碎屑巖儲集層成巖作用研究進展與熱點問題討論*

羅靜蘭 李 弛 雷 川 曹江駿 宋昆鵬

1 西北大學大陸動力學國家重點實驗室/西北大學地質(zhì)學系，陜西西安 710069 2長安大學科技處，陜西西安 710018

隨著國民經(jīng)濟和科學技術的迅速發(fā)展以及對油氣資源需求力度的加大，從陸地向海洋、從淺水向深水、從構(gòu)造圈閉油氣藏到以巖性圈閉為主的油氣藏的研究，已經(jīng)是油氣研究與勘探的必然趨勢。近年來，全球、特別是中國在深層—超深層和非常規(guī)儲集層中不斷發(fā)現(xiàn)油氣并獲得突破，展現(xiàn)出良好的資源勘探前景(McDonnelletal.，2008;Mancinietal.，2008;趙文智等，2014；張功成等，2017；孫龍德等，2018；何登發(fā)等，2019)，深層、深水和非常規(guī)已成為油氣勘探的3大新領域(馬永生等，2011；鄒才能等，2015，2018；金之鈞等，2018；孫龍德等，2019)。深層、深水和非常規(guī)儲集層成巖作用的研究成為不可或缺的一項重點研究內(nèi)容，并逐步向與盆地流體、盆地動力學與熱動力學過程控制的流體-巖石相互作用的成巖作用系統(tǒng)及其時空演變機制研究方向發(fā)展?？偨Y(jié)近10年來國內(nèi)外碎屑巖儲集層成巖作用研究進展、前沿研究熱點和關鍵問題，具有重要的學術探索意義和油氣勘探開發(fā)實際意義。

作者在歸納總結(jié)前人研究成果與認識基礎上，介紹中國典型盆地碎屑巖儲集層成巖作用的主要研究成果與認識，與業(yè)內(nèi)專家學者、同行討論近幾年碎屑巖儲集層成巖作用研究進展，探討未來成巖作用研究熱點問題或發(fā)展趨勢，以期推動中國碎屑巖儲集層成巖作用研究向前發(fā)展。

1 成巖作用研究主要進展

20世紀90年代后，國內(nèi)外學者已經(jīng)認識到從盆地動力學整體角度考察成巖作用系統(tǒng)過程，從而為揭示沉積盆地成巖—成藏/成礦序列及其區(qū)域時空結(jié)構(gòu)提供了重要途徑。近幾年成巖作用研究在探索盆地源-匯沉積作用過程、埋藏—熱演化歷史、油氣運移—侵位—充注過程、熱事件與構(gòu)造演化、高熱與超壓背景、流體活動等大尺度盆地動力學/熱動力學過程與小尺度成巖特征的關系，研究儲集層的沉積—埋藏—烴類充注—流體活動—成巖—孔隙演化的系統(tǒng)過程研究方面有長足進展。概括起來，近10年儲集層成巖作用研究主要在以下幾個方面取得進展。

1.1 流體-巖石相互作用

“源-匯”系統(tǒng)的沉積作用過程、源區(qū)母巖性質(zhì)、沉積物分散樣式?jīng)Q定的砂巖類型與巖石學組分，及其對成巖演化路徑、成巖過程中物理作用和化學作用的影響，造成儲集層孔隙結(jié)構(gòu)的不同及儲集層的強非均質(zhì)性(Dutton，etal.，2012；Joeetal.，2014；羅靜蘭等，2016；胡賀偉等，2020)。胡賀偉等(2020)關于“源-匯”系統(tǒng)控砂原理的定量分析結(jié)果表明，匯區(qū)沉積體面積及形態(tài)與有效物源區(qū)面積、溝谷的長、寬、寬深比等參數(shù)密切相關；有效物源區(qū)面積控制沉積體系發(fā)育規(guī)模，輸砂通道控制沉積體系的優(yōu)勢展布方向及形態(tài)。Joe 等(2014)通過對同層位不同礦物組合含油泥巖的研究認為，原始礦物成分不同的泥巖經(jīng)過相同的成巖演化過程，最終的成巖產(chǎn)物及含油性存在差別。

隨著含油氣巖系中有機-無機反應機制研究的深入(Hanetal.，2015;李忠，2016；Zhaoetal.，2017；李忠等，2018)和流體包裹體研究技術的不斷改進和完善(陳紅漢，2014；平宏偉等，2014；斯尚華等，2018；李文等，2018)，人們逐漸認識到流體-巖石相互作用機理研究的重要性。如Yang等(2017)對塔里木盆地庫車凹陷白堊系砂巖儲集層巖石學、礦物學、地球化學分析、水-巖反應實驗及數(shù)值模擬研究顯示，與儲集層經(jīng)歷的6個連續(xù)的成巖作用階段埋藏條件下的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果、巖石學和地球化學分析結(jié)果基本相吻合。實驗結(jié)果表明，在成巖過程中，所有的礦物都受到了影響，由于沉淀作用和溶解作用，礦物的相對含量隨時間的延長呈波動變化。隨著壓實作用減弱，各種膠結(jié)作用逐漸增強，若同期沉積水呈堿性時，則形成石英次生加大；大部分礦物如方解石、長石在首次有機酸注入砂巖時會發(fā)生溶蝕，砂巖的孔隙度從早期成巖階段的18.58%增加至達24.26%，溫度與壓力的升高會引起孔隙度變化的微小波動。早期形成的膠結(jié)物大部分隨第2次有機酸侵入發(fā)生溶解，孔隙度增至23.23%。在最晚成巖階段，儲集層流體被沉積堿性水稀釋，大部分礦物在堿性環(huán)境下發(fā)生沉淀，孔隙度降低至16.65%。Fan等(2017)以柴達木盆地新生界鹽湖沉積環(huán)境地質(zhì)條件為約束的水-巖物理-化學模擬實驗結(jié)果，嘗試解釋咸化水對儲集層的影響。認為鹽類礦物由于占據(jù)了粒間孔隙，其沉淀對儲集層的物性產(chǎn)生了負面影響，降低了儲集性能。細的孔喉更易被堵塞，增大了孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的偏差。咸化盆地中的流體由于富含K+，對長石的溶解有抑制作用，對溶蝕孔隙的形成不利。富含大量K+的鹽水流體有助于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化，K+含量越高，形成的伊利石更細，更容易堵塞喉道與孔隙，由此使?jié)B透率更低。

