成巖測試技術的發展

高昕晨

摘 要：成巖作用是極其復雜的物理化學過程，其影響因素多變、過程復雜。各種測試技術是研究成巖作用的有利手段，本文對相關文獻進行了調研與總結，闡述了成巖測試技術的歷史、現狀及進展，總結這些測試技術的特點，并結合實例證明這些方法的可行性。

關鍵詞：成巖作用;薄片和鑄體薄片鑒定技術;陰極發光顯微鏡觀察技術;掃描電鏡觀察技術.

Abstract： Diagenesis is an extremely complex physical and chemical process with variable influencing factors and complex processes. Various testing techniques are advantageous means for studying diagenesis. This article investigates and summarizes related literatures， and explains diagenetic testing techniques history， status and progress， summarize the characteristics of these testing technologies， and combine examples to prove these methods the feasibility.

Keywords： diagenesis; thin slice and cast thin slice identification technology; cathodoluminescence microscope observation technology; scanning electron microscope observation technology.

0? 引言

成巖作用是極其復雜的物理化學過程，其影響因素的多變和過程的復雜性主要體現在巖石成分的復雜性，流體來源的廣泛性，成巖環境條件的多變性等。各種測試技術是研究成巖作用的有利手段，本文將闡述成巖測試技術的歷史、現狀及進展。

1? 成巖作用

成巖作用是指由松散的沉積物變為固結巖石的作用。廣義的成巖作用還包括沉積過程中及固結成巖后所發生的一切變化和改造。成巖作用主要包括以下幾種方式。

1.1 壓實作用

壓實作用是指在沉積物不斷增厚的情況下，下伏沉積物受上覆沉積物的巨大壓力，使沉積物孔隙度減少，體積縮小，密度增大，水分排出，顆粒間聯系力加強，沉積物固結變硬的作用。其強弱受埋深以及巖石類型的控制，埋深越大，塑性礦物及雜基含量越多，壓實作用越強。

1.2 膠結作用

沉積物中有大量孔隙，在沉積過程中或固結成巖后被礦物質所填充，從而將分散的顆粒粘結在一起，稱為膠結作用。在定邊油田中，膠結作用是使得砂巖孔隙度減小、滲透率降低的主要原因之一[1]。其表現是以黏土礦物中的高嶺石、綠泥石黏土薄膜和偶見鐵白云石和方解石膠結。

1.3 重結晶作用

重結晶作用是指沉積物在壓力和溫度逐漸增大的情況下，發生溶解，導致物質質點重新排列，使非晶質變成結晶質的作用。重結晶后的巖石，孔隙減少、密度增大、堅固性增強。以川東北鎮巴地區白云巖層為主[2]，重結晶作用中，晶體變大變粗，由泥重結晶為粉晶、細晶，局部可見重結晶。重結晶作用改變了晶粒結構及孔隙結構大小，提高了巖石的有效孔隙度和滲透率。

1.4 脫水作用

沉積物受上覆巖石強大壓力的同時，溫度也逐漸增高，在壓力和溫度的共同作用下，不僅能排出沉積物顆粒間的附著水，而且還使膠體礦物和某些含水礦物產生失水作用而變為新礦物，如蛋白石變為玉髓、褐鐵礦變為赤鐵礦、石膏變為硬石膏等。

2? 主要分析方法與技術

儲層成巖作用研究要綜合分析。首先，對成巖作用的產物進行研究，包括系統地對儲層巖心進行觀察、薄片鑒定和分析測試，根據成巖現象和孔隙變化特征，推測成巖作用過程;其次，根據孔隙流體溫度、壓力等成巖參數，從物理化學和熱力學等角度探討成巖反應機理;最后，結合盆地地層、構造、沉積等資料，建立儲層成巖模式和孔隙演化模式。除這些巖石學常規方法外，還涉及許多先進的測試技術，下面將對主要測試技術的原理及發展現狀進行闡述。

2.1 薄片和鑄體薄片鑒定技術

薄片和鑄體薄片鑒定技術主要是用以研究巖石的成分、結構，膠結的成分、類型，孔隙的大小、類型、結構等。該法應用在巖石孔隙結構特征的研究中，是將染色樹脂注入到被洗凈和抽空的巖心孔隙內，待樹脂凝固后，再按所需方位將巖心切片放在顯微鏡下觀察[3]。鑄體薄片中帶色的樹脂部分代表巖石二維空間的孔隙結構狀態，因此能直接觀察到巖石薄片中的面孔率、孔隙、喉道及孔喉配位數等。近20年來，該技術與數字成像系統相結合形成了極具特色的巖石鑄體薄片顯微圖像分析技術。

