伊—蒙混层粘土I／S比加大方式及成分控制：以珠江口盆地 …

伊—蒙混层粘土I／S比加大方式及成分控制：以珠江口盆地 … 伊—蒙混层粘土I,S比加大方式及成分控 制:以珠江口盆地 … , |亳 /{ 占曲专天乞业, f,.,}尸j托.)e.三, 伊一蒙混层粘土I/S比加大方式友成分控制 以珠江口盆地两口井为例 c/ ( 南海东三二.嘧柏 对珠江口盆地两口井泥质岩中粘土矿物x衍射分析资料的分段定量研究证实,在渐进成岩过程中.伊一蒙混 层粘土的伊利石层和蒙皂石层的含量之比(us)的加大,与钾长石的溶解有关.有-2种形式:若沉积有机质和钾 长石足够丰富,加大将优先以伊利石层净增加的方式进行,其出现的温度大致与生油门隈温度相当或稍高;低于 该温度,蒙皂石层将按溶解一沉淀机理伊利石化;若无K供给,加大方 式将是蒙皂石净溶解.一般情况下的渗透 率均可保证离子的通畅辅导而与加大方式无关;仅当渗透率低到只 对较大的铝的有机络奋离子具有过j睡作用 时,才可能使净增伊利石层被伊利石化反应所取代;夏低渗透率或体 系封闭将使所有加大行为趋于停止.,, 茎兰窘警努砷溶解工一第一作者简介郭盎华男盘梦’酎教授沉积岩 石学一., 一, , 1研究现状 研究泥质岩成岩作用面对的一个基本事实是, 伊一蒙混层粘土(以下简称为I-S)中的伊利石层和 蒙皂石层均处于准稳定状态…,二者的含量之比 (L,s)会随埋深增加而趋于加大,但当I/S>4:1以 后,加大就极为缓慢,直到温度达到350?左右的 浅变质阶段,残留的少量蒙皂石层才可能最终消 失J.然而,不同人对加大方式和机理却有不同理 解.较为流行的观点认为加大是通过蒙皂石的伊 利石化反应实现的,PoUastro将其看成是”同类相 食”的过程J.对此,目前已提出了两种反应机理, 即固态(或层,层)机理和溶解一沉淀机理L4J.二 者的共同之处是伊利石都是以消耗蒙皂石为代价 而生成的,也都须有外来K的加入并释放出Fe, Mg,?,si;二者的不同之处在于,固态反应前后没 有粘土摩尔数的增加或丢失,消耗蒙皂石和生成伊 利石的摩尔数之比为1:1.已知伊利石比蒙皂石 含有更多的Al,故该反应还须有Al的补充;而 溶解一沉淀(以下简称溶沉)机理却不需要另外的 源,生成伊利石的m就来自蒙皂石的溶解,这 国家自然科学基金49132o505项目资助 收稿日期:1990—08—19 样,反应中被消耗的蒙皂石摩尔数就要大于新生成 的伊利石摩尔数,它们间的比值为1.57:1或 1:0.64L5J.另外,每消耗1个单位的蒙皂石,溶沉反 应要比固态反应少耗费56%的K,而须多释放一些 ME,Fe,?和s.白固态反应被提出来以后,似 乎还未找到支持该反应的直接证据.虽然B~lke 和AltBrle通过以”层”为单位的计算机模拟赞同 该反应,但许多x衍射资料却多少对溶沉反应有 利L5,6J,因而L/s比加大的方式和机理仍是一个悬而 未决的问题.I/S比加大过程中的成分控制一直 受到人们的关注,该过程常具有间歇性或幕式特 点在某个狭小深度段内I/S比可以突然大幅度上 升,而在其他深度段则变化缓慢或基本保持不变. 这被看成是孔隙水化学条件发生了改变的缘故J, 尤其是K的供给被普遍认为是一个重要控制因 素.在碎屑性泥质沉积中,K的基本来源是钾长 石L2J,其丰度与L/s比之问可以显示一定相关 性一[4,91,但也可能没有关系L6J.这种看起来相互 矛盾的现象也许正好说明L,s比加大可能并非全 都是蒙皂石伊利石化自嘴果.]~ocrl[mJ就曾指出, 成岩钻遇的地 层主要由三角洲,前三角洲和浅海碎屑岩系组成, 其中的砂岩普遍含有钾长石,都有强弱不等的溶 蚀,其残余含量在不同层位相差很大(0—20),但 PY井的平均含量(12.5)却低于HZ井(19). 如果原始沉积的钾长石含量差别不大,那么成岩过 程中PY井可能比t-IZ井有更多钾长石被溶解了. 另外,据测定,Pr井所在的白云凹陷有机质含量要 高于HZ井所在的惠州凹陷.生油门限温度在PY 井为100?,在HZ井为105?. 