碳酸盐岩储层成岩作用及孔隙演化研究方法

何 赛，赵 龙，黄 鑫

(成都理工大学能源学院,四川 成都 610059)

碳酸盐岩储层成岩作用及孔隙演化研究方法

何 赛，赵 龙，黄 鑫

(成都理工大学能源学院,四川 成都 610059)

碳酸盐岩储层油气资源丰富，它蕴含的油气约为世界油气资源的1/2。在沉积过程中碳酸盐岩的成岩作用直接控制了岩石中有机组分的转化,决定了岩石中孔隙的形成、演化，以及储集类型和规模。由于成岩作用及储渗空间演化具有复杂性，进而增加了碳酸盐岩储层油气的开发难度。常见的成岩作用有:压实压溶作用、胶结作用、充填作用、交代作用、白云石化作用、重结晶作用、溶蚀作用、破裂作用等成岩作用。其中有利于储渗空间形成的成岩作用为白云石化作用、溶蚀作用或岩溶作用和构造破裂作用。不利于储渗空间形成的作用为胶结作用、机械压实及压溶作用。与储渗空间形成关系不密切的成岩作用为重结晶作用和硅化作用。成岩作用与储渗空间演化分析是油气开采的重要向导，因此成岩作用的研究对碳酸盐岩储层的勘探与开发具有重要的指导意义。实验室中，可应用铸体薄片、阴极发光、扫描电镜、碳氧同位素、流体包裹体分析等室内分析技术对碳酸盐岩储层的成岩作用、孔隙结构、储层孔隙演化及其特征进行详细的研究。

碳酸盐岩储层；成岩环境；成岩作用；孔隙结构；演化特征

碳酸盐岩油气储层在全球的分布范围广，油气资源量丰富，其在世界多数含油气盆地中均有发育，如中国新疆塔里木盆地寒武-奥陶系白云岩储层、中东波斯湾盆地侏罗系灰岩/白云岩储层、巴西桑托斯盆地下白垩统盐下统湖相微生物碳酸盐岩储层等。碳酸盐岩储层的厚度普遍较大，在盆地区域内的展布情况较好，具有极大地勘探开发潜力。但由于碳酸盐岩储层的非均质性强，孔隙结构和储层物性受不同的成岩环境和成岩作用影响较为强烈[1]，这对碳酸盐岩储层有利区带的优选及开发造成了一定的困难，因此，对碳酸盐岩储层孔隙结构的演化过程进行系统的分析就显得十分必要，本文将结合碳酸盐岩储层不同的成岩环境和成岩作用，具体介绍碳氧同位素分析法、碳酸盐岩矿物流体包裹体测试技术、扫描电镜法、铸体薄片和图像分析仪、阴极发光显微镜法这5种不同的碳酸盐岩储层孔隙演化分析方法。

1 碳酸盐岩成岩环境及特征

成岩作用除受沉积物本身本身性质如矿物成分、结构、构造等的影响外，还受温度、压力、孔隙流体性质等因素的控制[2]。这些因素在地表或地下不同地方各不相同。即在不同的空间位置，可能会发生不同的成岩作用，从而影响岩石的孔隙特征和储集性能，因而成岩环境的讨论具有重大的实际意义。

1.1 海水环境

以正常低海平面为界，海水(海底)沉积后作用环境分为海水渗流和海水潜流两个环境。

①海水潜流亚环境及其成岩作用

处于正常低潮线以下的海底属海水潜流亚环境，包括浅水和深水两个碳酸盐岩沉积地区。又根据是否发育粒间胶结作用将其分为活动带和停滞带两带。活动带处于波浪、潮汐或海流促使海水进人沉积物的地方，脱气或光合作用等因素有利于CO2逸散或消耗，导致过饱和孔隙水在颗粒内部沉淀胶结颗粒；停滞带处于水循环及水化学条件不利于胶结物形成的环境，如?湖及较深水环境等，主要发育藻钻孔及泥晶化作用。

海水潜流亚环境中的沉积后作用，主要是成岩作用，它包括溶解作用、胶结作用、生物成岩作用(即藻钻孔和泥晶化作用)和新生变形等作用。

②海水渗流亚环境及其成岩作用

海水渗流亚环境是沿滨线分布的碳酸盐地带，其位置相当于潮间和潮上带，是岩石-水-空气接触的三相环境。在潮湿的气候区，海滨底下的淡水从陆地向海流出，其浅水面在滨线沉积物表面或恰在其下，水体常是海水与大气水的混合。这种环境下的沉积后作用，主要是成岩作用，包括胶结作用、藻钻孔和泥晶化作用、交代作用。

