碳酸盐胶结是砂岩储层中重要的胶结类型之一，常见的碳酸盐胶结物有方解石、文石、铁白云石、菱铁矿及菱镁矿等。碳酸盐胶结的物质来源多样，形成机制受沉积环境、沉积相、孔隙流体性质、成岩环境演化以及成岩系统的封闭性与开放性等多种因素控制^[1]。研究表明，海水、地表水及流动孔隙水均能持续带入溶解碳酸盐，是碳酸盐胶结的主要物质来源；同时，埋藏成岩过程中生物碎屑及碳酸盐岩岩屑溶解、碎屑颗粒溶蚀及黏土矿物转化等均可提供重要的物质基础。溶解物质进入孔隙流体，并在碱性成岩环境中再沉淀^[2-3]。碳酸盐胶结与储层物性关系密切，胶结物含量越高，储层物性越差。正是由于碳酸盐胶结在油气储层演化过程中的重要意义，其发育特征、形成演化及其对储层物性的影响机制等一直是国内外学者研究的热点^[4-6]。

番禺低隆起是珠江口盆地重要的天然气成藏区，截至目前，虽然在该区已有一系列油气发现，但总体勘探程度仍较低，油气地质特征认识仍有待加深^[7]，特别是在储层研究方面，对碎屑岩储层发育、展布特征及物性主控因素等的研究仍相对薄弱；主要目的层珠海组为海陆过渡相三角洲平原-三角洲前缘沉积，储层广泛发育，但尚无油气发现^[8-9]。鉴于此，基于钻井取心、测井及分析测试等资料，结合盆地区域构造演化及沉积背景分析，利用薄片、X射线衍射、扫描电镜等手段，对番禺低隆起珠海组砂岩开展系统的成岩作用研究，以期探究目的层碎屑岩主要成岩作用特征，查明碳酸盐胶结发育阶段，刻画碳酸盐胶结的产状、赋存特征、物质来源及形成机制，揭示其对研究区砂岩储层物性的控制作用，深化研究区油气地质特征认识，为该区下一步油气勘探提供依据。

珠江口盆地位于南海北部陆缘，是我国重要的含油气盆地之一，截至目前，已发现油气储量超过10亿t油当量^[7]。番禺低隆起位于珠江口盆地中央隆起带中部，北与恩平凹陷相接，南部倾没于白云凹陷，为一在古近系基底上发育起来的“下断上坳、下陆上海”次级隆起（图 1）。区内平均水深为200 m，是盆地内重要的天然气聚集带^[8]。番禺低隆起天然气成藏条件优越，主要表现在该构造带具有充足的油气来源、发育良好的储盖组合及多种有效的圈闭类型等^[9-15]。截至目前，已发现PY34-1，LH19-1等多个油气田，天然气探明储量近1 200亿m^3[8]。受控于盆地的构造演化，番禺低隆起经历了早期断陷及晚期坳陷两大演化阶段，自下而上发育始新统文昌组，渐新统恩平组、珠海组，早中新统珠江组、中中新统韩江组、晚中新统粤海组，上新统万山组和第四系，含油气层位主要为珠江组、珠海组及粤海组^[16-17] [图 1（c）]。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 番禺低隆起构造位置（a）、沉积相（b）及地层发育特征（c）示意图（据文献[18]和 [19] 修改） Fig. 1 Structural location (a), sedimentary facies (b) and stratigraphic development characteristics (c) of Panyu low-uplift

目的层渐新统珠海组为盆地由断坳阶段向坳陷阶段转化时期发育的一套低位体系域进积型浅海三角洲沉积，沉积物主要来源于古珠江三角洲。古珠江三角洲沿番禺低隆起-白云斜坡向南推进，直至白云凹陷北侧^[9-10]。番禺低隆起珠海组主要为三角洲平原亚相沉积，以沉积厚度较大、砂泥互层频繁为特征，构造以断块及断鼻为主，埋深为2 500~ 3 800 m。

