珠江口盆地位于中国南海北部大陆架和陆坡边缘，海南岛与台湾岛之间的海域，面积约26.6×10⁴ km²。惠州凹陷位于珠江口盆地珠一坳陷中部（图1），面积约7 400 km²，是珠江口盆地非常重要的富烃凹陷^[1⁃2]。该凹陷古近系珠海组富含砂体，近年来的油气勘探实践证明珠海组具有良好的油气勘探潜力，是现阶段的重要研究层位之一。

图  1  珠江口盆地构造单元划分及惠州凹陷位置（据施和生等^[1]，有修改）

Figure 1.  Division of tectonic units in the Pearl River Mouth Basin and location of Huizhou Sag (modified from Shi et al.^[1])

前人对惠州凹陷珠海组的研究涉及沉积特征^[3⁃7]、构造演化^[8⁃11]和成藏条件^[12⁃14]等方面，针对储层成岩作用和孔隙特征的研究较少，目前的研究成果主要集中在两个方面：一方面以古近系恩平组和珠海组储层整体作为研究对象，认为溶蚀作用形成的次生孔隙对储层物性的改善起到了决定性作用^[15⁃17]；另一方面是对惠州凹陷西部珠海组储层的研究，认为储层孔隙以原生孔隙为主，次生溶孔较少，且储层主要发育压实作用、石英和长石的次生加大以及钾长石的溶蚀作用^[18]。以上研究缺乏对惠州凹陷东部珠海组储层的详细描述，其成岩环境和成岩作用的特征需进一步落实。

以往人们对砂岩次生孔隙成因的讨论，主要集中在酸性流体对长石和岩屑等碎屑颗粒以及碳酸盐胶结物的溶蚀作用方面，而对碱性成岩环境下次生孔隙的形成研究较少。20世纪90年代以来，一些学者开始针对碱性成岩作用进行相关研究：邱隆伟等^[19]研究泌阳凹陷时发现了大量碱性成岩作用形成的石英次生溶孔，建立了与经典成岩作用不同的次生孔隙发育模式；张胜斌等^[20]通过研究四川盆地河包场须家河组须二段认为晚成岩期发育的石英溶蚀孔隙为储层提供了良好的储集空间，这对深部储层的改善作用提供了新的认识；单祥等^[21]依据准噶尔盆地西北缘中—下二叠统碎屑岩储层中碱性溶孔的分布规律，明确了其最发育部位为斜坡带的中部；此外，对于原生孔隙，赵国祥等^[22]认为早期的碱性成岩环境可以保护长石，从而抑制压实作用，有利于原生孔隙的保存。本文在前人研究的基础上，通过大量铸体薄片、扫描电镜、X衍射、粒度分析等资料，对惠州凹陷东部珠海组砂岩储层进行了研究，认为研究区存在碱性成岩环境并对该环境下成岩作用的特征和孔隙演化的过程进行了探讨。

通过对研究区4口取芯井的岩石薄片资料进行观察，惠州凹陷东部珠海组砂岩的石英含量在60.8%~80.0%之间，平均含量为70.8%；长石含量在3.0%~19.6%之间，平均含量为8.5%；岩屑含量较高，平均为20.7%，最高可达30.0%。岩屑类型以板岩、片岩、千枚岩为主，泥岩、粉砂岩和酸性喷出岩次之。可见大量塑性岩屑受压实作用影响，以假杂基的形式充填孔隙空间。填隙物中杂基含量较高，可达4.6%；胶结物的类型较多，包括碳酸盐、硫酸盐、钾盐、伊利石以及绿泥石等胶结物，含量为3.5%。

惠州凹陷东部珠海组储层的岩石类型以岩屑砂岩（37.1%）、长石质岩屑砂岩（31.4%）、岩屑质石英砂岩（20.0%）和岩屑质长石砂岩（8.6%）为主，总体上岩屑含量较高，成分成熟度较低（图2）。

图  2  惠州凹陷东部珠海组砂岩岩石类型三角图

Figure 2.  Triangular diagram of sandstone types in the Zhuhai Formation, eastern Huizhou Sag

