乌石凹陷流沙港组高岭石的分布特征、 影响因素及演化

娄 敏，杨香华，姚光庆，姜 平，邱凌越

（1.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200335；2.中国地质大学资源学院，湖北武汉 430074； 3.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东湛江 524057；4.中国石油大学，北京 102249）

高岭石是砂岩储层中最常见的自生黏土矿物之一，其发育程度与储层物性、油气富集有密切的关系。因此，高岭石受到石油地质学家和矿物学家的普遍关注[1–2]。自生高岭石的形成与铝硅酸盐的溶蚀 有关。高岭石是长石溶蚀后形成的产物，在充分的Al3+物质来源的基础上，呈酸性的流体、较强的流体动力有利于Al3+的络合、Na+和K+的迁移，可以形成晶形良好的自生高岭石[3]。不同产状的高岭石对储层的物性影响不同，流体动力强且高岭石在异地沉淀时，储层物性最好[4]。本文以乌石凹陷流沙港组高岭石作为研究对象，通过光学显微镜、扫描电镜、阴极发光和X 衍射等测试手段，分析了高岭石形态、与其他矿物的接触关系以及不同层位和构造区的高岭石相对含量差异，探讨了高岭石的发育特征及其影响因素，明确了其成因及演化，并建立了高岭石溶蚀型储层的孔隙演化模式，为预测深部致密储层中甜点的分布提供科学依据。

1 地质背景

乌石凹陷属于北部湾盆地的一个次级构造单元，其北边以企西隆起南缘为界，西边、南边以流沙凸起与海头北凹陷为界，东边与流沙凸起相邻。自中生代以来，盆地裂陷活动开始，经历了古近纪裂陷期及新近纪裂后沉降期，凹陷新生界自下而上发育古近系长流组、流沙港组、涠洲组，新近系下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组和第四系地层，其中流沙港组二段被认为是主力烃源岩段。研究区位于乌石凹陷东区（图1），主要涉及WSA、WSB、WSC 三个构造区，研究的层段为流沙港组，是重要的油气勘探目的层。流沙港组以湖相、三角洲相沉积为主，自上而下分为流一段、流二段和流三段。流一段主要发育滨浅湖、冲积扇和扇三角洲沉积；流二段为中深湖沉积；流三段以滨浅湖相沉积为主，在凹陷边界处发育粗粒的冲积扇和扇三角洲沉积[5–6]。乌石凹陷北部的岩石成分以岩屑长石砂岩为主，南部以岩屑砂岩为主。

2 高岭石的发育与分布特征

图1 研究区构造位置

从岩心、阴极发光、铸体薄片、扫描电镜观察，均表明乌石凹陷发育大量高岭石。岩心观察可见白色粉末物质为铝硅酸盐矿物溶蚀后形成的高岭石（图2a）。阴极发光可见钾长石高岭石化，高岭石阴极发光为靛蓝色，钾长石残余发亮蓝色光（图2b）。铸体薄片可见长石溶解，高岭石异地沉淀，生成大量次生孔隙（图2c）。高岭石的发育与长石有密切的关系，长石溶蚀后形成坑洼（图2d），生成次生孔隙， 并伴随自生高岭石沉淀（图2e）。高岭石分为自生高岭石和他生高岭石，自生高岭石集合体呈书页状或蠕虫状，结晶度较高；而他生高岭石为陆源碎屑搬运而来，由于搬运过程中的磨蚀，多呈碎片状、结晶度低、棱角处磨损严重，多位于颗粒表面[7]。乌石凹陷流沙港组砂岩中的高岭石多为薄板状（图2e）、假六方板状（图2f），极少数为碎片状，集合体呈书页状或蠕虫状、结晶度较高、不具明显的磨蚀现象，以自生高岭石为主。

流沙港组处于中成岩A 期，黏土矿物组合为伊利石、高岭石、绿泥石和伊蒙混层，不含蒙脱石。砂岩和泥岩中的黏土矿物发育的影响因素不同，泥岩中黏土矿物分布主要受温度压力的影响，而砂岩中的黏土矿物还与地层流体密切相关。随着埋深增加，泥岩中的黏土矿物发生蒙脱石–伊蒙混层–伊利石的转化，高岭石含量随深度增加而减少。不同部位的高岭石因温度、压力梯度不同，含量变化速率有差异。