研究岩样共95个(PY井55个,IJ,Z井40个). 除少数岩芯样外,主要是岩屑样,岩屑取样间距大 致为8o一100m.所有样品均取?2胛部分作定 量x衍射分析,有关结果见图1.由于岩屑样的深 度难以确切标定,样品中的成分只能大体反映相当 深睦段内的平均值_2J,因而这里再按US比变化的 图1研究井部分粘土矿物百分含量随深度的变化 F皓1Var~tionbetweenthecontents()orsomecminerals v,-iththe曲irtstudywell 圆圈一虚线为PY井;宴点一实线为皿井 幕式特点在表1中分段列出两口井有关粘土平均 含量的变化.表中各段顶底的温度是按地热增温 率计算得到的. 表1反映1/S比加大方式的有关粘土成分 分段平均百分含?殛其变化 Table1Thesectionedaveragee~atents(%)andvariationofday minerals咄I/Sratioincrea~ways 质量{}教/质量分数/jI/S比舡cc『/S s(游)I-SS1j大方式 PY井 1 l00(I化) 17目D 段间变化一4.蛔(I加) 1860l85 4.83483(1化) 216D196 段间变化一231’:舞’ 2100 l9酷l5.9D3:26.369(I化) 2340l1Q2 段问变化一965—0.l:071+1.24I化 2410106 It4&1O78 3930158 1棚匿问变化+4. 601:842—0?62I 4085 l020?1:71.4.00I6.00 48? I加受间变化一 0.25l+”.75T 4920193 l037.5033.75 5090199 m井 J18.7513.756.876.87(I化) I68O I化臣问变化一2. 0一1:0..6—22+013S游 183O l011674,677加 2 受间变化0:391+391I加 2850122 J07:34.6810.9l 3775148 受间变化01:0.05+0.091化 S溶 31I5I Jl13.7527511加 4130157 说明:1.游S为游离状蒙皂石;卜s为伊一蒙混层粘土;s,1分别为 卜s中的蒙皂石层和伊刹石层. 2.+,一分别表示从上段到下段增加和减少. 3I加,I化,s蓓分别表示伊刺石净增加,蓓沉机理的伊刹 石化,蒙皂石净溶解. 4L/S比加大方式栏中带括号者指游离状蒙皂石,孟括号者 指I—S. 5井深最大值接近或等于完钻深度,不代表最下段的底. E,眷女 蠢 备反 第2期邬金华等:伊蒙混层粘土I/S比加大方式及成分控制——以珠 江口盆地两口井为例101 3I/S比加大方式 图1中PY井在埋深小于1780m的地层中, I—s含量均为0,这表明其中没有碎屑性I—s成 分,虽然HZ井最浅取样深度已含有5的I—s,但 该井与PY井同处一个盆地且共有一个基本物源, 因而我们认为两口井的钻遇地层不含碎屑性I—s. 同样,找们也假定两口井钻遇地层的原始碎屑性游 离状蒙皂石含量也是相对稳定的.这样,在下面的 讨论中,两口井所见I—s和游离状蒙皂石就都被 看成是成岩转化的结果. 表1中如果I—s的I/S比加大是由其中蒙皂 石层伊利石化造成的,那么段与段之间蒙皂石层和 伊利石层的含量将分别减少和增加,且减少量和增 加量之比(表1中的一s/+I)应符合伊利石化反应 前后粘土摩尔数的变化比.按Boles和FIanks的结 构式计算得到蒙皂石和伊利石的分子量之比为 1:1.07.这样,将表1中PY井从段3到段4的 一 s/+I=1:0.71换算成摩尔数之比为1:0.67,与 上述溶沉反应基本吻合.但除此以外,其他的段间 比值与两种反应的预期值均有很大偏离.其中过 大的比值(HZ井的1:0.05,1:O.o6)表明段与段之 间只有少量可能的伊利石化反应(因为伊利石层有 少量增加),主要是蒙皂石层的净溶解;过小的比值 (HZ井的O:3.91,PY井的1:8.42和1:71.oo)又表 明段与段之间除少量可能的伊利石化反应以外(因 为蒙皂石层基本不变或有少量减少),主要是伊利 石层净增加,反应可能仍属溶沉反应. 