章順利，呂正祥，熊晨皓，紀 萍，齊玉民

（1.成都理工大學 能源學院，成都 610059；2.中國石油 新疆油田分公司 采油一廠，新疆 克拉瑪依 834000；3.中國海油 鉆采工程研究院 渤海實驗中心，天津 300452）

硅質(zhì)膠結(jié)物是深埋藏碎屑巖儲集層中常見的膠結(jié)物之一，同時也是影響硅質(zhì)碎屑巖儲集性能的最主要成巖物質(zhì)[1]。在砂巖埋藏溫度超過60℃時，硅質(zhì)膠結(jié)物將克服沉淀阻力屏障，在石英碎屑顆粒表面沉淀，并在80℃時開始形成明顯的石英膠結(jié)物。砂巖中硅質(zhì)膠結(jié)作用受到石英沉淀速率的控制，而石英沉淀速率對溫度高度敏感[2]，且受宿主石英顆粒粒徑的影響[3]，因而石英膠結(jié)物的體積或數(shù)量是時間、溫度、宿主石英顆粒粒徑和表面積的函數(shù)[4]，硅質(zhì)膠結(jié)物在巖石中的生長方式及其晶型眾多，通常硅質(zhì)膠結(jié)物在碎屑石英顆粒表面上共軸生長而形成石英次生加大，最終部分或者完全地阻塞粒間孔隙，極大地降低了儲集層儲集能力。而微晶石英包殼作為硅質(zhì)膠結(jié)物的一種，是常常被人們忽視的一類建設(shè)性成巖作用，其發(fā)生在巖石因壓實作用而顆粒相對位置完全固定之前的較早成巖階段[5]，能有效抑制其他類型的硅質(zhì)膠結(jié)物生長，圍繞碎屑顆粒的微晶石英包殼在許多地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)[6-8]。

硅質(zhì)膠結(jié)物的形態(tài)一般為與石英顆粒共軸生長的石英加大，但微晶石英與宿主石英顆粒卻不具有光學和結(jié)晶學的連續(xù)性[5]。微晶石英包殼與自生綠泥石包殼相似，覆蓋在碎屑石英顆粒表面，包殼由一層大約0.5～10.0 μm的棱柱狀石英晶體構(gòu)成，一旦微晶石英圍繞碎屑顆粒形成包殼，進一步同軸生長的硅質(zhì)膠結(jié)物將被抑制。因此，早期的微晶石英包殼可以抑制石英次生加大和壓實作用，使深層和超深層砂巖儲集層可以保持較高的孔隙度[9]。盡管前人對微晶石英膠結(jié)物可以保持原生孔隙的重要性已經(jīng)進行了大量研究，但仍然存在較大的爭議，包括硅質(zhì)的來源、產(chǎn)狀、共生順序及其同質(zhì)異像體動力學轉(zhuǎn)換機制[10]。岐口凹陷侏羅系埋深普遍超過2 500 m，但在深埋藏條件下仍擁有較好的與微晶石英有關(guān)的原生孔隙，因此，對微晶石英包殼形成機制與成巖演化進行研究，對渤海灣盆地深層油氣勘探具有重要的意義。

1 地質(zhì)背景

岐口凹陷為渤海灣盆地黃驊坳陷的一個次級構(gòu)造單元，周邊被燕山褶皺帶、滄縣隆起、沙壘田凸起、埕寧隆起圍限。研究區(qū)受埕寧隆起持續(xù)抬升和岐口凹陷持續(xù)、強烈沉降及北西—南東向拉張應力場作用的影響，形成了分布廣泛的斜坡構(gòu)造[11]（圖1）。斜坡構(gòu)造是斷陷盆地內(nèi)部連接凸起與凹陷的構(gòu)造單元，是盆內(nèi)外碎屑物源沉積形成的主要富砂地帶，因其緊鄰生烴凹陷，長期處于油氣運移的優(yōu)勢路徑中，是巖性地層油氣藏發(fā)育的主要場所。岐口凹陷地層自下而上依次為中—下三疊統(tǒng)、中—下侏羅統(tǒng)、古近系沙河街組和東營組、新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組以及第四系平原組。其中，中—下侏羅統(tǒng)、古近系沙河街組和新近系是岐口凹陷主要的含油層系[12]。受印支運動和燕山運動構(gòu)造活動的影響，研究區(qū)發(fā)育多套不整合和多條斷層，在古生界、中生界、古近系和新近系之間均為不整合接觸。侏羅系與古近系之間的不整合，是研究區(qū)分布最廣、發(fā)育時間最長的不整合[13]。由于抬升剝蝕改造，研究區(qū)侏羅系殘留砂體零星分布，不同地區(qū)砂體具有不同特征。研究區(qū)侏羅系為近源辮狀河直接入湖形成，主要為扇三角洲、辮狀河心灘和沿岸沙壩沉積的含凝灰質(zhì)的陸相碎屑巖煤系地層，含豐富的植物化石[12-14]。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造位置