薄片分析表明，番禺低隆起珠海组砂岩样品以灰白、灰绿色中-细粒岩屑石英砂岩、灰白色细-中粒岩屑石英砂岩及中-粗粒岩屑石英砂岩为主，含少量中-细粒生屑钙质石英砂岩、岩屑粉砂岩及岩屑细砂岩。砂岩中石英体积分数为80.3%~ 92.5%，平均为85.3%，长石体积分数为0~6%，平均为2.1%，其中钾长石和斜长石体积分数分别为0~3.1%和0~5.3%。岩屑主要为火山岩岩屑（体积分数为5.0%~15.2%），另有少量燧石（体积分数为1.0%~5.3%）以及石英片岩和千枚岩岩屑（二者体积分数合计为0~4.5%），火山岩岩屑见轻微绢云母化。胶结物含量较高，主要为方解石（体积分数为0~15.5%）、菱铁矿（体积分数为0~5.1%）、铁白云石（体积分数为0~15%）、黏土矿物（体积分数为0~3.2%）及少量石英次生加大（体积分数为0~ 3%）。砂岩的胶结类型主要为孔隙式胶结，另有少量基底式胶结。基底式胶结主要存在于碳酸盐胶结物含量较高的样品，颗粒呈“悬浮状”被早期方解石及铁白云石包裹。砂岩颗粒分选中等-好，呈次棱角状-次圆状，碎屑颗粒以点-线接触为主，粒度为0.1~0.3 mm，最大粒径为0.6 mm。

压实作用是导致番禺低隆起珠海组储层物性变差的主要因素，表现为随压实作用增强，粒间孔隙被有效缩减。研究区珠海组砂岩整体呈中等压实特征。珠海组顶部砂岩压实作用相对较弱，碎屑颗粒见少量点-线接触，云母等火山岩岩屑发生轻微变形；随埋深增大碎屑颗粒逐渐过渡为线接触及少量凹凸接触，珠海组下部砂岩（埋深大于3 800 m）遭受较强机械压实作用的改造，见塑性岩屑遭受挤压变形，形成假杂基，进一步破坏原生粒间孔隙。

次生孔隙的形成源于火山岩岩屑及长石的溶蚀，珠海组砂岩中广泛发育的溶蚀作用有效改善了孔隙空间及孔喉结构。珠海组砂岩面孔率为4%~ 20%（平均为12%），其中粒间孔面孔率为2%~16%（平均为9.3%），火山岩岩屑溶孔面孔率为2%~6%（平均为4.8%），长石溶孔面孔率为0~2%（平均为1.5%）。溶蚀作用是使研究区储层物性改善的主要因素。随压实作用增强，火山岩岩屑的塑性变形往往导致储层物性降低。总体来看，当火山岩岩屑体积分数小于10%，孔隙度及渗透率随火山岩岩屑含量增加均呈上升趋势，而当火山岩岩屑体积分数大于10%，孔隙度及渗透率随火山岩岩屑含量增加均大幅度降低。当火山岩岩屑含量较低时，其溶蚀扩大了孔隙空间，改善了孔隙的连通性，而当火山岩岩屑体积分数大于10%时，其塑性变形导致储层砂岩致密化，使储层孔渗性降低。

硅质胶结在研究区目的层普遍发育，主要呈石英次生加大形式产出，但其含量相对较低。X射线衍射结果表明，黏土矿物胶结亦广泛发育，胶结物质量分数为0.6%~2.7%，平均为1.6%，以伊利石为主，高岭石及绿泥石次之，未见蒙脱石、绿/蒙混层及伊/蒙混层等。