2.2 陰極發光顯微鏡觀察技術

陰極發光技術主要是根據礦物的光學性質和巖石結構對樣品進行碳酸鹽巖沉積學研究。在沉積學領域，陰極發光技術常用來區分膠結物的形成期次及世代關系和礦物的生長環帶、確定共生序列、恢復成巖歷史、劃分成巖階段、判別碳酸鹽巖的成巖蝕變史、推測成巖流體性質以及生物殼層的生長條件與環境演化的關系等。夏云的研究表明，陰極發光技術能快速識別次生孔隙，確定孔隙成因[4]，能迅速恢復儲層原生結構及顯微構造。

2.3 掃描電鏡觀察技術

掃描電鏡可直觀再現有機質富集的顯微組分、干酪根、煤及富含有機質的全巖樣品在地層條件下的動態生氣過程，對于評價不同地質樣品的產氣潛力提供了有效的新手段。另外，掃描電鏡在礦物巖石學、粘土礦物分析、儲層研究、油氣層保護等方面也發揮了重要作用。

2.4 X-射線衍射分析技術

在成巖作用的研究中，X-射線衍射分析技術能進行粘土礦物的定性、定量分析，計算混層比、自生礦物的鑒定、全巖定量分析等。以粘土礦物為例，利用峰的位置、高度、寬度、形態系數、不對稱性要素描述衍射峰形態更加準確、全面[5]。結合新近提出的圖解分析方法及已有的方法可準確地進行結晶度、粒度、應變、定量綜合分析，并可應用在相應的成巖作用、變質作用、盆地成熟度、構造應力場等分析研究中。

2.5 電子探針分析技術

電子探針，全稱為電子探針顯微分析儀（EPMA），主要用于研究固體物質表面或近表面范圍內的元素組成及分布。它利用聚焦高能電子束，轟擊樣品表面的微小范圍（微米級），激發樣品組成元素的特征X射線，通過分析X射線的波長、測定X射線的強度并與標準樣品進行對比，從而確定樣品的化學組成及其含量。

2.6 氣液包裹體顯微鏡分析技術

激光掃描共聚焦顯微鏡技術（CSLM）興起于20世紀80年代末，是最先進的高精度光學顯微觀察技術之一，在地質學應用廣泛。具有精度高、成像清晰立體的特點，并能夠較為真實的還原觀察目標，對制樣要求較低。它在石油地質學方面的應用源于20世紀90年代末，主要表現在有機質、儲層孔隙、古生物化石和流體包裹體等方面。

2.7 有機質成分和成熟度分析技術

有機質成熟度指標是以有機質各組分在熱降解過程中化學組成、結構和物理性質所發生的變化為基礎而建立的，是有機質熱成熟作用程度的衡量標準，也是成巖作用研究中使用最為廣泛的古地溫計。常見的有機質成熟度指標可以分為兩大類：一類以有機組分的光學性質為基礎，以鏡質體反射率為代表，還有孢粉顏色、熱變指數、牙形石色變指數、生物碎屑反射率等。另一類以化學組成為基礎，主要包括熱解分析的最高熱解峰溫和生物標志化合物指標等。

2.8 同位素分析技術

利用巖石中氧碳穩定同位素變化的規律恢復沉積作用發生的古地理環境及相環境是儲層沉積環境分析的有效手段。碳氧同位素在一定程度上可以反映樣品的成巖蝕變程度，很好地指示巖樣形成的古鹽度和古溫度。人們利用碳氧同位素值分析碳酸鹽巖成巖流體來源與成巖環境。

3? 成巖測試技術的展望

薄片和鑄體薄片鑒定技術、陰極發光顯微鏡觀察技術、掃描電鏡觀察技術、X-射線衍射分析技術、電子探針分析技術、氣液包裹體顯微鏡分析技術、有機質成分和成熟度分析技術、同位素分析技術都各具特色，極大的在成巖作用的研究中發揮了自己的優勢，在日后的研究中也將保留各項技術的特色，并結合現代計算機技術，進一步發展。

參考文獻：

[1] 張哲豪，魏新善，弓虎軍，薛文卓，陳彪，史雯欣.鄂爾多斯盆地定邊油田長7致密砂巖儲層成巖作用及孔隙演化規律[J].油氣地質與采收率，2020，27（2）：43-52.

[2] 魏楊，胡作維，李云，劉燦.川東北鎮巴地區寒武系龍王廟組碳酸鹽巖成巖作用特征[J].東北石油大學學報，2020，44（02）：56-68+9.

[3] 陳杰 ，周改英 ，趙喜亮 ，何成 .儲層巖石孔隙結構特征研究方法綜述[J].特種油氣藏，2005，12（4）：11-14.

[4] 夏云.陰極發光技術在勝利油區深層砂巖儲層研究中的應用[J].石化技術，2017，24（10）：113-113.

[5] 王河錦，魯安懷，陳濤.一種粘土礦物分析新方法及在地質學中的應用[J].地質學報，2002，76（4）：500-500.

（長江大學地球科學學院? 湖北? 武漢? 430100）