砂巖儲層次生孔隙形成機制的研究進展

劉喜強

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/國家大陸動力學(xué)重點實驗室，陜西 西安710069)

石英、長石及各種巖屑(含硅質(zhì))是構(gòu)成儲層砂巖的最主要成分，長石的物理化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，因而在風(fēng)化、搬運和后期沉積作用之后，長石也會不同程度地得到保留，在砂巖中的分布也較為廣泛。長石類礦物是大多是由巖漿分異作用或變質(zhì)作用(高溫條件)下所形成的，所以在轉(zhuǎn)移到沉積賦存環(huán)境之后，溫度大幅度降低，長石類礦物就特別容易發(fā)生分解或溶蝕反應(yīng)[1]。大量研究表明[2，3，4]，無論是鉀長石、鈉長石還是鈣長石，都特別容易和酸性流體發(fā)生溶蝕反應(yīng)，所產(chǎn)生的溶孔對儲層次生孔隙的貢獻顯著。故而筆者將主要從水-巖反應(yīng)的實驗研究及水和水和酸性流體來源這兩個方面來探討次生孔隙形成形成機制。

1 水-巖反應(yīng)實驗研究

長石類礦物與酸性流體發(fā)生溶解反應(yīng)，最終結(jié)果是鉀、鈉、鈣離子從長石骨架中脫離后進入溶液，而其余部分轉(zhuǎn)化為伊利石、高嶺石等粘土礦物和自生石英。實驗地球化學(xué)方法對研究長石溶蝕作用及其產(chǎn)物方面的優(yōu)勢毋庸置疑，實驗研究可控制長石物化條件，而且時效短，在水-巖反應(yīng)尤其是水-硅酸鹽礦物的反應(yīng)的研究中，起著至關(guān)重要的作用。影響長石溶解的因素有很多，包括長石的組分、結(jié)果、反應(yīng)的溫壓條件、酸性流體的類別和含量等，故而在實驗條件下探討流體對長石的溶解的影響，對長石溶解動力學(xué)和儲層次生孔隙的形成有著重大的意義[5]。

楊俊杰[6]和黃思靜等[7]進行了乙酸對長石砂巖的溶蝕實驗?zāi)M，結(jié)果表明，鈣長石的溶解速率要高于鈉長石，鉀長石的溶解速率最慢，這與熱力學(xué)計算結(jié)果相符。在一定溫度下，鈣長石的溶解速率與氫離子的活度的1.5次方成正比，與Al的濃度無關(guān)，而鉀長石的溶解速率與鋁離子的-0.33次方成正比。說明Al比Si更易被釋放出來。

向廷生等[8]和李保利[9]研究表明，長石溶蝕在酸性區(qū)域隨著pH值的減小而增強，且3種長石的溶蝕變化趨勢基本相同，其中，鈣長石的溶解對pH值最為敏感。同時，反應(yīng)溫度越高，溶液中陽離子的活定和遷移性越強，使得長石溶解的速率加快，促使長石的溶解作用。不同酸性流體對長石的溶解有著不同的影響。

1.1 有機酸對長石溶解的實驗研究

在成巖作用的中晚期中，有機質(zhì)熱演化過程中會釋放大量的有機酸流體，對長石礦物有強烈的溶蝕作用，并對儲層次生孔隙的產(chǎn)生發(fā)揮著巨大的作用。向廷生等[8]季漢成等[9]對不同有機酸溶液和長石的溶解模擬實驗中發(fā)現(xiàn)，含有機酸的溶液對鋁硅酸鹽礦物的溶解力度要比其他酸性溶液對鋁硅酸鹽礦物溶解力度高。陳傳平等[3]進行不同有機酸對溶蝕的溶解實驗中發(fā)現(xiàn)，不同有機酸對鋁硅酸鹽礦物的溶蝕速率序列為:丙氨酸＞檸檬酸＞草酸＞乙酸＞苯酚。李保利[10]用20%濃度的乙酸溶液和含量為55%的長石砂巖進行溶蝕反應(yīng)，實驗可形成0.86%的水縮次生孔隙，增加儲層孔隙度的量值。

