储层成岩作用特征
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发布时间：2023-10-10 10:38
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时间：2024-11-13 08:25
一、成岩作用类型
1.压实作用
压实作用系指沉积物埋藏后，随着埋藏深度的增加，在上覆水层或沉积物的重荷下或构造形变应力的作用下，发生水分排出、孔隙度降低、体积缩小的作用，与此同时沉积物的密度增加。机械压实的主要标志有：
（1）随着压实作用的加强，颗粒间的接触关系变化趋势是：点→线→凹凸→缝合线接触（图10-1A）。
（2）刚性颗粒发生脆性变形，如石英、长石等刚性颗粒的脆裂，长石沿解理缝的张开等。
（3）塑性颗粒发生塑性变形，如云母、岩屑等的变形，云母常发生弯曲，泥质岩屑可发生假杂基化等。
（4）颗粒发生压实定向。这种现象在杂基支撑砂岩中最常见，长条形颗粒发生有限旋转，转至与压力方向垂直或近于垂直的位置上。
本区由于碎屑储集岩的埋藏深度差别较大，所以所受的压实程度也各不相同。如临58区压实程度低，碎屑颗粒间以点—线接触为主，大芦家沙三段由于埋藏深、压实程度高，缝合线接触成为颗粒主要接触形式。
2.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，会引起颗粒接触点上晶格变形或溶解，这种局部溶解称为压溶。压溶作用在石英、长石等碎屑颗粒中都可出现，但本区石英压溶较常见，表现为颗粒间的凹凸接触或缝合线接触。石英压溶后，溶解作用把可溶的SiO2溶入到孔隙水中，使孔隙水变得过饱和，致使SiO2沉淀为加大边。在扫描电镜下，这和加大边常在碎屑颗粒表面沉淀大量的自生石英小晶体或使碎屑颗粒恢复其规则的几何外形。有些砂岩在偏光镜下，石英颗粒不显加大痕迹，颗粒间紧密镶嵌，以往把这些现象看作是压溶作用的结果。而在阴极光显微镜下，可清楚看到碎屑石英之间并不连接，大部分“悬浮”在胶结物之中，或仅仅是点接触。因此，这种现象都不完全是压溶作用所造成，也可能是硅质溶液所造成的自生石英胶结、或压实压溶等几种作用的综合结果（图10-1B）。
3.胶结作用
胶结作用是指矿物质在碎屑沉积物孔隙中沉淀，并使沉积物固结为岩石的作用。胶结作用是沉积物转变成沉积岩的重要作用，也是沉积层中孔隙度和渗透率降低的主要原因之一。胶结作用可以发育于成岩作用的各阶段中胶结物可被溶解或部分溶解，形成次生孔隙。
图10-1 *隆起带储层成岩作用及孔隙特征
A—岩屑石英粉砂岩，压实压溶作用及溶蚀作用明显，（一）×198，临10-1井3109m;B—含铁云质长石岩屑粗砂岩，石英加大，加大边被溶蚀，长石被溶成骸晶状，（+）×198，田5-7井2944m;C—岩屑粗砂岩，含铁方解石强胶结，石英加大边未见被含铁方解石交代痕迹，（一）×198，盘深1井4020m;D—岩屑粗砂岩，含铁方解石强烈交代斜长石，（+）×198，盘深1井4020m;E—岩屑中砂岩，长石加大边被含铁方解石交代，（一）×79，商10-8井1756m;F—岩屑粗砂岩，自生高岭石被含铁白云石交代，（+）×198，田5-7井2955.86m;G—岩屑石英粉砂岩，溶孔呈不规则形态，颗粒边缘被溶蚀成不规则状或锯齿状，（+）×198，临10-1井3190m;H—岩屑粗砂岩，长石的蜂窝状粒内孔隙，（+）×198，田27井2679.9m;I—岩屑细砂岩，粒间溶孔发育，孔隙连通较好，（+）×296，商25-34井2128m;J—岩屑中砂岩，超粒大孔隙，（一）×198，商10-8井1756m;K—岩屑细砂岩，微裂缝内被黄铁矿充填，（一）×198，临10-1井3179.3m