结构方面，珠海组砂岩整体表现出粒度粗、分选较差、磨圆中等的特点。砂岩的粒径在0.1~1.5 mm之间，平均粒径为0.72 mm，主要为粗砂岩（71.4%），其次为中砂岩（25.0%）。碎屑颗粒间多呈线接触和凹凸接触关系；分选性以中等至差为主；磨圆度多为次圆状至次棱角状，结构成熟度较低。

通过铸体薄片、扫描电镜等资料研究认为惠州凹陷东部珠海组储层发育碱性成岩作用。主要可见石英的溶蚀和交代作用、碳酸盐胶结作用、伊利石和绿泥石的沉淀与转化作用以及钠长石化作用等。

石英是碎屑岩中最稳定的成分之一，通常很难被溶蚀，但实际工作中石英的溶蚀现象并不罕见^[23]。近年来，国内的很多学者对于碱性成岩环境下，石英的溶蚀作用进行了研究^[24⁃28]。针对石英溶蚀的条件，Blatt et al.^[29]研究认为SiO₂的溶解度随着pH值和温度的升高而增大，当pH值大于9.8、温度大于25 ℃时，石英将发生溶解。

研究区珠海组发育较多的石英溶蚀现象，按其特征可以分为以下三类：1）颗粒边缘溶蚀：石英颗粒边缘发生溶蚀的现象比较普遍，镜下可以观察到石英颗粒表面受溶蚀作用影响呈港湾状，形成了粒间溶孔，增大了储集空间（图3a，b）。2）颗粒内部溶蚀：石英颗粒内部发生溶蚀的现象相对较少，主要可见溶蚀形成的残余石英，指示较强的溶蚀作用（图3c，d）。3）次生加大边溶蚀：铸体薄片中可以观察到石英次生加大边受溶蚀作用影响呈锯齿状（图3e）。在扫描电镜下，石英次生加大边被溶蚀的现象更加明显，可见平直的石英颗粒表面被溶蚀形成凹凸不平的溶蚀坑（图3f）。

图  3  石英的溶蚀现象

Figure 3.  Quartz dissolution phenomena

交代作用是指一种矿物代替另一种矿物的现象^[30]。在研究区珠海组观察到了碳酸盐矿物和黏土矿物对石英的交代作用，这些现象同样指示着碱性成岩环境的存在。

在成岩过程中，随着pH值的升高，石英的溶解度增大，而碳酸盐矿物的溶解度减小。当pH值大于9.8时，就会发生石英的溶解和碳酸盐矿物的沉淀，出现碳酸盐矿物交代石英的现象^[30]。以方解石交代石英为例，其具体反应过程是：当溶液呈碱性时，石英表面发生溶解，溶解物质以H₄SiO₄分子薄膜的形式存在于石英颗粒表面，并逐步向孔隙溶液中扩散；而薄膜外的孔隙溶液中，Ca²⁺和 H C O 3 - 的浓度高于薄膜内的浓度，会不断向薄膜内扩散，形成CaCO₃沉淀，从而完成方解石对石英的交代^[31]。

在研究区珠海组的铸体薄片中，可以观察到方解石和白云石交代石英的现象。单偏光下，方解石被铁氰化钾和茜素红混合液染成粉红色而白云石不会被染色。石英被方解石交代使得两者接触的边缘呈不规则的锯齿状（图4a），而被白云石交代则形成了两种矿物相互穿插的现象（图4b）。

图  4  碳酸盐矿物和黏土矿物对石英的交代作用

Figure 4.  Metasomatism of quartz by carbonate and clay minerals

通常富含K⁺的碱性水介质环境有利于伊利石的形成，而富含Fe²⁺和Mg²⁺的弱碱性环境有利于自生绿泥石的生成。此外，蒙皂石在碱性水介质条件下会向伊利石或绿泥石转化^[32]。在研究区的铸体薄片中可以观察到黏土矿物交代石英的现象，表现为石英颗粒与黏土矿物界限模糊不清，石英边缘呈锯齿状、港湾状（图4c，d）。同样地，在扫描电镜下也观察到了丝片状的伊利石和绒球状的绿泥石交代石英颗粒的现象（图4e，f）。

