谢 涛 郭英海 沈玉林 连尔刚 邵玉宝

(中国矿业大学资源与地球科学学院)

川东南小河坝组砂岩成岩作用与孔隙演化

谢 涛 郭英海 沈玉林 连尔刚 邵玉宝

(中国矿业大学资源与地球科学学院)

通过普通薄片鉴定、铸体薄片鉴定、扫描电镜、X射线衍射以及阴极发光等多种实验测试手段对川东南地区小河坝组砂岩成岩作用以及孔隙演化进行详细研究。研究结果表明:研究区小河坝砂岩主要以含泥长石石英粉砂岩为主，少量的长石粉砂岩，碎屑颗粒组合具有高石英、高长石、低岩屑的特点。原生残余粒间孔和次生溶蚀孔是小河坝砂岩的主要孔隙类型。压实作用是造成原生孔隙减少的主要因素之一，溶蚀作用改善了砂岩的孔隙度，而胶结作用，尤其是钙质胶结，造成孔隙度的进一步降低。图4表3参8

成岩作用 孔隙演化 小河坝组 川东南地区

自20世纪80年代以来，通过地球物理勘探、钻井工程、地质调查等地质手段的应用，发现川东南地区有充足的气源(龙马溪组黑色炭质页岩)、连片的致密砂岩(小河坝组砂岩)以及稳定的区域性盖层(韩家店组、秀山组泥岩)，表明了该地区志留系具有良好的天然气勘探前景。然而迄今为止，对于川东南地区小河坝组砂岩储集层成岩作用、物性特征的研究程度较低。本文通过野外剖面实测、室内普通薄片鉴定、铸体薄片鉴定、结合X射线衍射、扫描电镜、及阴极发光等多种分析测试手段，对川东南地区小河坝组砂岩储集层的成岩作用、储层物性特征及成岩作用对孔隙演化的影响进行详细研究。

1 区域地质背景

研究区位于北纬 28°～30°，东经 106°～109°范围内，属于四川盆地东部边缘，小河坝组砂岩标准出露在南川县龙骨溪小河坝，其主要分布于南川、石柱一带，面积约 6000km2，呈北东方向展布［2－5］(图1)。采用葛志洲的定义，小河坝组包括上下两部分，下部为灰、灰绿色粉砂岩、细砂岩(“小河坝砂岩”段)，上部为黄绿色页岩、砂质页岩夹粉砂岩和生物灰岩透镜体［6］。研究区小河坝组砂岩之下有下志留统龙马溪组的黑色炭质页岩作为良好的烃源岩，之上有韩家店组厚层的泥岩作为良好的盖层，构成了志留系良好的生储盖组合。

图1 研究区位置图

2 岩石学特征

根据薄片鉴定结果:研究区小河坝组砂岩岩石类型主要为含泥长石石英粉砂岩，少量的长石粉砂砂岩和石英粉砂岩。碎屑颗粒组合具有高石英、高长石、低岩屑的特点。其中碎屑石英主要为单晶石英，偶见燧石，含量一般为 70% ～85%，平均为81.66%，石英颗粒多呈等轴状，弱波状消光及一致消光。岩屑含量很低，一般小于 5%，平均为0.77%，主要为千枚岩屑(图2A)和板岩岩屑。长石含量一般为5% ～25%，平均为14.91%，主要为酸性斜长石(图2B)，微斜长石比较少见。另外还含有少量云母、绿泥石以及锆石、电气石、金红石等重矿物。填隙物以杂基、硅质胶结物、钙质胶结物为主，含量分别为0～40%、1% ～10%、0～20%。碎屑颗粒分选性中等－差，多为次棱角状，颗粒之间以线接触为主，胶结类型主要为孔隙式胶结和接触式胶结。

图2 矿物成分、成岩作用和孔隙类型照片

3 成岩作用特征

在薄片鉴定的基础上，结合阴极发光、扫描电镜、X射线衍射等实验手段，对研究区小河坝组砂岩的成岩作用进行了系统研究，认为对小河坝组砂岩储层物性影响明显的成岩作用类型主要包括:压实作用、胶结作用、交代作用及溶蚀作用。

