碱性环境成岩作用及其对储集层质量的影响——以准噶尔盆地西北缘中—下二叠统碎屑岩储集层为例

单祥，郭华军，邹志文，李亚哲，王力宝

沉积物进入埋藏成岩环境后，随着温度、压力的增加，在孔隙流体作用下发生一系列的物理及化学变化，这种埋藏成岩作用对储集层储集性能产生重要影响[1-5]。文献［6］—文献［9］提出及建立了碎屑岩及碳酸盐岩有机酸溶蚀理论，酸性水溶蚀碎屑岩形成次生孔隙发育带的有机酸溶蚀模式被中国广大学者所采用[10-15]。在此背景之下，研究人员更多地关注酸性环境成岩作用下次生孔隙的形成以及分布，而对于碱性环境成岩作用对储集层储集性能的影响不够重视，直到20世纪90年代之后，才有少数学者开始讨论碱性环境成岩作用下硅酸盐的溶蚀及胶结作用。文献［16］注意到储集层矿物在碱性驱替剂中可以发生溶蚀-沉淀，证实了碱性环境成岩作用的存在。文献［17］认为，鄂尔多斯盆地长7段早成岩阶段为碱性成岩环境，发生硅质溶蚀及交代、碳酸盐矿物胶结、钠长石化等多种碱性成岩作用，并影响储集层孔隙演化路径；文献［18］认为，泌阳凹陷在早期碱性地层水成岩作用下出现石英显著溶蚀、长石大规模次生加大的成岩特征；文献［19］发现四川盆地河包场须家河组的碱性成岩环境下石英溶蚀现象；文献［20］研究认为，东营凹陷陡坡带沙四段成岩环境继承了早期碱性盐湖的沉积环境，先后发生方解石胶结、早期绿泥石胶结、石英熔结、长石加大等碱性环境成岩作用；文献［21］研究认为，早期火山物质碱性水解是鄂尔多斯盆地延长组孔隙发育的主要原因；文献［22］研究认为，塔里木盆地砂岩中存在石英颗粒的边缘及加大边溶蚀现象，并把其原因主要归功于碱性孔隙水溶蚀作用；文献［23］进行碱性地层水对火山碎屑岩的溶蚀实验模拟研究，认为碱性水作用下火山碎屑中以石英溶蚀为主，长石及碳酸盐矿物溶蚀较弱，并且流纹质凝灰岩、沉凝灰岩在120℃及更高温度下，样品表面有钙十字沸石生成；文献［24］研究微纹长石在碱液中的溶蚀性质，认为随着pH值增高，微纹长石的溶解性增强；实际上文献［25］和文献［26］很早就通过实验模拟，证实了长石在酸性和碱性条件下均可以发生溶蚀，并且随着酸性和碱性的增强，钠长石溶蚀速率均增大。准噶尔盆地中—下二叠统存在大量的碱性自生矿物，为典型的碱性环境成岩作用的产物，前人对准噶尔盆地二叠系沉积相类型及分布演化、储集层控制因素、成岩相类型及分布等方面做了大量工作，取得一系列的成果[27-33]，但关于准噶尔盆地中—下二叠统碱性环境成岩作用至今未有相关的文献报道，而碱性环境成岩作用对于准噶尔盆地中—下二叠统储集层孔隙形成以及演化具有十分重要的影响。因此，本文通过大量的铸体薄片、扫描电镜等资料，对准噶尔盆地西北缘中—下二叠统储集层岩石学特征、成岩作用特征以及孔隙成因进行详细研究，探讨中—下二叠统碱性环境成岩作用以及与之相关伴生的各种孔隙，并分析碱性环境成岩作用对储集层储集性能的影响，以期为油气勘探工作提供地质依据。

1 研究区地质背景

准噶尔盆地是中国西北部大型含油气盆地之一，其西北缘油气资源丰富，是新疆油田勘探的主要地区[27-28]（图1）。研究区二叠系自下而上发育下二叠统佳木河组和风城组、中二叠统夏子街组和下乌尔禾组、上二叠统上乌尔禾组，下二叠统埋深为2 500～5 000 m，沉积地层厚度为1 000～1 500 m.钻井及露头资料揭示，研究区石炭纪—早二叠世火山活动频繁，呈裂隙式喷发。受火山作用影响，研究区内二叠系发育多期火山岩及火山碎屑岩。受海西运动期强烈的推覆构造运动影响，断裂带上盘二叠系普遍受到剥蚀，断裂带下盘地层持续沉降，形成“箕状式”断陷，且地层坡度较大[34]。受此构造背景影响，断裂带上盘地层的剥蚀提供了大量的物源供给，在阵发性洪水以及季节性河流的作用下，在准噶尔盆地西北缘形成了大套厚层冲积扇-扇三角洲砂砾岩沉积复合体[30-32]。因此，研究区中—下二叠统岩性总体上以灰色—棕色的砂砾岩为主，近湖盆区出现互层状（含砾）砂岩及泥岩。

