绿泥石黏土膜成因及储层效应

延长组砂岩中绿泥石黏土膜最主要的赋存状态是作为孔隙衬里方式产出（附图Ⅷ-4、附图Ⅵ-1），其成分多为陆源黏土，以绿泥石为主，属于早期成岩作用的产物，呈等厚薄膜状覆盖在颗粒表面。有油气充注的砂岩中，黏土膜与油气发生浸染，呈黑色；没有油气充注的砂岩中，黏土膜呈黄褐色。在粒间孔中也可见到绒球状产出的晚期绿泥石，一般不以黏土膜的方式存在。电镜和探针分析表明，靠近碎屑颗粒的早期薄膜状绿泥石较为富铁，自形程度较低。靠近孔隙边缘的晚期薄膜状绿泥石含铁量相对较低，自形程度较高呈针叶状、片状，表明是在同生成岩阶段陆源绿泥石沿孔隙环边沉淀后，在埋藏成岩阶段继续生长而形成的，绿泥石黏土膜主要形成于成岩早期。目前的绿泥石黏土膜是不同世代混合的产物。

绿泥石黏土膜主要发生长81层位，长63层位少数井发育。沉积相主要是三角洲前缘的分流河道沉积微相。粒度相对较粗，压实程度较低，物性相对较好。

绿泥石黏土膜发育，元素分析以Si，Al，Fe为特征。

4.2.5.1　绿泥石黏土膜赋存特征

通过铸体薄片、X衍射和扫描电镜等技术手段，对鄂尔多斯盆地上三叠统延长组储层砂体孔隙中的绿泥石黏土膜的赋存方式进行了总结，主要有以下几个特点：

（1）绿泥石黏土膜通常在三角洲前缘分流河道砂体中发育。

（2）颗粒表面的绿泥石黏土膜近于等厚。

（3）绿泥石黏土膜通常呈双层结构，里层环边状胶结物致密，外层绿泥石晶形好，呈树叶状或针状，垂直于环边层向孔隙中生长。

（4）在颗粒接触处，绿泥石胶结物较少，或者直接以颗粒之间接触。

（5）绿泥石黏土膜发育的砂体的颗粒接触关系主要为点接触和线接触。

（6）存在绿泥石黏土膜的砂岩，通常具有比较低的压实强度，与经历类似压实经历而不发育绿泥石砂岩颗粒间的线接触—凹凸接触形成鲜明对比。

（7）在绿泥石黏土膜发育的地方，自生石英一般以雏晶形式存在。

（8）绿泥石环边经常在溶解的骨架颗粒的边界上形成一种绿泥石环边包围孔隙的结构，该特征类似于铸模孔。

（9）绿泥石黏土膜发育的砂体粒间孔隙中能够发育连晶状分布的浊沸石和碳酸盐胶结物。

（10）绿泥石可围绕自生石英生长，并逐渐包裹石英，说明绿泥石环边形成后继续生长的时间至少持续到了自生石英沉淀作用开始以后的成岩阶段。

4.2.5.2　绿泥石黏土膜的形成机制

根据鄂尔多斯盆地延长组三角洲砂岩中绿泥石黏土膜的赋存状态、岩石学特征，本文对绿泥石黏土膜的形成机制以及对砂岩孔隙保存方面影响及其主要控制因素加以详细讨论。

（1）绿泥石黏土膜是强水动力条件的相标志。Baker等指出，以孔隙衬里产出的自生绿泥石是海水影响下的三角洲（如分流河道）沉积环境的良好的标志。刘金库等在研究川中—川南包界地区须家河组砂体时发现绿泥石环边胶结物的发育受沉积环境控制较为明显，主要发育在三角洲前缘的水下分流河道和河口坝区域，类似的研究成果在新疆彩南侏罗系辫状河三角洲储层和川西三叠系须家河组三角洲砂体中也有报道。

