罗静兰, 李弛, 雷川, 曹江骏, 宋昆鹏. (2020)碎屑岩储集层成岩作用研究进展与热点问题讨论* [J]. 古地理学报, 22(6): 1021-1040
Luo Jing-Lan, Li Chi, Lei Chuan, Cao Jiang-Jun, Song Kun-Peng. (2020)Discussion on research advances and hot issues in diagenesis of clastic-rock reservoirs[J]. Journal Of Palaeogeography, 22(6): 1021-1040.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2020.06.070
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碎屑岩储集层成岩作用研究进展与热点问题讨论*
罗静兰1, 李弛1, 雷川2, 曹江骏1, 宋昆鹏1
1. 西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系,陕西西安 710069
2. 长安大学科技处,陕西西安 710018

第一作者简介: 罗静兰,女,1957年生,西北大学地质学系教授,主要从事碎屑岩储集层沉积学与成岩作用、火山岩岩石学、岩相学与火山岩储集层特征和成岩作用研究。E-mail: jlluo@nwu.edu.cn。

收稿日期:2020-02-14
基金资助:国家自然科学基金项目(编号: 41572128,41972129)与国家科技重大专项(编号: 2017ZX05008-004-004-001,2016ZX05026-003-005)联合资助; [Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41572128,41972129)and the National Science and Technology Major Project of China (Nos. 2017ZX05008-004-004-001,2016ZX05026-003-005)]
摘要

近 10年来,碎屑岩储集层成岩作用研究发展迅速,总结国内外成岩作用研究进展、前沿研究热点和关键问题,具有重要的学术探索意义。在归纳前人研究成果与认识基础上,结合国内外典型研究实例,讨论了近年来碎屑岩储集层成岩作用研究进展以及未来研究热点或发展趋势。认为成岩作用研究在物源对砂岩类型及其成岩演化路径的制约,流体-岩石相互作用及其产物、热动力学与超压背景对成岩作用与孔隙发育的影响,油气充注成藏过程与储集层低渗-致密化时序等研究方面取得了长足进展,正在向将微观尺度成岩作用研究与盆地流体、盆地动力学与热动力学过程等宏观大尺度背景相结合的由源到汇的沉积作用过程、埋藏、烃类成熟与油气充注成藏、构造演化与流体活动、流体-岩石相互作用的成岩作用系统及其时空动态及定量演变机制研究方向发展。本文旨在抛砖引玉,与业内相关领域的专家学者和同行一起,在成岩作用研究精细程度、研究深度与广度、最先进的分析测试技术与方法之应用、以及多学科交叉融合方面共同努力,以期推动中国碎屑岩储集层成岩作用研究的进程。

关键词: 流体-岩石相互作用; 低渗-致密时序; 高热与超压背景; 热流体活动; 成岩作用; 碎屑岩储集层
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)06-1021-20
Discussion on research advances and hot issues in diagenesis of clastic-rock reservoirs
Luo Jing-Lan1, Li Chi1, Lei Chuan2, Cao Jiang-Jun1, Song Kun-Peng1
1. State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology,Northwest University,Xi,an 710069,China
2. Section of Science and Technology,Chang,an University,Xi,an 710018,China

About the first author: Luo Jing-Lan,born in 1957,is a professor of Department of Geology,Northwest University. She is engaged in researches on sedimentology and diagenesis of clasitic rock reservoir,petrology and petrography,reservoir characteristics and diagenesis of volcanic rocks. E-mail: jlluo@nwu.edu.cn.

Abstract

The research on diagenesis of clastic-rock reservoir is developing rapidly in recent ten years. Thus,it is of great significance in academic and scientific exploration to summarize the domestic and international research progress and the key issues of frontier research on diagenesis. The research progress,main achievement and recognition in diagenesis of clastic-rock reservoirs in recent years is discussed,and the hot issues or developing trend of diagenesis in the future is probed in this paper,on the basis of summarizing the previous research results and understanding,combined with the typical research examples at home and abroad. It is believed that great progress was obtained in provenance and parent rock constraints on sandstone types and their diagenetic evolution pathways,impact of fluid-rock interaction and its product on diagenesis,influence of thermodynamics and overpressure background on diagenesis and pore development,the timing sequence between hydrocarbon accumulation and filling process and the sandstone reservoir becoming low permeability-densification. At present,diagenetic research is developing in direction of the spatial and temporal dynamics and quantitative evolution mechanistic and diagenetic system controlled by the basin fluid dynamics,thermal dynamic processes,combining the micro-scale diagenesis research with the basin macroscopic background such as sedimentation from the source to the basin,burial history,hydrocarbon maturity and charge into reservoirs,tectonic evolution and fluid activity,and fluid and rock interaction.The aim of this paper is to induce the academic peers and experts in diagenesis and the related research fields to come forward with their valuable contributions,to cooperate and work together and joint efforts on the research exquisite,profundity and breadth of diagenesis,and application of the most advanced analytical measurement techniques and methods,as well as integration and infiltration of multidisciplinary,in order to promote the course of the clastic-rock reservoir diagenetic research in China.

Key words: fluid-rock interaction; low permeability-tightening sequence; high thermol and hyperpressure setting; thermol fluid activity; diagenesis; clastic-rock reservoir

随着国民经济和科学技术的迅速发展以及对油气资源需求力度的加大, 从陆地向海洋、从浅水向深水、从构造圈闭油气藏到以岩性圈闭为主的油气藏的研究, 已经是油气研究与勘探的必然趋势。近年来, 全球、特别是中国在深层— 超深层和非常规储集层中不断发现油气并获得突破, 展现出良好的资源勘探前景(McDonnell et al., 2008; Mancini et al., 2008; 赵文智等, 2014; 张功成等, 2017; 孙龙德等, 2018; 何登发等, 2019), 深层、深水和非常规已成为油气勘探的3大新领域(马永生等, 2011; 邹才能等, 2015, 2018; 金之钧等, 2018; 孙龙德等, 2019)。深层、深水和非常规储集层成岩作用的研究成为不可或缺的一项重点研究内容, 并逐步向与盆地流体、盆地动力学与热动力学过程控制的流体-岩石相互作用的成岩作用系统及其时空演变机制研究方向发展。总结近10年来国内外碎屑岩储集层成岩作用研究进展、前沿研究热点和关键问题, 具有重要的学术探索意义和油气勘探开发实际意义。

作者在归纳总结前人研究成果与认识基础上, 介绍中国典型盆地碎屑岩储集层成岩作用的主要研究成果与认识, 与业内专家学者、同行讨论近几年碎屑岩储集层成岩作用研究进展, 探讨未来成岩作用研究热点问题或发展趋势, 以期推动中国碎屑岩储集层成岩作用研究向前发展。

