Question

成岩作用对储层储集性质的影响

Answer 1

老451地区沙二段、沙三段发育的岩石类型包括泥岩、页岩（及油页岩）、粉砂岩、砂岩、砂砾岩等。其中，可作为储集岩的岩石类型以长石岩屑（杂）砂岩为主，此外，还有粉砂岩、砂砾岩等。局部出现的颗粒灰岩也可能成为有利储层。

（一）成岩作用类型

老451地区的成岩作用类型主要有：胶结作用、溶解作用、交代作用、压实作用等；次要的成岩作用类型有：粘土矿物转变、重结晶作用、压溶作用等。

1.压实作用

压实作用是指沉积物沉积后，由于上覆沉积物不断加厚，在重荷压力下所发生的作用。通过压实作用沉积物发生脱水，孔隙减少，孔隙度降低、体积缩小、密度增大，而变致密的成岩作用。机械压实作用使孔隙水排出，碎屑颗粒紧密排列，孔隙度降低，渗透性变差。压实作用在工区主要表现在以下几个方面：

（1）碎屑颗粒的成岩定向组构现象

物理压实会造成长形碎屑的转动，使其转至接近于垂直应力的方向，从而形成颗粒定向组构。这种现象在工区普遍存在，在杂基支撑的岩石中更加典型。例如，老451井2780.9m处的粉砂岩中，生物碎屑、矿物屑具明显的定向排列特征（图版Ⅱ－17）。

（2）颗粒破碎、变形

压实作用可使粘土岩岩屑、碳酸盐岩岩屑及富碳酸盐矿物的碎屑颗粒发生形变。压实作用强烈时，可使其挤入孔隙中形成假杂基。研究区鲕粒因压实而发生形变的情况见图版Ⅱ－18。

（3）层理变形

由于岩石组成不均一，在压实作用过程中，较刚性的部分与软组分的变化情况不一致，沉积时形成的层理可因此发生弯曲、形变（图版Ⅱ－19）。

2.胶结作用

胶结作用是指矿物质在碎屑沉积物孔隙中沉淀，并使沉积物固结为坚硬岩石的作用。老451地区碎屑岩胶结作用很发育。胶结物由多种矿物组成，其中，以碳酸盐胶结物最为多见，其次是粘土矿物、氧化硅、黄铁矿等成岩自生矿物。

（1）碳酸盐胶结作用

碳酸盐胶结成岩现象在老451地区非常普遍，胶结矿物种类，以方解石、铁方解石、铁白云石较为多见，白云石亦可见。它们多以部分充填粒间孔隙的方式存在，胶结作用较强时，碳酸盐胶结物可完全充填粒间孔，甚至呈基底式胶结（图版Ⅱ－20）。部分充填孔隙的碳酸盐矿物，由于有充分的生长空间，常发育菱面体状的晶形。

老451地区岩心中碳酸盐胶结物的形成，总体上有一定的先后顺序。一般而言，方解石、含铁方解石在先，白云石、铁白云石在后。在方解石或含铁方解石的外围，常见铁白云石出现。推测其形成过程是：在方解石胶结物被溶解之后，形成粒间缝，此后，孔隙水性质发生变化，铁白云石形成。

（2）硅质胶结作用

氧化硅胶结物以非晶质和晶质两种矿物形态存在于碎屑岩中。非晶质氧化硅胶结物为蛋白石，在老451地区砂体取心段少见。晶质硅质胶结物常为石英、玉髓等。薄片中见到的硅质胶结大多表现为石英加大边。当颗粒周围自由空间充分时，石英通过加大增生或从溶液中结晶等形式，可形成自形晶体。石英形成所需要的硅质，可能来自于碎屑岩中长石的高岭石化及粘土矿物之间的转变，也可能是在成岩过程中，当地层水中的硅质以由某种通道渗入砂体孔隙中结晶形成。

在成岩后期，大部分孔隙被占据，石英次生加大边表现为充填部分剩余孔隙而不规则。当岩石中存在粘土矿物或碳酸盐矿物时，通常见石英次生加大边被交代成不规则的港湾状。

老451地区沙二段、沙三段石英次生加大现象较明显，同时伴有长石的强烈溶蚀现象。扫描电镜分析发现，有些样品中长石溶解显著，甚至变成残骸状，从而具有丰富的晶内溶孔（图版Ⅱ－5）。这种现象可解释为长石在酸性溶液中溶解，形成钾离子、铝离子，进而生成高岭石及SiO₂沉淀。这种SiO₂将进一步变为碎屑石英的次生加大边或老化结晶成新的石英晶体。即，石英的自生加大和长石的溶解是同步进行的。长石溶解提供了石英加大所需的物质来源，其化学反应式为（以钾长石为例）：

