海拉尔盆地乌南次凹南屯组致密储层黏土矿物特征及其地质意义

潘中亮，陈　巍，王正来，李　全，苏　磊，赵容怀

（1.中国石油大庆油田有限责任公司海拉尔石油勘探开发指挥部，黑龙江大庆163000；2.中国石油塔里木油田分公司技术发展处，新疆库尔勒841000）

油气地质

海拉尔盆地乌南次凹南屯组致密储层黏土矿物特征及其地质意义

潘中亮1，陈巍1，王正来1，李全1，苏磊1，赵容怀2

（1.中国石油大庆油田有限责任公司海拉尔石油勘探开发指挥部，黑龙江大庆163000；2.中国石油塔里木油田分公司技术发展处，新疆库尔勒841000）

海拉尔盆地乌南次凹南屯组储层黏土矿物含量高，严重影响油气的开发。利用乌南次凹767个岩心样品的扫描电镜及X射线衍射资料，研究了黏土矿物的类型和组合关系，以及其分布特征与成因。结果表明，蒙脱石含量低且仅存在南二段上部，伊利石含量高且在整个南屯组都有分布；自下而上发育的黏土矿物组合有S+K+I+I/S，K+I+C+I/S+C/S，I+C+I/S+C/S，I+K+I/S及I+C+I/S等；火山物质的水解蚀变及长石的溶蚀作用均是造成黏土矿物含量增高的主要因素。

致密储层；黏土组合；南屯组；乌南次凹；海拉尔盆地

0　引言

黏土矿物是以铝、镁等元素为主的含水硅酸盐混合物，主要包括高岭石族、伊利石族、蒙脱石族及蛭石族等矿物，它广泛分布在沉积岩中，是碎屑岩重要的胶结物之一［1-3］。已有研究表明［4］：在油气田开发过程中，由黏土矿物导致的储层伤害占油气层伤害的70%左右。海拉尔盆地乌尔逊凹陷南屯组为主要的含油气层，其储层含有较高的凝灰质及黏土矿物，地层水敏性较强，导致在注水开发过程中，储层岩石遇水膨胀，泥化现象严重，制约着油气的有效开发。笔者通过扫描电镜、岩心及相关测井解释等资料，对乌南次凹南屯组储层黏土矿物的分布特征进行分析，以期为油田注水开发调整提供依据。

1　地质概况

乌南次凹位于海拉尔盆地乌尔逊凹陷南部（图1），自下而上主要发育布达特群（Jb）、铜钵庙组（K1t）、南屯组（K1n）、大磨拐河组（K1d）、伊敏组（K1y）以及青元岗组（K1q）地层，其中南屯组是乌尔逊凹陷开发的主要含油气层系。

图1　乌南次凹构造位置Fig.1　Structural location of Wunan Sub-sag

南屯组地层按照岩石组合自下而上分为南一段和南二段。南一段总体为灰色和灰黑色粉砂质泥岩、泥岩与灰绿色中粗砂岩和灰绿色砾岩互层，其中夹有灰白色凝灰岩；南二段主要为一套灰色、灰绿色、灰白色细砂岩和泥质粉砂岩，局部夹有灰色、灰绿色砾岩及凝灰质砂岩和厚层灰黑色泥岩。对南屯组乌20井、乌27井、乌28井和乌33井的272个样品进行了统计分析，结果显示，南一段孔隙类型主要为原生粒间孔、溶蚀粒间孔及溶蚀粒内孔（长石溶蚀孔和岩屑溶蚀孔），孔隙度为10%～16%，平均为13%，渗透率为0.1～10.0 mD，平均为8.12 mD；南二段孔隙类型主要为原生粒间孔、溶蚀粒间孔、溶蚀粒内孔及裂缝，孔隙度为12%～15%，平均为14%，渗透率为0.1～10.0 mD，平均为9.32 mD。上下两段储层均属于低孔、低渗及致密储层①大庆油田勘探开发研究院.海拉尔盆地乌尔逊凹陷乌南次凹乌27区块新增石油控制储量报告.2007.。

乌南次凹南屯组砂岩Q-F-R三元分类（图2）表明，该区南屯组砂岩组分以长石砂岩、岩屑长石砂岩和长石岩屑砂岩为主，成分成熟度较低，胶结物含量较高，实验分析数据证实其黏土矿物总的体积分数为10%～20%。一方面黏土矿物中的蒙脱石（S）等在注水开发过程中遇水分散、膨胀，这就极大地影响了储层的物性；另一方面长石在成岩过程中通过水-岩化学作用形成的早期绿泥石（C）和伊利石（I）等在碎屑石英颗粒表面形成包壳层（图版Ⅰ-1～Ⅰ-2），从而改善了储层的物性。Storvoll等［5］认为此类包壳能有效地阻碍骨架颗粒之间、骨架颗粒与地层水之间的进一步相互作用，阻止石英颗粒的次生加大，进而有效保护粒间孔隙。如乌27井，在1 920.21 m和2 004.21 m处的自生黏土矿物包壳频繁出现，其体积分数分别为30%和24%。

