碎屑巖中長(zhǎng)石的溶解機(jī)制及其對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)

薛偉偉,譚先鋒,2,李澤民,邱 雨,雍玉婷,蔣 威

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

碎屑巖中長(zhǎng)石的溶解機(jī)制及其對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)

薛偉偉1,譚先鋒1,2,李澤民1,邱 雨1,雍玉婷1,蔣 威1

(1.重慶科技學(xué)院石油與天然氣工程學(xué)院，重慶 401331；2.復(fù)雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401331)

綜述前人在碎屑巖中長(zhǎng)石溶蝕方面的大量研究成果，從長(zhǎng)石的溶蝕環(huán)境(開放—封閉)、長(zhǎng)石溶蝕的制約因素(成分、結(jié)構(gòu)、pH值、有機(jī)酸的類型)等方面深入探討長(zhǎng)石的溶蝕沉淀機(jī)制。通過(guò)長(zhǎng)石顆粒骨架模型、表面反應(yīng)溶蝕模型、熱力學(xué)模型建立了有機(jī)酸條件下長(zhǎng)石的溶蝕沉淀模型，從而討論長(zhǎng)石的溶解對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)。長(zhǎng)石在封閉富鉀的環(huán)境中多溶蝕形成伊利石，在開放的流體環(huán)境中則形成高嶺石，同時(shí)長(zhǎng)石的溶解也是石英次生加大的原因之一；孔隙流體聯(lián)通情況好，長(zhǎng)石溶解形成的副礦物多溶解運(yùn)移到其他地方，從而改善儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，新生石英和粘土礦物亦會(huì)對(duì)儲(chǔ)層骨架起固結(jié)作用。

碎屑巖 長(zhǎng)石 溶蝕 模型 成巖作用

長(zhǎng)石是碎屑巖中主要的造巖礦物，在成巖過(guò)程中長(zhǎng)石在流體及其它條件的參與下易風(fēng)化而轉(zhuǎn)變?yōu)橐恍┱惩良肮栀|(zhì)膠結(jié)物，因此長(zhǎng)石的溶解動(dòng)力學(xué)與成礦關(guān)系、礦物溶解遷移有重要聯(lián)系[1]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，已被證明次生孔隙的存在對(duì)能否形成油氣藏有重要影響，尤其對(duì)于深埋藏條件下的砂巖儲(chǔ)層，原生孔隙已被消失殆盡，次生孔隙成為油氣的主要運(yùn)移和儲(chǔ)集場(chǎng)所[2]。砂巖儲(chǔ)層中長(zhǎng)石等骨架顆粒的溶解是形成次生孔隙的主要原因，因此，研究長(zhǎng)石的溶蝕機(jī)理就顯得尤為重要。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕沉淀機(jī)理做了大量的研究， Surdam提出有機(jī)酸對(duì)次生孔隙的形成的重要性[3]，Emery等發(fā)現(xiàn)在某些開放體系中大氣水對(duì)碎屑巖顆粒的淋濾作用也是產(chǎn)生次生孔隙的原因[4]，近年來(lái)，許多地學(xué)家圍繞上面兩種觀點(diǎn)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，其中包括長(zhǎng)石本身的結(jié)構(gòu)和類型、有機(jī)酸的種類、流體成分、溫度壓力等對(duì)長(zhǎng)石溶蝕的影響[5-8]。統(tǒng)一的觀點(diǎn)是，在深埋藏條件下碎屑巖顆粒的溶解多是由烴源巖熱演化釋放有機(jī)酸而促進(jìn)的，而較淺層巖區(qū)遠(yuǎn)離烴源巖的地層中，大氣水的表面淋濾作用對(duì)促進(jìn)長(zhǎng)石的溶解起到主要作用，不排除在淺成巖時(shí)期由大氣水淋濾作用生成的次生孔隙隨著巖層的繼續(xù)埋深而保存下來(lái)。

