0 引言
铝土矿（岩）作为重要的铝金属矿产资源得到研究人员的高度重视，前人［1-10］已从风化、搬运、沉积等角度出发对其做过大量研究工作。国内外学者公认可根据基岩类型划分铝土矿的成因，主要分为喀斯特沉积型和红土型2类，产于碳酸盐岩古喀斯特面之上的称为喀斯特沉积型铝土矿，产于铝硅酸盐岩之上的称为红土型铝土矿［11-12］。华北地区分布广泛的铝土矿资源，赋存于奥陶系或寒武系风化壳上部、石炭系底部，有人称之为“山西式铝土矿”［8］，属于沉积型铝土矿［8-10］。鄂尔多斯盆地奥陶系顶部（有些地区为寒武系顶部）风化壳具有较厚的铝土岩（矿）沉积，长期以来一直被作为盖层研究［13-14］。前人在对华北地区铝土岩进行研究过程中也提出了“多孔或蜂窝状铝土矿”的概念，主要是指该层属于优质铝土矿，其分布稳定，孔隙度相对较大［8，15］。
将铝土岩作为天然气储层进行研究，国内外鲜见公开报道。自2020年以来，长度油田在鄂尔多斯盆地陇东地区已有50余口井钻遇铝土岩，其中半数以上井含气显示明显，部分探井已获高产工业气流，主要分布在庆阳古隆起东侧庆城地区及正宁北地区（图1）。岩心资料及分析测试表明陇东地区石炭系底部“多孔铝土岩”发育良好，且分布相对稳定，孔隙度、渗透率较高，上部煤系地层及炭质泥岩发育，源储配置好，展现出良好的天然气储集能力和勘探前景。铝土岩分布明显受到喀斯特古地貌的控制，在奥陶系或寒武系上部低洼处沉积明显较厚，厚度可达15 m，最厚者可达20 m以上，地貌相对高处沉积厚度仅为2~4 m，甚至无铝土岩的沉积。
①铝土岩研究专班工作成果. 长庆油田内部资料，2021.
为深入认识铝土岩储层的特征及形成机理，本文通过铸体薄片、X-射线衍射、扫描电镜、常规物性及恒压压汞等分析测试手段，对鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩储层岩石学特征、矿物学特征、储集空间类型及成因进行系统研究。研究过程中使用仪器设备主要包括：美国FEI公司的Quanta FEG 450场发射扫描电镜，分辨率为0.7 nm；美国Corlab公司的CMS300孔渗测定仪，孔隙度分析精度为0.02%，渗透率分析精度为0.001×10-3 μm2；9520Ⅱ恒压压汞仪，最高进汞压力可达400 MPa；四川大学XQF-6C型真彩色图像分析仪，精度为1%；德国布鲁克公司D8 Focus X-射线衍射仪，精度为0.01°；苏州纽迈分析仪器股份有限公司MacroMR12-150H-I大口径核磁共振岩心分析与成像系统，精度为0.01 ms；德国Leica公司4500P型偏光显微镜，精度为0.27 μm等。
1 岩石学特征
1.1 组构特征
通过探井岩心观察、测井、薄片、X-射线衍射、扫描电镜等资料分析，陇东地区太原组铝土岩具有层状（理）、块状构造，粒屑结构、晶粒（粉晶）结构、凝胶结构及藻黏结结构等。硬水铝石主要以隐晶质及晶粒镶嵌状结构形式出现，少量以自形—半自形板柱状晶体等形式出现。沉积序列从下到上（图2）依次为：A段（铁质铝土岩段，厚度约为1.5 m）：黄铁矿质铝土岩［图3（a）］，矿物成分以黄铁矿、硬水铝石、伊利石等为主，结晶细小，黄铁矿呈结核状。B段（铝土质泥岩段，厚度约为2.5 m）：砂砾屑结构，含角砾［图3（b）］，矿物成分以绿泥石、伊利石、硬水铝石为主。