通过比较两口井段1内各样品点游离状蒙皂 石和游离状伊利石的含量变化(图2)发现,PY井 的减少和HZ井的增加之间具有很好的线性关系 其比率约为1:0.9,换算成摩尔数之比为1:0.8,考 虑到游离状伊利石的增加量中可能还有少量其他 来源,这个比率将更接近溶沉反应的预期值.相同 的转变还发生在PY井的段3之内,直至游离状蒙 皂石完全消失(图2).PY井的I—s开始出现在段 1到段2之间,它只能是由游离状蒙皂石转化而 来.从两段间游离皂蒙状石减少量(4.92)和段2 I—sO蒙皂石层和伊利石层实际具有的含量(各 4.83)分别大体相等看,转化可能是由这部分游离 状蒙皂石以净增伊利石的方式进行的(如果转化是 伊利石化反应,减少的游离状蒙皂石至少应该是 4.83x2:9.66).同样,PY井从段2到段3I—s中 蒙皂石层含量增加了1.53也应是另一部分游离状 蒙皂石向I—s转化的缘故.计算表明,这时的转化 也不符合任一机理的伊利石化,因而也只能是伊利 石净增加.按段3L/s=3:2计算,新增的这部分伊 利石是1.53x3/2:2.30,而I—s中伊利石层的实 际增加量是4.71,因而还有4.71—2.30=2.41的 伊利石层必是由段2的I—s在转化过程中净增加 的.也就是说,这时的转化是游离状蒙皂石和I—s 同时参与的结果.2.302.41这个事实说明,如果 同时参与的是伊利石净增加,那么二者的净增量必 定相等或大体相等并且只受L/s比加大后的产物 的控制而与加大前的IVS比无关.这也是为什么 恰好是1.53(而不是别的数量)的游离状蒙皂石转 化成了I—s的原因.剩下的问题是这时段间游离 状蒙皂石的减少量2.31>1.53,如果这不是成分检 测的误差所致,那就可能有少量(2.31—1.53= 0.78)游离状蒙皂石继续按段1内的伊利石化反应 转变成了游离状伊利石.如果确实如此,那么游离 状蒙皂石的变化就与I—s的变化幕并不完全同 步,其原因可能与二者的粒度差异有关,即转变成 游离状伊利石的那部分游离状蒙皂石的粒度要比 共生的I—s更细,因而I/S比的加大出现得更快 (或更早)一些_2_2.支持这个推测的证据是两口井 的游离状蒙皂石都可以不经过I—s阶段而直接转 变成游离状伊利石,这或许只有在粒度极细的情况 下才可能发生. 2O蛐柚曲 I质量丹戢, 图2部分层段样品中游离状蒙皂石(s)和伊利石(I)含量 相关图 Hg.2c[础魄阻plldfreeil]iteand忙~~tlents(%)in eaB’d笛.fa蛆ne口a 圆圈为PY井段1,三角为PY井段3,实点为Hz井段1 综上所述,如将游离状蒙皂石的I/S比视为0, 则在研究井中I/S比加大方式不仅仅是伊利石化, , . 一 P,?,.1 呓,,一,., 一 ,,?一 , , .’.I , , . , , 一 .,,_. ,_ 石油与天然气地质第2o卷 还可以是蒙皂石净溶解或伊利石净增加,而且伊利 石化还是按溶沉机理进行的. 4成分控制及其影响因素 在3种加大方式中,蒙皂石净溶解无须另外的 反应物,仅须不断清除溶解离子.溶沉反应的伊利 石化则须在清除多余离子的同时不断供给K,而 伊利石净增加则须同时供给K,AP等离子.可 见成岩水溶液的输导和有效反应离子的供给对加 大方式具有基本的控制作用.水溶液的输导与渗 透率有关,而渗透率会随埋深增加而减小,但由于 混质沉积在整个成岩期间通常是向外排水的,离子 的输导一般不会受阻.就此而言,蒙皂石净溶解似 乎总可以进行,只有伊利石化和净增伊利层要受制 于有效反应离子,这就势必要涉及到钾长石(少数 情况是云母)的溶解及其有关过程.在非强酸强碱 (pH=4—10)的水溶液中,钾长石是通过扩散控制 型反应溶解的L11J.K首先从长石表面溶出,而 AP的溶解度很小,反应后不久就达到饱和而与长 石表面无定形的HlSi04结合形成非晶质铝硅酸残 留层.继续溶解将有赖于反应离子穿过该残留层 的扩散作用.