1.2 大气淡水成岩环境

大气淡水成岩环境为碳酸盐沉积物暴露于大气中而受到大气淡水的影响地带。大气淡水作用机制十分复杂，几乎每种成岩作用机制都可发生于大气淡水成岩环境。大气淡水成岩可分为渗流与潜流两个亚环境。

①淡水渗流亚环境及其成岩作用

淡水渗流亚环境位于潜水面以上，孔隙水被淡水充填，所以孔隙处于开放系统。根据孔隙水的CaCO3饱和情况，又分为溶解与沉淀两带。溶解带位于潮湿气候区，溶有CO2的雨水下渗可使孔隙水的酸性增加，成岩作用为溶解作用。该带深度一般较浅，但有时也可以延伸到潜水面。而沉淀带出现于渗流带中孔隙水处于饱和状态的任何地方，因孔隙水的蒸发或CO2脱气而产生沉淀。淡水渗流成岩作用主要有溶解作用及胶结作用。

②淡水潜流亚环境及其成岩作用

淡水潜流亚环境位于潜水面之下，自上而下可分为未饱和带、活动饱和带和停止饱和带三个带。其中未饱和带位于潜流带最上部，来自渗流带的酸性水使该带处于不饱和碳酸盐状态，成岩作用主要是溶解作用；在活动饱和带中，孔隙被饱和碳酸钙的孔隙水充满，活跃的水循环有利于发生广泛的胶结作用，其次为新生变形和重结晶作用；而停滞饱和带位于淡水潜流环境的较深部位，水的运动很缓慢。在大气水进入该带之前，来自渗流带的过剩碳酸钙沉淀已与周围沉积物建立了平衡，胶结作用已不发育，起主要作用的是新生变形作用。淡水潜流成岩作用的类型有溶解作用、胶结作用、新生变形和重结晶作用。

1.3 海水-淡水混合环境

1.3.1 海水-淡水混合环境的分布

海水-淡水混合环境处于淡水潜流带之下与海水潜流带之上的过渡位置，以形成半咸水为特征。在潮湿气候区、海滨、岛屿以及海退时的礁、滩环境，都可能出现海水-淡水混合成岩环境。混合带的位置与季节降雨量的位置相适应，随时间而变动。

1.3.2 海水-淡水混合成岩作用

海水-淡水混合成岩环境主要发生溶解、胶结、白云石化、新生变形4种成岩作用。

溶解作用:在较淡的混合水环境中，岩石中的不稳定成分如文石、高镁方解石等被溶滤形成溶模孔隙或组构选择性溶孔。

胶结作用:混合水的性质决定着胶结作用的特征。靠近淡水一端的混合水环境主要形成微晶一叶片状方解石胶结物；靠近海水一端，混合水环境则形成镁方解石的等厚环边胶结。

混合水形成的另一种沉淀矿物是瘤状隧石，其生成表明水的咸度对石英的生成是过饱和的，对方解石是不饱和的。

白云石化作用:主要发生混合水白云石化作用。

新生变形作用:主要是咸度较低的混合水环境中，可以发生文石和镁方解石向方解石转化，可能还伴随重结晶作用。

1.4 埋藏环境

碳酸盐沉积物在石化过程中或石化后可逐渐被埋藏起来，随着温度和压力的增加而发育理藏成岩作用[3]。在理藏成岩环境中，碳酸盐岩(沉积物)将经受一系列物理和化学变化，其中主要包括(机械和化学)压实作用、胶结作用、不稳定碳酸盐向稳定的低镁方解石的转变作以及原始有机质的分解和转变作用等。

埋藏成岩作用的类型有物理压实作用、压溶作用、胶结作用、埋藏白云石化作用、交代作用、矿物转化作用、有机质的生物化学蚀变作用、干酪根的热化学蚀变作用以及碳酸盐和硫酸盐的理藏溶解作用等。

1.5 表生环境

碳酸盐岩被理藏后，在构造作用下又可向地表抬升，从而处于表生成岩环境。表生作用带一般以地下水面为上界，主要有溶解(蚀)作用、孔隙及裂缝的充填或胶结作用以及某些交代作用。

在近地表环境，碳酸盐岩受潜水的作用，由于来自雨水的潜水富含溶解的CO2和氧，主要发生溶蚀作用和氧化作用，含低价铁和锰的矿物将氧化为含水的氢氧化物。溶蚀作用使原来的孔隙扩大，产生溶沟、溶缝和溶洞，有时含铁碳酸盐矿物溶解也可形成一些保存原来矿物外形的溶孔。

