致密砂巖長石溶蝕機(jī)制及其影響因素

吳泓辰， 張曉麗， 何金先,3， 任澤強(qiáng)

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 3.中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074)

致密砂巖長石溶蝕機(jī)制及其影響因素

吳泓辰1,2， 張曉麗1,2， 何金先1,2,3， 任澤強(qiáng)1,2

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116； 3.中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074)

致密砂巖儲層中次生孔隙的形成以及油氣的儲集均與長石溶蝕作用有著密切關(guān)聯(lián)。為了解決目前對致密砂巖長石溶蝕機(jī)制及其影響因素的認(rèn)識薄弱問題，通過查閱大量文獻(xiàn)，對國內(nèi)外致密砂巖的長石溶蝕機(jī)制及影響因素進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明，烴源巖生烴過程中所釋放的有機(jī)酸性流體和大氣淡水淋濾作用均可引起長石溶蝕。長石溶蝕屬于非全等溶解，溶蝕機(jī)制可以分為表面反應(yīng)溶蝕模型和淋濾層擴(kuò)散溶蝕模型兩種模型；熱力學(xué)計算結(jié)果表明，鉀長石溶蝕反應(yīng)的吉布斯自由能增量(ΔG)最高，其次為鈉長石，鈣長石最低，且鉀長石、鈉長石的ΔG一般隨溫度上升而減小，而鈣長石ΔG則隨溫度上升而增大；長石溶蝕過程受控于長石結(jié)構(gòu)與成分、溫壓條件、溶液pH值及有機(jī)酸類型等多種因素。

長石溶蝕； 溶蝕機(jī)制； 影響因素； 致密砂巖； 有機(jī)酸流體； 大氣淡水

自V. Schmid等[1]首次提出次生孔隙這一概念以來，國內(nèi)外的學(xué)者不斷地對其進(jìn)行深入的研究。大量的研究表明，次生孔隙對油氣的儲集具有重要意義，特別對于埋藏較深、原生孔隙保存較差的致密砂巖儲層，次生孔隙顯得尤為重要[2]。

由于長石的溶蝕作用對致密砂巖次生孔隙的形成有著重要的貢獻(xiàn)，而長石作為致密砂巖儲層的骨架顆粒之一，因此長石的溶蝕與致密砂巖次生孔隙的形成有著密不可分的聯(lián)系[3-4]。我國致密砂巖儲層常形成于煤系地層中，受煤系地層酸性環(huán)境影響，長石溶蝕作用普遍發(fā)育，有利于次生孔隙的形成，能積極改善致密砂巖儲層的物性特征[5]。

長石溶蝕是一個復(fù)雜的化學(xué)過程。系統(tǒng)研究長石的溶蝕機(jī)制與影響因素，有利于深刻認(rèn)識致密砂巖儲層中次生孔隙的形成與分布特征，為后期在致密砂巖發(fā)育區(qū)進(jìn)行油氣勘探開發(fā)過程中尋找優(yōu)質(zhì)油氣儲集層提供理論依據(jù)。目前對長石溶蝕的研究已經(jīng)取得較豐富成果，但均是針對某個具體科學(xué)問題進(jìn)行研究，成果比較零星分散，缺乏對致密砂巖中長石溶解機(jī)制與影響因素的系統(tǒng)總結(jié)。針對該問題，通過進(jìn)行大量文獻(xiàn)查閱分析，對長石的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡要總結(jié)，并系統(tǒng)總結(jié)了致密砂巖儲層長石溶蝕機(jī)制及其影響因素，有利于提高人們對致密砂巖儲層長石溶蝕機(jī)制的綜合認(rèn)識。

1 長石化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)特征

長石是主要的造巖礦物之一，自然界中常見的長石主要有鉀長石(KAlSi3O8)、鈉長石(NaAlSi3O8)、鈣長石(CaAl2Si2O8)，長石礦物由這三種長石端元分子組合而成(見圖1)[6]。

圖1 三元長石相圖

Fig.1Phasediagramforternaryfeldspar

鉀長石與鈉長石的組合稱為堿性長石。高溫條件下鉀長石與鈉長石能形成完全類質(zhì)同相系列，而隨著溫度降低，鈉相與鉀相相互分離，構(gòu)成條紋長石。鈉長石與鈣長石的組合稱為斜長石。在任意溫度條件下，它們都能形成完全類質(zhì)同相系列。鉀長石與鈣長石一般不發(fā)生相互混溶。

長石屬于架狀硅酸鹽，基本單元為四個硅(鋁)四面體通過橋氧連接而形成的四元環(huán)，環(huán)與環(huán)之間通過橋氧共角頂相互連接成平行于a軸的曲軸鏈(見圖2)，各個鏈之間再共角頂相連就形成了長石在三維空間中的架狀結(jié)構(gòu)[7]。各個鏈之間的鍵密度較低，結(jié)合力較弱，因此形成了平行于鏈方向{001}與{010}的解理，同時，也使得長石單形{001}、{010}發(fā)育較好[6-9]。在長石內(nèi)部，由于Al3+取代了Si4+導(dǎo)致了晶體內(nèi)部電價不平衡，因此需要引進(jìn)K+、Na+等正電荷金屬離子，這些金屬離子位于骨架中八元環(huán)之間。

