成岩测试技术的发展

高昕晨

摘 要：成巖作用是极其复杂的物理化学过程，其影响因素多变、过程复杂。各种测试技术是研究成岩作用的有利手段，本文对相关文献进行了调研与总结，阐述了成岩测试技术的历史、现状及进展，总结这些测试技术的特点，并结合实例证明这些方法的可行性。

关键词：成岩作用;薄片和铸体薄片鉴定技术;阴极发光显微镜观察技术;扫描电镜观察技术.

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

成岩作用是极其复杂的物理化学过程，其影响因素的多变和过程的复杂性主要体现在岩石成分的复杂性，流体来源的广泛性，成岩环境条件的多变性等。各种测试技术是研究成岩作用的有利手段，本文将阐述成岩测试技术的历史、现状及进展。

1  成岩作用

成岩作用是指由松散的沉积物变为固结岩石的作用。广义的成岩作用还包括沉积过程中及固结成岩后所发生的一切变化和改造。成岩作用主要包括以下几种方式。

1.1 压实作用

压实作用是指在沉积物不断增厚的情况下，下伏沉积物受上覆沉积物的巨大压力，使沉积物孔隙度减少，体积缩小，密度增大，水分排出，颗粒间联系力加强，沉积物固结变硬的作用。其强弱受埋深以及岩石类型的控制，埋深越大，塑性矿物及杂基含量越多，压实作用越强。

1.2 胶结作用

沉积物中有大量孔隙，在沉积过程中或固结成岩后被矿物质所填充，从而将分散的颗粒粘结在一起，称为胶结作用。在定边油田中，胶结作用是使得砂岩孔隙度减小、渗透率降低的主要原因之一[1]。其表现是以黏土矿物中的高岭石、绿泥石黏土薄膜和偶见铁白云石和方解石胶结。

1.3 重结晶作用

重结晶作用是指沉积物在压力和温度逐渐增大的情况下，发生溶解，导致物质质点重新排列，使非晶质变成结晶质的作用。重结晶后的岩石，孔隙减少、密度增大、坚固性增强。以川东北镇巴地区白云岩层为主[2]，重结晶作用中，晶体变大变粗，由泥重结晶为粉晶、细晶，局部可见重结晶。重结晶作用改变了晶粒结构及孔隙结构大小，提高了岩石的有效孔隙度和渗透率。

1.4 脱水作用

沉积物受上覆岩石强大压力的同时，温度也逐渐增高，在压力和温度的共同作用下，不仅能排出沉积物颗粒间的附着水，而且还使胶体矿物和某些含水矿物产生失水作用而变为新矿物，如蛋白石变为玉髓、褐铁矿变为赤铁矿、石膏变为硬石膏等。

2  主要分析方法与技术

储层成岩作用研究要综合分析。首先，对成岩作用的产物进行研究，包括系统地对储层岩心进行观察、薄片鉴定和分析测试，根据成岩现象和孔隙变化特征，推测成岩作用过程;其次，根据孔隙流体温度、压力等成岩参数，从物理化学和热力学等角度探讨成岩反应机理;最后，结合盆地地层、构造、沉积等资料，建立储层成岩模式和孔隙演化模式。除这些岩石学常规方法外，还涉及许多先进的测试技术，下面将对主要测试技术的原理及发展现状进行阐述。

2.1 薄片和铸体薄片鉴定技术

薄片和铸体薄片鉴定技术主要是用以研究岩石的成分、结构，胶结的成分、类型，孔隙的大小、类型、结构等。该法应用在岩石孔隙结构特征的研究中，是将染色树脂注入到被洗净和抽空的岩心孔隙内，待树脂凝固后，再按所需方位将岩心切片放在显微镜下观察[3]。铸体薄片中带色的树脂部分代表岩石二维空间的孔隙结构状态，因此能直接观察到岩石薄片中的面孔率、孔隙、喉道及孔喉配位数等。近20年来，该技术与数字成像系统相结合形成了极具特色的岩石铸体薄片显微图像分析技术。

2.2 阴极发光显微镜观察技术

阴极发光技术主要是根据矿物的光学性质和岩石结构对样品进行碳酸盐岩沉积学研究。在沉积学领域，阴极发光技术常用来区分胶结物的形成期次及世代关系和矿物的生长环带、确定共生序列、恢复成岩历史、划分成岩阶段、判别碳酸盐岩的成岩蚀变史、推测成岩流体性质以及生物壳层的生长条件与环境演化的关系等。夏云的研究表明，阴极发光技术能快速识别次生孔隙，确定孔隙成因[4]，能迅速恢复储层原生结构及显微构造。

