二叠系红岩砂岩，红岩成岩作用以及储集层的质量控制

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文丨小志一直说
编辑丨小志一直说
硅质砂岩储层拥有世界上60%的碳氢化合物，具有重大的经济利益。在过去20年中，这些储集层的利用已扩大到油气开采以外，还用于地热能源勘探和氢储存。
在地质年代内成岩过程中，沉积成砂后，机械和化学压实会导致砂岩的固结过程。成岩作用影响岩石的孔隙度和渗透率以及作为储集层的生存能力。

砂岩在掩埋过程中经历成岩变化，与最初的碎石成分和颗粒涂层矿物有关，随着时间的推移，热暴露以及热液循环控制温度重叠的故障。
除了垂直有效应力外，机械和化学增粘剂的存在控制着储层砂岩的压实行为。与渗透率正常相比，平行于层间进行的渗透率测量的非均匀性将受到定量限制。

光学孔隙度与渗透率和氦孔隙度呈正相关关系，光学孔隙度比氦孔隙度低得多。这一对比在光学孔隙度低至相应氦孔隙度10%的康伯格砂岩中尤为明显，而弗赖奇廷根砂岩中的光学孔隙度约占氦孔隙度的30%，云石中的光学孔隙度约占氦孔隙度的50%。
颗粒间体积与渗透率和氦孔隙率无相关性，涂层与氦孔隙度或渗透性没有相关性，在高渗透性和多孔岩石中，不透明颗粒、谷物涂层是最少的。

石英水泥中丰度较高的具有较高的渗透率和氦孔隙度，闪石与石英水泥与渗透率或孔隙度没有相关性。所有粘土矿物的丰度与整个种群的渗透率和氦孔隙度呈负相关关系。当粘土和碳酸盐水泥一起时，对渗透性和孔隙度的影响就更明显了。
机械压实在因掩埋而初步沉降后开始。由于通过压实和胶结作用进行的持续固结，清洁砂岩中机械压实对孔隙率的影响通常开始接近2公里以上的掩埋深度的平衡。

切向粘土矿物或铁氧化物颗粒涂层包含了碎片颗粒并存在于颗粒接触处，比任何其他自生矿物都要早。有色素的和连续的铁氧化物涂料，其来源是含铁矿物的风化作用。
由于长石在气象水域的PH值条件下不稳定，溶解过程导致形成颗粒内长石孔隙可能已经开始预先沉积，并可能在整个早期成岩作用过程中开始，直到在成岩作用期间被雨水捕获的影响。

高岭石一定是在不分解之前形成的，很可能是在早期成岩作用期间形成的。早期成岩过程包括长石的溶解和随后的高岭石的形成。早期成岩作用过程中形成的高岭岩在随后的掩埋过程中被高岭岩迪基岩组合所取代，在地球化学公开体系中形成伊利石。
方解石中的方解石胶合物表现出浮点颗粒触点颗粒所覆盖的近千层结构。在康堡砂岩中，有类似的白云石的近千度质结构，并具有浮动到点状的晶粒接触，可能与海洋入侵有关。

由于在晶粒接触点上有伊利物颗粒涂层，它们或前驱矿物相在机械压实之前必须存在，还从其他旋转型矿床中推断出切向型伊利石的再结晶。支持掩埋成岩再结晶或替换前粘土矿物颗粒涂层。小氯化碳粘土矿物颗粒涂层相通过小氯化碳前驱相的再结晶形成。
石英胶结作用依赖于二氧化硅的有效性，二氧化硅可以来源于蒙脱岩的本土化作用，从解体缝或外来热液循环，康堡砂岩中的二氧化硅被认为主要来源于蒙脱岩的本土化。因为大量的伊利石和长石，德国北部盆地的二氧化硅起源可能与热液循环有关。

由于彭里斯砂岩中长石的丰度较小，暗示了丰富的石英水泥的一种外来来源。在含石英的石英颗粒或岩石碎片上更容易促进石英胶合作用，其结果是粘土涂层减少了衬底面积，减少了石英水泥的丰度。
石英衬底的粒径和单晶度或多晶度也会影响过度生长的水泥体积。在成岩作用期间，当受相同条件的影响时，较小的颗粒相对于较粗的颗粒上形成了较小体积的共生过度生长水泥。