对于本区，碎屑岩中出现的胶结作用主要有碳酸盐矿物胶结和硅质胶结两类。
（1）碳酸盐胶结
碳酸盐胶结物的类型及分布 本区碎屑岩中碳酸盐矿物胶结作用期次多，出现的类型也多，主要有方解石胶结、含铁方解石胶结、白云石胶结及含铁白云石胶结等。
在埋藏成岩过程中，碳酸盐胶结物形成时间大体上可分为泥晶碳酸盐矿物及早、晚期碳酸盐矿物等，并具有不同的特征。泥晶碳酸盐矿物主要为泥晶方解石、泥晶白云石，它们充填于碎屑颗粒间，对溶蚀作用很敏感，但对其它成岩作用则相对较不敏感。在填集、压实较紧密的位置，孔隙发育程度差，在深达3000m时仍可见泥晶碳酸盐胶结物，如临深1井在3046m的深度仍发育有大量泥晶碳酸盐矿物。早期碳酸盐胶结物主要为方解石和白云石，常呈晶粒较粗大的他形晶等形态出现，碎屑颗粒呈漂浮状稀疏地分布于晶内，呈嵌晶式胶结（图10-1C）。早期胶结物主要形成于早成岩晚期，总体上数量较少，但也常见由早期碳酸盐矿物形成的强胶结砂岩。晚期碳酸盐矿物主要是（含）铁方解石、（含）铁白云石，数量变化较大，它们多形成于石英加大之后，主要形成于晚成岩阶段。
含铁方解石一般呈中细晶他形粒状，充填粒间孔隙，并常常伴随胶结过程而交代碎屑颗粒及早、中期碳酸盐矿物，尤其是易交代斜长石和中基性喷出岩屑，当含铁方解石胶结、交代作用强烈时，可形成假基底式胶结，使储层孔隙大为降低（图10-1D）。偏光镜下常看到含铁方解石包围和交代方解石的现象，可以说明含铁方解石形成于方解石之后。
含铁白云石既有自形晶也有半自形晶，多充填孔隙，常交代碎屑颗粒、胶结物和基质。镜下常可见到含铁白云石包围白云石或方解石，说明含铁白云石形成于两者之后。
碳酸盐矿物的来源 湖泊和流动的孔隙水能持续地带入溶解的碳酸盐，是碳酸盐胶结物的主要来源。孔隙水溶解碎屑沉积物中的介壳和碳酸盐颗粒，溶解的物质又作为成岩期的胶结物沉淀下来，或通过热对流循环向砂层上下的碎屑岩地层渗透，这是较深处碳酸盐胶结物的主要来源之一。深层次生孔隙带被溶解的碳酸盐，可向上运移，部分可作为层位较高的砂岩的碳酸盐胶结物的来源。
影响碳酸盐的溶解及沉淀的因素 化学结构可影响碳酸盐的溶解度，以致影响胶结作用。如砂岩中含有足够易溶的生物介壳等碳酸盐碎屑，将使得孔隙水的碳酸盐趋于饱和，而促使亮晶方解石的沉淀。
碳酸盐溶解度对溶液的pH值极为敏感，随pH值升高，其溶解度降低而发生碳酸盐沉淀。溶液中的CO2及其温度对碳酸盐的沉淀也有很大影响，含碳酸盐的地表水，在地下深处会由于温度升高、pH值增加、CO2压力降低而使其中的碳酸盐沉淀。
地层中矿物组分的成岩变化以及地层水成分等也可以对碳酸盐矿物的溶解与沉淀产生影响，如钙长石蚀变过程中，由于钙长石的溶解和粘土矿物的形成，导致Ca2＋活度的增加，也有利于方解石的沉淀：
2Ca[Al2Si2O8]+2H2O→2Ca2++Al4[Si4O10]（OH）8
该过程趋于提高孔隙水的pH值，而使方解石的溶解度降低。而Ca2+与Mg2+比值及温度将影响方解石与白云石间的交生关系。在较低温度下，与方解石处于平衡的溶液中，当温度升高时有利于白云石形成，比值增大则有利于方解石沉淀。
（2）硅质胶结作用
胶结物类型及分布 本区硅质胶结的主要形式是石英颗粒的自生加大，以及由其进一步发育而形成的石英碎屑间的镶嵌接触。
在偏光显微镜下石英的自生加大边常表现得比原颗粒光洁，两者的界限一般可借助于原石英颗粒边缘的杂质（粘土或氧化铁，粘土薄膜较常见）来确定（图10-1B）。有时颗粒边缘分界线很难辨认，在阴极发光或扫描电镜下却表现得很清楚。加大强烈者可使颗粒恢复其面平棱直的规则几何外形。石英加大边可被溶蚀或被含铁方解石或含铁白云石交代。加大边的宽窄不均一，多数加大边宽度小于50μm，有时可达80μm，而临深1井3159m处的岩屑细砂岩中，石英加大边竟达100μm。