1 成岩作用研究主要进展

20世纪90年代后, 国内外学者已经认识到从盆地动力学整体角度考察成岩作用系统过程, 从而为揭示沉积盆地成岩— 成藏/成矿序列及其区域时空结构提供了重要途径。近几年成岩作用研究在探索盆地源-汇沉积作用过程、埋藏— 热演化历史、油气运移— 侵位— 充注过程、热事件与构造演化、高热与超压背景、流体活动等大尺度盆地动力学/热动力学过程与小尺度成岩特征的关系, 研究储集层的沉积— 埋藏— 烃类充注— 流体活动— 成岩— 孔隙演化的系统过程研究方面有长足进展。概括起来, 近10年储集层成岩作用研究主要在以下几个方面取得进展。

1.1 流体-岩石相互作用

“ 源-汇” 系统的沉积作用过程、源区母岩性质、沉积物分散样式决定的砂岩类型与岩石学组分, 及其对成岩演化路径、成岩过程中物理作用和化学作用的影响, 造成储集层孔隙结构的不同及储集层的强非均质性(Dutton, et al., 2012; Joe et al., 2014; 罗静兰等, 2016; 胡贺伟等, 2020)。胡贺伟等(2020)关于“ 源-汇” 系统控砂原理的定量分析结果表明, 汇区沉积体面积及形态与有效物源区面积、沟谷的长、宽、宽深比等参数密切相关; 有效物源区面积控制沉积体系发育规模, 输砂通道控制沉积体系的优势展布方向及形态。Joe 等(2014)通过对同层位不同矿物组合含油泥岩的研究认为, 原始矿物成分不同的泥岩经过相同的成岩演化过程, 最终的成岩产物及含油性存在差别。

随着含油气岩系中有机-无机反应机制研究的深入(Han et al., 2015; 李忠, 2016; Zhao et al., 2017; 李忠等, 2018)和流体包裹体研究技术的不断改进和完善(陈红汉, 2014; 平宏伟等, 2014; 斯尚华等, 2018; 李文等, 2018), 人们逐渐认识到流体-岩石相互作用机理研究的重要性。如Yang等(2017)对塔里木盆地库车凹陷白垩系砂岩储集层岩石学、矿物学、地球化学分析、水-岩反应实验及数值模拟研究显示, 与储集层经历的6个连续的成岩作用阶段埋藏条件下的实验和数值模拟结果、岩石学和地球化学分析结果基本相吻合。实验结果表明, 在成岩过程中, 所有的矿物都受到了影响, 由于沉淀作用和溶解作用, 矿物的相对含量随时间的延长呈波动变化。随着压实作用减弱, 各种胶结作用逐渐增强, 若同期沉积水呈碱性时, 则形成石英次生加大; 大部分矿物如方解石、长石在首次有机酸注入砂岩时会发生溶蚀, 砂岩的孔隙度从早期成岩阶段的18.58%增加至达24.26%, 温度与压力的升高会引起孔隙度变化的微小波动。早期形成的胶结物大部分随第2次有机酸侵入发生溶解, 孔隙度增至23.23%。在最晚成岩阶段, 储集层流体被沉积碱性水稀释, 大部分矿物在碱性环境下发生沉淀, 孔隙度降低至16.65%。Fan等(2017)以柴达木盆地新生界盐湖沉积环境地质条件为约束的水-岩物理-化学模拟实验结果, 尝试解释咸化水对储集层的影响。认为盐类矿物由于占据了粒间孔隙, 其沉淀对储集层的物性产生了负面影响, 降低了储集性能。细的孔喉更易被堵塞, 增大了孔隙结构和渗透率的偏差。咸化盆地中的流体由于富含K+, 对长石的溶解有抑制作用, 对溶蚀孔隙的形成不利。富含大量K+的盐水流体有助于蒙脱石向伊利石转化, K+含量越高, 形成的伊利石更细, 更容易堵塞喉道与孔隙, 由此使渗透率更低。

罗静兰等(2010, 2014, 2016)对鄂尔多斯盆地不同地区上三叠统延长组主要含油层系长6— 长8油层组、上古生界重点含气层段石盒子组盒8段与山西组山1段的相关研究均显示, 源区位置及母岩性质及其供给量, 不仅控制相序组合和砂体展布特征与发育规模, 而且决定砂岩的类型与原始矿物成分, 后者制约了砂岩成岩作用路径, 造成砂岩的成岩演化过程与储集层致密化时序存在差异, 最终导致砂岩孔隙结构特征及含油性不同。以下以鄂尔多斯盆地北部二叠系盒8段砂岩储集层为例, 讨论源区母岩性质决定的砂岩类型与岩石学组分, 对成岩过程中的水-岩反应产物类型的影响。

鄂尔多斯盆地北部盒8段砂岩可分为石英砂岩、岩屑石英砂岩、岩屑砂岩3类, 根据塑性岩屑的含量, 岩屑砂岩中还可划分出高塑性岩屑砂岩(塑性岩屑含量≥ 15%)(图 1-A)。塑性岩屑包括云母类和绿泥石碎屑, 泥岩与粉砂质泥岩等沉积岩岩屑, 板岩和千枚岩、少量片岩等变质岩岩屑, 以及安山岩、粗面岩、玄武岩等火山岩岩屑。

图 1 鄂尔多斯盆地北部盒8砂岩碎屑与胶结物含量直方图 (据罗静兰等, 2014; 有修改) A— 碎屑含量直方图; B— 胶结物含量直方图Fig.1 Histogram of fragments and cements in the He 8 sandstones in northern Ordos Basin(modified from Luo et al., 2014)

碎屑锆石U-Pb定年物源示踪研究表明, 鄂尔多斯盆地北部上古生界沉积物源, 主要来自盆地北部阴山地块的早元古代晚期的孔兹岩或孔兹岩带和早元古代早期的TTG片麻岩及侵入其中的古老花岗岩; 其次来自阴山地块泥盆纪— 石炭纪火山— 岩浆活动产物。其中, 盒8段石英砂岩的物源, 主要受阴山地块早元古代时期形成的富含石英与石英岩的孔兹岩带与TTG片麻岩与片麻状花岗岩的控制; 岩屑砂岩的物源除受孔兹岩带、TTG片麻岩与片麻状花岗岩的影响外, 来自阴山地块东部太古界古老变质岩与泥盆系— 石炭系花岗岩及火山岩对其产生了较大影响; 岩屑石英砂岩的物源同时受与石英砂岩和岩屑砂岩相同物源的共同控制(罗静兰等, 2010)。

从源到汇, 源区与母岩性质决定砂岩类型与岩石学组分特征, 并影响水-岩反应产物即胶结物的类型与特征、孔隙演化过程, 后者决定储集层储集性能与产能。如:硅质: 硅质胶结物(以石英次生加大为主, 少量粒间微晶石英)是盒8段石英砂岩中的主要胶结物(平均为5.3%), 在岩屑石英砂岩和高塑性岩屑砂岩平均分别为3.2%和2.1%。 硅质胶结物使砂岩中的部分粒间孔与喉道丧失, 导致孔喉连通性变差, 使砂岩的物性变差、 产能降低。 但石英加大对骨架颗粒的支撑可在一定程度上抑制压实作用的强度。

