碎屑巖成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

李先軍

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

1 碎屑巖成巖作用

碎屑巖成巖作用是指碎屑沉積物沉積后到變質(zhì)之前，這一漫長(zhǎng)階段所發(fā)生經(jīng)歷的各種物理、化學(xué)及生物化學(xué)變化，而不是狹義的、僅指沉積物的石化和固結(jié)作用[1]。碎屑巖成巖作用受到成巖的物理化學(xué)條件、埋藏速率、沉積物的成分和構(gòu)造、沉積環(huán)境和構(gòu)造環(huán)境、化學(xué)反應(yīng)速率、水動(dòng)力梯度和地溫梯度等因素的綜合控制，常見的分析測(cè)試方法有鑄體薄片、陰極發(fā)光、掃描電鏡、X—衍射、能譜、流體包裹體、壓汞、有機(jī)質(zhì)成熟度、有機(jī)酸、穩(wěn)定同位素等。碎屑巖成巖作用主要包括壓實(shí)、膠結(jié)、交代、溶蝕及破裂等作用。

1.1 壓實(shí)作用

壓實(shí)作用包括機(jī)械壓實(shí)作用和壓溶作用兩種。機(jī)械壓實(shí)作用是指沉積物在上覆重力及靜水壓力作用下，發(fā)生水分排出，碎屑顆粒緊密排列，軟組分?jǐn)D入孔隙，結(jié)果引起除骨架顆粒溶解之外的巖石總體積減小，是一種物理成巖作用;壓溶作用則是指在壓應(yīng)力作用下，由骨架顆粒在接觸點(diǎn)的溶解所引起的巖石總體積的減小過程，是一種物理－化學(xué)成巖作用[12]。壓溶作用在時(shí)間上略晚于壓實(shí)作用。機(jī)械壓實(shí)作用表現(xiàn)為:(1)顆粒間接觸由點(diǎn)到線，隨深度加大而變緊密;(2)火山巖屑、泥質(zhì)巖屑、云母等柔性組分變形呈假雜基擠入顆?？臻g;(3)剛性顆粒發(fā)生折斷或破裂，出現(xiàn)裂縫;(4)碎屑顆粒的定向排列。壓溶作用表現(xiàn)為石英的自生加大以及骨架顆粒呈凹凸、縫合線接觸

1.2 膠結(jié)作用

膠結(jié)作用是指沉積物沉積后從孔隙溶液中沉淀出礦物質(zhì)(膠結(jié)物)，使松散的沉積物固結(jié)起來的作用[2]，可發(fā)生在成巖作用的各個(gè)時(shí)期，主要的膠結(jié)物有硅質(zhì)、碳酸鹽和自生粘土礦物三類。其它較常見的膠結(jié)物有氧化鐵、硬石膏、石膏、重晶石、磷灰石、黃鐵礦、沸石等。

硅質(zhì)膠結(jié)物主要為碎屑石英的次生加大、細(xì)粒自生石英及部分長(zhǎng)石的次生加大。石英次生加大多見于粒度較粗的河道相砂巖及碳酸鹽膠結(jié)物、綠泥石和伊利石襯邊不發(fā)育和黑云母含量中等 －相對(duì)較高的砂巖中[11]。細(xì)粒自生石英以微晶、細(xì)粒石英集合體狀產(chǎn)出，充填于顆粒之間的孔隙中，常與自生綠泥石和其它的粘土礦物共生。長(zhǎng)石次生加大一般含量較少，加大邊常很光潔，有時(shí)被溶蝕而呈鋸齒形或港灣形。碳酸鹽膠結(jié)物主要為方解石、鐵方解石、鐵白云石、菱鐵礦、菱鎂礦等。碳酸鹽可呈均一組分和混合物充填于空隙中，呈交代物、呈結(jié)核狀，或存在于薄的紋層中。方解石常見粒狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)或櫛殼狀結(jié)構(gòu);白云石或以微小晶體沿黑云母的膨脹解理分布，或分布于粒間孔隙中;鐵白云石多為交代鐵方解石的產(chǎn)物。粘土礦物主要有高嶺石、伊利石、蒙脫石、伊蒙混層、綠泥石等。高嶺石在薄片下一般呈假六邊形晶片，集合體呈書頁(yè)狀或蠕蟲狀，以孔隙充填或交代其它礦物或以其它自生礦物的包體產(chǎn)出;伊利石多呈葉片狀或毛發(fā)狀充填于孔隙空間，少部分以毛發(fā)狀附著于顆粒表面形成伊利石膜;蒙脫石常呈蜂窩狀;伊蒙混層粘土礦物形介于伊利石和蒙脫石之間，混層晶格中富含伊利石層時(shí)主要呈片狀、毛發(fā)狀，富含蒙脫石層時(shí)主要呈蜂窩狀;自生綠泥石在砂巖中多呈顆粒包膜或孔隙襯邊形式產(chǎn)出，集合體呈絨球狀、玫瑰花瓣?duì)?、針狀?/p>