1.6 小结

任何碳酸盐岩成岩地质体都是多种成岩作用的综合产物，不同成岩作用随成岩环境的变迁而不断改变，同类成岩作用也可以形成与不同成岩阶段。

碳酸盐岩沉积后作用与油气的储集性能的关系十分密切，因为碳酸盐岩的孔隙是油气的储集空间；这些孔隙的形成、增大、减小甚至消失的整个演化历史，除了受沉积作用及沉积环境的控制外，更受碳酸盐沉积物的各种沉积后作用及其沉积后环境的控制。

2 碳酸盐岩孔隙演化的分析方法

碳酸盐岩孔隙的演化受成岩作用和成岩环境的影响十分强烈，在不同的成岩环境中孔隙的演化方向也不尽相同，所以碳酸盐岩的孔隙演化过程十分复杂，对孔隙的演化的定量分析的难度也比碎屑岩大。经过综合考虑，共总结5种碳酸盐岩储层成岩环境及孔隙演化的定量分析方法，现分述如下。

2.1 碳氧同位素分析法

碳酸盐矿物(文石和镁方解石)在沉积物中是一种欠稳定的矿物，沉积物堆积之后，在成岩作用过程，随着成岩环境的变迁，孔隙水性质的改变，沉积物本身和孔隙都有较大的变化，因而次生孔隙在碳酸盐岩中具有极为重要的意义。因此，确定碳酸盐沉积物堆积之后在成岩作用过程中，原始沉积物的变化，储集孔隙的形成和演化(原生孔隙的改造和次生孔隙的形成)以及有关孔隙的地质分布是碳酸盐岩储层地质研究的重要的课题。由于它的复杂性，有时仅仅使用碳酸盐岩储层沉积学和岩石学的研究方法还不足以得出它们的确切信息，这时对碳酸盐岩进行储层地球化学的研究是非常必要的。

沉积作用形成的海相碳酸盐岩，主要是由文石、镁方解石、以及低镁方解石组成。它们与海水基本上处于平衡状态。但是，在近地表成岩环境中，潮坪沉积和堡岛地区，间歇性地受到大气水的影响(潮湿气候)，或者受到强烈的蒸发作用影响(干燥气候)，孔隙水成分改变或蒸发作用，都会造成沉积物和胶结物的碳氧同位素成分变化[4]。因此，近地表成岩环境中，海水潜流胶结物的碳氧同位素与碳酸盐沉积物近似，在某种程度上反映海水特征。大气水渗流带和大气水潜流带胶结物的碳氧同位素偏负，在某种程度上反映大气淡水的特征。在埋藏成岩环境的胶结物，由于孔隙水成分是地层水，由开放变成封闭条件，温度影响，碳氧同位素将会发生变化。总之碳酸盐沉积物，在成岩作用过程中，由于孔隙水成分的变化，由开放状态逐渐进人到半封闭和封闭状态，由温度比较低到一定的温度，将导致碳酸盐沉积物的欠稳定矿物(文石、镁方解石、原白云石)的矿物学转变、重结晶和交代，以及胶结物的沉淀。这一切都会使原始沉积物的碳氧同位素组分发生变化。这些同位素差别反过来可以作为我们识别成岩环境的标志。

2.2 碳酸盐岩矿物流体包裹体测试技术

矿物流体包裹体是矿物结晶生长时，一部分成矿流体被包裹在矿物晶格的缺陷或窝穴中，至今尚在矿物中保存，并与主矿物(含有包裹体的矿物称为主矿物)有着相界限的那一部分物质。包裹体在分析孔隙演化时主要是表现在对不同成岩环境的判断。

大陆成岩和地下埋藏成岩环境中的包裹体具有不同特征的演化特点。

2.2.1 大陆成岩环境

在近地表渗流环境结晶的碳酸盐矿物晶体中，所含的全部包裹体主要是单相液体包体，并具有低温特征，冷冻时，包体得出的是淡水盐度，包体温度在50℃以下，表明其低温成因。由于渗流环境是两相系统，也会有一些气液比变化很大的两相包体，从低于50℃到数百度(℃)。其均一温度与矿物结晶温度无关，而受两相包体中气液比值控制。用冷冻法测出的溶化温度反映淡水盐度。