镜下观察及碳氧同位素分析等均表明，番禺低隆起珠海组砂岩共发育3期碳酸盐胶结，早期为方解石及铁白云石胶结，中期为方解石、铁白云石及菱铁矿胶结，晚期为少量方解石及铁白云石胶结（图 2、图 3）。X射线衍射全岩分析显示，早期方解石呈基底式胶结，质量分数为0~15.5%，平均为5%，非均质分布，见碎屑颗粒呈“悬浮状”被方解石包裹，表明该类胶结形成于有效压实作用发生前、碎屑颗粒与沉积底水接触的同生成岩期，方解石在弱碱性成岩环境中从饱和流体中析出并形成团块状或结核状胶结[图 3（a）]，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-3.8‰~-3.4‰和-11.4‰~-9.1‰；中期方解石含量相对较低，质量分数为0~5%，非均质分布，呈细结核状充填粒间孔隙[图 3（b）]，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-5.9‰~-4.8‰和-13.5‰~ -11.9‰；晚期方解石含量较低，主要呈团块状、细结核状充填于粒间及溶蚀孔隙[图 3（c）]，见中-细粒岩屑石英砂岩样品中，晚期方解石交代石英颗粒及生物碎屑颗粒，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-9.7‰~-8.5‰和-14.0‰~-12.7‰。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 番禺低隆起珠海组碳酸盐胶结物碳氧同位素组成 Fig. 2 Carbon and oxygen isotope composition of carbonate cements of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 番禺低隆起珠海组砂岩碳酸盐胶结特征 （a）岩屑石英细砂岩，方解石呈基底式胶结，PX-1井，2 771.68 m，普通薄片，正交偏光；（b）细粒岩屑石英砂岩，少量中期方解石呈孔隙式胶结，PX-2井，3 368.30 m，普通薄片，正交偏光；（c）含岩屑石英中—细砂岩，长石溶蚀残骸与晚期铁方解石，PX-1井，2 781.10 m，普通薄片，正交偏光+石膏试板；（d）细—中粒钙质岩屑石英砂岩，早期铁白云石胶结呈基底式胶结，PX-1井，2 779.70 m，普通薄片，单偏光；（e）岩屑石英细砂岩，晚期铁白云石充填粒间孔隙，PX-2井，3 376.63 m，普通薄片，单偏光；（f）中—细粒岩屑石英砂岩，晚期铁白云石交代石英颗粒和次生加大边，PX-1井，2 773.15 m，普通薄片，单偏光；（g）晚期铁白云石强烈交代骨架颗粒，PX-3井，3 435.50 m，普通薄片，单偏光；（h）岩屑石英细砂岩，晶粒状菱铁矿胶结，PX-3井，3 028.50 m，普通薄片，单偏光；（i）石英细砂岩，菱铁矿和孔隙式胶结的铁白云石，PX-1井，2 769.58 m，普通薄片，单偏光 Fig. 3 Carbonate cements of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

X射线衍射全岩分析表明，研究区个别样品早期铁白云石质量分数达15%，形成于有效压实作用之前，且胶结前的样品面孔率达到了40%~45% [图 3（d）]，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-3.7‰~ -3.3‰和-11.6‰~-10.2‰；中期铁白云石主要为孔隙式胶结，呈团块状及细结核状充填于粒间孔隙，质量分数一般小于6%[图 3（e）]，可见铁白云石交代生物碎屑颗粒，轻微交代碎屑石英颗粒及石英次生加大边，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-7.4‰~ -4.6‰和-14.9‰~-8.9‰；晚期铁白云石质量分数一般小于1%，为孔隙式胶结，占据粒间及次生溶蚀孔隙，并强烈交代生物碎屑颗粒以及石英次生加大边[图 3（f）-（g）]，δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-11.4‰~-9.7‰和-12.3‰~-11.6‰。

菱铁矿主要以分散晶体及结核状产于细-中砂岩中，质量分数为0~0.6%，形成于成岩作用早期，可见菱铁矿晶体被中期铁白云石结核包裹，且充填粒间孔隙及次生孔隙[图 3（h）-（i）]，表明其发育早于中期铁白云石胶结以及火山碎屑和长石溶蚀。菱铁矿胶结物δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-7.2‰~-5.3‰和-12.4‰~-11.4‰。

