第1章 绪论
1.1 构造成岩作用的内涵
构造成岩作用是指沉积岩层从松散沉积物到固结成岩及之后的整个过程中所发生的构造和成岩相互作用(曾联波等，2016)。构造成岩作用主要研究沉积物沉积之后在构造作用下发生的构造变形与沉积物物理、化学变化作用及其相互关系，这种相互作用既可以发生在从松软沉积物到固结成岩过程中，还可以发生在沉积物固结成岩以后的改造过程中。在沉积物沉积之后发生的所有物理作用和化学变化过程中，流体一直以水岩作用的方式参与其中，并起着十分重要的作用，因而构造成岩作用还包括了岩石在成岩过程中的流体活动及其与岩石的相互作用。因此，构造成岩作用比传统的成岩作用的研究范围更广，涉及储层地质学、储层地质力学和构造地质学等多学科的交叉融合与拓展延伸。
在沉积储层形成与演化过程中，压实作用是松散沉积物受到机械力导致孔隙水排出和孔隙度减小的一种物理作用。目前的压实作用主要是考虑了上覆地层产生的静岩压力对沉积物的影响，而没有考虑沉积物在压实过程中的构造挤压等因素。实际上，在沉积盆地地层中任何一个部位除了受到上覆地层压力以外，还受到水平构造挤压应力、热应力和孔隙流体压力等多种应力因素的作用，其中，水平构造挤压应力同样可以产生侧向压实效应，导致岩石的孔隙减小，而热应力和孔隙流体压力可以产生抗压实效应而有利于岩石孔隙的保存。尤其在我国西部前陆盆地储层形成演化过程中的地质历史时期，水平侧向构造挤压应力可以高达100MPa以上(曾联波等，2004a)，其侧向挤压作用强度甚至超过了上覆地层静岩压力的作用强度，对沉积物的压实效应和储层成岩演化具有十分重要的影响。侧向构造挤压作用是沉积储层演化和致密储层形成的重要地质因素。
构造作用时间、变形序列、变形方式和变形强度对沉积储层的成岩作用的影响效应是多方面的和不均匀的，具有一定的特殊性和复杂性。例如，库车前陆盆地中水平构造挤压应力在一些区域造成的侧向压实效应，使储层的孔隙体积降低，不同构造部位的挤压应力分布不均匀，侧向构造挤压作用导致的储层减孔量存在明显的差异(寿建峰等，2005；李忠等，2009)。同时，在诸如冲起构造、断层相关褶皱转折端等一些构造部位，岩石变形产生的局部拉张应力作用，也可以抵消或减缓上覆地层产生的静岩压力的压实作用影响，从而有利于储层孔隙体积的保存。在一些高孔隙砂岩储层中，高孔隙流体可以使岩石的韧性增强，当岩石受到局部的剪切构造作用时，高孔隙砂岩并不一定以脆性破裂的方式产生破裂面，而是在一些部位由于颗粒滑动、旋转及破碎等作用产生局部的应变集中，从而在高孔隙砂岩储层中形成局部的变形条带(deformation band)(图1-1)，包括压缩条带、剪切条带和膨胀条带等多种类型(Fossen et al.， 2007; Eichhubl et al.， 2010)。这些变形条带的形成影响储层中流体的活动及成岩作用的非均质性，从而影响储层的整体物性。
图1-1 砂岩中的变形条带(Eichhubl et al.， 2010)
断裂带及其内部结构胶结物的形成演化过程实际上也是一种典型的构造成岩作用过程，可以称之为断层成岩作用。*先，在构造挤压作用下形成的断层及其相关裂缝发育带组成的断裂带，表现出由断层核和断层损伤带(即裂缝发育带)组成的“二元结构”特征(图1-2)；其次，流体沿高渗透性裂缝进入断裂带中，随着压力和温度的变化，含有矿物的热液流体发生结晶作用，逐渐胶结断层核及其损伤带中的裂缝和断层角砾(Solum et al.， 2010; Laubach et al.， 2014)，之后的溶蚀作用还可以进一步改造被方解石或石英等矿物胶结的断裂带，从而影响断裂带不同部位岩石的渗透性以及断层的封闭性。对于碳酸盐岩而言，在构造挤压作用下形成断层及其相关裂缝发育带以后，流体沿高渗透性裂缝
图1-2 断裂带及其内部结构示意图与照片(Choi et al.， 2016)