3.1 压实作用

研究区小河坝砂岩中压实作用很明显。由于小河坝砂岩中杂基含量较高，碎屑颗粒粒度较细，长石含量较高，岩石的成熟度较低，同时碎屑颗粒呈次棱角状、分选中等，由于这些条件导致了小河坝砂岩经历了强烈的机械压实作用。通过镜下薄片观察，小河坝砂岩中碎屑颗粒，尤其是云母、长石等片状矿物压实后呈定向排列(图2C)，同时少量的千枚岩屑、泥板岩屑以及云母压实后弯曲变形，长石沿解理、双晶缝裂开，部分泥岩塑性岩屑压实后呈假杂基状。泥岩等塑性颗粒发生压实变形，造成假杂基状。

3.2 胶结作用

研究区小河坝组砂岩中胶结作用普遍存在，主要为碳酸盐胶结作用、硅质胶结作用以及粘土矿物胶结作用。

(1)碳酸盐胶结

碳酸盐胶结物是研究区小河坝组储层砂岩中最主要的胶结物之一，含量变化较大，成分上主要以方解石、铁方解石、铁白云石为主，且方解石、铁方解石含量最高。通过研究发现，小河坝砂岩中碳酸盐胶结物主要形成于混层伊利石/蒙皂石向伊利石转化，以及斜长石溶解的过程中。在此过程中，粘土矿物将释放的Ca2+、Fe3+、Mg2+与烃源岩中的有机质成熟产生的CO2反应形成方解石、铁方解石。镜下薄片观察发现，研究区部分小河坝储层砂岩中见两期碳酸盐胶结物，早期形成的方解石胶结物多呈颗粒状分布于碎屑颗粒之间，局部呈嵌晶式胶结(图2D)，茜素红染色后呈红色，在阴极发光下现亮桔黄色，而晚期形成的方解石胶结物，是在溶蚀作用发生后沉淀形成的，成分上含Fe2+，主要为铁方解石，常呈交代长石或石英形式出现，茜素红染色后呈紫红色，在阴极发光条件下，随着Fe2+含量的增加而呈现橙红色、暗橙红色。

(2)硅质胶结

研究区小河坝组储层砂岩中硅质胶结物形成与粘土矿物的转化以及长石的溶解有关。小河坝砂岩中长石含量、粘土矿物含量较高，为硅质胶结物的形成提供了物质保证，研究区小河坝组砂岩埋藏较深，经历的演化温度较高，为硅质胶结物的形成提供了条件。镜下薄片观察发现，研究区小河坝砂岩硅质胶结主要表现为石英次生加大，多数沿碎屑石英颗粒边缘生长，形成次生加大边(图 2E)，厚约0.01mm～0.02mm，石英加大边比碎屑石英颗粒更加光洁，且与石英颗粒具有相同的光性，阴极发光下，一般碎屑石英颗粒主要呈现蓝紫色，而自生石英加大边则不发光。同时镜下可见部分石英加大边被方解石所交代。

(3)粘土矿物胶结

根据X射线衍射分析，川东南地区小河坝砂岩中自生粘土矿物主要为伊利石和绿泥石(图2F)，高岭石和伊蒙混层含量较少。

伊利石主要由钾长石蚀变而成或由富K+的碱性孔隙水沉淀而成，研究区小河坝组砂岩储层中伊利石含量较高，含量为38.6% ～59%，平均为50.5%。由于储层砂岩中长石含量较高，长石的溶解为伊利石的形成提供了丰富的K+。镜下观察发现，伊利石主要呈细而薄的鳞片状或丝缕状集合体或网状集合体充填于次生孔隙中，扫描电镜下呈不规则的鳞片状或毛发状附在颗粒表面或充填在孔隙中。