薄片鉴定、扫描电镜观察及同位素分析等综合研究表明，碳酸盐胶结主要形成于同生成岩期、早成岩阶段A期及晚成岩阶段A₁期（图 4）。同生成岩期的胶结表现为早期方解石及铁白云石团块包裹碎屑颗粒，碎屑颗粒呈点接触或未接触，被包裹颗粒未发育其他成岩现象，且该类胶结形成前碎屑颗粒粒间孔隙的体积分数达40%~45%，表明其形成早于有效压实作用[图 3（a），（d）]。随着地层埋深及温压增大，沉积物与底水隔离，孔隙流体中方解石、铁白云石及菱铁矿在弱碱性环境中过饱和析出，并占据孔隙空间[图 3（b），（e）]，还可见菱铁矿晶体被铁白云石包裹，表明其发育早于中期铁白云石。到早成岩阶段B期，随着有机质热演化过程中有机酸进入孔隙流体，成岩环境从早期的弱碱性-弱酸性转变为酸性，碳酸盐胶结作用停止，且早期碳酸盐胶结物被酸性流体选择性溶蚀。至晚成岩阶段A₁期的后期，随着酸性流体的不断消耗，成岩环境逐渐转变为弱碱性-碱性环境，晚期方解石及铁白云石从孔隙流体中过饱和析出，可见晚期方解石及铁白云石充填残余粒间孔、岩屑溶孔及生物碎屑溶孔等，均表明晚期方解石及铁白云石的形成晚于溶蚀作用，同时，随着地层埋深及温压进一步增大，晚期铁白云石交代碎屑石英颗粒及石英次生加大边广泛发育[图 3（e）-（g）]。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 番禺低隆起珠海组储层砂岩成岩阶段划分 Fig. 4 Diagenetic stages of reservoir sandstone of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

薄片鉴定及X射线衍射分析均表明，早期方解石及铁白云石含量均较高，两者均以基底式胶结为典型特征。该类胶结物形成时期，碎屑沉积物仍与底水接触，压实作用较弱，孔隙流体中的方解石及铁白云石在弱碱性成岩条件下过饱和析出，并占据孔隙空间[图 3（a），（d）]。同位素分析显示早期碳酸盐胶结物δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-3.8‰~ -3.4‰和-11.4‰~-9.1‰，结合研究区珠海组浅海三角洲平原亚相沉积背景，表明早期的沉积底水为三角洲带入的陆相地表水与海水的混合，导致碳氧同位素值偏低^[20-23]。此外，分流河道在海相浅水三角洲演化过程中带来了丰富的铁、钙等元素，海水中亦含有丰富的Fe²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺等离子^[4-5]。在成岩作用早期的弱碱性-碱性成岩环境下，Ca²⁺与CO₃^2-结合形成了方解石，Ca²⁺，Fe²⁺，Mg²⁺，Mn²⁺等与CO₃^2-反应形成了铁白云石，同时，未经有效压实的碎屑沉积物为该期胶结提供了孔隙空间。

中期碳酸盐胶结物主要形成于早成岩阶段A期至早成岩阶段B期早期，典型特征为方解石、铁白云石及菱铁矿晶体充填粒间孔隙，亦见铁白云石轻微交代石英颗粒及石英次生加大边、铁白云石结核包裹菱铁矿等现象，表明随着珠海组碎屑沉积物与底水隔离及埋深增大，碳酸盐矿物在弱碱性成岩环境中发生化学沉淀，并占据粒间孔隙空间。该期胶结物δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-7.4‰~-5.9‰和-14.9‰~-8.9‰，孔隙流体中碳氧同位素组成较早期胶结物偏负。综合分析表明，偏“轻”的碳可来源于早成岩期生物化石碎屑颗粒溶解、沉积物有机质在还原环境中发生硫酸盐的细菌还原作用等，是多因素综合作用的反映^[23-25]。中期碳酸盐胶结所需的Ca²⁺，Fe²⁺及Mg²⁺等离子主要来自残余孔隙流体，亦可来自早期生物化石骨架颗粒溶解、铝硅酸盐矿物的水化作用等。氧同位素组成与早期胶结区别不大，表明了早成岩期孔隙流体与早期沉积底水的继承关系，没有明显特征表明演化过程中有水体蒸发及外源混合作用发生^{[22, 26]}。同时，氧同位素组成的细微变化可能由富¹⁸O的自生矿物形成等原因所致^[27-29]。

