沉积岩及几种主要沉积岩储集层

沉积岩及几种主要沉积岩储集层
论文提要
石油被誉为“黑色的金子”“工业的血液”，在现代化的工业生产和社会生活中、在国民经济发展中，在国际建设中占有非常重要的地位，甚至可以毫不夸张的说，当今时代的人类每时每刻都离不开石油。

石油是在地壳中形成的可燃有机矿产。

与其他固体比较，它的成分极为复杂，具有流动性。

因此，了解石油的生存环境、运移、聚集和分布规律，对石油勘探来说是非常重要的。

石油都是生成在地下岩层中，因而岩石的岩性特征对于生油来说具有重要的作用。

石油一般又都存在于岩石的储集层中，作为三大岩类：岩浆岩、沉积岩、变质岩都为石油的储集提供了方便，在储集石油过程中起了主要作用。

因而了解岩石的生成环境、岩石的特征和类别对了解石油的储集非常有用。

本文就以沉积岩和几种主要的沉积岩储集层为例来介绍石油的生存环境，以便为石油的勘探提供方便。

正文
一、沉积岩论述
（一）沉积岩的基本特征
沉积岩是地壳发展过程中的一种必然产物。

在地表或地表下不太深的地方；在常温、常压条件下；通过风化作用、火山作用所形成的物质，经过搬运、沉积并固结成岩，这种岩石叫做沉积岩，曾经称作水成岩。

由于沉积岩是在地表条件下形成，因此它构成岩石圈的上部表层，全球大约有3/4陆地面积被沉积岩所覆盖。

沉积岩中以粘土岩、碎屑岩、碳酸盐岩为主，占98~99%。

沉积岩广义为盖层。

沉积岩矿产丰富，除一般金属矿产之外，有机成因的石油、油页岩、煤系等几乎全部产于沉积岩中。

沉积岩在国民经济中价值是很大的。

近年来沉积岩石学发展迅速，取得了多方面的成就。

而石油的生成和富集与沉积岩甚为密切，因此，研究沉积岩对石油地质学意义重大。

1.沉积岩的形成
沉积岩的形成可分为三个阶段：
①风化作用阶段：形成沉积岩组成物质的来源。

②搬运沉积阶段：搬运风化物质在新的环境中沉积下来。

③成岩作用阶段：沉积物转变为岩石。

（1）母岩的风化作用阶段
风化作用提供了沉积岩的物质来源。

岩石风化作用的强弱，是由风化作用条件优劣所决定的。

岩石本身的岩性特征是风化作用强弱的内在条件，而岩石所处环境则是风化强弱的外部条件。

岩性特征一般指岩石的稳定性，而外部条件一般为自然环境条件（温度、雨量、风力、生物等）和岩石选择条件（节理）
（2）风化物质的搬运和沉积阶段
1.机械搬运和沉积
碎屑物质和一部分粘土物质，以机械方式在风力、流水及冰川重力作用下搬运和沉积。