进入断裂带中产生溶蚀作用形成溶蚀孔洞，从而形成受断裂带控制的缝洞型储层(断溶体)，此类储层是目前塔里木盆地超深层碳酸盐岩优质储层和主要油气勘探区域(马永生等，2011，2019；漆立新，2016；李阳等，2018；何治亮等，2019)。断控碳酸盐岩缝洞型储层形成以后，后期多次流体活动发生的胶结充填和再溶蚀作用，使缝洞型储层演化更加复杂，非均质性更强，对油气富集及开发影响更大。因此，构造成岩作用研究还可以为断层的封闭性演化与评价及断控碳酸盐岩缝洞型储层的形成演化与非均质性评价提供地质理论依据。
1.2 构造成岩作用的研究内容
针对构造成岩作用的定义及其内涵，构造成岩作用主要研究在沉积储层形成演化过程中构造作用和成岩作用的相互耦合关系及其对储层差异演化与储层*终质量的影响。
1.构造作用对成岩作用影响研究
微观领域的成岩作用毫无疑问是受宏观构造作用影响的。区域大地构造背景不同，其相应的成岩作用发生时间、成岩演化序列及其机理也各不相同，导致储层形成与改造及其孔隙演化存在明显的差异。例如，克拉通盆地沉积储层经历的地质历史时间很长，虽然其构造作用强度相对较小，但构造作用的期次多，造成其成岩环境复杂且多变。多期复杂的成岩作用叠加在一起，导致储层物性普遍较差。西部前陆盆地沉积储层经历的地质历史时间比较短，构造作用的期次较少，但构造作用强度大，地层埋藏速率较大，因而其成岩演化快，成岩作用的强度大，孔隙递减速率快，储层物性较差。东部伸展盆地储层经历的地质历史时间相对较短，构造运动旋回少，构造作用强度相对较小，地层埋藏速率不大，成岩序列和孔隙演化相对简单，储层物性普遍较好。
构造作用通过控制沉积盆地的形成演化及盆内地层埋藏史和热演化史来影响储层的成岩作用。由于大地构造位置、古地理环境及古气候条件等因素的差异，相应盆地的沉积物物源供给、沉积体系及无机物、有机物类型都不同。同时，盆地动力学过程(包括应力场、温度场、压力场等)的差异也会导致储层成岩演化过程与成岩阶段的差异性。因此，从盆地动力学的角度开展成岩作用的研究，更有利于深入认识沉积储层的形成演化与改造过程。
在同一个地区，构造变形的差异性同样也控制了储层孔隙形成与保存的演化过程(钟大康等，2004)。例如，古构造格架分布及其演化控制了酸性流体的流动路径和流动方向，进而控制了储层的溶蚀作用及其次生孔隙的分布规律。构造作用形成的多尺度断层和裂缝系统是酸性水从烃源岩到储集岩的重要渗流通道，同样对次生孔隙发育带的分布有重要的控制作用。长期继承性的构造高部位比短期的构造高部位更有利于溶蚀作用和次生孔隙的发育，并且其储层物性更好。同时，构造高部位捕获的烃类有利于孔隙的保存。如果后期构造作用破坏油藏，烃类泄漏散失，不仅会使储层孔隙重新释放，还会使其被晚期碳酸盐岩胶结而消失，反映了沉积储层的成岩演化及其孔隙的形成、演化和保存机制与构造作用密切相关。
总之，在沉积储层的埋藏过程中，控制储层演化的成岩作用受温度、压力和流体等环境的影响，而影响成岩作用的各地质因素又受到构造作用的控制，从而影响储层成岩作用的演化。在不同的埋藏阶段，构造作用对成岩作用的影响方式和影响程度存在差异。在储层埋藏和成岩早期，构造作用主要表现为古构造对储层成岩作用的影响。在储层持续埋藏和成岩演化过程中，构造作用主要表现为通过控制地层沉降和断裂活动影响地层的温度、压力条件和流体的渗流活动，从而控制成岩作用和孔隙的演化；同时，侧向构造挤压造成的压实效应，同样对储层成岩作用及其孔隙的演化有重要的影响。储层岩石固结成岩以后，构造作用形成的天然裂缝一方面改善了储层的物性及其整体性能；另一方面储层中裂缝的发育还影响其流体的活动，从而影响储层中次生溶蚀孔隙的形成与分布，使储层的物性变好。后期的构造抬升作用导致储层埋藏深度变浅，有利于溶蚀作用和储层孔隙度的提高。因此，开展构造作用对成岩作用的影响研究，有利于深入认识储层的成岩演化过程。
2.成岩作用对构造变形影响研究