在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)長(zhǎng)石的溶解現(xiàn)象、溶解環(huán)境、制約長(zhǎng)石的溶解因素等多個(gè)方面，通過(guò)建立長(zhǎng)石的溶解理論模型，從化學(xué)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)熱力學(xué)方面探討長(zhǎng)石的溶蝕沉淀機(jī)理及其對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)。

1 長(zhǎng)石的溶解現(xiàn)象

在電子顯微鏡下觀察到長(zhǎng)石顆粒普遍發(fā)育不同程度的溶蝕作用,多為首先沿著長(zhǎng)石的解理方向發(fā)生初步溶解,后形成呈條帶狀分布的溶蝕孔隙最后演變成蜂窩狀溶孔,甚至長(zhǎng)石整個(gè)顆粒會(huì)被溶蝕成特大孔隙，如粒內(nèi)孔和鑄模孔。

李保力選用濟(jì)陽(yáng)坳陷始新世沙河街組的棕褐色含油長(zhǎng)石砂巖，采用乙酸做溶劑進(jìn)行了長(zhǎng)石的溶解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，掃描電鏡下長(zhǎng)石溶蝕前后的圖片對(duì)比，溶蝕后顆粒表面出現(xiàn)許多次生微孔隙，顆粒間裂隙、孔縫增多，長(zhǎng)石的組成結(jié)構(gòu)局部發(fā)生改變，有些棱角變鈍，解理縫變寬，邊緣呈港灣狀等溶蝕結(jié)構(gòu)[9]。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)石顆粒溶解后礦物成分的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)溶解前后粘土礦物和石英的含量顯著增加，使長(zhǎng)石溶蝕后所占空間體積變小，產(chǎn)生次生孔隙。

2 長(zhǎng)石的溶解機(jī)制

2.1長(zhǎng)石溶解環(huán)境

2.1.1 地層深部生烴體(烴源巖)附近砂巖中長(zhǎng)石的溶解作用

Ezat等研究證實(shí)油氣生成時(shí)，在80～120 ℃下，泥巖中的干酪根脫去羧基及酚形成大量有機(jī)酸，從而與鋁硅酸鹽形成有機(jī)絡(luò)合物，促進(jìn)長(zhǎng)石的溶解；在120～160 ℃下，干酪根脫氧釋重，羧酸陰離子脫羧生成大量CO2，從而控制長(zhǎng)石溶解流體的酸堿度[10]，已被證明流體的酸度(pH值)在長(zhǎng)石的溶解過(guò)程中亦有很大影響。

烴源巖中的有機(jī)質(zhì)在成熟演化過(guò)程中釋放出的有機(jī)酸、水、CO2對(duì)長(zhǎng)石等碎屑巖骨架顆粒的溶解作用巨大(圖1)，因此靠近生烴體的砂巖儲(chǔ)層或與生烴體聯(lián)通的儲(chǔ)層是適宜長(zhǎng)石溶蝕的環(huán)境之一。

圖1 烴源巖在長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程中的作用

2.1.2 遠(yuǎn)離生烴巖開放—半開放體系

20世紀(jì)80～90年代以來(lái)，有機(jī)酸對(duì)碎屑巖儲(chǔ)層成巖過(guò)程的重要性已被大多數(shù)人所接受，但直到20世紀(jì)90年代，人們才意識(shí)到遠(yuǎn)離烴源巖開放—半開放體系下大氣水對(duì)砂巖骨架顆粒溶解的作用，碎屑巖的大氣水表生淋濾作用通常發(fā)育在構(gòu)造抬升或海平面下降的不整合面之下，黃思靜以鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組為例，探討了在開放體系下大氣水對(duì)碎屑巖次生孔隙形成的作用，從各個(gè)方面證明了鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組在印支期暴露時(shí)間間隔下大氣水的淋濾作用是次生孔隙形成的主要原因[8]。由于CO2在水中的溶解度較高，大氣水通過(guò)表生淋濾作用參與到砂巖中長(zhǎng)石的溶解，為長(zhǎng)石溶解提供酸性流體，開放體系的淋濾作用中大氣水具有高流速，?？烧蚧騻?cè)向驅(qū)動(dòng)地層中的流體發(fā)生大規(guī)模運(yùn)移，將長(zhǎng)石溶蝕的產(chǎn)物移走，加快長(zhǎng)石的溶解。