晚期碳酸盐胶结物含量相对较低，体积分数为0~3%，主要为孔隙式胶结的方解石及铁白云石，胶结物δ¹³C_PDB值和δ₁₈O_PDB值分别为-11.4‰~-9.7‰和-14.0‰~-11.6‰，碳同位素较早期碳酸盐胶结进一步变轻。研究表明，干酪根热降解过程中形成的有机酸往往具有较轻的碳氧同位素，此类碳同位素一般为-35.0‰~-4.0‰^[20]。因此，晚期碳酸盐胶结碳同位素变轻很可能是受有机酸的影响，岩屑及长石溶蚀是有机酸进入储集层砂岩的最直接证据[图 3（a）-（c）]。研究表明，与研究区晚期碳酸盐胶结紧密相关的有机碳源主要来自白云凹陷恩平组及文昌组湖相泥岩的有机质热演化^[10-13]。一方面，白云凹陷恩平组及文昌组湖相泥岩为番禺低隆起的主要烃源岩，烃源岩热演化过程中排出的有机酸提供了物质基础；另一方面，番禺低隆起-白云凹陷北部斜坡断层及砂体均发育，为有机酸向上部运移进入珠海组提供了重要的通道^[15-16]。火山碎屑溶蚀还为晚期胶结提供了丰富的铁元素。钙元素可来源于碳酸盐岩岩屑溶蚀、黏土矿物的转化及火山岩岩屑绢云母化蚀变等^[21]。此外，铁白云石胶结所需的镁及锰等元素主要来自残留粒间孔隙流体等。

铸体薄片观察表明，番禺低隆起珠海组砂岩孔隙类型以粒间溶孔-粒内溶孔-粒间孔组合为主（图 5）。砂岩样品面孔率为4%~35%，平均为15.5%，其中，粒间溶孔占3.0%~12.5%（平均为6.5%），粒内溶孔占2.0%~14.5%（平均为4.0%），粒间孔占2.0%~ 13.0%（平均为5.0%）。在粒间孔发育的样品中，中-细粒岩屑石英砂岩中绿泥石黏土膜较发育[图 5（b）]。在溶蚀孔发育的样品中，被溶组分主要为火山岩岩屑、长石及少量生物化石，孔隙连通性往往较好[图 5（c）]。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 番禺低隆起PX-1井珠海组砂岩孔隙特征 （a）岩屑石英细砂岩，粒间溶孔和粒内溶孔，面孔率约为35%，3 234.60 m，铸体薄片，单偏光；（b）岩屑石英中砂岩，粒间溶孔和粒内溶孔，面孔率约为15%，孔隙连通性较好，2 765.50 m，铸体薄片，单偏光；（c）岩屑石英中砂岩，黏土膜保护下的粒间孔，3 242.14 m，铸体薄片，单偏光；（d）钙质岩屑细砂岩，孤立的岩屑粒内溶孔和生物体腔孔，面孔率约为5%，2 771.68 m，铸体薄片，单偏光 Fig. 5 Pore types of reservoir sandstones of Zhuhai Formation in well PX-1 in Panyu low-uplift

碳酸盐胶结样品的面孔率与胶结物含量呈负相关关系，即胶结物含量越高，样品面孔率越低。统计结果表明，碳酸盐胶结不发育的样品面孔率可达15%~25%，平均为18.3%，孔隙连通性较好；碳酸盐胶结发育的样品面孔率仅为4.5%~18.5%，平均为8%。

