碎屑岩成岩作用对储层物性的影响

李先军

(西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

1 碎屑岩成岩作用

碎屑岩成岩作用是指碎屑沉积物沉积后到变质之前，这一漫长阶段所发生经历的各种物理、化学及生物化学变化，而不是狭义的、仅指沉积物的石化和固结作用[1]。碎屑岩成岩作用受到成岩的物理化学条件、埋藏速率、沉积物的成分和构造、沉积环境和构造环境、化学反应速率、水动力梯度和地温梯度等因素的综合控制，常见的分析测试方法有铸体薄片、阴极发光、扫描电镜、X—衍射、能谱、流体包裹体、压汞、有机质成熟度、有机酸、稳定同位素等。碎屑岩成岩作用主要包括压实、胶结、交代、溶蚀及破裂等作用。

1.1 压实作用

压实作用包括机械压实作用和压溶作用两种。机械压实作用是指沉积物在上覆重力及静水压力作用下，发生水分排出，碎屑颗粒紧密排列，软组分挤入孔隙，结果引起除骨架颗粒溶解之外的岩石总体积减小，是一种物理成岩作用;压溶作用则是指在压应力作用下，由骨架颗粒在接触点的溶解所引起的岩石总体积的减小过程，是一种物理－化学成岩作用[12]。压溶作用在时间上略晚于压实作用。机械压实作用表现为:(1)颗粒间接触由点到线，随深度加大而变紧密;(2)火山岩屑、泥质岩屑、云母等柔性组分变形呈假杂基挤入颗粒空间;(3)刚性颗粒发生折断或破裂，出现裂缝;(4)碎屑颗粒的定向排列。压溶作用表现为石英的自生加大以及骨架颗粒呈凹凸、缝合线接触

1.2 胶结作用

胶结作用是指沉积物沉积后从孔隙溶液中沉淀出矿物质(胶结物)，使松散的沉积物固结起来的作用[2]，可发生在成岩作用的各个时期，主要的胶结物有硅质、碳酸盐和自生粘土矿物三类。其它较常见的胶结物有氧化铁、硬石膏、石膏、重晶石、磷灰石、黄铁矿、沸石等。

硅质胶结物主要为碎屑石英的次生加大、细粒自生石英及部分长石的次生加大。石英次生加大多见于粒度较粗的河道相砂岩及碳酸盐胶结物、绿泥石和伊利石衬边不发育和黑云母含量中等 －相对较高的砂岩中[11]。细粒自生石英以微晶、细粒石英集合体状产出，充填于颗粒之间的孔隙中，常与自生绿泥石和其它的粘土矿物共生。长石次生加大一般含量较少，加大边常很光洁，有时被溶蚀而呈锯齿形或港湾形。碳酸盐胶结物主要为方解石、铁方解石、铁白云石、菱铁矿、菱镁矿等。碳酸盐可呈均一组分和混合物充填于空隙中，呈交代物、呈结核状，或存在于薄的纹层中。方解石常见粒状结构、镶嵌结构或栉壳状结构;白云石或以微小晶体沿黑云母的膨胀解理分布，或分布于粒间孔隙中;铁白云石多为交代铁方解石的产物。粘土矿物主要有高岭石、伊利石、蒙脱石、伊蒙混层、绿泥石等。高岭石在薄片下一般呈假六边形晶片，集合体呈书页状或蠕虫状，以孔隙充填或交代其它矿物或以其它自生矿物的包体产出;伊利石多呈叶片状或毛发状充填于孔隙空间，少部分以毛发状附着于颗粒表面形成伊利石膜;蒙脱石常呈蜂窝状;伊蒙混层粘土矿物形介于伊利石和蒙脱石之间，混层晶格中富含伊利石层时主要呈片状、毛发状，富含蒙脱石层时主要呈蜂窝状;自生绿泥石在砂岩中多呈颗粒包膜或孔隙衬边形式产出，集合体呈绒球状、玫瑰花瓣状、针状。