羅靜蘭等(2010，2014，2016)對鄂爾多斯盆地不同地區(qū)上三疊統(tǒng)延長組主要含油層系長6—長8油層組、上古生界重點含氣層段石盒子組盒8段與山西組山1段的相關研究均顯示，源區(qū)位置及母巖性質(zhì)及其供給量，不僅控制相序組合和砂體展布特征與發(fā)育規(guī)模，而且決定砂巖的類型與原始礦物成分，后者制約了砂巖成巖作用路徑，造成砂巖的成巖演化過程與儲集層致密化時序存在差異，最終導致砂巖孔隙結(jié)構(gòu)特征及含油性不同。以下以鄂爾多斯盆地北部二疊系盒8段砂巖儲集層為例，討論源區(qū)母巖性質(zhì)決定的砂巖類型與巖石學組分，對成巖過程中的水-巖反應產(chǎn)物類型的影響。

碎屑鋯石U-Pb定年物源示蹤研究表明，鄂爾多斯盆地北部上古生界沉積物源，主要來自盆地北部陰山地塊的早元古代晚期的孔茲巖或孔茲巖帶和早元古代早期的TTG片麻巖及侵入其中的古老花崗巖；其次來自陰山地塊泥盆紀—石炭紀火山—巖漿活動產(chǎn)物。其中，盒8段石英砂巖的物源，主要受陰山地塊早元古代時期形成的富含石英與石英巖的孔茲巖帶與TTG片麻巖與片麻狀花崗巖的控制；巖屑砂巖的物源除受孔茲巖帶、TTG片麻巖與片麻狀花崗巖的影響外，來自陰山地塊東部太古界古老變質(zhì)巖與泥盆系—石炭系花崗巖及火山巖對其產(chǎn)生了較大影響；巖屑石英砂巖的物源同時受與石英砂巖和巖屑砂巖相同物源的共同控制(羅靜蘭等，2010)。

從源到匯，源區(qū)與母巖性質(zhì)決定砂巖類型與巖石學組分特征，并影響水-巖反應產(chǎn)物即膠結(jié)物的類型與特征、孔隙演化過程，后者決定儲集層儲集性能與產(chǎn)能。如：

硅質(zhì)： 硅質(zhì)膠結(jié)物(以石英次生加大為主，少量粒間微晶石英)是盒8段石英砂巖中的主要膠結(jié)物(平均為5.3%)，在巖屑石英砂巖和高塑性巖屑砂巖平均分別為3.2%和2.1%。 硅質(zhì)膠結(jié)物使砂巖中的部分粒間孔與喉道喪失，導致孔喉連通性變差，使砂巖的物性變差、 產(chǎn)能降低。 但石英加大對骨架顆粒的支撐可在一定程度上抑制壓實作用的強度。

綠泥石: 盒8砂巖中的綠泥石膠結(jié)物相對不發(fā)育(平均0.1%～1.3%)，以巖屑石英砂巖(平均1.1%)和高塑性巖屑砂巖含量最高(平均1.3%)(圖 1-B)。

A—碎屑含量直方圖；B—膠結(jié)物含量直方圖

高嶺石： 高嶺石是石英砂巖、巖屑石英砂巖的主要膠結(jié)物(平均分別為3.6%和2.7%)(圖 1-B)。

伊利石+蒙脫石+伊/蒙混層： 這3種黏土礦物是盒8段高塑性巖屑砂巖和巖屑石英砂巖的主要膠結(jié)物(平均分別為7.3%和6.5%)，石英砂巖中平均3.8%(圖 1-B)。

碳酸鹽： 以基底式或嵌晶式充填孔隙的碳酸鹽膠結(jié)物，如果后期不發(fā)生溶蝕或溶蝕有限，則對砂巖的孔隙破壞很大，由碳酸鹽膠結(jié)作用造成的孔隙喪失率較高。盒8鈣質(zhì)砂巖段由碳酸鹽膠結(jié)作用造成的孔隙喪失一般都在20%～28%之間，砂巖較致密，孔隙不發(fā)育，可作為成巖圈閉層段。

流體是流體-巖石作用系統(tǒng)的活躍控制因素，對流體-巖石相互作用機理、形成產(chǎn)物及其分布特征的深入研究，不僅有助于追蹤油氣運移路徑，認識油藏成因和分布特點，而且對溶蝕作用及次生孔隙形成、儲集性能演化、成巖—成藏—致密化過程等可提供重要信息。目前，流體-巖石作用研究成為儲集層成巖-成儲過程中的核心研究內(nèi)容。

1.2 成巖作用過程中的油氣充注與儲集層低滲化-致密化時序

含油氣儲集層在其形成與演化過程中，無疑要受到烴源巖生排烴和油氣侵位整個過程的影響，因此，含油氣巖系中一定涉及油氣侵位、水-巖之間的有機—無機反應。但以往是將成巖作用、油氣侵位成藏分別單獨開展研究，對含油氣巖系中油氣侵位、水-巖之間的有機—無機反應機制及其相互作用機理的研究相對薄弱。

李榮西等(2012)利用電子探針成分分析主元素與LA-MC-ICP/MS 原位微分析、熒光測試等技術，對鄂爾多斯盆地三疊系延長組砂巖的鈉長石化與熱液成巖作用的研究認為，鈉長石為沉積成巖期形成的低溫鈉長石，具有熱水成巖作用地球化學特征，屬于熱液成巖作用產(chǎn)物。鈉長石中含有大量原生的發(fā)亮黃色熒光的油氣包裹體，表明其形成與油氣注入同時。認為大量鈉長石形成與石油充注的同時導致了儲集層致密過程中巖性油藏的形成。

