基于沉积微相的成岩作用定量研究

[摘 要]涠西南凹陷涠洲11区南部流沙港组一段下亚段储层成岩作用复杂、非均质性强，需要加强成岩作用研究。本文在扫描电镜、X衍射等研究基础上，结合岩心资料、孔渗测试等资料，对成岩作用进行了定量研究。运用粒间体积、体积应变对压实和压溶作用进行定量研究，发现不同沉积微相压实作用不同，压实强度与砂岩的岩石学特征相关。根据胶结物的形成条件对胶结作用进行研究，发现长石、云母和岩屑的溶蚀是胶结物的主要来源，决定了不同沉积微相砂岩的胶结程度，并受深部流体的影响。根据矿物颗粒的溶蚀条件对溶蚀作用进行研究，发现渗透率和颗粒类型控制着不同沉积微相的溶蚀程度。通过定量计算成岩作用对储层物性的影响，发现不同沉积微相的成岩作用强度不同，加剧了不同沉积微相储层的物性差异。

[关键词]涠西南凹陷涠洲11区沉积微相成岩作用储层物性

中图分类号：P618.13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）41-0344-03

0 前言

近年来，国内学者在成岩作用定量化、成岩相和储层微观结构等方面做了大量研究[1～3]。国外学者在沉积相对成岩作用的控制作用方面进行了初步研究，如Vandeginste等[4]指出沉积相对成岩作用具有控制作用；Taghavi等[5]指出解决成岩作用的复杂性的很有前景的方法就是建立层序地层内的沉积相展布和成岩作用的联系；Bjrlykke等[6]指出成岩作用可能与沉积相和物源相关；Morad等[7]指出建立成岩作用的类型和分布与沉积相和层序地层格架的联系是预测成岩作用的非常有效的工具。本文根据压实参数、胶结物形成条件和碎屑物溶蚀条件，研究了沉积微相与成岩作用的关系，并进一步讨论了成岩作用对储层物性的影响。

1 区域地质概况

涠西南凹陷位于北部湾盆地北部坳陷北部，西邻万山隆起，东接企西隆起，南连海中凹陷（图1），为典型的新生代陆相断陷盆地，其内主要发育两条断裂体系，分别为1号断裂带和2号断裂带。上覆沉积盖层为古近系的冲积扇、三角洲、滨浅湖和中深湖等陆相沉积体系，新近系和第四系的滨浅海等海相沉积体系。

涠洲11区位于涠西南凹陷中部偏南，目前发现的油气藏主要分布在流沙港组和涠洲组，且流沙港组主要为非构造油气藏，因此需要加强沉积微相和成岩作用研究。

2 沉积微相类型及特征

前人对涠西南凹陷做过大量研究，认为涠洲11区流一下沉积相为扇三角洲前缘（中扇）[8，9]。通过岩心精细描述和分析并结合测井相，本文将涠洲11区南部流一下沉积微相划分为水下分流河道、河口坝、决口扇、席状砂和分流间湾五个微相（表1）。

根据钻井岩心观察及对180块薄片的定量统计分析发现，流一下砂岩岩石类型主要为石英砂岩、长石质石英砂岩（图2）。石英、长石和岩屑的平均含量分别为84.71%、9.36%和5.93%。

粒度以粗砂为主，中等粒径为658μm，最大粒径为2526.87μm；分选性中等，分选系数为1.61，以中等～差为主；磨圆度较差，以次棱角～次棱角状为主。

碎屑颗粒主要为石英（35.75%）、长石（5.27%）、岩屑（以花岗岩和变质岩岩屑为主，分别为2.44%和2.84%）和云母（1.8%）。重矿物主要为锆石、电气石、石榴石、磁铁矿和白钛矿。杂基的类型主要为泥质杂基，平均含量为11.04%。胶结物的类型主要为白云石、菱铁矿、石英和粘土矿物，含量较低，平均为2.99%（表2）。