2 儲集層特征

2.1 礦物巖石學特征

通過巖心和巖石薄片熒光顯微鏡觀察，侏羅系主要為淺灰色砂礫巖、含礫砂巖（圖2a）、粗砂巖、中砂巖、細砂巖以及凝灰?guī)r，凝灰質(zhì)含量高是其最大特征，掃描電鏡下可見其蝕變而成的蒙脫石或伊蒙混層（圖2b），黏土礦物中伊蒙混層含量較高，平均達50%以上。侏羅系砂巖儲集層主要為巖屑長石砂巖、凝灰質(zhì)砂巖（圖2c，圖2d），其次為長石巖屑砂巖和砂礫巖，結(jié)構(gòu)及成分成熟度較低，含較多的凝灰質(zhì)雜基。長石多以堿性長石為主，見少量長石溶蝕成蜂窩狀（圖2e），高嶺石化及絹云母化常見；巖屑則以酸性噴出巖巖屑為主。接觸方式主要為點接觸，原生孔隙較發(fā)育（圖2e），但微晶石英不發(fā)育層段壓實作用較強，孔隙發(fā)育差（圖2f）。

圖2 研究區(qū)侏羅系儲集層巖石學顯微照片

膠結(jié)物以硅質(zhì)和碳酸鹽為主，硅質(zhì)膠結(jié)物早期為圍繞碎屑顆粒（石英、長石）的孔隙微晶石英包殼（圖2e，圖2g），局部可見少量長石顆粒溶蝕但殘余有微晶石英包殼（圖2e），以及少量充填粒間的自生石英顆粒和石英次生加大（圖2e，圖2h）；掃描電鏡下可清晰看見沿顆粒表面生長的自形六棱柱微晶石英小晶簇（0.1～15.0 μm），多沿顆粒C軸（與宿主碎屑顆粒表面平行）生長（圖2g，圖2i）。在微晶石英不發(fā)育的地方，見較大充填粒間孔隙共軸生長的石英次生加大（圖2h），還可見晚期書頁狀高嶺石、葉片狀綠泥石和纖維狀伊利石生長在微晶石英表面（圖2g，圖2h）。局部可見少量的碳酸鹽膠結(jié)物，為粒間的早期連晶方解石和晚期交代長石、巖屑的方解石，顯微薄片下可見早期連晶方解石輕微交代微晶石英，因此其形成時間晚于孔隙微晶石英包殼（圖2a）。

2.2 陰極發(fā)光特征

陰極發(fā)光下石英碎屑顆粒顯示均一的暗棕色或暗藍色光，鉀長石顯示亮藍色（圖2d），無論是石英還是長石碎屑顆粒，都可見微晶石英包殼發(fā)育，呈明暗相間的條帶，條帶為含硅離子溶液中微量元素變化的結(jié)果。同時可見粒間凝灰質(zhì)雜基顯示不均一的與硅質(zhì)膠結(jié)物類似的棕黃色發(fā)光特征，并可見少量的凝灰質(zhì)雜基溶蝕。

2.3 礦物元素特征

火山物質(zhì)中的元素含量常用來判斷成巖過程中元素遷移的富集與耗損[10]。無定型硅、微晶石英硅的富集與火山物質(zhì)相關(guān)，因此，元素的富集與損耗信息可以由相對穩(wěn)定的Al，SiO2，CaO，MgO和FeO信息來獲取[10]。選擇不同的物質(zhì)對其主要的化學組成進行定量分析（表1），無定型硅、微晶石英和凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的SiO2，CaO和MgO含量相近，而微晶石英具相對較低的Al2O3，Na2O，K2O和FeO含量，后期石英加大具有較高的SiO2含量，其他成分的含量則相對較低。