李杪等(2016)針對鄂爾多斯盆地東部上古生界二疊系盒8段不同類型砂巖含氣層，通過成巖作用與孔隙演化、油氣充注期次及其與成巖作用特征、成巖—油氣充注產(chǎn)物時序等研究，對各砂巖儲集層低滲化-致密化時序做了一些有意義的探索。認為盒8段石英砂巖與巖屑石英砂巖經(jīng)歷了包括3期烴類充注、2期溶蝕作用及多期復雜的成巖作用過程。形成于中成巖A期、中成巖B期(100～150℃)的石英次生加大膠結(jié)作用是導致石英砂巖致密的主要作用。發(fā)生在中成巖A期、中成巖B期的石英次生加大與伊利石等黏土礦物膠結(jié)作用，是導致巖屑石英砂巖與部分巖屑砂巖低滲與致密的主要膠結(jié)作用。結(jié)合烴類包裹體形成溫度(80～160℃)及成巖—烴類充注演化序列與過程研究，推測這2類砂巖的致密化過程與第1期、第2期油氣充注的關系是邊充注邊致密，而與第3期油氣的關系是先致密后充注(羅靜蘭等，2015)(1)羅靜蘭，李杪，白玉彬，白雪晶，趙天林. 2015. 致密含氣砂巖的成巖與物性演變過程及其與烴類充注的關系(國家科技重大專項專題2011ZX05008-004-61結(jié)題報告)(內(nèi)部資料).。高塑性巖屑砂巖、鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖、石英砂巖、巖屑石英砂巖的差異性成巖演化過程不僅導致各砂巖儲集性能不同，油氣運移進入砂巖中的期次、規(guī)模存在差別，致密化過程有先有后。高塑性巖屑砂巖中發(fā)現(xiàn)了早成巖B期及中成巖A期2期烴類充注： 第1期油氣是邊充注邊致密，第2期油氣是先致密后充注。鈣質(zhì)膠結(jié)砂巖經(jīng)歷早—中成巖A期碳酸鹽膠結(jié)作用后，絕大部分孔隙喪失殆盡，基本為致密儲集層或非儲集層。這類砂巖中只發(fā)現(xiàn)早成巖B期1期烴類物質(zhì)充注，是先充注后致密(李杪等，2016)。

最近有學者利用流體包裹體均一溫度測試、 伊利石K-Ar同位素測年、 盆地數(shù)值模擬和鏡下觀測等多種方法，研究了鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長組長8油層組儲集層致密化與石油成藏的時間關系，石油充注的成巖響應和儲集層致密化對成藏的影響。 認為壓實背景下的多期次膠結(jié)作用是儲集層致密化的主要原因。 長8油藏具有一期多階段的特點，成藏窗口明顯早于儲集層致密化窗口，成藏高峰期早于儲集層由低孔演變到特低孔的關鍵膠結(jié)事件的發(fā)生時間。 這種時間關系決定了儲集層成巖演化的遲緩性與石油成藏的繼承性(馬立元等，2020)。

但由于更適合成巖產(chǎn)物與流體包裹體微區(qū)原位穩(wěn)定同位素等高精度、高靈敏度分析測試技術，特別是微區(qū)原位放射性同位素定年技術與方法相對缺乏，導致油氣充注與儲集層低滲化—致密化同位素定年時序依然沒有定論。

1.3 熱動力與熱流體對成巖作用與孔隙演化的影響

大陸邊緣斷陷盆地由于熱事件頻繁、構(gòu)造與熱流體活動強烈，加之深層—超深層地溫增高、壓力增大，構(gòu)造應力作用增大，異常高壓發(fā)育，流體相態(tài)多變，不僅制約著流體(油、氣、水)的賦存方式與運動狀態(tài)，影響油氣運移與聚集特點，儲集層成巖作用過程也更加復雜。國內(nèi)外學者近幾年在熱動力學(地熱梯度與熱流背景、升溫速率、熱演化方式與路徑、盆地沉降方式)對儲集層成巖作用的影響方面做了一些有意義的探索。

國外學者研究發(fā)現(xiàn)，深部砂巖儲集層仍存在機械壓實證據(jù)(Fisheretal.，1999;Makowitz and Milliken，2002)。深部砂巖儲集層的壓實作用不僅受上覆巖石載荷、所處沉積類型控制，也受到地層流體性質(zhì)、盆地地溫梯度場及埋藏熱演化軌跡等多種因素的影響(Heapetal.，2015；Brüchetal.，2016；Naderetal.，2016)。部分學者的研究證實，不同地溫梯度區(qū)相同溫度條件下儲集層的物性可以不同(Fisheretal.，2007;Leietal.，2018)。Dutton等(2012)在對美國墨西哥灣盆地(Gulf of Mexico Basin)古近紀和新近紀200～6700im深度范圍內(nèi)的深層—超深層砂巖儲集層的成巖作用研究顯示，在物源無改變、砂巖類型和礦物成分基本一致的情況下，溫度從38℃增加至132℃，砂巖的孔隙度從33% 逐漸降低至12%，絕大部分原生孔隙的喪失主要是壓實作用或石英膠結(jié)作用所致。深埋階段(溫度超過132℃)，盡管3.5%的鉀長石發(fā)生了溶蝕，但由于鐵白云石、鈉長石、伊利石和少量石英膠結(jié)作用的發(fā)生使之抵消，次生孔隙含量基本保持不變。超深層砂巖的黏土礦物、蝕變碎屑顆粒及雜基中發(fā)育大量微孔隙，暗示溫度對砂巖的壓實作用、膠結(jié)作用、孔隙類型及其發(fā)育產(chǎn)生了明顯的影響。

中國學者在相關領域開展了卓有成效的工作。壽建峰等(2006)認為，中國油氣盆地復雜的地質(zhì)條件導致碎屑巖成巖壓實機制的多樣性，壓實作用除上覆巖柱引起的靜巖壓實效應外，還有盆地熱流控制的熱壓實效應、地層流體性質(zhì)影響的流體壓實效應以及構(gòu)造變形引起的構(gòu)造壓實效應。靜巖壓實效應、流體壓實效應和熱壓實效應是沉積盆地中砂巖普遍的成巖作用現(xiàn)象，由盆地熱流控制的熱壓實效應引起的砂巖孔隙喪失在高地溫場盆地中普遍存在(壽建峰等，2006；侯高峰等，2017；李弛等，2019)。熱壓實效應具有深度加大、熱效應壓實量(或熱效應壓實速率)減小以及盆地的地溫梯度差距加大、熱效應壓實量(或熱效應壓實速率)增大的特點(壽建峰等，2006)。