流一下砂岩成分成熟度中等，平均值为7.71，属中等成分成熟度。研究区顺物源方向长约16km，距离有限，因此成分成熟度的分异作用并不明显，因此研究区砂岩的成分成熟度的差异性主要受沉积微相的控制。

3 成岩作用

成岩作用受温度、压力、岩性和流体等因素的综合影响，当目的层埋深差异不大、研究区较小时，成岩作用的差异性主要受岩性的控制，而岩性与沉积相紧密相关。研究区流一下经历的成岩作用主要有机械压实作用、压溶作用、胶结作用和溶蚀作用，它们均与沉积相相关[10]。

3.1 机械压实和压溶作用

体积应变（εz）是指压实作用后前的厚度之比，用来衡量压实作用的强度[11]，因为压实作用不仅会导致岩石格架体积减小，而且还会导致粒间体积减小。计算公式为： （式1）

d―现今地层厚度；d0―原始地层厚度；Pi―原始孔隙度；Φ―现今粒间孔隙度。

流一下砂岩压实强度中等，体积应变平均值为0.66。由于取样埋深介于2133.5～2551.5m之间，范围较小，因此埋深对压实作用的控制作用有限。不同沉积微相压实强度如下：河口坝压实作用最强，其次为分流间湾，水下分流河道和席状砂压实作用中等，决口扇压实作用最弱（图3）。

砂岩的颗粒可以分为刚性颗粒和塑性颗粒，塑性颗粒促进压实作用[12]。通过统计流一下砂岩中塑性颗粒和杂基的含量发现，长石、岩屑、云母和杂基的含量越高，体积应变越大，即压实作用越强烈（图4）。但河口坝中云母和杂基含量都很低，压实作用依然很强烈，说明塑性颗粒和杂基在压实过程中并未发挥重要作用，存在其它导致压实作用强烈的因素。

砂岩比泥岩更难进行压实[13]，通过统计流一下砂岩中不同沉积微相的粒度发现，粒径越大，体积应变越小，即压实作用越弱。但河口坝粒径很大，压实作用依然很强，说明粒度在压实过程中并未发挥重要作用，存在其他导致压实作用强烈的因素。

通过统计流一下砂岩的分选性发现，分选性中等的砂岩体积应变最大，压实作用最强[14]，分选性变好或变差体积应变都会减小，压实作用减弱（图5）。河口坝、席状砂和分流间湾分选中等（包括差～中、中和中好）的砂岩所占比重较大（>80%），因此压实作用较为强烈，而水下分流河道和决口扇分选中等的砂岩所占比重较小（

通过统计流一下砂岩的磨圆度发现，磨圆度中等的砂岩体积应变最大，压实作用最强，磨圆度变好或变差，体积应变都会减小，压实作用减弱（图6）。河口坝中次棱角～次圆状的砂岩所占比重最大，高达94.20%，因此压实作用最强烈；水下分流河道、席状砂和分流间湾中次棱角～次圆状的砂岩所占比重中等，因此压实作用也中等；决口扇中次棱角～次圆状的砂岩所占比重最小，因此压实作用最弱。

通过统计流一下砂岩的成分成熟度发现，成分成熟度越低，体积应变越大，压实作用越强。河口坝成分成熟度最低，物理性质和化学性质最不稳定[15]，压实作用最强烈；水下分流河道、席状砂和分流间湾成分成熟度中等，压实作用中等；决口扇成分成熟度最高，物理性质和化学性质最稳定，压实作用最弱。

流一下砂岩的接触关系表现为上部以点接触为主，下部以点～线接触为主，局部凹凸接触，说明流一下砂岩发生了压溶作用。通过对180块薄片数据统计发现，粒间体积[16]（粒间孔隙+孔隙充填的胶结物+杂基）

3.2 胶结作用和交代作用

流一下砂岩胶结物含量较少，平均值为2.99%。水下分流河道中胶结物的含量以向上递增为主，而河口坝中胶结物的含量无规律可寻。交代作用主要表现为钾长石的钠长石化和高岭石交代菱铁矿。下面论述含量较高的胶结物石英、白云石、菱铁矿、高岭石和伊利石。