圖2 長石晶體結(jié)構(gòu)圖

Fig.2Structureoffeldspar

2 長石溶蝕機(jī)制

2.1溶蝕環(huán)境

致密砂巖儲層中長石發(fā)生溶蝕，既可能是地下深部烴源巖中的有機(jī)質(zhì)在演化過程中所產(chǎn)生的酸性流體所致，也有可能是儲層在處于開放-半開放體系時，由大氣水淋濾而造成的。

研究表明，80～120 ℃下，烴源巖(泥巖)中的干酪根脫去羧基及酚形成大量有機(jī)酸。在120～160 ℃下，干酪根脫氧釋重，羧酸陰離子脫羧生成大量CO2。通過調(diào)節(jié)流體pH值或絡(luò)合金屬離子，有機(jī)酸和CO2能夠有效地促進(jìn)長石溶蝕[4]。煤系中大量存在以Ⅲ型干酪根為主的有機(jī)質(zhì)，其生酸能力遠(yuǎn)大于Ⅰ、Ⅱ型，煤系地層中有機(jī)酸對長石的溶蝕作用強(qiáng)烈。鄂爾多斯盆地蘇格里氣田[10]和四川盆地須家河組[11]的地質(zhì)研究成果均證明致密砂巖儲層長石溶蝕與煤系地層有機(jī)酸有著重要的關(guān)聯(lián)。

當(dāng)砂巖儲層處于開發(fā)-半開放體系時，大氣水的淋濾作用也是造成儲層中長石溶蝕的重要原因之一[12]。通過溶解土壤中的CO2，大氣水能夠提供長石溶蝕所需的酸性流體[13]。羅靜蘭等[14]認(rèn)為表生成巖階段的大氣降水是造成鄂爾多斯盆地延長組致密砂巖長石發(fā)生溶蝕的主要原因之一。

雖然上述兩種情況均能引起致密砂巖儲層長石溶蝕，但由于有機(jī)酸對長石的溶蝕能力強(qiáng)于淡水[15]，因此儲層中的長石溶蝕通常由有機(jī)酸引起，尤其對于煤系致密砂巖，有機(jī)酸更是有著重要意義[16]。

2.2長石溶蝕機(jī)理

依據(jù)前人的研究成果，主要有兩種描述長石溶蝕機(jī)理的模型:表面反應(yīng)模型和淋濾層擴(kuò)散模型。

表面反應(yīng)模型認(rèn)為長石溶蝕受控于礦物表面的化學(xué)反應(yīng)[17-18]。溶蝕一般先發(fā)生于礦物表面位錯、雙晶面、解理等能量較高的部位，長石溶蝕是按化學(xué)計量進(jìn)行的一致溶蝕[19-20]。

淋濾層擴(kuò)散模型認(rèn)為，在長石溶蝕初期，首先發(fā)生不一致溶蝕，長石表面優(yōu)先釋放堿性陽離子，并形成具有成分梯度的淋濾層[21]。淋濾層的厚度達(dá)到穩(wěn)定之后，則由不一致溶蝕轉(zhuǎn)變?yōu)橐恢氯芪g，即所有元素以相等的速率進(jìn)行釋放[22]。

長石溶蝕主要有以下三個步驟：H+進(jìn)入長石骨架中與K+、Na+、Ca2+等離子進(jìn)行交換；Al3+通過水解作用溶出；富Si絡(luò)合物形成于長石表面，逐漸進(jìn)入溶液[23]。長石在溶蝕之后，K+、Na+、Ca2+等陽離子一般進(jìn)入溶液遷移至它處，Al3+則通常在附近形成高嶺石、伊利石等黏土礦物，也可能與有機(jī)酸陰離子絡(luò)合從而進(jìn)行遷移，而Si4+雖然也能有機(jī)酸進(jìn)行絡(luò)合，但這種絡(luò)離子穩(wěn)定性較差，難以在流體中長期保存[24]。

長石溶蝕過程中，一部分離子進(jìn)入溶液， 而另一部分組分則將轉(zhuǎn)變成新的礦物，因此長石溶蝕屬于礦物的非全等溶解[25]。 李保利等[26]對長石砂巖進(jìn)行了溶蝕前后礦物組分分析，發(fā)現(xiàn)溶蝕后黏土礦物和石英礦物含量均有所增加(見表1)。

表1 長石溶蝕前后礦物變化特征Table 1 The consumption change feature before and aftercorrosion of feldspar %

2.3長石溶蝕過程的熱力學(xué)計算

對長石溶蝕過程進(jìn)行熱力學(xué)研究，有助于判斷長石各端元組分的反應(yīng)趨勢[27]，長石溶蝕生成高嶺石、伊利石的反應(yīng)方程式見式(1)—(6):

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

(1)

2NaAlSi3O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+2Na+

(2)

CaAl2Si2O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+Ca2+

(3)

3KAlSi3O8+2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+6SiO2+2K++H2O

(4)

3NaAlSi3O8+K++2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+3Na++6SiO2+H2O

(5)

3CaAl2Si2O8+2K++4H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+3Ca2++H2O