2.3 扫描电镜观察技术

扫描电镜可直观再现有机质富集的显微组分、干酪根、煤及富含有机质的全岩样品在地层条件下的动态生气过程，对于评价不同地质样品的产气潜力提供了有效的新手段。另外，扫描电镜在矿物岩石学、粘土矿物分析、储层研究、油气层保护等方面也发挥了重要作用。

2.4 X-射線衍射分析技术

在成岩作用的研究中，X-射线衍射分析技术能进行粘土矿物的定性、定量分析，计算混层比、自生矿物的鉴定、全岩定量分析等。以粘土矿物为例，利用峰的位置、高度、宽度、形态系数、不对称性要素描述衍射峰形态更加准确、全面[5]。结合新近提出的图解分析方法及已有的方法可准确地进行结晶度、粒度、应变、定量综合分析，并可应用在相应的成岩作用、变质作用、盆地成熟度、构造应力场等分析研究中。

2.5 电子探针分析技术

电子探针，全称为电子探针显微分析仪（EPMA），主要用于研究固体物质表面或近表面范围内的元素组成及分布。它利用聚焦高能电子束，轰击样品表面的微小范围（微米级），激发样品组成元素的特征X射线，通过分析X射线的波长、测定X射线的强度并与标准样品进行对比，从而确定样品的化学组成及其含量。

2.6 气液包裹体显微镜分析技术

激光扫描共聚焦显微镜技术（CSLM）兴起于20世纪80年代末，是最先进的高精度光学显微观察技术之一，在地质学应用广泛。具有精度高、成像清晰立体的特点，并能够较为真实的还原观察目标，对制样要求较低。它在石油地质学方面的应用源于20世纪90年代末，主要表现在有机质、储层孔隙、古生物化石和流体包裹体等方面。

2.7 有机质成分和成熟度分析技术

有机质成熟度指标是以有机质各组分在热降解过程中化学组成、结构和物理性质所发生的变化为基础而建立的，是有机质热成熟作用程度的衡量标准，也是成岩作用研究中使用最为广泛的古地温计。常见的有机质成熟度指标可以分为两大类：一类以有机组分的光学性质为基础，以镜质体反射率为代表，还有孢粉颜色、热变指数、牙形石色变指数、生物碎屑反射率等。另一类以化学组成为基础，主要包括热解分析的最高热解峰温和生物标志化合物指标等。

2.8 同位素分析技术

利用岩石中氧碳稳定同位素变化的规律恢复沉积作用发生的古地理环境及相环境是储层沉积环境分析的有效手段。碳氧同位素在一定程度上可以反映样品的成岩蚀变程度，很好地指示岩样形成的古盐度和古温度。人们利用碳氧同位素值分析碳酸盐岩成岩流体来源与成岩环境。

3  成岩测试技术的展望

薄片和铸体薄片鉴定技术、阴极发光显微镜观察技术、扫描电镜观察技术、X-射线衍射分析技术、电子探针分析技术、气液包裹体显微镜分析技术、有机质成分和成熟度分析技术、同位素分析技术都各具特色，极大的在成岩作用的研究中发挥了自己的优势，在日后的研究中也将保留各项技术的特色，并结合现代计算机技术，进一步发展。

参考文献：

[1] 张哲豪，魏新善，弓虎军，薛文卓，陈彪，史雯欣.鄂尔多斯盆地定边油田长7致密砂岩储层成岩作用及孔隙演化规律[J].油气地质与采收率，2020，27（2）：43-52.

[2] 魏杨，胡作维，李云，刘灿.川东北镇巴地区寒武系龙王庙组碳酸盐岩成岩作用特征[J].东北石油大学学报，2020，44（02）：56-68+9.

[3] 陈杰 ，周改英 ，赵喜亮 ，何成 .储层岩石孔隙结构特征研究方法综述[J].特种油气藏，2005，12（4）：11-14.

[4] 夏云.阴极发光技术在胜利油区深层砂岩储层研究中的应用[J].石化技术，2017，24（10）：113-113.

[5] 王河锦，鲁安怀，陈涛.一种粘土矿物分析新方法及在地质学中的应用[J].地质学报，2002，76（4）：500-500.

（长江大学地球科学学院  湖北  武汉  430100）