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1、碎屑岩成岩作用和储层岩石学研究新进展储层研究贯穿于油气勘探开发的始终，其在石油地质研究中所占比重也随着油气勘探开发阶段的向前推移而不断增大。本文重点介绍沉积物（岩）的成岩作用和储层岩石学研究新进展。一、砂质沉积物（岩）的成岩作用（一）砂质沉积物（岩）的形成演化包括五个阶段：风化剥蚀搬运沉积成岩变质。（二）成岩作用在沉积物（岩）的形成演化旋回中占有特别重要的地位1、不同程度地改造了沉积物的成分和结构，甚至可以把它变得面目全非。2、碎屑岩中有很多自生矿物形成于成岩阶段而非沉积产物，特别是自生粘土矿物。3、砂体的很多结构也形成于成岩期而非沉积期形成。因而在恢复砂体沉积环境、再建古地理时必须了解其成岩
2、变化，否则就会导致得出错误的结论。4、成岩作用对砂质沉积物（岩）的孔隙性和渗透性有很大影响。要全面评价储层，必须把沉积相研究和成岩作用研究紧密结合起来。5、砂岩孔隙类型的确定关系到储层评价预测和寻找优质储层的方向。而孔隙成因的确定有赖于成岩作用的深入研究。6、成岩致密带和成岩隔层的研究可为新区合理部署探井和划分开发层系提供重要依据。7、成岩史和孔隙演化史的研究是油气成藏的重要组成部分。8、成岩圈闭的发现为勘探非构造隐蔽油藏指出了新领域。9、生油岩成岩作用和粘土矿物成岩演化的研究已作为判别生油岩成熟度的重要标志。有机质热演化的研究成果是现代晚期生油理论和油气初次运移理论的重要支柱。10、油层保护
3、和改造与储层的成岩粘土矿物、自生矿物、岩石成岩后结构构造有密切关系。11、原来当作岩浆热液成因的砂岩中的金属矿，实际上是成岩期在地下水作用下，沉积物中分散物质发生溶解、沉淀、富集形成的，提出了“成岩矿产”的概念和沉积期分异作用的理论，受到了广泛重视。12、随着成岩作用研究的不断深化，使我们有可能模拟预测地下孔隙性砂体的性质和展布，提高油气勘探成功率，国内外已有不少成功的例子。综上，成岩作用关系到油气生成、运移、聚集成藏等一系列石油地质问题，也关系到不少金属矿床的形成，具有重要的理论意义和实际意义，发展迅速，国内外都十分重视。（三）成岩作用研究的历史、现状和发展趋势成岩作用这一概念自贡别尔（Vo
4、n Gumbel，C.W.1886）提出已有100多年的历史。在本世纪四十年代以前，主要是对碎屑岩的研究，特别是对其中的一些矿物如石英、长石、锆石等的自生作用进行观察。自四十年代及五十年代发现了中东及加拿大的碳酸盐岩大油田后，碳酸盐岩石学、沉积学及成岩作用方面的研究在六十年代和七十年代蓬勃发展。就在碳酸盐岩研究工作方兴未艾之时，在七十年代后期和八十年代初，人们的注意力又开始转移到碎屑岩的研究上来。在五十年代以前，成岩作用的研究多限于描述性的工作。60年代以来人们着重研究成岩作用过程及其相对时间顺序，成岩环境和不同环境下形成的成岩结构。有许多著作将古代的岩石与现代沉积物相对比，做了许多详细的近地
5、表的早期成岩组构的岩石学研究和地下的埋藏成岩作用研究。1砂岩次生孔隙的研究七十年代以来，砂岩成岩作用研究的最重要突破是发现了砂岩中有大量成岩作用形成的次生孔隙及其形成机制。随着油气勘探和研究的进展，现已证实有些砂岩油气储层的孔隙往往以次生的为主，否定了砂岩中都是原生粒间孔隙的传统概念。近年来在砂岩次生孔隙成因机理的研究方面有了新的进展。新成果表明，硅酸盐矿物（包括石英）的溶蚀比过去所报导的更普遍。Boles（1983）研究了加里福尼亚州南部和得克萨斯州中新世盆地，认为斜长石是形成次生孔隙的重要矿物，斜长石沿解理面比垂直解理面的溶解作用快2-3倍，溶解后又析出高岭石。陕甘宁盆地侏罗系和三叠系砂体
6、中各种长石的溶蚀十分强烈，有些砂体中的孔隙几乎全部是长石溶孔。其它如榍石、绿帘石、磷灰石等重砂的铸膜孔也很普遍。Curtis（1983）研究了沉积物中铝的活度与次生孔隙的关系。他认为：富含有机泥岩中所形成的酸性水进入砂体后，会使砂体中的碳酸盐和硅酸盐趋于不稳定而被溶蚀，（笔者认为当CO2分压过高，水中溶解的CO2过高时，碳酸盐反而会沉淀而不是溶解，这是过高的离子造成的。）并使一些金属（包括Al）带入孔隙水。但当矿物进一步溶解时，溶液的PH值就要升高，高岭石就会沉淀出来堵塞一部分孔隙。Surdam（1982）的实验资料表明，在脂族酸溶液中Al中活度大为增加，并能形成有机络合物被带走。试验证明：醋