1.5 試驗方法 向2 mL離心管中加入150 μL用緩沖液(20 mmol/L Thris-HCl,pH 7.4)配制的ssDNA溶液(終濃度為8 nmol/L)，再加入1 200 μL銀納米粒子溶液混勻，室溫放置過夜后，加入NaCl溶液(終濃度為40 mmol/L)，混勻后加入100 μL不同濃度的BPA，總定容為1 500 μL，室溫放置3 min，在波長300～700 nm掃描其吸光光譜。

(6)

由熱力學(xué)原理可知，在不做非體積功的情況下，等溫、等壓的封閉體系內(nèi)，任何自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)都向吉布斯自由能增量(ΔG)減小的方向進(jìn)行的。即恒溫恒壓的條件下，當(dāng)ΔG>0時，化學(xué)反應(yīng)不能自發(fā)進(jìn)行；當(dāng)ΔG=0時，為平衡狀態(tài)或可逆反應(yīng)；當(dāng)ΔG<0時，化學(xué)反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。ΔG的計算公式如式(7)所示：

式中，ΔrG為一定溫壓條件下吉布斯自由能增量變化；ΔrH0標(biāo)摩爾焓變準(zhǔn)；ΔrS0是標(biāo)準(zhǔn)摩爾熵變；T為溫度；p為壓力；Δrcp為定壓比熱容變化；ΔrV0為體積變化。

黃可可等[28]對長石溶蝕過程的熱力學(xué)計算結(jié)果表明，三種長石端元中，無論生成物為高嶺石或伊利石，鈣長石的ΔG都最小，鉀長石最大，鈉長石介于兩者之間(見表2)。長石溶蝕過程中，由于鉀、鈉長石溶蝕屬于熵增反應(yīng)，而鈣長石溶蝕屬于熵減反應(yīng)，因此鉀、鈉長石ΔG一般隨溫度上升而減小，而鈣長石ΔG則隨溫度上升而增大[29]。值得注意的是，雖然從熱力學(xué)的角度看來，長石溶蝕生成伊利石易于生成高嶺石，但實際上人們通常將高嶺石作為地層中長石溶蝕的標(biāo)志。這是由于伊利石的形成受系統(tǒng)中的K+/H+活度比控制，而當(dāng)整個系統(tǒng)開放性較好時，鉀長石溶蝕產(chǎn)生的K+很容易被迅速帶走，除非有富含K+的流體進(jìn)入系統(tǒng)，否則難以形成伊利石[30]。

表2 不同長石溶蝕的相關(guān)反應(yīng)在主要溫壓點上的ΔG值Table 2 ΔG of different reactions of feldspar dissolution under different conditions of temperatures and pressures

3 影響長石溶蝕的因素

3.1長石類型的影響

鉀長石、鈉長石以及鈣長石都能在自然界中發(fā)生溶蝕，但它們的穩(wěn)定性各不相同。斜長石的溶蝕速率通常隨鈣長石成分的增加而增加，富鈣斜長石的溶蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于富鈉和鉀的斜長石[31]。賴興運(yùn)等[32]認(rèn)為斜長石中鈉長石的溶蝕程度受鈣長石含量的影響，斜長石中鈣含量越高，鈉長石也相對更容易溶蝕。

季漢成等[33]在130 ℃的溫度條件下，采用乙酸對長石砂巖進(jìn)行了溶蝕實驗?zāi)M，發(fā)現(xiàn)在溶蝕69 h后，鈉長石的溶蝕程度明顯大于鉀長石。黃思靜等[34]認(rèn)為在風(fēng)化、搬運(yùn)以及埋藏成巖作用早期階段大多數(shù)斜長石已經(jīng)被溶蝕，而鉀長石可保存至相對較晚的成巖階段。

綜上所述，在一定的溫壓條件下，三種長石的穩(wěn)定性依次為：鈣長石<鈉長石<鉀長石。在致密砂巖儲層中，由于鈉長石與鈣長石多溶解于同生及成巖作用早期，后期壓實作用使其形成的次生孔隙較難保存至成巖作用晚期，因此鉀長石通常對致密砂巖儲層次生孔隙有著相對較大的貢獻(xiàn)。

3.2溫度與壓力的影響

溫度對長石溶蝕程度有較大的影響，而壓力對長石溶蝕程度的影響效果很小甚至可以忽略[35]。一般情況下，溫度的升高能夠加快長石與溶液的反應(yīng)速率[35-37]，加大長石溶蝕程度(見圖3)。溫度的效應(yīng)受溶液酸堿性影響，在酸性或堿性條件下，長石溶蝕受溫度影響明顯，而在中性條件下受溫度影響較小[38-40]。地質(zhì)環(huán)境中，溫度往往隨埋深的增加而增加，因此對于埋藏較深的致密砂巖儲層，溫度是促進(jìn)其長石溶蝕的因素之一。

