近日，中国地质大学（武汉）资源学院硕士研究生高嘉辰同学，在马奔奔副教授的指导下，在国际学术期刊Journal of Natural Gas Science and Engineering以《Origin of authigenic kaolinite with implications for Permian tight gas sandstone reservoirs in the northern Ordos Basin, central China》为题发表学术论文，揭示致密砂岩气储层自生高岭石的成因来源、物质迁移机制以及对储层致密化的重要影响。
成岩粘土矿物在碎屑岩含油气储层中普遍发育，并对储层致密化过程具有重要影响。研究成岩粘土矿物的成因、来源并揭示其在致密砂岩气储层埋藏过程中的迁移机制与时空分布具有科学意义。自生高岭石是富含铝硅酸盐的砂岩储层的重要成岩组分，这是由于酸性地下水可与不同成岩时期的铝硅酸盐矿物相互作用形成。然而，自生高岭石的沉淀发生在成岩开放或封闭系统中已经争论已久，争论的焦点主要与高岭石沉淀过程中成岩物质的迁移机制与规模有关。
论文以鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区二叠系下石盒子组（P2x）致密气砂岩储层为研究对象，精细表征研究区致密砂岩储层主要成岩产物的岩相学特征，包括高岭石、石英和碳酸盐的沉淀、碎屑长石的溶解和粘土矿物转化，深入揭示自生高岭石的成因和分布模式，评价高岭石胶结作用对研究致密砂岩储层质量的影响。根据薄片鉴定与图像分析，P2x砂岩中主要发育两种形式的自生高岭石（图1）：（1）粒间孔隙充填高岭石（pore-filling kaolinite）；（2）原地交代沉淀的高岭石（in-situ replacive kaolinite）。依据溶蚀沉淀方程与质量平衡计算表明，杭锦旗下石盒子组致密砂岩中自生高岭石和长石溶蚀孔隙度之间具有良好的线性相关性，1体积的钾长石溶解可释放约0.4体积的自生高岭石。因此，可以认为钾长石溶蚀产生的硅和铝为自生高岭石的沉淀提供了重要的物质来源（图2）。
图1 杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩储层成岩矿物类型及其微观赋存特征
图2杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩储层自生高岭石与长石溶蚀孔隙含量关系
下石盒子组致密砂岩流体-岩石相互作用期间，由水-岩反应形成的离子浓度梯度并由此导致的短距离扩散运移是埋藏阶段成岩物质迁移的主要方式。在有机酸侵入厚层心滩和辫状河道砂体过程中，砂岩较高的原始孔隙度会导致强烈的流体-岩石相互作用。该过程可在长石溶蚀过程中导致显著的物质迁移，并导致高百分比的孔隙充填高岭石（相对于原地沉淀高岭石）。相比之下，由于薄层的泛滥平原沉积微相的原始孔隙度相对较低，因此形成了相对较弱的流体-岩石相互作用，长石溶解过程中离子浓度较低并导致较弱的物质迁移。因此在泛滥平原沉积微相中，原地沉淀的高岭石更为丰富。两处自生高岭石的空间分布模式表明在高岭石沉淀过程中，层内溶解物质的扩散迁移是主要的成岩物质迁移机制（图3与图4）。
图3杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩厚层砂岩中分选系数（A）、碎屑粘土基质（B）、长石溶蚀孔隙（C）、碎屑长石（D）、自生高岭石（E）、孔隙度（F）和渗透率（G）变化特征
图4杭锦旗地区下石盒子组致密砂岩不同岩相中流体-岩石相互作用和自生高岭石迁移-沉淀路径演化模式图
这项研究表明，埋藏背景下成岩流体的高速流动以及远距离大规模的物质迁移往往不太可能发生。在埋藏环境极低流速背景下，通过水-岩反应形成的浓度梯度并以此进行的局部短距离溶蚀扩散迁移是深部储层成岩物质迁移的主要方式。因此，深部储层在埋藏期中成岩阶段发生的溶蚀作用并不能导致储层总孔隙度的明显改善，这个成岩改造过程导致储层孔隙类型由原生孔隙转化为次生孔隙，并且大量次生矿物的沉淀导致储层渗透率的显著降低。本论文的研究结果将对类似构造-沉积成因的深部埋致密砂岩储层具有一定的适用性。
该论文第一作者为硕士研究生高嘉辰同学，通讯作者为马奔奔副教授。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jngse.2022.104429