物质受两种力的作用：重力和牵引力。

两种力的大小决定了物质的搬运和沉积。

设重力为W，牵引力为F，F>W搬运为主，F<W沉积为主。

①流水机械搬运和沉积
碎屑物质颗粒小、比重小、球度低、多棱角，以悬浮方式搬运为主；力度大、比重大、球度高的碎屑大多沿水流底部以跳动、滚动方式搬运。

②风的机械搬运和沉积
搬运的物质以细小的碎屑为主，有粉砂、粘土类物质。

其运动的方式有悬浮、滚动、跳跃，即所谓的飞沙走石。

③海水的搬运和沉积
搬运物质大部分是由大陆河流带来的悬浮物（如粉砂、粘土、溶解物质等），小部分是侵蚀海岸的粉屑物。

2.化学搬运沉积
①胶体溶液的搬运和沉积
胶体沉积所形成的岩石，空隙度大、结构松散、裂隙多，具有离子交换能力，吸附水分量较多。

这对油气藏生成的初次运移是极为有利的，也必然为油气运移提供能量和良好的运移空间。

②真溶液的搬运和沉积
母岩石风化溶解后，形成多种可溶解物质的溶液。

随着流水进行长距离的搬运，由大陆搬运到海洋和湖泊盆地中沉积下来。

③化学沉积分异
近海滨海地区为氧化物沉积，分异形成铝土矿、赤铁矿、锰矿。

浅海地区沉积有硅酸盐、碳酸盐。

3.生物搬运和沉积作用
生物通过自己的生命活动，对化学元素，有机和无机物质进行分散、迁移、聚集的作用，最终形成沉积岩和沉积矿藏。

其中包括生物遗体的沉积形成岩石和矿藏（生物灰岩、礁灰岩、磷块岩和有机质生成的矿产如石油、天然气、油页岩、煤等）。

（3）沉积物的成岩作用阶段
母岩风化物质经过搬运、沉积所形成的沉积物，再经过物理的、化学的和生物化学的改造演变才能固结成岩，称之为沉积物的成岩作用。

它包括三种方式：压固作用、胶结作用、结晶作用。

（二）沉积岩的成分
沉积岩的物质来源是过去已形成的岩石（岩浆岩、变质岩、沉积岩），它们可统称为母岩。

但在沉积岩形成过程中，母岩经外生作用等一系列的改造，会使其物质成分发
生一定的改变和分异。

1．化学成分特点
①沉积岩平均化学成分接近于岩浆岩（如下表）
F．W克拉克表
②沉积岩中富含H
2O、CO
2
和大量有机质。

2．矿物成分特点
组成沉积岩的矿物约有160余种。

其中主要矿物仅20余种，实际上每种沉积岩只含有1~3种矿物，即碎屑矿物、粘土矿物、化学和生物化学矿物。

（三）沉积岩的结构
是指矿物组分的大小、形状、排列方式以及胶结形式等。

它对于沉积岩的鉴定和分类极为重要，同时对研究石油、天然气的生成储集意义也极大。

更多的沉积岩具有碎屑结构、泥质结构和生物结构，这些都是沉积岩特有的结构。

1.碎屑结构
指碎屑颗粒胶结后形成的结构，可分为碎屑岩胶结物两部分。

2.泥质结构
它又称泥状结构，由极细小的颗粒所组成的结构。

自然界中单纯的泥质结构是不多见的，通常含有不等量的砂或粉砂混合物，组成了不同的类型（见表1）。

表1 不同结构类型的成分
3.化学结构
化学沉积岩结构主要是指碳酸盐岩类所具有的结构。

主要是结晶结构、鲕状结构（如图1）、竹叶状结构（如图2）、生物结构。

其中生物结构又分为生物贝壳结构和生物碎屑
结构。

图1 鲕状结构图 2 竹叶状结构
（四）沉积岩的构造
沉积岩的构造是指由于成分、结构、颜色的不同而引起的岩石宏观特征。

沉积岩的构造类型繁多，成因复杂，有生物、化学、机械成因等（见表2）
表 2 沉积岩构造分类
（五）沉积岩的分类
由于沉积岩的多样性，通常采用多级分类的方法。

一般以成因作为分类的主要依据，再以成分、结构、构造等特征进一步分类。

根据这些原则沉积岩可分为四大类：
1.碎屑岩类
主要由碎屑物质组成
2.粘土岩类
主要由母岩化学分解的产物所组成
3.化学岩类
母岩化学分解所形成的溶解物质，多呈真溶液或胶体溶液搬运，再通过化学作用及生物化学作用沉积而成。