圖3 不同溫度下鉀長石溶蝕質(zhì)量相對變化

Fig.3Weightlossofsamplesatdifferentexperimentaltemperatures

3.3 pH值的影響

國內(nèi)外學(xué)者的研究表明，長石溶蝕速率與pH值呈U型關(guān)系，即處于中性或弱堿性條件下時，溶蝕速率最小，而隨著酸度或堿度的增加，溶蝕速率逐漸增大(見圖4)[42-43]。S. Gudbrandsson等[44]推導(dǎo)了室溫和不同pH值條件下斜長石的溶蝕速率公式，認(rèn)為酸性條件下，斜長石溶蝕速率受鈣長石含量及溶液pH值影響，而堿性條件下僅與溶液pH值有關(guān)。

pH值對長石溶蝕的影響體現(xiàn)在多個方面。陳傳平等[45]認(rèn)為有機(jī)酸對硅酸鹽礦物的溶解作用是一種親核取代反應(yīng)，較低的pH值有利于羧酸陰離子向Si原子的“進(jìn)攻”。R. Hellmann[46]認(rèn)為與中性溶液相比，處于酸性或堿性條件下的長石，其表面淋濾層的開放性更好，更有利于溶蝕反應(yīng)的進(jìn)行。肖奕等[23]探討了低溫堿性溶液中微紋長石的溶蝕過程，認(rèn)為pH值的升高有利于Al、Si元素的溶出，從而促進(jìn)長石的溶蝕。

鄂爾多斯盆地上古生界與四川盆地須家河組致密砂巖氣藏的烴源巖均為煤系[16]，煤在成熟演化的的過程中可產(chǎn)生大量的酸性流體，使得煤系地層有機(jī)酸濃度較高，降低地層流體的pH值，從而使長石發(fā)生較為強(qiáng)烈的溶蝕。

圖4 70 ℃時斜長石溶蝕速率隨pH值的變化

Fig.4DissolutionrateofplagioclasewithpHvalueat70 ℃

3.4有機(jī)酸種類對長石溶蝕的影響

在長石溶蝕過程中，酸的種類是控制長石溶蝕程度的重要因素。無機(jī)酸通過提供H+促進(jìn)長石溶蝕，而有機(jī)酸不僅能夠提供H+，還通過絡(luò)合作用促進(jìn)長石溶蝕[47]。與無機(jī)酸相比，有機(jī)酸的溶蝕能力通常更強(qiáng)[48]。煤系烴源巖地層中所產(chǎn)生的有機(jī)酸比其他地層高數(shù)百倍[49]，因此對于煤系致密砂巖儲層，有機(jī)酸對長石的溶蝕和次生孔隙的形成有著重要的影響。

有機(jī)酸的絡(luò)合作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面: (1)在礦物表面形成絡(luò)合物，降低了表面反應(yīng)的活化能，加快了反應(yīng)速率；(2)在流體溶液中，有機(jī)酸陰離子與Si4+、Al3+結(jié)合形成絡(luò)合離子，降低了溶液中Si4+、Al3+的有效濃度[50]。

一般情況下，不同有機(jī)酸根的絡(luò)合效應(yīng)各不相同，對長石的溶蝕能力也存在一定差異。相比一元羧酸，二元羧酸能與Si原子形成較穩(wěn)定的五(六)元環(huán)狀化合物，阻止硅聚集和膠結(jié)的能力更強(qiáng)，因此草酸溶蝕長石的能力通常強(qiáng)于乙酸[39]。溫度對有機(jī)酸根的絡(luò)合效應(yīng)也有一定影響。張文正等[51]用乙酸溶液對鈣長石進(jìn)行了溶蝕實驗，發(fā)現(xiàn)低溫階段(50～75 ℃)乙酸的絡(luò)合作用有助于Al的釋放與遷移，但不能較好地阻止高溫階段(100～125 ℃)Al發(fā)生沉淀。

有機(jī)酸對長石溶蝕的貢獻(xiàn)程度受自身濃度、地層流體化學(xué)性質(zhì)等多種因素的影響。草酸對長石的溶蝕能力通常強(qiáng)于乙酸，但草酸在地層中的含量遠(yuǎn)低于乙酸，無法有效地調(diào)節(jié)地下流體的pH值，并且當(dāng)?shù)貙恿黧w含有較多的Ca2+、Mg2+時，草酸對長石的溶蝕能力將下降[31,52]。

4 結(jié)論

(1) 依據(jù)所處環(huán)境的不同，致密砂巖長石溶蝕既可由烴源巖生烴過程釋放出的有機(jī)酸性流體引起，也可以由大氣淡水淋濾作用引起。長石溶蝕效果受自身結(jié)構(gòu)與成分、溫度、pH值以及有機(jī)酸等多種因素的共同影響，是一個較為復(fù)雜的過程，我國致密砂巖常形成于煤系地層中，有機(jī)酸是其長石發(fā)生溶蝕的最主要影響因素。

(2) 長石溶蝕屬于非全等溶解，表面反應(yīng)模型和淋濾層擴(kuò)散模型是兩種用來描述長石溶蝕的主要模型。前者認(rèn)為長石溶蝕受礦物表面化學(xué)反應(yīng)的控制，礦物表面晶格缺陷為溶蝕提供有利位置。后者則認(rèn)為長石溶蝕首先釋放堿性陽離子，并形成具有成分梯度的淋濾層。

(3) 自然界中長石溶蝕現(xiàn)象較為普遍，但不同類型長石的穩(wěn)定性各不相同。一般情況下，鈣長石最容易發(fā)生溶蝕，其次為鈉長石，鉀長石的穩(wěn)定性最好，鉀長石通常對致密砂巖儲層次生孔隙有著相對較大的貢獻(xiàn)。