在本次研究中也发现沉积相与绿泥石黏土膜具有一定的耦合关系。绿泥石黏土膜最发育的砂体，沉积相基本都是三角洲前缘分流河道微相，因为前缘水下分流河道是三角洲前缘地区水动力条件最强的地方，在这种环境下极细的黏土颗粒无法沉淀下来，但可以在颗粒表面发生吸附，慢慢形成一层薄薄的等厚环边层，其形成机制类似于碳酸盐台地边缘鲕粒灰岩中颗粒鲕的形成，在强水动力搅动环境中，陆源碎屑颗粒或生物化石颗粒表面可以吸附细微的胶体物质，黏结黏土或碳酸盐微粒，并逐渐形成等厚环边层，形成同心圆状环边结构。在三角洲前缘是河水和湖水介质交汇的地方，由于两种水介质中电解质、胶体性质和载荷物质组成的差异，很容易使陆源黏土物质以化学方式吸附在颗粒表面，形成初期的黏土质膜，这类现象在鄂尔多斯盆地三叠系三角洲砂岩中屡见不鲜。这个等厚环边层是绿泥石黏土膜形成的基础，主要构成黏土膜的里层。如果水动力较弱时，黏土颗粒会直接沉淀下来，形成黏土杂基并充填于颗粒之间的孔隙中。由此可见，较强的水动力应该是形成绿泥石黏土膜的必要条件，在此可以认定绿泥石黏土膜是强水动力条件的微观相标志。

（2）绿泥石黏土膜的形成时间。黄思静等认为，绿泥石黏土膜是一种近于等厚的环边，因而其沉淀作用应发生在沉积期后而不是沉积阶段或沉积作用以前。笔者认为绿泥石黏土环边层是颗粒在强水动力下，黏土颗粒逐渐吸附在颗粒表面，形成的一层薄膜。如果水动力较弱，黏土颗粒会发生直接沉淀形成黏土杂基。碳酸盐中的砂屑鲕粒结构就是在较强水动力环境下形成的砂岩颗粒表面等厚的环边，是较强水动力条件的标志。

有人认为，在颗粒接触点通常没有绿泥石黏土膜，因此认为其是后期形成。本次研究认为黏土膜在地下埋藏环境相对高温高压状态下是塑性的，早期形成的黏土膜会在后期上覆压力下使得颗粒支撑点的黏土膜发生物质转移，造成受力处的黏土膜缺失。

铸体薄片镜下可以观察到绿泥石黏土膜包裹的颗粒发生溶蚀，形成粒内孔，有些甚至部分颗粒溶蚀殆尽，只剩下绿泥石黏土膜壳，说明绿泥石黏土膜应该在溶蚀作用发生之前就已经形成。铸体薄片镜下还可以看到绿泥石黏土膜发育的砂岩孔隙中浊沸石和晚期碳酸盐胶结物呈连晶状分布，说明绿泥石黏土膜应该在浊沸石和晚期碳酸盐胶结物沉淀之前就已经形成。

扫描电镜下可以观察到绿泥石黏土膜具有双层结构，里层的等厚环边层和外层呈树叶状或针状的自生绿泥石层，其成分稍有不同。史基安对该盆地西峰油田储层砂岩中的绿泥石膜进行电镜和探针分析表明，靠近碎屑颗粒的早期绿泥石较为富铁，自形程度较低。靠近孔隙边缘的绿泥石含铁量相对较低，自形程度较高。

紧挨颗粒边缘的等厚环边状绿泥石胶结物层，基本没有结晶，比较致密。它首先是在强水动力环境下极细的黏土微粒无法沉淀下来，只能吸附在颗粒表面，慢慢形成一层薄薄的等厚环边层，然后在后期富Fe离子流体作用下发生绿泥石化而形成的，因此绿泥石黏土膜的等厚环边层主要是在同沉积阶段形成的，后期的成岩作用对其又加以不断地改造。

自生绿泥石层晶形较粗，呈树叶状或针状向孔隙中生长。晚期自生绿泥石在环边绿泥石层发育的砂体中，由于环边绿泥石层和自生绿泥石性质相似，晚期自生绿泥石就吸附在里边表层，向孔隙中生长；在环边状绿泥石胶结物不发育的孔隙中，自生绿泥石通常呈绒球状存在孔隙中，因此这些晶形较好的自生绿泥石层是中成岩A～B时期的产物。

从上分析可知，绿泥石黏土膜的形成是一个复杂的过程，其里层主要属于同沉积时期产物，然后不断接受后期的改造；外层的自生绿泥石层主要属于中成岩A～B时期形成。

（3）Fe离子的来源。绿泥石黏土膜的形成需要有大量的铁离子，前人研究表明其主要来源有3个：曾伟认为，火山岩岩屑蚀变能够产生大量的铁离子；JefhyDG认为，黑云母水解作用可生成大量铁离子；SruogaP认为，在河流进入海洋的交界处，由于水体的盐度改变，并显弱碱性和弱还原性，河水中溶解的铁离子会在该条件下产生絮凝沉淀，这将为绿泥石环边胶结物的形成提供丰富的铁来源。