石英

在杂基含量较少的砂岩中，石英次生加大很常见，以石英次生加大边的形式出现，最高可达三级次生加大。根据石英胶结物的成因探究不同沉积微相中石英胶结物含量的差异性。

当砂岩处于封闭的成岩环境中时，SiO2有两个来源：1）石英颗粒的压溶作用[17]，2）钾长石的溶解和蒙脱石或高岭石的伊利石化。流一下砂岩长石的溶蚀强烈，且长石中Si/Al比值比粘土矿的要高，说明长石溶蚀是SiO2的重要来源（图7-a）。抑制石英胶结物形成的因素有两个：1）粘土矿物[18]。2）微晶石英[7]。根据石英胶结物的成因机制分析认为，水下分流河道和决口扇压实作用较弱，长石溶蚀程度中等，粘土矿物和微晶石英的含量较低，因此石英胶结物含量最高；虽然河口坝、席状砂中长石溶蚀强烈，二氧化硅供给充足，但粘土矿物和微晶石英含量较高，抑制石英胶结物的形成，因此石英胶结物含量较低；分流间湾压实作用中等，长石溶蚀最弱，二氧化硅供给不足，即使是粘土矿物和微晶石英含量较低，石英胶结物含量仍较低。

白云石

白云石是含量最高的胶结物，以粒间胶结物的形式出现，形成于中成岩阶段。

蒙脱石伊利石化、火山岩岩屑、黑云母、钙长石的溶蚀均可以提供Ca2+和Mg2+[16]。伊利石的含量与白云石没有正相关性，说明蒙脱石伊利石化不是白云石的主要来源。火山岩岩屑含量较低，主要在早成岩阶段被溶蚀后用来形成方解石和铁方解石，中成岩阶段继续溶蚀提供少量Ca2+和Mg2+用于形成白云石，白云石含量与火山岩岩屑成负相关。水下分流河道、决口扇和分流间湾中黑云母和钙长石溶蚀较强烈，白云石含量较高，而河口坝和席状砂中黑云母和钙长石溶蚀较弱，白云石含量较低。说明白云石的含量受黑云母和钙长石溶蚀作用控制。

菱铁矿

菱铁矿胶结物很常见，以粒间胶结物的形式出现，在富含有机质的砂岩中富集，形成于中成岩阶段，且形成时间晚于石英次生加大且早于高岭石，并且晚于油气充注。

早期富铁的粘土矿物、蒙脱石伊利石化、火山岩岩屑溶蚀可以提供Fe3+[16]，有机质可以把Fe3+还原为Fe2+。流一下砂岩早期富铁粘土矿物较少，因此菱铁矿的含量主要受蒙脱石伊利石化和火山岩岩屑溶蚀的控制。同时如果深部地层流体携带有Fe3+，那么菱铁矿的含量还受渗透率的影响。水下分流河道中火山岩岩屑溶蚀和蒙脱石伊利石化强烈，可以提供大量的Fe3+，而且渗透率较高，深部流体也可以提供Fe3+，因此菱铁矿含量最高；分流间湾的渗透率较低，主要由火山岩岩屑溶蚀和蒙脱石伊利石化提供Fe3+，菱铁矿含量较高；河口坝和决口扇中火山岩岩屑溶蚀较弱，但蒙脱石伊利石化强烈，同时深部流体也可以提供Fe3+，菱铁矿的含量也较高；席状砂的渗透率较低，受深部流体的影响也较弱，蒙脱石伊利石化和火山岩岩屑溶蚀较弱，因此菱铁矿含量较低。