显然,提高温度或(和)使溶解铝很快 离开长石表面可以加速溶解过程.Suntam等Ll2的 研究证实,在80,100?有机质热降解的早期阶段 (接近生油门限),由于干酪根断裂和氧化生成的水 溶性羧酸阴离子和酚类可大量络台铝(包括从其他 硅酸盐中溶出的铝)并随孔隙水迁移,这就有效地 促进了长石的溶解,岩石孔隙度和渗透率也可因此 而提高.大致在1(30,120?,羧酸阴离子开始脱羧 而减少,但伴生的非水溶性c儿则可加大孔隙水 的排驱压力反而可加快溶解物质的迁移,同时,温 度上升导致的去络合作用也使AP从络合物中游 离出来成为有效Al3.另一方面.脱羧过程中二 元羧酸变为一元羧酸或一元羧酸变为cH4均要释 放c0,这将使co!分压增高.当温度超过120? 以后,羧酸阴离子进一步减少,整个成岩体系将从 主要受有机酸控制变为主要受无机酸控制,长石的 溶解将继续进行,而溶解速率因温度升高仍可维持 在一个较高水平上.在更高温度(如200?)下,长 石中的K,Al,si等会出现不协调溶解,表面残留层 将产生多孔状渗透通道甚至散塌.溶解速率将只受 产物浓度的控制1.由此看来,净增伊利石层一 般会从羧酸阴离子产出高峰期稍后开始,其温度界 线太体与生油门限温度或稍高温度相当,不到该温 度将会因AP还处在络合状态而只能出现溶沉反 应的伊利石化.然而,仅从有效反应离子的供给和 输导考虑,适宜净增伊利石层时也应适宜伊利石化 反应;同样,适宜伊利石化反应时也应适宜蒙皂石 净溶解,而这显然与研究井的实际情况不符.研究 井中净增伊利石层和伊利石化反应都可单独出现 (表1),说明在一般成岩过程中,3种方式的出现可 能有其优先顺序,即当K足够丰富而有效AP缺 乏或被净增伊利石层优先消耗到一定程度后,伊利 石化mp;热_ 图3泥质岩沉积有机质演化和I/S比加大方式的趋势性 分带 ?.3Trend~nation0fdepositedomicmm口evdutionand I/Sratioincr髓肫waysin?西llarocks 与研究井符合得并不好,它比两口井实际显示的界 线温度要分别高或低约20?,埋深更大时,两口井 也不都是净增伊利石层(表1),而且图中也未包含 蒙皂石净溶解,因此对该图还须作进一步补充说 明: (1)即使在含油盆地中也不是所有泥质沉积都 含有丰富有机质.若遇有机质较少,热降解所能产 生的有机酸和酚类也将减少,如其他条件相同,只 有提高温度才能使有效AP满足净增伊利石的需 要,界线温度也将随之升高.HZ井较高的界线温 度可能与此有关. (2)铝的有机络合离子在pH值上升(如遇002 大量逃逸)时也可发生去络合作用u2l,因而有足够 第2期邬金华等:伊一蒙混层牯土I/S比加大方式及成分控制——以 珠江口盆地两口井为例103 多的有机络合离子产出(并非一定是产出高峰)时 的?H值上升将会使界线温度相应降低.PY井较 低的界线温度或许就是这个缘故. (3)当渗透率因其他白生矿物(如方解石,二氧 化硅等等)大量沉淀而降得过低时,铝的有机络合 离子就可能因其半径远大于单元素离子和水分子 半径而在迁移途中被选择性过滤.结果就可能是净 增伊利石被溶沉反应的伊利石化所取代.PY井在 段3和从段3到段4的变化可能就遭遇到了这样 的背景条件.如渗透率更低或体系完全封闭,所有 反应都只能靠扩散作用进行,I/S比加大将极其缓 慢或趋于停止.地质历史中某些泥质岩或钾质斑 脱岩至今还含有较小I/S比的I—s【13,14以及在深 埋条件下残留在I—s中的少量蒙皂石层难以最后 消失可能就与体系封闭有关(后者可能还与K, AP等的充分供给有关). (4)通常陆源性泥质沉积可能不乏细屑状钾长 石,由它释放的K至少可以保证以相应速率进行 溶沉反应的伊利石化.只有当钾长石含量过低或 溶解过于缓慢而温度条件又迫使I/S比升高时,蒙 皂石才可能净溶解.ttZ井砂岩中钾长石溶解相对 较少,这和与其共生泥质岩中有机质含量相对较少 不无关系.由此推测,该井泥质岩中钾长石的溶解 速率也比较低,这也许就是两次出现蒙皂石净溶解 的根本原因. 