绿泥石: 盒8砂岩中的绿泥石胶结物相对不发育(平均0.1%~1.3%), 以岩屑石英砂岩(平均1.1%)和高塑性岩屑砂岩含量最高(平均1.3%)(图 1-B)。

高岭石: 高岭石是石英砂岩、岩屑石英砂岩的主要胶结物(平均分别为3.6%和2.7%)(图 1-B)。

伊利石+蒙脱石+伊/蒙混层: 这3种黏土矿物是盒8段高塑性岩屑砂岩和岩屑石英砂岩的主要胶结物(平均分别为7.3%和6.5%), 石英砂岩中平均3.8%(图 1-B)。

碳酸盐: 以基底式或嵌晶式充填孔隙的碳酸盐胶结物, 如果后期不发生溶蚀或溶蚀有限, 则对砂岩的孔隙破坏很大, 由碳酸盐胶结作用造成的孔隙丧失率较高。盒8钙质砂岩段由碳酸盐胶结作用造成的孔隙丧失一般都在20%~28%之间, 砂岩较致密, 孔隙不发育, 可作为成岩圈闭层段。

流体是流体-岩石作用系统的活跃控制因素, 对流体-岩石相互作用机理、形成产物及其分布特征的深入研究, 不仅有助于追踪油气运移路径, 认识油藏成因和分布特点, 而且对溶蚀作用及次生孔隙形成、储集性能演化、成岩— 成藏— 致密化过程等可提供重要信息。目前, 流体-岩石作用研究成为储集层成岩-成储过程中的核心研究内容。

1.2 成岩作用过程中的油气充注与储集层低渗化-致密化时序

含油气储集层在其形成与演化过程中, 无疑要受到烃源岩生排烃和油气侵位整个过程的影响, 因此, 含油气岩系中一定涉及油气侵位、水-岩之间的有机— 无机反应。但以往是将成岩作用、油气侵位成藏分别单独开展研究, 对含油气岩系中油气侵位、水-岩之间的有机— 无机反应机制及其相互作用机理的研究相对薄弱。

李荣西等(2012)利用电子探针成分分析主元素与LA-MC-ICP/MS 原位微分析、荧光测试等技术, 对鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩的钠长石化与热液成岩作用的研究认为, 钠长石为沉积成岩期形成的低温钠长石, 具有热水成岩作用地球化学特征, 属于热液成岩作用产物。钠长石中含有大量原生的发亮黄色荧光的油气包裹体, 表明其形成与油气注入同时。认为大量钠长石形成与石油充注的同时导致了储集层致密过程中岩性油藏的形成。

李杪等(2016)针对鄂尔多斯盆地东部上古生界二叠系盒8段不同类型砂岩含气层, 通过成岩作用与孔隙演化、油气充注期次及其与成岩作用特征、成岩— 油气充注产物时序等研究, 对各砂岩储集层低渗化-致密化时序做了一些有意义的探索。认为盒8段石英砂岩与岩屑石英砂岩经历了包括3期烃类充注、2期溶蚀作用及多期复杂的成岩作用过程。形成于中成岩A期、中成岩B期(100~150 ℃)的石英次生加大胶结作用是导致石英砂岩致密的主要作用。发生在中成岩A期、中成岩B期的石英次生加大与伊利石等黏土矿物胶结作用, 是导致岩屑石英砂岩与部分岩屑砂岩低渗与致密的主要胶结作用。结合烃类包裹体形成温度(80~160 ℃)及成岩— 烃类充注演化序列与过程研究, 推测这2类砂岩的致密化过程与第1期、第2期油气充注的关系是边充注边致密, 而与第3期油气的关系是先致密后充注(罗静兰等, 2015）①。高塑性岩屑砂岩、钙质胶结砂岩、石英砂岩、岩屑石英砂岩的差异性成岩演化过程不仅导致各砂岩储集性能不同, 油气运移进入砂岩中的期次、规模存在差别, 致密化过程有先有后。高塑性岩屑砂岩中发现了早成岩B期及中成岩A期2期烃类充注: 第1期油气是边充注边致密, 第2期油气是先致密后充注。钙质胶结砂岩经历早— 中成岩A期碳酸盐胶结作用后, 绝大部分孔隙丧失殆尽, 基本为致密储集层或非储集层。这类砂岩中只发现早成岩B期1期烃类物质充注, 是先充注后致密(李杪等, 2016)。

最近有学者利用流体包裹体均一温度测试、 伊利石K-Ar同位素测年、 盆地数值模拟和镜下观测等多种方法, 研究了鄂尔多斯盆地上三叠统延长组长8油层组储集层致密化与石油成藏的时间关系, 石油充注的成岩响应和储集层致密化对成藏的影响。 认为压实背景下的多期次胶结作用是储集层致密化的主要原因。 长8油藏具有一期多阶段的特点, 成藏窗口明显早于储集层致密化窗口, 成藏高峰期早于储集层由低孔演变到特低孔的关键胶结事件的发生时间。 这种时间关系决定了储集层成岩演化的迟缓性与石油成藏的继承性(马立元等, 2020)。

但由于更适合成岩产物与流体包裹体微区原位稳定同位素等高精度、高灵敏度分析测试技术, 特别是微区原位放射性同位素定年技术与方法相对缺乏, 导致油气充注与储集层低渗化— 致密化同位素定年时序依然没有定论。

1.3 热动力与热流体对成岩作用与孔隙演化的影响

大陆边缘断陷盆地由于热事件频繁、构造与热流体活动强烈, 加之深层— 超深层地温增高、压力增大, 构造应力作用增大, 异常高压发育, 流体相态多变, 不仅制约着流体(油、气、水)的赋存方式与运动状态, 影响油气运移与聚集特点, 储集层成岩作用过程也更加复杂。国内外学者近几年在热动力学(地热梯度与热流背景、升温速率、热演化方式与路径、盆地沉降方式)对储集层成岩作用的影响方面做了一些有意义的探索。

国外学者研究发现, 深部砂岩储集层仍存在机械压实证据(Fisher et al., 1999; Makowitz and Milliken, 2002)。深部砂岩储集层的压实作用不仅受上覆岩石载荷、所处沉积类型控制, 也受到地层流体性质、盆地地温梯度场及埋藏热演化轨迹等多种因素的影响(Heap et al., 2015; Brü ch et al., 2016; Nader et al., 2016)。部分学者的研究证实, 不同地温梯度区相同温度条件下储集层的物性可以不同(Fisher et al., 2007; Lei et al., 2018)。Dutton等(2012)在对美国墨西哥湾盆地(Gulf of Mexico Basin)古近纪和新近纪200~6700im深度范围内的深层— 超深层砂岩储集层的成岩作用研究显示, 在物源无改变、砂岩类型和矿物成分基本一致的情况下, 温度从38 ℃增加至132 ℃, 砂岩的孔隙度从33% 逐渐降低至12%, 绝大部分原生孔隙的丧失主要是压实作用或石英胶结作用所致。深埋阶段(温度超过132 ℃), 尽管3.5%的钾长石发生了溶蚀, 但由于铁白云石、钠长石、伊利石和少量石英胶结作用的发生使之抵消, 次生孔隙含量基本保持不变。超深层砂岩的黏土矿物、蚀变碎屑颗粒及杂基中发育大量微孔隙, 暗示温度对砂岩的压实作用、胶结作用、孔隙类型及其发育产生了明显的影响。