硅质胶结物的形成条件及硅质来源 石英次生加大的基本条件是酸性介质与丰富的SiO2来源，据本区的具体情况，孔隙水中SiO2可有以下来源：①来源于地表水和地下水。地表水的SiO2平均含量为13×10-6，地下水则可比之高几十倍，并可循环到几百米至上千米深处。②来源于石英压溶作用。压溶作用溶出的SiO2往往在受压颗粒附近的孔隙水中沉淀成石英次生加大边。在本区深部储层中，压溶作用和石英次生加大相伴出现，表明石英的压溶作用对SiO2来源起着重要作用。③来源于水下火山喷发。水下火山喷发可直接提供大量的SiO2，*隆起带地区火山活动较多，石英加大相对发育。④粘土矿物的成岩转化可提供SiO2。⑤硅酸盐矿物的不一致溶解，以长石尤为重要。长石风化变为高岭石以及地层水作用下的不一致溶解都可放出SiO2，以钾长石为例，其反应式为：
4K[AlSi3O8]+8H2O→Al10[Si402]（OH）8+8SiO2+4K++4OH-+2H2O
影响SiO2溶解度的化学条件 ①pH值小于9时，石英在溶液中稳定，当pH增高到9～9.5以上时，石英的溶解度急剧增加，在此过程中SiO2的溶解度也相应发生变化。②温度对硅质胶结作用的影响较为复杂。随温度升高，非晶质氧化硅溶解度直线上升，而石英溶解度增加缓慢，因此温度升高，非晶质氧化硅大量溶解，使孔隙水SiO2饱和，形成有利于SiO2沉淀的条件。
从总的趋势上看，石英的自生加大是随埋深增加而增加，石英胶结作用是埋藏深度的标志。石英自生加大与颗粒表面性质也有一定关系。过厚的粘土膜会阻碍石英自生加大，粘土含量多时，有碍于硅质溶液的交替和沉淀。所以，通常泥质砂岩很少有石英自生加大。此外，一般细粒石英的自生加大要比粗粒发育，这是因为粒细棱角多、也比较粗糙，有利于石英自生加大的发生。
（3）长石胶结
在研究区较少见，主要以长石次生加大的形成出现。镜下加大边常很光洁，有时加大边又被溶蚀使边缘呈锯齿状或港湾状（图10-1E）。在扫描电镜下能谱分析表明，自生加大长石的钠长石为主要成分。
有利于形成自生长石的条件，除孔隙溶液中有足够的SiO2外，还必须是Al2O3浓度高、Na+/H+和K+/H+的活度比高、以及比较高的温度。
（4）铁质胶结
本区所见的铁质胶结物主要为黄铁矿。黄铁矿主要以三种形式产出：分散粒状、团斑状、脉状充填。另外，在商743井中还见到因受侵入岩烘烤而形成的顺层分布的黄铁矿。
黄铁矿可形成于成岩作用的各个阶段，是强还原介质条件下的产物。黄铁矿的生成与沉积物中所含有机质有关，有机质常含硫和碳，碳常被氧化，同时提供电子使铁转变成二价铁，并与硫结合成黄铁矿。
（5）粘土矿物胶结
砂岩中粘土胶结物主要是在成岩过程中形成的粘土矿物。本区砂岩中，粘土胶结出现较少。粘土矿物胶结总体随埋深的增加而有减少的趋势，但有时在深埋藏（>3000m）下仍可出现较多，如盘深1井中沙三段储层在4015m左右存在10%～15%的粘土胶结物，这些粘土矿物以伊利石为主。
4.交代作用
交代作用是指一种矿物代替另一种矿物的现象。交代作用可以发生于成岩作用的各个阶段乃至表生期。交代矿物可以交代颗粒的边缘，将颗粒溶蚀成锯齿状或港湾状等不规则边缘，也可以完全交代碎屑颗粒，从而成为它的假像。晚期的胶结物可以交代早期的胶结物，交代彻底时甚至可以使被交代的矿物影迹消失，沉积物的面目全非，岩石的结构亦发生变化。与此同时，岩石的孔隙度和渗透率也会发生相应的变化。当交代过程中发生原地转化，新形成的矿物保持原有矿物的假像时，交代过程服从体积保持定律及质量作用定律。这种情况对孔隙度和渗透率的影响不大。
