碎屑岩成岩作用和储层岩石学研究新进展

碎屑岩成岩作用和储层岩石学研究新进展 储层研究贯穿于油气勘探开发的始终，其在石油地质研究中所占比重也随着油气勘探开发阶段的向前推移而不断增大。 本文重点介绍沉积物（岩）的成岩作用和储层岩石学研究新进展。 一、砂质沉积物（岩）的成岩作用 （一）砂质沉积物（岩）的形成演化包括五个阶段：风化剥蚀—搬运—沉积—成岩—变质。 （二）成岩作用在沉积物（岩）的形成演化旋回中占有特别重要的地位 1、不同程度地改造了沉积物的成分和结构，甚至可以把它变得面目全非。 2、碎屑岩中有很多自生矿物形成于成岩阶段而非沉积产物，特别是自生粘土矿物。 3、砂体的很多结构也形成于成岩期而非沉积期形成。因而在恢复砂体沉积环境、再建古地理时必须了解其成岩变化，否则就会导致得出错误的结论。 4、成岩作用对砂质沉积物（岩）的孔隙性和渗透性有很大影响。要全面评价储层，必须把沉积相研究和成岩作用研究紧密结合起来。 5、砂岩孔隙类型的确定关系到储层评价预测和寻找优质储层的方向。而孔隙成因的确定有赖于成岩作用的深入研究。 6、成岩致密带和成岩隔层的研究可为新区合理部署探井和划分开发层系提供重要依据。 7、成岩史和孔隙演化史的研究是油气成藏的重要组成部分。 8、成岩圈闭的发现为勘探非构造隐蔽油藏指出了新领域。 9、生油岩成岩作用和粘土矿物成岩演化的研究已作为判别生油岩成熟度的重要标志。有机质热演化的研究成果是现代晚期生油理论和油气初次运移理论的重要支柱。 10、油层保护和改造与储层的成岩粘土矿物、自生矿物、岩石成岩后结构构造有密切关系。 11、原来当作岩浆热液成因的砂岩中的金属矿，实际上是成岩期在地下水作用下，沉积物中分散物质发生溶解、沉淀、富集形成的，提出了“成岩矿产”的概念和沉积期分异作用的理论，受到了广泛重视。 12、随着成岩作用研究的不断深化，使我们有可能模拟预测地下孔隙性砂体的性质和展布，提高油气勘探成功率，国内外已有不少成功的例子。 综上，成岩作用关系到油气生成、运移、聚集成藏等一系列石油地质问题，也关系到不少金属矿床的形成，具有重要的理论意义和实际意义，发展迅速，国内外都十分重视。 （三）成岩作用研究的历史、现状和发展趋势 成岩作用这一概念自贡别尔（Von Gumbel，C.W.1886）提出已有100多年的历史。在本世纪四十年代以前，主要是对碎屑岩的研究，特别是对其中的一些矿物如石英、长石、锆石等的自生作用进行观察。自四十年代及五十年代发现了中东及加拿大的碳酸盐岩大油田后，碳酸盐岩石学、沉积学及成岩作用方面的研究在六十年代和七十年代蓬勃发展。就在碳酸盐岩研究工作方兴未艾之时，在七十年代后期和八十年代初，人们的注意力又开始转移到碎屑岩的研究上来。 在五十年代以前，成岩作用的研究多限于描述性的工作。60年代以来人们着重研究成岩作用过程及其相对时间顺序，成岩环境和不同环境下形成的成岩结构。有许多著作将古代的岩石与现代沉积物相对比，做了许多详细的近地表的早期成岩组构的岩石学研究和地下的埋藏成岩作用研究。 1砂岩次生孔隙的研究 七十年代以来，砂岩成岩作用研究的最重要突破是发现了砂岩中有大量成岩作用形成的次生孔隙及其形成机制。随着油气勘探和研究的进展，现已证实有些砂岩油气储层的孔隙往往以次生的为主，否定了砂岩中都是原生粒间孔隙的传统概念。