[科普中国]-储层成岩作用

简介

一个含油气盆地的成岩演化规律通常是石油与天然气勘探的主要研究内容之一，然而，影响碎屑岩系储层成岩作用的因素很多，主要有盆地构造演化、沉积体系的分布、埋藏史、盆地的热演化史以及地下水溶液的活动等。这就要求石油地质工作者在分析某一时期或某一层位储层的孔隙演化时，要将盆地的构造、沉积与成岩三者的特征进行综合考虑，把它作为一个有机的整体进行分析和研究，并采用多学科的理论与方法来讨论孔隙随时间、空间和层位的演变而发生的一系列变化。正如上章储层非均质性的影响因素一样，决定储层孔隙发育规律的宏观因素为：①构造演化的阶段性；②沉积格局的复杂性；③成岩作用的多样性。

碎屑岩的成岩作用是指碎屑沉积物在沉积后到变质作用之前，这一漫长阶段所发生的各种物理、化学及生物变化。碎屑岩的一系列成岩变化，对碎屑储集岩的孔隙形成、保存及破坏均起着极为重要的作用，对储层物性有着决定性的影响。因此，储层成岩作用研究重点是对那些引起物性变化的成岩事件（包括对孔隙的破坏作用和导致次生孔隙形成的作用），探讨储层中孔隙的演化规律，以此预测有利油气带。1

成岩作用的基本要素碎屑物质在沉积之后，岩石变质之前，与孔隙流体之间，会发生各种可能的物理、化学反应，反应的方式、过程及和程度随着岩石成分、流体性质、温度和压力的变化而变化。换句话说，岩石、流体、温度和压力是发生各种种成岩作用的基本要素，即基本成岩参数和条件。一般认为，岩石和流体组成的这一成岩系统是一种开放、半开放或封闭的系统。因而，准确地确定某一成岩反应发生时各反应物、产物和反应条件等是成岩作用研究所追求的目的之一；并在此基础上推断或预测孔隙形成与演化。

一）岩性

碎屑岩储层的岩性包括碎屑颗粒、填隙物（胶结物与杂基）的成分、结构和组构等，它主要受控于储层形成的沉积环境和沉积后所发生的各种成岩变化。如岩石中的自生矿物就是由于岩石孔隙流体中某些离子过饱和，在一定的温度和压力条件下沉淀所致。故自生矿物的成分、结构和组构可直接反映成岩作用的环境。因此，系统而又准确地观测与分析岩石的成分，尤其是自生矿物的成分、结构和组构就可以分析和判断曾经发生过的各种成岩变化，即从成岩产物来推断成岩作用对原生矿物成分、结构和组构的改造，则是研究成岩变化成因与分析其机理的关键。这是由于地下水溶液对碎屑矿物颗粒的溶解，淡水对颗粒的淋滤以及矿物之间所发生的交代作用等，都是依据其成分与结构的差异所进行的，具有明显的选择性。选择的条件就是其影响成岩的基本因素和成岩环境。

二）温度

温度是发生各种成岩变化的基本条件之一，其大小不仅可以影响成岩作用的类型与速度，而还影响成岩作用的方向。成岩作用发生时的地温，即古地温计算与恢复则是其关键。通常而言古地温对成岩作用的影响大致有以下几个方面：

①影响矿物的溶解度：大多数矿物的溶解度会随着温度的增加而增大。 ②影响矿物的转化：实际资料表明，地温梯度不同，矿物转化的深度不一。

③影响孔隙流体和岩石的反应方向：因为化学反应的平衡常数受温度控制，温度的变化势必引起反应的变化。在一种温度下，一定的成岩反应可以形成次生孔隙，在另一种温度下可能形成自生矿物而堵塞孔隙。

④古地温控制下有机质的成岩演化序列：有机酸对矿物颗粒的溶解是形成次生孔隙重要途径之一。

碎屑岩系油气储层沉积学——第四章

有机质随温度的变化衍生出不同的化学成分，而不同化学成分的有机酸对矿物的溶解则明显不同。

综上所述，古地温是成岩作用阶段划分主要指标之一。古地温的确定是成岩作用研究的一大难题，虽然已出现了多种方法，但常用的方法有：①流体包裹体测温；②镜质体反射率；③粘土矿物组合及转化；④自生矿物的分布和演变。