2K[AlSi₃O₈]+16H₂O→2K⁺+2Al³⁺+8(OH)^-+6H₄SiO₄→Al₂[Si₂O₅]+4SiO₂+2K⁺+2(OH)^-+13H₂O

(3）粘土矿物的胶结作用

粘土矿物是老451地区沙二段、沙三段碎屑储集岩的又一重要的胶结物类型。工区碎屑储集岩中粘土矿物含量普遍较丰富。常见的粘土矿物类型有伊利石－蒙脱石间层矿物、高岭石、伊利石，其表现为它生和自生两种类型。

按照严格定义，常见粘土矿物中只有自生粘土矿物属于胶结物，但他生粘土矿物往往也能起固结岩石的作用，而且，在埋藏成岩环境中，他生粘土矿物往往不能稳定存在，并向其他粘土矿物类型转变，因此，可将碎屑储集岩中的粘土矿物统一视为胶结物。

粘土矿物在孔隙中的分布往往表现出一定的规律性，它们一般是从颗粒表面向孔洞中部排布，即围绕碎屑颗粒形成粘土包壳（图版Ⅱ－3,4），也有独立存在于碎屑颗粒间孔隙内的情况（Ⅱ－8中书册状及片状等形态的自生高岭石）。他生的粘土矿物一般继承了沉积定向排列特征，自生粘土矿物通常构成不规则分布的凝块。

高岭石形成于酸性介质环境，在富钾的碱性条件下易转变为伊利石，在富钙的碱性环境中易转变为蒙脱石；蒙脱石得到大量的钾离子时，也会转变为伊利石；在低氧化电位、富Fe²⁺,Fe³⁺＋及SiO₂很少时，高岭石、伊利石也可向绿泥石转变。老451地区沙二段、沙三段碎屑储集岩中粘土矿物X射线衍射物相分析资料有限，但其邻区部分井的岩心样的X射线衍射分析资料（表6-7）反映，随埋深加大，高岭石及伊利石－蒙脱石间层矿物中蒙脱石组分的含量逐渐减少，直至消失，伊利石含量逐渐增加。

表6-7 研究区储集岩石类型表

续表

3.溶解作用

老451地区沙二段、沙三段储层埋深较大，溶解成岩作用较普遍。碎屑储集岩中的碎屑颗粒、碳酸盐胶结物和粘土杂基及颗粒灰岩中的颗粒和胶结物等，均可能被溶解，产生次生孔隙。

（1）碎屑岩中碎屑颗粒溶解

碎屑储集岩中的长石等不稳定组分在孔隙水成分适宜时，极易发生溶解，形成丰富的粒内孔隙。长石的溶解作用往往在其晶体外表面及沿解理缝、双晶缝方向进行得较快。溶解强烈时，长石可呈残骸状。有时见到石英等稳定组分呈现溶蚀（交代）产生的港湾状边缘。

（2）颗粒灰岩中的颗粒溶解

工区颗粒灰岩溶解作用强烈。以老451井2752.1m处的鲕粒灰岩为例（图版Ⅱ－9），其鲕核被完全溶解的现象非常普遍。一些生物碎屑被溶解掉后形成铸模孔隙。

（3）碳酸盐胶结物溶解

碳酸盐胶结物溶解，并留下特征的溶蚀颗粒残余结构和孔隙空间充填残余物（图版Ⅱ－9、21），这种作用又称为去胶结作用。碳酸盐胶结物发生溶解，是由于地层水pH 值、温度和盐度等变化使其溶解度增大。例如，有机质分解产生CO₂可促进方解石溶解。

老451地区沙二段、沙三段储集岩埋深较大，原生孔隙保留少，碳酸盐是主要的胶结物类型，因此，碳酸盐胶结物溶解对改善储层物性的意义很大。物性好的储层，其碳酸盐胶结物的溶解也强。例如，老451井2750.7m 和2752.1m等处含油较好的储集岩样品，其中的碳酸盐胶结物已溶解殆尽。