通常在碱性成岩环境下，碳酸盐矿物的溶解度降低，容易发生胶结沉淀。研究区碳酸盐胶结物较发育，主要包括白云石、含铁白云石、铁白云石、方解石以及菱镁矿等。

白云石主要为早期碳酸盐胶结的产物，以基底式胶结的形式出现，含量变化较大，在0~40%之间，平均为0.9%。早期白云石胶结物的发育抑制了压实作用，在薄片中可以观察到碎屑颗粒基本呈点接触关系，且分选和磨圆较差（图5a）。

图  5  碳酸盐矿物的胶结作用

Figure 5.  Cementation by carbonate minerals

含铁白云石胶结物的含量为0~43%，平均为1.1%，可见其以基底式胶结的形式产出，并被铁氰化钾和茜素红混合液染成浅蓝色。含铁白云石胶结物的存在同样抑制了压实作用，使得碎屑颗粒间呈点接触关系甚至不接触（图5b）。

研究区的铁白云石胶结物含量在0.05%左右，仅在部分样品中可见。铸体薄片中可以观察到铁白云石主要充填在粒间孔隙中，晶体形态比较完整（图5c）。扫描电镜下，可以看到立方体状的铁白云石晶体，其表面发育一定的溶蚀现象（图5d）。

方解石胶结物在珠海组含量少，平均为0.05%。扫描电镜下，可见粒间孔隙中充填的球状方解石（图5e）。

扫描电镜下可见自形程度较好的菱镁矿（MgCO₃）晶体，其也是碱性环境下沉淀出的碳酸盐矿物。菱镁矿仅在个别层位可以观察到，而且含量很低（图5f）。

在不同环境中，各种黏土矿物的稳定性有所不同。通常在酸性环境中，高岭石相对稳定，即使温度和压力有所改变也不会向伊利石转化。随着pH值增大，高岭石的稳定性降低，若介质中存在K⁺，高岭石会变成伊利石；若介质存在Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺，则会转化为蒙皂石或绿泥石。同样地，蒙皂石的伊利石化和绿泥石化也需要碱性的介质环境。如果孔隙水为酸性，蒙皂石则将向高岭石转化。对于伊利石和绿泥石，在碱性环境下，两者均比较稳定；而在酸性环境下，两者可以转化为高岭石，发生退变作用^[30,32]。

黏土矿物X衍射资料显示惠州凹陷东部珠海组的黏土矿物主要为伊利石（I），次为绿泥石（C）和伊/蒙混层黏土矿物（I/S），而高岭石（K）和绿/蒙混层黏土矿物（C/S）相对较少（表1）。这种伊利石、绿泥石含量高，高岭石、蒙皂石含量低的黏土矿物组合反映了碱性的成岩环境。

珠海组储层中伊利石的相对含量为50%，主要分布于碎屑颗粒表面和孔隙之中，在扫描电镜下呈丝发状、网状或卷曲片状（图6a）。伊利石主要是成岩过程中蒙皂石转化或高岭石、长石伊利石化而形成的，是碱性成岩环境的产物^[33]。绿泥石的相对含量为17%，多分布于孔隙中，形态为绒球状、叶片状（图6b），主要从碱性水中直接沉淀而来或由其他黏土矿物（如蒙皂石）转化而来。此外，研究区还发育蒙皂石向伊利石转化形成的伊/蒙混层黏土矿物。扫描电镜下，伊/蒙混层黏土矿物的形态介于伊利石与蒙皂石之间，呈不规则的丝缕状（图6c）。

图  6  碱性成岩环境下的黏土矿物

Figure 6.  Clay minerals in alkaline diagenetic environment

长石在酸性环境中稳定性差，易被溶蚀，但在碱性环境中则较稳定，甚至会形成长石次生加大边或沉淀出长石晶体^[19]。研究区珠海组孔隙中可见钠长石晶体，扫描电镜下钠长石晶体呈板状，自形较好，晶体表面发育轻微的溶蚀现象（图7a）。此外，还可以观察到钠长石的形成会伴有钾长石的溶蚀和伊利石的沉淀（图7b）。这一现象一般认为是钾长石蚀变形成了钠长石和伊利石的矿物组合^[34]。其反应方程式为：