2.1.3 大氣淡水淋濾與深部地層流體共同作用

研究表明，濟(jì)陽(yáng)凹陷孔店組儲(chǔ)層中形成次生孔隙的主要原因是熱循環(huán)對(duì)流[11]，其流體動(dòng)力的主要來(lái)源：(1)大氣淡水的表生淋濾作用；(2)地層流體體積膨脹、泥巖擠出水、壓實(shí)作用等產(chǎn)生的動(dòng)力。因此，由于地層中各種因素的不確定性，不能單一的認(rèn)為長(zhǎng)石的溶蝕環(huán)境是在某一特定流體來(lái)源影響下形成的。成巖作用是極其復(fù)雜的過(guò)程，由于流體來(lái)源的廣泛性，溫度、壓力的不確定性，巖石成分的不均一性，使其影響因素多變，過(guò)程復(fù)雜。

2.2長(zhǎng)石溶解理論模型

2.2.1 長(zhǎng)石表面反應(yīng)溶蝕模型

根據(jù)前人對(duì)長(zhǎng)石溶解機(jī)理的大量研究[12]，長(zhǎng)石顆粒的溶解被表面反應(yīng)和擴(kuò)散反應(yīng)兩種方式控制，并提出了表面反應(yīng)和淋濾層擴(kuò)散兩種模式，簡(jiǎn)單的溶解機(jī)理模型如圖(2)所示。

圖2 長(zhǎng)石的表面反應(yīng)溶蝕模型

溶液中的H+離子通過(guò)長(zhǎng)石顆粒表面的溶蝕凹陷進(jìn)入骨架內(nèi)與K、Na、Ca等陽(yáng)離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，使堿性陽(yáng)離子溶出進(jìn)入溶液；同時(shí)，骨架內(nèi)的Al3+與進(jìn)入顆粒內(nèi)部的H+發(fā)生水解反應(yīng)，形成偏鋁酸；有機(jī)酸還可在長(zhǎng)石顆粒表面與Si4+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)形成絡(luò)合物，這些絡(luò)合物在晶體表面會(huì)降低表面的活化能，增大離子進(jìn)入溶液的速率。

2.2.2 長(zhǎng)石溶解的熱力學(xué)模型

一定溫度壓力條件下，通過(guò)化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)方向及反應(yīng)可行性的判據(jù)(ΔG)，對(duì)有關(guān)長(zhǎng)石溶解過(guò)程的各化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行對(duì)比，從而建立長(zhǎng)石溶解的熱力學(xué)模型，了解成巖過(guò)程中各端元長(zhǎng)石在不同熱力學(xué)條件下的反應(yīng)情況。

鈣長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石溶解生成高嶺石的反應(yīng)式分別為：

CaAl2Si2O8(鈣長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+Ca2+

(1)

2NaAl2Si3O8(鈉長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(硅質(zhì))+2Na+

(2)

2KAl2Si3O8(鉀長(zhǎng)石)+2H++H2O=

Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)+4SiO2(硅質(zhì))+2K+

(3)

由熱力學(xué)原理可知，當(dāng)ΔG≠0時(shí)，反應(yīng)為不可逆過(guò)程，且當(dāng)ΔG<0時(shí)，反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行，當(dāng)ΔG>0時(shí)，反應(yīng)不可能發(fā)生，ΔG的值越小，說(shuō)明反應(yīng)越容易發(fā)生，反應(yīng)速率越快。不同壓力、溫度下，反應(yīng)的GIBBS計(jì)算公式：