物性测试结果表明，番禺低隆起珠海组砂岩孔隙度为7.2%~23.5%，平均为15.1%，渗透率为0.3~ 1 174.2 mD，平均为144.3 mD。未发育碳酸盐胶结物的样品孔隙度为10.1%~25.5%，平均为16.6%，渗透率为1.2~1 174.2 mD，平均为189.3 mD；碳酸盐胶结物体积分数大于5%的样品物性相对较差，孔隙度为7.9%~15.7%，平均为12.5%，渗透率为0.3~304.6 mD，平均为95.7 mD；碳酸盐胶结物体积分数为0.1%~5.0%的样品物性相对较好，孔隙度为6.9%~21.7%，平均为14.8%，渗透率为0.8~ 605.5 mD，平均为125 mD（图 6）。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 番禺低隆起珠海组砂岩物性特征 Fig. 6 Measured porosity and permeability of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

实测孔、渗数据表明，番禺低隆起珠海组砂岩具有中孔、中渗特征，碳酸盐胶结是导致储层砂岩物性变差的主要原因之一。碳酸盐胶结物体积分数大于5%的样品实测平均孔隙度和平均渗透率分别较未胶结样品低25%和49.3%；碳酸盐胶结物体积分数为0.1%~5.0%的样品实测平均孔隙度和平均渗透率分别较未胶结样品低11.2%和34.0%。

X射线衍射及镜下观察亦表明，储层砂岩孔隙度、渗透率与碳酸盐胶结物含量均呈负相关关系（图 7）。早期碳酸盐胶结物体积分数一般大于5%，以基底式胶结形式产出，胶结物完全充填粒间孔隙，此类砂岩样品孔隙度一般低于15%[参见图 3（a），（b）]；中晚期碳酸盐胶结物以孔隙式胶结为主，呈条带状或团块状充填粒间孔隙[参见图 3（h）]；晚期碳酸盐胶结物主要为方解石及铁白云石，其体积分数一般小于3%，胶结物充填粒间孔隙及粒间溶孔，并交代碎屑颗粒。铁白云石包裹中期菱铁矿、铁白云石交代碎屑石英颗粒及石英次生加大边等，均使砂岩进一步致密化，进而破坏储层物性[参见图 3（f），（g）]。

图 7

Fig. 7

下载eps/tif图 图 7 番禺低隆起珠海组砂岩储层孔隙度（a）、渗透率（b）与碳酸盐胶结物含量的关系 Fig. 7 Relationships of carbonate cements with porosity (a) and permeability (b) of Zhuhai Formation in Panyu low-uplift

（1）番禺低隆起珠海组砂岩发育同生成岩期、早成岩阶段A期及晚成岩阶段A₁期共3期碳酸盐胶结，同生成岩期发育方解石及铁白云石胶结，早成岩阶段A期发育方解石、铁白云石及菱铁矿胶结，晚成岩阶段A₁期发育少量方解石及铁白云石胶结。

（2）早期碳酸盐胶结主要呈基底式产出，其形成、演化主要受沉积环境和物源条件影响，与该时期孔隙流体在弱碱性成岩环境中过饱和析出有关；中、晚期碳酸盐胶结主要呈孔隙式胶结，此2期胶结物沉淀受控于孔隙流体的运移及演化。胶结物物质来源呈多来源特征，包括生物化石骨架颗粒的溶解、铝硅酸盐矿物的水化作用、早期残余孔隙流体物质等。

（3）碳酸盐胶结是导致目的层储层物性变差的主要因素之一，胶结物含量越高，储层物性越差。早期碳酸盐胶结物包裹碎屑颗粒，充填粒间孔隙，极大地破坏了储层物性；中期和晚期碳酸盐胶结物充填粒间孔隙及粒间溶孔，并交代碎屑石英颗粒及石英次生加大边等，使砂岩进一步致密化，破坏了储层物性。

致谢: 在项目完成过程中，陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院的张丽霞和胡双全给予了悉心指导，在此表示感谢！