在沉積條件相同的情況下，隨著地層溫度及升溫速率(地溫梯度)的升高，砂巖存在壓實作用強度增大、壓實減孔速率升高的趨勢(黃志龍等，2015；張麗和陳淑慧，2017；Leietal. 2018；李弛等，2019；羅靜蘭等，2019)；在相同埋藏終止條件下，隨著埋藏時間增加，巖石的孔隙度與滲透率隨埋藏時間的增加呈對數(shù)減少(侯高峰等，2017)。在等深度條件下，地溫梯度較高盆地中砂巖的孔隙度小于地溫梯度低的盆地中的砂巖，且地溫梯度差異越高該差異越明顯(壽建峰，2005；壽建峰等，2006；李弛等，2019)。因為溫度升高引起巖石的抗壓能力減弱，更容易發(fā)生塑性變形；尤其是在水中，升溫后巖石破裂強度大大降低；加之隨埋藏深度的增加，當顆粒接觸點所承受的來自上覆地層的壓力或者來自構(gòu)造作用的側(cè)向應力超過正?？紫读黧w壓力(達到2～2.5倍)時，顆粒接觸處的溶解度增高，發(fā)生晶格變形和溶解作用(馮增昭，1993；劉國勇等，2006；侯高峰等，2017)，從而使得壓實—壓溶作用增強。此外，地層溫度的增加加快了化學反應速率，加速了化學膠結(jié)作用的進程(羅靜蘭等，2019)。以下結(jié)合研究實例，從幾個方面具體闡述。

1.3.1 升溫速率與受熱機制導致的砂巖成巖—孔隙演化路徑影響儲集層的物性

成巖作用的強度體現(xiàn)在溫度和時間的互補性方面，即短時間高溫和長時間低溫可以達到相同的成巖作用程度。

埋藏史和地殼拉張減薄史對比結(jié)構(gòu)顯示，白云凹陷L-Gra區(qū)珠海組上覆地層厚度大(平均2715im)、地殼較厚(約29ikm)。MH-Gra區(qū)和受異常熱影響區(qū)珠海組上覆地層厚度小(平均1625im)、地殼較薄(17～19ikm)，地層在早期已經(jīng)距離地幔熱源相對較近，兩者受熱歷史及加熱方式存在差別?，F(xiàn)今L-Gra區(qū)珠海組地層盡管埋深大，但是距莫霍面較遠，表現(xiàn)為Gra低、加熱方式緩慢，受熱相對較弱，等效于低TTI(temperature-time index)成巖演化路徑，儲集層物性降低較慢，儲集層最大孔隙度在近2300im的范圍內(nèi)(從1633～3928im)從33.7%減少到13.5%，減小速率為0.9%/100im，滲透率也表現(xiàn)出類似的規(guī)律(圖 2-A，2-B)。MH-Gra區(qū)與受熱事件異常區(qū)由于在早期距離地幔熱源較近，表現(xiàn)為Gra高、熱作用持續(xù)進行、地層受熱較充分且時間長，等效于高TTI成巖演化路徑，最大孔隙度隨深度的增大、特別是當?shù)貙訙囟却笥?0i℃后，隨地層溫度的增加，MH-Gra區(qū)砂巖的最大孔隙度和最大滲透率急劇快速減小(圖 2-C，2-D)，MH-Gra區(qū)儲集層最大孔隙度在1900im的范圍內(nèi)(從829～2736im)從36.1%迅速減少至11.1%，減小速率為1.3%/100im(Leietal.，2018)；受異常熱區(qū)儲集層最大孔隙度在約1600im的范圍內(nèi)(從1372～2969im)從36.2%迅速減少至10.3%(圖 2-A，2-B)，減小速率為1.7%/100im。MH-Gra區(qū)和受異常熱區(qū)在埋深較淺處即可導致儲集層物性變差。

A，B—隨埋深的增大，中高地溫梯度區(qū)與受異常熱區(qū)儲集層的最大孔隙度與最高滲透率降低速率較快；C，D—隨地層溫度的增高，中高地溫梯度區(qū)與受異常熱區(qū)儲集層的最大孔隙度與最高滲透率降低速率較快

圖中： Ф為孔隙度；K為滲透率；Gra為地熱梯度

1.3.2 熱壓實作用是高地溫梯度區(qū)和熱異常區(qū)儲集層原生孔隙喪失的主要成巖作用

傳統(tǒng)埋藏成巖作用理論認為，早成巖期單純由上覆巖柱的有效應力及沉積物本身質(zhì)量所產(chǎn)生的重力(即靜巖壓實作用)是引起粒間孔隙體積減小的主要原因。但相關研究及物理模擬實驗結(jié)果表明，砂巖的壓實速率會隨著Gra的增大而顯著增高，較高Gra下產(chǎn)生的熱壓實效應可以增強砂巖壓實作用的強度(壽建峰，2005；壽建峰等，2006)。

珠江口盆地白云凹陷不同Gra區(qū)砂巖的孔隙度與滲透率隨埋深的增加總體呈現(xiàn)減小的趨勢(圖 3)。

L-Gra區(qū)珠海組上覆沉積地層較厚，靜巖壓實作用強度較大；MH-Gra區(qū)珠海組上覆沉積地層較薄，靜巖壓實作用強度應該相對較弱。但薄片顯微鏡下統(tǒng)計與計算結(jié)果顯示，L-Gra區(qū)與MH-Gra區(qū)珠海組砂巖中顆粒間線—凹凸接觸者基本相當(平均分別占56.2%和53.7%)，但MH-Gra區(qū)砂巖由壓實作用造成的孔隙喪失(平均30.4%)明顯高于L-Gra區(qū)(平均25.2%)，且隨Gra的升高，等孔隙度與等滲透率的埋深顯著變淺，在埋深較淺處(2300～2500im)砂巖的物性即開始變差(圖3)。而在L-Gra區(qū)，珠海組儲集層屬于正常成巖演化過程，砂巖在3500im埋深處其物性才逐漸變差，孔滲降低較少、較緩慢(圖3)。MH-Gra區(qū)和受異常熱影響區(qū)儲集層的成巖作用與成巖—孔隙演化具有一定的特殊性，顯示出異常熱成巖演化特征，高的增溫速率所產(chǎn)生的熱壓實效應使壓實作用強度增加，壓實減孔速率增高，由熱壓實作用造成的孔隙喪失率增大。因此，熱壓實作用是MH-Gra區(qū)和熱異常區(qū)儲集層原生孔隙喪失的主要成巖作用。

