砂岩的成岩相模式 碎屑岩的孔隙演化与成岩相分析
研究区沙三中地层上下为两套巨厚盐层，成岩作用在相对封闭的环境中进行，成岩现象丰富，成岩作用类型多。在分析了砂岩的成岩环境的基础上，依据不同的成岩事件及成岩演化结果，可划分成5种成岩相类型（图2-3-7）。
（一）不稳定组分强烈溶蚀相
不稳定组分包括陆源碎屑长石、岩屑、鲕粒、砂屑等，也包括各种胶结物如酸溶性的碳酸盐等。该成岩相带砂岩成分成熟度和结构成熟度较高，石英含量大致为50%～70%，长石20%～35%，岩屑10%左右，填隙物含量＜10%，粒度中值一般在0.05～0.25mm之间。颗粒间以点接触为主，圆度为次棱角－次圆，分选较好。该成岩相砂岩在早成岩期结束时尚存一定量的原生粒间孔隙，油气生成后产生的有机酸在运移过程中不仅使长石、碳酸盐颗粒等不稳定组分强烈溶蚀，使原生粒间孔隙在很大程度上得到恢复，砂岩孔隙度＞20%，渗透率＞100×10-3μm2，该成岩相主要分布在水下分流河道、河口坝微相，其微相砂体为最佳储油气层。
次生孔隙研究表明，沙河街组成岩中、后期，埋藏深度超过5000m以下的范围内均普遍发育碳酸盐溶蚀，并且是次生孔隙空间的主要成因类型。在成岩中期以有机羧酸、碳酸为主要酸源；成岩后期较高温度下极可能以无机碳酸和氢硫酸为主，晚期胶结物包裹体中存在相当数量的CO2和H2S对此是一个佐证。另一方面，本区大量发育的碳酸盐和硫酸盐胶结物以及晚期大量甲烷气体的产出也为上述反应提供了适宜的反应物质基础。
（二）碳酸盐胶结成岩相
碳酸盐胶结成岩相砂岩的成分成熟度与结构成熟度较高，基质含量一般＜5%，碳酸盐胶结物含量较高，一般为10%～20%。埋藏成岩过程中，发生了一系列包括机械压实、早期碳酸盐胶结、溶蚀、晚期碳酸盐胶结等成岩作用。其中早期碳酸盐胶结表现为方解石或铁方解石嵌晶式胶结，成栉壳状结构；晚期碳酸盐胶结表现为白云石及铁白云石的大量出现充填孔隙并交代各种组分。早期碳酸盐胶结之后孔渗急剧降低，经后期溶解作用产生了大量的次生孔隙，后虽经晚期碳酸盐胶结孔隙收缩但仍保持一定数量的次生孔隙，砂岩孔隙度一般为15%～20%，渗透率（10～100）×10-3μm2，该成岩作用主要出现在水下分流河道、河口坝微相中，具有一定的储集性能。
图2-3-7 文东油田沙三中储层成岩演化模式图
高盐度和碱性沉积环境及其继承性封闭成岩环境的发育是导致本区早期碳酸盐胶结作用较强的基本原因。沙河街组碎屑岩中碳酸盐胶结物时空分布广，一般含量均在10%以上，最大可达30%。强烈的早期碳酸盐胶结一方面堵塞了原生孔隙，但另一方面也抑制了颗粒间的压实。此外，由于盐湖盆地中单砂层厚度小、砂泥频繁互层，“顶钙”和“底钙”胶结发育，并成为成岩早期的主要胶结形式和碳酸盐封隔层的成因之一。
（三）石英次生加大成岩相
砂岩成分成熟度及结构成熟度较高，以出现大量硅质增生物为特点。埋藏成岩过程中，经历了压实作用、逐级增强的次生加大作用、弱溶解作用等成岩作用。石英颗粒大多具宽阔的加大边，加大边终端不规则，颗粒间呈线接触或缝合状接触，主要出现在水下分流河道及河口坝微相中，这类储层孔渗性较上述两种成岩相低，储油不佳。
（四）粘土杂基支撑成岩相
该成岩相砂岩的原始组分及结构成熟度偏低，基质含量通常＞15%，粒度中值一般0.03～0.1mm，粒细、分选差。在埋藏成岩作用中，经历了机械压实、重结晶、矿物转化等成岩作用。由于原始基质含量较高，成岩过程中产生的酸性水与后期的有机酸进入量很少，只能发生微弱溶解作用，产生很少的溶蚀孔隙。主要出现在前缘席状砂微相或深湖相中，这类砂体物性极差，为低孔、低渗差的储层或非储层类型。