7、酸溶液可使Al的溶解度增加了一个数量级；草酸溶液能使Al的溶解度增加了三个数量级；有机质与无机质相互作用的结果，使硅酸盐和碳酸盐溶解而形成砂岩次生孔隙。砂岩中次生孔隙的发现，从理论上为寻找深部油气藏提供了依据，扩大了油气勘探领域。世界上不少地区已在4000M以下发现了高孔隙、高渗透性砂岩油藏。塔里木盆地的深埋优质储层则属剩余原生孔隙型。不少学者和研究机构正在研究盆地中砂体孔隙演化和分布的预测模型，预测地下孔隙度窗口和有利孔隙带的分布。Franks（1984）研究过得克萨斯州墨西哥湾地区二氧化碳、孔隙度流体化学性质与次生孔隙三者间的关系。始亲新统威尔科克斯群孔隙流体中方解石的饱和指数，异常高渗透
8、率以及天然气中CO2的含量随储层时代及温度有规律地变化，这表明对次生孔隙形成作用的动态控制。在100左右，天然气中的CO2含量迅速增加，这与有关砂岩次生及原生孔隙比值迅速增加的温度相符合。碳酸盐胶结物稳定同位素分析表明，主要组分是有机来源的碳，因此，在有机体系和无机体系之间存在碳的循环。有机质的类型、数量和分布以及在页岩和砂岩中早期的碳酸盐，都能控制形成次生孔隙所需要的CO2的数量。Al-Shaieb（1984）研究过俄克拉荷马州阿纳达科盆地宾西法尼亚系砂岩的孔隙演化。该砂层以次生孔隙为主，是重要的产气层。这种次生孔隙是由粘土杂基、碳酸盐胶结物及碎屑、海绿石及石英颗粒溶解而成。根据地热和地压梯
9、度以及温度及压力增高，对地层水中CO2溶解度的实验研究，可以很好地估算出砂岩地层中CO2溶解度。作者认为浅层的有机酸和较深层的硫化氢可能是形成次生孔隙的重要因素。Surdam（1984）研究过矿物氧化剂与次生孔隙的形成。作者认为：在许多重要的烃类储层中，硅酸盐骨架颗粒的溶解，可构成孔隙的重要部分（如美国墨西哥湾地区）。他的试验工作表明，双官能团羧酸仅为痕量。在干酪根构造的研究中，干酪根的氧化降解是经常使用的工艺方法，可形成浓度极高的双官能团羧酸（从型干酪根析出的碳高达40%，均构成草酸）。矿物氧化剂的还原以及随之而发生的有机质的氧化，有可能象在自然体系中热降解作用一样，从干酪根中析出外表的双官
10、能团羧酸。蒙脱石/伊利石混合层的有序化（从八面体层中析出Fe3+）和羧酸的最高浓度在时间、温度和空间上的一致性，为双官能团羧酸的形成提出一种可能的机理。该机理可使较易溶的双官能团羧酸，恰于烃类形成之前流过附近的砂岩，于是就得到一个碳酸盐和（或）硅酸盐从孔隙或孔隙喉道中溶解除去，使烃类储层中的孔隙度和渗透率增高的理想机理。Thomson（1985）对铝硅酸盐溶解所形成的次生孔隙的性质进行过研究。作者指出，如果没有铝的活动性，就不可能由于铝硅酸盐溶解而使砂岩孔隙度增高。但已有资料表明，储层流体中铝的浓度很低，接近于零。铝硅酸盐溶解产生的铝仅留在几英尺的范围内，形成成岩粘土矿物，主要为高岭石，它在高
11、温下转变为伊利石。在薄片中主要根据附近存在有充填孔隙的高岭石以及自生石英和钠长石，可以说明有铝硅酸盐颗粒（包括长石和多种岩屑）溶解的产物。由铝硅酸盐溶解的次生孔隙，并不一定就解释为增加了总孔隙度，更恰当地说，应当认为是原有孔隙的重新分布。诚然，该作用实际上是有害的，因为新生的粘土矿物能使渗透率大为降低。根据Helmold（1985）对怀俄明州及蒙大拿州波得河盆地二叠系的研究，高渗透储层（高达33200MD）是早期沉淀的石膏或硬石膏胶结普遍溶解的结果。该储层为风成砂岩。沙丘相和沙丘间相砂岩的碎屑矿物成分不同，这是沉积期后不稳定颗粒溶解的结果。埋藏史曲线表明，在晚侏罗世到早白垩世时期，当砂岩顶部近
12、于地表时，出现硬石膏溶解，有硫酸钙不饱和的淡水流过砂岩。储层的分布可能受构造控制。Hogg（1985）研究过美国路易斯安那州沿海地区中新统砂岩中的次生孔隙。样品取自9600-20100英尺，经研究孔隙度大为增高。所见的次生孔隙主要是由自生方解石和白云石溶解而成。次生孔隙的数量主要取决于沉积物原始的结构和成分特征。颗粒较粗、分选好且无杂基的砂岩，经受早成岩期强烈的碳酸盐胶结作用及交代作用，后经溶解，形成极好的孔隙网络，而且生产能力最强。细粒、分选差、富含基质的砂岩，孔隙度增加的少。因此，泥质砂岩储集性差。随埋深增加，压实作用和胶结作用使储集性变差，孔隙间相互连通性降低，孔隙的几何形态变差（由板状