圖中各顏色線段分別對應不同地溫梯度區(qū)與熱異常區(qū)儲集層相應成巖階段的現(xiàn)今地層溫度范圍

1.3.3 高地溫梯度和升溫速率導致的黏土礦物熱異常轉(zhuǎn)化影響了儲集層的物性

通常高嶺石消失界限(埋深)與升溫速率密切相關，隨升溫速率的增高，高嶺石消失的溫度界限降低、埋深界限變淺(壽建峰，2005；黃思靜等，2009)。蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化與溫度相關，正常地溫條件下，由蒙脫石經(jīng)過伊/蒙混層向伊利石的轉(zhuǎn)變是漸變的，伊/蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分數(shù)(S%)的突變代表著熱異常作用(解習農(nóng)等，1999)。

圖 5 不同地溫梯度區(qū)儲集層中伊利石和高嶺石與物性關系(據(jù)Lei et al.，2018；有修改)Fig.5 Relationship between illite and kaolinite cements and reservoir quality in different geothermal gradient regions(modified from Lei et al.，2018)

發(fā)絲狀伊利石使原來的大孔隙變成小孔甚至微孔，孔隙間的連通性大大降低，造成滲透率的下降。研究區(qū)MH-Gra區(qū)儲集層物性隨伊利石含量的增加降低較明顯(圖 5)。如圖 5-A和5-B中伊利石膠結(jié)物照片的砂巖，由于其中含較多伊利石(14.6%)，具較低的孔隙度(6.0%)和滲透率(0.01×10-3μm2)。高嶺石是否對儲集層有利，取決于地層中流體的活動性強弱和系統(tǒng)的封閉與開放。流動強可以使得高濃度孔隙流體發(fā)生遷移，有利于粒間孔隙的保存；反之高嶺石原地沉淀，使粒間孔隙被充填或部分充填。研究區(qū)儲集層中高嶺石含量與孔隙度和滲透率呈弱的正相關關系(圖 5)。如圖 5-C、5-D為高嶺石膠結(jié)物照片的砂巖，由于其中含較多高嶺石(14.1%)，具有高孔隙度(22.8%)和較高的滲透率(39.8×10-3μm2)。這是因為盡管高嶺石會使粒間大孔隙喪失或部分喪失，但高嶺石發(fā)育大量晶間微孔及微溶孔，在一定程度上會使?jié)B透率、特別是孔隙度增加。這類微孔隙對于石油而言不易進入其中，但對于天然氣是其儲集空間之一。值得說明的是，圖 5 中部分數(shù)據(jù)點的砂巖物性與伊利石、高嶺石之間的相關性較差，暗示儲集層的物性除受黏土礦物的影響外，不排除其他因素對儲集層的物性也產(chǎn)生了影響。

1.3.4 地溫梯度和升溫速率與熱流體影響了碳酸鹽膠結(jié)物的類型及其分布特征

碳酸鹽礦物的溶蝕、沉淀行為在根本上是由熱力學基本原理控制的。深部熱流體在運移過程中，改變了地層的溫度、壓力狀態(tài)，從而控制了碳酸鹽礦物的溶解—沉淀行為(黃可可等，2009；朱東亞等，2012；楊云坤等，2013)。熱流體具有深部溶蝕碳酸鹽礦物、淺部沉淀碳酸鹽礦物的作用，當深部熱流體進入開啟性裂縫體系中時，由于壓力降低，也會發(fā)生CaCO3的沉淀充填(朱東亞等，2012)。如方解石的沉淀—溶解反應方程式：

前人研究指出，白云凹陷高地溫梯度區(qū)和熱異常區(qū)深部地層存在深大斷裂及氣煙囪底辟構(gòu)造(Leietal.，2018;李弛等，2019)，氣煙囪與活動性斷層共同構(gòu)成了成巖演化過程中深部超壓及熱流體的泄壓與運移通道，伴隨著泄壓過程存在多期深部熱流體幕式上涌(謝志遠等，2015；李弛等，2019)。在熱流體活躍期，流體頻繁上涌，地層中CO2分壓、孔隙流體鹽度升高，CaCO3溶解度增大(朱東亞等，2012)，方解石發(fā)生溶蝕；在熱流體活動間歇期，流體活動頻次降低，地層中CO2分壓、孔隙水鹽度相對降低，CaCO3溶解度降低，有利于方解石膠結(jié)物沉淀(圖6)。

圖 6 不同溫壓條件、孔隙水鹽度下CaCO3溶解度變化(據(jù)朱東亞等，2012)Fig.6 Diagram showing solubility changes of CaCO3 under different temperature and pressure and pore water salinity conditions(after Zhu et al.，2012)

圖 7 珠江口盆地白云凹陷不同受熱機制區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物的埋深與溫度關系縱向分布圖Fig.7 Vertical distribution between buried depth and temperature and carbonate cement in regions impacted by different thermal mechanism of Baiyun Sag，the Pear River Mouth Basin

1.4 超壓背景對儲集層成巖作用的影響

國內(nèi)外與超壓背景下儲集層成巖作用與流體活動等相關的研究，始于1953年在美國灣岸地區(qū)沉積盆地內(nèi)識別出流體壓力異常(Dickinson，1953)、特別是發(fā)現(xiàn)了流體超壓現(xiàn)象以來。對超壓盆地的形成，Osborne和Swarbick(1995)根據(jù)超壓的形成與發(fā)育機制，將沉積盆地超壓成因機制歸納為3種成因類型： (1)欠壓實(垂向應力)、構(gòu)造應力(水平擠壓)作用；(2)化學反應(生烴、烴類裂解、黏土礦物脫水)或物理作用(如流體受熱)導致流體體積迅速增加；(3)流體運移與壓力傳導(斷層、裂縫)。

近年來，欠壓實成因超壓在中國發(fā)育大規(guī)模三角洲的新生代伸展盆地被進一步證實(董冬冬等，2015；范昌育等，2015；Duanetal.，2018；李文等，2018)。隨著不同成巖環(huán)境(溫度、壓力、流體)條件下成巖作用機理的理論及模擬實驗研究的展開，目前，對超壓背景下儲集層成巖作用影響的認識，可總結(jié)概括如下：