图2　乌南次凹南屯组砂岩Q-F-R三角图①Fig.2　Triangular diagram of sandstone of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

2　储层黏土矿物特征

2.1黏土矿物类型及含量

根据乌南次凹南屯组40口井767个岩心样品扫描电镜及X射线衍射黏土矿物的定量分析，认为乌南次凹南屯组储层发育的黏土矿物包括有伊利石（I）、高岭石（K）、蒙脱石（S）、绿泥石（C）、伊/蒙混层（I/S）及绿/蒙混层（C/S）。在扫描电镜下可以清晰地观察到黏土矿物的形态特征，即伊利石呈片状、丝状、掌状及集合体状（图版Ⅰ-3～Ⅰ-4）；高岭石呈蠕虫状及书页状（图版Ⅰ-5）；绿泥石呈针叶状（图版Ⅰ-6）。

海拉尔盆地乌南次凹南屯组黏土矿物在组合关系上较为复杂，与同为海拉尔盆地的贝尔凹陷相比［6-7］，乌南次凹南屯组蒙脱石含量相对较低，仅在南二段地层有少量分布，高岭石和伊利石成为黏土矿物的主要组成部分，其中南二段黏土矿物类型以伊利石和高岭石为主，黏土矿物组合有S+K+I+I/S，I+C+I/S+C/S及K+I+C+I/S+C/S等。从表1可看出，南二段黏土矿物总的体积分数为14.12%，其中伊利石为5.26%，伊/蒙混层为0.66%，两者合计5.92%，占黏土矿物体积分数的41.9%。从表2可看出，南二段伊利石、蒙脱石及高岭石的体积分数分别为5.00%～91.33%，0.67%～10.00%和2%～93%，伊/蒙混层中以伊利石为主，占78.86%，绿/蒙混层中以绿泥石为主，占66.54%。

表1　乌南次凹南屯组黏土矿物占岩石样品总量的体积分数Table1　Absolute volume fraction of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

表2　乌南次凹南屯组各黏土矿物占黏土矿物总量的体积分数Table2　Relative volume fraction of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

南一段黏土矿物类型以伊利石和高岭石为主，矿物组合有I+C+I/S，I+C+C/S+I/S及I+K+I/S等。从表1可看出，南一段黏土矿物总的体积分数为8.37%，其中伊利石体积分数为5.3%。从表2可看出，南一段中伊利石平均体积分数最高，为84.32%，高岭石平均体积分数较低，为8.68%，绿泥石平均体积分数为7.12%。

2.2黏土矿物纵向分布

整体而言，乌南次凹南屯组（图3）南二段高岭石含量较高，随着埋深的增加（1 600～1 900 m），高岭石含量逐渐降低，反映出随着成岩作用的加强，高岭石逐渐向伊利石转化，当埋深大于2 500 m时高岭石含量极低；蒙脱石仅在南二段地层中有少量出现，当埋深大于1 850 m时含量极低，标志着埋深在1 850 m左右是乌南次凹储层中蒙脱石向绿泥石、伊利石转化基本完成的深度；伊利石和绿泥石的含量均随着埋深的增加而增加，一部分伊利石来源于沉积母岩，另一部分则来源于其他矿物的转化，不同之处在于伊利石贯穿整个南屯组地层，而绿泥石在浅层地层中含量极少，只有埋深在1 750 m以下的地层中才逐渐增加；伊/蒙混层较为均衡地分布于南屯组地层中，而绿/蒙混层则分布在埋深大于2 000 m的地层中。

图3　乌南次凹南屯组黏土矿物纵向分布Fig.3　Vertical distribution of clay minerals of Nantun Formation in Wunan Sub-sag

2.3黏土矿物成因分析

黏土矿物的富集在成因上主要受母岩区、沉积环境、大气水淋滤作用以及成岩作用等的影响［8-9］。前人研究表明：海拉尔盆地在南屯组沉积时期伴随着大规模的火山爆发［7，10］，中酸性火山物质作为母岩经过风化、搬运及河流作用等的一系列水解蚀变，在碱性、偏碱性介质条件下［11］，向着蒙脱石、沸石及高岭石转化，这一过程中伴随着物质的重新分配，释放出部分二氧化硅，在颗粒边缘形成石英次生加大（图版Ⅰ-7）。