单晶粒在相同的条件下形成更大体积的合成石英水泥，同尺寸的多晶颗粒则形成更大体积的复合石英水泥。石英水泥的生长速率也随着粒径的增加而增加，在达到欧面体形状之前显著更高，在达到欧面体形状之后显著更低。
长石、蒙脱石和高岭石的脱盐作用提供了二氧化硅，有可能被富含二氧化硅的热液强化与化学压实过程中调动的二氧化硅结合在一起，为在整个成岩作用过程中对石英水泥的原位形成负责。

碱性条件下石英溶解度增加，而碳酸盐的溶解性在酸性条件下通常会增加。在相对中性的PH体系下，同时期的石英和铁铁矿的形成在地球化学上是似是而非的。
伊利石的形成一般在酸性条件下是有利的，并视其形成过程而定，温度从70℃至140℃不等。基于德国北部和荷兰北部盆地的构造关系，结合填充网眼伊利岩的时间，倒填伊利石可以说是在岩石胶结作用发生的成岩作用期间形成。

石英、伊利石、石英界面上的石英颗粒之间的长粒接触，通过电化学电位差增强了化学压实作用。强烈的化学压实应主要需要连续的伊利石GTG涂层，以及缺乏主要的早成岩填充，这将抑制发展或缝合的谷物到谷物接触。
高岭石通常是在早期成岩作用中形成的，相对于它的掩埋成岩产物伊利石和绿泥岩来说，它更倾向于较低的温度和大气。早期成岩高岭石的含量很小，在掩埋成岩作用过程中部分变质，可能是由于酸性流体。

岩石中碳酸盐的溶解表现为石英水泥所吞噬的菱形次生孔隙度，这意味着溶解过程发生在石英胶结之后。与低渗透性的康堡砂岩相比，佩里斯砂岩的渗透性明显较高，也被认为具有催化碳酸盐溶解的作用。
垂直渗透异质性水平间的偏移较大及垂直渗透性在较少渗透的砂岩中，垂直渗透率似乎与水平渗透率有关，水平渗透率主要受成岩变化控制。沉积环境和粒径在浅层中应具有更大的重要性，不需要大量成岩覆盖，而成岩诱导的砂岩渗透率降低则随着埋深的增加而增加。

岩屑成分被解释为对储集层的质量没有影响，因为康堡砂岩和潘里斯砂岩都显示出主要成熟的、以石英为主的碎屑成分，但渗透率和孔隙度有显著差异沉积环境的影响并不直接，因为在风成沙丘中观察到最佳和最差的储集层质量，沉积体系是影响储层质量的主要或主要控制因素之一。
粒径较大通常会导致高渗透性，彭里斯砂岩中也是很明显的，但是对于弗赖克廷根和康伯格砂岩，没有这样的区别。由于较大的填料诱导孔隙，更好的分选会对储集层的质量产生积极影响。

沉积参数与储层质量之间缺乏明确的相关性被解释为沉积过程中储层质量控制参数叠加的显著成岩套印作用，特别是在康贝格和弗莱德根砂岩中，储集层质量评价应始终包括成岩蚀变分析。
由于潜在孔隙度从约45%降至26%，一般认为机械压实是清洁砂岩早期成岩过程中孔隙度损失的最重要因素。

在只有几米的横向距离上，孔隙度还原过程从主要的压缩控制到主要的水泥控制有所不同。用颗粒涂层覆盖度量化的粮食涂层可以抑制石英胶结，由于早成岩碳酸盐沉淀作用，康伯格砂岩的发展趋势不同于弗乐根根和彭瑞石砂岩，这与硅质碎屑砂岩中的颗粒涂层覆盖无关。
康堡砂岩早成岩碳酸盐胶结作用减少了碎屑石英颗粒的有效表面积，导致石英水泥的数量相当于菲氏砂岩，尽管弗氏根砂岩的颗粒涂层覆盖率要高得多，对储集层质量的直接影响仍不明显。

谷物到谷物涂层的趋势关联性较弱，是由于在石英-伊利特-石英界面上的电化学电位差异催化了化学压实作用。
伊利石粘土涂料具有潜在抑制石英胶结作用，但与绿泥石涂料相反，伊利石涂料对储集层质量的影响最大。要充分解决伊利物颗粒涂层对储集层质量的可变影响，就必须区分GTI和GTG涂层。