表1 研究區(qū)Q17-3井不同類型礦物常量元素含量

2.4 同位素值

微晶石英包殼太小，無法進行包裹體溫度測量，但通過微晶石英與其他自生礦物的相互賦存關(guān)系，可借助其他的自生礦物的形成時期，來推斷微晶石英的形成時期。研究區(qū)侏羅系砂巖中自生礦物的賦存特征表明，微晶石英包殼的形成明顯早于孔隙充填的方解石膠結(jié)物（圖2a），通過激光同位素微取樣技術(shù)，結(jié)合質(zhì)譜分析，獲得了微晶包殼外圍的方解石的氧同位素值，并利用同位素溫度計求得礦物的形成溫度[15]（表2）。

表2 研究區(qū)方解石膠結(jié)物碳和氧同位素值及換算溫度

3 自生微晶石英包殼形成機制、演化序列及其對儲集層的影響

3.1 硅的來源

溶蝕的生物硅，特別是海綿骨針、硅藻的快速溶蝕，形成較高的硅離子濃度，被認為是蛋白石、玉髓和微晶石英主要的硅源[16]。當然，無機硅也有可能成為重要的硅源，壓溶作用導致縫合線、黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長石的溶蝕，也可以提供一定數(shù)量的硅；火山灰是另外的一種可能的硅源，特別是與火山灰相關(guān)的早成巖礦物沸石和火山玻璃的蝕變[17-18]。巖石薄片資料表明，巖石碎屑顆粒以點接觸為主，而微晶石英形成較早，黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長石的大量溶蝕作用需要在較高溫度的埋藏成巖作用下發(fā)生，因此，沒有證據(jù)表明壓溶作用、黏土礦物的轉(zhuǎn)換和長石的溶蝕是可能的硅源。而研究區(qū)侏羅系含較多的火山物質(zhì)，貧含硅的生物碎屑。很多學者對火山玻璃蝕變元素的遷移做了研究[9]，掃描電鏡下可見火山物質(zhì)蝕變成蒙脫石或者伊蒙混層（圖2b）。電子探針測試結(jié)果表明，無定型硅、微晶石英和凝灰質(zhì)火山物質(zhì)具有類似的元素含量（表1），可能與火山物質(zhì)中含一定的長石和云母有關(guān)，這些礦物水化后向孔隙水中提供了金屬陽離子[19]。陰極發(fā)光下也可見粒間溶蝕殘余的凝灰質(zhì)雜基，其顯示不均一，具有與微晶石英類似的棕黃色發(fā)光特征。因此，微晶石英的硅源可能來自于凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的蝕變。電子探針資料顯示，后期石英加大的SiO2含量比微晶石英和凝灰質(zhì)高，其他成分含量則相對較低，且掃描電鏡下局部見少量的長石溶蝕面上覆蓋有自形微晶石英（圖2e），以及少量充填粒間的自生石英顆粒和石英加大，可見自生石英加大硅來自于長石的溶蝕，與早期微晶石英包殼的硅源不同。

3.2 硅質(zhì)膠結(jié)物的生產(chǎn)方式

在不同的硅離子濃度下沉淀硅的同質(zhì)異形體及其成核速率受到了廣泛關(guān)注。國外學者認為，普遍存在的位于碎屑顆粒和微晶石英之間的無定型硅，是在較高的硅離子飽和度下沉淀的，隨后硅離子濃度下降而經(jīng)歷重結(jié)晶轉(zhuǎn)變的無定型硅（無定型硅→玉髓→微晶石英的轉(zhuǎn)換），是微晶石英的先驅(qū)[9]。岐口凹陷侏羅系砂巖中，凝灰質(zhì)火山物質(zhì)水化蝕變快速釋放的溶解硅，有利于無定形硅質(zhì)膠結(jié)物的形成，無定型硅的厚度則控制了后來的流體接近碎屑顆粒的通道。無定型硅是微晶石英的先驅(qū)，由于無定型硅的沉淀，孔隙流體中的硅離子濃度必然下降，導致無定型硅重結(jié)晶形成了共生的納米級微晶石英[9]，其生長方位沿C軸方向任意旋轉(zhuǎn)（圖2i），與宿主石英顆粒不具有光學和結(jié)晶學的連續(xù)性。

3.3 自生微晶石英砂巖的成巖演化序列

根據(jù)砂巖中發(fā)生的主要成巖作用類型及其礦物的賦存關(guān)系，確定了含自生微晶石英砂巖的成巖演化序列（圖3），并通過包裹體均一溫度、同位素地質(zhì)溫度等，確定主要成巖礦物的形成時期（表2）。微晶石英形成最早，其次為早成巖期的連晶方解石，形成溫度低（57.2～66.9℃）；另一期方解石膠結(jié)物形成較晚（122.0℃），為交代長石和巖屑顆粒的產(chǎn)物。在微晶石英不發(fā)育處，石英加大和充填石英較發(fā)育，可見長石溶蝕表面的石英顆粒，石英加大最高均一溫度超過145.0℃，形成時間晚于溶蝕作用。自生黏土礦物主要為高嶺石、綠泥石和伊利石，較多高嶺石生長于充填原生孔隙的自生石英晶體上，說明其形成晚于自生石英；綠泥石、伊利石生長于書頁狀的高嶺石上，反映其形成時間晚于高嶺石。

