碳酸盐岩储层的成岩作用特征

原生孔隙是在沉积作用过程中形成的，直接受沉积环境的控制，但在其沉积之后的埋藏成岩变化过程中，碳酸盐岩孔隙体系将会经历巨大的改造和变化，存在次生孔隙的发育和孔隙的破坏正反两个方面。成岩作用对于碳酸盐岩储层的影响要较碎屑岩储层更加明显，意义更加深远。

（一）碳酸盐岩成岩环境与成岩作用特征

1.碳酸盐岩成岩环境

从碳酸盐岩孔隙流体性质分析，存在 3 类主要的成岩环境带，即大气淡水成岩环境带、海水成岩环境带和地层水成岩环境带。其中，大气淡水成岩环境带和海水成岩环境带为地表或近地表环境，地层水成岩环境带以埋藏深处提供的卤水成岩作用为特征。在不同的成岩环境带具有不同的成岩作用特征。

（1）大气淡水成岩环境带

大气淡水成岩环境带以暴露于空气中为特征。大气淡水组成的孔隙流体对碳酸盐沉积物（岩）呈欠饱和状态，可溶解碳酸盐颗粒及基质，形成次生孔隙，同时溶解的碳酸盐物质可转移到它处沉淀，作为碳酸盐胶结物充填孔隙。该环境可分为两种情况，一是沉积物形成之后较短时期内暴露地表而发生的与大气淡水作用相关的成岩作用，另一种是经过一定地质时期埋藏成岩作用的碳酸盐岩，由于地壳构造运动抬升重新暴露地表，形成表生期大气淡水成岩环境。

（2）海水成岩环境带

海水成岩环境带以沉积物沉积之后尚未脱离原始海水介质条件下发生的各种成岩作用为特点。可进一步划分为蒸发海水成岩环境和正常海水成岩环境。蒸发海水成岩环境所产生的超盐度海水（60%～80%）使刚刚沉积的碳酸盐沉积物与蒸发海水发生相互作用，可发生大规模的白云岩化作用，对改造碳酸盐岩原生孔隙起到显著的控制作用。正常海水成岩环境胶结作用是其主要的成岩作用方式。

（3）地层水成岩环境带

地层水成岩环境带的特征是随沉积物的埋深孔隙流体已无近地表水的参与，孔隙水是地层中的封存水，即可以是大气淡水与海水的混合液，或经过高温高压的岩石与地层水的相互作用形成的化学混合卤水。在岩石和孔隙水的相互作用过程中，可以发生胶结作用、交代作用、溶解作用和重结晶作用，同时在高温高压条件下可发生压溶作用，特别是与有机质热降解产生的大量有机酸有关的局部欠饱和状态可以导致与溶解作用有关的次生孔隙。

2.成岩作用特征

碳酸盐岩与碎屑岩的成岩作用特征有很大的差异，对孔隙的发育和演化影响的方式和程度也有差别。首先表现在压实作用的不同，压实作用在碳酸盐岩成岩变化过程中的影响不明显，而对于碎屑岩起着重要作用；其次，碳酸盐岩的胶结作用在近地表或早期成岩阶段就已大规模发生，碎屑岩的胶结作用则是随埋深逐渐发生；第三，由于岩石学特征的差异，碳酸盐岩较碎屑岩更易发生各种类型的溶解作用、重结晶作用、白云岩化作用和各种后生变化。从而在孔隙类型、孔隙结构和孔隙演化等方面，碳酸盐岩有其自身特点。

（1）压实作用：包括机械压实作用和化学压实作用。其中机械压实作用主要对泥晶灰岩等低能沉积环境产物起较大的作用，而对各种颗粒岩和生物骨架岩由于在大幅度埋深以前的早期胶结作用使其固化，机械压实作用不明显。随着埋深加大，温度和压力增加，碳酸盐颗粒接触处发生压溶作用（化学压实作用），从而在没有应力作用的颗粒表面沉淀，最终导致缝合线接触。

