要形成时间。进一步的扫描电镜观察表明, 长石的绿泥石化常伴随者次生孔隙的产生(图 3-C), 孔喉直径在10~30 μ m之间。

图 3

Fig.3

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	图 3 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段自生绿泥石的微观特征 A— 粒表丝、片状绿/蒙混层(C/S), 4井, 2420.22 m; B— 高岭石(K)胶结物溶蚀, 孔隙呈不规则、伸长状, 2B井, 2304.70 m; C— 长石粒表蚀变成绿泥石, 2B井, 2375.38 m; D— 长石绿泥石化, 4井, 2517.65 mFig.3 Microscopic characteristics of authigenic chlorite in the Member 3 of Weizhou Formation in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin

自生绿泥石对储集层质量的影响一直是一个备受争议的问题, 国内外诸多学者对此展开大量论述(田建锋等, 2008a, 2008b; Berger et al., 2009; Ajdukiewicz and Larese, 2012; Bahlis and De Ros, 2013; Friis et al., 2014)。国内鄂尔多斯盆地三叠系、四川盆地侏罗系和三叠系、苏北盆地古近系与新近系、吐鲁番— 哈密盆地侏罗系、南襄盆地古近系与新近系、松辽盆地古近系与新近系和侏罗系、准噶尔盆地侏罗系和二叠系和国外(Dowey et al., 2012)不同盆地不同时间自生绿泥石典型研究实例的统计结果表明, 颗粒包膜和衬里绿泥石主要发育于三角洲沉积相(典型实例占比达53%), 其次是河流和泛滥平原(典型实例占比达20%), 最后是干旱或盐湖沙漠、大陆架、湖泊等其他沉积相(典型实例占比各低于6%); 即使沉积相相同, 不同盆地、不同时间和不同层位发育的绿泥石对储集层的影响依然存在着很大的差异(图 4)。因此, 在研究自生绿泥石对储集层质量影响的过程中, 需要限定控制储集层质量(简称“ 控储” )的多种因素, 其原则是限定其他控储因素、合并同类因素实行控制变量评价, 降低其他控储因素对某单一控储因素的干扰。

图 4

Fig.4

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	图 4 自生绿泥石的形成环境及其对储集层物性的影响(据Dowey et al., 2012; 有修改)Fig.4 Formation environment of authigenic chlorite and its influence on reservoir physical properties (modified from Dowey et al., 2012)

4.1 自生绿泥石对石英加大的影响

为了定量评价涠三段砂岩储集层中自生绿泥石对石英加大的影响, 对样品数据点作以下约束: (1)数据点取自辫状三角洲— 湖相沉积体系中三角洲前缘分流河道微相。(2)样品数据点目前处于中成岩阶段A期(孟元林等, 2020), 埋藏深度在2400~2700 m之间。(3)自生绿泥石的产状主要以包膜或衬里绿泥石为主(扫描电镜镜下观察), 孔隙充填式绿泥石次之。(4)分选较好, 分选系数(S_o)在1~2.5之间。(5)按照颗粒大小, 将样品数据点分为细砂和极细砂。统计结果表明: (1)当碎屑颗粒为细砂时, 随着绿泥石相对含量的增加, 自生石英含量明显降低(图 5-A); 随着高岭石相对含量的增加, 自生石英含量明显增加(图 5-B)。(2)当碎屑颗粒为极细砂时, 绿泥石和高岭石的相对含量与石英加大含量无明显相关关系。由此可见, 当碎屑颗粒为细砂且分选好时, 包膜或衬里绿泥石对石英加大具有明显的抑制作用; 相比于碱性成岩环境(富铁、镁离子等), 自生石英更易于在酸性成岩环境下沉淀(田建锋等, 2014), 致使自生石英加大与高岭石具有明显正相关关系。虽然在自生绿泥石沉淀的过程中, 往往伴随着硅离子的释放, 为自生石英沉淀提供物质基础, 但受碱性成岩环境和包膜或衬里绿泥石的影响, 自生石英的沉淀受到明显的抑制。

图 5

Fig.5

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	图 5 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段绿泥石和高岭石对石英加大的影响Fig.5 Impact of chlorite and kaolinite on quartz overgrowth in the Member 3 of Weizhou Formation in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin

而在酸性成岩环境中, 如长石溶蚀产生高岭石的过程中, 常伴随自生石英的沉淀, 包膜或衬里绿泥石对自生石英的抑制作用并不明显。此外, 由于绿泥石在酸性条件下不稳定, 易于溶解, 当绿泥石含量较高时, 可能会加快H⁺的消耗, 一定程度上约束了酸性成岩环境的持续时间(即自生石英的沉淀条件)。

4.2 自生绿泥石对孔隙结构的影响

为了定量评价自生绿泥石对储集层孔隙结构的影响(简称“ 控孔喉” 作用), 同样遵循上述前3条约束条件。结果表明(图 6), 当石英加大(Qz-A为石英加大含量平均值)和方解石胶结物(Ca-A为方解石含量平均值)含量之和分别为7.3%和2.4%(二者之差约5.0%)、即分别对应于自生绿泥石相对含量20%~30%和30%~40%之间(二者之差约10%)时, 随着绿泥石相对含量的增加, 孔喉半径平均值和最大连通孔喉半径逐渐增大(图 6-A, 6-B); 当碎屑颗粒为细砂岩时, 自生绿泥石的“ 控孔喉” 作用与石英加大和方解石的“ 控孔喉” 作用具有互补性, 即相对含量10%的自生绿泥石“ 控孔喉” 作用等同于石英加大和方解石含量之和5.0%的胶结物“ 控孔喉” 作用, 二者的“ 控孔喉” 作用具有互补性, 致使自生绿泥石对孔隙结构的影响伴随胶结物含量的降低和自生绿泥石含量的增加, 呈阶梯式变化(图 6-A, 6-B)。

图 6

Fig.6

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	图 6 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段绿泥石的相对含量与孔喉的关系Fig.6 Relationship between relative content of chlorite and pore throat in the Member 3 of Weizhou Formation in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin

虽然前人的研究结果表明, 绿泥石包膜能够堵塞孔隙喉道及连通性, 导致渗透率降低(钟广法等, 1996, 刘林玉等, 1998; 公繁浩等, 2011)。且理论上来讲, 不管是何种胶结物, 其形成过程就是占据一定孔喉的过程, 如不考虑后期对石英生长的抑制作用和形成时期其他物质的溶蚀, 孔隙衬里绿泥石形成过程本身就是堵塞孔喉、降低储集层性能的过程(田建锋等, 2014)。实际上, 包膜或衬里绿泥石对孔喉的控制作用往往受自生绿泥石成因的制约: 当绿泥石的成因对储集层质量起建设性作用(如溶蚀作用), 且其积极意义大于绿泥石沉淀的消极影响时, 绿泥石的沉淀虽然会一定程度上堵塞孔隙喉道, 但相比于原孔隙喉道, 现今孔隙喉道半径是增大的, 且渗透率比之原来更好, 进而导致绿泥石含量与孔喉半径平均值、最大连通孔喉半径呈正相关关系(图 6)。如图 3-C, 是典型的长石溶蚀成因型绿泥石, 且伴随次生孔隙的产生, 镜下观察结果与本研究区绿泥石相对含量与孔喉半径平均值、最大连通孔喉半径呈正相关这一结论相吻合。因此, 对于长石蚀变成因型绿泥石, 绿泥石对孔隙喉道半径的破坏作用被掩盖, 反而成为碱性条件下长石溶蚀产生次生孔隙的指示性矿物(高岭石是酸性环境下长石溶蚀形成次生孔隙的标志性矿物)。

4.3 自生绿泥石对储集层孔隙度和渗透率的影响

随着埋藏深度的增加, 自生绿泥石的发育往往是深部碎屑岩储集层异常高孔带的成因之一。Enrenberg(1993)、Bloch等(2002)和Anjos等(2003)均发现, 中深层碎屑岩储集层异常高孔带的存在常与绿泥石包膜的发育有关。为了定量评价涠三段砂岩储集层中自生绿泥石对孔隙度和渗透率的影响(简称“ 控孔、控渗” 作用), 选取样品数据点时依然遵循上述前3条原则, 并按照颗粒粒度、分选性和泥质含量的不同, 将A5井样品数据点划分为4个相(图 7):相1: 碎屑颗粒为中砂, 粒度中值在1~2之间, 分选较好; 相2: 碎屑颗粒为细砂, 粒度中值在2~3之间, 分选好, 泥质含量较低(< 10%); 相3: 碎屑颗粒为细砂, 粒度中值在2~3之间, 分选好, 泥质含量在10%~15%之间; 相4: 碎屑颗粒为极细砂, 粒度中值在3~4之间, 分选差, 泥质含量在15%~20%之间。