在大气潜流带中沉淀的方解石晶体所含包体均为单相液体包体，包体温度在50℃以下，用冷冻法测出包体中的液体为淡水盐度，表明方解石晶体是低温成因。在埋藏受热时，部分单相液态包体变为气液比相当一致的两相包体，其所含液体的盐度也随之变化，但单相液体包体仍为淡水盐度。进一步埋藏受热时，更多单相液体包体将发生再平衡作用变为两相包体，其气液比相当一致，均一温度增高，接近于在埋藏受热时再平衡作用的温度，一些包体中还保留原始的低盐度，但另一些却是表现为再平衡时的新流体的盐度。

淡水与海水混合带是大陆成岩环境与海底成岩环境的过渡环境，该环境沉淀的方解石中所含流体包体特征与大气潜流带相似，所不同的仅是其盐度的差异[5]。因此，根据少量单相液体包体的盐度测定，就可区别是淡水与海水混合带还是大气潜流带。

2.2.2 地下埋藏成岩环境

压力和温度在该环境中有显著的意义，在埋藏环境温度较高的水溶液中沉淀的矿物晶体中，所含包体均为两相包体，其气液比相当一致，均一为温度变化幅度非常小，90%左右包体均一温度的变化幅度在10℃以内，同时，其盐度也相当一致。这是在较高温度(﹥50℃)下所形成的流体包体的显著特征。

在进一步埋藏受热时，这类包体由于再平衡作用最初紧密分布的均一温度将会有所改变，这部分包体的均一温度经再平衡作用后将会增加，均一温度增加的上限接近于其所经历的最大古地温。冷冻法测定表明，部分包体的盐度相当一致，而经再平衡作用后的包体，其盐度变化较大。

2.3 扫描电镜法

扫描电子显微镜(SEM)具有极高的分辨率，扫描放大的倍数可以从2～20万倍，而且连续可调，显微图像的景深大，立体感强。可以准确的分析出样品孔隙的结构，特别是对晶间孔隙结构的描述有着较好的效果。并且也还可对样品颗粒的大小形状和排列方位有直观的认识。进而对孔隙演化方向有着准确的认识。

2.4 铸体薄片和图像分析仪

利用铸体薄片在图像分析仪中能直接观察孔隙的几何特征，图像分析仪能对微观和宏观的图形迅速准确地进行定量检测，能测定孔隙、喉道以及岩石颗粒有关特征参数。如面孔率、孔隙面积、孔隙周长、孔隙最大直径、孔隙最小直径、孔隙等效圆直径、孔隙宽长比(伸长度)、孔隙形状因子(圆度)、孔隙弯曲度、孔隙比表面、孔隙配位数等孔隙特征参数，喉道直径、孔喉比等喉道特征参数，岩石颗粒中各矿物的含量、岩石颗粒大小、形状特征等岩石颗粒特征参数，并根据作视学理论来研究三维孔隙大小分布。是研究孔隙结构的直观方法

通过对孔隙结构和孔隙类型的研究，确定成岩环境、成岩阶段和成岩序列对孔隙演化的影响，这种定量方法的应用较为广泛。

2.5 阴极发光显微镜法

阴极发光是由阴极射线管发出的加速电子对样品(固体)进行轰击，使电能转化为光辐射而产生发光。它是当电子束打击到发光物质上后，在产生背散射电子、二次电子、X射线的同时，也在发光物质上产生发光中心。也就是说任何物质如果吸收外加能量，会由于能量增加而处于不稳定状态，并有自然放出能量的趋势。如果这些能量以光的形式放出，这就是发光现象[6]。

阴极发光在碳酸盐岩孔隙演化的分析中有如下三个应用：

2.5.1 恢复原岩结构

岩石通过成岩作用的变化会发生一系列变化，也常会改变原来的结构，阴极发光显微镜在一定程度上可以再现原岩的结构

生物化石结构的恢复，在成岩过程中重结晶作用破坏了原来碳酸盐岩的成积结构(包括生物介壳碎屑)，利用阴极发光显微镜可以再现这些残余生物结构，这样为研究原岩形成的环境、重结晶作用及生物化石的保存等提供了实际资料。

恢复被交代了的颗粒的痕迹，阴极发光显微镜常可见到颗粒被交代后残留的生物结构、鲡粒结构、白云石环带等。

2.5.2 岩石中微裂缝研究研究岩石裂缝是储层研究的重要组成部分，但由于成岩作用的改造使许多裂缝已观察不清，通过阴极发光显微镜能够清楚地观察裂缝(大小、宽度、充填物)，另外对多组裂缝相互之间的交叉切割关系，形成顺序均可进行研究。