ΔG=ΔrH°(298.15K)-TΔrS°(298.15K)+

黃可可在不同溫度、壓力下，通過(guò)反應(yīng)物質(zhì)的吉布斯自由能增量方程式計(jì)算了不同溫壓條件下鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石溶解形成高嶺石的ΔG，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，鈣長(zhǎng)石反應(yīng)生成高嶺石的ΔG比鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石反應(yīng)生成高嶺石的ΔG小的多(表1)，壓力不變時(shí)，隨溫度的升高鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石的吉布斯自由能增量降低，反應(yīng)更容易進(jìn)行，所以高溫使鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石有更強(qiáng)的溶解趨勢(shì)；而鈣長(zhǎng)石則不同，通常溫度較低，ΔG<0,而溫度較高ΔG>0，因此，溫度升高將限制鈣長(zhǎng)石的溶解[13]。

2.2.3 長(zhǎng)石的溶蝕沉淀模型

通過(guò)長(zhǎng)石顆粒的骨架模型、長(zhǎng)石微觀溶蝕模型以及長(zhǎng)石的熱力學(xué)模型建立了有機(jī)酸條件下長(zhǎng)石的溶蝕沉淀模型(圖3)。

圖3 長(zhǎng)石的溶蝕沉淀模型

當(dāng)烴源巖成熟演化過(guò)程釋放的酸性流體接觸到長(zhǎng)石骨架顆粒，長(zhǎng)石顆粒將發(fā)生表面反應(yīng)，出現(xiàn)物質(zhì)的帶入與帶出，最終結(jié)果導(dǎo)致高嶺石、石英等副礦物的生成。同時(shí)，由于地層中的未飽和地層水受地層及孔隙的壓力在儲(chǔ)層中持續(xù)流動(dòng)，使溶蝕形成的高嶺石與石英隨著流體帶入地層上部或裂隙中，使長(zhǎng)石源源不斷的溶解，從而產(chǎn)生次生孔隙改善儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)。

2.3長(zhǎng)石溶解的制約因素

2.3.1 長(zhǎng)石的結(jié)構(gòu)、成分

賴興運(yùn)通過(guò)長(zhǎng)石的熱力學(xué)相圖證明斜長(zhǎng)石中鈣長(zhǎng)石的比重越大，斜長(zhǎng)石越容易溶解，往往是先溶解鈣組分，并且鈉組分的溶解量還與鈣組分的比重成正比(圖4)，由此推斷斜長(zhǎng)石溶解本身是選擇性溶解[5]。因此，在成巖過(guò)程中，鈣長(zhǎng)石最易風(fēng)化溶蝕，沉積過(guò)程中，地層較淺部由于溫度較低，往往最先風(fēng)化溶蝕鈣長(zhǎng)石的骨架顆粒，形成一定規(guī)模的次生孔隙，但是在地層逐漸埋深的條件下，隨著壓力增大，溫度升高，早先形成的次生孔隙很容易在成巖過(guò)程中由于骨架破裂而被充填。

圖4 溶液中斜長(zhǎng)石溶解速率與含鈣長(zhǎng)石摩爾百分比的關(guān)系pH=3[14]

2.3.2 溫度、壓力

通常情況下，不同的埋藏深度長(zhǎng)石的溶解程度有很大的差異，這除了有機(jī)酸、pH值等流體因素，不同埋深程度的地層溫壓條件對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕亦有很大影響。向廷生通過(guò)不同溫度下羧酸中長(zhǎng)石溶蝕現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)中得出，無(wú)論有機(jī)酸是否存在，升高溫度都會(huì)增大溶液中陽(yáng)離子的活性，從而促進(jìn)長(zhǎng)石的溶解[15]。因此，在其他條件相同的條件下，一般來(lái)說(shuō)，溫度升高，長(zhǎng)石骨架顆粒的溶解量會(huì)增大，這無(wú)論與長(zhǎng)石溶解的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面都相符。