13、变为片状），孔喉比增加。特别是当砂岩中含有大量次生膜孔和超大孔隙时，这一变化趋势更为明显。在超深储层中产量过早降低，归因于储层的应力敏感性，它与片状孔隙喉道、孔喉比极大及上覆压力高有关。近年来我国一些含油盆地区已发现了不少次生孔隙砂岩油藏。如周自立、吕正谋（1982、1984）研究了胜利油田下第三系沙河界组砂岩中的次生孔隙及其识别标志。朱国华（1979、1980、1983、1984、1985）研究了陕甘宁盆地侏罗系、三叠系砂岩中多种类型次生孔隙，特别是新近发现的陕北延长统浊沸石胶结物溶蚀型次生孔隙含油砂体对该区油气勘探具有重要意义。其它如辽河油田、华北油田、大庆油田等也都对本含油区的砂岩次生孔
14、隙进行了有意义的研究。比尤佛利克（1982）对次生孔隙的形成持不同看法。他强调要认真区别无净增孔隙的局部溶解与沉淀和有净增孔隙的淋滤作用。后者需要有大量未饱和水带走溶液中的作用产物。这种水的来源有三种：（！）由静水头来的大气水；（2）由干酪根成熟释放出CO2形成的地下酸性孔隙水；（3）粘圭矿物反应，包括高岭石及蒙脱石转变成伊利石形成的水。沉积盆地中由于干酪根析出的CO2总量计算表明，形成次生孔隙需要大量腐植酸干酪根。但在很多盆地中所形成的CO2及孔隙水流太少，不是以产生大量次生孔隙。但是，与粘土矿物反应可以提供另外的酸来源。还有人（1982）认为很多盆地中砂岩的次生孔隙是天水下渗的溶蚀作用造成
15、的。认为页岩中的干酪根热演化排出的CO2+H2O量不足以在砂岩中造成大规模的淋滤作用和产生可观的次生孔隙。这是对以施密特为代表所提出的砂岩次生溶孔形成机理提出了挑战。关于天水作用的深度，Galloway（1982）认为可达2-3公里，甚至更深。这与孔隙水含盐度和孔隙压力密切有关。当孔隙水盐度低，孔隙压力小时，天水影响的深度就大，否则反之。2成岩圈闭的研究成岩圈闭是一种古圈闭，它是在构造或地层圈闭的基础上，由于成岩作用的变化及其后的构造运动的影响而形成的一种新圈闭。虽然早在五十年代末，就有人开始注意到这种类型的圈闭，但对它进行比较深入的研究还是七十年代后期才进行的。现在，人们的注意力除了研究成岩
16、作用对储集层及其性能的影响外，也开始注意到成岩作用的影响所造成的油气圈闭类型的改变，即“成岩圈闭”问题以及成岩圈闭的特点、分类和勘探方法。成岩圈闭的特征之一是，它既不受现今的构造圈闭因素控制，也不受地层因素控制，它是一种古圈闭，是在构造圈闭或地层圈闭的基础上发展起来的，具古构造的某些特征。一个区域的古构造的发展常常是这种油气田存在的必要条件。成岩圈闭的另一特征，就是成岩作用（其中特别是胶结作用）对油气圈闭起着决定性的影响。它常常把油气封闭起来，其胶结物可以使油气水界面成为一个倾斜的机，或者这个界面比较复杂，原因是成岩作用阻止油气的次生运移。要在地下找到成岩圈闭，这种勘探方法是相当复杂和困难的。
17、但是成岩圈闭是一种古圈闭，威尔逊（H.H.Wilson 1977）认为，可以通过研究古构造的方法来作为寻找这种油气圈闭的出发点。施密特等（V.Schmidt 1983）最近对成岩圈闭问题作了归纳。他认为，在很多砂岩和碳酸盐岩地层中，成岩封闭可有效地阻挡储层的油气运移。可以产生圈闭的成岩作用有：（）由于硅酸盐矿物和碳酸盐矿物压溶而产生的化学压实作用；（）在化学压实过程中不溶粘土矿物和有机质的富集；（）由于自生粘土矿物的胶结作用；（）由于水化作用或交代作用，岩石的体积增加；（）聚结重结晶作用；（）塑性组分机械变形；（）由天然气和原油产生的非活性有机质残余的充填。封堵胶结物有硅质矿物、粘土、沸石、碳
18、酸盐、硫酸盐及绿泥石等类矿物。与封堵能力有关的因素有：（）残余孔隙的数量；（）孔隙的几何形态；（）弹性模量；（）再次封堵的能力；（）充填孔隙介质的物理性质。在同生成岩（埋藏前）、埋藏成岩各时期的各种成岩环境，均能形成成岩圈闭。成岩作用能使一切砂岩和碳酸盐岩变成封堵岩石。控制成岩圈闭形成的直接因素有：（）结构和矿物成分；（）石化程度；（）埋藏史；（）流体特征及充填孔隙介质的化学成分、压力及运移史；（）热史；（）构造应力。这些直接因素又受其它参数控制，如呈互层的岩性、构造史、构造位置以及与不整合或断层的空间关系。砂岩和碳酸盐岩的成岩圈闭，将具有沉积或成岩孔隙的储集岩包起来。在有效成岩圈闭之前或以后