(4) 溫度的升高能夠加快長石與溶液的反應(yīng)速率，加大長石溶蝕程度。溫度的效應(yīng)受溶液酸堿性影響，酸性或堿性條件下，長石溶蝕受溫度影響明顯。長石各元素受溫度的影響程度也存在一定區(qū)別，其中Si元素受溫度的影響最大。

(5) 溶液pH值、有機(jī)酸的絡(luò)合作用與長石溶蝕均有重要關(guān)系。隨pH值的上升，長石溶蝕速率呈U型曲線變化。而有機(jī)酸則能夠通過絡(luò)合作用，降低表面反應(yīng)的活化能以及Si4+、Al3+的有效濃度。煤系烴源巖地層能產(chǎn)生大量的有機(jī)酸，通過調(diào)節(jié)pH值和絡(luò)合作用，能積極的促進(jìn)煤系致密砂巖儲層中長石溶蝕。

[1] Schmidt V, MacDonald D A. Secondary reservoir porosity in the course of sandstone diagenesis[M]. Canada:AAPG Education Department, 1979:1-65.

[2] 陳吉，吳遠(yuǎn)坤，孫愛艷，等.南堡油田沙一段儲層特征及控制因素[J].特種油氣藏,2015,22(1):36-40.

Chen Ji, Wu Yuankun, Sun Aiyan, et al.Reservoir features and controlling factors of Shayi member, Nanpu oilfield[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2015,22(1)：36-40.

[3] 劉雅利.渤南洼陷沙四上亞段成巖機(jī)制研究[J].特種油氣藏,2015,22(2):35-39.

Liu Yali. Research on diagenetic mechanism in Sha-4 upper member, southern Bohai sag[J].Special Oil & Gas Reservoirs,2015,22(2)：35-39.

[4] Ezat H, William J W. Massive recrystallization of low-Mg calcite at high temperatures in hydrocarbon source rocks:Implications f or organic acids as factors in diagenesis[J]. AAPG Bulletin, 2002(86): 1285-1303.

[5] 張哨楠. 致密天然氣砂巖儲層:成因和討論[J].石油與天然氣地質(zhì), 2008, 29(1): 1-10.

Zhang Shaonan. Tight sandstone gas reservoirs: Their origin and discussion[J]. Oil & Gas Geology, 2008, 29(1): 1-10.

[6] 王濮,潘兆魯,翁玲寶.系統(tǒng)礦物學(xué): 中冊 [M]. 北京:地質(zhì)出版社,1986:26-40.

[7] 潘兆魯. 結(jié)晶學(xué)與礦物學(xué): 下冊 [M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1993: 191-196.

[8] Ribbe P H. 長石礦物學(xué) [M]. 北京:地質(zhì)出版社, 1989:4-5.

[9] 唐洪明, 孟英峰, 吳澤柏, 等. 酸化體系中長石的穩(wěn)定性研究 [J]. 天然氣工業(yè), 2004, 24(12): 116-118.

Tang Hongming, Meng Yingfeng, Wu Zebai, et al. Study on stability of feldspar in acinization system [J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(12): 116-118.

[10] 朱筱敏, 孫超, 劉成林, 等. 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田儲層成巖作用與模擬[J]. 中國地質(zhì), 2007, 34(2): 276-282.

Zhu Xiaomin, Sun Chao, Liu Chenglin, et al. Reservoir diagenesis and fluid-rock interaction simulation of the Sulige gas field in the Ordos basin [J]. Geology in China, 2007, 34(2): 276-282.

[11] 朱如凱, 鄒才能, 張鼐, 等. 致密砂巖氣藏儲層成巖流體演化與致密成因機(jī)理—以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組為例 [J]. 中國科學(xué)D輯: 地球科學(xué), 2009, 39(3): 327-339.

Zhu Rukai, Zou Caineng, Zhang Nai, et al. Diagenetic fluids evolution and genetic mechanism of tight sandstone gas reservoirs in upper triassic Xujiahe formation in Sichuan basin[J]. Science in China (Series D) Earth Sciences, 2008, 39(3):327-339．

[12] Emery D, Myers K J, Young R. Ancient subaerial exposure and freshwater leaching in sandstones [J]. Geology( Boulder), 1990(18): 1178-1181.

[13] 劉立, 楊慶杰, 于均民. 大氣水砂巖的相互作用 [J]. 世界地質(zhì), 1999, 18(2):47-52.

Liu Li, Yang Qingjie, Yu Junmin. The interaction of meteoric water-sandstone [J]. Global Geology, 1999, 18(2): 47-52.

[14] 羅靜蘭,劉小洪,林潼,等.成巖作用與油氣侵位對鄂爾多斯盆地延長組砂巖儲層物性的影響[J].地質(zhì)學(xué)報,2006,80(5):664-673.

Luo Jinglan, Liu Xiaohong, Lin Tong, et al. Impact of diagenesis and hydrocarbon emplacement on sandstone reservoir quality of the Yanchang formation (Upper Triassic) in the Ordos basin [J]. Acta Geologica Sinica, 2006,80(5):664-673.

[15] 徐梅桂, 張哨楠, 伏美燕, 等. 不同淡水成巖體系下長石溶蝕的對比實驗 [J]. 現(xiàn)代地質(zhì), 2013, 27(4): 925-933.