在研究区内砂岩岩石成分中，岩屑以火山岩岩屑为主，溶蚀现象比较普遍，在溶蚀过程中，可能生产大量的铁离子；岩石中云母含量较高，基本以黑云母为主，其水解可能产生大量的铁离子；因为鄂尔多斯盆地延长期湖盆是淡水湖，因此在河流进入湖泊时水体的盐度改变很小，河水中溶解的铁离子可能不会大量产生絮凝沉淀，因此从研究区的地质情况来看，认为Fe离子的来源主要来自火山岩蚀变和黑云母水解过程。

4.2.5.3　绿泥石黏土膜形成模式

通过对绿泥石黏土膜的成因机制剖析，本文提出了绿泥石黏土膜的形成模式。该模式图能够对各种镜下现象给予合理的解释。该模式主要分为5个阶段。

第Ⅰ阶段为原始颗粒沉积阶段：在较强水动力条件下，沉积下来的砂体粒度较粗，分选和磨圆相对较好，杂基较少，粒间原始孔隙很发育（图4-8）。

图4-8　绿泥石黏土膜形成过程第Ⅰ阶段

第Ⅱ阶段为原始颗粒表面黏土吸附成膜阶段：在水动力条件较强的沉积环境下，极细的黏土微粒无法沉淀下来，但可以在颗粒表面发生吸附，慢慢形成一层薄薄的等厚环边层。由于压实作用较小，颗粒之间接触面积很小，因此颗粒表面绝大部分都形成了等厚的薄膜层。环边结构就是现在的绿泥石黏土膜双层结构中的里层或衬底。该阶段粒间孔隙变小，但由于环边膜很薄，占据的粒间孔隙很有限。如果水动力较弱时，黏土微粒会直接沉淀下来，形成黏土杂基。从第Ⅰ阶段和第Ⅱ阶段来看，较强的水动力是形成绿泥石黏土膜的必要条件（图4-9）。

图4-9　绿泥石黏土膜形成过程第Ⅱ阶段

第Ⅲ阶段为颗粒初期压实阶段：该阶段粒间孔隙大幅减小。由于黏土矿物是塑性的，所以在成岩早期，由于上覆地层的压力，颗粒之间接触处受力会加大，使得颗粒之间受力处的黏土膜会发生流动，造成颗粒接触处没有黏土膜或不发育。当然，随着上覆压力的不断增大，这种压实作用使黏土膜流动的趋势会一直存在（图4-10）。(www.xing528.com)

图4-10　绿泥石黏土膜形成过程第Ⅲ阶段

第Ⅳ阶段为环边绿泥石化阶段：在后期富含铁离子的粒间孔隙流体作用下，颗粒表面环边胶结物中的黏土矿物会发生绿泥石化。由于绿泥石化作用没有产生晶间孔，因此该阶段粒间孔隙基本没有变化。如果孔隙流体中Fe2+一直较丰富，则环边胶结物中黏土矿物绿泥石化的活动会持续进行下去（图4-11）。

图4-11　绿泥石黏土膜形成过程第Ⅳ阶段

第Ⅴ阶段为自生绿泥石形成阶段：后期形成的自生绿泥石会在环边表面发生吸附，形成晶粒粗大的针叶状绿泥石晶体。由于在环边上形成的自生绿泥石体积占据的粒间孔隙很小，因此粒间孔隙在该阶段基本没有变化。在这个过程中可以有石英雏晶的形成。而碳酸盐胶结，浊沸石胶结和溶蚀作用等成岩作用，都应该是在这个阶段以后发生。当然，自生绿泥石也可以通过水—岩反应在没有黏土膜的骨架颗粒或自生石英表面发生沉淀，但不能形成黏土膜，只能形成球绒状集合体充填在粒间孔中，成为破坏性成岩作用。这时该阶段已经进入成岩晚期（图4-12）。