2.3.3 有機(jī)酸

羅俊孝對(duì)醋酸和草酸在不同pH值、不同溫度下對(duì)長(zhǎng)石溶解的熱力學(xué)研究得出，一定濃度的有機(jī)酸除了絡(luò)合陽(yáng)離子外還對(duì)溶液的酸度有一定的緩沖作用，并且由于地層中草酸(乙二酸)濃度通常較小，不能緩沖酸性溶液，而醋酸(乙酸)卻對(duì)酸性溶液起到巨大的緩沖作用[6]。向廷生等通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)在pH=4、含乙二酸的NaCl溶液中Si和Al離子的濃度明顯高于含乙酸的NaCl溶液，這是因?yàn)樵诤宜岬腘aCl溶液中鉀長(zhǎng)石的溶蝕直接形成高嶺石和石英，而在含乙二酸的溶液中，有機(jī)酸根離子與硅酸形成了有機(jī)酸絡(luò)合物[15]。

以上實(shí)驗(yàn)的研究成果可以得出，由于長(zhǎng)石的溶解會(huì)使溶液酸度降低，因此有機(jī)酸在此過(guò)程中還起到溶液酸度的緩沖作用，實(shí)驗(yàn)表明草酸的緩沖作用顯著小于醋酸，有機(jī)酸通過(guò)絡(luò)合長(zhǎng)石顆粒內(nèi)的Al3+、Sl4+在晶體表面形成絡(luò)合物，降低晶體表面的反應(yīng)活化能，從而增大長(zhǎng)石的離子溶出度，但只有在強(qiáng)酸條件下，有機(jī)酸陰離子才能通過(guò)絡(luò)合作用促進(jìn)長(zhǎng)石的溶解。

2.3.4 pH值

向廷生探討了不同pH值、酸性不同的溶液對(duì)長(zhǎng)石溶蝕速率的影響，結(jié)果表明，在強(qiáng)酸條件下，低pH值使長(zhǎng)石的溶解速率迅速加大，陽(yáng)離子在溶液中的濃度普遍增大，而在中等酸性溶液中，pH值的改變對(duì)長(zhǎng)石的溶解影響很小[15]。肖奕通過(guò)堿性環(huán)境下微紋長(zhǎng)石的溶解研究證明隨著溶液堿度的加大，長(zhǎng)石的溶解速率明顯加強(qiáng)[7]。由圖(5)可知，三種端元長(zhǎng)石隨pH值的增加其溶解度圖線近似U形，即pH值越小，長(zhǎng)石的溶解度越大，在中性或偏堿性區(qū)域長(zhǎng)石的溶解度最低，隨著堿性的進(jìn)一步加大，長(zhǎng)石的溶解度又有回升的趨勢(shì)，但仍舊不能達(dá)到強(qiáng)酸性溶液中的溶解度，并且鈣長(zhǎng)石隨pH值的變化幅度較其余兩類長(zhǎng)石明顯。

圖5 25 ℃時(shí)三種端元長(zhǎng)石(鉀、鈉、鈣)溶解度隨pH的變化[6]

3 長(zhǎng)石溶解對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)

礦物與水接觸會(huì)發(fā)生全等溶解和非全等溶解反應(yīng)，長(zhǎng)石溶解后一部分離子進(jìn)入溶液被流體帶走，一部分則形成新生礦物，這些新生礦物的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)與原先的長(zhǎng)石不同，因此密度和占據(jù)的空間體積也不同于原始礦物。長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生的新生礦物主要是SiO2等硅質(zhì)膠結(jié)物和高嶺石、伊利石等粘土礦物，這些新生礦物對(duì)成巖作用有重要的意義。李寶利對(duì)濟(jì)陽(yáng)凹陷新世街碎屑巖中長(zhǎng)石進(jìn)行了溶解前后X-射線組分分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)石溶蝕后石英及粘土礦物含量都顯著增加[9]。