1.2 CO2對長石溶解的實驗研究

CO2氣體溶于水形成碳酸可對硅鋁酸鹽礦物溶解和碳酸鹽礦物的沉淀，從而改善儲層砂巖的物性。朱煥來等[11]和曲希玉等[12]在對CO2流體與長石的水熱實驗研究表明，長石的溶蝕強度隨著溫度的升高而加大，也就是說長石的溶蝕強度和溫度呈正相關(guān)，且斜長石的溶蝕強度要明顯好于富鉀長石的強度。

2 水和酸性流體來源

水和酸性流體對礦物溶蝕和溶解物質(zhì)的遷移至關(guān)重要，參與溶蝕反應(yīng)形成次生孔隙形成的流體主要有:有機酸、碳酸。在各種長石的溶蝕反應(yīng)過程中，水和酸性流體的來源是近年來地學(xué)界專家和學(xué)者關(guān)注的主要問題之一。

2.1 碳酸的來源

絕大多數(shù)的長石溶解反應(yīng)中，水和CO2的參與必不可少。所以，水中的CO2的來源問題一直是人們關(guān)注的焦點[1]。前人在對儲層次生孔隙的研究中發(fā)現(xiàn)，CO2的來源主要集中在以下幾個方向:

(1)第一隔水層之上的巖層所含水為滲濾水，這種水的來源主要與大氣密切相關(guān)，其所含CO2主要也來自于大氣，盡管大氣中CO2的含量不多，但其在水中的溶解度甚高，且當(dāng)巖層中含有有機質(zhì)時，大氣中的富氧屬性使其與有機質(zhì)反應(yīng)生成CO2，從而增強流體對長石的溶蝕作用。張枝煥等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在埋深小于1 500 m或1 700且低溫低于75℃的階段，大量含有CO2的大氣降水滲入巖層之中，為儲層的溶蝕作用提供了H+，導(dǎo)致鉀長石和斜長石溶解，形成的產(chǎn)物主要有高嶺石、伊利石和蒙皂石，同時，碳酸鹽礦物的溶解也將伴隨發(fā)生，導(dǎo)致諸多離子如 Na+、K+、Ca2+、Mg2+進入地層水之中，促進次生孔隙形成。

(2)有機質(zhì)的熱成熟過程中，有機酸脫羧作用會有大量的CO2并溶于水形成碳酸，它是參與碎屑巖儲集層次生孔隙形成的一種重要介質(zhì)。在100℃左右的條件下，地下有機質(zhì)會分解產(chǎn)生CO2，由其形成的碳酸降低流體的pH值，從而導(dǎo)致鋁硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的溶解。這種溶蝕作用可有效地使儲層砂巖產(chǎn)生次生孔隙。司學(xué)強等[14]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)蜏卮笥?00℃時，有機酸經(jīng)脫羧作用產(chǎn)生大量的CO2，此時CO2分壓會超過碳酸鹽的溶解平衡常數(shù)，導(dǎo)致碳酸鹽溶解停滯甚至重新估沉積。隨著溫度繼續(xù)升高，CO2的含量急劇升高，此時碳酸鹽的溶解將受CO2的分壓所控制，碳酸鹽礦物又會開始大量溶解，促進次生孔隙的形成，改善儲層的物性。

(3)絕大多數(shù)的天然氣儲層中，CO2中碳源主要為與海相相關(guān)的無機碳，在相對高溫和CO2分壓較高的環(huán)境下，雖有酸性流體的產(chǎn)生，但還是以碳酸鹽的沉淀為主，而與之相關(guān)的CO2進入到碳酸鹽中，在盆地快速抬升過程中，由于溫度的大幅下降，流體對碳酸鹽欠飽和而致使溶解作用發(fā)生，形成次生孔隙。

2.2 有機酸的來源

有機酸對儲層巖石孔隙的形成發(fā)揮著巨大的作用，與碳酸相比，有機酸對長石等礦物的溶蝕更為強烈。關(guān)于有機酸流體的來源的研究探討，前人主要在以下幾方面有重要發(fā)現(xiàn):