研究區(qū)侏羅系目前埋深一般大于3 000 m，泥巖中的黏土礦物主要為伊利石，鏡質(zhì)體反射率大于1.0%，根據(jù)上述特征以及碎屑巖成巖階段劃分標準，研究區(qū)侏羅系砂巖儲集層整體進入到中成巖階段A期，局部進入到了中成巖階段B期。

圖3 研究區(qū)侏羅系砂巖儲集層成巖序列

綜上所述，其成巖演化序列為：早期淡水凝灰質(zhì)溶蝕→微晶石英包殼→早期連晶方解石→煤系地層酸性水溶蝕作用→石英加大→方解石→有機酸溶蝕作用→石英加大→高嶺石→綠泥石→伊利石→鐵方解石→白云石或鐵白云石→黃鐵礦。

3.4 微晶石英對孔隙的保護機制

在碎屑巖中隨著埋藏深度的增加，石英加大繼承了宿主石英顆粒的結(jié)晶方位，形成相對較大的石英晶體（50～100 μm），當溫度超過100℃時，向孔隙中生長的石英加大晶體降低了砂巖的孔隙度[20]。相反，在早成巖期微晶石英以細小襯墊、包殼形態(tài)，阻礙石英次生加大生長，抵制壓實作用，保護了孔隙[4-5，9]，微晶石英對石英次生加大的抑制能力，可能與其晶體生長力學機理有關(guān)[21]。其抑制作用原因主要是：①碎屑石英表面被溶液中過飽和形成的無定形硅和玉髓包裹，遮蓋了石英次生加大的成核點；②微晶石英晶體的沿C軸方向快速生長可能阻止其結(jié)合成更大的共軸加大石英，顯著防止了石英晶體向孔隙中間的生長而減少孔隙空間[3]，或其生長速度大幅度變慢從而抑制石英次生加大生長[3]。這兩個因素在很大程度上抑制了石英次生加大的生長，其主要原因是最初形成的較厚的無定型硅膜將不允許生長的石英晶體具有與碎屑宿主一樣的晶體連續(xù)性，從而形成晶體方位隨機的微晶石英，其隨機的晶體方位可以防止或抑制許多細小晶體單元集中生長、融合成為更大的生長單元形成石英次生加大，但同時由于不規(guī)則生長的微細晶體相互接觸，可以有效抵御壓實作用最終保存絕大多數(shù)的原生孔隙，形成儲集空間以原生孔隙為主的有利儲集層。但也有學者認為，微晶石英包殼對石英次生加大的抑制作用，在于微晶石英具有更大的溶解度，使得孔隙水中硅的飽和度增加，從而抑制了壓溶作用中石英顆粒的溶解，但不足以使微晶石英進一步生長重結(jié)晶成石英加大而阻塞孔隙。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)侏羅系儲集層主要為巖屑長石砂巖、凝灰質(zhì)砂巖，其次為長石巖屑砂巖和砂礫巖，結(jié)構(gòu)及成分成熟度較低，含較多的凝灰質(zhì)雜基，孔隙以殘余原生孔為主。

（2）通過礦物的賦存關(guān)系、包裹體均一溫度、同位素地質(zhì)溫度計，建立了侏羅系微晶石英砂巖成巖演化序列：早期淡水凝灰質(zhì)溶蝕→微晶石英包殼→早期連晶方解石→煤系地層酸性水溶蝕作用→石英次生加大→方解石→有機酸溶蝕作用→石英次生加大→高嶺石→綠泥石→伊利石→鐵方解石→白云石或鐵白云石→黃鐵礦。

（3）自生微晶石英的硅源主要是來自于凝灰質(zhì)火山物質(zhì)的蝕變，形成時間早，沿C軸隨機方位生長的晶體可以抑制許多細小晶體單元集中生長、融合成為更大的生長單元的石英次生加大，同時由于不規(guī)則生長的微細晶體相互接觸，提高了巖石的抗壓實強度，并最終保存絕大多數(shù)的原生孔隙。