1.3 交代作用

交代作用是指一種礦物代替另一種礦物的現(xiàn)象，其實(shí)質(zhì)是體系的化學(xué)平衡與平衡轉(zhuǎn)移問題[3]，交代的結(jié)果，往往造成原巖的成分和結(jié)構(gòu)局部或全部發(fā)生變化，甚至完全改變巖石類型[4、5]。常見的交代作用有氧化硅和方解石的相互交代、方解石對(duì)長(zhǎng)石的交代、方解石交代粘土礦物、粘土礦物交代長(zhǎng)石、各種粘土礦物之間的交代等。

1.4 溶解作用

廣義上的溶解作用是指地下水溶液對(duì)巖石組份的溶解過程，通常可分為兩類:一是固相均勻溶解，使未溶解固相的新鮮面成分不變，稱為溶解;另一種溶解為選擇性溶解，巖石組分的不一致溶解，所形成新礦物的化學(xué)組成與被溶解礦物相近，如長(zhǎng)石高嶺石化，稱為溶蝕。常見溶蝕作用主要發(fā)生在長(zhǎng)石、巖屑、雜基和碳酸鹽膠結(jié)物等易溶組分中。長(zhǎng)石的溶蝕常沿長(zhǎng)石的邊緣和解理面進(jìn)行，從而形成粒間溶孔、粒內(nèi)溶孔、鑄模孔;碳酸鹽膠結(jié)物、巖屑溶解主要產(chǎn)生粒間溶孔。一般認(rèn)為，溶蝕型次生孔隙是由有機(jī)酸、碳酸、大氣淡水淋濾等引起礦物溶解所形成的[4]。

1.5 破裂作用

破裂作用可產(chǎn)生規(guī)模不同的各種裂縫，宏觀裂縫多以高角度裂縫為主，縫面平直，以未充填和半充填縫為主，多為受剪切應(yīng)力所致的構(gòu)造裂縫[4];微觀裂縫分布常具有定向性，多為成巖裂縫。

2 碎屑巖成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

2.1 壓實(shí)作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

早期成巖階段發(fā)生的機(jī)械壓實(shí)作用可導(dǎo)致砂巖顆粒間的緊密排列、位移及再分配，云母類及塑性巖屑發(fā)生膨脹及塑性變形，導(dǎo)致原生粒間孔大量喪失，并且這種損失是不可逆轉(zhuǎn)的;而部分石英碎屑的壓溶作用和由此產(chǎn)生的石英次生加大也導(dǎo)致了一部分孔隙的喪失和滲透率的降低，據(jù)研究[6]，壓溶作用在富含云母和伊利石薄膜的砂巖中較發(fā)育，伊利石和云母在此過程中起催化作用，因此碎屑黑云母通過膨脹蝕變和通過促進(jìn)石英顆粒的粒間壓溶作用從而使儲(chǔ)層的物性進(jìn)一步變差。