图1 准噶尔盆地西北缘构造位置

2 储集层岩矿基本特征

准噶尔盆地西北缘中—下二叠统岩性以岩屑砂砾岩为主，少量的长石岩屑砂砾岩（图2）。研究区下二叠统主要是石炭系以及火山岩区提供物源，成分成熟度低，表现为石英、长石含量低，火山岩屑含量高。各层系石英平均含量为1.5%～11.2%，长石平均含量为6.4%～9.4%，岩屑平均含量为81.0%～93.6%.岩屑主要为凝灰岩，其次为中基性、中酸性喷出岩以及少量花岗岩。填隙物中杂基平均含量为2.0%～3.5%，以伊蒙混层以及火山灰为主。胶结物平均含量为2.8%～5.9%，主要为沸石类矿物，其次为碳酸盐矿物、钠长石以及绿泥石。

图2 准噶尔盆地西北缘中—下二叠统岩石成分三角图

3 碱性环境成岩作用类型及特征

对中—下二叠统的成岩流体性质的判断主要是基于自生矿物组合与黏土矿物成分。从图3可以看出，纵向上自生矿物组合和黏土矿物具有明显的分带性。以下乌尔禾组为界，中—下二叠统黏土矿物以碱性条件下稳定存在的伊蒙混层及绿泥石为主，缺少在酸性条件下沉淀的高岭石；同时自生矿物主要为碱性沸石矿物+方解石组合，同样缺少高岭石，表明储集层成岩时期孔隙流体主要为碱性。

图3 研究区二叠—三叠系自生矿物组合及流体性质

3.1 沸石类矿物沉淀

根据大量铸体薄片、扫描电镜和电子探针资料分析，准噶尔盆地西北缘中—下二叠统沸石类矿物主要为浊沸石、片沸石和方沸石3种。浊沸石在偏光显微镜下一级灰白干涉色，常呈连生状晶体，半充填或全充填粒间孔隙（图4a），扫描电镜下呈短柱状，解理发育（图4b）。研究区浊沸石多以胶结物形式产出，局部可见浊沸石交代长石以及火山岩屑，原始孔隙度高、渗透性好的砂岩更利于浊沸石的生成。片沸石在区内也普遍发育，产状有2种，一种是以连晶状全充填孔隙产状；另一种是交代火山岩屑产状。单偏光下，片沸石常呈淡红色，单晶呈板状或条状，常以平行连生的集合体产出（图4c），可见浊沸石和片沸石共生（图4d）。方沸石扫描电镜下型态为四角三八面体，或者不规则的等轴粒状，薄片下为均值体。常见凝灰岩屑被方沸石交代，以及粒状方沸石晶体半充填孔隙（图4e）。可见方沸石与钠长石共生以及方沸石与白云石共生的情况，且见到明显的方沸石钠长石化现象（图4f）。方沸石容易被酸性流体溶蚀，区内发育方沸石溶蚀孔隙[35]。沸石类矿物的形成受物源类型、沉积环境、成岩流体环境、岩石物性等多种因素控制[36-38]，但总体来说，研究区沸石类矿物沉淀与火山物质的碱性水解密不可分。火山物质碱性水解—沸石化，是沸石类矿物形成的重要途径，前人也报道过岩石成分中的火山物质含量与沸石类矿物含量存在正相关性[37]。文献［37］认为，准噶尔盆地二叠系火山物质沸石化过程为：火山玻璃—斜发沸石—方沸石—片沸石—浊沸石。

图4 准噶尔盆地西北缘中—下二叠统碱性环境成岩作用类型及特征

3.2 钠长石沉淀

研究区中—下二叠统碎屑岩中常见自生钠长石，正交光下钠长石晶体呈板条状，一级灰白干涉色，扫描电镜下也呈自形的板状晶体。钠长石以充填粒间孔、裂缝等产状出现。关于自生钠长石的来源，文献［39］认为鄂尔多斯盆地延长组斜长石浊沸石化过程中会伴生钠长石，其结果是钠长石、浊沸石共生出现。反应过程如下：

文献［40］认为，塔里木盆地库车坳陷中新生界砂岩储集层中的钠长石，是由于钾长石的钠长石化形成的，其结果是伴随着钾长石和高岭石的消耗形成钠长石和伊利石，反应过程如下：