Xu Meigui, Zhang Shaonan, Fu Meiyan, et al. Contrast experiment about dissolution of feldspar in different freshwater diagenetic systems [J]. Geoscience, 2013, 27(4): 925-933.

[16] 李易隆, 賈愛林, 何東博. 致密砂巖有效儲層形成的控制因素[J]. 石油學(xué)報, 2013, 34(1): 71-82.

Li Yilong, Jia Ailin, He Dongbo. Control factors on the formation of effective reservoirs in tight sands: Examples from Guang’an and Sulige gasfields [J]. Acta Petrolei Sinica, 2013, 34(1): 71-82.

[17] Knauss K G, Wolery T J. Dependence of albite dissolution kinetics on pH and time at 25 °C and 70 °C [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1986(50): 2481-2497.

[18] Nesbitt H W, MacRae N D, Shotyk W. Congruent and incongruent dissolution of labradorite in dilute, acidic, salt solutions [J]. Journal of Geology, 1991(99): 429-442.

[19] Holdren G R Jr, Berner R A. Mechanism of feldspar weathering: I. Experimental studies [J]. Geochima Et Cosmochim Acta, 1979, 43(8): 1161-1171.

[20] Bemer R A, Holdren G R Jr. Mechanism of feldspar weathering: II. Observations of feldspars from soils [J]. Geochima Et Cosmochim Acta, 1979, 43(8): 1173-1186.

[21] Chou L, Wollast R. Study of the weathering of albite at room temperature and pressure with a fluidized bed reactor [J]. Geochima Et Cosmochim Acta, 1984, 48: 2205-2217.

[22] Chardon E S, Livens F R, Vaughan D J. Reactions of feldspar surfaces with aqueous solutions [J]. Earth-Science Reviews , 2006, 78: 1-26.

[23] 肖奕, 王汝成, 陸現(xiàn)彩, 等. 低溫堿性溶液中微紋長石溶蝕性質(zhì)研究[J]. 礦物學(xué)報, 2003, 23(4): 333-340.

Xiao Yi, Wang Rucheng, Lu Xiancai, et al. Experimental study on the low-temperature dissolution of microperthite in alkaline solution [J]. Acta Mineralogica Sincia, 2003, 23(4):333-340.

[24] 郭春清, 沈忠民, 張林曄, 等. 砂巖儲層中有機(jī)酸對主要礦物的溶蝕作用及機(jī)理研究綜述[J]. 地質(zhì)地球化學(xué), 2003, 31(3): 53-57.

Guo Chunqing, Shen Zhongmin, Zhang Linye, et al. The corrosion and its mechanism of organic acids on main minerals in oil-gas reservoir sand rocks[J]. Geology-Geochemistry, 2003, 31(3): 53-57.

[25] 李汶國, 張曉鵬, 鐘玉梅. 長石砂巖次生溶孔的形成機(jī)理[J]. 石油與天然氣地質(zhì), 2005, 26(2): 220-229.

Li Wenguo, Zhang Xiaopeng, Zhong Yumei. Formation mechanism of secondary dissolved pores in arcose[J]. Oil & Gas Geology, 2005, 26(2): 220-223.

[26] 李保利. 碎屑巖中長石蝕變形成次生孔隙的試驗研究 [J]. 電子顯微學(xué)報, 2010, 29(6): 516-520.

Li Baoli. Feldspar alteration of clastic rock form secondary pore experimental study [J]. Journal of Chinese Electron Microscopy Society, 2010, 29(6): 516-520.

[27] 史基安, 晉慧娟, 薛蓮花. 長石砂巖中長石溶蝕作用發(fā)育機(jī)理及其影響因素分析[J]. 沉積學(xué)報, 1994, 12(3): 67-75.

Shi Jian, Jin Huijuan, Xue Lianhua. Analysis on mechanism of feldspar dissolution and its influence factors in feldspar-rich sandstone reservoir[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1994, 12(3): 65-75

[28] 黃可可, 黃思靜, 佟宏鵬, 等. 長石溶蝕過程的熱力學(xué)計算及其在碎屑巖儲層研究中的意義[J]. 地質(zhì)通報, 2009, 28(4): 474-482.

Huang Keke, Huang Sijing, Tong Hongpeng, et al. Thermodynamic calculation of feldspar dissolution and its significance on research of clasic reservoir [J]. Geol Bull China, 2009, 28(4):474-482.

[29] 張萌, 黃思靜, 王麒翔, 等. 碎屑巖成巖過程中各種造巖礦物溶蝕特征的熱力學(xué)模型 [J]. 新疆地質(zhì), 2006, 24(2): 187-191.

Zhang Meng, Huang Sijing, Wang Qixiang, et al. Thermodynamics model for the characteristic of the dissolution of primary minerals related to clastic diagenesis[J]. Xinjiang Geology,2006, 24(2): 187-191.

[30] 黃思靜, 黃可可, 馮文立, 等. 成巖過程中長石、高嶺石、伊利石之間的物質(zhì)交換與次生孔隙的形成: 來自鄂爾多斯盆地上古生界和川西凹陷三疊系須家河組的研究[J]. 地球化學(xué), 2009, 38(5): 498-506.