19、，均可形成成岩储集孔隙。由成岩封堵的烃类圈闭，在几何形态上不尽与构造和地层一致，而是和成岩相一致。因此，有些构造或地层圈闭，部分地或全部取决于成岩封堵。里西纳斯卡迪姆“”油田为成岩填封堵实例。该油田的砂体边部、顶部和底部均被成岩期胶结作用封堵，其极限注入压力为550磅英寸（汞比空气），折算孔喉半径为0.195。所圈闭的油柱为61-92米之间。这清楚表明成岩圈闭极为有效。对砂岩和碳酸盐岩中的成岩圈闭详细分析，能使我们增强预测其产状及空间分布的能力，以及预测与储集岩和烃类运移的关系。3、沉积相、物源及构造对成岩作用的影响成岩作用受许多地质、地球化学因素的影响，其中主要的因素是沉积相、物源及构造。近
20、来，不少学者开始注意研究这些因素。 1)沉积相和物源对成岩作用的影响沉积相和对成岩作用有明显的影响。如不同沉积相带形成不同的早期胶结物，这对次生孔隙的形成有重要影响。例如海相砂岩中常有碳酸盐胶结物，在后期埋藏成岩过程中，易溶蚀而形成次生孔隙和成岩致密带。别外，在海水与淡水交替带，往往形成硅质胶结，可形成成岩圈闭。佩特森（Paterson 1983）研究了墨西哥科阿韦拉省里奥娱斯康迪多盆地南部上白垩统砂岩的成岩作用与三角洲沉积环境变化的关系。该区砂岩的成岩序列是：（1） 沉积物的生物挠动以及胶结前柔性颗粒的压实；（2） 成壤伊利石的渗透和绿泥石及少量蒙脱石的沉淀；（3） 自形的石英加大胶结；（4
21、） 强烈的嵌晶状方解石胶结作用；（5） 广泛分布的方解石溶解作用；（6） 某些溶孔中高岭石呈斑状沉淀；（7） 方解石和骨架颗粒被富铁硫酸盐（铁白云石-含铁白云石、铁方解石、菱铁矿）交代。各种成岩作用的强度及特性、受砂岩沉积环境控制。砂岩的原始成分和砂体的几何形态是控制成岩特征的两个主要因素。前三角洲粉砂岩和极细粒砂岩，呈前倾的小透镜体存在于较厚的海相页岩中，主要为长石质岩屑砂岩或岩屑质长石砂岩。孔隙度最低，平均4%；渗透率平均为1毫达西。原生孔隙被强烈的生物搅动和广泛分布的方解石胶结作用（平均达23%）所破坏。砂体上下的厚层不渗透页岩阻挡后来的流体运移，阻止次生孔隙的形成以及后期的一切成岩变化
22、。三角洲前缘相的河口坝和席状砂通常富含石英。由于石英颗粒较稳定，受到的压实作用较弱。方解石胶结作用普遍，由方解石溶解形成的次生孔隙达28%，渗透率达557毫达西。这种中细粒砂岩主要为长石岩屑砂岩、岩屑长石砂岩及次长石砂岩，孔隙度最高，平均为18%，渗透率平均为81毫达西。三角洲平原相的中细粒砂岩具有中等孔隙度，平均为8%，渗透率低，平均为1毫达西。以长石岩屑砂岩为主，富含沉积岩和火山岩岩屑。在埋藏期由于压实而扭曲，只有少量残余孔隙被方解石胶结。早期方解石所形成的次生孔隙，大部分被高岭石胶结物充填。达顿（Dutton，1982）研究了得克萨斯州沉积相对宾夕法尼亚系扇状三角洲砂岩的胶结作用和孔隙的
23、控制。他指出在扇状三角洲中石油的产出，主要受构造和沉积相的控制。一些扇状三角洲叶状体的边缘受海水作用的改造，而使碳酸盐化石及鲕粒与陆源碎屑相混合。经海水改造的三角洲边缘砂岩的成岩历史与未经海水改造的砂岩有明显的不同。沉淀在经改造的砂岩的最早胶结物是薄的Mg方解石等厚环边，它可能是在沉积以后很快沉淀于海底环境的。接着在淡水潜流环境下，沉淀了广泛的方解石胶结物。文石质鲕粒和化石的溶解为降低原始孔隙的方解石胶结物提供了来源。相反，由于缺乏方解石的来源，未经改造的砂岩未被胶结，因而它们保存了高孔隙度。自生绿泥石环边是沉淀在未经改造的砂岩上的最早胶结物，它仅减少少量孔隙。随埋深增加，经改造或未经改造的扇
24、状三角洲砂岩的孔隙均被自生石英、长石、高岭石、铁方解石及菱铁矿的沉淀所减小。通常，这些胶结物数量少，它不影响孔隙的分布。 由于长石和岩屑之溶解所产生的次生孔隙在所有砂岩中均有，但在未经改造的相中更广泛。然而现存孔隙分布的主要控制因素是，是否存在早期淡水方解石胶结物。Williams（1984）等研究过沉积相和物源区对怀俄明州绿河组陆相砂岩成岩作用的控制。第三系绿河组中有由三个不同物源区和两种常见沉积环境中形成的同期砂岩。（1）在地下水流为主的地区内，河流相石英砂岩被早期的方解石胶结，而碎屑矿物特征相同的边缘湖相石英砂岩，被方解石和铁白云石胶结。由泥晶基质胶结的湖相砂岩无孔隙；而次生孔隙发育良好