4.可燃有积岩类
根据其存在的物质状态，可分为固态、液态和气态的可燃有积岩。

固态可燃有积岩有煤和油页岩。

液态、气态的可燃有积岩有石油、天然气。

二、储集岩和几种沉积岩储集层的论述
能使石油和天然气在其孔隙和裂缝中流动，聚集和储存的岩层称为储集层。

储集层通常是岩石的主体，它们是上千万年前的沉积物沉积下来的，它们可能是沙丘、海滩或
沙漠，可能是珊瑚礁，也可能是泥沙淤积的河流。

这些沙子被掩埋后，受力被压缩，沙粒结合在一起，最终被掩埋到三千到一万甚至三万英尺的深处，直到今天成为我们发现石油的地方。

储集岩的基本特性是孔隙性，作为有效储集岩的基本特性是渗透性。

孔隙性和渗透性是岩石的几何特性，而不是成因特性。

因此岩石的岩性特征尤其是结构特征要比岩石的时代要重要。

第一次世界大战前最丰富的石油产量几乎来自地质上的碎屑岩区；甚至到现在，世界范围内的巨型油田的储油层也大多为砂岩储集层。

没有储集岩就不能达到生产石油和天然气的目的。

了解储集岩的特性及利用，而不是忽略储集岩之间的差异，乃是石油地质学的一项任务。

99%以上的储集层为沉积岩，其中又以碎屑岩和碳酸盐岩为主、还有少量的粘土矿物储集层，1%为其它岩类储集层。

（一）碎屑岩储集层的孔隙类型
传统的观念认为砂岩储集层的孔隙类型以原生的粒间孔隙为主，只有很小一部分是次生的，并且都把次生孔隙（除了裂缝以外）解释为是地层出露地表时大气水淋滤的结果。

直到1979年，自从施密特麦克唐纳（Schmidt）发表了“砂岩成岩过程中的次生储集孔隙”之后。

人们对次生孔隙的概念、类型、识别标志、形成机制及意义才有了较明确的认识。

图3 碎屑岩储集层的孔隙性
（二）影响碎屑岩储集层储集性的因素
1、沉积作用对砂岩储层原生孔隙发育的影响
(1)矿物成分对原生孔隙的影响
矿物成份对储集物性的影响主要视以下两个方面：矿物的湿润性、矿物的抗风化能力。

(2)岩石结构对原生孔隙的影响
粒度：总孔隙度随粒径加大而减小。

因为粒度小，分选差，磨圆差，较松散，比圆度好的较粗砂岩孔隙度大。

渗透率则随粒径的增大而增加。

因为粒径小，孔喉小，比表面积小，毛细管压力大。

当分选系数一定时，渗透率的对数值与粒度中值成线性关系。

分选：粒度中值一定时：分选差的岩石，小颗粒充填大孔隙，使孔隙度、渗透率降低；分选好的岩石，孔渗增高。

孔隙度、渗透率随着分选系数趋于1而增加，分选系数
So<2时，各种粒径的砂岩孔隙度、渗透率都随So增大而降低；分选系数So>2时，中细粒砂岩，孔隙度随So增大而缓慢下降；粗粒和极细粒砂岩，So增加时，孔隙度基本不变。

