儲層成岩作用是指碎屑沉積物在沉積後到變質作用之前，這一漫長階段所發生的各種物理、化學及生物變化。
碎屑岩的一系列成岩變化，對碎屑儲集岩的孔隙形成、保存及破壞均起著極為重要的作用，對儲層物性有著決定性的影響。
基本介紹
- 中文名：儲層成岩作用
- 外文名：Reservoir diagenesis
- 學科：沉積學
- 作用：機械壓實、壓溶等
- 階段：早成岩階段、晚成岩階段
- 研究方法：岩石礦物學、實驗室測定
簡介,成岩作用的基本要素,主要成岩作用,機械壓實作用,壓溶作用,膠結作用,溶解與交代作用,成岩作用階段劃分,研究方法,
簡介
一個含油氣盆地的成岩演化規律通常是石油與天然氣勘探的主要研究內容之一，然而，影響碎屑岩系儲層成岩作用的因素很多，主要有盆地構造演化、沉積體系的分布、埋藏史、盆地的熱演化史以及地下水溶液的活動等。這就要求石油地質工作者在分析某一時期或某一層位儲層的孔隙演化時，要將盆地的構造、沉積與成岩三者的特徵進行綜合考慮，把它作為一個有機的整體進行分析和研究，並採用多學科的理論與方法來討論孔隙隨時間、空間和層位的演變而發生的一系列變化。正如上章儲層非均質性的影響因素一樣，決定儲層孔隙發育規律的巨觀因素為：①構造演化的階段性；②沉積格局的複雜性；③成岩作用的多樣性。
碎屑岩的成岩作用是指碎屑沉積物在沉積後到變質作用之前，這一漫長階段所發生的各種物理、化學及生物變化。碎屑岩的一系列成岩變化，對碎屑儲集岩的孔隙形成、保存及破壞均起著極為重要的作用，對儲層物性有著決定性的影響。因此，儲層成岩作用研究重點是對那些引起物性變化的成岩事件（包括對孔隙的破壞作用和導致次生孔隙形成的作用），探討儲層中孔隙的演化規律，以此預測有利油氣帶。
成岩作用的基本要素
碎屑物質在沉積之後，岩石變質之前，與孔隙流體之間，會發生各種可能的物理、化學反應，反應的方式、過程及和程度隨著岩石成分、流體性質、溫度和壓力的變化而變化。換句話說，岩石、流體、溫度和壓力是發生各種種成岩作用的基本要素，即基本成岩參數和條件。一般認為，岩石和流體組成的這一成岩系統是一種開放、半開放或封閉的系統。因而，準確地確定某一成岩反應發生時各反應物、產物和反應條件等是成岩作用研究所追求的目的之一；並在此基礎上推斷或預測孔隙形成與演化。
一）岩性
碎屑岩儲層的岩性包括碎屑顆粒、填隙物（膠結物與雜基）的成分、結構和組構等，它主要受控於儲層形成的沉積環境和沉積後所發生的各種成岩變化。如岩石中的自生礦物就是由於岩石孔隙流體中某些離子過飽和，在一定的溫度和壓力條件下沉澱所致。故自生礦物的成分、結構和組構可直接反映成岩作用的環境。因此，系統而又準確地觀測與分析岩石的成分，尤其是自生礦物的成分、結構和組構就可以分析和判斷曾經發生過的各種成岩變化，即從成岩產物來推斷成岩作用對原生礦物成分、結構和組構的改造，則是研究成岩變化成因與分析其機理的關鍵。這是由於地下水溶液對碎屑礦物顆粒的溶解，淡水對顆粒的淋濾以及礦物之間所發生的交代作用等，都是依據其成分與結構的差異所進行的，具有明顯的選擇性。選擇的條件就是其影響成岩的基本因素和成岩環境。
二）溫度
溫度是發生各種成岩變化的基本條件之一，其大小不僅可以影響成岩作用的類型與速度，而還影響成岩作用的方向。成岩作用發生時的地溫，即古地溫計算與恢復則是其關鍵。通常而言古地溫對成岩作用的影響大致有以下幾個方面：
①影響礦物的溶解度：大多數礦物的溶解度會隨著溫度的增加而增大。 ②影響礦物的轉化：實際資料表明，地溫梯度不同，礦物轉化的深度不一。
③影響孔隙流體和岩石的反應方向：因為化學反應的平衡常數受溫度控制，溫度的變化勢必引起反應的變化。在一種溫度下，一定的成岩反應可以形成次生孔隙，在另一種溫度下可能形成自生礦物而堵塞孔隙。
④古地溫控制下有機質的成岩演化序列：有機酸對礦物顆粒的溶解是形成次生孔隙重要途徑之一。
碎屑岩系油氣儲層沉積學——第四章