25、的河流相砂岩，孔隙度可高达35%，且渗透率在2300MD以上。（2）冲积泛滥平原上蛇曲河流沉积的长石砂岩，大都含有由长石溶解形成的自生粘土矿物胶结物。反之，夹有湖相碳酸盐的长石质湖滩砂岩，由铁白云石胶结。(3)河流相火山质砂岩，由沸石和粘土矿物胶结，使有效孔隙度降为零。另一方面，受环境控制的碳酸盐，构成边缘湖相火山质砂岩的主要胶结物。碳酸盐的胶结作用，终止了火山岩屑蜕变为充填孔隙的粘土矿物和沸石类矿物的作用。此外，其中有些岩石出现良好的次生孔隙及渗透率。在边缘湖区，由成岩作用形成的孔隙度差异，可形成多种储层、封堵层及圈闭类型。Palmer等（1984）研究过科罗拉多州西部布克里弗地区上白垩统致
26、密含气砂岩沉积相对成岩作用的控制。该地层由向上变粗的滨面海滩层序和向上变细的进潮口层序组成，二者具有相同的成岩序列，但在层序垂直方向不同部位存在差异。较细粒的（3-4）滨面沉积和进潮口沉积物的上部，含有大量杂基。发育弱的石英次生加大及少量次生孔隙，表明岩石中的假杂基和碳酸盐限制了流体流动。在较粗（2-3）的海滩沉积物和进潮口沉积物的下部，石英次生加大及次生孔隙均发育，表明在缺乏大量杂基的岩石中，成岩流体显然比较自由。在较粗的砂岩中，高岭石最发育，且以局部交代产物和随处可见的孔隙充填相出现，但其丰度随长石丰度和高岭石形成前孔隙空间的丰度而变化。含长石多的（813）进潮口沉积下部砂岩，既有交代高岭
27、石，又有遍布的充填孔隙的自生高岭石，使渗透率降低。含长石较少的（3）海滩砂岩，只含有局部交代的高岭石、假杂基含量也少，渗透率最大，是最好的勘探目的层。由此可见，研究砂岩成岩作用时，必须重视物源区和沉积相的影响。朱国华（1980、1983、1985）研究了沉积相、物源对陕甘宁盆地侏罗系、三叠系成岩史和孔隙发展史的控制作用。指出：1) 侏罗系延10砂岩的成岩作用和孔隙发展史主要受沉积物源母岩性质的控制。物源来自沉积岩母岩区的河道砂岩是一套石英砂岩，成岩变化以石英再生长为主，压实作用轻微，保留有较多原生粒间孔，储油物性良好；物源来自岩浆岩、结晶片岩区的河道砂岩是一套富含柔性颗粒的长石岩屑质石英砂岩，
28、压实作用强烈，原生孔隙残留极少，虽有少量次生孔隙，但储层物性仍很差。2) 三叠系延长统不同类型低渗透砂体的形成与各自的沉积物源有密切关系。3) 陕北延长统浊沸石砂体、次生孔隙砂体和成岩遮挡带的形成受沉积物源和沉积相控制。三角洲前缘向三角洲平原分流河道过渡部位易形成硅质胶结成岩致密砂岩，构成了该含油区上倾方向的成岩遮挡。2)构造对成岩作用的控制构造对成岩作用及储集性也有明显的控制作用，国外已开始注意对此问题的研究。如姆克布赖德（Mcbride，1983）研究了墨西哥北部的上白垩统河流相砂岩。该区的南部和北部砂岩矿物成分相似，但储集性有明显的差别，这取决于沉积后盆地发展史不同。北部砂岩的埋深，从未
29、超过1000米，遭受过缓慢的向盆地方向的下翘作用。砂岩具有复杂的成岩史。胶结物有绿泥石、石英、方解石、高岭石。发育有典型的次生孔隙，构成储集岩，物性中等，孔隙度5-15%，渗透率5-300毫达西。而南部砂岩快速埋藏，覆盖层厚1000-4000米，迅即受到强烈的压缩褶皱，局部有逆断层。这种砂岩由于压实作用使孔隙度降低20_30%。残留孔隙被方解石胶结，岩石致密，没有次生孔隙，没有油气显示。北部砂页岩系在缓慢下沉期间，页岩及其中所含的有机质，经受正常的成熟过程。各个阶段页岩排出水，有机质演化形成油气，并产生酸性地层水。共生砂岩受到一系列的成岩变化，受酸性地层水的溶解而形成次生孔隙。南部地区受构造压
30、缩力，使岩石强烈压实，白垩系页岩在成熟前脱水。页岩中大部分水在烃类成熟前排出，由于快速压实，没有机会形成次生孔隙。4砂岩成岩作用顺序的研究。成岩顺序或成岩阶段是砂岩成岩作用研究中的一个重要问题。它是研究砂岩成岩史和岩石物性变化的最主要依据。多年来有不少学者都在这方面做了很多工作，取得了不少成果。很值得注意的是，对不同地区和不同时代的砂岩进行研究的结果，在成岩顺序上显示出明显的相似性。Connet等（1984）研究过怀俄明州波德河盆地与白垩统砂岩的成岩顺序。该砂岩为长石质岩屑砂岩，为被海相页岩包围的浊积扇砂岩。成岩顺序为：(1)压实作用和有限的石英次生加大形成；(2)方解石的完全胶结和包裹颗粒的
31、粘土沉淀；(3)碳酸盐胶结物的溶解；(4)孔隙衬边和晚期充填孔隙粘土矿物的沉淀；(5)第二期石英次生加大的形成。Mazzullo（1984）对北阿拉斯加州下三叠统河流相和近海相砂岩的成岩作用进行过研究。该砂岩为重要的烃类储层，以岩屑硬砂岩为主，岩屑中燧石占22%，泥岩占10%，无长石，石英占46%，沉积后，经受过四个连续的成岩阶段：(1)阻止机械压实的早期碳酸盐胶结；(2)孔隙充填碳酸盐及燧石颗粒内碳酸盐的溶解作用；(3)次生石英加大的形成；(4)自生高岭石沉淀。Palmer等（1984）研究过科罗拉多州西部上白垩统含气致密砂岩的成岩作用。该砂岩属滨面海滩相及进潮口相；其成岩顺序为：(1)压实