图4-12　绿泥石黏土膜形成过程第Ⅴ阶段

自生绿泥石的生成与颗粒骨架的成分、孔隙水化学成分、成岩时温度、压力等诸因素有关。通过地质背景分析，可推测该区自生绿泥石主要是由钾长石蚀变而成。在弱碱性（弱还原）孔隙流体作用下，钾长石与孔隙流体中的Fe2+，Mg2+等离子结合，从而沉淀出了绿泥石和石英，化学反应式如下：

KAlSi3O8（钾长石）+0.4Fe2++0.3Mg2++1.4H2O=

0.3（Fe14Mg12Al2.5）（Al0.7Si3.3）O10（OH）8（绿泥石）+2SiO2+0.4H++K+

这类成因绿泥石的最大特点就是与自生石英共生，扫描电镜下经常可以观察到叶片状绿泥石黏土膜表面或叶片之间分布着自形的石英小晶体，二者之间没有穿插、交代等现象。

4.2.5.4　绿泥石黏土膜与储层关系

绿泥石黏土膜与物性的关系一直以来备受争议，但多数学者认为绿泥石黏土膜能够保护砂岩孔隙，但本次研究认为绿泥石黏土膜保护砂岩孔隙的能力是有限的，而物性较好的砂岩主要受由其本身的岩石学特征控制。

（1）绿泥石黏土膜对砂岩孔隙的保护有限。

①绿泥石黏土膜不会显著提高岩石抗压实能力。黏土矿物不容易发生溶蚀，但长石和火山岩屑则容易与酸性流体发生溶蚀。如果绿泥石黏土膜包裹的颗粒是长石和火山岩屑，则在充分溶蚀后会留下一个绿泥石黏土膜包壳，形成类似于铸模孔的溶蚀孔。黄思静认为，这种铸模孔没有垮塌，说明绿泥石黏土膜具有一定的支持作用，能提高岩石的机械强度和抗压实能力。黏土膜铸模孔没有垮塌，是由于周边的颗粒承担了上覆压力的原因，不能作为绿泥石黏土膜能提高岩石的机械强度和抗压实能力的证据。

绿泥石属于黏土矿物，在地下高温高压下相对于其他颗粒是塑性的，因此黏土膜的支撑能力很有限。研究区延长组中砂岩压实作用较强，塑性火山岩屑和泥质岩屑压实变形甚至假杂基化都很常见，因此绿泥石黏土膜的出现能够显著提高岩石的机械强度和抗压实能力的说法，缺乏岩石学和矿物学方面的依据。

②绿泥石环边不能够抑制石英的胶结作用。前人研究认为，孔隙衬里的环边绿泥石通过分隔孔隙水与石英颗粒的表面来阻止自生石英胶结物在碎屑石英的表面成核，从而导致在绿泥石胶结作用发生的地方，很少有自生石英生长的现象。本次研究认为绿泥石环边不能抑制石英的胶结作用，主要证据有如下：

a.在成分成熟度较低的陆源碎屑岩中，硅质胶结物含量一般都不高，多分布在2%～5%，因此，即使不存在绿泥石黏土膜，硅质胶结物对孔隙度的影响也非常有限。此外，在弱碱性孔隙流体环境中，长石类碎屑颗粒与孔隙流体中Fe2+和Mg2+离子反应可以同时形成自生绿泥石和石英，说明二者是共生关系，因此，绿泥石不可能抑制石英的沉淀。

b.埋藏成岩过程中一些与增加孔隙水硅离子有关的成岩反应将不断发生，如蒙皂石向伊利石的转化作用（K++Al3++蒙皂石→伊利石+Si4+）、长石的溶解作用（钾长石→高岭石+K++Si4+或钠长石→高岭石+Si4++Na+）和石英颗粒之间的压溶作用等都将造成成岩流体中溶解硅的活动性不断增加。如果流体中溶解硅的过饱和持续存在，即便由于环边的原因不能沿着石英颗粒边缘发生次生加大，也会在颗粒之间沉淀形成连晶状硅质胶结物。

c.绿泥石黏土膜与碳酸盐和浊沸石胶结物伴生现象非常普遍。从成岩结构关系分析，碳酸盐和浊沸石胶结物形成明显晚于绿泥石黏土膜。这类胶结物的形成与硅质胶结物的类似，也应该是从核中心慢慢结晶长大。碳酸盐和浊沸石胶结物能够在绿泥石黏土膜发育的砂岩粒间孔隙中呈连晶状分布的现象也很普遍，说明绿泥石黏土膜能够分隔孔隙水来抑制胶结物形成的机制缺乏说服力。