有機質隨溫度的變化衍生出不同的化學成分，而不同化學成分的有機酸對礦物的溶解則明顯不同。
綜上所述，古地溫是成岩作用階段劃分主要指標之一。古地溫的確定是成岩作用研究的一大難題，雖然已出現了多種方法，但常用的方法有：①流體包裹體測溫；②鏡質體反射率；③粘土礦物組合及轉化；④自生礦物的分布和演變。
三）壓力
壓力的大小對成岩反應具有一定的控制作用，主要表現在影響成岩的進程速度與方向。常用的壓力參數有靜水壓力（Ph）、孔隙流體壓力（Pp）、有效應力（Pf）、剩餘流體壓力（Pe）及靜岩壓力（Pt—總壓力）。孔隙流體壓力等於上覆水柱的重量時，稱為靜水壓力；比上覆水柱重量大的孔隙壓力稱為剩餘壓力，當孔隙流體壓力大於靜水壓力時（超高壓），有效應力相應變小，直至為零。壓力參數直接控制了儲層的機械壓實和壓溶作用，也可以說是直接控制物性的一個重要因素。此外，大部分礦物的溶解度會隨著壓力的增加而增大，因此，在成岩作用的中後期，壓力是控制物性的一個間接因素。
四）流體
儲層中所見到的自生礦物的沉澱與溶解作用是沉積盆地內大量溶解物質所造成。成岩期間儲層中存在著不同成分的孔隙流體或地下水溶液，這種流體是重新分配礦物的動力學條件。因此，其化學成分和活動程度對成岩作用起著很重要的控制作用。具體來說；孔隙流體一般包括孔隙水、油和氣，孔隙水的影響最突出。
主要成岩作用
成岩作用的四個基本要素決定了可能發生的各種成岩作用。流體性質與礦物成分決定礦物是被溶解而形成次生孔隙，還是發生沉澱而堵塞孔隙。可以說，成岩過程是孔隙的形成與消亡的交替過程。因此，依據成岩作用對砂體孔隙演化的影響，可將其分為兩大類：一是降低砂體孔、滲性的成岩作用：主要有機械壓實作用和膠結作用，其次為壓溶作用和重結晶作用；二是增加砂體孔滲性的成岩作用：主要為溶解和淋濾作用。交代作用對孔隙的影響不大，
但可為後期溶解作用提供更多的易溶物質從而有利於溶解作用的進行。
機械壓實作用
機械壓實作用是沉積物在上覆重力及靜水壓力作用下，發生水分排出，碎屑顆粒緊密排列而使孔隙體積縮小、孔隙度降低、滲透性變差的成岩作用。影響碎屑岩的壓實作用主要有顆粒的成分、粒度分選、磨圓度、埋深及地層壓力等。機械壓實作用的最終結果就是減小粒間體積，使原始孔隙度降低。
沉積物經機械壓實作用後，會發生許多變化，主要有：
①碎屑顆粒的重新排列，從游離狀到接近或達到最緊密的堆積狀態；
②塑性岩屑擠壓變形；
③軟礦物顆粒彎曲進而發生成分變化；
④剛性碎屑礦物壓碎或壓裂。
沉積物被壓實固結的程度可稱為壓實作用強度。定性表征壓實作用強度的方法是在鏡下描述碎屑顆粒的接觸關係；隨著壓實強度的增大，碎屑顆粒接觸依次為點接觸、線接觸、凹凸接觸和縫合接觸。
壓溶作用
當上覆地層壓力或構造應力超過孔隙水所能承受的靜水壓力時，引起顆粒接觸點上晶格變形和溶解，這種局部溶解稱壓溶作用。通常情況下，細砂岩比粗砂岩壓溶作用進行的更快（鄭浚茂等，1989），而且形成的埋深較大，多大於3000m。石英壓溶是最常見的壓溶現象，壓溶作用會造成石英顆粒之間相互穿插的現象，形成顆粒之間線接觸、凹凸接觸及縫合接觸，從而降低岩石的孔隙度。此外，石英壓溶後，溶解作用將可溶的SiO2溶入孔隙水中，增加了孔隙水中Si4+的濃度，當孔隙水過飽和時，SiO2發生沉澱，這為石英次生加大的形成或矽質膠結提供了物質來源，亦能降低岩石的孔隙度。
膠結作用
膠結作用是指礦物質在碎屑沉積物孔隙中沉澱，形成自生礦物並使沉積物固結為岩石的作用，它是使儲層孔隙度降低的重要因素。膠結作用的成岩效應是堵塞孔隙，但不減小粒間體積，這與壓實作用的成岩效應有所差別。實質上，膠結作用研究就是自生礦物形成的研究。在碎屑岩儲層中最常見的自生礦物有：
①各種碳酸鹽類礦物，如方解石、白雲石、及菱鐵礦等；
②矽質岩和鋁矽酸鹽類，如石英、長石、粘土礦物等；
③沸石類和硫酸鹽類礦物，如石膏、硬石膏、重晶石等。
