翟亞若 （西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系；大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安710069）

米董哲 （中石油長慶油田分公司第四采氣場，陜西 西安710021）

翟靖，胥召 （中國石油集團(tuán)測井有限公司長慶事業(yè)部，陜西 西安710201）

由于碎屑巖成巖作用與油氣勘探開發(fā)密切相關(guān)，因而倍受石油地質(zhì)研究人員的關(guān)注。碎屑巖儲集層的造巖礦物主要包括石英、長石以及巖屑，還有碳酸鹽礦物、自生綠泥石等膠結(jié)物。在酸性流體的作用下，長石、巖屑以及碳酸鹽（如方解石、白云石等）、硫酸鹽（比如石膏、硬石膏等）、沸石等膠結(jié)物發(fā)生不同程度的溶解作用［1－3］。然而，研究過程中發(fā)現(xiàn)部分成巖現(xiàn)象很難用酸性成巖作用進(jìn)行合理解釋。為此，很多學(xué)者根據(jù)沉積環(huán)境、沉積物特征以及地層水特征等，對堿性流體在碎屑巖儲集層次生孔隙形成中的作用進(jìn)行了研究。下面，筆者對碎屑巖儲集層堿性成巖作用的研究情況進(jìn)行綜述，以便為碎屑巖儲集層的勘探開發(fā)提供參考。

1 堿性成巖作用的表現(xiàn)形式

不同巖石類型在各種成巖環(huán)境下會經(jīng)歷不同成巖過程。在碎屑巖儲集層中，堿性成巖作用的表現(xiàn)形式包括自生綠泥石薄膜膠結(jié)、自生伊利石膠結(jié)、石鹽膠結(jié)、鈉長石化、碳酸鹽膠結(jié)、硫酸鹽膠結(jié)、沸石膠結(jié)和石英溶解，具體內(nèi)容如下。

1.1 自生綠泥石薄膜膠結(jié)

自生綠泥石作為碎屑巖儲集層中重要的成巖粘土礦物之一，其薄膜形成于成巖作用早期，對碎屑巖儲集層起到一定的抗壓實作用［4－8］。但是，存在綠泥石薄膜膠結(jié)的儲集層在經(jīng)歷了機械壓實作用后，儲集層孔隙度仍持續(xù)降低，因而自生綠泥石薄膜對儲集層孔隙度的保護(hù)作用十分有限（見圖1（a））。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，作為孔隙襯里的綠泥石常與濁沸石相伴生，這說明兩者具有相同的形成條件，故認(rèn)為綠泥石的適量存在具有指示堿性成巖環(huán)境的作用［9］。

1.2 伊利石膠結(jié)

伊利石也是碎屑巖儲集層中重要的成巖粘土礦物，多呈絲縷狀、蜂窩狀等形態(tài)，一般以碎屑顆粒薄膜或者孔隙襯邊出現(xiàn)，甚至在孔隙中呈搭橋狀（見圖1（b）。伊利石形成于富K＋的弱堿性孔隙水的沉淀中或在成巖過程中由其他礦物轉(zhuǎn)變而來（如高嶺石在富含K＋偏堿性或堿性溶液中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐晾?0］。因此，伊利石的出現(xiàn)也指示著弱堿性－堿性環(huán)境的存在。

1.3 石鹽膠結(jié)

石鹽一般伴隨著流體包裹體一同出現(xiàn)，在流體包裹體中呈立方形（即石鹽子晶），指示形成該包裹體時地層流體的鹽度較大［11］。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，石鹽單晶呈立方體狀（見圖1（c），其礦物化學(xué)元素組分是Na和Cl，石鹽膠結(jié)物的形成有著指示堿性流體存在的作用［12］。

1.4 鈉長石化

在碎屑巖儲集層中，長石碎屑發(fā)生鈉長石化的現(xiàn)象較為普遍，其主要分為3種形式［13］：①由離子交代作用導(dǎo)致長石碎屑的鈉長石化；②長石碎屑邊緣鈉長石次生生長（見圖1（d））；③與長石碎屑溶解伴生的鈉長石次生生長。總體來說，長石的成巖演化實際上是鈉長石化的過程，即不同時期以及不同成巖環(huán)境造就了鈉長石化不同的表現(xiàn)形式，因此鈉長石化貫穿于整個成巖過程。

1.5 碳酸鹽膠結(jié)