总之，碳酸盐胶结物的溶解作用是工区储集岩次生孔隙产生的主要原因。成岩期孔隙水性质的变化是溶解作用发生的主要因素。储层中早期形成的次生孔隙，可被后来的胶结物充填；而新形成的胶结物，可能又一次被溶解。

4.交代作用

交代作用是指某些矿物溶解的同时，其所在位置被从孔隙中沉淀出来的新矿物所置换，且新生成的矿物与被溶解的矿物的化学成分不同。工区常见的交代现象介绍如下：

（1）碳酸盐交代碎屑颗粒

表现为长石、石英、岩屑的边缘呈港湾状或鸡冠状的蚕食交代现象（图版Ⅱ－19）。有时，交代矿物一直深入到碎屑颗粒内部（图版Ⅱ－22）。当压实作用较强时，碳酸盐胶结物可沿碎屑颗粒内的裂缝进行交代。另外，碳酸盐胶结物呈基底式胶结，也是碳酸盐组分边交代、边充填的结果，大量分布的胶结物使颗粒呈现漂浮状，也抑制了压实作用的发生。

（2）粘土矿物交代碎屑颗粒

粘土矿物交代长石、岩屑和石英的现象普遍，其表现特征与上述碳酸盐交代现象类似。粘土矿物交代长石的现象又称为长石的高岭土化。扫描电镜下的表现见Ⅱ－6等；岩石薄片中则表现为长石晶体表面呈云雾状。钾长石和斜长石高岭土化的化学反应式分别如式（6-1）、式（6-2）所示：

2KAlSi₃O₈+16H₂O→Al₂(OH)₄Si₂O₅（高岭石）＋4SiO₂+2K⁺+20H^-+13H₂O　　　(6-1)

2CaAl²Si₂O 8+2CO₂+4H₂O→Al₂(OH)₄Si₂0₅（高岭石）＋2CaCO₃ (6- 2）

钾长石高岭石化过程中所产生的K＋为蒙脱石转化为伊利石提供了物源，SiO₂则为石英次生加大的物源。斜长石的高岭土化产生了一部分钙质。

（3）粘土矿物之间的转化

根据扫描电镜、岩石薄片观察并参考邻区有关资料（表6-7）发现，老451地区沙二段、沙三段碎屑储集岩中存在多种粘土矿物，主要有伊蒙间层矿物、伊利石、高岭石等。高岭石呈书册状、片状等形态（图版Ⅱ－6）。伊利石及伊蒙间层矿物呈丝缕状、弯曲片状等形态（图版Ⅱ－23）。结合表6-7资料发现，随着砂体埋深增加，高岭石及伊蒙间层矿物中蒙脱石间层比显著降低。

5.重结晶作用

主要发生在碎屑岩的填隙物中，表现为小晶体长大或组合成大的晶体。研究区砂体中常见粘土矿物的重结晶。即在成岩物理化学条件下，压应力造成粘土杂基定向重结晶。粘土矿物重结晶主要沿垂直压力的方向进行，因而，重结晶后的粘土矿物排列表现出一定的定向性（图版Ⅱ－24）。此外，作为胶结物的碳酸盐矿物也常发生重结晶现象。

一般情况下，重结晶作用会使储层的孔隙度和连通性变差，特别是碳酸盐胶结物的重结晶。但是，粘土杂基定向重结晶产生的片理，可能有利于地层水流通并溶解碎屑和胶结物，产生次生孔隙。

（二）成岩演化及成岩阶段的确定

沉积成岩过程从本质上说是一系列复杂的流体－岩石相互作用过程。有关研究主要围绕两个方面的内容进行，即：①成岩过程中的流体－岩石相互作用机理及产物（包括矿物、孔隙等）；②沉积体系中流体的理化性质演化及其对沉积成岩作用的影响。其中，矿物的变化是流体性质、流体－岩石相互作用机理的最直接标志，因此，岩石矿物成分变化研究始终被作为成岩作用研究的基础工作。

根据所掌握的资料，在对工区碎屑岩进行成岩阶段的确定主要依据4个方面：①自生矿物、形成顺序；②粘土矿物组合及伊蒙间层矿物的间层比；③岩石的结构、构造特点及孔隙类型；④成岩温度。