碎屑沉積物剛一沉積，孔隙水就和顆粒發生反應。到底是礦物顆粒發生溶解，還是沉澱形成新的自生礦物，決定因素有兩個。
一是礦物的飽和度，涉及到孔隙流體和岩石顆粒的成分；
二是礦物質和孔隙水之間的反應速度，受控於溫度和壓力。
溶解與交代作用
廣義上的溶解作用是指地下水溶液對岩石組份的溶解過程，通常可分為兩類：一是固相均勻溶解，部是使未溶解固相的新鮮面成分不變；另一種溶解為選擇性溶解；岩石組分的不一致溶解，所形成新礦物的化學組成與被溶解礦物相近，如長石高嶺石化。前者多稱為溶解，後者稱為溶蝕。交代是礦物被溶解，同時被孔隙沉澱出來的礦物所置換，新形成的礦物與被溶礦物沒有相同的化學組分，如方解石交代石英。
砂岩中礦物的溶解和沉澱主要與孔隙水中有機酸和碳酸的濃度及CO2濃度有關。同時也受地溫和其他物理化學因素控制。
在成岩環境中，碎屑岩儲層中的無機成岩作用與烴源岩的有機成岩作用有密切關係，二者相互促進，影響許多成岩作用的發展及成岩階段的演化。研究表明，沉積物中的有機質在埋藏成岩階段能產生大量有機酸，溫度低於80，有機酸含量低；溫度高於80℃，油田水中有機酸的含量呈指數增加；溫度高於120℃時，有機酸將發生脫羧或部分脫羧作用。有機酸脫羧產生CO2控制了水溶液的pH值，使之有利於溶蝕作用進行，如果產生羧酸的高峰期略早於液態烴的生成時間，那么流經烴源岩臨近砂層的羧酸可引起碳酸鹽、鋁矽酸鹽的溶蝕，促使次生孔隙發育，提高儲層的孔隙度和滲透率。
成岩作用階段劃分
廣義的成岩階段可分為同生、成岩及表生三大階段；就儲層的孔隙度演化而言，主要是成岩階段，成岩階段又可進一步劃分為早成岩和晚成岩。同生階段是指沉積物沉積後至埋藏前所發生的變化和作用時期；表生階段則是指沉積物固結深埋之後，因構造抬升而暴露或接近地表，受到大氣淡水的淋濾、溶蝕而發生變化與作用的階段。
1、早成岩階段
早成岩階段指沉積物由弱固結到固結成岩的階段，又可為A、B兩期。
2、晚成岩階段
指岩石固結後，在深埋環境下直到變質作用前的階段、分為A、B、C三期。
研究方法
碎屑岩儲層的成岩作用研究在地學的許多學科領域中都有涉及，但大多是針對某一個方面的研究或單項因素的分析。然而，就石油地質學或21世紀科學的發展而言，單一性或單項分析、單學科的獨立性研究已完全不能滿足人們對現今地質現象的解釋和認識。這就要求從多學科的角度出發、進行全面的綜合分析、巨觀到微觀、從現象分析到成因解釋、從總結認識到預測對儲層成岩作用所引起的孔、滲變化進行多學科的一體化研究。
就成岩作用本身而言，首先是從其產物——岩石入手進行研究，系統地對儲層岩心進行詳細觀察（巨觀和薄片兩方面）和分析測試，特別注意儲層孔隙在時間和空間上的變化，以此獲得較準確的岩性資料、各種成岩現象和孔隙變化的特徵，推測可能經歷的成岩作用和過程。其次，根據孔隙流體溫度和壓力等成岩參數，從物理化學和熱化學等角度探討成岩反應的機理與條件。最後，結合盆地構造演化規律、沉積相展布特徵等，建立儲層的成岩演化模式，尋找出孔隙的演化規律，進而對孔隙的發育帶進行評價和預測。
儲層成岩作用研究需要套用各種手段進行綜合分析，除了岩石學中詳細論述過的常規研究方法外，還涉及許多先進的測試技術。可以說，成岩作用的方法隨著先進技術的出現而不斷更新。常用的研究方法和手段可分為岩石礦物學研究方法和實驗測試分析方法（非岩石學方法）兩類。
1、岩石礦物學方法
在對露頭或岩心進行詳細觀察的基礎上，通過取樣進行各種分析、鏡下觀察及鑑定。主要目的是獲得岩性參數和溫度參數，觀察發生過的各種成岩現象。不同的研究目的和方法通常要製備不同的薄片或樣品。
2、實驗測試方法
實驗室的各種分析與測試是獲取地下第一手資料的最直接、最可靠的手段，就成岩研究而論主要是獲取流體、古地溫資料及孔隙度滲透率資料，常用的方法如有毛細管壓力法分析、有機質成熟度分析、有機酸分析、穩定同位素分析。