构造作用在影响储层成岩作用的同时，成岩作用也对储层的构造变形有重要影响。成岩作用对储层的构造变形的影响主要体现在以下几个方面。
(1)成岩作用通过影响岩石的力学性质影响构造变形。在不同的成岩阶段，受岩石中矿物颗粒的排列方式、致密程度、孔隙结构、物性及其中流体等多种因素的影响，岩石力学性质存在明显的差异，它们在构造应力作用下的变形方式不同。在早期阶段往往以塑性变形为主；在储层高孔隙阶段可以形成变形条带；而在后期储层致密阶段由于岩石脆性程度增加，以脆性破裂为主，可形成多种类型的构造裂缝(图1-3)。
图1-3 储层变形的三种类型
变形条带图据刘志达等(2017)
(2)成岩作用影响储层中裂缝类型、裂缝发育程度及其有效性。强烈的成岩作用不仅可以产生多种类型的成岩裂缝，而且由于不同成岩相的岩石力学性质不同，它们在相同的构造应力作用下，构造裂缝的发育程度存在明显差异(曾联波，2008)。整体上，强成岩相储层的构造裂缝发育程度高，而弱成岩相储层的构造裂缝发育程度低。裂缝形成以后，流体沿裂缝活动发生的成岩胶结作用和溶蚀作用还影响裂缝的充填性，使裂缝的有效性还受成岩胶结作用和后期溶蚀作用的影响(Laubach et al.，2010；曾联波等，2012)。裂缝中充填矿物结构表明，裂缝存在多次张开和胶结愈合过程(图1-4)，裂缝胶结物的微观结构特征、形成序列及其流体包裹体特征反映了裂缝的实际形成时间及其张开-闭合规律，裂缝张开速率和成岩胶结速率的相互关系决定了裂缝的有效性，因而通过对裂缝成岩作用的分析，能够为裂缝有效性评价提供理论基础。
图1-4 裂缝充填物结构图(Laubach et al.，2010)
P-孔隙；G-颗粒；FW-裂缝壁；-不同期次充填的矿物
(3)断裂带中断层岩的成岩作用类型及其程度还影响断层的封闭性和断层后期的活动性，并影响断控储层的发育规模及其储层质量。因此，通过断裂带内的成岩作用分析，不仅可以帮助了解断裂带的活动时间、断层在形成演化过程中的力学性质等特征，还可以为断层封闭性研究和断控储层的评价与分布预测提供地质依据。
3.构造成岩作用对储层形成演化与改造的影响
在沉积储层的形成演化过程中，构造成岩作用在不同阶段对储层的影响表现出明显的差异性。在储层形成演化早期，构造成岩作用主要导致储层孔隙度快速递减和渗透率变差。构造成岩强度越大，储层减孔率也越大，甚至使储层致密化。随着构造成岩作用的不断进行，储层岩石逐渐变得致密，储层的脆性程度增加，晚期的构造成岩作用可以形成多种成因类型的天然裂缝。它们既可以成为储层重要的储集空间和主要的渗流通道，同时沿裂缝系统流动的酸性流体更容易进入储层的孔隙中，并对颗粒和胶结物产生溶蚀作用，有利于次生孔隙的发育，使储层孔隙的连通性变好，对改善低渗致密储层的整体性能和提高储层的孔隙度与渗透率起积极作用，它们控制了低渗致密储层的差异演化及甜点储层的发育与展布规律(图1-5)。因此，构造成岩作用是控制储层差异演化与优质储层发育的关键因素。在构造变形强度和成岩强度定量分析的基础上，研究构造成岩强度的定量演变规律及其差异性，对阐明沉积储层孔隙-裂缝系统的形成、改造和保持机理，揭示储层有效孔隙-裂缝系统的发育规律及其评价预测具有重要意义。
图1-5 后期构造成岩作用下甜点储层的分布
值得注意的是，在沉积储层的不同演化阶段，构造成岩作用对储层的影响具有两面性，既有有利于孔隙-裂缝系统发育和保持的建设性作用，也有导致储层孔隙-裂缝系统消减和充填胶结的破坏性作用。只有厘清沉积储层在不同演化阶段所起的各种积极和消极作用，才能更好地阐明沉积储层孔隙-裂缝系统的演变过程及其有效性，揭示沉积储层的形成、演化与改造过程及优质储层的发育机制和展布规律。
沉积储层的形成、演化在受到构造变形和成岩作用控制的同时，流
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