图  7  碱性成岩环境下形成的钠长石

Figure 7.  Albite in alkaline diagenetic environment

2KAlSi₃O₈（钾长石）+2.5Al₄Si₄O₁₀(OH)₈（高岭石）+2Na⁺+4SiO₂（石英）══

2NaAlSi₃O₈（钠长石）+2KAl₅Si₇O₂₀(OH)₄（伊利石）+5H₂O+2H⁺

该反应发生需要消耗SiO₂（石英），因此碱性环境是反应进行的必要条件。

研究区碱性成岩作用对储层孔隙主要产生以下影响：石英溶蚀形成次生孔隙；碳酸盐胶结物沉淀损失粒间孔隙；黏土矿物沉淀形成晶间微孔，但同时也会占据孔隙空间。

石英的溶蚀现象在研究区比较普遍，但整体溶蚀强度不大，溶孔的含量在0.1%~2.5%之间，平均为0.5%左右。石英溶蚀形成的次生孔隙是碱性成岩环境作用的结果，对储层孔隙度增加有积极的贡献（图8a）。薄片中可以看到石英溶孔被烃类、塑性岩屑充填的现象（图8b，c）。

图  8  石英溶蚀作用形成的孔隙

Figure 8.  Pores formed by quartz dissolution

惠州凹陷东部珠海组沉积时处于蒸发浓缩环境，地层水持续呈碱性，出现了基底式胶结的早期白云石、含铁白云石胶结物。这些胶结物固定了碎屑颗粒的骨架形态，抑制了压实作用，但后期溶蚀作用改造不明显，没有形成良好的次生孔隙，造成了孔隙的大量损失。此外，研究区还可见孔隙式胶结的方解石、铁白云石等碳酸盐矿物充填粒间孔隙，也导致了储层孔隙的损失。

研究区珠海组储层的黏土胶结物以伊利石、绿泥石和伊/蒙混层黏土矿物为主，还可见少量的高岭石和绿/蒙混层黏土矿物。这些黏土矿物对孔隙的影响具有两面性：一方面，黏土矿物提供了较多微米级甚至纳米级的晶间孔隙；另一方面，黏土矿物会充填孔隙，降低储层的孔隙度。

惠州凹陷东部珠海组现今埋深约3 800 m，镜质体反射率在1.0%左右，伊/蒙混层黏土矿物的混层比在13%左右，整体处于中成岩阶段A期。在碱性成岩理论中，次生孔隙的发育主要包括两个阶段：在早成岩阶段B期，石英被碱性流体溶蚀形成次生溶孔；在中成岩阶段A期，有机酸溶蚀碳酸盐、长石等酸性环境下不稳定的矿物以及部分岩屑，也会形成溶蚀孔隙^[19]。

研究区珠海组储层在早成岩A期发生了明显的压实作用，原生粒间孔损失明显。此时，地层孔隙水呈碱性，因而石英颗粒发生了溶蚀。在早成岩B期，压实作用的强度减弱，石英继续被溶蚀，绿泥石、伊利石等碱性环境下稳定的黏土矿物析出，方解石、含铁白云石等碳酸盐矿物胶结沉淀。此外，石膏等硫酸盐矿物以及钠长石也发生了沉淀。到了中成岩A期，伴随着有机质的成熟，地层水过渡为酸性，石英颗粒表面形成次生加大边，可见高岭石在碎屑颗粒之间沉淀，碳酸盐胶结物以及长石、岩屑发生溶蚀，形成了一定的次生溶孔（图9）。

图  9  惠州凹陷东部珠海组储层成岩序列及孔隙演化模式

Figure 9.  Diagenetic sequence and pore evolution pattern in Zhuhai Formation reservoirs, eastern Huizhou Sag

研究区压实作用较强，原生粒间孔损失严重；胶结作用强度中等，主要发育硅质、碳酸盐、绿泥石、伊利石和石膏等胶结物；溶蚀作用较强，粒内溶孔和粒间溶孔占比高。整体而言，惠州凹陷东部珠海组储层主要发育粒内溶孔和粒间溶孔，原生孔隙较少。

