大氣淡水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用

楊 朋

（“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

大氣淡水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用

楊 朋

（“油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·成都理工大學(xué)，四川 成都 610059）

在水巖反應(yīng)的基礎(chǔ)上，從巖石物性，長(zhǎng)石、石英溶蝕形成的次生孔隙以及離子的濃度變化等證據(jù)出發(fā)，闡明大氣淡水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用，為深層碎屑巖儲(chǔ)層中次生孔隙發(fā)育帶的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在開(kāi)放環(huán)境中，水溶液變?yōu)椴伙柡?，有利于礦物發(fā)生溶蝕，在有機(jī)質(zhì)含量高的環(huán)境下，長(zhǎng)石巖屑會(huì)大量溶解，最后長(zhǎng)石的溶解速率在酸性區(qū)域隨pH值增大而減小、在中性區(qū)域溶解速率低且受影響小、在堿性區(qū)域隨pH值增大而增大，而在堿性環(huán)境下，石英也能發(fā)生溶蝕。

大氣淡水 碎屑巖 次生孔隙 溶蝕作用

0 引言

碎屑巖儲(chǔ)層的次生孔隙自從1934年被Nutting提出來(lái)之后，一直沒(méi)有得到足夠的重視，直到20世紀(jì)70年代才取得了砂巖儲(chǔ)層研究中最重要的突破——確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了大量的次生孔隙，1979年volk-mar等人系統(tǒng)地分析了次生孔隙的各種形成機(jī)理，使人們認(rèn)識(shí)到次生孔隙對(duì)油氣勘探的重要性［1］。進(jìn)入20世紀(jì)80年代人們普遍認(rèn)為碎屑巖次生孔隙的形成機(jī)理主要有羧酸、高溫硅酸鹽水解、硅酸、TSR機(jī)理、大氣淡水等［2-7］。上述機(jī)理中，干酪根生烴形成的羧酸溶蝕一直被認(rèn)為是造成次生孔隙發(fā)育的最主要原因，據(jù)R.C.Surdam等的實(shí)驗(yàn)證明醋酸鹽溶液在同等條件下可使鋁溶解度增加1個(gè)數(shù)量級(jí)，草酸則可使鋁溶解度增加3個(gè)數(shù)量級(jí)（Surdam，1984）［8］。但是隨著研究的深入，這種觀點(diǎn)受到越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，如：水樣分析中顯示地層水的有機(jī)酸含量太少不足以形成眾多的次生孔隙以及烴源巖附近砂巖的次生孔隙并不是最發(fā)育的等。到20世紀(jì)90年代，大氣淡水對(duì)砂巖中不穩(wěn)定骨架顆粒的溶蝕而產(chǎn)生次生孔隙引起了人們的注意［9-12］，黃思靜等對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組砂巖次生孔隙形成也提出了大氣水淋濾作用的新見(jiàn)解［13］。筆者以水巖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，從巖石物性，長(zhǎng)石、石英溶蝕形成的次生孔隙以及離子的濃度變化等證據(jù)出發(fā)，試圖闡明大氣淡水在碎屑巖次生孔隙形成中的作用，為深層致密碎屑巖儲(chǔ)層中次生孔隙發(fā)育帶的預(yù)測(cè)提供一種理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次實(shí)驗(yàn)中的樣品包括湖水（取自廣西的澄碧河水庫(kù)，后經(jīng)過(guò)濾）、長(zhǎng)石、石英（均取自花崗母巖）、泥（取自澄碧河水庫(kù)）。其中澄碧河水庫(kù)中的沉積物大部分來(lái)自基巖侵蝕，少部分為上游河水帶來(lái)，采樣點(diǎn)湖水深度約10m，河流帶來(lái)的懸浮顆粒主要沉積于此。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1）Ⅰ號(hào)裝置中放置一根全封閉的玻管，在其中加入5g的長(zhǎng)石和石英，再加入100mL已過(guò)濾的澄碧河水樣，密封，恒溫恒壓下模擬淡水溶解的封閉體系，整個(gè)裝置用玻蓋封閉。