3.1粘土礦物膠結(jié)物來(lái)源

在開放性流體條件下，孔隙水流動(dòng)性較好，長(zhǎng)石溶解多形成高嶺石，而在富K+的封閉條件下，孔隙流體流動(dòng)緩慢，長(zhǎng)石溶解多形成伊利石、蒙脫石。伏萬(wàn)軍實(shí)驗(yàn)研究了塔里木盆地鉀長(zhǎng)石溶蝕形成自生粘土礦物，實(shí)驗(yàn)揭示了鉀長(zhǎng)石在弱酸條件下溶蝕表面會(huì)形成硅鋁凝膠體和軟水鋁石，在孔隙流體流動(dòng)性強(qiáng)的環(huán)境下由軟水鋁石晶化形成晶形較差的自生高嶺石，孔隙水的流體流動(dòng)性差的條件下與溶液中富集的K+反應(yīng)容易生成伊利石[16](表2)。

表2 長(zhǎng)石溶解形成伊利石、鈉蒙脫石過(guò)程涉及的部分反應(yīng)式[16]

3.1.1 高嶺石

自生高嶺石的形成與長(zhǎng)石等碎屑巖骨架顆粒的溶解密切相關(guān)，且集合體晶型多呈蠕蟲狀、書頁(yè)狀、手風(fēng)琴狀。由反應(yīng)式(1)、(2)、(3)可知，三種端元長(zhǎng)石在一定條件下溶解的同時(shí)都會(huì)產(chǎn)生副礦物高嶺石，可見長(zhǎng)石的溶解是砂巖儲(chǔ)層中自生高嶺石的一種重要來(lái)源。自生高嶺石與相對(duì)其他粘土礦物相比，析出時(shí)間較晚，多分布于碎屑顆粒之間，以孔隙式充填的方式膠結(jié)與巖石骨架之間。高嶺石在地層中的大量存在多可作為長(zhǎng)石溶蝕形成次生孔隙的標(biāo)志礦物，同時(shí)，高嶺石的含量還是判斷碎屑巖次生溶孔發(fā)育程度的證據(jù)之一。

3.1.2 伊利石

自生伊利石多呈薄的片狀、絲狀、卷毛狀賦存于長(zhǎng)石顆粒表面或以搭橋式產(chǎn)狀充填與礦物顆粒之間，通常情況下，二者都會(huì)使儲(chǔ)層的孔滲度大大下降[17]。

黃可可在長(zhǎng)石的熱力學(xué)計(jì)算中得到，長(zhǎng)石溶解形成伊利石的吉布斯自由能增量比溶蝕產(chǎn)物是高嶺石的吉布斯自由能增量小的多，因此從熱力學(xué)的角度伊利石應(yīng)優(yōu)先高嶺石沉淀[13]。但是根據(jù)前人大量的研究，證明伊利石的溶解沉淀速率和成核動(dòng)力學(xué)屏障都會(huì)限制伊利石的沉淀[18]，因此要使長(zhǎng)石的溶解產(chǎn)生伊利石，外界的各種物化條件(長(zhǎng)石成分、流體流速、離子濃度等)都對(duì)伊利石的沉淀有影響。黃思靜通過(guò)探究自生伊利石的成因證明，當(dāng)流體中K+/H+離子活度處于鉀長(zhǎng)石飽和點(diǎn)時(shí)，鉀長(zhǎng)石溶解為伊利石提供K+，反應(yīng)式為[19]：

KAlSi3O8+Al2Si2O5(OH)4=

鉀長(zhǎng)石 高嶺石

KAl3Si3O10(OH)2+2SiO2+H2O

(8)

伊利石

當(dāng)?shù)貙恿黧w中K+過(guò)飽和時(shí)，溶液中大量的K+為伊利石沉淀提供條件，反應(yīng)式為:

3A12Si2O5(OH)4+2K+=

高嶺石

2KAI3Si3O10(OH)2+2H++3H2O

(9)

伊利石

隨著地層的埋深作用，蒙脫石會(huì)脫去層間水形成自生伊蒙混層，進(jìn)而變?yōu)橐晾?，這一過(guò)程也需要鉀長(zhǎng)石溶解的K+，反應(yīng)式為：

4.5K++8Al3++蒙脫石→伊利石+Na++

2Ca2++2.5Fe3++2Mg2++3Si4+

(10)

因此，無(wú)論從動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)角度研究，伊利石的生成都離不開長(zhǎng)石的溶解。