（2）胶结作用：所谓胶结作用是指碳酸盐颗粒或矿物彼此粘结在一起，变成坚固岩石的作用。碳酸盐沉积物的胶结作用常是通过晶体在孔隙空间中的生长、碳酸盐泥的压缩和质点间的压溶作用完成的。现代碳酸盐沉积物的孔隙度一般是 40%～70%，而大多数灰岩的孔隙度小于 5%，主要是通过胶结作用使孔隙变小，并压实、固结而形成坚硬的岩石。碳酸盐沉积物的大规模胶结作用基本在近地表的渗流带和潜流带就已基本完成。碳酸盐岩胶结物主要为方解石，其次有白云石、硬石膏、天青石等。

（3）溶解作用：碳酸盐岩对于溶解作用尤为敏感，溶解作用可发生在成岩作用的各个阶段。一是早期成岩暴露受到富含 CO2 的大气水的淋滤发生溶解作用，使得鲕粒、藻球粒、藻屑、软体动物等溶解而形成铸模孔隙；二是在深埋地层水成岩环境下，有机质热降解产生的大量有机酸局部欠饱和状态可以导致部分（颗粒、胶结物等）碳酸盐矿物的溶解作用，形成各种溶蚀次生孔隙；三是表生成岩阶段地表水的溶解作用，特别是在古侵蚀面淡水渗流带的溶解作用可以对早先充填孔隙的盐类及碳酸盐矿物溶解起到很大作用，并可沿构造裂隙、节理缝溶蚀产生大量的溶孔、溶洞和溶缝。溶解作用对于碳酸盐岩储层的形成和发育具有重要意义。

（4）重结晶作用：重结晶作用是作用前后的矿物成分不变，而晶体大小、形状和方位发生了变化的作用。一般情况是晶体增大（进变重结晶），特殊情况下也可使晶体缩小（退变重结晶）。进变重结晶指沉积物埋藏以后，由于温度压力的增大，各种结构组分（灰泥、胶结物及颗粒）结晶程度增高、晶粒增大的过程；退变重结晶指鲕粒、骨粒等的泥晶化作用，可以通过生物钻孔、颗粒和生物的压碎等泥晶化实现。

（5）白云岩化作用：白云岩化作用主要指灰泥或灰岩中的方解石、文石或高镁方解石被白云石交代的作用。白云岩化作用可发生在不同的成岩阶段。

准同生白云岩化作用指灰泥尚在其原沉积环境中就被白云石交代而形成白云岩，其特点是白云石晶体呈自形—半自形，泥晶—微晶，成层分布，通常出现在潮上带潟湖、盐湖及潮上坪等环境。

成岩白云岩化作用指碳酸盐沉积物沉积之后，在其成岩过程中，由于邻近蒸发潮坪或咸化潟湖的高镁重盐水，向海方向倒流（称盐水回流或渗滤回流）并渗入多孔的碳酸钙沉积物中，而发生的白云岩化作用，成岩白云岩在碳酸钙沉积物内部或沿地层不整合面形成。成岩白云石常呈菱形的自形—半自形，晶体较大，有环带构造。

后生白云岩化作用指在构造作用下，地层中被压挤出的残余海水或深部地下盐水（也可能是岩浆残余水）沿层面、背斜轴部及断裂附近排泄，引起附近多孔的灰岩发生白云岩化作用。后生白云岩化常形成不规则的透镜体、脉状、蜂窝状夹于灰岩中，其分布局限、延长不远，没有一定层位，可切割层理层面，并常分布于裂隙发育地带。

由于灰岩被白云石交代后，体积减小约 12.3%，同时存在大量晶间孔和较强的抗压实性，所以白云岩储层对油气的储集具有重要意义。

（二）成岩作用阶段与孔隙演化

根据碳酸盐沉积的成岩变化特点可划分为早成岩作用阶段、中成岩作用阶段和晚成岩作用阶段。不同的阶段其成岩作用的特点不同，对储层的影响方式和影响程度也不同。

1.早期成岩作用

指沉积物沉积之后，在近地表水参与下的各种成岩变化，包括渗流带（潜水面之上）、淡水潜水带和海水潜水带（潜水面以下）。成岩作用特点是沉积早期形成的孔隙发生改变或破坏。包括沉积物沉积之后未石化和石化作用两个阶段。

