白云巖埋藏溶蝕孔洞的形成機(jī)理與演化
——來自高溫高壓溶蝕模擬的證據(jù)

喬占峰，呂玉珍，陳 薇，佘 敏，邵冠銘，曹 鵬，孫曉偉

1中國石油杭州地質(zhì)研究院；2中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 前言

白云巖是深層油氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域。我國古老白云巖地層多經(jīng)歷深埋高溫高壓作用和長期成巖疊加改造[1-3]，經(jīng)歷多種溶蝕作用形成次生孔隙和洞穴而成為重要的油氣儲集空間[4-6]。油氣生產(chǎn)也揭示，溶蝕孔洞的發(fā)育程度是控制油氣產(chǎn)量的重要因素之一[7]。因此，揭示溶蝕孔洞的形成機(jī)制和演化過程對于預(yù)測優(yōu)質(zhì)白云巖儲層分布至關(guān)重要。

溶蝕孔洞的形成存在兩種機(jī)制：一種是早成巖期或表生期的大氣水溶蝕作用[8-12]；另一種是埋藏溶蝕作用[13-18]。埋藏溶蝕作用具有特殊性，溶蝕孔隙或孔洞為末端產(chǎn)物，并無對應(yīng)的成巖產(chǎn)物可以用來直接分析其發(fā)生的條件，因此對其形成機(jī)制的認(rèn)識長期以來存在爭議。溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)為溶蝕作用的發(fā)生條件及溶蝕過程提供了有效的研究手段。

自20世紀(jì)60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者[19-24]利用實(shí)驗(yàn)方法開展了探索碳酸鹽巖溶蝕機(jī)理的研究。隨著大量深埋碳酸鹽巖油氣儲層的發(fā)現(xiàn)，高溫高壓下碳酸鹽巖溶蝕機(jī)制的研究成為模擬實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，模擬實(shí)驗(yàn)條件自然由低溫低壓發(fā)展到高溫高壓環(huán)境，實(shí)驗(yàn)樣品逐漸由巖石樣品取代方解石、白云石等單礦物樣品。丁茜等[23]指出埋藏條件下開放體系中方解石溶蝕速率高于白云石；鄭劍鋒等[24]指出埋藏溶蝕作用對改善微生物白云巖儲層滲透率貢獻(xiàn)更大。這些研究促進(jìn)了深埋條件下白云巖溶蝕響應(yīng)的地質(zhì)認(rèn)識不斷深入，但是對于白云石晶體特征對溶蝕作用的控制作用以及溶蝕孔洞的形成過程尚不清楚。本文選取深層大量發(fā)育的晶粒白云巖，開展柱塞尺度和晶體尺度的高溫高壓溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，以探討白云巖孔隙的形成和演化過程，明確孔喉結(jié)構(gòu)控制因素和優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖悄M埋藏條件下白云巖儲層的溶蝕效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)采用中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計的連續(xù)流動成巖模擬裝置。選取塔里木盆地巴楚地區(qū)永安壩剖面蓬萊壩組的細(xì)中晶白云巖和中粗晶白云巖樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在礦物學(xué)分析的基礎(chǔ)上，針對同一樣品開展柱塞尺度和晶體尺度的溶蝕模擬，并進(jìn)行聯(lián)合分析。模擬實(shí)驗(yàn)之前，通過巖石薄片鑒定確定白云巖類型，利用X射線全巖分析確定白云巖礦物組分、含量和白云巖有序度，通過電子探針確定白云巖晶體鎂和鈣元素比值。

1.1 柱塞樣品內(nèi)部溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)