32、和变形；(2)石英次生加大；(3)碳酸盐胶结；(4)长石和碳酸盐的溶解；(5)高岭石沉淀。Hasfeldine（1984）研究过北海油田晚侏罗世岸滩相长石砂岩的成岩作用。成岩顺序是：(1)嵌晶状方解石胶结；(2)较大的蠕虫状高岭石及长石的局部高岭石化；(3)两期或多期的选择组构的石英加大；(4)长石和方解石淋滤和溶解形成时次生孔隙；(5)充填孔隙的较小的书页状高岭石、白云石分解，毛发状伊利石及侵入性方解石的形成。Franks（1984）通过对许多地区砂岩成岩顺序的研究指出，与次生孔隙有关的成岩矿物生成顺序非常相似。碳酸盐胶结作用，通常是在石英次生加大形成以后。这种碳酸盐的溶解是形成次生孔隙的主
33、要作用，而这种作用通常又早于高岭石沉淀和富铁碳酸盐胶结。通过对得克萨斯州湾岸地区下第三纪砂岩成岩矿物形成温度的研究，认为上述成岩作用顺序反映温度逐渐增高，氧同位素分析可提供次生孔隙形成前后几种自生矿物相的温度估计值；石英=80；高岭石=70；钠长石为100-150；晚期碳酸盐100。这些数据表明，湾岸地区第三系中次生孔隙的形成温度约10025。Regnolds（1985）研究过蒙脱石向伊利石的热转化。作者指出，大量地表和地下岩石的研究表明，蒙脱石向伊利石的成岩转化，具有一系列中间过渡的混合层成分。美国墨西哥湾沿岸代表井的页岩表明，地温约为100时，混层成分中伊利石大于50%，在较深处，当温度高
34、达130处的样品，混层成分稳定在伊利石约占80%。吕正谋（1983）研究了东营凹陷下第三系沙三段上部砂岩的成岩作用。成岩顺序为：(1)同生白云石化；(2)镶嵌状方解石胶结；(3)机械压实、碳酸盐重结晶和交代；(4)蒙脱石向伊利石转化和去白云石化；(5)深层溶解和石英次生加大；(6)含铁碳酸盐、无铁碳酸盐和自生高岭石充填。朱国华（1984、1985）研究了陕甘宁盆地陕北地区三叠系延长统砂岩的成岩作用。其成岩顺序为：(1)机械压实和粘土膜析出；(2)石英和长石压溶再生长；(3)浊沸石和方解石、铁方解石析出；(4)蒙脱石向伊蒙混层粘土转化，互层泥质岩中有机质去羧基作用；(5)浊沸石、长石、云母和碳酸
35、盐的溶蚀和次生孔隙形成；(6)生油岩中液态烃运移进入砂体。5埋藏成岩作用沉积物在有效埋藏后到经受变质之前，随埋深或温度及压力增加所发生的一切变化，均属埋藏成岩作用，烃类也是埋藏成岩作用的产物。研究埋藏成岩作用的纵向变化特征，对石油勘探和开发都有实际意义。随埋深增加，颗粒接触处的压力和正应力增加，使机械压实和压溶作用增强。其结果导致颗粒排列的更紧密，矿物的溶解度增加，如存在超压，则使压溶作用降低。温度随埋深增加所产生的影响更大：(1)矿物的溶解度改变；(2)降低了离子的水化作用，使在地表温度下强烈水化的离子（如Mg2+、Fe3+）更有效地进入矿物相（形成富含铁镁的碳酸盐）；(3)水化矿物如蒙脱石
36、和高岭石会变得不稳定，并形成含水少的矿物相。粘土矿物和沸石类矿物对温度变化最为敏感，都能作为地质温度计使用。近年来，国外许多学者重视研究埋藏成岩作用，最早对美国得克萨斯州墨西哥湾岸下第三系始新统的威尔科克组及渐新统的弗里奥组砂岩研究得比较深入，根据地温和氧同位素资料及包裹体的测温资料，研究自生矿物的形成温度，确定埋藏成岩作用历史。近两年来，更广泛地开展埋藏成岩作用研究。Trevena（1985）研究了泰国湾北大年盆地中新统含气砂岩的埋藏成岩作用。为特高地温区次石英砂岩的埋藏成岩作用提供了一个实例。石英次生加大的丰度随深度增加，表明存在连续或间断的硅质胶结作用。在1375-1050米深度范围内，
37、高岭石作为充填孔隙的胶结物出现。在较深带（2450-3050米）常见有伊利石化作为孔隙衬边或者形成桥接孔隙。长石显示有随埋深增加而溶解作用增强的结构。在925-2275米深度范围内，在渗透性砂岩中存在大的粒间孔隙。在较深带（2275-3050米）的低渗透砂岩中，孔隙多在碎屑长石内。北大年盆地中，好的储层通常局限于2275米以上的砂岩，其中有大的粒间孔隙。2275米以下，大量的次生孔隙通常与储集性差的砂岩在一起。Dixon（1985）研究过加里福尼亚洲南部地温与长石砂岩储集性的关系。加里福尼亚州南部盆地的砂岩，几乎所有的主要成岩因素的影响基本上是一致的，只有热史例外。故有可能评价地温对砂岩成岩的