高岭石

高岭石较常见，以孔隙充填的形式出现在粒间孔隙中。高岭石形成的埋深通常

当温度低于120～130℃时，长石与酸性孔隙流体反应生成高岭石和少量石英，并形成次生孔隙[14]。当温度高于120～130℃时，高岭石开始伊利石化，伊利石化所需要的K+由钾长石溶蚀提供[6]。因此高岭石的含量受长石溶蚀作用和酸性物质的控制。虽然河口坝的长石溶蚀最强烈，但伊利石含量也最高，部分高岭石伊利石化，同时渗透率最高，溶解后的物质运移出河口坝[18]，可能进入邻近的水下分流河道和席状砂中，因此河口坝中高岭石含量中等；水下分流河道和席状砂的长石溶蚀中等，渗透率也中等，有外来溶解物的供给，因此高岭石含量最高；决口扇和分流间湾中长石溶蚀较弱，因此高岭石含量较低。随着埋深的增加，高岭石的含量基本没有变化。

伊利石

伊利石较常见，以颗粒衬边的形式出现，呈集簇状堵塞喉道，没有被其他粘土矿物包裹，说明伊利石的形成时间较晚。有两种类型的伊利石：丝状伊利石和片状伊利石，伊利石的形状可以反映成岩过程[20]。

伊利石开始形成的温度一般>70℃[19]，伊利石有两种形成方式：1）高岭石或蒙脱石伊利石化。当温度为70～120℃时，蒙脱石伊利石化形成伊/蒙混层[21]，这个转化过程需要的K+来自钾长石的溶蚀，转化后形成少量伊利石、SiO2、Fe2+等，K+的含量控制着蒙脱石的伊利石化。温度达到120～140℃时，伊利石大量形成。2）孔隙流体过饱和时沉淀出伊利石[22]。这种伊利石往往形成于成岩后期，温度>130℃[6]，晚于蒙脱石伊利石化的主要阶段[18]，因为它需要的K+浓度较低[23]。流一下地层中的蒙脱石已全部伊利石化，说明蒙脱石伊利石化是伊利石的重要来源。随埋深的增加，伊利石的含量有增加的趋势，说明温度对伊利石的形成有促进作用。次生孔隙度与伊利石的含量成正相关，说明长石溶蚀提供了K+用来形成伊利石。

3.4 压实作用和胶结作用的关系

用Housknechet方法评价压实作用和胶结作用的相对重要性。原始孔隙度可用经验公式Pi =20.91+22.90/S求取[24]。流一下砂岩原始孔隙度的平均值为35.07%，杂基的平均含量为11.04%，则原始粒间体积约为46%。流一下砂岩压实作用的重要性远远高于胶结作用（图8）。因为压实作用不仅会降低粒间体积，还会较低孔渗[24]，因此流一下砂岩储层物性的破坏因素主要是压实作用。

3.5 溶蚀作用

流一下砂岩溶蚀作用的强度中等～强烈，溶蚀物主要为长石，少量岩屑和云母，可见长石的边缘或内部被溶蚀，溶蚀物可以参与到其他反应中（图9）。长石、岩屑的含量越高，则可被溶解的物质越多，次生孔隙度越大；而胶结物的含量越高，次生孔隙度越小，说明胶结物有充填次生孔隙的作用，镜下可见胶结物充填在次生孔隙中。

溶蚀作用的强度可用次生孔隙度来衡量。河口坝溶蚀作用最强烈，次生孔隙度最高；其次为席状砂，水下分流河道和决口扇溶蚀作用中等，次生孔隙度中等；分流间湾溶蚀作用最弱，次生孔隙度最低。

4 成岩作用对储层物性的影响

成岩作用影响储层物性，流一段砂岩胶结作用较弱，胶结物平均含量仅为2.99%，因此胶结作用对孔隙度的影响有限，对渗透率的影响明显，并且能增强砂岩的非均质性。

流一段砂岩的溶蚀作用以长石溶蚀为主，因此溶蚀作用对渗透率的影响有限，对孔隙度的影响明显。而压实作用对孔渗的影响都很明显。分别统计不同沉积微相的原始孔隙度（ΦP）、胶结物含量（VF）、杂基含量（VM）、现今孔隙度（ΦN）和溶蚀孔隙度（ΦS），并计算不同沉积微相压实作用损失的孔隙度（Φc）和胶结作用损失的孔隙度ΦF（%）[23]，公式如下：