作為碎屑巖儲集層中普遍發(fā)育的膠結(jié)物類型，碳酸鹽膠結(jié)多見方解石、鐵方解石、白云石和鐵白云石，可以利用茜素紅＋鐵氰化鉀溶劑予以區(qū)分，即方解石呈紅色，鐵方解石呈紫紅色，白云石不染色，鐵白云石呈藍(lán)色。研究表明，碳酸鹽礦物在偏堿性－堿性環(huán)境下易于沉淀（見圖1（e）），而在酸性環(huán)境中發(fā)生溶解作用［14］。

研究碳酸鹽膠結(jié)物常使用陰極發(fā)光法、電子探針分析測試以及主、微量元素分析、碳－氧同位素分析測試等方法［15－17］。如依據(jù)碳酸鹽礦物的發(fā)光強度可初步確定其中Fe／Mn比值，利用電子探針中各類碳酸鹽（SrO、MnO、FeO等）含量的不同標(biāo)志不同的成巖環(huán)境，這為進(jìn)一步確定形成碳酸鹽膠結(jié)物時的孔隙流體的來源及性質(zhì)提供了有利證據(jù)。

圖1 不同堿性成巖作用表現(xiàn)形式照片

1.6 硫酸鹽膠結(jié)

硫酸鹽膠結(jié)物的常見類型是硬石膏，此外還有石膏、重晶石和天青石。硬石膏、石膏主要形成于早成巖期的強蒸發(fā)環(huán)境，若在晚成巖期出現(xiàn)，則常與早期石膏的溶解和再沉淀密切相關(guān)，并取決于孔隙水的鹽度、溫度以及壓力。常見硬石膏呈嵌晶狀膠結(jié)物形式出現(xiàn)，是早期石膏脫水的產(chǎn)物，而石膏發(fā)生水化作用可生成硬石膏［18］。因此，硬石膏和石膏之間可發(fā)生可逆反應(yīng)，其反應(yīng)程度取決于孔隙水的鹽度、溫度以及壓力。同時，對儲集層巖石類型的精細(xì)認(rèn)識，對于硫酸鹽膠結(jié)物的來源十分重要，如砂巖中長石含量較高，長石顆粒的溶解為硬石膏等硫酸鹽礦物在孔隙中的沉淀提供了物質(zhì)基礎(chǔ)［19－20］。同時，由于硬石膏的早期膠結(jié)，占據(jù)了大量原生孔隙，從而降低了儲集層儲集性能［21］。

1.7 沸石膠結(jié)

沸石類礦物多來源于火山物質(zhì)和長石碎屑的蝕變產(chǎn)物，即火山玻璃經(jīng)過水化作用，轉(zhuǎn)變?yōu)樾卑l(fā)沸石，隨后經(jīng)過一系列脫水作用，在碎屑巖儲集層中最終形成濁沸石。研究表明，利于生成沸石類礦物的介質(zhì)條件是高pH值和富含SiO2及Ca＋、Na＋、K＋，還包括高礦化度的孔隙水和適當(dāng)?shù)?/p>

沸石若在早成巖期偏堿性孔隙水的作用下生成，可以大大降低儲集層孔隙度，但在一定程度上也起到抗壓實作用。此外，在晚成巖期酸性水的作用下沸石膠結(jié)物不能穩(wěn)定存在，容易發(fā)生溶解作用形成次生孔隙，從而起到改善儲集層物性的作用（見圖1（f））。

1.8 石英溶解

石英顆粒是碎屑巖中最主要的碎屑顆粒之一，被認(rèn)為是十分穩(wěn)定的礦物。但近年來，國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)石英顆粒可以發(fā)生溶解作用，具體現(xiàn)象如下［22－26］：①部分溶解；②顆粒邊緣接觸線的溶解；③溶蝕殘??；④硅質(zhì)膠結(jié)的溶解；⑤伸長型孔隙；⑥超粒大孔隙；⑦蜂窩狀孔隙，但石英經(jīng)溶解作用所產(chǎn)生了次生孔隙對儲集層物性的改善作用不大且基本被碳酸鹽礦物交代（見圖1（g））。此外，研究發(fā)現(xiàn)，石英顆粒的溶解必須在pH≥9時才能夠發(fā)生，這表明石英顆粒的溶解環(huán)境為堿性環(huán)境。