此外，沸石类矿物在成岩后期的矿物转化也可以形成钠长石，方沸石钠长石化就是钠长石形成的重要途径，浊沸石也可以钠长石化。

通过大量薄片鉴定，研究区中—下二叠统钠长石常与方沸石伴生（图4f），以及出现在火山碎屑的溶蚀孔中（图4g），表明钠长石具有多成因特点。综上认为，研究区钠长石可以是火山玻璃水化—沸石化—钠长石化，以及火山岩屑中的斜长石蚀变钠长石化形成。中—下二叠统大量的火山碎屑为钠长石形成提供了多种物质来源以及可能的形成路径，值得注意的是，不同物质的钠长石化需要满足一定的温压条件。

3.3 黏土矿物转化及沉淀

黏土矿物作为母岩物质的风化产物，其对于气候条件、成岩环境有着很好的指示性[41]。高岭石一般认为是酸性介质中长石、云母等铝硅酸盐矿物被强烈淋滤的产物；绿泥石形成环境为富Fe2+和Mg2+的碱性条件；伊利石则认为是在弱碱性条件下，由长石、云母等硅酸盐矿物经受风化脱钾作用形成；蒙脱石的形成也需要弱碱性、富Na+和Ca2+的条件，火山物质碱性条件极易蚀变形成蒙脱石。而随着成岩水介质环境的变化以及阳离子的交换，黏土矿物之间也会发生相互转化。通常随着pH值的增大，孔隙水环境转变为碱性，K+的加入使得高岭石向伊利石转变，Fe2+和Mg2+的加入使得高岭石向绿泥石转变，同样蒙皂石在碱性条件也会向伊利石和绿泥石转变；相反，如果孔隙水环境变为酸性，则蒙脱石、伊利石和绿泥石会蜕变成高岭石。

通过对大量岩石薄片、扫描电镜和X射线衍射资料的详细分析，研究区中—下二叠统黏土矿物以叶片状的伊蒙混层最发育（图4h），其次为粒间及粒表绿泥石（图4i），高岭石含量极少。富伊蒙混层、绿泥石，贫高岭石的黏土矿物组合说明埋藏成岩期孔隙水环境主要为偏碱性。

3.4 火山碎屑水解

前文所述，火山碎屑水解是准噶尔盆地二叠系沸石类矿物的主要成因，表明火山碎屑碱性溶蚀水解作用普遍存在。众多学者通过实验模拟的方式证实火山碎屑在碱性条件下可以发生溶蚀，溶蚀组分为火山碎屑中的长英质[25-26]。西北缘二叠系沉积之后，孔隙流体在压实流作用下通过厚层的含火山碎屑物质岩层，流体盐度及碱度升高，碱性流体促使火山碎屑物质发生水解，转变为黏土矿物及沸石类矿物，火山物质水解后可释放出大量的 K+，Na+，Ca2+和Mg2+等碱金属离子，使得成岩流体碱性持续增强，继续促进火山碎屑物质的水解[17]。

4 碱性环境成岩作用对储集层孔隙的影响

4.1 与碱性环境成岩作用相关的孔隙类型

经典的有机酸溶蚀硅酸盐矿物形成碎屑岩次生孔隙带的理论已深入人心，研究人员一般忽视碱性条件下次生孔隙的形成，究其原因主要有2方面：一方面，碱性条件下容易沉淀方解石，从而对储集层孔隙形成不利，并且通常认为的碱性条件下只溶蚀石英，但石英在碱性条件下的溶解度很小，形成不了大规模溶孔；另一方面，大多认为长石在碱性条件下趋向沉淀，而非溶蚀，因此也忽略长石以及火山岩屑中的长石组分在碱性条件下的溶蚀。由文献［25］和文献［26］可知，长石在酸性和碱性条件下均可发生溶蚀，只要化学反应平衡被打破，反应后溶液中金属阳离子被持续带出，化学反应就能正向进行。因此从这个角度重新审视储集层孔隙成因具有重要意义。在研究区中—下二叠统可以识别出3种与碱性环境成岩作用相关的孔隙：火山碎屑溶蚀孔、钠长石化伴生孔和黏土矿物晶间孔。