图 7

Fig.7

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	图 7 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段A5井不同相的绿泥石对储集层孔隙度和渗透率的影响Fig.7 Impact of chlorite in different facies on reservoir porosity and permeability of the Member 3 of Weizhou Formation of Well A5 in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin

研究结果表明: (1)在岩相一定的情况下, 孔隙度与渗透率总是与绿泥石相对含量呈正相关关系(图 7-A, 7-B); 其主要原因是包膜或衬里绿泥石能够抑制自生石英的生长, 保护储集层孔隙和改善储集层连通性。(2)自生绿泥石对储集层孔隙度和渗透率的影响与其他因素对储集层物性的控制作用具有互补性, 如相2与相1相比, 分选程度和泥质含量相近, 相2的细粒度、高自生绿泥石含量样品的孔隙度和渗透率近似于相1的粗粒度、低自生绿泥石含量样品(图 7-A, 7-B)。(3)自生绿泥石对储集层孔隙度和渗透率的影响与其他因素对储集层物性的控制作用具有差异性, 如相2与相3相比, 碎屑颗粒粒度大小与分选程度相同, 相2的低泥质含量、低自生绿泥石含量样品的孔隙度和渗透率高于相3的高泥质含量、高自生绿泥石含量样品(图 7-A, 7-B)。由此可见, 只有在给定岩相的情况下, 包膜或衬里绿泥石对自生石英生长的抑制作用和储集层物性的保护作用才较为明显; 自生绿泥石对储集层质量的影响明显受其他“ 控孔、控渗” 因素的制约。

为了研究不同产状自生绿泥石对储集层物性的影响, 本研究选取扫描电镜镜下观察, 以孔隙充填式绿泥石为主的B33井进行对比(图 8), 数据点遵循以下几点原则: (1)数据点取自辫状三角洲— 湖相沉积体系中三角洲前缘分流河道微相; (2)样品数据点目前处于中成岩阶段A期, 埋藏深度在2400~2700 m之间; (3)数据点自生绿泥石的产状主要以孔隙充填式绿泥石为主(图 2-C, 2-D), 包膜或衬里绿泥石次之; (4)碎屑颗粒为细砂, 分选差, 泥质含量较低(< 5%)。研究结果表明, 随着绿泥石相对含量的增加, 孔隙度与渗透率明显降低(图 8)。由此可见, 在给定岩相的情况下, 孔隙充填式绿泥石总是与储集层物性呈负相关, 破坏储集层孔隙及连通性。

图 8

Fig.8

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	图 8 北部湾盆地涠西南凹陷涠三段B33井自生绿泥石对储集层物性的影响Fig.8 Impact of authigenic chlorite on reservoir physical properties of the Member 3 of Weizhou Formation of Well B33 in Weixinan sag, Beibu Gulf Basin

上述研究均表明, 自生绿泥石对储集层物性的控制作用受碎屑颗粒粒度、分选性、孔隙结构及泥质含量的影响。根据各物性控制因素分类标准提出定量评价方法(表 1), 综合得分越高, 碎屑颗粒粒度和分选、孔隙结构及泥质含量对物性的控制作用越强, 自生绿泥石对储集层物性控制作用越弱。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 物性控制因素定量评价方法 Table1 Quantitative evaluation method for controlling factors of physical properties 物性控制因素 等级划分 分类标准 赋值标准 粒度 中砂 2≤ 粒度ϕ 值< 1 3 细砂 3≤ 粒度ϕ 值< 2 2 极细砂 4≤ 粒度ϕ 值< 3 1 分选性 好 1< 分选系数≤ 2.5 3 中 2.5< 分选系数≤ 4 2 差 4< 分选系数 1 孔隙结构 较细喉 5 μ m≤ 孔喉半径平均值< 10 μ m 3 细喉 1 μ m≤ 孔喉半径平均值< 5 μ m 2 微细喉 孔喉半径平均值< 1 μ m 1 泥质含量 高 泥质含量≥ 15% 1 中 10%≤ 泥质含量< 15% 2 低 泥质含量< 10% 3