Huang Sijing, Huang Keke, Feng Wenli, et al, Mass exchanges among feldspar, kaolinite and illite and their influence on secondary porosity foemation in classic diagenesis-A case study of upper paleozoic of rdos basin and Xujiahe formation of western Sichuan depression, Sichuan basin [J]. Geochimica, 2009, 38(5): 498-506.

[31] Huang W L, Longo J M. The effect of organics on feldspar dissolution and the development of secondary porosity[J]. Chemical Geology, 1992, 98(3-4):271-292.

[32] 賴興運(yùn), 于炳松, 陳軍元, 等. 碎屑巖骨架顆粒溶蝕的熱力學(xué)條件及其在克拉2氣田的應(yīng)用[J]. 中國科學(xué)D輯:地球科學(xué), 2004, 34(1): 45-53.

Lai Xingyun, Yu Bingsong, Chen Junyuan, et al. Thermodynamic conditions of clastic rock skeleton of particles dissolve and its application in Kela 2 gas field [J]. Science in China (Series D)Earth Sciences, 2004, 34(1): 45-53 .

[33] 季漢成, 徐珍. 深部碎屑巖儲層溶蝕作用實驗?zāi)M研究 [J]. 地質(zhì)學(xué)報, 2007, 81(2): 212-219.

Ji Hancheng, Xu Zhen. Experimental simulation for dissolution in clastic reservoirs of the deep zone[J]. Acta Geologica Sinica, 2007, 81(2): 212-219.

[34] 黃思靜, 佟宏鵬, 黃可可, 等. 陰極發(fā)光分析在恢復(fù)砂巖碎屑長石含量中的應(yīng)用—鄂爾多斯盆地上古生界和川西凹陷三疊系須家河組的研究 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2008, 23(10): 1013-1019.

Huang Sijing, Dong Hongpeng, Huang Keke, et al. Application of cathodoluminescence analyses to the recovery of feldspar content in sandstone-A case study of upper paleozoic of Ordos basin and Xujiahe formation of western Sichuan depression, Sichuan basin [J]. Adv Earth Sci, 2008, 23(10): 1013-1019.

[35] 梁祥濟(jì), 喬莉, 王福生. 低溫低壓下水一巖反應(yīng)動力學(xué)實驗中一些主要元素的變化規(guī)律 [J]. 巖石礦物學(xué)雜志, 1994, 13(1): 10-18.

Liang Xiangji, Qiao Li, Wang Fusheng. The varying laws of some main elements the dynamic experiments for the reactions of rocks with water under low temperatures and pressures [J]. Acta Petrologica et Mineralogica, 1994, 13(1): 10-18.

[36] 姜偉, 曲希玉, 肖洪, 等. 鉀長石-CO2相互作用水熱實驗研究[J]. 世界地質(zhì), 2014, 33(4): 974-980.

Jiang Wei, Qu Xiyu, Xiao Hong, et al. Research on interactively hydrothermal experiment between potassium feldspar and CO2[J]. Global Geology, 2014, 33(4): 974-980.

[37] Casey W H, Sposito G. On the temperature dependence of mineral dissolution rates [J]. Geochim Cosmochim Acta, 1992, 56: 3825-3830.

[38] 楊俊杰, 黃月明, 張文正, 等. 乙酸對長石砂巖溶蝕作用的實驗?zāi)M [J]. 石油勘探與開發(fā), 1995, 22(4): 82-86.

Yang Junjie, Huang Yueming, Zhang Wenzheng, et al. Experimental approach of dissolution of feldspar sandstone by acetic acid [J]. Petroleum Exploration and Development, 1995, 22(4): 82-86.

[39] 向廷生,蔡春芳,付華娥.不同溫度、羧酸溶液中長石溶蝕模擬實驗 [J]. 沉積學(xué)報, 2004, 22(4): 597-602.

Xiang Tingsheng, Cai Chunfang, Fu Huae. Dissolution of microcline by carboxylic acids at different temperatures and complexing reaction of Al anion with carboxylic acid in aqueous solution [J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2004, 22(4): 597-602.

[40] Fenter P, Park C, Cheng L, et al. Orthoclase dissolution kinetics probed by in situ X-ray reflectivity: effect of temperature, pH and crystal orientation [J]. Geochim Cosmochim Acta, 2003(67): 197-211.

[41] 黃思靜, 楊俊杰, 張文正, 等. 不同溫度條件下乙酸對長石溶蝕過程的實驗研究 [J]. 沉積學(xué)報, 1995, 13(1): 7-17.

Huang Sijing, Yang Junjie, Zhang Wenzheng, et al. Experimental study of feldspar dissolution by acetic acid at different burial temperatures [J]. Acta Sedimento Logica Sinica, 1995, 13(1): 7-17.

[42] Knass K G, Wolery T J. Dependence of albite dissolution kinetics on pH and time at 25 ℃ and 70 ℃ [J]. Geochim Cosmochim Acta, 1986(50):2481-2497.

[43] 羅孝俊, 楊衛(wèi)東, 李榮西, 等. pH值對長石溶蝕度及次生孔隙發(fā)育的影響 [J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報, 2001, 20(2):103-107.