根据电子探针定量分析①大庆油田勘探开发研究院.乌尔逊凹陷细分沉积相研究.2009.，随着成岩作用的加强，不稳定组分钾长石向钠长石转化，同时长石与孔隙中的介质发生水-岩化学反应，生成高岭石、伊利石及绿泥石。郭春清等［12］和伏万军等［13］研究认为：有机质热演化过程中产生的有机酸（H+）对不稳定组分（长石）进行溶蚀，同样来自深部地层的CO2与水生成的H2CO4（过碳酸）对长石具有溶蚀作用（图版Ⅰ-8），其反应式为

同时，在南屯组顶部不整合界面之下的高岭石含量较高，如乌28井的黏土矿物（参见表1），在南二段顶部1 244～1 264 m处的高岭石体积分数为7%～13%（图4），并且越靠近南屯顶部不整合面（1 244 m）高岭石含量越高，说明高岭石的形成与大气水沿不整合面下渗造成长石的不一致性溶解具有成因上的联系。

图4　Wu28井南二段顶部高岭石纵向分布Fig.4　Vertical distribution of Kaolinite on the top of the second member of Nantun Formation in Wu28 well

因此，乌南次凹南屯组黏土矿物与火山母岩物质、大气水淋滤作用以及成岩过程中的水-岩化学反应都有着重要的关联性。

3　讨论与结论

由于黏土矿物中的蒙脱石、伊/蒙混层及绿/蒙混层具有遇水膨胀的特殊性，在注水开发过程中对储层可造成极大的伤害。因此，根据乌南次凹蒙脱石及其混层矿物的相对含量和分布情况，有针对性地在南二段储层的注入水中加入黏稳剂，而在南一段不含蒙脱石储层的注入水中则不必增加黏稳剂，这样既有利于保护储层和有效开发水敏性油层，又能节约成本，创造更多的经济效益。

（1）乌南次凹南屯组致密储层黏土矿物中蒙脱石含量极低，仅在南二段上部地层中有少量发现。随着埋深的增加伊利石的含量逐渐增加，黏土矿物组合类型复杂多样，主要有S+K+I+I/S，I+C+I/S+C/S，I+C+I/S及I+K+I/S等。

（2）乌南次凹黏土矿物主要受母岩和大气水沿不整合面的下渗淋滤，以及成岩过程中长石的溶解作用的影响。

（References）：

［1］赵澄林，朱筱敏.沉积岩石学［M］.第3版.北京：石油工业出版社，2001：117-125.

Zhao Chenglin，Zhu Xiaomin.Sedimentary petrology［M］.3rd Edition. Beijing：PetroleumIndustryPress，2001：117-125.

［2］徐同台，王行信，张有瑜，等.中国含油气盆地粘土矿物［M］.北京：石油工业出版社，2003：3-36.

Xu Tongtai，Wang Xingxin，Zhang Youyu，et al.The clay minerals in Hydrocarbon basins of china［M］.Beijing：Petroleum Industry Press，2003：3-36.

［3］李卫成，张艳梅，王芳，等.应用恒速压汞技术研究致密油储层微观孔喉特征——以鄂尔多斯盆地上三叠统延长组为例［J］.岩性油气藏，2012，24（6）：60-65.

Li Weicheng，Zhang Yanmei，Wang Fang，et al.Application of constantratemercurypenetrationtechniquetostudyofporethroatcharacteristics of tight reservoir：A case study from the Upper Triassic Yanchang Formation in Ordos Basin［J］.Lithologic Reservoirs，2012，24（6）：60-65.

［4］郭秋麟，陈宁生，宋焕琪，等.致密油聚集模型与数值模拟探讨——以鄂尔多斯盆地延长组致密油为例［J］.岩性油气藏，2012，24（1）：4-10.

GuoQiulin，ChenNingsheng，SongHuanqi，etal.Accumulationmodels and numerical models of tight oil：A case study from Yanchang Formation in Ordos Basin［J］.Lithologic Reservoirs，2012，24（1）：4-10.

［5］Storvoll V，Bjφrlykke K，Karlsen D，et al.Porosity preservation in reservoirsandstones due to grain-coating illite：A study of the Jurassic Garn Formation from the Kristin and Lavrans fields，offshore Mid-Norway［J］.MarineandPetroleumGeology，2002（19）：767-781.

［6］朱占平，刘立，刘剑营.海拉尔盆地贝尔凹陷兴安岭群黏土组合及分布特征［J］.世界地质，2005，24（1）：63-67.