3.2硅質(zhì)膠結(jié)物來(lái)源

Siever通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，鉀長(zhǎng)石在受溶蝕轉(zhuǎn)化成高嶺石的過(guò)程中，一分子的鉀長(zhǎng)石轉(zhuǎn)化為兩分子的二氧化硅，同時(shí)長(zhǎng)石的高嶺石化會(huì)引起碎屑儲(chǔ)層中石英的次生加大。因此，長(zhǎng)石的高嶺石化是重要的硅質(zhì)來(lái)源[20]。Glugas J發(fā)現(xiàn)深部碎屑巖儲(chǔ)層中，由于長(zhǎng)石的溶蝕會(huì)產(chǎn)生一部分二氧化硅，蒙脫石的伊利石化也會(huì)產(chǎn)生一部分二氧化硅，這成為石英次生加大的物質(zhì)來(lái)源之一[21]。

由公式(1)、(2)可知，鉀、鈉長(zhǎng)石溶解形成高嶺石總伴隨硅質(zhì)膠結(jié)物的生成。肖奕[7]在微紋長(zhǎng)石的溶解實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，長(zhǎng)石顆粒溶解過(guò)程中Si-O鍵較Al-O鍵難于破裂，因此溶解前期，顆粒內(nèi)Al離子先于溶出，而后Al-O四面體替代Si-O四面體，將Si置換出來(lái)，從而形成新生礦物石英。長(zhǎng)石溶解而溶出的硅質(zhì)多為石英次生加大的來(lái)源，自生石英膠結(jié)物起到固結(jié)儲(chǔ)層骨架的作用，通常自生石英發(fā)育的區(qū)域也是儲(chǔ)層孔隙度較好的區(qū)域。

3.3儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)改造

譚先鋒研究了東營(yíng)斷陷盆地古近系孔店組成巖演化及控制因素，他認(rèn)為長(zhǎng)石的溶解作用是引起該地區(qū)儲(chǔ)層改善的主要成巖因素之一[22]。李汶國(guó)利用長(zhǎng)石的溶解反應(yīng)式對(duì)長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生的次生孔隙體積進(jìn)行了定量的計(jì)算，實(shí)驗(yàn)證明216.342 cm3的鉀長(zhǎng)石在H2O的參與下，生成高嶺石與石英后體積之和為190.566 cm3，因此可能生成孔隙度約為：(216.342～190.566)÷216.342=11.91%,同時(shí)實(shí)驗(yàn)采用鈉長(zhǎng)石、鈣長(zhǎng)石做了類似的計(jì)算，結(jié)果都表明長(zhǎng)石通過(guò)溶蝕生成高嶺石和硅質(zhì)膠結(jié)物的體積之和小于長(zhǎng)石溶蝕前的體積，這成為儲(chǔ)層形成次生孔隙的主要原因[23]。

圖6 開放—封閉環(huán)境中長(zhǎng)石溶解沉淀對(duì)儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)改造

長(zhǎng)石溶解改善儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)需要一定的流體動(dòng)力學(xué)條件，長(zhǎng)石溶解流體成分主要為：(1)干酪根成熟演化過(guò)程中的釋放水；(2)地層中泥巖的擠出水，包括伊蒙混層伊利石化的釋放水；(3)大氣水及地表水的滲入，這些未飽和水隨水動(dòng)力條件的加強(qiáng)將長(zhǎng)石溶蝕生成的副礦物帶走，從而改善儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)[5]。在孔隙聯(lián)通性好的開放條件下，長(zhǎng)石溶解形成的副礦物被流體運(yùn)移帶走(圖6右)，長(zhǎng)石顆粒間孔隙較大，且長(zhǎng)石溶蝕程度加大；而孔隙連通性差的封閉條件下，長(zhǎng)石溶解形成的副礦物堵塞孔隙(圖6左)，抑制長(zhǎng)石的進(jìn)一步溶解。為了更好地改善儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)，提高孔隙率，要求儲(chǔ)層內(nèi)流體流速需足夠大，才能從發(fā)生溶解的孔隙中不斷移除各種自生礦物。