中国学者在相关领域开展了卓有成效的工作。寿建峰等(2006)认为, 中国油气盆地复杂的地质条件导致碎屑岩成岩压实机制的多样性, 压实作用除上覆岩柱引起的静岩压实效应外, 还有盆地热流控制的热压实效应、地层流体性质影响的流体压实效应以及构造变形引起的构造压实效应。静岩压实效应、流体压实效应和热压实效应是沉积盆地中砂岩普遍的成岩作用现象, 由盆地热流控制的热压实效应引起的砂岩孔隙丧失在高地温场盆地中普遍存在(寿建峰等, 2006; 侯高峰等, 2017; 李弛等, 2019)。热压实效应具有深度加大、热效应压实量(或热效应压实速率)减小以及盆地的地温梯度差距加大、热效应压实量(或热效应压实速率)增大的特点(寿建峰等, 2006)。

在沉积条件相同的情况下, 随着地层温度及升温速率(地温梯度)的升高, 砂岩存在压实作用强度增大、压实减孔速率升高的趋势(黄志龙等, 2015; 张丽和陈淑慧, 2017; Lei et al. 2018; 李弛等, 2019; 罗静兰等, 2019); 在相同埋藏终止条件下, 随着埋藏时间增加, 岩石的孔隙度与渗透率随埋藏时间的增加呈对数减少(侯高峰等, 2017)。在等深度条件下, 地温梯度较高盆地中砂岩的孔隙度小于地温梯度低的盆地中的砂岩, 且地温梯度差异越高该差异越明显(寿建峰, 2005; 寿建峰等, 2006; 李弛等, 2019)。因为温度升高引起岩石的抗压能力减弱, 更容易发生塑性变形; 尤其是在水中, 升温后岩石破裂强度大大降低; 加之随埋藏深度的增加, 当颗粒接触点所承受的来自上覆地层的压力或者来自构造作用的侧向应力超过正常孔隙流体压力(达到2~2.5倍)时, 颗粒接触处的溶解度增高, 发生晶格变形和溶解作用(冯增昭, 1993; 刘国勇等, 2006; 侯高峰等, 2017), 从而使得压实— 压溶作用增强。此外, 地层温度的增加加快了化学反应速率, 加速了化学胶结作用的进程(罗静兰等, 2019)。以下结合研究实例, 从几个方面具体阐述。

1.3.1 升温速率与受热机制导致的砂岩成岩— 孔隙演化路径影响储集层的物性 成岩作用的强度体现在温度和时间的互补性方面, 即短时间高温和长时间低温可以达到相同的成岩作用程度。

对南海珠江口盆地白云凹陷高变地温梯度(Gra)(3.56~6.67 ℃/100im)的深层渐新统珠海组砂岩储集层的成岩作用的研究结果表明, 低地温梯度(L-Gra)区(Gra< 4 ℃/100im)、中高地温梯度(MH-Gra)区(Gra=4~5 ℃/100im)和受异常热影响区(Gra≥ 5 ℃/100im)由于受热机制和升温速率、以及热液流体活动程度的不同, 储集层的成岩— 孔隙演化路径有差别, 认为时间— 温度综合因素是造成储集层物性减小速率差异的主要原因。

埋藏史和地壳拉张减薄史对比结构显示, 白云凹陷L-Gra区珠海组上覆地层厚度大(平均2715im)、地壳较厚(约29ikm)。MH-Gra区和受异常热影响区珠海组上覆地层厚度小(平均1625im)、地壳较薄(17~19ikm), 地层在早期已经距离地幔热源相对较近, 两者受热历史及加热方式存在差别。现今L-Gra区珠海组地层尽管埋深大, 但是距莫霍面较远, 表现为Gra低、加热方式缓慢, 受热相对较弱, 等效于低TTI(temperature-time index)成岩演化路径, 储集层物性降低较慢, 储集层最大孔隙度在近2300im的范围内(从1633~3928im)从33.7%减少到13.5%, 减小速率为0.9%/100 m, 渗透率也表现出类似的规律(图 2-A, 2-B)。MH-Gra区与受热事件异常区由于在早期距离地幔热源较近, 表现为Gra高、热作用持续进行、地层受热较充分且时间长, 等效于高TTI成岩演化路径, 最大孔隙度随深度的增大、特别是当地层温度大于90 ℃后, 随地层温度的增加, MH-Gra区砂岩的最大孔隙度和最大渗透率急剧快速减小(图 2-C, 2-D), MH-Gra区储集层最大孔隙度在1900im的范围内(从829~2736im)从36.1%迅速减少至11.1%, 减小速率为1.3%/100im(Lei et al., 2018); 受异常热区储集层最大孔隙度在约1600im的范围内(从1372~2969im)从36.2%迅速减少至10.3%(图 2-A, 2-B), 减小速率为1.7%/100im。MH-Gra区和受异常热区在埋深较浅处即可导致储集层物性变差。

图 2 不同受热机制区砂岩物性与埋深和温度关系图(据Lei et al., 2018; 有修改)
A, B— 随埋深的增大, 中高地温梯度区与受异常热区储集层的最大孔隙度与最高渗透率降低速率较快; C, D— 随地层温度的增高, 中高地温梯度区与受异常热区储集层的最大孔隙度与最高渗透率降低速率较快Fig.2 Diagram shows porosity and permeability change of the sandstones with depth/temperature impacted by different thermal mechanism(modified from Lei et al., 2018)

1.3.2 热压实作用是高地温梯度区和热异常区储集层原生孔隙丧失的主要成岩作用 传统埋藏成岩作用理论认为, 早成岩期单纯由上覆岩柱的有效应力及沉积物本身质量所产生的重力(即静岩压实作用)是引起粒间孔隙体积减小的主要原因。但相关研究及物理模拟实验结果表明, 砂岩的压实速率会随着Gra的增大而显著增高, 较高Gra下产生的热压实效应可以增强砂岩压实作用的强度(寿建峰, 2005; 寿建峰等, 2006)。

珠江口盆地白云凹陷不同Gra区砂岩的孔隙度与渗透率随埋深的增加总体呈现减小的趋势(图 3)。

图 3 不同地温梯度下砂岩等孔隙度与等渗透率埋深下限变化规律(据李弛等, 2019; 有修改)
图中: Ф 为孔隙度; K为渗透率; Gra为地热梯度Fig.3 Buried depth inferior limit of isoporosity and isopermeability of sandstones with geothermal gradient(modified from Li et al., 2019)