2）Ⅱ號(hào)裝置中放置一根具有一定滲透性的隔板的玻管，在玻管內(nèi)加5g的長(zhǎng)石和石英，加入100mL澄碧河水樣，恒溫恒壓下模擬淡水溶解的開(kāi)放體系，整個(gè)裝置用玻蓋封閉。

3）Ⅲ號(hào)裝置中同樣具有與Ⅱ號(hào)裝置相同的玻管，加入5g的長(zhǎng)石和石英，另外再多加入10g泥，同樣加入水樣，恒溫恒壓下模擬腐殖酸溶解的開(kāi)放體系，整個(gè)裝置用玻蓋封閉。

4）分別將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)裝置置于25℃恒溫水溶鍋中。

5）每隔7d時(shí)間取樣，檢測(cè)流體中各種離子的濃度變化值。

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 水樣中離子濃度的變化

所取湖水水樣中的陽(yáng)離子主要為Na+、Ca2+、 Mg2+、K+，陰離子主要為HCO3-、SO42-、Cl-。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中湖水（Na+－Cl-）／SO42-＜1，湖水的水型為硫酸鈉型，其主要離子濃度見(jiàn)表1。

表1 湖水主要離子濃度表

為了對(duì)不同的體系中鉀長(zhǎng)石與石英的溶蝕速率進(jìn)行對(duì)比，每隔7d對(duì)水樣分別抽樣化驗(yàn)，經(jīng)過(guò)60d的反應(yīng)，得到3個(gè)不同體系中水樣的主要離子的濃度變化曲線（圖2），可見(jiàn)3種不同的體系中各種離子的濃度變化曲線不盡相同，下面就幾種主要的且濃度變化較為明顯的離子作進(jìn)一步的分析研究。

取檢驗(yàn)量的最大值與門(mén)限進(jìn)行比較，若超過(guò)門(mén)限值，則認(rèn)為捕獲成功，若未超過(guò)門(mén)限值，繼續(xù)搜索下一個(gè)碼相位和頻點(diǎn)，直到捕獲成功或者所有的碼相位和頻點(diǎn)都搜索完成且檢驗(yàn)量的最大值沒(méi)有超過(guò)門(mén)限，此時(shí)再用碼相位比較法[15]進(jìn)行捕獲判決。捕獲的結(jié)果采用碼相位判決方法是進(jìn)行R次捕獲，，這R次捕獲結(jié)果中，每次保留最大K個(gè)相關(guān)值及其對(duì)應(yīng)的碼相位、多普勒頻偏、采樣時(shí)間，以其中一個(gè)碼相位為基準(zhǔn)，根據(jù)碼速率和時(shí)間去推測(cè)其他碼相位，若碼相位差值的和小于一定的閾值，則認(rèn)為捕獲成功。否則遍歷集合的下一個(gè)點(diǎn)，直到捕獲成功或者集合中的點(diǎn)遍歷完還未超過(guò)閾值，則認(rèn)為捕獲失敗。

1）有泥開(kāi)放體系即Ⅲ號(hào)裝置中Al離子的溶出速度比封閉體系、無(wú)泥開(kāi)放體系即Ⅰ、Ⅱ號(hào)裝置中要快，而且經(jīng)過(guò)60d的反應(yīng)后，有泥開(kāi)放體系中抽檢水樣的累積的Al離子含量高。并且相對(duì)于封閉體系即Ⅰ號(hào)裝置，開(kāi)放體系即Ⅱ、Ⅲ號(hào)裝置中累積的Al離子含量要遠(yuǎn)高于封閉體系（圖3）。

圖2 不同裝置中各種離子的濃度變化曲線圖

圖3 不同體系中Al離子含量變化圖

2）通過(guò)每周對(duì)各種體系中水樣的化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在有泥體系（Ⅲ號(hào)裝置）中K離子含量最高，究其原因，認(rèn)為是粘土礦物提供了大量K離子來(lái)源。而且溶出的最快速率是發(fā)生在最開(kāi)始的7d之內(nèi)，之后隨著天數(shù)的增加，溶出速度減慢，表明K離子很容易進(jìn)入溶液（圖4）。