近年来在砂岩次生孔隙成因机理的研究方面有了新的进展。新成果表明，硅酸盐矿物（包括石英）的溶蚀比过去所报导的更普遍。Boles（1983）研究了加里福尼亚州南部和得克萨斯州中新世盆地，认为斜长石是形成次生孔隙的重要矿物，斜长石沿解理面比垂直解理面的溶解作用快2-3倍，溶解后又析出高岭石。陕甘宁盆地侏罗系和三叠系砂体中各种长石的溶蚀十分强烈，有些砂体中的孔隙几乎全部是长石溶孔。其它如榍石、绿帘石、磷灰石等重砂的铸膜孔也很普遍。Curtis（1983）研究了沉积物中铝的活度与次生孔隙的关系。他认为：富含有机泥岩中所形成的酸性水进入砂体后，会使砂体中的碳酸盐和硅酸盐趋于不稳定而被溶蚀，（笔者认为当CO2分压过高，水中溶解的CO2过高时，碳酸盐反而会沉淀而不是溶解，这是过高的离子造成的。）并使一些金属（包括Al）带入孔隙水。但当矿物进一步溶解时，溶液的PH值就要升高，高岭石就会沉淀出来堵塞一部分孔隙。Surdam（1982）的实验资料表明，在脂族酸溶液中Al中活度大为增加，并能形成有机络合物被带走。试验证明：醋酸溶液可使Al的溶解度增加了一个数量级；草酸溶液能使Al的溶解度增加了三个数量级；有机质与无机质相互作用的结果，使硅酸盐和碳酸盐溶解而形成砂岩次生孔隙。 砂岩中次生孔隙的发现，从理论上为寻找深部油气藏提供了依据，扩大了油气勘探领域。世界上不少地区已在4000M以下发现了高孔隙、高渗透性砂岩油藏。塔里木盆地的深埋优质储层则属剩余原生孔隙型。不少学者和研究机构正在研究盆地中砂体孔隙演化和分布的预测模型，预测地下孔隙度窗口和有利孔隙带的分布。Franks（1984）研究过得克萨斯州墨西哥湾地区二氧化碳、孔隙度流体化学性质与次生孔隙三者间的关系。始亲新统威尔科克斯群孔隙流体中方解石的饱和指数，异常高渗透率以及天然气中CO2的含量随储层时代及温度有规律地变化，这表明对次生孔隙形成作用的动态控制。在100℃左右，天然气中的CO2含量迅速增加，这与有关砂岩次生及原生孔隙比值迅速增加的温度相符合。碳酸盐胶结物稳定同位素分析表明，主要组分是有机来源的碳，因此，在有机体系和无机体系之间存在碳的循环。有机质的类型、数量和分布以及在页岩和砂岩中早期的碳酸盐，都能控制形成次生孔隙所需要的CO2的数量。 Al-Shaieb（1984）研究过俄克拉荷马州阿纳达科盆地宾西法尼亚系砂岩的孔隙演化。该砂层以次生孔隙为主，是重要的产气层。这种次生孔隙是由粘土杂基、碳酸盐胶结物及碎屑、海绿石及石英颗粒溶解而成。根据地热和地压梯度以及温度及压力增高，对地层水中CO2溶解度的实验研究，可以很好地估算出砂岩地层中CO2溶解度。作者认为浅层的有机酸和较深层的硫化氢可能是形成次生孔隙的重要因素。 Surdam（1984）研究过矿物氧化剂与次生孔隙的形成。作者认为：在许多重要的烃类储层中，硅酸盐骨架颗粒的溶解，可构成孔隙的重要部分（如美国墨西哥湾地区）。他的试验工作表明，双官能团羧酸仅为痕量。在干酪根构造的研究中，干酪根的氧化降解是经常使用的工艺方法，可形成浓度极高的双官能团羧酸（从Ⅲ型干酪根析出的碳高达40%，均构成草酸）。矿物氧化剂的还原以及随之而发生的有机质的氧化，有可能象在自然体系中热降解作用一样，从干酪根中析出外表的双官能团羧酸。