1.3 交代作用

交代作用是指一种矿物代替另一种矿物的现象，其实质是体系的化学平衡与平衡转移问题[3]，交代的结果，往往造成原岩的成分和结构局部或全部发生变化，甚至完全改变岩石类型[4、5]。常见的交代作用有氧化硅和方解石的相互交代、方解石对长石的交代、方解石交代粘土矿物、粘土矿物交代长石、各种粘土矿物之间的交代等。

1.4 溶解作用

广义上的溶解作用是指地下水溶液对岩石组份的溶解过程，通常可分为两类:一是固相均匀溶解，使未溶解固相的新鲜面成分不变，称为溶解;另一种溶解为选择性溶解，岩石组分的不一致溶解，所形成新矿物的化学组成与被溶解矿物相近，如长石高岭石化，称为溶蚀。常见溶蚀作用主要发生在长石、岩屑、杂基和碳酸盐胶结物等易溶组分中。长石的溶蚀常沿长石的边缘和解理面进行，从而形成粒间溶孔、粒内溶孔、铸模孔;碳酸盐胶结物、岩屑溶解主要产生粒间溶孔。一般认为，溶蚀型次生孔隙是由有机酸、碳酸、大气淡水淋滤等引起矿物溶解所形成的[4]。

1.5 破裂作用

破裂作用可产生规模不同的各种裂缝，宏观裂缝多以高角度裂缝为主，缝面平直，以未充填和半充填缝为主，多为受剪切应力所致的构造裂缝[4];微观裂缝分布常具有定向性，多为成岩裂缝。

2 碎屑岩成岩作用对储层物性的影响

2.1 压实作用对储层物性的影响

早期成岩阶段发生的机械压实作用可导致砂岩颗粒间的紧密排列、位移及再分配，云母类及塑性岩屑发生膨胀及塑性变形，导致原生粒间孔大量丧失，并且这种损失是不可逆转的;而部分石英碎屑的压溶作用和由此产生的石英次生加大也导致了一部分孔隙的丧失和渗透率的降低，据研究[6]，压溶作用在富含云母和伊利石薄膜的砂岩中较发育，伊利石和云母在此过程中起催化作用，因此碎屑黑云母通过膨胀蚀变和通过促进石英颗粒的粒间压溶作用从而使储层的物性进一步变差。

2.2 胶结作用对储层物性的影响

硅质胶结作用对储层物性有两方面的影响:一方面，石英、长石次生加大在沉积物埋藏初期可以起到支撑碎屑颗粒骨架的作用，抵御压实作用的影响，使得压实作用对孔隙度的破坏有所降低，原生孔隙最大限度地保存下来[7];另一方面，硅质胶结物始终要占据孔隙空间，使孔隙变小、喉道变窄，剧烈发育段能形成孔喉堵塞，严重破坏储层的储集性能，降低储层质量。总体上讲，氧化硅胶结物含量与砂岩孔隙度和渗透率呈弱的负相关性。碳酸盐胶结物早成岩阶段往往沿高水位体系域准层序边界分布，形成横向上的碳酸盐胶结致密层[8，9];晚成岩时频繁沉淀和不均匀地分布于含油带与含饱和水带砂岩中，如在石英次生加大不发育的含饱和水带砂岩中，绝大部分粒间孔隙为晚期成岩碳酸盐胶结物充填，造成储层物性较强的非均质性[9]。实例研究表明[10，11]，砂岩中碳酸盐胶结物含量与砂岩孔隙度和渗透率呈较明显的负相关性。粘土矿物对储层物性的影响各不相同。蒙脱石形成于成岩早期的浅埋藏阶段，代表了一种碱性环境，随着成岩作用的加强，蒙脱石在富K+和Al3+环境向伊利石转化、在富Mg2+和Al3+环境向绿泥石转化[4]。伊蒙混层在碱性水的条件下，随着成岩强度的加大，逐渐向伊利石转化。高岭石一般是长石溶蚀作用的产物，后期可向伊利石或绿泥石转化。砂岩中绿泥石薄膜及一部分伊利石薄膜及其片状粒间充填物通过堵塞一部分孔隙喉道及造成粒间微孔隙增加而使砂岩的渗透率有所降低，但是大量石英颗粒周围的绿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间碳酸盐胶结物的沉淀，从而使相当一部分原生粒间孔隙得以保存[8]。