3）原始湖水中Ca離子的含量為20.86mg／L，通過(guò)一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)有泥體系中Ca離子的含量升高較明顯，是由于粘土中原始的Ca離子含量高，而在無(wú)泥的封閉體系中Ca離子含量基本穩(wěn)定在原始湖水的水平，最后無(wú)泥開(kāi)放體系中Ca離子累積含量稍高，究其原因可能是開(kāi)放體系中受到流體交換后Ca離子不斷得到補(bǔ)充的影響（圖5）。

2.2 鏡下觀察結(jié)果

圖4 不同體系中K離子含量變化圖

圖5 不同體系中Ca離子含量變化圖

為了客觀地研究不同體系中樣品所發(fā)生的溶蝕變化，每間隔30d將樣品取出進(jìn)行掃描電鏡觀察，這樣能夠更真實(shí)地反應(yīng)樣品的孔隙變化。現(xiàn)將反應(yīng)前與反應(yīng)后3個(gè)體系的樣品進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)與反應(yīng)前的原樣相比，3個(gè)體系中的長(zhǎng)石礦物類樣品均有不同程度的溶蝕，溶蝕后顆粒邊緣的孔隙、裂縫增多，組構(gòu)發(fā)生顯著的變化。其中含泥的開(kāi)放體系中長(zhǎng)石類礦物溶蝕最為劇烈，表面都出現(xiàn)了大量的次生微孔隙，邊緣呈港灣狀，棱角化變鈍，解理縫擴(kuò)大；無(wú)泥的開(kāi)放體系次之，但仍可見(jiàn)溶蝕產(chǎn)生微裂縫；封閉體系則溶蝕量最少。

而在3種體系中，只有開(kāi)放無(wú)泥體系和封閉體系發(fā)生了石英的溶蝕，表面凹凸起伏，大量的凹坑形成蜂窩狀溶孔，其中開(kāi)放無(wú)泥體系中凹坑加深，且更為致密。而開(kāi)放有泥體系中的石英巖面則基本上沒(méi)有發(fā)現(xiàn)溶蝕現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 大氣淡水的組成

大氣淡水主要來(lái)自地面及地表水體——江河、湖泊的蒸發(fā)、植物的蒸騰以及冰雪的升華而進(jìn)入大氣之中，大氣淡水的鹽度比較低，且具有低離子強(qiáng)度，Ca離子濃度是不斷變化的，并且含有少量的K離子、Sr離子、Mn離子、Fe離子、Si離子、CO32-等，貧Mg離子、Na離子。

在潮溫氣候條件下，臨近湖泊的植被茂盛，土壤中含有大量的粘土礦物，由于有植被殘落物和根系以及土壤生物的存在，使得土壤中有機(jī)質(zhì)含量升高，土壤有機(jī)質(zhì)的主要部分便是土壤腐殖質(zhì)，腐殖質(zhì)溶解后便產(chǎn)生腐殖酸，腐殖酸對(duì)土壤礦質(zhì)部分有一定的溶解能力，同時(shí)部分有機(jī)酸能夠絡(luò)合金屬離子而保留于土壤中。因此植被豐富區(qū)的大氣淡水中腐殖酸以及某些金屬離子含量有所增加，水體溶液呈弱酸性。