L-Gra区珠海组上覆沉积地层较厚, 静岩压实作用强度较大; MH-Gra区珠海组上覆沉积地层较薄, 静岩压实作用强度应该相对较弱。但薄片显微镜下统计与计算结果显示, L-Gra区与MH-Gra区珠海组砂岩中颗粒间线— 凹凸接触者基本相当(平均分别占56.2%和53.7%), 但MH-Gra区砂岩由压实作用造成的孔隙丧失(平均30.4%)明显高于L-Gra区(平均25.2%), 且随Gra的升高, 等孔隙度与等渗透率的埋深显著变浅, 在埋深较浅处(2300~2500im)砂岩的物性即开始变差(图3)。而在L-Gra区, 珠海组储集层属于正常成岩演化过程, 砂岩在3500im埋深处其物性才逐渐变差, 孔渗降低较少、较缓慢(图3)。MH-Gra区和受异常热影响区储集层的成岩作用与成岩— 孔隙演化具有一定的特殊性, 显示出异常热成岩演化特征, 高的增温速率所产生的热压实效应使压实作用强度增加, 压实减孔速率增高, 由热压实作用造成的孔隙丧失率增大。因此, 热压实作用是MH-Gra区和热异常区储集层原生孔隙丧失的主要成岩作用。

1.3.3 高地温梯度和升温速率导致的黏土矿物热异常转化影响了储集层的物性 通常高岭石消失界限(埋深)与升温速率密切相关, 随升温速率的增高, 高岭石消失的温度界限降低、埋深界限变浅(寿建峰, 2005; 黄思静等, 2009)。蒙脱石向伊利石的转化与温度相关, 正常地温条件下, 由蒙脱石经过伊/蒙混层向伊利石的转变是渐变的, 伊/蒙混层中蒙脱石质量分数(S%)的突变代表着热异常作用(解习农等, 1999)。

白云凹陷储集层中高岭石、伊/蒙混层胶结物的分布明显受热流背景的控制, MH-Gra区和受异常热影响区黏土矿物的热异常转化对储集层孔隙度、特别是渗透率产生了较大影响。L-Gra区伊/蒙混层与高岭石从浅到深(500~4000im)的深度范围内均可见到, 且伊/蒙混层黏土矿物随深度增加其含量明显增高, 最高可达50%; 中高地温梯度(MH-Gra)区(Gra=4~5 ℃/100im), 伊/蒙混层与高岭石发育在1500~3000im之间, 但随深度增加含量减少; 受异常热影响区储集层中伊/蒙混层与高岭石在深约1500 m以下即消失, 储集层中蒙脱石向伊利石的热异常转变非常普遍。按照中华人民共和国石油天然气行业碎屑岩成岩阶段划分标准(SYT5477-2003), 伊/蒙混层中蒙皂石含量(I/S中S含量): > 70%、70%~50%、50%~15%、< 15%, 分别对应早成岩A期(蒙皂石带: 古常温~65 ℃)、早成岩B期(无序混层带:65~85 ℃)、中成岩A期(有序混层带: 85~140 ℃)、中成岩B期(超点阵有序混层带: 140~175 ℃), 当蒙皂石消失则进入晚成岩阶段(伊利石带: 175~200 ℃)。白云凹陷不同地温梯度区与热异常区储集层中 I/S 中S的含量及其变化受温度的影响明显。以中成岩A期和中成岩B期为例, 热异常区、MH-Gra区、L-Gra区现今温度在40~70 ℃、75~130 ℃、90~160 ℃储集层为中成岩A期(I/S中S含量: < 50%~15%); 现今地层温度一般在90~120 ℃、90~140 ℃、140~170 ℃, 热异常区、MH-Gra区、L-Gra区储集层达中成岩B期(I/S中S含量< 15%)(图 4)。

图 4 伊/蒙混层中蒙脱石(S)含量随地层温度变化
图中各颜色线段分别对应不同地温梯度区与热异常区储集层相应成岩阶段的现今地层温度范围Fig.4 Diagram showing content change ofsmectite in illite/smectite mixed layers with temperature

MH-Gra区与受热异常区储集层在埋深较浅、现今地层温度较低地带已经处在与L-Gra区储集层相同的成岩阶段。从图 4还可以看出, MH-Gra区与受热异常区储集层中蒙皂石向伊/蒙混层的转化速率较快, 伊/蒙混层的演化程度远高于该地层温度下相应的正常演化程度(图 4)。

图 5 不同地温梯度区储集层中伊利石和高岭石与物性关系(据Lei et al., 2018; 有修改)Fig.5 Relationship between illite and kaolinite cements and reservoir quality in different geothermal gradient regions
(modified from Lei et al., 2018)

发丝状伊利石使原来的大孔隙变成小孔甚至微孔, 孔隙间的连通性大大降低, 造成渗透率的下降。研究区MH-Gra区储集层物性随伊利石含量的增加降低较明显(图 5)。如图 5-A和5-B中伊利石胶结物照片的砂岩, 由于其中含较多伊利石(14.6%), 具较低的孔隙度(6.0%)和渗透率(0.01× 10-3μ m2)。高岭石是否对储集层有利, 取决于地层中流体的活动性强弱和系统的封闭与开放。流动强可以使得高浓度孔隙流体发生迁移, 有利于粒间孔隙的保存; 反之高岭石原地沉淀, 使粒间孔隙被充填或部分充填。研究区储集层中高岭石含量与孔隙度和渗透率呈弱的正相关关系(图 5)。如图 5-C、5-D为高岭石胶结物照片的砂岩, 由于其中含较多高岭石(14.1%), 具有高孔隙度(22.8%)和较高的渗透率(39.8× 10-3μ m2)。这是因为尽管高岭石会使粒间大孔隙丧失或部分丧失, 但高岭石发育大量晶间微孔及微溶孔, 在一定程度上会使渗透率、特别是孔隙度增加。这类微孔隙对于石油而言不易进入其中, 但对于天然气是其储集空间之一。值得说明的是, 图 5中部分数据点的砂岩物性与伊利石、高岭石之间的相关性较差, 暗示储集层的物性除受黏土矿物的影响外, 不排除其他因素对储集层的物性也产生了影响。

1.3.4 地温梯度和升温速率与热流体影响了碳酸盐胶结物的类型及其分布特征 碳酸盐矿物的溶蚀、沉淀行为在根本上是由热力学基本原理控制的。深部热流体在运移过程中, 改变了地层的温度、压力状态, 从而控制了碳酸盐矿物的溶解— 沉淀行为(黄可可等, 2009; 朱东亚等, 2012; 杨云坤等, 2013)。热流体具有深部溶蚀碳酸盐矿物、浅部沉淀碳酸盐矿物的作用, 当深部热流体进入开启性裂缝体系中时, 由于压力降低, 也会发生CaCO3的沉淀充填(朱东亚等, 2012)。如方解石的沉淀— 溶解反应方程式:

CaCO3(方解石)+CO2+H2O ⇌ Ca2++2HC O3-

前人研究指出, 白云凹陷高地温梯度区和热异常区深部地层存在深大断裂及气烟囱底辟构造(Lei et al., 2018; 李弛等, 2019), 气烟囱与活动性断层共同构成了成岩演化过程中深部超压及热流体的泄压与运移通道, 伴随着泄压过程存在多期深部热流体幕式上涌(谢志远等, 2015; 李弛等, 2019)。在热流体活跃期, 流体频繁上涌, 地层中CO2分压、孔隙流体盐度升高, CaCO3溶解度增大(朱东亚等, 2012), 方解石发生溶蚀; 在热流体活动间歇期, 流体活动频次降低, 地层中CO2分压、孔隙水盐度相对降低, CaCO3溶解度降低, 有利于方解石胶结物沉淀(图6)。

图 6 不同温压条件、孔隙水盐度下CaCO3溶解度变化(据朱东亚等, 2012)Fig.6 Diagram showing solubility changes of CaCO3 under different temperature and pressure and pore water salinity conditions(after Zhu et al., 2012)

白云凹陷珠海组发育早成岩A期(~70 ℃, 以微晶或泥晶和连晶方解石为主)、中成岩A期(80~140 ℃, 主要为铁方解石, 少量铁白云石)、中成岩A期~B期晚(140~170 ℃, 主要为铁白云石)3期碳酸盐胶结作用(王代富等, 2017)。地温梯度与升温速率、中成岩阶段深部热流体参与并影响了该研究区中高Gra区和受异常热影响区储集层的成岩演化过程。在此过程中, 热流体既参与了中高地温梯度区和热异常区储集层中碳酸盐胶结物的形成, 也在一定程度上溶蚀已经生成的碳酸盐胶结物, 形成少量碳酸盐胶结物次生溶蚀孔, 其沉淀— 溶解平衡可能受热流体幕式活动的影响(李弛等, 2019), 导致碳酸盐胶结物呈现出规律分布。浅部、L-Gra区主要发育不含铁或低铁碳酸盐胶结物, 随着埋深和温度的增加, 逐渐向铁方解石、铁白云石等富铁碳酸盐胶结物转化。L-Gra区铁碳酸盐大量发育的埋深较深(3000~4000im)、现今地层温度较高(125~170 ℃)(图 7-A); MH-Gra区(Gra=4~5 ℃/100im)铁碳酸盐大量发育的埋深较浅(1500~2500im)、现今地层温度较低(80~130 ℃)(图 7-B); 受热事件影响区铁碳酸盐大量发育的埋深更浅(800~2000im)、现今地层温度更低(65~90 ℃)(图 7-C)。白云凹陷MH-Gra区与受热异常影响区铁碳酸盐胶结物的异常分布现象, 暗示这些地区储集层的成岩演化过程在地史时期曾受到高热流背景、与构造热事件相关的深大断裂和气烟囱底辟构造及深部热流体等热异常的影响。这种特殊的热异常成岩环境改变了中— 晚期碳酸盐矿物的溶解— 沉淀热平衡状态, 从而在埋藏较浅(但温度较高)部位即达到了铁白云石和铁方解石沉淀的条件, 促使在浅部、现今低温地层中铁碳酸盐大量出现。

图 7 珠江口盆地白云凹陷不同受热机制区碳酸盐胶结物的埋深与温度关系纵向分布图Fig.7 Vertical distribution between buried depth and temperature and carbonate cement in regions impacted by different thermal mechanism of Baiyun Sag, the Pear River Mouth Basin

1.4 超压背景对储集层成岩作用的影响

国内外与超压背景下储集层成岩作用与流体活动等相关的研究, 始于1953年在美国湾岸地区沉积盆地内识别出流体压力异常(Dickinson, 1953)、特别是发现了流体超压现象以来。对超压盆地的形成, Osborne和Swarbick(1995)根据超压的形成与发育机制, 将沉积盆地超压成因机制归纳为3种成因类型: (1)欠压实(垂向应力)、构造应力(水平挤压)作用; (2)化学反应(生烃、烃类裂解、黏土矿物脱水)或物理作用(如流体受热)导致流体体积迅速增加; (3)流体运移与压力传导(断层、裂缝)。

近年来, 欠压实成因超压在中国发育大规模三角洲的新生代伸展盆地被进一步证实(董冬冬等, 2015; 范昌育等, 2015; Duan et al., 2018; 李文等, 2018)。随着不同成岩环境(温度、压力、流体)条件下成岩作用机理的理论及模拟实验研究的展开, 目前, 对超压背景下储集层成岩作用影响的认识, 可总结概括如下:

1)超压可抑制上覆岩层的压实效应, 有利于保存原生孔隙度。超压或超压孔隙流体承载了大部分的上覆地层压力, 减小了岩石骨架承载的压力, 减缓并抑制了机械压实作用的压实效应, 使部分被超压孔隙流体充填的原生孔隙保存到较深的部位(姜涛和解习农, 2005; 张伙兰等, 2014; Duan et al., 2018)。如莺歌海盆地DX区约在2500im开始出现超压, 现今超压环境下的3000im埋深原始孔隙仅相当于正常情况下1500im埋深(马勇新等, 2015)。

2)在异常高压带内, 胶结物的增生将变慢或停止, 因此减少了由于胶结作用而损失的原生孔隙。超压系统相对封闭, 其内部流体几乎处于静止状态, 水— 岩反应不活跃, 从而抑制了黏土矿物的转化作用。如蒙脱石向伊利石的转化需要从溶液中吸收K+、Al3+, 而K+、Al3+主要来源于硅酸盐矿物的溶解。这种对黏土矿物转化的抑制作用延缓了K+、Al3+等阳离子和层间水的排出, 减弱了胶结作用(孟凡晋等, 2012; 张伙兰等, 2014; 段威等, 2015; 马勇新等, 2015; Duan et al., 2018)。如莺歌海盆地D区从1500im至2500 m, 伊/蒙混层比从50%减至15%, 按照正常的趋势, 进入2500im以后, 伊/蒙混层比应继续迅速减小。但超压环境下LD30-1-1A井中伊/蒙混层为80%左右, 而常压下的LT33-1-1井中的伊/蒙混层只有50%左右, 超压对黏土矿物转化有明显的抑制作用(马勇新等, 2015)。超压减少了碳酸盐胶结物的来源, 增加了CO2的溶解度, 可减少碳酸盐胶结物的生成, 使部分原生孔隙得以有效保存。此外, 超压流体还具有深部溶蚀碳酸盐岩、浅部沉淀碳酸盐矿物的作用, 控制了碳酸盐矿物的形成与纵向分布。地层温度、压力、盐度的改变亦会使体系内碳酸盐矿物的溶蚀量发生变化(朱东亚等, 2012; 杨云坤等, 2013)(图 6)。前人对莺歌海盆地超压界面上下储集层中碳酸盐胶结物含量的统计结果显示, 超压顶界面之上的常压带, 砂岩中碳酸盐胶结物的含量明显高于顶界面之下的超压带(图 8)。表明超压在一定程度上抑制了碳酸盐胶结物的形成。