2.5.3 次生孔隙识别

在阴极发光显微镜下，我们可以判断锯齿状颗粒究竟是溶蚀造成的还是次生加大形成的。因为次生孔隙中原来充填的大部分碳酸盐类矿物(如方解石、白云石等)，是最易溶解的，它们在阴极发光显微镜下的发光特征很明显。溶解了的碳酸盐胶结物只要还有少量的残留物。在阴极发光下都可以有显示。

3 总结

由于碳酸盐岩的孔隙演化的受多种因素的控制，特别是受成岩作用和成岩环境的影响较为明显，过程较为复杂，研究难度比碎屑岩大，所以在运用以上方法进行研究时，不应拘泥于其中单一的一种方法，应该运动多种方法进行综合研究解释，以保证研究结果更加准确。

[1] 陈金勇,李振鹏. 碳酸盐岩储层的主要影响因素[J].海洋地质动态,2010(04):19-25.

[2] 周书欣,张秀莲. 论碳酸盐岩的成岩环境与孔隙演化[J].石油与天然气地质,1993(03):215-222，261.

[3] 陈荣坤. 埋藏环境下碳酸盐岩建设性成岩作用类型、特征及其意义[J]. 现代地质,1993 (01):40-49.

[4] 强子同.碳酸盐岩储层地质学[M]. 东营：中国石油大学出版社,2007:124-125.

[5] 张 谦,黄文辉,丁文龙,等. 玉北地区奥陶系碳酸盐岩碳氧同位素特征及成岩环境分析[J]. 西安石油大学学报(自然科学版),2015(05):23-30，74，7.

[6] 赖 勇. 阴极发光技术在成岩成矿作用研究中的应用[J]. 北京大学学报(自然科学版),1995(05):631-638.

(本文文献格式：何 赛，赵 龙，黄 鑫.碳酸盐岩储层成岩作用及孔隙演化研究方法[J].山东化工，2017，46(14)：134-136，139.)

红日化工2016年度股东大会成功召开

近日，山东红日化工股份有限公司召开2016年度股东大会。此次大会是红日化工更名后的首次股东大会，董事长池碧芬主持会议，公司董事兼总经理沈世捷、公司董事李德福、吕文清、胡杰、王永翔、毛华银及监事会主席李振浦出席会议。

按照既定会议议程，董事长池碧芬就本次股东会的增资扩股、选举监事会成员、修改公司章程、制定和实施股权激励细则、发行公司债券等9项议题分别做了说明。根据公司法和公司章程，经出席本次股东大会的全体股东投票表决，本次股东大会9项议题获得通过。

会议期间，公司董事兼总经理沈世捷就股东提问进行了详细答复。公司管理委员会成员和部分高级管理人员出席会议，全程见证了此次股东大会的成功召开。

(红日化工公司 李从容)

The Research Methods of Diagenesis and Pore Evolution of Carbonate Reservoir

HeSai,ZhaoLong,HuangXin

(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059,China)

Oil and gas resources of carbonate reservoir is abundant and it is half of the oil and gas resource of all the world. In the process of deposition, the diageneses of carbonate rock control the conversion of organic fraction in rock directly. They determine the formation and evolution of pore of carbonate rock, and control the reservoir types and reservoir scale. Because of the diageneses and evolution of reserving space is complex, the exploitation of oil and gas of carbonate reservoir becomes difficult. Common diageneses include compaction, pressolution, cementation, filling, metasomatism, dolomitization, recrystallization, dissolution and cataclasis. The dolomitization, dissolution, cataclasis plays a positive role in the formation of reservoir space; the cementation, compaction, pressolution plays a negative role in the formation of reservoir space; the recrystallization and silicification has no close relationship with the formation of reservoir space. The analysis of diagenesis and reservoir space evolution is a significant guidance of oil and gas exploitation, therefore, the research of diagenesis is significant in the exploration and exploitation of carbonate reservoir. In laboratory, we can use laboratory analysis technology which include casting thin sections, cathodoluminescence and scanning electron microscopy (sem), carbon and oxygen isotope and fluid inclusion analysis to research the diagenesis, pore structure, pore evolution particular.

carbonate reservoir; diagenesis; diagenetic environment; pore structure; evolution characteristics

2017-05-07

何 赛(1991—)，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事碳酸盐岩储层地质学和储层地球化学研究。

P618.13

A

1008-021X(2017)14-0134-03