砂岩中黏土矿物与储层物性关系密切，其分布特征是本次研究的重点。乌石凹陷埋深1 500.00 m时出现高岭石，主要分布在1 500.00～3 500.00 m，总体平均含量为35.00%。不同层段高岭石的相对含量不同，其中流一段的平均含量为50.84%，流二段为35.89%，流三段为23.13%。不同构造区高岭石的分布也有差异：WSA 区高岭石相对含量最高、WSC区中等、WSB 区最低（图3）。WSA 区高岭石主要分布在2 200.00～2 600.00 m，平均含量为48.57%，高岭石在2 200.00 m 附近含量最高，可达58.00%；WSB区高岭石主要分布在2 300.00～2 800.00 m，平均含量为18.51%，高岭石在2 400.00 m 附近含量最高，可达42.00%；WSC 区高岭石主要分布在3 500.00 m附近，平均含量为25.11%。砂岩中高岭石相对高值段与长石含量减少段有一定的对应关系（图4）。砂岩中的黏土矿物与地层流体作用密切相关，生油门限深度附近，长石含量减少，砂岩中高岭石相对含量增加，这一阶段与长石受地层酸性流体溶蚀产生次生孔隙和高岭石有关。但是，高岭石增加与长石减少在深度段上也并非完全对应，间接表明长石溶解后部分Al3+在一定的流体动力条件下，发生了迁移，在异地沉淀形成高岭石。

图2 高岭石宏观及微观特征

图3 乌石凹陷流三段高岭石平面分布

3 高岭石分布的影响因素

图4 乌石凹陷高岭石含量及长石含量垂向变化

3.1 温度和压力

温度和压力的变化会影响有机酸的生成，进而影响高岭石的分布。乌石凹陷流沙港组主要埋深为2 000.00～3 000.00 m，处于中成岩A 期，地温为85～140 ℃，有机质处于半成熟到成熟阶段。该阶段有机质热演化过程中会产生大量的有机酸，为铝硅酸盐矿物溶解产生高岭石提供酸性溶解介质。不同构造区，有机质热演化程度不同，生烃门限不同，产生有机酸的深度段也有差异。WSC 区埋深比WSB 区大，有机质热演化产生的有机酸丰度更大，更有利于高岭石的富集。

3.2 构造运动

乌石凹陷发育以拉张–走滑为特征的北东东向断层和以走滑为主的北西向断层，断裂的活动期次与主要排烃期有良好的匹配性[8]。这些活动的断层为流二段烃源岩生烃过程中排出的有机酸垂向运移提供了通道。总体上，乌石凹陷流沙港组高岭石相对含量较高，与断裂发育有着密切的关系。即构造运动越强烈、断层越发育，越有利于酸性流体运移进入储层溶蚀长石产生更多的高岭石。

3.3 不同岩性

不同岩性的砂岩中高岭石的含量具有差异性。统计发现，研究区高岭石相对含量在含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩中分别为22.65%、70.67%、39.63%、39.12%、32.50%、16.33%。高岭石相对含量在物性较好的粗砂岩中最高，在物性较差的含砾砂岩和泥质粉砂岩中相对较低。这说明分选好、原始物性好的砂岩，具有较好的渗流系统，更有利于高岭石的形成。

3.4 物源性质

乌石凹陷北部的大型扇三角洲砾级沉积无法推进到南部，南北物源体系不同。北部WSA 区和WSB区的物源来自鼻状低凸起，南部的WSC 区的物源来自流沙凸起[9]。不同物源提供的物质基础不一样，导致北部的岩石成分以岩屑长石砂岩为主，南部以岩屑砂岩为主。长石等铝硅酸盐矿物是产生高岭石的重要物质来源。岩屑长石砂岩中长石的含量高于岩屑砂岩，为高岭石的生成提供了更多的物质基础，从而导致WSA 区高岭石相对含量高于WSC 区。

4 高岭石发育型储层的演化

研究区高岭石发育型储层原始沉积环境水动力较强，原生孔隙发育；埋深不大，砂体机械压实与化学压实相对较弱，长期处于酸性流体活动环境，次生溶蚀孔与片状、柱状高岭石发育。随着埋深增加，高岭石发生了一系列的演化（图5）。早成岩A 期：流沙港组沉积过程中，发生抬升剥蚀，部分长石受到大气水淋滤影响发生溶蚀，产生早期溶蚀高岭石；但早期蚀变的颗粒多易受到后期压实影响，产生塑性变形，高岭石晶形差，充填在粒间孔隙中。早成岩B 期：地层持续缓慢沉降，受压实作用影响，早期高岭石压入孔隙，充填了部分孔隙，受抬升大气水淋滤及有机酸流体影响，长石发生溶蚀，孔隙内高岭石产生重结晶，发育部分高岭石晶间孔，硅作为溶蚀产物也促进了石英加大边的发育。中成岩A 期：受酸性流体影响，长石大量溶蚀，高岭石作为溶蚀产物在孔隙内大量沉淀，并逐渐向地开石转化，其晶间孔发育。反应过程中部分产物可能被带出，所以可见大量溶蚀孔隙。随着埋深增大，高岭石发生重结晶，结晶度变高、晶形较好。中成岩B 期：随着热演化进一步加深，高岭石开始向伊利石转化，自生伊利石占据孔隙空间，缩小孔喉，石英加大边现象也较发育，储层物性变差。目前，流沙港组储层处于中成岩A 期，长石溶蚀形成大量次生孔隙，是研究区优质储层发育的重要基础。