C段（铝土段，即多孔铝土岩段，厚度约为6.0 m）：以土状、多孔状构造为主［图3（c），图3（d）］，矿物成分以硬水铝石为主；下部层理发育［图4（b），图4（g）］，同时见准同生期的砂砾屑结构（图4），具有压扁拉长的特征，分选差，大小混杂，有一定程度的磨圆［图4（b），图4（c），图4（f）—图4（h）］；豆—鲕粒丰富，大小为0.05~0.3 mm，圈层结构明显，一般为3~7层，鲕核成分与圈层结构的成分一致，均为硬水铝石［图4（a）］，与碳酸盐岩中鲕粒的鲕核为陆源碎屑或生物碎片具有显著差别。层面一般绕过豆鲕粒［图4（a）］，粒间与鲕粒的成分一致，说明鲕粒属于准同生期形成的，而非高能环境下形成的［8，15］，局部可见藻类活动的痕迹［图4（h）］，与华北地区沉积型铝土岩具有相似的生物活动特征［9］。D段（含硅铝土岩段，局部发育，厚度约为1.4 m）：自生硅质丰富，结晶细小［图3（e）］，一般粒径在0.1 mm以下，镶嵌状接触，并含有伊利石、高岭石等，局部可见硬水铝石。E段（炭质泥岩或煤线段，厚度约为1.2 m）：炭质泥岩及煤线［图3（f）］等，反映沉积后期的泥炭沼泽化强还原环境，为后期的溶蚀作用提供酸源。总体上沉积序列表现为底部富铁、中部高铝、上部多硅、顶部含炭（煤线）等规律。与前人［8，10］对华北地区铝土矿普遍自下而上依次表现出铁、铝、硅、炭的沉积序列类似，说明陇东地区铝土岩的沉积序列、岩石学特征等与华北地台铝土矿具有高度的相似性，均具有湿热的气候条件、负地形沉积空间、充裕的风化时间（研究区风化剥蚀时间长达1.2~1.5亿年）、植被与微生物参与、氧化和酸性的沉积环境、通畅的古水文系统（古水位）等是铝土矿形成的主要的成矿地质条件［16］。其沉积也受到古隆起的制约［8］，分布于古隆起东部斜坡及低洼地带。
图2 陇东地区太原组铝土岩沉积序列Fig.2 Bauxite sedimentary sequence of Taiyuan Formation in Longdong area |
图3 陇东地区铝土岩沉积序列典型岩心照片（a）L58井，4 051.90 m，黄铁矿结核，铁质铝土岩，A段；（b）L58井，4 055.78 m，砂屑、豆鲕结构，硬水铝石含量39.0%，伊利石+绿泥石总含量53.5%，铝土质泥岩，B段；（c） L58井，4 048.85 m，土状多孔铝土岩，C段下；（d）L58井，4 048.75 m，多孔铝土岩，孔洞发育，C段中上；（e）L58井，4 039.30 m，含硅铝土岩，D段；（f）L58井，4 036.76 m，煤岩，E段 Fig.3 Typical core photos of bauxite sedimentary sequence in Longdong area |
图4 陇东地区铝土岩储层孔隙组合特征（a）豆—鲕状硬水铝石岩，L47井，4 114.00 m，豆鲕溶孔，示顶底构造，底部泥晶硬水铝石，顶部针状硬水铝石，纹层具有绕过鲕粒特征；（b）残余豆—鲕状硬水铝石岩，L58井，4 049.16 m，豆鲕壁溶孔，纹层绕过粒屑；（c）泥晶砂砾屑硬水铝石岩，L58井，4 050.76 m，粒间溶孔及微裂缝；（d）残余砂砾屑硬水铝石岩，L58井，4 047.52 m，晶间溶孔（针孔）；（e）粉晶硬水铝石，CH3-25-11井，3 806.65 m，硬水铝石晶间孔及晶间溶孔；（f）微亮晶砂屑硬水铝石岩，L47井，4 100.00 m，豆鲕间形成的硬水铝石晶间孔；（g）泥质硬水铝石岩，L58井，4 044.99 m，局部可见准同生期砂屑，纹层发育；（h）藻黏结粉晶硬水铝石岩，L58井，4 048.75 m，凝块石成岩早期硬水铝石化，无溶蚀，基质藻黏结结构，硬水铝石化过程中有溶蚀作用 Fig.4 Pore combination characteristics of bauxite reservoir in Longdong area |