根据矿物的交代关系，可以确定矿物形成的顺序：①矿物假像：矿物的原始组分均已被交代，但其结晶习性得到完好的保存，交代矿物具有被交代矿物的假像。②幻影结构：矿物受到强烈交代作用，原生颗粒只留下模糊的轮廓叫幻影。③交叉切割现象：碎屑颗粒或自生的矿物被片形晶体或镶嵌结构的晶体所切割，被切割的颗粒是被交代的。④残留的矿物包体：中间被包裹的矿物为被交代矿物。
本区碎屑岩中常见的交代作用有以下几种：①碳酸盐胶结物交代石英、长石及岩屑颗粒，使颗粒边缘呈不规则状，甚至有些长石颗粒大部分或全部被交代（图10-1C、D）。其中，最常见的是含铁方解石对碎屑颗粒的交代作用。②碳酸盐矿物之间的相互交代，含铁白云石交代含铁方解石、方解石，或白云石交代方解石，即白云化作用。含铁白云石交代白云石也较常见。③碳酸盐矿物交代粘土矿物，含粘土基质的砂岩，其粘土矿物常被碳酸盐矿物交代，这种交代主要发生在成岩晚期。本区可见到自生高岭石被含铁白云石交代（图10-1F）。
以上的交代作用中，以第一种最为普遍且意义最大，因为这种交代作用使难溶的硅酸盐矿物颗粒变小或减少，而相应地易溶碳酸盐增加，为后期形成溶解孔隙打下基础。
5.重结晶作用
重结晶作用主要发生在碎屑岩胶结物及杂基中，其特征是小晶体结晶长大而形成大晶体。这种作用只在那些非常细粒的物质中发生。重结晶中形成的大晶体，它们是识别重结晶的重要标志。
本区沙河街组地层中重结晶作用总体较弱，主要有泥晶碳酸盐矿物及粘土矿物的重结晶作用。前者形成细—粉晶碳酸盐矿物，后者主要是泥质杂基重结晶，使得部分原杂基变为正杂基，在偏光镜下晶片较粗，表现一定的干涉色。泥晶碳酸盐矿物的重结晶，在侵入岩围岩中也出现，如商743井，由于辉绿岩的侵入对围岩发生烘烤，使得泥灰质页岩中的泥晶碳酸盐矿物重结晶形成粉晶或细晶碳酸盐矿物。
重结晶作用可严重影响砂岩的储集性，使孔隙性及连通性变差，但同时也往往造成丰富的微裂隙。由于本区沙河街组储层中重结晶作用总体较弱，因此重结晶作用并未对储层物性造成大的损害。
6.溶解作用与次生孔隙的形成
砂岩中的任何碎屑颗粒、杂基、胶结物等，包括最稳定的石英和其它硅质胶结物，在一定的成岩环境中都可以不同程度地发生溶解作用。本区被溶解的碎屑组分主要是长石，胶结物中主要溶解对象是碳酸盐矿物。次生孔隙也包括少量由破裂作用和机械收缩作用形成的微裂隙。
如果溶解作用仅仅是砂岩中的原生胶结物被全部溶解掉，那么所形成的次生孔隙结构特征与原生孔隙完全一致；但如果碎屑颗粒与自生矿物溶解或部分溶解，则所形成的次生孔隙结构与原生孔隙有很大差别。形成早的次生孔隙，又可被后来的胶结物充填，交代矿物又可对碎屑颗粒和自生矿物进行再交代，以后可再度发生溶解。这样，砂岩的孔隙结构可以发生极大的变化。
长石的溶解在整个埋藏过程中均可发生，只是溶解程度不同。斜长石溶蚀现象主要位于中、深层碎屑岩中，有的斜长石普遍被溶蚀且很强烈，被溶的斜长石往往具有港湾状边缘，有的沿解理进行溶解，形成锯齿状边缘，具有聚片双晶的斜长石可被选择性地溶去其中一组。强烈溶解的斜长石可呈残骸状，甚至铸模状（图10-1B）。而碳酸盐矿物的溶蚀是深层溶蚀作用造成的，其中又以含铁方解石最为多见，被溶蚀的碳酸盐胶结物呈港湾状溶蚀边。大量的次生孔隙主要发生在晚成岩期A亚期，形成次生孔隙发育带。在成岩作用的其它阶段也可或多或少地发生碳酸盐和颗粒溶解，形成一定量的次生孔隙。
通过大量薄片的镜下观察，对惠民凹陷*隆起带下第三系砂岩次生孔隙总结了以下几种成岩标志：
（1）部分溶解 可溶组分碳酸盐及斜长石等矿物部分溶解，孔隙边缘多呈不规则状或港湾状，残留物常具有溶蚀的外貌（图10-1B）。
（2）铸模孔隙 这是一种较多见的成岩标志，它是沉积颗粒、胶结物或交代物被完全溶解后保留了原颗粒形貌的一种孔隙结构。
（3）溶蚀颗粒 与孔隙相邻的石英、长石颗粒，其边缘常被溶蚀成不规则状或锯齿状（图10-1G）。