可见，胶结作用在成岩早期能够抵御压实作用的影响，为提高孔隙度做了一定的贡献;但是，胶结物毕竟要占据各类孔隙空间，使得孔隙吼道变窄、曲折复杂化甚至消失，降低了储层的孔隙度及渗透率，增强了储层物性的非均质性，可见，胶结作用也为主要的破坏性成岩作用之一。

2.3 交代作用对储层物性的影响

交代作用交前后体积基本不变，对孔隙影响不大[4，10，11]，但可为后期溶解作用提供更多的易溶物质，从而有利于溶蚀作用的进行，如碳酸盐矿物交代碎屑颗粒之后形成的碳酸盐矿物可能被后期发生的溶解作用溶解而使次生孔隙增加，这对储层孔隙的改造起到积极作用。

2.4 溶解作用对储层物性的影响

砂岩储层经过不同程度的溶蚀改造形成多种类型的次生孔隙，对改善砂岩储层的物性起到了积极作用。特别是在低渗透性储层地区，常常由于溶解作用产生了次生孔隙使物性变得好起来。溶解作用在提高储层孔隙度的同时，更重要的是提高了孔隙的连通能力，为油气水运移通道的建设起到了良好的作用。

2.5 破裂作用对储层物性的影响

破裂作用产生的裂缝孔隙只占较低孔隙空间，却可为油气运移提供良好通道，提高砂岩储层的排液能力，增加储层的非均质性和渗透性。在低渗透储层中，裂缝往往是油气运移和流体渗流的主要通道。

3 碎屑岩成岩-物性演化规律

根据对储层物性的改善和破坏情况，将成岩作用分为建设性和破坏性成岩作用。碎屑岩的破坏性成岩作用主要包括压为实作用和胶结作用，建设性成岩作用主要是溶解作用。随着埋深的加大，成岩作用的进行，储层物性逐步变差至异常致密。早成岩阶段 A期，以机械压实作用为主，颗粒间更加紧密，有自生蒙脱石形成，原生孔隙大量丧失。早成岩阶段B期，机械压实作用、石英次生加大边的形成、早起盐酸盐胶结物的出现使得原生孔隙进一步减少，蒙脱石逐步转化为伊蒙混层、长石溶蚀生成高岭石产生少量次生孔隙。中成岩阶段A期，机械压实作用、后期含铁碳酸盐充填、石英Ⅱ级次生加大、使颗粒间点－线接触，原生孔隙空间减小到较低水平;长石岩屑溶蚀作用、高岭石伊利石化等产生大量次生孔隙，增加了岩石总孔隙度，改善了储层物性。中成岩阶段B期，机械压实作用、后期含铁碳酸盐充填、石英多级次生加大使颗粒间为线接触，原生孔隙空间减小到极低水平;长石岩屑溶蚀作用减弱，伊蒙混层、高岭石几乎全部伊利石化，产生的次生孔隙有限，岩石总孔隙度大大减少，并出现裂缝，储层孔渗性很差。晚成岩阶段，石英可见Ⅳ级次生加大，粘土矿物仅有伊利石和绿泥石，后期含铁碳酸盐胶结等胶结物充填了几乎所有孔隙，孔隙度极低，裂缝较发育。

4 结语

碎屑岩成岩作用对储层物性有着重要的控制作用，主要包括压实、胶结、交代、、溶蚀(溶解)及破裂等作用。压实作用受岩石结构成熟度及成分成熟度、煤层、砂体厚度及埋藏深度等综合控制，可造成原生孔隙的大量丧失，并且这种损失是不可逆转的，是对储层物性破坏性最强的成岩作用;胶结作用对储层物性具有双重作用，一方面可以抵消部分压实作用的影响，另一方面要占据各类孔隙空间降低储层孔渗性，整体以破坏性为主;交代作用对储层物性影响不大;溶解作用可产生大量次生孔隙，增加储层孔隙度的同时，提高了孔隙的联通能力，是最重要的建设性成岩作用;破裂作用产生的裂缝孔隙空间较小，然而却能提高砂岩储层的排液能力，改善储层的渗透性。随着埋深的加大，成岩作用的进行，储层物性逐步变差至异常致密。

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