图8 莺歌海盆地DF11区砂岩中的碳酸盐胶结物与深度关系(据Duan et al., 2018; 有修改)Fig.8 Diagram showing relationship between depth and carbonate cement in sandstone of DF 11 area in Yinggehai Basin (modified from Duan et al., 2018)

3)超压在一定程度上可限制自生石英的形成。石英胶结物的主要来源为石英压溶作用与铝硅酸盐矿物的溶解(Maxwell, 1964; 孟元林等, 2015)。石英的压溶作用与铝硅酸盐矿物在溶解过程中产生的SiO2, 为石英的次生加大提供了物质基础(孟元林等, 2005)。超压可在一定程度上抑制压溶作用, 从而限制石英次生加大的形成。在超压发育的盆地, 储集层中石英胶结物含量表现出一定规律: 超压发育段石英胶结物含量降低, 石英胶结物含量与压力系数呈明显的负相关关系(雷振宇等, 2012)。

4)超压可抑制有机质演化, 拓宽生油窗的范围。超压对有机酸的生成具有抑制作用(孟元林等, 2008), 导致流体中的K+、Al3+浓度减小, 延长有机质热演化生成有机酸和CO2产出的时间, 间接地增加了CO2等无机与有机酸性流体与硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的接触时间和强度, 产生大量的有机酸、排出的CO2水解形成的无机酸、黏土矿物转化过程中析出的酸性流体等, 促进了储集层中易溶矿物发生溶蚀, 形成次生孔隙发育带(段威等, 2015; 黄志龙等, 2015; 马勇新等, 2015; 郇金来等, 2016)。

5)超压导致的流体压裂突破过程中产生的大量裂缝(周家雄和刘巍, 2013; 张伟等, 2013; 耿明会等, 2014; 李绪深等, 2017), 提高了储集层的渗透性。

2 成岩作用研究发展趋势与热点问题

成岩作用贯穿于油气藏形成的整个过程, 是一个极其复杂的物理化学过程, 其影响因素的多变和过程的复杂性主要体现在岩石成分的复杂性, 流体来源的广泛性, 温度、压力、时间、系统的开放性和封闭性、烃类的侵位等成岩环境条件的多变性等方面。同时还受到沉积体系、古气候、盆地沉降与折返(刘建清等, 2006)、沉积盆地时空演化等多因素的作用和影响(Byrnes and Wilson, 1994; 李忠和刘嘉庆, 2009; Wilkinson and Haszeldine, 2011; 李忠等, 2018)。未来成岩作用研究可能会在以下几个方面发展并获得长足进步。

2.1 深水沉积成岩作用

由于近年来被动大陆边缘深水浊积砂岩及其中油气储集层的不断发现, 以及世界若干大油气田的发现均与引起深部储集物性变好的次生孔隙发育带有关, 促使人们广泛重视深水沉积储集层的成岩作用、尤其是成岩后生作用的研究。对深水沉积成岩作用研究将主要集中在: 砂岩的骨架矿物成分及其地球化学特征和孔隙流体性质的演化及其影响因素(Mansurbeg et al., 2008); 孔隙流体地球化学与流体动力学研究; 深水沉积储集层中主要胶结物如碳酸盐等的物质来源与形成介质条件与环境; 碳酸盐、次生石英胶结物等的分布及其对储集层物性的影响(Dutton, 2008; Dutton et al., 2012; Li et al., 2014a); 深水沉积物中黏土矿物的矿物学与孔隙流体中的C、O、Sr、Nd、Ca、Mg、Si、Li、B等稳定同位素地球化学研究; 深水与深层低孔低渗— 致密储集层中水-岩无机化学反应及矿物的形成和生物作用过程机制(Giresse and Wiewió ra., 2001; Higgins and Schrag, 2012); 储集层次生孔隙的成因机理、次生孔隙发育带分布与识别、相对高孔高渗带的预测, 这些将是未来相当一段时间内深水沉积成岩作用研究的热点和学术界探索的重大科学前缘问题(Dutton et al., 2012; Higgins and Schrag, 2012; Yarmohammadi et al., 2014; 李华和何幼斌, 2017; 马本俊等, 2018; Henry et al., 2019; 李相博等, 2019; 朱筱敏等, 2019)。

2.2 深部构造-热流体活动对储集层的溶蚀改造作用

目前, 国际地学界成岩作用研究的热点之一是深部构造-热流体活动对储集层的溶蚀改造作用(Han et al., 2015; Zhang et al., 2015; 李忠, 2016; 李忠等, 2018)。焦点主要集中在盆地热流体-岩石作用、超压流体与优质储集层形成和油气成藏与成矿效应方面(金之钧等, 2006; 邹华耀等, 2006; 李忠等, 2010; 李忠, 2016), 盆地中— 大尺度强应变导致的深层碎屑岩(微)裂缝及其相关构造-流体-岩石作用对储集层储集性能的改善机制研究(李忠等, 2018), 热事件与深部热流体的成岩响应及其对压实作用、胶结作用和溶蚀作用及孔隙发育的影响等方面(Lei et al., 2018; 李弛等, 2019; 罗静兰等, 2019)。

深部热液改造形成的优质储集层在国外已有实例, 如加拿大盆地西部(Al-Aasm et al., 2000)和西班牙西南Cantabrian带的优质储集层都是深部热液流体改造的结果。国内学者的研究认为, 升温速率的增大与热流体的活动加速了黏土矿物转化, 增强了储集层的胶结作用(孟凡晋等, 2012; 李弛等, 2019)。高热背景下储集层的原生孔隙, 受静岩压实作用和热压实作用的共同控制, 总体上表现为热压实速率较高、强度较大、储集层物性降低迅速的特点(李弛等, 2019)。但高地温梯度区或异常热流区的烃源岩在埋深较浅处即可达到排烃门限, 储集层可达到较深的成岩作用阶段, 易溶矿物更易发生溶蚀形成次生孔隙发育带(庞雄等, 2018; 罗静兰等, 2019)。

流体活动分析将成为揭示盆地尺度或宏观尺度沉积物的埋藏— 成岩— 孔隙演化与优质储集层分布的重要研究内容。前人通过伊/蒙矿物的转换、镜质体反射率、有机物热解指标、流体包裹体以及稳定同位素特征等的异常来示踪来自深部的热流体的活动(解习农等, 1999; 王代富等, 2017)。而C、O、Sr等稳定同位素地球化学研究, 是揭示储集层中碳酸盐胶结物结晶时的温度和流体性质、物质来源以及成因机制的重要方法。利用二次离子质谱(SIMS)微米级碳酸盐矿物的原位碳、氧同位素测定, 已可以对同一地层内不同期次流体的成因及物质来源进行示踪。该方法能够直观、精确地反映孔隙流体的发育及演化过程, 并能够建立盆地构造背景及热演化史框架下的流体活动、碳酸盐胶结物等自生矿物的发育过程(刘浴辉等, 2015; Denny et al., 2017; Cammack et al., 2018; 邹洁琼, 2018)。目前, 微区原位S、Fe、Mg、Ca、Nd、Mg、Si、Li、B等稳定同位素测定方法, 将逐渐被引入沉积学与成岩作用研究领域, 成为未来追踪示源、研究成岩矿物、流体与物质来源、形成环境与成因机制的重要手段(张现荣等, 2017; 代军治等, 2018; 丁波等, 2018; Zhang et al., 2018; Yu et al., 2019; Polyakov et al., 2019)。