（4）伸长状孔隙 存在于碳酸盐矿物胶结的砂岩中，它是跨越多个颗粒的粒间孔隙，常呈不规则条状、折线状，常与局部溶解、溶蚀残骸、残余胶结物共存（图10-1G）。
（5）排列的不均一性 不均一性表现在同一薄片中的颗粒排列紧密、疏松不一致，甚至出现“漂浮状”颗粒。这是原生碳酸盐或成岩早期形成的碳酸盐胶结物分布不均匀造成的。
（6）组分内孔隙 在内部具有孔隙的组分中间，蜂窝状颗粒表明，在沉积后曾发生过淋滤作用（图10-1H）。
（7）贴粒孔隙 是在碳酸盐胶结的砂岩中紧靠陆源碎屑出现的一种孔隙，常呈叶片状、透镜状或串珠状分布于颗粒周围，它不可能是碳酸盐矿物沉淀时留下的孔隙，而是地下深处的酸性水溶液沿颗粒与胶结物之间的薄弱环节，把紧靠砂粒的碳酸盐胶结物溶去后形成的次生孔隙。
（8）特大孔隙 是指那些明显地大于孔隙周围最大颗粒的孔隙，边部往往留有难溶的“漂浮”颗粒存在（图10-1J）。
（9）破碎颗粒及张开的裂缝 这些现象在薄片中常可看到（图10-1K），它们无疑都是次生形成的。
7.粘土矿物的成岩转变
在沉积岩成岩过程中，随着埋深和温度的增加以及水介质条件的变化，会促使粘土矿物转变为新的矿物（表10-1）。各粘土矿物随埋深的增加其含量总体如下规律：高岭石、绿泥石以及伊/蒙混层粘土矿物趋于减少，伊利石则趋于增加（表10-1）。
表10-1 *隆起带砂岩中粘土矿物X射线衍射分析成果表
二、成岩作用阶段划分
根据石油天然气总公司碎屑岩储层成岩阶段划分规范（应风祥，1992），结合本区具体情况，对本区碎屑岩储层成岩作用阶段进行了划分（表10-2）。
1.早成岩A期
埋深小于1500m，古地温小于70℃，Ro＜0.2，有机质未成熟。岩石疏松，弱固结—半固结，原生孔隙发育，主要成岩作用是机械压实和少量早期方解石胶结。机械压实使原生孔隙不断减少，砂质岩和泥质岩中，粘土矿物以高岭石和蒙脱石为主，Ⅰ/S混层中蒙脱石层的含量一般大于70%。
2.早成岩B期
埋深1500～2200m，古地温70～90℃，Ro为0.2～0.4，有机质半成熟，由于压实及碳酸盐胶结，岩石半固结—固结，孔隙类型为原生孔隙及少量次生孔隙。泥岩中的粘土矿物，蒙脱石开始明显向I/S层转化，蒙脱石在I/S混层中占50%～70%，处于无序混层状态。成岩作用以化学胶结作用为主，方解石及白云石是该阶段主要的成岩产物，压实作用退居次要地位，而碳酸盐矿物的交代作用也开始成为本阶段重要的成岩现象。
3.晚成岩A1期
表10-2 惠民凹陷西部*隆起带成岩作用阶段划分表
埋深2200～3000m，古地温为90～120℃，Ro为0.4～0.75，处于有机质演化的成熟阶段。含铁方解石及含铁白云石逐渐成为该阶段主要的成岩产物，同时，交代作用占明显的主导地位。在此阶段，溶蚀作用也较强，长石、碳酸盐溶解，产生大量的次生孔隙，同时有石英沉淀。泥岩中的Ⅰ/S混层粘土矿物中蒙脱石占40%～30%。
4.晚成岩A2期
埋深3000～3600m，古地温为120～135℃，Ro为0.75～1.0，处于有机质演化的成熟阶段后期。长石、碳酸盐的溶解作用连续发生，自生石英、含铁方解石、含铁白云石仍为该阶段主要的成岩产物；石英的次生加大较强，局部出现不同碎屑颗粒的“焊合”现象，使孔隙度进一步减小。泥岩中的I/S混层粘土矿物，蒙脱石层仅占30%～15%。
5.晚成岩B期
埋深3600～3800m以下，古地温135～140℃以上，Ro＞1.0，有机质处于高成熟阶段。溶解作用较微弱，自生（含）铁白云石大量出现，石英加大属Ⅲ极，薄片下石英、长石加大边宽且较普遍，次生孔隙进一步减少，裂缝局部发育。泥岩中粘土矿物以伊利石及I/S混层等为主，I/S混层粘土矿物中蒙脱石层含量＜15%。