（1）成岩温度

老451地区沙二段、沙三段砂体（取心段）埋深2600～2800m，该地区地温梯度约3.7℃/100m。因此，碎屑岩成岩温度约为96～105℃。

（2）自生矿物

铁方解石、铁白云石等晚期含铁碳酸盐类胶结物较常见（图版Ⅱ－20、22及图版Ⅱ－25），特别是铁白云石，常呈微晶－粉晶，以交代、加大或胶结充填形式出现。

（3）岩石的结构、构造特点及孔隙类型

工区碎屑岩中的长石等碎屑颗粒普遍遭受溶解，形成一定量的粒内孔隙（图版Ⅱ－8）。碳酸盐胶结物常被溶解，有的可见溶解残余，并形成大量次生孔隙（图版Ⅱ－9,25）。

（4）粘土矿物组合及伊蒙间层矿物的间层比

老451地区沙二段、沙三段碎屑岩中可见书册状、片状自生高岭石（图版Ⅱ－8）和丝缕状、弯曲片状伊利石、伊蒙间层矿物（图版Ⅱ－23）。由表6-7可知，老河口地区沙河街组地层所含伊蒙间层矿物的间层比随埋深增加有比较规律性的变化，相当于老451块沙二段、沙三段埋深的砂体，其所含伊蒙间层矿物的间层比约为25左右。

根据上面分析，将老451地区沙二段、沙三段碎屑岩所处的成岩作用阶段定为晚成岩阶段A期（中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T5477-92）。

（三）成岩作用影响因素

根据上述成岩作用类型、成岩阶段等的研究，认为老451地区沙二段、沙三段储层成岩作用主要受砂体埋深影响。此外，碎屑岩的成分、结构、构造等因素对成岩作用的影响也很显著。而区域构造背景、构造活动则主要是在更高层次上控制着砂体的成岩演化。简介如下：

（1）埋藏深度对成岩作用的影响

砂体埋藏深度决定了其所处的地温和压力。地温对有机质演化、地下流体与岩石的相互作用过程有制约作用；压力则决定了机械压实甚至压溶作用的强度。因此，埋藏深度对工区成岩作用的影响非常显著。例如，粘土矿物的变化规律（表6-7）与深度表现出明显的相关性。老19-2井取心段的沙四段埋深浅（不足1500m），碎屑岩所含粘土矿物中的高岭石量普遍较高（多在30%以上），伊蒙间层矿物的间层比也很大（均在70%以上）。又如，根据岩石薄片鉴定，老45，老46，老451三口井在2750m左右的深度均有铁白云石胶结物大量出现（图版Ⅱ－25,26）。

（2）碎屑岩的成分、结构、构造等因素对成岩作用的影响

碎屑岩的成分、结构、构造等与其形成时的沉积作用或沉积环境关系密切。因此，碎屑岩的成分、结构、构造对成岩作用的影响也可表述为沉积作用或沉积环境对成岩作用的影响。

工区碎屑岩中长石碎屑等不稳定组分含量较高，为溶解作用提供了物质基础。粘土杂基对成岩作用的影响也比较明显。当粘土含量很少时，碎屑岩中常见早期胶结现象发育。这是因为粘土含量少，在早期微压实、孔隙连通良好的情况下，便于流体运移，常出现早期碳酸盐胶结。如果这种早期碳酸盐胶结物含量很高，甚至形成基底式胶结，后期成岩作用改造不强，则形成致密储层（图版Ⅱ－20）。如果碳酸盐胶结物经溶解等后期成岩改造，原来被碳酸盐胶结物占据的大量空间变成有效储集空间，则可形成非常有利的储层（图版Ⅱ－9,25及21）。

碎屑岩中碎屑颗粒的分选及粒度对成岩作用也有一定的影响。本区碎屑岩的颗粒分选及磨圆程度普遍较差，原生孔隙易被压实消除，不利于形成良好储层。

总之，老451地区沙二段、沙三段的有利储层主要发育在杂基含量少，早期碳酸盐胶结强烈且后期溶解成岩作用显著的层段。杂基含量高的碎屑岩，虽然早期碳酸盐胶结物可达到一定含量，但因岩性致密，不利于流体进入溶解，多为不利储层（图版Ⅱ－27）。

（3）构造活动对成岩作用的影响

构造活动除了通过控制沉积作用间接影响成岩作用外，不同规模的构造裂隙还通过控制地层流体运移，较直接地影响成岩作用。此外，构造对粘土杂基重结晶等成岩作用的影响已如前述。

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