③自生绿泥石具有晶间孔隙，但对孔隙度影响有限。Hurst和Nadeau利用BES（背散射电子显微镜）研究了自生黏土矿物的晶间孔隙，自生绿泥石存在平均值为51%的晶间孔隙，这些晶间孔隙中的一部分可能是有效的储集空间。自生绿泥石本身将占据部分粒间孔隙，导致孔隙度的减少。从绿泥石黏土膜形成模式图中可以看出，其形成的晶间孔体积与粒间孔相比，可以说微不足道，因此自生绿泥石晶间孔隙不能增加有效孔隙度，就更不用说保护粒间孔隙。统计分析表明，绿泥石黏土膜厚度在5～8μm时对砂岩孔隙保存有一定的积极作用，但厚度过大时（特别是超过10μm）将严重堵塞孔隙喉道，导致渗透率的快速下降。

通过上述分析可知，绿泥石黏土膜不能阻止成岩作用的进行，也不能提高岩石的机械强度和抗压实能力，因此绿泥石黏土膜能保护砂岩孔隙的说法也就无从谈起，相反绿泥石黏土膜能够缩小孔隙，堵塞喉道，使得孔隙度和渗透率降低。由于绿泥石黏土膜比较薄，含量很低，因此对孔隙度的影响也比较有限。

（2）绿泥石黏土膜砂体物性主要受岩石学特点控制。虽然绿泥石黏土膜能降低孔隙度和渗透率，但绿泥石黏土膜发育的砂体具有良好的物性条件，这一现象的确普遍存在。这主要受绿泥石黏土膜发育的砂体岩石学特点所决定。从绿泥石黏土膜的形成过程可知，黏土膜的发育明显受沉积环境控制，主要发育在三角洲前缘的水下分流河道和河口坝。这些区域的岩石学特点主要体现在颗粒粒度较粗、分选较好、磨圆度较高、杂基含量相对较少等，即结构成熟度较高，这些特点才应该是砂岩孔隙度得以保存的主控因素。

①粒度较粗，砂岩初始孔隙度较高，经过相同的压实过程，其剩余孔隙度也会较高；分选较好，磨圆较好，颗粒间支撑面积大，抗压实能力就会增强；

②杂基含量较低。由于水动力较强，细粉砂和黏土杂基沉积较少，卸载的基本都是较粗的颗粒，杂基含量较低，砂岩较纯，缺乏压实作用发生的润滑剂；

③压实作用影响较小，保留下来的孔隙较多，可为后期酸性水介质流动提供运移通道，有利于后期溶蚀作用的不断进行和溶解物质的搬运，从而改善砂岩孔隙体系的连通性。

综上所述，绿泥石黏土膜发育的砂体物性较好，主要是由于强水动力条件下沉积的砂体岩石学特点决定，与绿泥石黏土膜关系不大。因此，鄂尔多斯盆地延长组储层中寻找高效储层的勘探部署应注意寻找强水动力条件下形成的砂体。

4.2.5.5　绿泥石黏土膜成岩相

黏土膜比较发育的砂岩通常形成于水动力条件较强的水下分流河道、河口坝等沉积环境中，水中携带的悬浮状、细粒黏土碎屑在沉积物沉积后，可以以碎屑颗粒表面为基底，呈凝絮状，缓慢堆积在颗粒表面，形成厚度均匀的薄膜。后期的绿泥石黏土矿物发生沉淀，在表面呈树叶状分布。工区黏土膜发育的砂岩中，也可以看到很多石英次生加大、方解石胶结物和浊沸石胶结物，因此前人所说的因为黏土膜能阻止成岩作用进行，保护粒间孔隙，才使得储层物性较好，是没有道理的。从形成机制上说，绿泥石黏土膜标志着较强的水动力条件，砂岩的粒度相对较粗，分选较好，杂基较少，抗压实能力较强，储层物性相对较好。

绿泥石黏土膜成岩相的划分标准见表4-4。以此为基础，划分出绿泥石黏土膜成岩相的分布。从图4-13可知，绿泥石黏土膜成岩相在长63时期主要分布在工区的西北部的三角洲前缘地区，长81时期分布面积较广，在中部地区相对缺乏。

表4-4　绿泥石黏土膜成岩相划分标准

图4-13　华庆地区延长组长63和长81绿泥石黏土膜成岩相分布