1.2 矿物组分及岩石学特征
经X-射线衍射分析，陇东地区铝土岩的主要矿物成分为硬水铝石、伊利石、高岭石、绿泥石；次要矿物成分包括电气石、锐钛矿、黄铁矿；微量矿物成分包括石英、长石、金红石、赤铁矿及石盐等，部分可见孔隙充填方解石、菱铁矿及（铁）白云石（表1）。L47井4 094.00 m，D段（含硅铝土岩段），石英含量占比为53%，其余样品均小于1%，或未检出；L47井4 123 m，A段（铁质铝土岩段），黄铁矿相对富集，含量达到7.3%。岩石风化后，铝铁等金属离子相对富集，在大气淡水淋滤作用下，铁离子最先滤出，以Fe（OH）3 胶体的相态搬运至负地形沉淀，在强还原环境下形成黄铁矿，其氧化后形成以褐铁矿、赤铁矿等为主的“山西式铁矿”，因此铝土岩底部富铁。C段（铝土岩段）硬水铝石含量最高。前人［15-18］研究表明，硬水铝石成因主要有3种，分别为变质成因、成岩成因和风化成因。研究区硬水铝石主体呈隐晶质及晶粒镶嵌状结构，局部晶间孔发育，与自生矿物锐钛矿等密切共生，因此认为陇东地区太原组铝土岩中硬水铝石属于埋藏期后成岩成因。
表1 陇东地区太原组铝土岩X-射线衍射分析数据表及脆性指数Table 1 X-ray diffraction analysis data and brittleness index of bauxite of Taiyuan Formation in Longdong area |
| 井 号 | 岩性段 | 深度/m | 矿物含量/% | 脆性指数/% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 石英 | 长石 | 方解石 | 白云石 | 铁白云石 | 菱铁矿 | 黏土 | 黄铁矿 | 硬水铝石 | 其他 | ||||
| L47 | D | 4 094.00 | 53.0 | 0.3 | 38.5 | 0.3 | 1.5 | 4.3 | 1.0 | 1.1 | 54.3 | ||
| C | 4 114.00~4 116.00 | 1.0 | 0.2 | 0.2 | 9.3 | 3.0 | 82.3 | 4.1 | 89.8 | ||||
| B | 4 119~4 120.00 | 0.6 | 0.2 | 0.2 | 5.2 | 34.1 | 0.5 | 50.2 | 9.1 | 56.2 | |||
| A | 4 123.00 | 0.7 | 0.0 | 0.5 | 65.4 | 7.3 | 6.9 | 19.2 | 9.4 | ||||
| L58 | C | 4 045.55 | 2.3 | 0.2 | 89.7 | 7.8 | 97.5 | ||||||
| 4 047.10 | 0.7 | 0.1 | 93.1 | 6.1 | 99.3 | ||||||||
| 4 048.16~4 048.30 | 0.1 | 0.1 | 0.6 | 95.9 | 3.3 | 99.3 | |||||||
|
根据前人［8-9］的研究成果，结合研究区特征，本文借鉴碳酸盐岩的定名方式，对研究区铝土岩进行定名，按其岩石基本结构分为5类：（残余）砂砾屑结构［图4（c），图4（d），图4（f）—图4（h）］、残余豆—鲕状结构［图4（a），图4（b）］、晶粒（粉晶）状结构［图4（e）］、泥质结构［图4（g）］以及显示藻类活动的凝块结构、藻黏结结构［图4（h）］等，局部发育残余凝胶结构，与其对应的基本岩石定名可分为：砂砾屑硬水铝石岩［图4（c），图4（f），图4（g）］，泥晶（微亮晶）豆—鲕状硬水铝石岩，泥晶、细晶及粉晶硬水铝石岩［图4（e）］，泥质硬水铝石岩［图4（g）］，凝块石、藻黏结硬水铝石岩［图4（h）］等。铸体薄片分析显示，研究区铝土岩具有非常丰富的藻类活动记录［图4（h）］，说明沉积时期在一定程度上受到海水的影响。