立方体排列：堆积最松，孔隙度最大，渗透率最高；斜方体排列：孔隙直径较小，渗透率低。

磨圆度增高，储集物性变好。

2、成岩后生作用对砂岩储层物性的影响
压实作用：包括早期的机械压实和晚期的化学压溶作用。

压实作用结果使原生孔隙度降低。

胶结作用：胶结物的含量、成份、类型对储集性有影响。

含量高，粒间孔隙被充填，减少原生孔隙，连通性变差，物性变差。

泥质、钙-泥质胶结的岩石较松，物性较好；纯钙质、硅质或铁质胶结的岩石致密，物性差。

胶结类型由接触式→接触→孔隙式→孔隙→基底式→基底式物性逐渐变差。

溶解作用：粗粒、孔隙水多或含有有机酸的砂岩，能溶解孔喉中的碳酸盐、硫酸盐、硅酸盐，改善储层物性。

交代作用和重结晶作用：物性的改变要视被交代物和重结晶结果而定。

（三）碎屑岩储集层的形成环境及分布
碎屑岩储集层的形成和分布，受古沉积条件及古构造条件的控制。

一个沉积盆地内碎屑岩储集层发育情况，受沉积旋回的控制，一般在一个完整旋回的中后期所沉积的砂质岩，分布广，厚度大，储集物性好，常常形成良好的碎屑岩储集层。

古构造条件对碎屑岩储集层的形成和分布也有影响。

一般在盆地的斜坡带，碎屑物质经过机械分异作用，颗粒较均匀，圆度好，胶结物含量少，储集物性甚佳。

在水下大型古隆起的顶部和翼部，由于湖水的冲洗作用，形成物性良好的碎屑岩储集层。

横向上碎屑岩储集层的分布主要是受沉积环境的控制，主要分布于砂岩体中。

砂岩体是指在一定的地质时期，某一沉积环境下形成的，具有一定形态、岩性和分布特征，并以砂质为主的沉积岩体。

舌状砂岩体可分为四个带：
主体：砂岩体近沉积物来源部分。

砂岩百分含量高，横向连通性好。

核部：砂岩体中部、砂岩最发育的地段。

以细砂岩为主，层间连通性好。

前缘带：砂岩体最前方和两侧边缘的砂岩体尖灭带。

以粉砂岩为主，连通性较差。

断续分布带：介于砂岩体沉积区与泥岩沉积区之间的透镜体砂岩，以泥质粉砂岩为主。

1、冲积扇砂砾岩体
在干旱、半干旱气候区，山地河流进入平原，在山的出口堆积而形成的扇形砂砾沉积体。

岩性为砾、砂和泥质组成的混杂堆积，粒度粗，分选差，成份复杂，圆度不好。

物性特征：孔隙结构中等，各亚相带的岩性特征有差别，因此其渗透性和储油潜能也有变化。

其中以扇中的辫状河道砂砾岩体物性较好，若邻近油源，可形成油气藏。

2、河流砂岩体
岩性由砾、砂、粉砂和粘土组成，以砂质为主，成分复杂，分选差-中等。

包括：边滩砂岩体（属称点砂坝）：发育于河流中、下游弯曲河道内侧（凸岸），为透镜状，由下到上，粒度由粗到细的正粒序。

中部储油物性较好，向上、向两侧逐渐变差。

河床砂砾岩体（属称心滩）：沿河道底部沉积。

平面呈狭长不规则条带状，走向一般与海岸线垂直或斜交；剖面上呈透镜状，顶平底凸。

物性一般中部好，向顶、向两侧变差。

渗透率变化较大。

3、三角洲砂岩体
三角洲是河流入湖或入海口流速降低而形成的扇形沉积体，以砂岩为主，岩性偏细。

可分三个亚相带，各亚相带主要的砂体有：
三角洲平原：分流河道砂岩体，以粉砂岩、砂岩为主，偏细。

三角洲前缘：水下分流河道；河口砂坝：细、粉砂，分选好；远砂坝：粉砂、细砂和少量粘土。

前三角洲：席状砂：砂质纯，分选好。

以前缘带的砂坝砂岩体和前三角洲的席状砂岩体，分选好，粒度适中，为三角洲储集层最发育的相带。

4、湖泊砂岩体
平行湖岸成环带状分布滨湖相、浅湖相、深湖相，砂体集中于滨湖区和浅湖区，这两区颗粒受波浪的淘洗，粒度适中，分选、磨圆好，胶结物多为泥质，浅湖区为泥质和钙质混合，相对来讲，浅湖区砂体物性优于滨湖区。