1)超壓可抑制上覆巖層的壓實效應，有利于保存原生孔隙度。超壓或超壓孔隙流體承載了大部分的上覆地層壓力，減小了巖石骨架承載的壓力，減緩并抑制了機械壓實作用的壓實效應，使部分被超壓孔隙流體充填的原生孔隙保存到較深的部位(姜濤和解習農(nóng)，2005；張伙蘭等，2014；Duanetal.，2018)。如鶯歌海盆地DX區(qū)約在2500im開始出現(xiàn)超壓，現(xiàn)今超壓環(huán)境下的3000im埋深原始孔隙僅相當于正常情況下1500im埋深(馬勇新等，2015)。

2)在異常高壓帶內(nèi)，膠結(jié)物的增生將變慢或停止，因此減少了由于膠結(jié)作用而損失的原生孔隙。超壓系統(tǒng)相對封閉，其內(nèi)部流體幾乎處于靜止狀態(tài)，水—巖反應不活躍，從而抑制了黏土礦物的轉(zhuǎn)化作用。如蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化需要從溶液中吸收K+、Al3+，而K+、Al3+主要來源于硅酸鹽礦物的溶解。這種對黏土礦物轉(zhuǎn)化的抑制作用延緩了K+、Al3+等陽離子和層間水的排出，減弱了膠結(jié)作用(孟凡晉等，2012；張伙蘭等，2014；段威等，2015；馬勇新等，2015；Duanetal.，2018)。如鶯歌海盆地D區(qū)從1500im至2500im，伊/蒙混層比從50%減至15%，按照正常的趨勢，進入2500im以后，伊/蒙混層比應繼續(xù)迅速減小。但超壓環(huán)境下LD30-1-1A井中伊/蒙混層為80%左右，而常壓下的LT33-1-1井中的伊/蒙混層只有50%左右，超壓對黏土礦物轉(zhuǎn)化有明顯的抑制作用(馬勇新等，2015)。超壓減少了碳酸鹽膠結(jié)物的來源，增加了CO2的溶解度，可減少碳酸鹽膠結(jié)物的生成，使部分原生孔隙得以有效保存。此外，超壓流體還具有深部溶蝕碳酸鹽巖、淺部沉淀碳酸鹽礦物的作用，控制了碳酸鹽礦物的形成與縱向分布。地層溫度、壓力、鹽度的改變亦會使體系內(nèi)碳酸鹽礦物的溶蝕量發(fā)生變化(朱東亞等，2012；楊云坤等，2013)(圖 6)。前人對鶯歌海盆地超壓界面上下儲集層中碳酸鹽膠結(jié)物含量的統(tǒng)計結(jié)果顯示，超壓頂界面之上的常壓帶，砂巖中碳酸鹽膠結(jié)物的含量明顯高于頂界面之下的超壓帶(圖 8)。表明超壓在一定程度上抑制了碳酸鹽膠結(jié)物的形成。

圖8 鶯歌海盆地DF11區(qū)砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)物與深度關系(據(jù)Duan et al.，2018；有修改)Fig.8 Diagram showing relationship between depth and carbonate cement in sandstone of DF 11 area in Yinggehai Basin(modified from Duan et al.，2018)

3)超壓在一定程度上可限制自生石英的形成。石英膠結(jié)物的主要來源為石英壓溶作用與鋁硅酸鹽礦物的溶解(Maxwell，1964；孟元林等，2015)。石英的壓溶作用與鋁硅酸鹽礦物在溶解過程中產(chǎn)生的SiO2，為石英的次生加大提供了物質(zhì)基礎(孟元林等，2005)。超壓可在一定程度上抑制壓溶作用，從而限制石英次生加大的形成。在超壓發(fā)育的盆地，儲集層中石英膠結(jié)物含量表現(xiàn)出一定規(guī)律： 超壓發(fā)育段石英膠結(jié)物含量降低，石英膠結(jié)物含量與壓力系數(shù)呈明顯的負相關關系(雷振宇等，2012)。

4)超壓可抑制有機質(zhì)演化，拓寬生油窗的范圍。超壓對有機酸的生成具有抑制作用(孟元林等，2008)，導致流體中的K+、Al3+濃度減小，延長有機質(zhì)熱演化生成有機酸和CO2產(chǎn)出的時間，間接地增加了CO2等無機與有機酸性流體與硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的接觸時間和強度，產(chǎn)生大量的有機酸、排出的CO2水解形成的無機酸、黏土礦物轉(zhuǎn)化過程中析出的酸性流體等，促進了儲集層中易溶礦物發(fā)生溶蝕，形成次生孔隙發(fā)育帶(段威等，2015；黃志龍等，2015；馬勇新等，2015；郇金來等，2016)。

5)超壓導致的流體壓裂突破過程中產(chǎn)生的大量裂縫(周家雄和劉巍，2013；張偉等，2013；耿明會等，2014；李緒深等，2017)，提高了儲集層的滲透性。

2 成巖作用研究發(fā)展趨勢與熱點問題

成巖作用貫穿于油氣藏形成的整個過程，是一個極其復雜的物理化學過程，其影響因素的多變和過程的復雜性主要體現(xiàn)在巖石成分的復雜性，流體來源的廣泛性，溫度、壓力、時間、系統(tǒng)的開放性和封閉性、烴類的侵位等成巖環(huán)境條件的多變性等方面。同時還受到沉積體系、古氣候、盆地沉降與折返(劉建清等，2006)、沉積盆地時空演化等多因素的作用和影響(Byrnes and Wilson，1994；李忠和劉嘉慶，2009；Wilkinson and Haszeldine，2011；李忠等，2018)。未來成巖作用研究可能會在以下幾個方面發(fā)展并獲得長足進步。