2.2 膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

硅質(zhì)膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性有兩方面的影響:一方面，石英、長(zhǎng)石次生加大在沉積物埋藏初期可以起到支撐碎屑顆粒骨架的作用，抵御壓實(shí)作用的影響，使得壓實(shí)作用對(duì)孔隙度的破壞有所降低，原生孔隙最大限度地保存下來[7];另一方面，硅質(zhì)膠結(jié)物始終要占據(jù)孔隙空間，使孔隙變小、喉道變窄，劇烈發(fā)育段能形成孔喉堵塞，嚴(yán)重破壞儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能，降低儲(chǔ)層質(zhì)量?？傮w上講，氧化硅膠結(jié)物含量與砂巖孔隙度和滲透率呈弱的負(fù)相關(guān)性。碳酸鹽膠結(jié)物早成巖階段往往沿高水位體系域準(zhǔn)層序邊界分布，形成橫向上的碳酸鹽膠結(jié)致密層[8，9];晚成巖時(shí)頻繁沉淀和不均勻地分布于含油帶與含飽和水帶砂巖中，如在石英次生加大不發(fā)育的含飽和水帶砂巖中，絕大部分粒間孔隙為晚期成巖碳酸鹽膠結(jié)物充填，造成儲(chǔ)層物性較強(qiáng)的非均質(zhì)性[9]。實(shí)例研究表明[10，11]，砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物含量與砂巖孔隙度和滲透率呈較明顯的負(fù)相關(guān)性。粘土礦物對(duì)儲(chǔ)層物性的影響各不相同。蒙脫石形成于成巖早期的淺埋藏階段，代表了一種堿性環(huán)境，隨著成巖作用的加強(qiáng)，蒙脫石在富K+和Al3+環(huán)境向伊利石轉(zhuǎn)化、在富Mg2+和Al3+環(huán)境向綠泥石轉(zhuǎn)化[4]。伊蒙混層在堿性水的條件下，隨著成巖強(qiáng)度的加大，逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。高嶺石一般是長(zhǎng)石溶蝕作用的產(chǎn)物，后期可向伊利石或綠泥石轉(zhuǎn)化。砂巖中綠泥石薄膜及一部分伊利石薄膜及其片狀粒間充填物通過堵塞一部分孔隙喉道及造成粒間微孔隙增加而使砂巖的滲透率有所降低，但是大量石英顆粒周圍的綠泥石薄膜的存在阻止了次生石英加大的形成以及一部分粒間碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀，從而使相當(dāng)一部分原生粒間孔隙得以保存[8]。

可見，膠結(jié)作用在成巖早期能夠抵御壓實(shí)作用的影響，為提高孔隙度做了一定的貢獻(xiàn);但是，膠結(jié)物畢竟要占據(jù)各類孔隙空間，使得孔隙吼道變窄、曲折復(fù)雜化甚至消失，降低了儲(chǔ)層的孔隙度及滲透率，增強(qiáng)了儲(chǔ)層物性的非均質(zhì)性，可見，膠結(jié)作用也為主要的破壞性成巖作用之一。

2.3 交代作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

交代作用交前后體積基本不變，對(duì)孔隙影響不大[4，10，11]，但可為后期溶解作用提供更多的易溶物質(zhì)，從而有利于溶蝕作用的進(jìn)行，如碳酸鹽礦物交代碎屑顆粒之后形成的碳酸鹽礦物可能被后期發(fā)生的溶解作用溶解而使次生孔隙增加，這對(duì)儲(chǔ)層孔隙的改造起到積極作用。

2.4 溶解作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

砂巖儲(chǔ)層經(jīng)過不同程度的溶蝕改造形成多種類型的次生孔隙，對(duì)改善砂巖儲(chǔ)層的物性起到了積極作用。特別是在低滲透性儲(chǔ)層地區(qū)，常常由于溶解作用產(chǎn)生了次生孔隙使物性變得好起來。溶解作用在提高儲(chǔ)層孔隙度的同時(shí)，更重要的是提高了孔隙的連通能力，為油氣水運(yùn)移通道的建設(shè)起到了良好的作用。