（1）火山碎屑溶蚀孔 火山碎屑溶蚀孔构成了碱性成岩环境下的主要的次生孔隙类型。研究区火山岩屑溶蚀孔主要是碱性水条件下水解成因，而非有机酸及大气淡水的酸性溶蚀成因，其主要依据有2方面：一方面，中—下二叠统成岩流体环境为碱性，中成岩阶段有机质成熟释放的有机酸不可能将地层碱性孔隙流体完全转变为酸性，再对碎屑颗粒进行溶蚀，形成如此大规模的溶蚀孔分布。另一方面，大气淡水主要对不整合面附近的地层有一定的淋滤作用，根据实际地震资料，不整合面宽度即大气淡水的影响范围，为10～20 km，不会影响到斜坡带中部的储集层，而斜坡带中部的溶孔显然不是大气淡水淋滤形成的。同时，不排除油气大量冲注伴随的有机酸沿着优势运移通道，改变局部的流体环境，在局部产生有机酸溶蚀孔，以及在不整合面附近地层受到大气淡水淋滤的影响，而这可以被局部地区储集层中分布的自生高岭石记录到。基于以上推断，研究区中—下二叠统火山碎屑溶蚀孔主要为碱性水溶蚀成因，并且是主要的次生孔隙类型，同时不排除存在酸性溶蚀孔，但关于碱性溶蚀孔和酸性溶蚀孔的界定是比较困难的。火山碎屑碱性水解孔形成时间较早，火山碎屑溶蚀程度不一，溶蚀强烈者可形成铸模孔，部分溶蚀孔隙中见伴生的方沸石充填（图5a，图5b）。

（2）钠长石化伴生孔 火山碎屑及斜长石钠长石化过程中，由于火山碎屑、斜长石溶蚀速率快于钠长石沉淀速率，因此钠长石常常不能充满整个孔隙，孔隙中沉淀的自生钠长石晶体呈短柱状向多个方向生长，在其间形成钠长石充填残余孔（图5c，图5d）。

（3）黏土矿物晶间孔 主要为纳米级的自生伊利石以及绿泥石晶间孔（图5e，图5f）。由于黏土矿物晶间孔隙难以在铸体薄片下被观察以及被准确的估算，因此，利用公式P=CRϕ估算黏土矿物晶间孔的面孔率（其中P为伊利石或绿泥石晶间面孔率，%；C为黏土矿物绝对含量，%；R为伊利石或绿泥石相对含量，%，ϕ为伊利石或绿泥石晶间孔隙度，%）。由文献［42］可知，绿泥石或伊利石晶间孔隙度分别可达51%和63%，可以求得中—下二叠统绿泥石和伊利石晶间孔面孔率为3.0%～5.0%，而研究区储集层显孔平均面孔率为0.5%～5.0%，可见对于致密储集层而言，黏土矿物晶间孔是很重要的孔隙类型。

图5 准噶尔盆地西北缘中—下二叠统碱性成岩环境伴生孔隙类型

4.2 中—下二叠统储集层孔隙演化过程

经典的有机酸次生孔隙形成理论认为，干酪根在镜质体反射率（Ro）达到0.5%后，有机质成熟生烃，此过程伴随有机酸的大量释放，次生孔隙也主要在这个阶段大量出现[6-9]，此阶段对应于中成岩阶段A期[5]。因此酸性成岩环境下储集层孔隙演化过程一般为：早成岩阶段压实作用导致原生孔隙的大量损失；中成岩阶段有机质成熟生烃排酸，长石溶蚀形成大量的有机酸溶蚀孔，造成纵向上发育次生孔隙带；晚成岩阶段伴随有机酸的消耗，含铁方解石胶结破坏储集层孔隙。总体储集层孔隙度变化过程为先迅速减小，后增大，再减小。

而由前文分析可知，碱性环境下，大规模的碱性孔隙流体可以在早成岩阶段对火山碎屑进行溶蚀，形成火山碎屑溶蚀孔，而中成岩阶段有机酸由于受到碱性孔隙流体的抑制，酸性溶蚀孔规模小。对于中—下二叠统储集层，具体来说：早成岩阶段，随着地层埋深加大，成岩作用以机械压实为主，由于中—下二叠统砂砾岩分选差，泥杂基含量高，在强烈压实下，原生孔隙迅速减少（图6）。同时，由于压实流的作用，孔隙流体通过厚层的含火山碎屑物质岩层，盐度及碱性升高，火山碎屑物质发生水解转变为黏土矿物及沸石类矿物沉淀，火山物质水解可释放出大量的K+，Na+，Ca2+和Mg2+等碱金属离子，使得成岩流体环境碱性持续增强[36]，伊利石、自生绿泥石等黏土矿物发生沉淀及转化。早成岩阶段是碱性环境成岩作用相关孔隙形成的主要阶段。早成岩阶段末期至中成岩阶段早期，随着有机质进入成熟阶段，开始生烃释放有机酸，局部孔隙流体环境由碱性变为酸性，局部有机酸溶蚀火山碎屑以及早成岩阶段形成的沸石类矿物（主要是方沸石），形成火山碎屑溶蚀孔及沸石溶蚀孔。由于早成岩阶段压实作用导致储集层原生孔隙大量减少、渗透性大大降低，此时孔隙流体渗流缓慢，溶蚀物质交换不畅，再加上有机酸受碱性孔隙流体的抑制，整体溶蚀程度较弱。中成岩阶段也发生沸石矿物的脱水转化，如浊沸石—片沸石化、方沸石钠长石化等[36-37]。中成岩阶段末期至晚成岩阶段，随着烃源岩进入过成熟阶段，有机酸含量减少，孔隙流体pH值再次升高，此阶段出现的晚期铁方解石以及铁白云石胶结使得储集层物性再次下降，储集层变得致密。