Luo Xiaojun, Yang Weidong, Li Rongxi, et al. Effects of pH on the solubility of the feldspar and the development of secondary porosity [J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2001, 20(2):103-107.

[44] Gudbrandsson S, Wolff-Boenisch D, Gislason S R, et al. Experimental determination of plagioclase dissolution rates as a function of its composition and pH at 22 degrees C [J]. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2014(139): 154-172.

[45] 陳傳平, 梅博文, 毛治超. 二元竣酸對硅酸鹽礦物溶蝕的實驗初步研究[J]. 礦物巖石, 1993, 13(1): 103-107.

Chen Chuanpin, Mei Bowen, Mao Chichao. The initial experimental study for dissolving silicate mineral by dicarboxylic acid in aqueous systems [J]. J Mineral Petrol, 1993,13(1): 103-107.

[46] Hellmann R. The albite-water system: Part II. The time-evolution of the stoichiometry of dissolution as a function of pH at 100,200, and 300°C [J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1995, 59(9): 1669-1697.

[47] Lind C J, Hom J D. Effect of organic solutes on chemical reaction of aluminum [C]. Washington D C:United States Govemment Printing Office, 1975: 1 -83.

[48] 朱國華. 碎屑巖儲集層孔隙的形成、演化和預(yù)測 [J]. 沉積學(xué)報, 1992, 10(3): 114-123.

Zhu Guohua. Origin and evoluiton and predietion of porosity in clastic reservoir rocks [J]. Acta Sedimentologica Sinica, 1992, 10(3): 114-123.

[49] 鄭浚茂, 應(yīng)鳳祥. 煤系地層酸性水介質(zhì)的砂巖儲層特征及成巖模式 [J]. 石油學(xué)報, 1997, 18(4): 19-24.

Zheng Junmao, Ying Fengxiang. Reservoir chracteristics and diagenetic m odel o f sandstone intercalated in coal-bearingstrata[J]. Acta Petrolei Sinica, 1997, 18(4): 19-24.

[50] Pittman E D. Organic acids in geological processes [C]. Berlin:Springer-Verlag, 1993.

[51] 張文正, 楊華, 解麗琴, 等. 鄂爾多斯盆地上古生界煤成氣低孔滲儲集層次生孔隙形成機(jī)理-乙酸溶液對鈣長石、鐵鎂暗色礦物溶蝕的模擬實驗 [J]. 石油勘探與開發(fā), 2009, 36(3): 383-391.

Zhang Wenzheng, Yang Hua, Xie Liqin, et al. Secondary porosity formation of upper paleozoic low porosity-permeability coal-formed gas reservoirs, Ordos basin:Simulation on dissolution of anorthite and dark-colored femic minerals in acetic acid solution [J]. Petroleum Exploration and Development, 2009, 36(3): 383-391.

[52] 羅孝俊, 楊衛(wèi)東. 有機(jī)酸對長石溶蝕度影響的熱力學(xué)研究 [J]. 礦物學(xué)報, 2001, 21(2): 183-188.

Luo Xiaojun, Yang Weidong. The effect of organic acid on feldspar solubility:A thermodynamic study [J]. Acta Mineralogica Sinica, 2001, 21(2): 183-188.

Dissolution Mechanism of Feldspar of Tight Sandstone and Its Influencing Factors

Wu Hongchen1,2, Zhang Xiaoli1,2, He Jinxian1,2,3, Ren Zeqiang1,2

(1.SchoolofResourcesandGeoscience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China； 2.KeylaboratoryofCoalbedMethaneResourceandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,XuzhouJiangsu221116,China；3.KeylaboratoryofTectonicsandPetroleumResourcesMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China)

Feldspar Dissolution has an important influence on the development of secondary porosity of tight sandstone reservoir and the storage of oil-gas. In order to solve problem of lack of recognition for dissolution mechanism of feldspar of tight sandstone and its influencing factors, through literature researches, a synthetic analysis of dissolution mechanism of feldspar and its influencing factors was made. Results show that organic acid generated from hydrocarbon source rocks and meteoric water both can dissolve feldspar. Feldspar dissolve incongruently, the surface reaction model and the leached-layer diffusion model have been used to describe the feldspar dissolution mechanism. According to thermodynamic calculation, maximum of Gibbs free energy increment involved in K-feldspar dissolution reaction, followed by albite, and anorthite dissolution reaction shows the minimum Gibbs free energy increment, disslution reactions of K-feldspar and albite show negative correlation between Gibbs free energy increment and temperature, but anorthite dissolution reaction shows opposite tendency. Feldspar dissolution is controlled by its composition and structure, temperature and pressure condition, pH and acid type.

Feldspar dissolution; Dissolution mechanism; Influencing factors; Tight sandstone; Organic acid; Meteoric water

1006-396X(2017)05-0042-08

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE132

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.009

2017-02-28

2017-04-05

中國博士后科學(xué)基金項目(2015M571841)；構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室開放研究基金項目(TPR-2015-04)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(2015QNB24)。

吳泓辰(1994-)，男，碩士研究生，從事油氣儲層地質(zhì)研究工作；E-mail：hongchen00wu@foxmail.com。

張曉麗(1983-)，女，博士后，講師，從事油氣地質(zhì)研究工作；E-mail：xlzhang@cumt.edu.cn。

(編輯 王亞新)