蒙脱石/伊利石混合层的有序化（从八面体层中析出Fe3+）和羧酸的最高浓度在时间、温度和空间上的一致性，为双官能团羧酸的形成提出一种可能的机理。该机理可使较易溶的双官能团羧酸，恰于烃类形成之前流过附近的砂岩，于是就得到一个碳酸盐和（或）硅酸盐从孔隙或孔隙喉道中溶解除去，使烃类储层中的孔隙度和渗透率增高的理想机理。 Thomson（1985）对铝硅酸盐溶解所形成的次生孔隙的性质进行过研究。作者指出，如果没有铝的活动性，就不可能由于铝硅酸盐溶解而使砂岩孔隙度增高。但已有资料表明，储层流体中铝的浓度很低，接近于零。铝硅酸盐溶解产生的铝仅留在几英尺的范围内，形成成岩粘土矿物，主要为高岭石，它在高温下转变为伊利石。在薄片中主要根据附近存在有充填孔隙的高岭石以及自生石英和钠长石，可以说明有铝硅酸盐颗粒（包括长石和多种岩屑）溶解的产物。由铝硅酸盐溶解的次生孔隙，并不一定就解释为增加了总孔隙度，更恰当地说，应当认为是原有孔隙的重新分布。诚然，该作用实际上是有害的，因为新生的粘土矿物能使渗透率大为降低。 根据Helmold（1985）对怀俄明州及蒙大拿州波得河盆地二叠系的研究，高渗透储层（高达33200MD）是早期沉淀的石膏或硬石膏胶结普遍溶解的结果。该储层为风成砂岩。沙丘相和沙丘间相砂岩的碎屑矿物成分不同，这是沉积期后不稳定颗粒溶解的结果。埋藏史曲线表明，在晚侏罗世到早白垩世时期，当砂岩顶部近于地表时，出现硬石膏溶解，有硫酸钙不饱和的淡水流过砂岩。储层的分布可能受构造控制。 Hogg（1985）研究过美国路易斯安那州沿海地区中新统砂岩中的次生孔隙。样品取自9600-20100英尺，经研究孔隙度大为增高。所见的次生孔隙主要是由自生方解石和白云石溶解而成。次生孔隙的数量主要取决于沉积物原始的结构和成分特征。颗粒较粗、分选好且无杂基的砂岩，经受早成岩期强烈的碳酸盐胶结作用及交代作用，后经溶解，形成极好的孔隙网络，而且生产能力最强。细粒、分选差、富含基质的砂岩，孔隙度增加的少。因此，泥质砂岩储集性差。随埋深增加，压实作用和胶结作用使储集性变差，孔隙间相互连通性降低，孔隙的几何形态变差（由板状变为片状），孔喉比增加。特别是当砂岩中含有大量次生膜孔和超大孔隙时，这一变化趋势更为明显。在超深储层中产量过早降低，归因于储层的应力敏感性，它与片状孔隙喉道、孔喉比极大及上覆压力高有关。 近年来我国一些含油盆地区已发现了不少次生孔隙砂岩油藏。如周自立、吕正谋（1982、1984）研究了胜利油田下第三系沙河界组砂岩中的次生孔隙及其识别标志。朱国华（1979、1980、1983、1984、1985）研究了陕甘宁盆地侏罗系、三叠系砂岩中多种类型次生孔隙，特别是新近发现的陕北延长统浊沸石胶结物溶蚀型次生孔隙含油砂体对该区油气勘探具有重要意义。其它如辽河油田、华北油田、大庆油田等也都对本含油区的砂岩次生孔隙进行了有意义的研究。 比尤佛利克（1982）对次生孔隙的形成持不同看法。他强调要认真区别无净增孔隙的局部溶解与沉淀和有净增孔隙的淋滤作用。后者需要有大量未饱和水带走溶液中的作用产物。这种水的来源有三种：（！）由静水头来的大气水；（2）由干酪根成熟释放出CO2形成的地下酸性孔隙水；（3）粘圭矿物反应，包括高岭石及蒙脱石转变成伊利石形成的水。