对孔隙演化过程的研究主要利用了“反演回剥”的方法。首先要确定储层岩石的原始孔隙度，参考了Scherer提出的原始孔隙度计算公式^[35]：

式中： ϕ 0 为样品的原始孔隙度，%； S 0 为样品的Trask分选系数，无单位；P ₂₅、P ₇₅分别为粒度累计曲线上25%和75%处对应的粒度，mm。

根据研究区的粒度分析资料确定了不同深度样品的分选系数 S 0 ，计算得出惠州凹陷东部珠海组砂岩的平均原始孔隙度为32.1%。观察估算对应铸体薄片中胶结物的含量和次生溶蚀孔隙的含量，并认为它们分别对应胶结作用损失的孔隙度以及溶蚀作用增加的孔隙度^[36]。在此基础上，结合不同深度样品的现今孔隙度，利用“压实作用损失孔隙度=样品原始孔隙度—胶结作用损失孔隙度+溶蚀作用增加孔隙度—现今孔隙度”这一关系确定了不同深度砂岩样品的压实作用减孔量（表2）。

研究认为惠州凹陷东部珠海组储层受到了较强烈的压实作用，压实减孔量达23.3%。经过压实之后，砂岩的孔隙度降至8.8%。在早成岩阶段，碳酸盐、膏盐、伊利石以及绿泥石等胶结物发生沉淀，导致孔隙度大约损失2.3%；石英的溶蚀提供了少量的次生溶孔，使孔隙度增加约0.5%。进入中成岩阶段，高岭石和硅质胶结物开始沉淀，导致孔隙度损失约1.2%；与此同时酸性流体的进入，也使得长石、少量岩屑以及粒间的碳酸盐胶结物等发生了溶蚀，这些物质的溶蚀增孔量约为4.3%。经过这一系列的成岩作用，研究区的现今孔隙度保持在10.1%左右。总体来看，胶结作用对孔隙的影响较弱，压实作用则严重降低了储层的孔隙度。

虽然在惠州凹陷东部珠海组储层中存在碱性成岩作用，但其对孔隙的贡献没有酸性成岩作用的贡献大。根据孔隙度演化数据可知，碱性成岩作用形成的次生孔隙仅占全部次生孔隙的10.4%。这主要是由于碱性流体可溶蚀的物质仅以石英为主，且研究区碱性溶蚀作用的强度较弱。此外，石英的溶蚀受控于沉积条件和成岩演化过程，最有利于石英溶解的阶段主要集中在早成岩B期^[26]。与之相比，酸性成岩环境下，长石、岩屑以及碳酸盐胶结物等均可以被溶蚀形成次生孔隙，而且这些物质相较于石英更容易被溶蚀。石英溶孔在惠州凹陷东部珠海组储层中的发现，表明碱性成岩环境下也可以形成可观的次生孔隙，这在一定程度上为储层预测提供了新的思路。

（1） 惠州凹陷东部珠海组储层的岩石类型以岩屑砂岩、长石质岩屑砂岩、岩屑质石英砂岩和岩屑质长石砂岩为主，整体粒度较粗、分选中等至差、磨圆中等，成分成熟度和结构成熟度较低。

（2） 研究区珠海组砂岩埋藏过程中经历了石英的溶蚀与交代、碳酸盐矿物的胶结、伊利石和绿泥石的沉淀与转化以及钠长石化等碱性成岩作用。这些碱性成岩作用对孔隙的影响主要包括：石英溶蚀形成次生孔隙、碳酸盐胶结物沉淀损失粒间孔隙、黏土矿物沉淀提供了少量晶间微孔。

（3） 惠州凹陷东部珠海组储层主要发育粒内溶孔和粒间溶孔，原生孔隙较少。储层现今处于中成岩阶段A期，在早成岩阶段碱性成岩作用发育，形成的石英溶孔约0.5%；中成岩阶段A期为酸性成岩环境，形成的长石、岩屑以及碳酸盐胶结物溶孔约4.3%。