研究区小河坝组储层砂岩中绿泥石含量仅次于伊利石，含量为28.6% ～42%，平均为36.2%。镜下观察发现，绿泥石主要有两种赋存状态:①作为孔隙衬边方式产出的粘土膜;②是充填于孔隙中的填隙物，扫描电镜下单体呈刃片状，集合体呈玫瑰花状。通过镜下观察发现研究区小河坝组储层砂岩中部分碎屑颗粒边缘发育绿泥石薄膜，使得颗粒之间呈点接触或线状接触。由于绿泥石膜形成能将碎屑与孔隙水隔开，阻止了石英颗粒的次生加大和部分碳酸盐胶结物的沉淀。镜下薄片观察显示，研究区小河坝组储层砂岩中绿泥石膜发育区，少见石英次生加大边和方解石类的胶结物。

3.3 交代作用

根据镜下薄片观察发现研究区小河坝组储层砂岩中交代作用比较常见，主要的交代作用类型有:碳酸盐交代作用、粘土矿物交代作用。

研究区小河坝组砂岩中的碎屑石英颗粒、长石颗粒等被碳酸盐交代的现象较常见。交代碳酸盐矿物主要以晚期的方解石、铁方解石为主。碳酸盐矿物常沿着颗粒边缘、裂缝、解理缝开始交代，使碎屑颗粒边缘呈锯齿状、港湾状等，也可也可以完全交代碎屑颗粒而保留颗粒的假象。粘土矿物交代现象在碎屑岩中主要表现为酸性环境下粘土矿物对长石颗粒的交代，交代作用总是沿着长石裂缝或解理缝进行。

3.4 溶蚀作用

溶蚀作用在砂岩中较普遍，碎屑颗粒、杂基、胶结物、交代矿物，在一定的成岩环境中都会不同程度的发生溶蚀，形成次生孔隙。研究区小河坝砂岩中溶蚀作用主要体现在对格架颗粒的溶蚀，如对长石的溶蚀，以及对粒间粘土杂基的溶蚀。长石溶蚀多沿解理缝和破裂缝进行，形成粒内溶孔。此外，溶蚀还可沿着粒间孔壁进行，对(方解石、铁方解石等)颗粒间胶结物及杂基进行溶蚀，形成锯齿状、港湾装、不规则状溶孔。

4 成岩序列及孔隙演化

4.1 成岩阶段确定

成岩作用阶段的划分及其标志的研究与储层评价密切相关。本文将根据粘土矿物组合及I/S混层粘土矿物、自生矿物组合、有机质成熟度，并依照中华人民共和国石油天然气行业标准中(SY/T5477－2003)碎屑岩成岩阶段划分规范，认为川东南地区小河坝砂岩储层成岩作用主要处于中成岩B期—晚成岩阶段。

(1)粘土矿物组合及I/S混层粘土矿物

在埋藏成岩过程中，伴随埋深的增加和温度压力的增加，粘土矿物中的蒙脱石会发生一系列的转变和转化，从而可以作为储层成岩阶段换分的依据。通过X衍射对粘土矿物，特别是混层粘土矿物定量、定性的分析(表1)，结果表明研究区小河坝组砂岩中粘土矿物主要以伊利石、绿泥石为主，含量分别为38.6% ～59%，28.6% ～42%，平均值分别为50.5%，36.2%;高岭石和伊蒙混层含量较低，分别为1% ～17.1%，3.9% ～8.0%，平均值分别为6.9%，6.4%。粘土矿物组合形式主要为伊利石+伊/蒙混层+绿泥石。伊/蒙间层比为7%左右，表明成岩作用已进入中成岩B期。

(2)自生矿物组合

通过薄片鉴定、扫面电镜以及阴极发光分析研究表明小河坝砂岩储层中主要的自生矿物有石英次生加大边、铁方解石和高岭石、伊利石、绿泥石等粘土矿物。研究区小河坝组砂岩中铁方解石胶结物含量较高，同时自生粘土矿物以伊利石和绿泥石为主，表明其成岩作用已进入中成岩B期。

表1 小河坝组泥岩中粘土矿相对百分含量

(3)有机质成熟度

沉积岩中普遍存在的干酪根等高分子有机化合物在成岩过程中随着温度的升高而表现为镜质组反射率增高，因此，应用镜质体反射率可以确定储层所经受的最高温度及有机质成熟度，以此来划分成岩阶段。