2.3 盆地动力学控制的沉积物沉积-构造-成岩-成藏作用过程及其时空演变机制

含油气盆地中的成岩作用贯穿于油气藏形成的整个过程。 盆地动力学过程控制的流体-岩石-烃类物质相互作用系统及其时空演变机制之研究已经成为成岩作用的重要内容。 因此, 将成岩作用系统的层次分析和盆地动力学整体分析相结合, 将流体(包括热液流体及含烃流体)-岩石相互作用的时空属性与储集空间、 油气充注及其分布研究相结合的研究思路与研究方法是未来成岩作用研究的一个显著特点和发展方向(Wilkinson and Haszeldine, 2011; 李忠, 2016; 李忠等, 2018; 袁静等, 2018; 马立元等, 2020)。

2.4 利用野外露头、地球物理资料与钻井岩心相结合的储集层胶结物与结构非均质性三维表征与建模

利用野外露头剖面通过三维成像和测量技术, 如Lidar(Light Detection and Ranging), SFM(Structure from Motion)和点云技术、手持伽马仪和声波仪、高光荧光光谱仪等, 定量刻画胶结物与烃类物质在三维空间的分布及储集层结构三维空间分布特征等, 获得其在空间非均质分布的连续图像; 通过地质统计学、模拟实验与计算机模拟技术, 建立典型沉积单元内储集层胶结物与烃类物质的三维数字模型; 将地球物理测井、地震资料、钻井岩心尺度及微观尺度胶结物与结构非均质性表征相结合, 在露头尺度沉积单元内储集层胶结物与烃类物质的三维数字模型基础上, 以岩心观测结果为约束条件, 通过对成熟勘探开发区块测井资料或三维地震资料的综合分析, 建立相应的地下典型沉积单元或相带内储集层胶结物与烃类物质在三维空间分布的非均质性地质模型, 进而预测非均质性储集层中各胶结物与油气的分布与流体在地下的流动状态, 是未来成岩作用研究的另一个发展趋势。

2.5 成岩演化模拟实验与数值模拟方法探索

目前, 成岩演化实验与数值模拟主要基于层序地层格架/沉积微相框架下的成岩数值模拟、流体与岩石相互作用下的储集层物性演变数值模拟、沉积作用和成岩作用相结合的成岩数值模拟, 以及基于构造与沉积背景的构造-沉积— 成岩相融合的成岩数值模拟研究(林承焰等, 2017)。重点从成岩环境参数、水— 岩相互作用的物理化学过程、孔隙与物性演化3个方面展开, 如高温、高压条件下的储集层成岩— 孔隙演化过程模拟研究(You et al., 2020), 可调参数的三维孔隙尺度成岩演化模型(Hosa et al., 2020), 以及还在模型中加入时间与埋藏深度, 尝试从动力学角度模拟各成岩阶段矿物物理化学性质的变化, 由浅埋到深埋和盆地构造演化大尺度背景下孔隙的演化过程(潘志鸿等, 2018; 冯佳睿等, 2018)。这些模拟实验都无限地逼近真实地质条件。

将成岩作用过程与油气运移聚集成藏过程紧密相结合, 研究成岩作用对储集层孔隙演化、油气运移和聚集的动力学机制, 研究隐蔽油气藏、深盆非常规油气藏在成岩-烃类充注过程中有机与无机流体的相互作用及其优势运移通道, 水动力强度、储集层岩性特征以及流体性质对成岩作用与油气运移聚集的影响等成岩-成藏过程与机理, 也是未来成岩演化模拟实验与数值模拟需要深入探讨的问题。

2.6 利用多种先进的分析测试手段与技术方法的综合成岩作用研究

近10年来, 由于多种微区分析测试技术与方法, 如单个流体包裹体激光拉曼探针成分分析、微区主量与微量元素分析等方法正在被广泛引入成岩作用研究领域, 使成岩作用的定量研究成为可能。特别是激光剥蚀原位分析技术, 具有极高的空间分辨率、分析精度和测试效率, 近年来在地球科学多个领域研究应用非常广泛, 如激光剥蚀技术在碳酸盐岩研究中古海水和孔隙水性质恢复、成岩流体性质追踪、古氧相重建、方解石U-Pb定年, 元素空间成像等方面具有潜在的应用前景(Li et al., 2014b; Liu et al., 2014; Ann-C et al., 2015; Drost et al., 2018)。此外, 致密储集层的成藏与致密化放射性同位素定年以及两者时序的定时定量研究, 致密砂岩储集层次生孔隙的成因机理、次生孔隙发育带分布、识别与预测, 作为成岩流体与油气运移通道之一的断裂带三维空间的输导特征, 储集性能演化过程的研究等, 将从以往的定性研究向定量化研究发展。

未来在微区、微量、高精度、高灵敏度定量分析测试技术, 如微区原位C、O、Sr、S、Nd、Ca、Mg、Fe、Si、Li、B等稳定同位素分析, 微区原位Re-Os等放射性同位素定年, 无机与有机流体包裹体成分的定量测定, 自生矿物中的流体包裹体微区定年等测试方法, 其建立与发展必将使未来成岩作用研究步入创新性革命时期(Nicolas et al., 2018; Li et al., 2019; Su et al., 2020)。

3 结论与认识

1)目前碎屑岩成岩作用研究主要在流体-岩石相互作用对胶结作用与溶蚀作用的影响、油气充注与储集层低渗化-致密化时序的半定量研究、成岩作用研究由定性静态描述向定量动态演化过程、高热与超压背景对成岩作用与孔隙演化影响的研究等方面取得了长足进展。

2)未来成岩作用研究将向以下领域与方向发展: 深层及深水沉积、 非常规储集层成岩产物的物质成分及其地球化学特征、 孔隙流体性质、 物质来源及其成因、 次生孔隙的成因机理、 次生孔隙发育带分布、 识别与预测; 深部构造-热流体活动对储集层的溶蚀改造作用及机制研究; 盆地动力学控制的沉积物的沉积-构造-成岩-成藏作用过程及其时空演变机制研究; 利用野外露头剖面定量刻画胶结物在三维空间的分布特征, 结合地球物理资料与钻井岩心的储集层结构非均质性与胶结物及油气的三维表征与建模技术; 真实或接近真实地质条件下的成岩演化模拟实验与数值模拟方法的探索; 多种先进的微区、 微量、 高精度、 高灵敏度定量分析测试手段与技术方法与多学科结合的综合成岩作用研究等。

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