表 1 物性控制因素定量评价方法 Table1 Quantitative evaluation method for controlling factors of physical properties

根据中华人民共和国石油与天然气行业标准(SY/T6285-1997)(赵澄林等, 1997)与本研究的需要(表 1), 分别将碎屑颗粒粒度划分为中砂、细砂、极细砂, 并依次赋值为3、2、1; 分选性划分为好、中、差, 并依次赋值为3、2、1; 孔隙结构划分为较细喉、细喉、微细喉, 并依次赋值为3、2、1; 泥质含量分为高、中、低, 并依次赋值为1、2、3。此外, 综合得分为粒度、分选性、孔隙结构及泥质含量于不同等级下赋值的加和, 即综合得分=粒度+分选性+孔隙结构+泥质含量。

以A5井不同相的绿泥石对储集层孔隙度和渗透率的影响为例(图 7), 根据综合得分定量评价方法(表 1), 相1综合得分=中砂(3)+分选好(3)+细喉(2)+低泥质含量(3), 即综合得分为11; 相2综合得分=细砂(2)+分选好(3)+细喉(2)+低泥质含量(3), 即综合得分为10; 相3综合得分=细砂(2)+分选好(3)+细喉(2)+中等泥质含量(2), 即综合得分为9; 相4综合得分=极细砂(3)+分选差(1)+细喉(2)+高泥质含量(3), 即综合得分为9。根据最终得分结果, 可定量评价自生绿泥石对储集层物性的影响, 相4和相3的综合得分最低, 因此自生绿泥石对储集层物性的控制作用最强; 相2的综合得分较高, 因此自生绿泥石对储集层物性的控制作用次之; 相1的综合得分最高, 因此自生绿泥石对储集层物性的控制作用最弱。这一评价结果与实测数据变化趋势相吻合, 相4和相3的△ 自生绿泥石相对含量: △ 孔隙度=1︰1, 相2的△ 自生绿泥石相对含量: △ 孔隙度=2︰1, 相1的△ 自生绿泥石相对含量: △ 孔隙度=3︰1, 即△ 自生绿泥石相对含量与△ 孔隙度的比值越大, 自生绿泥石对储集层物性的控制作用越弱。显然, 综合得分评价法具有可行性, 可定量评价自生绿泥石对储集层物性的控制作用。

通过对北部湾盆地涠西南凹陷涠洲组三段中自生绿泥石对储集层质量影响的研究, 可以得出以下结论:

1)当碎屑颗粒为细砂时, 自生绿泥石对自生石英具有明显抑制作用。

2)当溶蚀作用积极意义大于绿泥石沉淀的消极影响时, 石英加大和方解石含量较高(7.3%)及自生绿泥石相对含量较低(20%~30%)的细砂“ 控孔喉” 作用等同于石英加大和方解石含量较低(2.4%)及自生绿泥石含量较高(30%~40%)的细砂, 二者的“ 控孔喉” 作用具有互补性。

3)自生绿泥石的“ 控孔、控渗” 作用与碎屑颗粒粒度、分选性、胶结物含量及泥质含量等因素的“ 控孔、控渗” 作用相互制约, 存在互补性和差异性, 绿泥石相对含量较低的中砂“ 控孔、控渗” 作用等同于绿泥石相对含量较高的细砂(互补性); 泥质含量较低的细砂岩中绿泥石“ 控孔、控渗” 作用弱于泥质含量较高的细砂岩(差异性)。

4)绿泥石对储集层质量的影响受碎屑颗粒粒度、分选性及泥质含量等因素的制约, 但在限定控储因素前提下, 随着包膜绿泥石含量的增加, 孔隙度与渗透率总是不同程度的有所增加; 孔隙充填式绿泥石总是与孔隙度和渗透率呈负相关关系。