石化作用前改变孔隙的各种作用包括：生物扰动、掘穴、藻类和细菌作用及有机质的分解作用及干化作用等。在沉积物沉积之后与水界面接触之时，各种生物作用和物理作用发育，在沉积物表面附近生物扰动和掘穴可形成部分孔隙网络，同时藻类、细菌等微生物使颗粒表面受到严重腐蚀和微晶化，能够产生有利于以后溶解作用或使颗粒不致外延增生的条件，从而对孔隙起到保存和延续的作用。另外，沉积之后水的动力作用可使沉积物被重新改造成角砾岩或砾岩，细粒灰泥可被捕集或渗入高能带已有沉积物孔隙中，特别在颗粒岩、粘结岩、生物碎屑岩中表现更加明显。钙质骨骼中有机质的分解可产生粒内孔隙，如一些藻丝沉积、有机质的腐烂分解可形成窗格状孔隙。其次，沉积物的干化作用可形成收缩裂隙体系，并能引起角砾化作用。

石化作用指在渗流带或潜水带通过各种物理作用和化学作用固结成岩的过程。石化作用的标志是通过文石及方解石的沉淀产生胶结作用，同时可以发生蒸发岩类的沉淀和溶解，在石化阶段随水介质条件的变化，方解石和文石不但存在沉淀作用也存在溶解现象。白云岩化作用也是该阶段普遍见到的一种成岩现象。胶结作用的方式包括颗粒周围包壳胶结、呈晶簇状嵌晶胶结和大晶体沉淀胶结等。早期成岩胶结以礁岩隆中最为典型。

2.中期成岩作用（埋藏成岩作用）

指沉积物从已脱离地表水的影响开始到再次被重新带到地表时的各种成岩过程，主要受深度、温度、地层水介质、埋藏时间、构造活动及其强度和持续时间及性质的影响。成岩作用方式包括压实作用、压溶作用、胶结作用、白云岩化作用、重结晶作用和构造的挤压和拉张作用。

沉积物埋藏之后，随着时间的推移和深度的加大，压实作用使颗粒重新排列、孔隙减小、脆性颗粒和碎屑发生破碎，在颗粒接触处，可发生压溶作用，形成缝合线，压溶产生的方解石可起到进一步胶结和充填孔隙的作用。同时在不断增加的温压条件下，早期成岩阶段较为稳定的碳酸盐岩也会发生变化，进一步发生各种类型的胶结作用、重结晶作用、溶蚀溶解作用和白云岩化作用等，从而使孔隙体系进一步被改造。在埋藏成岩作用过程中，构造运动强弱程度和性质对碳酸盐岩孔隙体系也起到明显影响，无论是挤压或拉张作用，均会使碳酸盐岩发生破裂而形成各种裂缝，在一定程度上对碳酸盐储层改善起到重要作用。

3.晚期成岩作用（晚期地表蚀变）

沉积物在经历早期成岩和中期成岩作用之后，通过构造运动使其抬升出露地表，所经受的成岩变化过程称为晚期成岩作用。晚期成岩作用对油气储层具有很重要的意义，世界上许多大型碳酸盐岩潜山储层的发育均与晚期成岩作用有密切关系。其成岩变化主要表现在：①碳酸盐岩抬升剥蚀所导致的减压作用能形成大量的破裂和节理；②抬升剥蚀及大气水的淋滤作用可使岩石发生大规模溶解作用，从而形成溶孔、洞和缝隙，同时还可出现白云岩化作用和去白云岩化作用，引起岩石的矿物学变化，对孔隙的类型和特点进行改变。

成岩作用对孔隙变化的影响见图2-34。