5 高岭石对储层物性的影响

黏土矿物作为砂岩储层中的胶结物，其含量和类型对储层物性有较大的影响。高岭石是长石溶蚀和次生孔隙发育指示的黏土矿物。从高岭石含量与物性的交会图来看（图6），高岭石的相对含量与物性呈正相关关系；但高岭石的绝对含量较高时，储层的物性较差。有学者认为高岭石会充填粒间孔隙使储层物性变差；也有学者认为高岭石的出现，代表强烈的溶蚀作用，是有利储层发育的标志；也有学者认为长石高岭石化一方面产生次生孔隙，另一方面生成的自生高岭石充填孔隙，两者会相互抵消对物性无明显影响。以上观点都是在静态条件下，考虑高岭石与储层物性的关系。高岭石是长石溶蚀后的产物，在有充分的Al3+物质来源的基础上，呈酸性的流体、较强的流体动力有利于Al3+的络合，同时有利于Na+和K+的迁移，形成晶形良好的自生高岭石。长石溶蚀与高岭石的沉淀会造成储层物性的两极分化：在原生粒间孔发育区，原始物性好。当酸性流体进入地层时，原生粒间孔可以作为流体运移的通道。酸性流体使长石发生溶解，高岭石异地沉淀，产生次生溶孔，物性会进一步变好；沉积时期物性较差的区域，流体流动性差，长石溶解的产物被带到该区域沉淀，生成自生高岭石，物性进一步变差。这也表明沉积作用趋向于物质分异的均一化，粒度相似、成分相近的碎屑颗粒会沉积在一起；而成岩作用会造成储层的差异化，长石溶蚀、高岭石差异沉淀会导致优质储层局部发育，增强储层的非均质性。高岭石在平面上的分布与甜点储层有较好的对应关系，高岭石相对含量高值区往往与甜点储层相对应。

图5 高岭石发育型储层成岩序列及孔隙演化模式（以WSA–1–2 井为例）

图6 高岭石含量与物性的关系

在对研究区高岭石与长石溶蚀的关系分析的基础上，建立高岭石发育型储层中优质储层的发育模式。将高岭石发育型储层依据孔隙、成岩矿物特征、储集物性，并结合流体运移强度划分为4 个区带（图7a）。区带Ⅰ：以中粗砂岩为主，物性好；发育粒间溶孔、粒内溶孔、基质溶孔；自生高岭石、石英常见。区带Ⅱ：岩性主要为底砾岩、含砾粗砂岩，岩屑含量高；以粒内溶孔为主，发育少量粒间溶孔。区带Ⅲ：主要岩性为中细砂岩；物性较差，以粒内溶孔为主；泥质含量较高，高岭石大量沉淀。区带Ⅳ：为致密层，岩石粒度细，泥质含量高，以碎屑黏土为主，自生矿物不发育。总体上，区带Ⅰ物性最好，为甜点发育层段；区带Ⅱ、区带Ⅲ其次；区带Ⅳ物性最差。不同的流体运移条件下，各区带的空间分布位置不同。泥岩在压实作用和生烃作用下，会排出层间水和有机酸。此处，酸性流体运移强度最大，为高压带，并依次降低为过渡带和低压带。在单向流体运移模式下（图7b），优质储层主要位于砂体的中部；双向流体运移时（图7c），优质储层主要位于砂体中上部和中下部。

图7 高岭石发育型储层的甜点发育模式

6 结论

（1）乌石凹陷流沙港组发育大量自生高岭石，其分布深度范围为1 500.00～3 500.00 m，总体平均含量为35.00%。高岭石的分布在纵向和平面上具有差异性：纵向上，高岭石含量在流一段最高，流二段其次，流三段最低；平面上，相同层位WSA 区高岭石含量最高，WSC 区中等，WSB 区最低。

（2）影响高岭石分布的因素主要有温度及压力、构造运动、岩性差异和物源性质。成岩早期高岭石形态差，充填在粒间孔隙；中成岩A 期，受酸性流体影响，溶蚀产生自生高岭石，随着埋深增大，高岭石发生重结晶；中成岩B 期，高岭石向伊利石转化。

（3）高岭石对研究区储层物性有着重要的影响，高岭石相对含量高值段与甜点储层有较好的对应关系。高岭石发育型储层可以划分为四个区带，区带Ⅰ物性最好，为甜点发育层段。