1.3 脆性指数
储层的可压裂性质即储层的脆性指数是储层后期改造需要评价的重要参数之一，脆性指数越高，可压裂性越强。前人［19］用矿物学方法计算储层脆性指数，能够满足储层脆性指数的评价需要。研究区铝土岩中主要矿物为硬水铝石及黏土矿物。硬水铝石分子式为AlOOH，密度为3.3~3.5 g/cm3，摩氏硬度为6~7，性脆，与石英的物理性质相当（石英摩氏硬度为7）。因此铝土岩的脆性指数计算方式可按照式（1） 计算，即将硬水铝石按照脆性矿物来计算即可，其结果对后期的压裂改造具有重要参考。
经计算，C段的脆性指数可达96.5%，B段也能达到56.2%（表1）。此外，岩石力学实验也表明研究区铝土岩具有高杨氏模量（36.4 GPa）、高泊松比（0.35）特征，适合天然气储层后期压裂改造。
2 储层物性、孔隙结构特征
2.1 主要储集空间类型及组合
陇东地区铝土岩孔隙组合主要以溶孔、晶间溶孔、晶间孔为主，偶见半充填的裂缝。溶孔是陇东地区铝土岩储集层的主要储集空间，包括豆鲕、砂砾屑溶孔、粒（砾）间溶孔和晶间溶孔，一般分布于铝土岩C段中上部。溶孔一般有豆鲕溶孔，呈椭圆状或弯月状，具示底构造［图4（a）］，半充填半月状［图4（b）］，大小约为5~200 μm，呈不规则状［图4（c）］，具明显的大气淡水淋滤作用特征；粒屑溶孔一般分布于粒屑内部，大小不均，介于5~100 μm之间［图4（c）］；粒间溶孔一般分布于粒间或豆—鲕间，呈垂直条带状，长度达到1 mm以上［图4（c）］，说明渗流带发育。晶间溶孔孔径较小，一般分布于基质中，大小介于2~3 μm之间，形态不规则［图4（d）］。硬水铝石属于沉积期后成岩期形成的矿物，与此同时还有大量的一水软铝石，该矿物不稳定。晶间孔是埋藏成岩期晶体结构疏松、体积较大的一水软铝石转化为结构紧密的板柱状硬水铝石的过程中体积收缩而形成的。晶间孔也是铝土岩的主要储集空间，大小一般介于1~3 μm之间，形态规则，为板柱状硬水铝石晶体之间的架状孔隙［图4（e）］。裂缝偶见，呈充填—半充填状，具有一定的储集能力，但不是主要储集空间类型［图4（c）］，对连通孔隙起到了一定的作用。
2.2 物性特征
按照研究区取心分析资料，A段—B段储层物性普遍较差，孔隙度一般在0.52%~5.45%之间，平均为2.23%，渗透率一般为（0.006~0.35）×10-3 μm2，平均为0.059×10-3 μm2。C段是物性较好的层段，尤其是C段中上部孔渗更好，也就是多孔铝土岩，其厚度可达到6 m，孔隙度在6.62%~28.7%之间，平均为14.67%；渗透率介于（0.01~38.55）×10-3 μm2之间，平均达到5.57×10-3 μm2。D段物性差，孔隙度约为5.53%~13.77%，平均为7.87%，渗透率最高为0.068 7×10-3 μm2，平均为0.011 8×10-3 μm2（图5）。
研究区储层物性优于盆地奥陶系碳酸盐岩储层物性，属于I类优质储层。岩心观察表明，裂缝不发育，孔隙度和渗透率具有较好的线性相关性，仅个别样品具有裂缝的特征（图6），佐证研究区铝土岩储层属于孔隙型储层。
2.3 孔隙结构特征