研究区小河坝组的下伏地层龙马溪组中镜质体反射率普遍较高，根据前人的研究资料［7］，并结合自己所完成的实验结果(表2)可以看出，研究区东南部三泉、三汇、石柱、秀山溶溪一带 Ro值介于1.41%～3.64%之间，平均值为2.21%，龙马溪组底部黑色泥页岩Ro值明显较高，往上值变小;往研究区南部、西南部地区綦江、兴文一带，Ro值较高，一般介于1.73% ～3.39%，平均值为2.65%。表明有机质成熟度处于高成熟、过成熟期，从而间接说明研究区小河坝砂岩的成岩作用阶段主要处于中成岩B期—晚成岩阶段。

表2 研究区龙马溪组泥岩样品镜质体反射率RO统计表

4.2 储层物性特征

通过铸体薄片以及扫描电镜的观察，认为研究区小河坝砂岩储层普遍较为致密，孔隙不太发育，主要的孔隙类型有:原生残余粒间孔(图2G、图2H)、次生溶蚀孔(图2I)、晶间孔、粒缘孔及微裂隙等。通过对研究区南川三汇、三泉、石柱打风坳、武隆江口4个剖面的小河坝组砂岩岩石标本的常规物性样品分析测试结果的统计与整理(表3)表明，小河坝组砂岩孔隙度均小于10%，主要介于1.7%～6%之间，平均值为3.5%，渗透率基本小于0.1mD，主要介于0.01mD－0.130mD之间，平均值为0.036mD，个别样品孔隙度高达9.4%，而渗透率高达5.190mD，这可能与砂岩中存在裂缝有关(统计时已去除这些样品)，依据储层物性参数等级划分的标准，研究区小河坝组砂岩储层属于特低孔、特低渗储层。同时，从孔隙度与渗透率具正相关性图(图3)上可以看出多数样品具有渗透率随着孔隙度的增大而增大的趋势，而从图中也可看出少部分样品偏离这种趋势，主要表现为孔隙度较低的样品，渗透率却相对较高，这主要与喉道形态类型及各种作用所形成的裂缝的影响有关。

表3 研究区小河坝组砂岩孔隙度、渗透率统计表

4.3 成岩作用对孔隙演化的影响

(1)原始孔隙度的恢复

恢复砂岩初始孔隙度是定量评价不同成岩作用类型对原生孔隙丧失和次生孔隙产生影响的前提。原始孔隙度恢复的计算公式为:

式中Q1和Q3相当于粒度累计曲线25%和75%处的粒径大小［8］。通过研究区小河坝组50个砂岩粒度累积曲线图得出，Q1一般介于0.06mm～0.1mm之间，而Q3介于0.04mm～0.09mm之间，利用公式(2)计算得出分选系数S0为3.51～6.12，说明分选中等—差，再利用公式(1)恢复其原始孔隙度为24.65% ～27.43%。

图3 研究区小河坝组砂岩孔隙度与渗透率相关性散点图

(2)成岩序列及孔隙演化

早成岩A期，小河坝组处于浅埋藏期，埋深1200m左右，有机质未成熟，镜质体反射率 Ro＜0.35%。成岩作用主要表现为机械压实作用和少量的胶结作用。沉积物受压实作用影响，颗粒间趋向紧密排列，孔隙水部分排出，塑性岩屑发生水化膨胀和假杂基化充填孔隙。孔隙结构主要表现为原生粒间孔隙不断减少。I/S混层为无序混层，碎屑颗粒粘土边形成，早期绿泥石薄膜的析出和初步固结作用，提高了岩石的机械强度和抗压实能力，抑制了石英胶结作用，有效的保护了砂岩的原生孔隙。

早成岩B期，埋深1600m左右，镜质体反射率Ro＜0.5%，有机质演化处于半成熟阶段。该阶段主要的成岩作用表现为压实作用和胶结作用。随着埋藏深度的增加，压实作用逐渐增强，沉积物体积明显减小，孔隙水大量排出，颗粒受挤压发生变形，出现少量石英次生加大和碳酸盐岩胶结物，少量的亮晶方解石充填于残余粒间孔隙内，使得砂岩孔隙度进大幅度降低。