三）压力

压力的大小对成岩反应具有一定的控制作用，主要表现在影响成岩的进程速度与方向。常用的压力参数有静水压力（Ph）、孔隙流体压力（Pp）、有效应力（Pf）、剩余流体压力（Pe）及静岩压力（Pt—总压力）。孔隙流体压力等于上覆水柱的重量时，称为静水压力；比上覆水柱重量大的孔隙压力称为剩余压力，当孔隙流体压力大于静水压力时（超高压），有效应力相应变小，直至为零。压力参数直接控制了储层的机械压实和压溶作用，也可以说是直接控制物性的一个重要因素。此外，大部分矿物的溶解度会随着压力的增加而增大，因此，在成岩作用的中后期，压力是控制物性的一个间接因素。

四）流体

储层中所见到的自生矿物的沉淀与溶解作用是沉积盆地内大量溶解物质所造成。成岩期间储层中存在着不同成分的孔隙流体或地下水溶液，这种流体是重新分配矿物的动力学条件。因此，其化学成分和活动程度对成岩作用起着很重要的控制作用。具体来说；孔隙流体一般包括孔隙水、油和气，孔隙水的影响最突出。2

主要成岩作用成岩作用的四个基本要素决定了可能发生的各种成岩作用。流体性质与矿物成分决定矿物是被溶解而形成次生孔隙，还是发生沉淀而堵塞孔隙。可以说，成岩过程是孔隙的形成与消亡的交替过程。因此，依据成岩作用对砂体孔隙演化的影响，可将其分为两大类：一是降低砂体孔、渗性的成岩作用：主要有机械压实作用和胶结作用，其次为压溶作用和重结晶作用；二是增加砂体孔渗性的成岩作用：主要为溶解和淋滤作用。交代作用对孔隙的影响不大，

但可为后期溶解作用提供更多的易溶物质从而有利于溶解作用的进行。2

机械压实作用机械压实作用是沉积物在上覆重力及静水压力作用下，发生水分排出，碎屑颗粒紧密排列而使孔隙体积缩小、孔隙度降低、渗透性变差的成岩作用。影响碎屑岩的压实作用主要有颗粒的成分、粒度分选、磨圆度、埋深及地层压力等。机械压实作用的最终结果就是减小粒间体积，使原始孔隙度降低。

沉积物经机械压实作用后，会发生许多变化，主要有：

①碎屑颗粒的重新排列，从游离状到接近或达到最紧密的堆积状态；

②塑性岩屑挤压变形；

③软矿物颗粒弯曲进而发生成分变化；

④刚性碎屑矿物压碎或压裂。

沉积物被压实固结的程度可称为压实作用强度。定性表征压实作用强度的方法是在镜下描述碎屑颗粒的接触关系；随着压实强度的增大，碎屑颗粒接触依次为点接触、线接触、凹凸接触和缝合接触。

压溶作用当上覆地层压力或构造应力超过孔隙水所能承受的静水压力时，引起颗粒接触点上晶格变形和溶解，这种局部溶解称压溶作用。通常情况下，细砂岩比粗砂岩压溶作用进行的更快（郑浚茂等，1989），而且形成的埋深较大，多大于3000m。石英压溶是最常见的压溶现象，压溶作用会造成石英颗粒之间相互穿插的现象，形成颗粒之间线接触、凹凸接触及缝合接触，从而降低岩石的孔隙度。此外，石英压溶后，溶解作用将可溶的SiO2溶入孔隙水中，增加了孔隙水中Si4+的浓度，当孔隙水过饱和时，SiO2发生沉淀，这为石英次生加大的形成或硅质胶结提供了物质来源，亦能降低岩石的孔隙度。

胶结作用胶结作用是指矿物质在碎屑沉积物孔隙中沉淀，形成自生矿物并使沉积物固结为岩石的作用，它是使储层孔隙度降低的重要因素。胶结作用的成岩效应是堵塞孔隙，但不减小粒间体积，这与压实作用的成岩效应有所差别。实质上，胶结作用研究就是自生矿物形成的研究。在碎屑岩储层中最常见的自生矿物有：