核磁共振分析显示，研究区储层C段（铝土岩段），即多孔铝土岩段，在450 psi离心条件下，可动流体饱和度高（图7），均在50%以上。其中L58井深度4 045.90 m可动流体饱和度为55%，深度4 048.30 m 可动流体饱和度可达80.8%。
恒压压汞分析表明，高渗储层段孔隙连通性好，排驱压力一般介于0.17~0.37 MPa之间，最大连通孔喉半径一般在2.01~4.22 μm之间；中值压力一般在5.90~6.72 MPa之间，平均喉道半径一般在0.11~0.77 μm之间；孔喉分选性较差，一般在3.5左右，这也是以溶孔型为主的储层普遍特征。压汞曲线上孔隙平台段一般在60%以上（图8）。
从现有压汞资料来看，微米—亚微米级孔喉系统连通性好，纳米级（<100 nm）孔喉系统连通性极差，在极高的进汞压力（227 MPa）条件下汞介质不能进入孔喉系统，即非润湿性饱和度较高，可达35%~40%（图7），也是铝土岩储层不同于碳酸盐岩储层的典型特征。同时说明铝土岩储层孔喉连通具有强非均质性。
3 储层形成机理
3.1 准同生期大气淡水淋滤作用形成溶孔
铝土质在喀斯特地貌低洼地带沉积之后，其主要物质成分为一水软铝石、高岭石、氢氧化铝胶体、硅酸胶体等组成同生期的粒屑、豆—鲕粒等，化学性质极不稳定；C段沉积结束后，气候温暖潮湿，植被大量繁殖［图9（a）］（E段发育厚段的炭质泥岩和煤层就是证据），形成了大量的腐殖酸，同时大气降水充足，使得流体的pH值小于5［21］，有利于以软水铝石、氢氧化铝胶体为主的沉积物溶解；同时腐殖酸具有强烈络合金属铝离子的特性［20］，使得被溶解的金属铝离子及时带出，有利于形成溶孔发育带。这一时期是孔隙大量形成的时期，以溶孔为主［图4（a）—图4（d）］，其形成的孔隙占储集空间的近77.8%，孔径可达50~150 μm，连通性好（表2）。
表2 陇东地区铝土岩储层孔隙组合统计Table 2 Pore combination of bauxite reservoir in Longdong area |
| 孔隙类型 | 溶孔 | 晶间孔 | 晶间溶孔 | 微裂缝 |
|---|---|---|---|---|
| 面孔率/% | 3.5 | 0.6 | 0.3 | 0.1 |
| 占比/% | 77.8 | 13.3 | 6.7 | 2.2 |
|
3.2 埋藏期硬水铝石化形成晶间孔
3.3 有机酸溶解进一步增加储集空间
4 结论
（1）鄂尔多斯盆地陇东地区太原组铝土岩属于沉积成因型，A、B、C、D、E段沉积序列相对完整，E段为炭质泥岩和煤层（线），为后期溶蚀提供酸源。沉积序列以块状—层状（理）—粒（鲕）屑—晶粒—藻黏结、藻凝块—硅质岩的序列组合，属于内源机械—化学沉积岩，其岩石学命名方法依据碳酸盐岩命名是可行的。
（2）多孔铝土岩分布于C段中上部，以溶孔和晶间孔为主，微米—亚微米级孔隙连通性好，纳米级孔喉系统连通性极差。一般发育在C段中上部，分布稳定。
（3）硬水铝石物理性质与石英接近，属于脆性矿物。多孔铝土岩段脆性指数可达90%以上，具有高杨氏模量（36.4 GPa）、高泊松比（0.35）特征，适合天然气储层后期压裂改造。
（4）孔隙的形成经历3个阶段：准同生期，腐殖酸与大气淡水淋滤作用形成溶孔，是孔隙形成的主要时期，示底构造的存在是其存在的重要证据；埋藏期，硬水铝石化形成晶间孔，是孔隙形成的较重要阶段；炭质泥岩及煤层成熟排出的有机酸使溶孔扩大，晶间溶孔形成，埋藏期形成的板柱状硬水铝石的溶解是其存在的证据，对储集条件具有一定的改善作用。
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