2.5 破裂作用對(duì)儲(chǔ)層物性的影響

破裂作用產(chǎn)生的裂縫孔隙只占較低孔隙空間，卻可為油氣運(yùn)移提供良好通道，提高砂巖儲(chǔ)層的排液能力，增加儲(chǔ)層的非均質(zhì)性和滲透性。在低滲透儲(chǔ)層中，裂縫往往是油氣運(yùn)移和流體滲流的主要通道。

3 碎屑巖成巖-物性演化規(guī)律

根據(jù)對(duì)儲(chǔ)層物性的改善和破壞情況，將成巖作用分為建設(shè)性和破壞性成巖作用。碎屑巖的破壞性成巖作用主要包括壓為實(shí)作用和膠結(jié)作用，建設(shè)性成巖作用主要是溶解作用。隨著埋深的加大，成巖作用的進(jìn)行，儲(chǔ)層物性逐步變差至異常致密。早成巖階段 A期，以機(jī)械壓實(shí)作用為主，顆粒間更加緊密，有自生蒙脫石形成，原生孔隙大量喪失。早成巖階段B期，機(jī)械壓實(shí)作用、石英次生加大邊的形成、早起鹽酸鹽膠結(jié)物的出現(xiàn)使得原生孔隙進(jìn)一步減少，蒙脫石逐步轉(zhuǎn)化為伊蒙混層、長(zhǎng)石溶蝕生成高嶺石產(chǎn)生少量次生孔隙。中成巖階段A期，機(jī)械壓實(shí)作用、后期含鐵碳酸鹽充填、石英Ⅱ級(jí)次生加大、使顆粒間點(diǎn)－線接觸，原生孔隙空間減小到較低水平;長(zhǎng)石巖屑溶蝕作用、高嶺石伊利石化等產(chǎn)生大量次生孔隙，增加了巖石總孔隙度，改善了儲(chǔ)層物性。中成巖階段B期，機(jī)械壓實(shí)作用、后期含鐵碳酸鹽充填、石英多級(jí)次生加大使顆粒間為線接觸，原生孔隙空間減小到極低水平;長(zhǎng)石巖屑溶蝕作用減弱，伊蒙混層、高嶺石幾乎全部伊利石化，產(chǎn)生的次生孔隙有限，巖石總孔隙度大大減少，并出現(xiàn)裂縫，儲(chǔ)層孔滲性很差。晚成巖階段，石英可見Ⅳ級(jí)次生加大，粘土礦物僅有伊利石和綠泥石，后期含鐵碳酸鹽膠結(jié)等膠結(jié)物充填了幾乎所有孔隙，孔隙度極低，裂縫較發(fā)育。

4 結(jié)語(yǔ)

碎屑巖成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性有著重要的控制作用，主要包括壓實(shí)、膠結(jié)、交代、、溶蝕(溶解)及破裂等作用。壓實(shí)作用受巖石結(jié)構(gòu)成熟度及成分成熟度、煤層、砂體厚度及埋藏深度等綜合控制，可造成原生孔隙的大量喪失，并且這種損失是不可逆轉(zhuǎn)的，是對(duì)儲(chǔ)層物性破壞性最強(qiáng)的成巖作用;膠結(jié)作用對(duì)儲(chǔ)層物性具有雙重作用，一方面可以抵消部分壓實(shí)作用的影響，另一方面要占據(jù)各類孔隙空間降低儲(chǔ)層孔滲性，整體以破壞性為主;交代作用對(duì)儲(chǔ)層物性影響不大;溶解作用可產(chǎn)生大量次生孔隙，增加儲(chǔ)層孔隙度的同時(shí)，提高了孔隙的聯(lián)通能力，是最重要的建設(shè)性成巖作用;破裂作用產(chǎn)生的裂縫孔隙空間較小，然而卻能提高砂巖儲(chǔ)層的排液能力，改善儲(chǔ)層的滲透性。隨著埋深的加大，成巖作用的進(jìn)行，儲(chǔ)層物性逐步變差至異常致密。

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