①各种碳酸盐类矿物，如方解石、白云石、及菱铁矿等；

②硅质岩和铝硅酸盐类，如石英、长石、粘土矿物等；

③沸石类和硫酸盐类矿物，如石膏、硬石膏、重晶石等。

碎屑沉积物刚一沉积，孔隙水就和颗粒发生反应。到底是矿物颗粒发生溶解，还是沉淀形成新的自生矿物，决定因素有两个。

一是矿物的饱和度，涉及到孔隙流体和岩石颗粒的成分；

二是矿物质和孔隙水之间的反应速度，受控于温度和压力。

溶解与交代作用广义上的溶解作用是指地下水溶液对岩石组份的溶解过程，通常可分为两类：一是固相均匀溶解，部是使未溶解固相的新鲜面成分不变；另一种溶解为选择性溶解；岩石组分的不一致溶解，所形成新矿物的化学组成与被溶解矿物相近，如长石高岭石化。前者多称为溶解，后者称为溶蚀。交代是矿物被溶解，同时被孔隙沉淀出来的矿物所置换，新形成的矿物与被溶矿物没有相同的化学组分，如方解石交代石英。

砂岩中矿物的溶解和沉淀主要与孔隙水中有机酸和碳酸的浓度及CO2浓度有关。同时也受地温和其他物理化学因素控制。

在成岩环境中，碎屑岩储层中的无机成岩作用与烃源岩的有机成岩作用有密切关系，二者相互促进，影响许多成岩作用的发展及成岩阶段的演化。研究表明，沉积物中的有机质在埋藏成岩阶段能产生大量有机酸，温度低于80，有机酸含量低；温度高于80℃，油田水中有机酸的含量呈指数增加；温度高于120℃时，有机酸将发生脱羧或部分脱羧作用。有机酸脱羧产生CO2控制了水溶液的pH值，使之有利于溶蚀作用进行，如果产生羧酸的高峰期略早于液态烃的生成时间，那么流经烃源岩临近砂层的羧酸可引起碳酸盐、铝硅酸盐的溶蚀，促使次生孔隙发育，提高储层的孔隙度和渗透率。2

成岩作用阶段划分广义的成岩阶段可分为同生、成岩及表生三大阶段；就储层的孔隙度演化而言，主要是成岩阶段，成岩阶段又可进一步划分为早成岩和晚成岩。同生阶段是指沉积物沉积后至埋藏前所发生的变化和作用时期；表生阶段则是指沉积物固结深埋之后，因构造抬升而暴露或接近地表，受到大气淡水的淋滤、溶蚀而发生变化与作用的阶段。

1、早成岩阶段

早成岩阶段指沉积物由弱固结到固结成岩的阶段，又可为A、B两期。

2、晚成岩阶段

指岩石固结后，在深埋环境下直到变质作用前的阶段、分为A、B、C三期。

研究方法碎屑岩储层的成岩作用研究在地学的许多学科领域中都有涉及，但大多是针对某一个方面的研究或单项因素的分析。然而，就石油地质学或21世纪科学的发展而言，单一性或单项分析、单学科的独立性研究已完全不能满足人们对现今地质现象的解释和认识。这就要求从多学科的角度出发、进行全面的综合分析、宏观到微观、从现象分析到成因解释、从总结认识到预测对储层成岩作用所引起的孔、渗变化进行多学科的一体化研究。

就成岩作用本身而言，首先是从其产物——岩石入手进行研究，系统地对储层岩心进行详细观察（宏观和薄片两方面）和分析测试，特别注意储层孔隙在时间和空间上的变化，以此获得较准确的岩性资料、各种成岩现象和孔隙变化的特征，推测可能经历的成岩作用和过程。其次，根据孔隙流体温度和压力等成岩参数，从物理化学和热化学等角度探讨成岩反应的机理与条件。最后，结合盆地构造演化规律、沉积相展布特征等，建立储层的成岩演化模式，寻找出孔隙的演化规律，进而对孔隙的发育带进行评价和预测。

储层成岩作用研究需要应用各种手段进行综合分析，除了岩石学中详细论述过的常规研究方法外，还涉及许多先进的测试技术。可以说，成岩作用的方法随着先进技术的出现而不断更新。常用的研究方法和手段可分为岩石矿物学研究方法和实验测试分析方法（非岩石学方法）两类。

1、岩石矿物学方法

在对露头或岩心进行详细观察的基础上，通过取样进行各种分析、镜下观察及鉴定。主要目的是获得岩性参数和温度参数，观察发生过的各种成岩现象。不同的研究目的和方法通常要制备不同的薄片或样品。

2、实验测试方法

实验室的各种分析与测试是获取地下第一手资料的最直接、最可靠的手段，就成岩研究而论主要是获取流体、古地温资料及孔隙度渗透率资料，常用的方法如有毛细管压力法分析、有机质成熟度分析、有机酸分析、稳定同位素分析。2