38、影响。洛杉矶、温吐拉及圣华金盆地16个油田砂岩储层的孔隙度及渗透率随深度降低。孔隙度与深度的关系，最有代表性的是一条直线，定义为孔隙度梯度。其变化范围为1.15.8%（每100英尺）。根据所研究的16个油田表明，现代的地热梯度与孔隙度梯度之间存在着直接关系（为正相关），当地热梯度增加，则孔隙度梯度增加。地热梯度变化范围为1.6F-2.2F /100米。渗透率随埋深减少的速度与地热梯度之间也存在着类似的关系。但与渗透率中值的平均偏差太大，该关系没有实际意义。Milliken（1985）研究过墨西哥湾北部上第三系沉积物中长石的成岩作用。长石的变化主要是溶解作用和钠长石化作用。在3.5公里深处，钾长
39、石遭到极弱的溶解；在4.5公里深处，钾长石全部溶去，而钠长石化仅影响斜长石，而且是在温度高于110-140时进行。通过时墨西哥湾沿岸不同时代砂岩变化前长石的成分。蚀变的温度和地热梯度进行比较表明，控制长石蚀变的主要因素是温度、蚀变前斜长石的成分以及可能的液态流体的数量。作用时间至少应超过106年。邢顺全（1983）研究了大庆油田白垩系砂岩的埋藏成岩作用，将成岩自生石英和长石的再生长划分为五个阶段；总结了各阶段的特征；探讨了自生石英和长石的形成条件；讨论了各阶段对砂岩储油物性的影响。王行信、辛国强（1983）讨论了松辽盆地白垩系粘土矿物的纵向演变与有机质成熟作用的关系，把粘土矿物纵向演化划分为四
40、个阶段：(1)大量蒙脱石存在标志有机质未成熟；(2)蒙脱石伊利石混合层的出现标志着有机质向石油转化的开始；(3)蒙脱石绿泥石混合层的出现标志着液态烃裂解的开始，与其相伴的是成熟度高的轻质油或天然气；(4)而分散性绿泥石的出现则标志着液态烃的最终破坏而形成干气。6压实和压溶作用砂岩中的压实和压溶作用特征，已为一般地质家所熟知，它对储集性影响较大。McBride（1984）指出，埋藏期，由于碳酸盐、蒸发盐及某些粘土矿物的胶结而失去的原生孔隙，在次生孔隙形成期有可能再次产生。但是，由于压实作用而失去的原生孔隙将永远失去，不可能再生。因此，对埋藏于一定深度的砂岩中孔隙丧失量进行预测，是完全有希望的。埋
41、藏期间，陆源砂岩的压实是由于：(1)颗粒形态未改变而填集状态重新调整；(2)粘土质和云母质颗粒的柔性变形。这种颗粒主要有撕裂屑、粪球粒以及灰岩、板岩和片岩碎屑；(3)可挠性云母的弯曲；(4)压溶作用；(5)长石、石英和燧石颗粒的破裂。第一种作用通常能使孔隙度减少10%，且与砂岩成分无关；2、3、4三种作用，主要取决于砂岩成分，而每一种作用单独就能产生致密砂岩。含35%柔性颗粒的砂岩能被压实成致密砂岩。压溶作用在2400米深度以下重要。石英砂岩中常见的现象是：伊利石和绿泥石膜厚的地方，石英胶结物就少很多，而在石英颗粒接触处压溶作用增强。石英颗粒溶解，通常代之以石英作为胶结物沉淀。富含云母和富含泥
42、质纹层处，缝合线发育，并形成明显的垂向渗透率隔挡层。Houseknecht（1984）根据对古生界及中生界砂岩进行定量的阴极发光岩石学研究和扫描电子显微镜研究表明，在多数情况下，石英砂岩中的压溶作用是影响孔隙度和渗透率最基本的成岩作用。粒间压溶作用，控制着颗粒填集的紧密程度，原生孔隙的大小和几何形态。粒间压溶作用也往往预示着胶结作用增强。因此，粒间压溶作用是对无胶结物孔隙的基本控制因素。业已表明，有许多地质参数影响粒间压溶程度。根据经验，较细粒砂岩和含3-9%的早期自生粘土矿物的砂岩，较之其它砂岩的压溶作用更强。经验表明，在区域上时代相同、粒度和泥质含量相同的砂岩，埋速愈大、总埋深愈大、温度愈
43、高，则粒间压溶作用较强。总之，加深对粒间压溶作用的认识，可提高预测石英砂岩的储集能力。朱国华（1985）指出：陕甘宁盆地陕北地区压溶、再生长、嵌合强烈的延长统致密砂体的残余原生粒间孔隙仅1.6%，次生孔隙也极不发育；而浊沸石胶结的砂体则由于中成岩成熟期酸性孔隙水的溶蚀作用而成为储油物性较好的油气储层。7自生矿物气液包裹体研究Mclimans（1985）指出，石油储层的胶结物中，见有含油的液态包裹体，它是一个盆地中油气形成和运移的证据。一般而言，油包裹体与水包裹体可共存于同一胶结物晶体中。对水包裹体的地热研究所提供的温度资料和成分资料，可以确切地解释胶结作用及运移相对于生油岩成熟的时间，油包裹体