最后提出一点,虽然上述3种I/S比加大方式 会受成分制约,但加大本身似乎不会因成分不同而 停止,只要成岩水溶液输导通畅,加大总可以3种 方式之一进行,而这显然与加大的幕式特点不符. 我们推测,任何I/S比都有一个相对稳定的温度范 围,只有超出这个范围,加大才会采取与当时的成 分条件相适应的方式开始.至于开始以后的进行 速率就处在各种动力学因素的控制之下了. 5结论 泥质岩渐进成岩过程中伊一蒙混层粘土的I/S 比可通过3种方式加大,实际出现哪种方式取决于 成分和有关因素; (1)若沉积有机质和钾长石足够丰富,加大将 优先通过净增伊利石层进行,其出现的温度界线大 致与生油门限或稍高温度相当.低于该温度则会因 有效AP不足而出现溶解一沉淀机理的伊利石化. 该界线温度会随有机质丰度的减少而升高或pH 值的上升而降低.渗透率通常与加大方式无关,只 有当它低到仅对较大的铝的有机络合离子具有过 滤作用时,净增伊利石层才可能停止而代之以溶 解一沉淀机理的伊利石化. (2)在基本无K供给(如钾长石已全部溶解或 溶解速率过低),其他离子运移通畅的情况下,加大 方式将是蒙皂石净溶解. 参考文献 1如ngWT.龇EJ,盯DR.n如胍d咖唧 y0f曲t~rophyllite肌d吐I忙:Dire,I啦he 眦岫组l时0filli~.0}肌d0町MiM.1990,38(3):225—240 2W哪盯CD.C.IrIldsBrd.NY嵋k:?a盯Sden睫P- tlgO:一pyINC,1989.417—449 3】丑gh0RM.蛐啷】0gio日l舯-?pIull-gic日ld舯Dehh眦- dm0filli~m?a0fi毗rDek.口BBrdQ町n盯, 1985.33(4):265—274 4w甘J.E】i目EV.}’嘟ME.d.M?h鲫n0fm锄’ pIIi曲0fIb0E口啦靳r哪:lMinec日lHc甘雌 cs?ArnBIdl,1975.87(5):727—757 5‰JR.FI肌bSC.CNy击昭瞰B帕蛐删地nmJ sPd,1师,49(1):55—71) 6l1且日l【JH,B哪aL,1989,73(1);1一站 13IjG,MJK.鞭玎DR.Pl酋啪0fd盯?删?出吐Ph- camL(1.1cd)?删cIIF?m山e呻0fek口me IIe,出.ay?,1995.43(3):361—376 14UC,c啦DR,C?DS.natlmm帅0f卸ktoim b目TI蛆ika?od呻bnK出P,Z6阳d: m,a?.1997.45(1) (下转第119页) 第2期许广明:高分辨率层序地层学在油藏数值模拟中的应用119 够对分层开发的数值模型进行调试和验证的话,按 照层序地层对储层的划分来建立分层开发的数值 模型,层序地层学的研究将更能显示出它的巨大作 用 参考文献 1薛良清.层序地层学研究现状,方法与前景石油勘探与开发. 1995.22(5):8—13 2罗伯逊JD,伯尔MD,霍尔斯德PH,等着.地震勘探在油气开 发中的应用.范伟粹,韩一伟译.北京:石油工业出版社.1992 3邛宏文.美国层序地层学研究中的新学派——高分辨事层序地 层学石油与天然气地质,1995,16(2):90,97 4邓宏文,王洪亮,李熙苗层序地层地层基准面的识别,对比技 术及应用石油与天然气地质.1996.17(3)}177—184 APPLICATIONOFHIGH?RE,SOLUTIONSEQUENCESTRATIGRAP HY IRE团班,0?N【瓜删CALs]?】IAT10N XuCI1日r (髓珏毋&础and:,5,均铙) XuHuaida ((嘶&?榔,且概) K0IlgXlangyan (clo毋ofsm,:,,l/~ei) Abstract AcoDrd.mgto咒.日 edstratigraphiebase—levelcyclesandtheresultsofr1le.dptl1taI1si帆,logs.ueD.