圖2 堿性成巖作用和經(jīng)典成巖作用對孔隙演化影響的對比圖

2 堿性成巖作用的演化

堿性成巖作用的演化受控于以下多種影響因素：①成巖流體的影響。早期成巖流體由于處于蒸發(fā)環(huán)境而呈堿性，由于有機質(zhì)的成熟和粘土礦物的轉(zhuǎn)化，同時釋放大量有機酸，最終導(dǎo)致后期成巖流體趨于酸性［27］。②層序的影響。一方面，不同體系域發(fā)育時期水體介質(zhì)和物源不同導(dǎo)致不同體系域內(nèi)的成巖現(xiàn)象有所不同；另一方面，后期成巖流體通過層序界面改造其成巖作用類型［28］。③構(gòu)造活動的影響。堿性成巖作用的演化與儲集層埋藏深度的變化密切相關(guān)，尤其與構(gòu)造活動相關(guān)。首先，成巖早期構(gòu)造控制了儲集層原始成巖組分的形成；其次，隨著構(gòu)造活動的不斷進(jìn)行以及深部流體的參與，成巖流體的性質(zhì)發(fā)生變化，儲集層成巖組分也相應(yīng)發(fā)生變化并由此反映當(dāng)時流體的性質(zhì)［29］。

由于綠泥石薄膜的出現(xiàn)指示沉積環(huán)境呈堿性，并且抑制了石英顆粒加大邊的生長，也是對原生孔隙的保護(hù)，在一定程度上改善了儲集層物性；長石的溶蝕在一般情況下指示著酸性沉積環(huán)境，并形成大量的粒內(nèi)溶蝕孔，使儲集層空間大大增加；硬石膏等硫酸鹽礦物、沸石礦物的膠結(jié)指示沉積環(huán)境由酸性向堿性轉(zhuǎn)化，使部分次生孔隙被占據(jù)，導(dǎo)致儲集層物性變差，這為成巖后期在酸性環(huán)境下的溶蝕提供了可能?？傮w來說，碎屑巖儲集層通過經(jīng)歷酸、堿交替的成巖作用過程，最終形成多個孔隙發(fā)育帶［30］（見圖2）。

3 結(jié)語

近年來，隨著堿性成巖作用研究的逐漸深入，認(rèn)識到成巖流體隨著成巖過程的進(jìn)行而發(fā)生不斷變化，使碎屑巖儲集層經(jīng)歷了酸性、堿性成巖環(huán)境的多重交替，進(jìn)而形成多個孔隙發(fā)育帶，最終對儲集層物性起到明顯改善作用。目前，由于各個油氣勘探開發(fā)地區(qū)的地質(zhì)情況不同，其儲集層所經(jīng)歷的堿性成巖作用過程也呈現(xiàn)明顯差異，因而需要加大研究力度，以便充分認(rèn)識堿性成巖作用對碎屑巖儲集層油氣成藏的重要意義。

［1］ 田建鋒，劉池洋，王桂成，等 .鄂爾多斯盆地三疊系延長組砂巖的堿性溶蝕作用 ［J］.地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報，2011，36（1）：103－110.

［2］ 鄭俊茂，龐明 .碎屑儲集巖的成巖作用研究 ［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1989.

［3］ 徐北煤，盧冰 .硅質(zhì)碎屑巖中碳酸鹽膠結(jié)物及其對儲集層的控制作用的研究 ［J］.沉積學(xué)報，1994，12（3）：56－66.

［4］ 孫治雷，黃思靜，張玉修，等.四川盆地須家河組砂巖儲集層中自生綠泥石的來源與成巖演化 ［J］.沉積學(xué)報，2008，26（3）：459－468.

［5］ 丁曉琪，張哨楠，葛鵬莉，等 .鄂南延長組綠泥石環(huán)邊與儲集性能關(guān)系研究 ［J］.高校地質(zhì)學(xué)報，2010，16（2）：247－254.

［6］ 柳益群，李文厚 .陜甘寧盆地東部上三疊統(tǒng)含油長石砂巖的成巖特點及孔隙演化 ［J］.沉積學(xué)報，1996，14（3）：89－98.

［7］ 黃思靜，謝連文，張萌，等 .中國三疊系陸相砂巖中自生綠泥石的形成機制及其與儲集層孔隙保存的關(guān)系 ［J］.成都理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2004，31（3）：273－281.

［8］ Bloch S，Lander R H，Bonnell L.Anomalously high porosityand permeability in deeply buried sandstone reservoirs：origin and predictability ［J］.AAPG Bulletin，2002，86（2）：301－328.

［9］ 田建鋒，陳振林，楊友運 .自生綠泥石對砂巖儲集層孔隙的保護(hù)機理 ［J］.地質(zhì)科技情報，2008，27（4）：49－54.

［10］ 朱筱敏 .沉積巖石學(xué) ［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［11］ 盧煥章 .流體包裹體 ［M］.北京：科學(xué)出版社，2013.