44、有的随机分布，有的沿晶体解理或裂缝定向排列。随机分布的液态包裹体表明是通过次生孔隙运移的。一般，油包裹体是由液态烃和气相烃组成，但是也有包裹体含油、水和气，这种成分差异表明，石油的运移机制是不同的。油包裹体的特征，见于黄光光谱上。在许多情况下，同一晶体内，有荧光谱图不同的油包裹体出现，这表明是不同阶段运移的烃类。水和油包裹体的有机成分，可用烧爆（decrepitation）气相色谱仪测定。这些成分与整个储集岩、储油层及生油岩的有机成分相互对比，可用以查明石油富集和成熟的历史。油的转化作用可能在运移早期进行，这也能被检测出来。郑浚茂等（1985）研究华北地区上石炭统太原组石英砂岩中自生石英的气液
45、包裹体，指出自生石英的形成温度是140，并认为这是一种划分成岩阶段的有效方法。8成岩作用研究中的主要分析手段成岩作用研究必须以详细正确的野外剖面观察和岩芯、岩屑观察为基础，才能防止片面性。1)岩石显微镜这是应用最普遍、最基本的方法，绝大部分砂岩的成分、结构、成岩现象均可通过详细的薄片观察获得。结合铸体、染色薄片的研究则可进一步获得孔隙类型、数量和部分成岩史和和孔隙发展史方面的重要资料。在薄片研究的基础上选择进一步的分析项目要比随意定分析项目更有针对性和目的性。2)扫描电镜具有焦深大、立体感强、分辫率高的特点。与能谱仪结合使用，兼有透射电镜、电子衍射和电子探针的各种特长。主要用于岩石的微观结构研
46、究。在成岩作用方面主要研究砂岩中粘土矿物成分、产状、结晶程度及其转化情况；陆源和自生矿物的再生长形态、习性、颗粒、胶结物、杂基间的相互关系、溶蚀交代现象及某些自生矿物的共生组合关系；观察孔隙类型产状和数量。3)电子探针能做常规性定量分析周期表Na（11）-U（92）中作放射性元素和B（5）-F（9）等轻元素。可作于微粒矿物鉴定；矿物中元素赋存状态的查明；矿物中微量元素地球化学特征的确定；配合阴极发光研究矿物中微量元素；了解矿物发光颜色与微量元素之间的关系；通过矿物中元素万分的分析，研究矿物的相互交代现象；确定粘土矿物成分与转化；其它自生矿物的鉴定。4)X射线衍射研究粘土矿物成分、数量、结晶度以
47、及混层的出现和转化情况。近年来日本生产了微区衍射装置，适合于作砂粒太小或薄片中个别不认识矿物的鉴定。5)阴极发光显微镜是研究颗粒，胶结物和交代物成分、胶结顺序及陆源和自生矿物成因、交代以及岩石结构构造特点的重要手段。可研究成岩作用中以下一些主要问题：区分某些光性和组成近似的矿物。如方解石（桔黄色）、白云石（暗红色）；石英（紫色、褐色）、长石（鲜兰色、红色或绿色）；石盐（兰灰色）、钾盐（银灰色）。已重结晶岩石中的原始结构、构造、生物化石等的辫别。发现岩石显微镜下难以发现的微细构造，如碳酸盐中的微细方解石脉、白云石脉、颗粒中的微裂隙，自生矿物同轴再生长。区分不同物源的矿物，如来自不同物源区的不同成
48、因的石重矿物有可能用不同的发光颜色来加以区分。成岩史和地球化学进程的研究，Qrover & Read(1983)指出，因为发光具有较高分辫率，可以把某些矿物的生长历史追索得十分明白，同时也可以了解地下水成分的演化过程。成岩期机械力引起的成岩变化过程，如压实作用、压溶作用、缝合残的发育及沉积构造的破坏。6)成岩自生矿物包裹研究是研究成岩自生矿物形成温度、流体性质、和成岩条件和历史的有效方法。可测定气液包体的盐度、密度、以了解成矿溶液的一些物理化学性质和大致成分。了解沉积和成岩过程中水介质和烃类性质和形成问题。7)氧碳稳定同位素分析主要研究沉积介质和成岩溶液温度、盐度、沉积深度和埋藏深度以了解沉积和成积环境。此外还可用于研究白云岩化、碎屑矿物的物源等方面。 9砂岩成岩作用研究的未来趋势深部高温条件下高孔隙度和高渗透性砂岩的发现清楚地表明，孔隙度并不都是随深度增大而减小的。由于认识到地下深部砂岩中可以产生孔隙，人们便对发展沉积盆地中孔隙度演化和分布的预测模型产生了极大兴趣。目前，预测的重点已从预测具有经济意义的基底图转移到预测地下孔隙度“窗口”上了。历史上人们一直认为成岩作用是砂岩成分和温度的一种函数。但是越来越清楚地看到，这种香法过分简单化了，像孔隙流体成分、流速、有机质成熟度和时间等因素都可大大影响成岩过程。发展能确定这些参数的预测模型同时配合使用构造