3.2 不同體系溶蝕能力的比較

長(zhǎng)石類是碎屑巖中最常見(jiàn)的礦物類型，大量的巖相學(xué)證據(jù)和物性特征表明，碎屑巖中次生孔隙的產(chǎn)生主要是由長(zhǎng)石的溶蝕造成的。由上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察可發(fā)現(xiàn)含泥的開(kāi)放體系中，長(zhǎng)石的溶蝕最為顯著，溶蝕后的長(zhǎng)石表面出現(xiàn)了大量的次生微孔隙；不含泥的開(kāi)放體系中長(zhǎng)石溶蝕量次之，主要沿著雙晶縫或解理縫選擇性溶解；而封閉體系中只在長(zhǎng)石碎屑邊緣發(fā)生微弱的溶蝕。而在掃描電鏡下觀察到的石英溶蝕作用則有所不同，其中含泥開(kāi)放體系石英表面基本無(wú)溶蝕孔洞，不含泥的開(kāi)放和全封閉體系中，石英巖面均凹凸起伏，出現(xiàn)了蜂窩狀溶孔，其中不含泥的開(kāi)放系統(tǒng)溶蝕孔洞最為致密。究其原因，筆者認(rèn)為有以下幾點(diǎn)：

1）在開(kāi)放體系中，由于水溶液能充分與CO2接觸并形成碳酸，而在酸性條件下，H+易與長(zhǎng)石表面的堿性陽(yáng)離子發(fā)生交換反應(yīng)，于是發(fā)生溶蝕作用，因此開(kāi)放體系中，長(zhǎng)石類的溶蝕較封閉體系明顯。

2）開(kāi)放體系中若含有泥，則土壤有機(jī)質(zhì)較為豐富，而有機(jī)陰離子能絡(luò)合Al3+并形成絡(luò)合物溶于水，同時(shí)有機(jī)質(zhì)的不同演化階段釋放CO2，使反應(yīng)溶液的pH值繼續(xù)降低，經(jīng)測(cè)試小于或等于6.4，進(jìn)一步提高長(zhǎng)石的溶解度，所以該體系中長(zhǎng)石類的溶蝕最為劇烈，同時(shí)由于該體系屬于弱酸性環(huán)境，因此石英不發(fā)生溶解。

3）在不含泥的開(kāi)放體系和封閉體系中，由于湖水中是極不飽和SiO2，含Si礦物會(huì)持續(xù)溶解，pH值為7左右。同時(shí)在開(kāi)放的不含泥體系的整個(gè)反應(yīng)過(guò)程中，開(kāi)始是由碳酸構(gòu)成的酸性環(huán)境選擇性地溶蝕硅鋁酸鹽礦物，促進(jìn)長(zhǎng)石類次生孔隙的發(fā)育，隨著碳酸對(duì)其他易溶礦物的溶蝕，其自身也被消耗，溶液介質(zhì)逐漸由酸性向堿性轉(zhuǎn)變。H+的消耗，弱酸根的水解，堿金屬離子的進(jìn)入等多種因素使溶液的pH值升高，經(jīng)測(cè)試達(dá)到7.2，這樣石英以及含鋁、硅元素的硅鋁酸鹽礦物就會(huì)在堿性溶液中發(fā)生溶蝕。

3.3 大氣淡水溶蝕機(jī)理的影響因素

3.3.1 有機(jī)質(zhì)的含量

由于有機(jī)酸是有機(jī)質(zhì)演化而來(lái)的，這樣就將有機(jī)質(zhì)的成熟演化與粘土礦物的轉(zhuǎn)化和砂巖的成巖作用聯(lián)系起來(lái)，從而進(jìn)入砂巖層中后便打破了原有礦物體系與溶液間的平衡，加速了硅鋁酸鹽等不穩(wěn)定礦物成分的溶解與轉(zhuǎn)化，因此提高了砂巖層的溶蝕度。有機(jī)酸對(duì)硅鋁酸鹽礦物的溶解有兩種機(jī)理：一是羧酸與Al3+結(jié)合并形成絡(luò)合物溶于水，導(dǎo)致硅鋁酸鹽礦物的溶解和次生孔隙的形成，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