中成岩A期，埋深1600m～3900m左右，当埋深1900m～2400m左右，Ro为0.5% ～0.7%，有机质成熟度低。有机体，尤其是有机酸的大量释放，使成岩环境发生改变，导致长石、岩屑及早期的胶结物溶蚀，形成次生孔隙。伴随着溶解作用，硅质胶结物开始普遍出现。当埋深2400m～3900m，Ro为0.7%～1.2%，有机质成熟并达到生烃高峰。有机酸大量生成，使砂岩中的不稳定组分继续溶蚀，形成大量次生溶孔。同时，自生石英向孔隙空间生长，充填孔隙并交代粒间高岭石。

中成岩B期，埋深3900m～6000m左右，Ro为1.2%～2.0%，有机质处于高成熟阶段。成岩环境由先前的酸性水介质条件转变为碱性条件，碳酸盐岩胶结物开始大量出现，充填先前形成的次生孔隙，石英次生加大普遍，自生石英晶体相互连接使石英颗粒呈镶嵌状，降低了砂岩孔隙度。

晚成岩期，埋深6000m～7800m左右，Ro为2.0%～4.0%，有机质处于过成熟阶段，含铁碳酸盐胶结物普遍出现，颗粒间多呈缝合线状接触，粘土矿物基本以绿泥石和伊利石为主，砂岩孔隙度进一步降低。

研究区小河坝砂岩经历了自早成岩期至晚成岩期的成岩演化过程，孔隙度由最初的24.65% ～27.43%，下降到3.5%左右，结合各期演化特征，建立了小河坝砂岩成岩序列演化与孔隙演化的模式图(图4)。

图4 研究区小河坝组成岩作用演化与孔隙演化模式图

5 结论

(1)研究区小河坝砂岩主要以含泥长石石英粉砂岩为主，少量的长石粉砂砂岩和石英粉砂岩，碎屑颗粒组合具有高石英、低岩屑的特点，砂岩的成分成熟度和结构成熟度较低。研究区小河坝砂岩成岩作用类型主要有4种，分别为压实作用、胶结作用、交代作用和溶蚀作用。

(2)研究区小河坝砂岩成岩作用阶段处于中成岩B期—晚成岩期，孔隙不发育，主要的孔隙类型为原生残余粒间孔和次生溶蚀孔。压实作用和胶结作用是储层孔隙度降低的主要原因，溶蚀作用是改善储层孔隙度主要因素。

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DIAGENESIS AND PORE EVOLUTION OF XIAOHEBA FORMATION SANDSTONE，SOUTHEASTERN SICHUAN BASIN

XIE Tao，GUO Yinghai，SHEN Yulin，LIAN Ergang and SHAO Yubao(School of Resource and Earth Science，China University of Mining and Technology)

Both diagenesis and pore evolution of Xiaoheba Formation sandstone in southeastern Sichuan Basin are studied in detail based on the thin－section and casting thin－section identification，SEM，X－ray diffraction and cathodoluminescence．Results show that:(1)sandstone of study area is mainly composed of quartz siltstone with muddy feldspar，and a little feldspar siltstone;(2)the clastic particles are characterized by rich quartz and feldspar，as well as a little debris;(3)the main pore types include primary residual intergranular pore and secondary dissolution pore;and(4)compaction is one of the main factors to reduce primary pore，and dissolution can improve porosity whereas cementation especially calcareous cementation can further decrease porosity．

diagenesis，pore evolution，Xiaoheba Formation，southeastern Sichuan Basin

谢涛，男，1986年出生，江苏省镇江市人，硕士研究生;主要从事沉积地质学方面的研究。地址:(221008)江苏徐州中国矿业大学(文昌校区)资源学院。电话:15950676491.E－mail:xtxn357@163.com

．NATURALGAS EXPLORATION＆DEVELOPMENT．v．34，no．3 ，pp．16 －20，7/25/2011

(修改回稿日期 2011－01－21 编辑 王晓清)