(1)在早成巖晚期到晚成巖早期，盆地中的有機質(zhì)在熱演化過程中由于脫羧基的作用而生成大量的有機酸，相較而言，有機酸比其他酸性溶解介質(zhì)的溶解能力更強，而有機酸的陰離子可絡(luò)合并遷移鋁硅酸鹽當(dāng)中的陽離子，使得在埋藏條件下，鋁的溶解度增加從而更易遷移。王勇等[3]在對濟陽坳陷陡坡帶深層砂礫巖體次生孔隙成因的研究中發(fā)現(xiàn)，濟陽坳陷中有機質(zhì)釋放出來的有機酸進入臨近砂礫巖體時進行了充分的溶蝕作用，后通過流體的循環(huán)，將溶解質(zhì)帶出發(fā)應(yīng)系統(tǒng)，進而形成大規(guī)模的次生孔隙帶。

(2)在成巖階段的中晚期，儲層孔隙中流體基本處于封閉或半封閉狀態(tài)，此時，泥質(zhì)中大量的有機質(zhì)也逐漸成熟而向烴類轉(zhuǎn)變，伴隨這此過程有大量的有機酸形成，繼而形成具有很強溶解力的酸性流體。當(dāng)酸性流體進入砂巖層之后，孔隙水的pH值大幅度下降，影響了礦物的穩(wěn)定性，加速了鋁硅酸鹽和碳酸鹽礦物的溶解，從而形成次生孔隙。張枝煥等[15]對黃驊坳陷三馬地區(qū)中-深部儲層成巖作用的研究中表明，泥巖中向儲層充注的有機酸使得地層水pH值降低，為長石等不穩(wěn)定礦物的溶解創(chuàng)造了有利的條件。

(3)在成巖階段晚期，隨著底層埋深的不斷加大，溫度升高，大量干酪根熱解形成短鏈酸，而粘土礦物的脫水反應(yīng)所釋放的水便成為有機酸運載過程的有效載體，進而形成強溶解力的酸性流體，為之后長石溶蝕提供前提條件。趙國泉等[16]在對鄂爾多斯盆地上古生界天然氣儲集層長石的溶蝕與次生孔隙的形成的研究中發(fā)現(xiàn)，在埋藏深度達1 900～3 900 m的晚成巖階段，干酪根熱解后形成的大量有機酸與鉀長石的溶蝕反應(yīng)是研究區(qū)內(nèi)天然氣儲集層次生孔隙形成的主要原因。

(4)當(dāng)?shù)貙又杏醒趸瘎r，它將與儲層中的烴類發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此過程也可產(chǎn)生大量的有機酸進而對儲層中的鋁硅酸鹽或碳酸鹽類礦物進行溶蝕，形成次生孔隙，對油層儲集性進行改造。孟萬斌等[17]對川西中侏羅統(tǒng)致密砂巖次生孔隙成因的研究中發(fā)現(xiàn)，上沙溪廟組儲層中的氧化劑與烴類發(fā)生反應(yīng)所生成的有機酸對研究區(qū)儲層的溶蝕作用較強烈，對儲層的改造起著顯著的作用。

3 結(jié)語

(1)由長石和酸性流體的水-巖反應(yīng)可知，鈣長石的溶解速率要高于鈉長石，鉀長石的溶解速率最慢，長石溶蝕在酸性區(qū)域隨著pH值的減小而增強，且3種長石的溶蝕變化趨勢基本相同，其中，鈣長石的溶解對pH值最為敏感。不同有機酸對鋁硅酸鹽礦物的溶蝕速率序列為:丙氨酸＞檸檬酸＞草酸＞乙酸＞苯酚。

(2)在對酸性流體的來源研究發(fā)現(xiàn)，CO2的來源主要來源為:是大氣水中溶解的CO2，有機酸脫羧酸形成的CO2以及碳酸鹽分解。有機酸的來源主要為:有機質(zhì)熱演化過程中形成的短鏈酸，泥質(zhì)轉(zhuǎn)變而來以及烴類氧化反應(yīng)所產(chǎn)生。

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