粘土矿物量的增加与储集层质量的下降是一致的。 由于微孔隙度来自粘土矿物的丰度，也与储集层的质量呈负相关关系。渗透性由大孔隙的互联性所驱动，微孔隙度引起的孔隙度增加对整体渗透率的影响较小。
粘土矿物为控制储集层质量恶化的主要因素之一，它们可能以微孔隙的形式保留孔隙，但会导致有效孔隙的丧失，导致渗透性降低。

石英水泥体积与渗透率呈正相关，在潘里斯砂岩中最为丰富，大的石英水泥量对早期成岩碳酸盐的晶粒结构具有稳定作用。岩石中的石英胶结作用通过框架稳定和抑制的压实作用对储集层的质量有积极的影响。
碳酸盐和粘土矿物质的增加也是砂岩储层质量恶化的一个重要因素，作为储层质量退化因素的成岩胶结作用，渗透率明显降低，同时保持孔隙，填入伊利石是导致储集层质量恶化的一个重要因素。

上升成岩作用由隆升成岩作用引起的成岩作用对储集层的质量影响不大，因为在康堡砂岩中，含量最大的是铁羟基化物和高岭石，其含量约为3%，而在弗氏根和云石砂岩中则低得多。
长石中的微孔隙度对渗透率的贡献微乎其微，如果与富矿粘土矿物胶结相吻合，溶解颗粒与颗粒间孔隙相联系，长石溶出对储集层的质量起积极作用，促进有效孔隙度。

在成岩作用期间，高强度的伊利石颗粒涂层与最大数量的韧性岩石碎片一起，导致最高的压实作用，而它们的缺失导致最低的压实作用在彭里斯砂岩。
通过填充石英、伊利石和硅铁矿水泥降低了储集层的质量。由于潘里斯砂岩中颗粒间体积大，强烈的石英胶结作用被认为是由于防止了进一步的压实而提高了储集层的质量。

费赫廷根砂岩的储层质量主要因化学压实作用而降低，而康堡砂岩的储层质量则因伊利石、石英和碳酸盐在早期成岩作用和掩埋作用中的强烈胶结作用而降低
由于化学压实主要取决于温度，仅在较小程度上取决于有效应力，较低的最高温度有利于保存彭里斯砂岩的孔隙度。康伯格砂岩的中间体伊格斯仍与再往北5公里的模拟峰沉降相吻合，由于保存的早成岩胶结作用抑制了进一步的机械压实。

上升对储集层的质量只有很小的改善影响，因为溶解的白云石菱形体的体积与彭里斯砂岩的颗粒间孔隙度相比是微不足道的。由于缺乏富矿填充粘土矿物，与上升有关的长石溶解对储集层质量有积极影响，但由于高岭石的增加，对康堡砂岩的储集层质量有消极影响。
康堡砂岩中孔隙率低、渗透率低、中储层孔隙率和渗透率低的储层质量差，彭里士砂岩的大孔隙率和高渗透率，基于沉积物的储集层并不考虑裂缝，因为这些裂缝是提高储集层性能所必需的。

结论早成岩过程中的压实作用是机械的，包括埋岩过程中的化学压实作用。当早期碳酸盐胶结作用在康堡砂岩中最为强烈时，高压实性弗氏质砂岩中的胶结作用主要是在埋岩作用中形成的，隆升只导致少量的胶结和次生孔隙发育。
谷物-谷物粘土矿物颗粒涂料对化学压实作用有增强作用。压实程度的不同可能与早期块状胶结作用对框架稳定性的相对时机有关，也可能与GTF-包覆过程的连续性有关。

沉积环境、粒径和分选并不是影响二叠系罗氏砂岩储层质量的主要因素。储集层的质量主要取决于稳定固结作用、防止石英胶结作用的伊利石GTG涂层、增强化学压实作用的伊利石GTG涂层和降低成岩孔隙作用的结合作用。
水平渗透性在与强烈胶结有关的康堡砂岩中出现。中间储层质量水平渗透性、颗粒间体积与中间胶结作用结合、水泥体积、颗粒间体积，形成大而连接良好的高渗透孔隙体系，受沉积成分、流体流动、掩埋历史和热暴露综合作用的控制。

垂直与水平之间的渗透率在高渗透性中接近1，可能有助于更好地控制砂岩的水平和垂直渗透性。
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