图6 准噶尔盆地西北缘下乌尔禾组致密储集层孔隙演化过程

4.3 碱性环境成岩作用对储集层质量的影响

（1）碱性流体造成储集层流体压实效应强 即碱性流体下储集层压实率高，不利于原生孔保存。文献［43］研究提出储集层流体压实效应，即不同流体条件下储集层压实率存在明显差异，其实质是储集层骨架颗粒在强酸性或强碱性流体下发生溶蚀，从而降低砂岩的抗压实性能。研究区中—下二叠统砂岩在早成岩阶段就发生碱性水解，导致砂岩抗压性较差，后期压实进程快。根据模拟实验可知（图7），pH值为1的强酸性条件下，砂岩抗压实性最差，流体压实量最大，而pH值为7的中性条件下，砂岩抗压实性能最强，流体压实量最小，2种流体压实量差值可达4%左右。由物模实验及推测，砂岩在强碱性成岩流体条件下比在中性成岩流体条件下少保存2%～4%的孔隙。

图7 砂砾岩保孔量与成岩流体pH值关系

（2）碱性成岩环境下储集层自生矿物多，局部胶结减孔量大，储集层非均质性强 由前文分析可知，碱性流体成岩环境下，有浊沸石、方沸石、片沸石、绿泥石等多种自生矿物沉淀，其中以沸石类矿物为主，沸石类矿物沉淀量多者可达12%.孔隙度与沸石类矿物含量有明显的负相关性（图8），沸石类矿物含量增加6%，孔隙度减少约2.5%，沸石类矿物呈斑块状分布，局部沸石类矿物的强烈胶结造成储集层丧失储集性能，这种自生沸石类矿物分布的非均质性也造成了中—下二叠统储集层的非均质性强。

（3）碱性流体溶蚀增孔效率高，火山碎屑碱性溶蚀孔是重要的储集空间类型 由铸体薄片统计可知，碱性溶蚀孔面孔率约2%～5%.碱性溶蚀孔最发育的部位为斜坡带中部，相带为扇三角洲前缘（图9）。其原因有2方面：一方面从斜坡区到湖盆区，成岩流体碱性增强；另一方面，扇三角洲前缘砂体的原始渗透性好，受压实、胶结减孔之后保留下来的孔隙也更多，此部位溶蚀离子交换顺畅；而斜坡带上部通常为冲积扇或扇三角洲平原沉积环境，砂岩渗透性差，离子易在此处富集，形成胶结物沉淀，而凹陷带深部，由于岩性较细，渗透性也较差，同样不利于离子的交换，总体溶蚀作用较弱。

图8 准噶尔盆地西北缘中—下二叠统储集层孔隙度与沸石类矿物含量交会图

图9 准噶尔盆地西北缘中—下二叠统碱性水溶蚀模式

5 结论

（1）准噶尔盆地西北缘中—下二叠统储集层经历了碱性环境成岩作用，包括火山碎屑水解、沸石类矿物沉淀、钠长石晶体沉淀以及黏土矿物转化及沉淀。

（2）准噶尔盆地西北缘中—下二叠统存在多种与碱性成岩作用相关的孔隙，包括火山碎屑溶蚀孔、钠长石化伴生孔、黏土矿物晶间孔。

（3）准噶尔盆地西北缘中—下二叠统孔隙演化特征为：早成岩阶段除压实减孔外，还存在碱性溶蚀增孔，中成岩阶段有机酸溶蚀作用较弱。

（4）碱性环境成岩作用对准噶尔盆地西北缘中—下二叠统储集层主要影响有：碱性流体压实效应强；自生胶结物类型及含量多，造成局部胶结减孔量大；碱性溶蚀增孔效率高，碱性溶蚀孔发育。

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