流一下砂岩的孔渗和非均质性受压实作用、胶结作用和溶蚀作用的综合影响。河口坝压实作用最强，压实作用损失的孔隙度最大，Φc高达13.98%，同时胶结作用最弱，ΦF仅为0.36%，且溶蚀作用最强烈，ΦS高达10.93，因此现今孔隙度最大，ΦN高达24.33%，渗透率也最高，K高达2124.34mD，非均质性最弱，VK仅为0.57。分流间湾压实作用较强，压实作用损失的孔隙度较大，Φc高达8.55%，同时胶结作用最强，ΦF高达3.25%，且溶蚀作用最弱，ΦS仅为1.13%，因此现今孔隙度最小，ΦN仅为9.99%，渗透率最小，K仅为0.56mD，非均质性最强，VK高达1.67。水下分流河道压实作用中等，压实作用损失的孔隙度中等，Φc为7.15%，胶结作用较弱，ΦF为1.08%，溶蚀作用中等，ΦS为7.15%，因此现今孔隙度中等，ΦN为18.78%，而渗透率较高，K为1803.28mD，非均质性中等，VK为0.89。席状砂压实作用中等，压实作用损失的孔隙度也中等，Φc为7.65%，胶结作用较弱，ΦF为1.15%，溶蚀作用中等，ΦS为7.62%，因此现今孔隙度较高，ΦN为20.85%，渗透率中等，K为65.91mD，非均质性中等，VK为0.97。决口扇压实作用最弱，压实作用损失的孔隙度最小，Φc仅为6.82%。胶结作用较强，ΦF为1.63%，溶蚀作用较弱，ΦS为4.58%，因此现今孔隙度较小，ΦN为16.29%，渗透率较小，K为1.32mD，非均质性较强，VK为1.05。

5 结论

（1）流一下成岩作用主要有机械压实作用、压溶作用、胶结作用和溶蚀作用，不同沉积微相的成岩作用存在差异性。运用定量参数体积应变和粒间体积对不同沉积微相砂岩的压实作用进行研究，发现河口坝压实作用最强，其次为分流间湾，水下分流河道和席状砂压实作用中等，决口扇压实作用最弱。塑性颗粒含量越高、粒度越小、成分成熟度越低压实作用越强烈，分选性和磨圆度中等，压实作用最强烈，分选性和磨圆度变好或变差，压实作用减弱。

（2）流一下砂岩胶结作用较弱，不同沉积微相的砂岩胶结作用强度不同。当SiO2供给充足、粘土矿物和微晶石英含量较低时，石英胶结较强烈，如水下分流河道和决口扇；当火山岩岩屑、黑云母和钙长石溶蚀较强烈时，白云石含量较高，如水下分流河道、决口扇和分流间湾；当蒙脱石伊利石化和火山岩岩屑溶蚀较强烈，菱铁矿含量较高，如水下分流河道。当长石溶蚀较强烈，渗透率中等时，高岭石含量较高，如水下分流河道和席状砂；当长石溶蚀和蒙脱石伊利石化较强烈时，伊利石含量较高，如河口坝和席状砂。

（3）流一下砂岩溶蚀作用较强烈，长石是主要的溶蚀矿物，有机酸是主要的溶剂，溶蚀强度受渗透率的影响。河口坝渗透率最高，溶蚀作用最强烈，分流间湾渗透率最低，溶蚀作用最弱。

（4）压实作用是导致储层物性变差的主要成岩作用；胶结作用进一步降低了渗透率，并增强了储层非均质性，而对孔隙度的影响有限；溶蚀作用提高了储层的孔隙度，而对渗透率的影响有限。不同沉积微相的成岩作用强度不同，因而对储层物性的影响存在差异性。

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