2.1 深水沉積成巖作用

由于近年來被動大陸邊緣深水濁積砂巖及其中油氣儲集層的不斷發(fā)現(xiàn)，以及世界若干大油氣田的發(fā)現(xiàn)均與引起深部儲集物性變好的次生孔隙發(fā)育帶有關，促使人們廣泛重視深水沉積儲集層的成巖作用、尤其是成巖后生作用的研究。對深水沉積成巖作用研究將主要集中在： 砂巖的骨架礦物成分及其地球化學特征和孔隙流體性質(zhì)的演化及其影響因素(Mansurbegetal.，2008)；孔隙流體地球化學與流體動力學研究；深水沉積儲集層中主要膠結(jié)物如碳酸鹽等的物質(zhì)來源與形成介質(zhì)條件與環(huán)境；碳酸鹽、次生石英膠結(jié)物等的分布及其對儲集層物性的影響(Dutton，2008；Duttonetal.，2012;Lietal.，2014a)；深水沉積物中黏土礦物的礦物學與孔隙流體中的C、O、Sr、Nd、Ca、Mg、Si、Li、B等穩(wěn)定同位素地球化學研究；深水與深層低孔低滲—致密儲集層中水-巖無機化學反應及礦物的形成和生物作用過程機制(Giresse and Wiewióra.，2001;Higgins and Schrag，2012)；儲集層次生孔隙的成因機理、次生孔隙發(fā)育帶分布與識別、相對高孔高滲帶的預測，這些將是未來相當一段時間內(nèi)深水沉積成巖作用研究的熱點和學術界探索的重大科學前緣問題(Duttonetal.，2012;Higgins and Schrag，2012;Yarmohammadietal.，2014；李華和何幼斌，2017；馬本俊等，2018；Henryetal.，2019;李相博等，2019；朱筱敏等，2019)。

2.2 深部構(gòu)造-熱流體活動對儲集層的溶蝕改造作用

目前，國際地學界成巖作用研究的熱點之一是深部構(gòu)造-熱流體活動對儲集層的溶蝕改造作用(Hanetal.，2015；Zhangetal.，2015;李忠，2016；李忠等，2018)。焦點主要集中在盆地熱流體-巖石作用、超壓流體與優(yōu)質(zhì)儲集層形成和油氣成藏與成礦效應方面(金之鈞等，2006；鄒華耀等，2006；李忠等，2010；李忠，2016)，盆地中—大尺度強應變導致的深層碎屑巖(微)裂縫及其相關構(gòu)造-流體-巖石作用對儲集層儲集性能的改善機制研究(李忠等，2018)，熱事件與深部熱流體的成巖響應及其對壓實作用、膠結(jié)作用和溶蝕作用及孔隙發(fā)育的影響等方面(Leietal.，2018;李弛等，2019；羅靜蘭等，2019)。

深部熱液改造形成的優(yōu)質(zhì)儲集層在國外已有實例，如加拿大盆地西部(Al-Aasmetal.，2000)和西班牙西南Cantabrian帶的優(yōu)質(zhì)儲集層都是深部熱液流體改造的結(jié)果。國內(nèi)學者的研究認為，升溫速率的增大與熱流體的活動加速了黏土礦物轉(zhuǎn)化，增強了儲集層的膠結(jié)作用(孟凡晉等，2012；李弛等，2019)。高熱背景下儲集層的原生孔隙，受靜巖壓實作用和熱壓實作用的共同控制，總體上表現(xiàn)為熱壓實速率較高、強度較大、儲集層物性降低迅速的特點(李弛等，2019)。但高地溫梯度區(qū)或異常熱流區(qū)的烴源巖在埋深較淺處即可達到排烴門限，儲集層可達到較深的成巖作用階段，易溶礦物更易發(fā)生溶蝕形成次生孔隙發(fā)育帶(龐雄等，2018；羅靜蘭等，2019)。

流體活動分析將成為揭示盆地尺度或宏觀尺度沉積物的埋藏—成巖—孔隙演化與優(yōu)質(zhì)儲集層分布的重要研究內(nèi)容。前人通過伊/蒙礦物的轉(zhuǎn)換、鏡質(zhì)體反射率、有機物熱解指標、流體包裹體以及穩(wěn)定同位素特征等的異常來示蹤來自深部的熱流體的活動(解習農(nóng)等，1999；王代富等，2017)。而C、O、Sr等穩(wěn)定同位素地球化學研究，是揭示儲集層中碳酸鹽膠結(jié)物結(jié)晶時的溫度和流體性質(zhì)、物質(zhì)來源以及成因機制的重要方法。利用二次離子質(zhì)譜(SIMS)微米級碳酸鹽礦物的原位碳、氧同位素測定，已可以對同一地層內(nèi)不同期次流體的成因及物質(zhì)來源進行示蹤。該方法能夠直觀、精確地反映孔隙流體的發(fā)育及演化過程，并能夠建立盆地構(gòu)造背景及熱演化史框架下的流體活動、碳酸鹽膠結(jié)物等自生礦物的發(fā)育過程(劉浴輝等，2015；Dennyetal.，2017；Cammacketal.，2018；鄒潔瓊，2018)。目前，微區(qū)原位S、Fe、Mg、Ca、Nd、Mg、Si、Li、B等穩(wěn)定同位素測定方法，將逐漸被引入沉積學與成巖作用研究領域，成為未來追蹤示源、研究成巖礦物、流體與物質(zhì)來源、形成環(huán)境與成因機制的重要手段(張現(xiàn)榮等，2017；代軍治等，2018；丁波等，2018；Zhangetal.，2018;Yuetal.，2019;Polyakovetal.，2019)。

2.3 盆地動力學控制的沉積物沉積-構(gòu)造-成巖-成藏作用過程及其時空演變機制

含油氣盆地中的成巖作用貫穿于油氣藏形成的整個過程。 盆地動力學過程控制的流體-巖石-烴類物質(zhì)相互作用系統(tǒng)及其時空演變機制之研究已經(jīng)成為成巖作用的重要內(nèi)容。 因此，將成巖作用系統(tǒng)的層次分析和盆地動力學整體分析相結(jié)合，將流體(包括熱液流體及含烴流體)-巖石相互作用的時空屬性與儲集空間、 油氣充注及其分布研究相結(jié)合的研究思路與研究方法是未來成巖作用研究的一個顯著特點和發(fā)展方向(Wilkinson and Haszeldine，2011; 李忠，2016；李忠等，2018；袁靜等，2018；馬立元等，2020)。

2.4 利用野外露頭、地球物理資料與鉆井巖心相結(jié)合的儲集層膠結(jié)物與結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性三維表征與建模