KAlSi3O8（鉀長(zhǎng)石）＋H2C2O4＋8H2O＋2H+＝3H4SiO4+AlC2O4＋4H2O（絡(luò)合物）＋K+

二是有機(jī)陰離子的分泌伴隨著質(zhì)子的泌出，使得含泥體系中大氣淡水的pH值降低，同時(shí)有機(jī)質(zhì)向烴類轉(zhuǎn)化過(guò)程中釋放出大量CO2，使孔隙介質(zhì)流體介質(zhì)呈酸性，而H+能使長(zhǎng)石發(fā)生蝕變，從而使礦物孔隙增加，發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

2KAlSi3O8＋2H+＋H2O＝Al2Si2O5（OH）4＋4SiO2＋2K+

因此含有豐富的有機(jī)質(zhì)會(huì)有利于次生孔隙的形成。由此可得，有機(jī)質(zhì)對(duì)水巖反應(yīng)的影響是通過(guò)提供H＋、改變pH值、絡(luò)合金屬元素，從而提高礦物的溶解度。

3.3.2 大氣淡水的酸堿度

長(zhǎng)石類礦物在酸性流體存在的條件下易發(fā)生溶蝕反應(yīng)，在開(kāi)放體系中，大氣淡水充分與CO2相接觸，并形成碳酸，離解后產(chǎn)生H+，溶解碎屑巖中的酸溶性組分從而產(chǎn)生次生孔隙，長(zhǎng)石的溶解作用是隨儲(chǔ)集層中液體所含CO2濃度的增加而增大的，表明在碎屑巖中CO2與次生孔隙的形成有密切關(guān)系。同樣的，J.G.Southwick等都研究了在堿性條件下長(zhǎng)石類硅鋁酸鹽和石英等礦物也易溶蝕。而我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也同樣證明了這點(diǎn)，在酸性和堿性環(huán)境下，長(zhǎng)石類硅鋁酸鹽均能發(fā)生溶蝕，而在中性條件下，溶解效率較低。而隨著H+的消耗，弱酸根的水解，堿性增強(qiáng)，則能選擇性地溶蝕含SiO2的礦物。

3.3.3 水體的流動(dòng)性

在自然界不流動(dòng)的水質(zhì)很容易達(dá)到飽和狀態(tài)，處于流動(dòng)狀態(tài)的水，有時(shí)雖然達(dá)到飽和，但水體的流動(dòng)性能使不同濃度的飽和水溶液相混合產(chǎn)生混合溶蝕作用，可變?yōu)椴伙柡投匦芦@得溶蝕能力，因此經(jīng)常流動(dòng)的水體能大大提高水的溶蝕力。同時(shí)流水能經(jīng)常與空氣保持接觸，CO2有良好的接觸關(guān)系，只有不斷地加入CO2，水的溶解能力才能有重要的巖溶意義。最后水的流動(dòng)可以為離子之間的轉(zhuǎn)換提供運(yùn)移通道。

4 結(jié)論

1）開(kāi)放體系中的溶蝕效果比封閉體系要好。由于開(kāi)放體系中水體的流動(dòng)性要優(yōu)于封閉體系，而且與大氣中的CO2接觸較充分，使得水溶液變?yōu)椴伙柡?，易于礦物發(fā)生溶蝕。

2）有機(jī)質(zhì)能轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸，有機(jī)酸離解產(chǎn)生H+并溶蝕碎屑巖中的酸溶性組分，同時(shí)有機(jī)酸陰離子的存在能絡(luò)合A13+并呈絡(luò)合物形成溶于水，導(dǎo)致長(zhǎng)石巖屑大量溶解。

3）長(zhǎng)石的溶解速率在酸性區(qū)域隨pH值增大而減小、在中性區(qū)域溶解速率低且受影響小、在堿性區(qū)域隨pH值增大而增大，而在堿性環(huán)境下，石英也能發(fā)生溶蝕。

4）充足的水體和良好的流動(dòng)性對(duì)次生孔隙的產(chǎn)生有益。

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（編輯：盧櫟羽）

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2013-06-17

2013-11-27

楊朋（1987-），碩士研究生，研究方向?yàn)橛蜌獬刹匾?guī)律研究。E-mail：284373280@qq.com。