特别要指出的是，伊利石、硅质增生－胶结作用对低孔渗储层的成岩演化具有特殊影响，目的层砂岩多已演化至成岩中期。据粉晶X衍射分析，砂岩粒间粘土矿物中比表面积大的自生伊利石、绿泥石较为发育。
自生伊利石－绿泥石、硅质总含量虽不超过5%～10%，但其以网状占据粒间孔喉或衬边状围绕碎屑颗粒生长，不仅导致砂岩中小孔细喉结构的明显破坏，而且为润湿相含水饱和度的增加提供条件。由于本区低孔、渗储层极为发育，而伊利石－绿泥石和硅质矿物既是晚期产物又不易溶解，即使是微量的自生矿物堵塞孔喉，都将对储层的质量造成破坏性影响。
（五）硬石膏胶结成岩相
膏盐胶结成岩相砂岩硬石膏含量为2%～5%，岩心观察为硬石膏斑点，镜下观察硬石膏胶结物呈斑状，对石英、长石等碎屑颗粒交代强烈。这类砂岩在埋藏成岩过程中，早期经历了压实作用、石膏脱水，晚期经历了硬石膏的交代作用，造成砂岩局部孔隙堵塞、致密。未被硬石膏胶结的部分经溶解作用后具有一定的孔隙度，可能出现于各种微相带中，尤以漫溢微相为主，孔渗性不好，储层储集性较差。石膏、石盐、方沸石等自生矿物的局部层位发育，也促进了低渗致密砂岩储层的形成。
成岩相的分布主要受沉积微相、断层活动、温度和水介质条件等多种因素控制。不同的控制因素导致成岩相平面上交叉、纵向上重叠分布。因重荷的压挤作用，成岩相的分布在隆起区表现出规律性。沙三中段砂体在文西、文东断层下降盘表现为杂基支撑相和碳酸盐胶结相。在文西断层分支的断阶带，活跃的水介质和断层活动使之形成不稳定组分溶蚀相。文东断层下降盘出现石英次生加大成岩相。
碎屑岩的孔隙演化与成岩相分析~
沉积物沉积后至深埋藏过程中所发生的每一个成岩作用都称之为成岩事件。在渐进埋藏成岩环境，由同生成岩阶段直至晚成岩阶段的漫长成岩过程中，先后发生过若干次重要的成岩事件，它们对岩石原生孔隙的保存或破坏以及次生孔隙的形成与发育有很大的影响［7］。
4.2.2.1 碎屑岩的孔隙演化
（1）储集岩原始孔隙度的恢复
研究成岩过程中孔隙演化及孔隙度的变化，首先要恢复储层的原始孔隙度。根据比尔德和韦尔（1973）提出的原始孔隙度计算式可求出原始孔隙度（ϕ0）：
ϕ0＝20.91+（22.9/S0）
式中：S0——根据筛析资料所作碎屑粒度累积曲线图求得的Trusk分选系数，将其代入上式即可求得原始孔隙度数值。
根据一些研究者的实测、模拟和理论计算，碎屑岩的原始孔隙度至少可达到35%～40%。
（2）压实作用使孔隙度减小
由压实作用使孔隙度减少的估计方法一般采用压实模拟的数学表达式，即
ϕ＝ϕ0e-cp
式中：ϕ——随压力而变化的孔隙度，%；
ϕ0——原始孔隙度，%；
p——上覆地层的压力，MPa（×0.1）；
c——与压实速率和被压实物粒度等有关的常数。
其中c值的变化范围随砂中粘土含量增大而变小。粘土的c值最大，纯砂的c值较小。根据模拟试验，粘土的c值为1.2×10-3；中粗纯砂为6×10-4；细粉纯砂则为3.5×10-4；砂中含粘土大于50%时，c值为（7.4～9.4）×10-4。
压实损失的孔隙度也可以根据薄片鉴定来估计，即
油气储层地质学
式中：V粒——颗粒体积占岩石总体积的比例，%；
40——原始孔隙度，%。
（3）胶结作用损失的原始孔隙度
油气储层地质学
式中：V胶——残留胶结物体积占岩石总体积的比例，%；
40——原始孔隙度，%。
（4）溶解作用产生次生孔隙
虽然由于溶解作用产生次生孔隙从而可以增大孔隙度的形成机理已经有很多的研究，但是定量估计次生孔隙度的方法还很少。下面介绍两种估计次生孔隙的方法。