器 weremarked0nBei豇nicprofiles且 ndwerecontrastedwitheschothers0astoobtainreseawoirhi.咒s0Ius0quence 8tI砒[叩 cvork.Takeinterme~alie-termcycleasthestratitle~ion0freservoirphysicalra ~tel,thedistillation 0ft}.ecycle’ssed.m1el1tarymicrofaeiescouldbeuBetodividen?h.m嘴甜 10IIs洲hegi0nsofthemodel_Areservoir phy~icalmodelestablishedbyapplicationofabovementionedn0dBmustbel n0rpmetieal;thereservoirn~ieal situationwiUbeln0I?easiertomatchwitII~11211lllllproductionhistory. Ke研0rds:lli出Ie80lL_sequence曲吲r响目elevelr精er岫打士lI 柚cal曲咖oII?出功er帅髓acies (上接第103页) I/SRAT0ICEt】队SEWAYSNDrIIsC0M嗍10NC0N玎王oL0F ?.I.IIE.SM卫CITIEM叮LA?RC1.AY: ANEXAMPLEOFTWOWEUIN五删IANGK0UBASIN WuJinhuaYuShuyu ((c抽|已r&?榔.’n) XuShiceUuIihl】日 (蝴,m翻啦&帅sm血cloSea伽凸础,嘲融) Ahnmn Based锄,heseefonedq咖t臼ve8衄dyofxRDdataofclaymine妇jsin脚lfromt’wellsinu珊l【0lJ Ba8in,itisprovedthattheincrease0ftheratioofiIllteandsmeefitelarc0ntentgi nillite-smectitemixed.1ayercl町 (IZS)isrelatedIn且irIlytothedJs~lufionofpotassiumfel&l~r.e? &l~ited0rgacBIIl诅rIce9andpotassiumfel&. parareabundant?0Il,theratioincreasewouldpmee~:lbythenetirIcrea8e0fil litelayersatthe蛔唧日atLIlerosily ?m绅0口di【Igtoorsliflyhiel”tIlaIIthatoftheoilgenerationthIesh0ld;whent}Ietemper~. kreislowerthantIIal0f 山 re,hold,smeetitelaIBwbeconvertedtoilliteaccordingtodissolutionprecipitationmeeh~sm;if1110supply0f K,theratio,a~ldi【Icasebynetdis吕0lIl0n0f田necd 【elayers.Ingeneral,theincreasewaysBindependentofthe permeabilitybecauseitcoIddmuallyatheionstotransportsmoothly.Onlywhenita8astofiltermerelyt}.e 0Igacc0l?plexaluminiumi咖,,}Ieilliti~tionreactionw帆 ddBubstefortheneta&li~ofillitelaye~.Permeabili tyev衄l~’erthan山alorthesystembeiJ1gcloBed,a~ldstopthetrendofthei【inallways. 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