Zhu Zhanping，Liu Li，Liu Jianying.Clay complexes and their distribution characteristics of Xing’anling Group in Beier depression of HailarBasin［J］.GlobalGeology，2005，24（1）：63-67.

［7］付正，刘钦甫，田威猛，等.海拉尔盆地贝尔凹陷兴安岭群储层粘土矿物组成及特征研究［J］.地球学报，2008，28（1）：43-46.

Fu Zheng，Liu Qinfu，Tian Weimeng，et al.Composition and charactertics of clay minerals from the Xing’anling Group in the Beier Depression of the Hailar Basin［J］.Acta Geoscientica Sinica，2008，28（1）：43-46.

［8］张宪国，张涛，林承焰.基于孔隙分形特征的低渗透储层孔隙结构评价［J］.岩性油气藏，2013，25（6）：40-45.

Zhang Xianguo，Zhang Tao，Lin Chengyan.Pore structure evaluation of low permeability reservoir based on pore fractal features［J］.LithologicReservoirs，2013，25（6）：40-45.

［9］李传亮.低渗透储层容易产生高速非Darcy流吗？［J］.岩性油气藏，2011，23（6）：111-113.

Li Chuanliang.High rate non-Darcy flow is easier to occur in low permeability reservoirs［J］.Lithologic Reservoirs，2011，23（6）：111-113.

［10］赵海玲，邓晋福，陈发景，等.中国东北地区中生代火山岩岩石学特征与盆地形成［J］.现代地质，1998，12（1）：56-61.

Zhao Hailing，Deng Jinfu，Chen Fajing，et al.Petrology of the Mesozoic volcanic rocks and the basin formation in the Northeast China［J］. Geoscience，1998，12（1）：56-61.

［11］滕洪达，姜洪启，王平.海拉尔盆地地层水特征与粘土矿物转化和赋存的关系［J］.大庆高等专科学校学报，2004，24（4）：83-85.

Teng Hongda，Jiang Hongqi，Wang Ping.The relations between the characteristics of stratum water and the transform and accumulation of clay mineral in Hailar Basin［J］.Journal of Daqing College，2001，24（4）：83-85.

［12］郭春清，沈忠民，张林晔.砂岩储层中有机酸对主要矿物的溶蚀作用及机理研究综述［J］.地质地球化学，2003，31（3）：53-56.

GuoChunqing，ShenZhongmin，ZhangLinye，etal.Thecorrosionand its mechanism of organic acids on main minerals in oil-gas reservoir sandrocks［J］.Geology-geochemistry，2003，31（3）：53-56.

［13］伏万军.黏土矿物成因及对砂岩储集性能的影响［J］.古地理学报，2000，23（3）：60-67.

Fu Wanjun.In fluence of clay minerals on sandstone reservoir properties［J］.Journal of Palaeogeography，2000，23（3）：60-67.

图版Ⅰ

（本文编辑：杨琦）

Characteristics of clay minerals of tight reservoir and its geological significance of Nantun Formation in Wunan Sub-sag of Hailar Basin

PAN Zhongliang1，CHEN Wei1，WANG Zhenglai1，LI Quan1，SU Lei1，ZHAO Ronghuai2
（1.Hailar Headquarters of Petroleum Exploration and Development，PetroChina Daqing Oilfield Company Ltd.，Daqing 163000，Heilongjiang，China；2.Department of Technology Development，PetroChina Tarim Oilfield Company，Korla 841000，Xinjiang，China）

Clay mineral content in the tight reservoir of Nantun Formation in Wunan Sub-sag of Hailar Basin is high，which restricts oil and gas development.By using the data of SEM and X-ray diffraction from 767 core samples，this paper studied the types of clay minerals and their combination relation，as well as the distribution features and origin. The result shows that the content of montmorillonite is low and they are only developed on the upper Nantun Formation，and the content of illite is high and they are developed in the whole Nantun Formation.There are five types of clay mineral combination from bottom to top：S+K+I+I/S，K+I+C+I/S+C/S，I+C+I/S+C/S，I+K+I/S and I+C+I/S.The dissolution of volcano material and feldspar are the main reasons for resulting in the high content of clay minerals.

tight reservoir；claymineral combination；Nantun Formation；Wunan Sub-sag；Hailaer Basin

P542

A

1673-8926（2015）01-0021-05

2014-07-16；

2014-10-20

中国石油科技创新基金项目“泥页岩非均质性及其对泥页岩油气富集的影响”（编号：2011D-5006-0101）资助

潘中亮（1982-），男，硕士，工程师，主要从事油藏工程与精细油藏描述等研究工作。地址：（163000）黑龙江省大庆市让胡路区昆仑大街甲27号。E-mail：176237472@qq.com。