1）Ehrenberg模型——它是基于井的数据资料比较齐全的情况下，建立成岩作用控制次生孔隙的定量模型，其表达式为
dϕs＝f（z）
式中：dϕs——次生孔隙增量；
f（z）——次生孔隙随深度的变化函数。
在具体实施时，要取得不同埋深的岩心，系统观察薄片，并进行岩心分析，取得深度、原生孔隙、次生孔隙和总孔隙的各项参数，然后建立原生孔隙、次生孔隙和总孔隙随深度的关系曲线（图4.3），通过最佳拟合后，形成上述非线性次生孔隙增量的函数式。
图4.3 孔隙度随深度的变化曲线
2）薄片鉴定方法求取次生孔隙度是常用的方法。在进行薄片鉴定时，读出总面孔率、原生孔隙面孔率和次生孔隙面孔率，亦即
油气储层地质学
或者可以表达为
ϕ次生＝ϕ总-ϕ压-ϕ胶结
式中：ϕ总——沉积物的初始孔隙度，%；
ϕ压——由于压实作用损失的孔隙度，%；
ϕ胶结——由于胶结作用损失的孔隙度，%。
在经过成岩作用阶段划分以及孔隙测量等工作后，就可以归纳成图件。图4.4是川西北凹陷上三叠统致密砂岩成岩作用模式图，图4.5是东濮凹陷沙三段成岩和孔隙演化图。
图4.4 川西北凹陷上三叠统致密砂岩成岩作用及孔隙演化史
图4.5 东濮凹陷沙三段成岩阶段划分和孔隙演化［8］
Ch—绿泥石；I—伊利石；K—高岭石；S—蒙脱石；I/S—伊/蒙比
4.2.2.2 成岩相分析
油气储层所经历的成岩作用阶段，由于沉积环境及沉积物的差异表现出不同类型的岩石结构和孔隙演化，可以把处于同一成岩阶段相接近的岩石结构和孔隙演化的类型称为“成岩相”。赵澄林、刘孟慧［8］把成岩环境和成岩产物综合命名为成岩相，他们把东濮凹陷北部沙三—四段储层分为四种成岩相。
（1）碳酸盐胶结成岩相
这类成岩相主要分布于近源深沟道浊积岩中。其影响主要表现在使以颗粒流机制形成的块状砂岩，在中-深（3200m）埋藏成岩作用过程中孔渗急剧变低，形成低孔、低渗储层。这一成岩相的形成与活跃活动的水介质作用有关。
（2）石英次生加大成岩相
主要出现在石英净砂岩中。常出现于三角洲前缘席状砂岩及浅滩环境改造的净砂岩中，或在近漫滩微相及再搬运沉积体系中。这类储层孔渗性较低。
（3）粘土杂基支撑成岩相
这一成岩相属低结构成熟度的杂砂岩，砂岩呈杂基支撑结构及似斑状结构。在埋藏成岩作用过程中，所含粘土矿物转化产生的流体，在一定温度、压力和物化条件影响下促成溶解作用，形成各种微孔、微缝。这类储层普遍出现在湖底扇辫状沟道、深水重力流水道微相中，其特征是高孔隙度、低渗透率。
（4）不稳定碎屑溶蚀成岩相
不稳定组分主要指长石、不稳定岩屑、云母及碳酸盐颗粒。不稳定组分的溶蚀，导致各种次生孔隙的形成，这对于发育该区的良好储层是极为重要的。
上述四种成岩相主要受沉积相控制，前两者为强化学胶结成岩相，是在硬砂岩中形成的；后者是杂砂岩形成的成岩相类型。
在成岩相划分的基础上，可以编制成岩相剖面图和平面图（图4.6和图4.7）。
图4.6 马厂地区沙三3-4亚段成岩相模式图 ［8］
图4.7 文留地区沙三3亚段成岩相分布图［8］
1—石英次生加大成岩相；2—不稳定组分溶蚀成岩相；3—粘土杂基支撑成岩相；4—碳酸盐胶结成岩相；5—井号
所谓矿石就是在现在的技术及经济条件下可以被开采、加工和利用的岩石。例如磁铁石英岩当含铁量超过20%时，目前就可作为铁矿石。矿石是由有用矿物和脉石矿物所组成，有用矿物是人们要利用的矿物，也就是选矿的目的矿物；脉石矿物就是目前尚不能利用的矿物，也就是选矿过程中成为尾矿的矿物。
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