4 結(jié)論

(1)長(zhǎng)石的溶蝕環(huán)境受兩方面因素的影響，一為烴源巖成熟演化過(guò)程中釋放的有機(jī)酸，二為大氣水的表面淋濾作用，不同的沉積—成巖環(huán)境，長(zhǎng)石的溶蝕程度及溶蝕條件不同。

(2)根據(jù)長(zhǎng)石的溶解理論模型發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)石的溶解與自身的骨架顆粒結(jié)構(gòu)以及化學(xué)成分有密切聯(lián)系，且長(zhǎng)石的熱力學(xué)研究是探討長(zhǎng)石溶解沉淀機(jī)理的重要手段。長(zhǎng)石溶蝕條件是溫度、壓力、pH值、有機(jī)酸等共同作用引起的，不可單一認(rèn)為某一因素決定長(zhǎng)石的溶蝕沉淀機(jī)制。

(3)長(zhǎng)石的溶蝕使元素重新組合形成次生孔隙，從而改善儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)，而溶蝕生成的高嶺石及石英的次生加大又可能充填孔隙，破壞孔隙性能。但不能就此認(rèn)為生成的粘土礦物和石英對(duì)成巖作用毫無(wú)意義。事實(shí)上，很大部分次生孔隙廣泛發(fā)育的地區(qū)石英的次生加大現(xiàn)象顯著，儲(chǔ)層中由于長(zhǎng)石的溶解形成的高嶺石、石英，即使沒有被流體運(yùn)移出孔隙中，也不能單純的認(rèn)為對(duì)儲(chǔ)層造成了破壞作用，這些粘土礦物和石英所形成的膠結(jié)物同時(shí)起到了固結(jié)儲(chǔ)層骨架的作用，使儲(chǔ)層中孔隙不易被壓實(shí)作用所充填、破壞。因此，僅從長(zhǎng)石的溶蝕對(duì)成巖作用的貢獻(xiàn)方面，生成的粘土礦物及硅質(zhì)膠結(jié)物對(duì)成巖作用起重要作用。

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(編輯 曹征遠(yuǎn))

Dissolution mechanism of feldspar in the clastic rocks andits contribution to diagenesis

Xue Weiwei1,Tan Xianfeng1,2,Li Zemin1,Qiu Yu1,Yong Yutin1,Jiang Wei1

(1.PetroleumandNaturalGasEngineeringSchoolofChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China;2.ComplexOilandGasExplorationandDevelopmentoftheKeyLaboratoryofChongqingCity,Chongqing401331,China)

This paper reviews a large number of the researches on the dissolution of feldspars in clastic rocks.The mechanism of dissolution and precipitation of feldspars was studied from some aspects such as dissolution environment (open and closed)，influencing factors (component，structure，pH value，type of organic acid)，and so on.According to the skeleton model of feldspar particle，the surface reaction dissolution model and the thermodynamic model，the model of dissolution and precipitation for feldspars was built up under the conditions of organic acid.Thus the contribution of feldspar dissolution to diagenesis was discussed.Illite was mostly formed in the closed potassium-rich environment，and kaolinite was formed in open fluid environment.Meanwhile，the dissolution of feldspar was also one of the reasons of quartz overgrowth.Under the condition of good communication of pore fluid，accessory minerals formed by the feldspar dissolution can be dissolved and moved to other place.Thus this improved the structure of clastic reservoir.The neogenic quartz and clay minerals can also play a role in consolidation of reservoir matrix.

clastic;feldspar;dissolution;model;diagenesis

TE122.2

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2015.01.001

2014-12-02；改回日期2015-01-09。

收稿日期：薛偉偉，(1994—)，2012級(jí)本科生，主要從事成巖作用方面的研究工作。電話：18875019200，E-mail：771559432@qq.com。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202043)；中國(guó)石油科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014D-5006-0108)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生科技創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201311551001)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ 1401316)。