利用野外露頭剖面通過三維成像和測量技術，如Lidar(Light Detection and Ranging)，SFM(Structure from Motion)和點云技術、手持伽馬儀和聲波儀、高光熒光光譜儀等，定量刻畫膠結(jié)物與烴類物質(zhì)在三維空間的分布及儲集層結(jié)構(gòu)三維空間分布特征等，獲得其在空間非均質(zhì)分布的連續(xù)圖像；通過地質(zhì)統(tǒng)計學、模擬實驗與計算機模擬技術，建立典型沉積單元內(nèi)儲集層膠結(jié)物與烴類物質(zhì)的三維數(shù)字模型；將地球物理測井、地震資料、鉆井巖心尺度及微觀尺度膠結(jié)物與結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性表征相結(jié)合，在露頭尺度沉積單元內(nèi)儲集層膠結(jié)物與烴類物質(zhì)的三維數(shù)字模型基礎上，以巖心觀測結(jié)果為約束條件，通過對成熟勘探開發(fā)區(qū)塊測井資料或三維地震資料的綜合分析，建立相應的地下典型沉積單元或相帶內(nèi)儲集層膠結(jié)物與烴類物質(zhì)在三維空間分布的非均質(zhì)性地質(zhì)模型，進而預測非均質(zhì)性儲集層中各膠結(jié)物與油氣的分布與流體在地下的流動狀態(tài)，是未來成巖作用研究的另一個發(fā)展趨勢。

2.5 成巖演化模擬實驗與數(shù)值模擬方法探索

目前，成巖演化實驗與數(shù)值模擬主要基于層序地層格架/沉積微相框架下的成巖數(shù)值模擬、流體與巖石相互作用下的儲集層物性演變數(shù)值模擬、沉積作用和成巖作用相結(jié)合的成巖數(shù)值模擬，以及基于構(gòu)造與沉積背景的構(gòu)造-沉積—成巖相融合的成巖數(shù)值模擬研究(林承焰等，2017)。重點從成巖環(huán)境參數(shù)、水—巖相互作用的物理化學過程、孔隙與物性演化3個方面展開，如高溫、高壓條件下的儲集層成巖—孔隙演化過程模擬研究(Youetal.，2020)，可調(diào)參數(shù)的三維孔隙尺度成巖演化模型(Hosaetal.，2020)，以及還在模型中加入時間與埋藏深度，嘗試從動力學角度模擬各成巖階段礦物物理化學性質(zhì)的變化，由淺埋到深埋和盆地構(gòu)造演化大尺度背景下孔隙的演化過程(潘志鴻等，2018；馮佳睿等，2018)。這些模擬實驗都無限地逼近真實地質(zhì)條件。

將成巖作用過程與油氣運移聚集成藏過程緊密相結(jié)合，研究成巖作用對儲集層孔隙演化、油氣運移和聚集的動力學機制，研究隱蔽油氣藏、深盆非常規(guī)油氣藏在成巖-烴類充注過程中有機與無機流體的相互作用及其優(yōu)勢運移通道，水動力強度、儲集層巖性特征以及流體性質(zhì)對成巖作用與油氣運移聚集的影響等成巖-成藏過程與機理，也是未來成巖演化模擬實驗與數(shù)值模擬需要深入探討的問題。

2.6 利用多種先進的分析測試手段與技術方法的綜合成巖作用研究

近10年來，由于多種微區(qū)分析測試技術與方法，如單個流體包裹體激光拉曼探針成分分析、微區(qū)主量與微量元素分析等方法正在被廣泛引入成巖作用研究領域，使成巖作用的定量研究成為可能。特別是激光剝蝕原位分析技術，具有極高的空間分辨率、分析精度和測試效率，近年來在地球科學多個領域研究應用非常廣泛，如激光剝蝕技術在碳酸鹽巖研究中古海水和孔隙水性質(zhì)恢復、成巖流體性質(zhì)追蹤、古氧相重建、方解石U-Pb定年，元素空間成像等方面具有潛在的應用前景(Lietal.，2014b;Liuetal.，2014;Ann-Cetal.，2015;Drostetal.，2018)。此外，致密儲集層的成藏與致密化放射性同位素定年以及兩者時序的定時定量研究，致密砂巖儲集層次生孔隙的成因機理、次生孔隙發(fā)育帶分布、識別與預測，作為成巖流體與油氣運移通道之一的斷裂帶三維空間的輸導特征，儲集性能演化過程的研究等，將從以往的定性研究向定量化研究發(fā)展。

未來在微區(qū)、微量、高精度、高靈敏度定量分析測試技術，如微區(qū)原位C、O、Sr、S、Nd、Ca、Mg、Fe、Si、Li、B等穩(wěn)定同位素分析，微區(qū)原位Re-Os等放射性同位素定年，無機與有機流體包裹體成分的定量測定，自生礦物中的流體包裹體微區(qū)定年等測試方法，其建立與發(fā)展必將使未來成巖作用研究步入創(chuàng)新性革命時期(Nicolasetal.，2018;Lietal.，2019;Suetal.，2020)。

3 結(jié)論與認識

1)目前碎屑巖成巖作用研究主要在流體-巖石相互作用對膠結(jié)作用與溶蝕作用的影響、油氣充注與儲集層低滲化-致密化時序的半定量研究、成巖作用研究由定性靜態(tài)描述向定量動態(tài)演化過程、高熱與超壓背景對成巖作用與孔隙演化影響的研究等方面取得了長足進展。

2)未來成巖作用研究將向以下領域與方向發(fā)展： 深層及深水沉積、 非常規(guī)儲集層成巖產(chǎn)物的物質(zhì)成分及其地球化學特征、 孔隙流體性質(zhì)、 物質(zhì)來源及其成因、 次生孔隙的成因機理、 次生孔隙發(fā)育帶分布、 識別與預測；深部構(gòu)造-熱流體活動對儲集層的溶蝕改造作用及機制研究；盆地動力學控制的沉積物的沉積-構(gòu)造-成巖-成藏作用過程及其時空演變機制研究；利用野外露頭剖面定量刻畫膠結(jié)物在三維空間的分布特征，結(jié)合地球物理資料與鉆井巖心的儲集層結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性與膠結(jié)物及油氣的三維表征與建模技術；真實或接近真實地質(zhì)條件下的成巖演化模擬實驗與數(shù)值模擬方法的探索；多種先進的微區(qū)、 微量、 高精度、 高靈敏度定量分析測試手段與技術方法與多學科結(jié)合的綜合成巖作用研究等。