5、滨海砂岩体
滨海区由于波浪、沿岸流、潮汐、风的作用，破坏附近的三角洲可形成沿岸线呈带状、串珠状分布的砂坝；由于海水的频繁进退可形成超覆与退覆砂岩体。

超覆和退覆砂岩体：由于海进海退的频繁交替形成。

海进砂岩体：下覆三角洲平原或其它海岸沉积物，不利生油。

海退砂岩体：下伏海相页岩，是很好的生油岩。

滨海砂洲：平行海岸线分布。

平面上呈狭长带状，形成较好的生储组合。

6、浊流砂岩体
浊流携带大量的泥砂在大陆斜坡到深海平原形成的扇形堆积体。

沉积物由粗变细，分选由差变好，可构成良好的储集层，浊积砂岩体发育在深水泥岩之中，有丰富的油源，构成了油气藏面积不大，但油层厚，储量大。

7、风成砂岩体
在大陆沙漠区、河岸附近，可形成风成砂丘。

由成份纯、圆度好、分选佳、胶结弱的砂粒组成，无泥质夹层，厚度大，孔隙渗透性好，最有利的碎屑岩储集体。

在陆相沉积中，湖成（海岸）砂岩体往往同河床、三角洲、冲积扇、风成砂体混在一起，不同时期，不同成因的砂岩体有时连成一片，形成一个历时层状砂岩体。

（四）碳酸盐岩储集层
所有的地质学家都知道，石灰岩及白云岩可构成重要的油气储集层。

目前从世界特
大油田中产出的油气，有38%来自碳酸盐岩。

除苏联和中国外，且当中东油田达到最大开发程度时，大概有2/3的油气产量来自碳酸盐岩。

关于碳酸盐岩的分类方案很多，R.Folk在1959年提出的分类是以骨架组分与维系骨架的胶结物之间的关系为依据的。

这种分类无疑是有判断力的，但主要的缺陷是名称繁多。

现在一般的分类是由R.J.Dunham在1962年提出的，这个分类至少得到了北美石油地质学家的广泛理解和认可。

其分类如下：(a)粘结灰岩(b)颗粒灰岩(c)泥粒灰岩(d)粒泥灰岩(e)灰泥灰岩。

碳酸盐岩体系内的有利岩相和不利岩相的分布，首先取决于沉积区的古等深线剖面。

近代和现代碳酸盐岩均沉积于三种易区分的体系内：①分异的碳酸盐岩陆棚②碳酸盐岩的滩或斜坡③堡礁
与更为普遍的砂岩储集层相比，碳酸盐岩储集层表现出更大的产出范围，曾记录过确认的最高产率来自碳酸盐岩储集层。

第一次世界大战前，墨西哥黄金巷的一些传奇式的油井和伊朗阿斯马里灰岩的油井都是壮观的实例。

总之，形成碳酸盐岩储集层的原始沉积物，往往经历过一个长期而重要的成岩史。

为了了解储集层，石油地质学家必须研究千百万年中参与沉积物形成和转变的一切作用。

（五）粘土矿物储集层
粘土岩是由小于0.005mm的颗粒组成，由大量粘土矿物所构成的疏松或固结的岩石。

粘土岩的物质成分比较复杂，矿物成分中最主要的是粘土矿物，其次是陆源碎屑矿物和自生的非粘土矿物。

粘土矿物是一类含水铝碳酸盐矿物，多具有层状硅酸盐构造。

其中包括：高龄石、蒙脱石，水云母。

虽然粘土矿物属于粘土岩，且在粘土矿物储集层中也曾发现过好的油气藏，但与砂岩储集层和碳酸盐岩储集层相比，粘土矿物储集层中的油气在整体油气开发中占的比重很小，因此不再细究。

三、总结
油和气都是活动的流体，他们可以运移并汇集成油气藏。

那么可以表明运移曾受到某种限制，这种限制作用称为圈闭。

最普通的圈闭是背斜，背斜通常是被认为由褶皱等地质作用形成。

但这并不是石油地质学家经常遇到的构造地质问题，他们所关心的是地下尚未变质的显生宙成层的沉积岩。

可见沉积岩在地质构造解释和油气开发中的地位。

而且沉积岩还有着比岩浆岩和变质岩更为优质的条件，那就是沉积岩是地壳发展过程中的一种必然的产物，且矿产丰富。

因此研究沉积岩的形成和发展对石油的生成和富集有重大的意义，所以努力提高科技水平，加大对沉积岩的研究势必会对石油地质学产生重要意义。

参考文献：
石油地质学基础姚长刚编
石油地质学进展㈠ C.D霍布森编石油工业出版社石油地质学进展㈡ C.D霍布森编石油工业出版社石油地质学（加）F.K诺斯编石油工业出版社。