［12］ 高永利，王勇，孫衛(wèi) .姬塬地區(qū)長4＋5低滲儲集層成巖作用與孔隙演化 ［J］.特種油氣藏，2014，21（1）：68－72.

［13］ 楊桂芳，卓勝廣，牛奔，等 .松遼盆地白堊系砂巖長石碎屑的鈉長石化作用 ［J］.地質(zhì)論評，2003，49（3）：155－162.

［14］ 劉小洪 .鄂爾多斯盆地上古生界砂巖儲集層的成巖作用研究與孔隙成巖演化分析 ［D］.西安：西北大學(xué)，2008.

［15］ 宋志敏 .陰極發(fā)光地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) ［M］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1993.

［16］ 劉麗紅，黃思靜，王春連，等 .碳酸鹽巖中方解石膠結(jié)物的陰極發(fā)光環(huán)帶與微量元素構(gòu)成的關(guān)系——以塔河油田奧陶系碳酸鹽巖為例 ［J］.海相油氣地質(zhì)，2010，13（1）：55－60.

［17］ 劉春燕，鄭和榮，胡宗全，等 .碎屑巖中的碳酸鹽巖膠結(jié)特征——以鄂爾多斯盆地南部富縣地區(qū)延長組長6砂體為例 ［J］.中國科學(xué)：地球科學(xué)，2012，42（11）：1681－1689.

［18］ 陳吉，張永梅，史基安，等 .柴北緣冷湖－馬仙地區(qū)古近系－新近系成巖作用特征 ［J］.巖性油氣藏，2012，24（2）：21－25.

［19］ 陳波，韓定坤，趙海濤，等 .江陵凹陷深層儲集層次生孔隙非均質(zhì)性成因 ［J］.石油學(xué)報，2006，27（5）：66－70.

［20］ 賈艷艷，史基安，申玉山，等 .柴北緣冷湖五號構(gòu)造上干柴溝組儲集層特征研究 ［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，35（4）：43－50.

［25］ 馬達(dá)德，王少依，壽建峰，等 .柴達(dá)木盆地西南區(qū)古近系及新近系砂巖儲集層 ［J］.古地理學(xué)報，2005，7（4）：519－528.

［21］ 李振華，邱隆偉，師政，等 .準(zhǔn)噶爾盆地中拐地區(qū)佳二段沸石類礦物成巖作用及其對油氣成藏的意義 ［J］.中國石油大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，38（1）：1－7.

［22］ Evans J.Quartz dissolution during shale diagenesis implications for quartz cementation sandstones ［J］.Chem Geol，1990，84（1－4）：239－240.

［23］ Dove P M，Elston S E.The low－temperature dissolution kinetics of quartz in sodium chloride solution：Analysis of exiting data and a rate madel for 25℃，pH2～13 ［J］ .Geochimica et Cosmochimica Acta，1992，56：4147－4156.

［24］ Tester J W，Worley W G.Correlation quartz dissolution kinetics in pure water from 25to 625℃ ［J］ .Geochim Cosmochim Acta，1994，58（11）：2407－2420.

［25］ 史宏才，朱江慶，王詩中，等 .高溫下礦物－水反應(yīng)的研究 ［J］.石油學(xué)報，1998，19（2）：73－80.

［26］ 邱隆偉，姜在興，陳文學(xué)，等 .一種新的儲集層孔隙成因類型——石英溶解型次生孔隙 ［J］.沉積學(xué)報，2002，20（4）：621－627.

［27］ 朱劍兵，陳麗華，紀(jì)友亮，等 .鄂爾多斯盆地西緣逆沖帶上古生界孔隙發(fā)育影響因素 ［J］.石油學(xué)報，2006，27（3）：37－41.

［28］ 譚先鋒，田景春，李祖兵，等 .堿性沉積環(huán)境下碎屑巖的成巖演化——以山東東營凹陷陡坡帶沙河街組四段為例 ［J］.地質(zhì)通報，2010，29（4）：535－543.

［29］ 張善文，袁靜，隋鳳貴，等.東營凹陷北部沙河街組四段深部儲集層多重成巖環(huán)境及演化模式 ［J］.地質(zhì)科學(xué)，2008，43（3）：576－587.

［30］ 關(guān)平，張文濤，吳雪松，等 .江漢盆地白堊系漁陽組砂巖的成巖作用及其熱力學(xué)分析 ［J］.巖石學(xué)報，2006，22（8）：2144－2150.