柱塞樣品的直徑為2.5 cm，長3.5 cm。反應(yīng)的溫度和壓力分別設(shè)定為100℃、30 MPa；考慮到油田水中所含有機(jī)酸以乙酸為主[25]，實(shí)驗(yàn)流體采用2 g/L的乙酸溶液（pH=3.857）；流速設(shè)定為0.5 mL/min。在實(shí)驗(yàn)設(shè)定的流速條件下，當(dāng)反應(yīng)體系達(dá)到穩(wěn)定態(tài)后，對反應(yīng)后的溶液進(jìn)行樣品采集，共采集2份樣品，體積各約為6 mL。對采集的溶液應(yīng)用Leeman Prodigy全譜直讀光譜儀分析Ca2+、Mg2+濃度。為了較好表征白云巖微觀溶蝕演化特征，量化分析有機(jī)酸對其溶蝕改造的效應(yīng)，除了進(jìn)行溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)外，還應(yīng)用基于微納米CT的數(shù)字巖心分析、孔隙度和滲透率等測試對巖樣進(jìn)行反應(yīng)前后的對比分析，分兩個階段進(jìn)行CT掃描，分別為溶蝕7 h后（第1階段溶蝕）和14 h后（第2階段溶蝕）?？紫抖群蜐B透率測試采用氣體孔滲聯(lián)測儀，型號為海安FYKS-3；本次研究采用的微納米CT型號為GE V|tomex|s。

1.2 晶體尺度溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)

將樣品制成長度、寬度、厚度分別約為3 cm、2 cm、1 cm的長方體，并進(jìn)行氬離子拋光。反應(yīng)的溫度和壓力分別設(shè)定為100℃、30 MPa；實(shí)驗(yàn)流體采用1 g/L的乙酸溶液；流速設(shè)定為1 mL/min。模擬實(shí)驗(yàn)前在低電壓模式下進(jìn)行場發(fā)射掃描電鏡分析表征白云石晶體特征，包括白云石晶體內(nèi)部包裹體類型和成分，晶內(nèi)孔、晶格缺陷、晶體邊緣、晶體表面瀝青膜發(fā)育情況等，并采集對應(yīng)圖像；溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)分析后，對溶蝕后樣品的同一位置再次進(jìn)行低電壓模式下的場發(fā)射掃描電鏡分析，做到原位對比分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 樣品溶蝕前表征

溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)前對細(xì)中晶白云巖和中粗晶白云巖樣品進(jìn)行了詳細(xì)的表征。細(xì)中晶白云巖樣品中白云石呈霧心亮邊結(jié)構(gòu)，晶間孔較發(fā)育，呈三角形或多邊形；實(shí)測孔隙度為4.02%，滲透率為0.073 1×10-3μm2；白云石晶體密度為2.84 g/cm3，巖石密度為2.73 g/cm3（表1）。中粗晶白云巖樣品中白云石以他形中粗晶白云石為主，局部為自形中晶白云石，自形中晶白云石發(fā)育部位晶間孔發(fā)育，局部見擴(kuò)溶現(xiàn)象；實(shí)測孔隙度為4.33%，滲透率為0.137×10-3μm2；白云石晶體密度為2.82 g/cm3，巖石密度為2.70 g/cm3（表1）。

表1 內(nèi)部溶蝕實(shí)驗(yàn)不同階段樣品參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Parameters of samples for internal dissolution experiment in different stages

溶蝕前鑄體薄片和掃描電鏡照片顯示：細(xì)晶白云巖中白云石呈自形—半自形，晶間孔發(fā)育（圖1a），局部白云石晶體接觸緊密（圖1b），晶體間可見微縫發(fā)育（圖1c）。晶體內(nèi)部不同程度發(fā)育方解石包裹體（圖1c—1f），包裹體于晶核部位相對更發(fā)育，晶體邊緣欠發(fā)育，包裹體粒徑多小于5μm。發(fā)育大量微孔，微孔形態(tài)不規(guī)則，孔徑可達(dá)0.1μm，晶間局部充填硅質(zhì)（圖1e，1f）。

圖1 細(xì)晶白云巖巖石學(xué)圖版Fig.1 Micrographs,backscattered electron images and spectra of fine crystalline dolomite

粗晶白云石在普通薄片下呈他形、鑲嵌狀接觸，晶體內(nèi)可見顆粒結(jié)構(gòu)（圖2a）。掃描電鏡下可見晶體內(nèi)發(fā)育大量方解石包裹體，部分包裹體粒徑大于5μm，形態(tài)不規(guī)則（圖2b，2c），方解石包裹體可發(fā)育于白云石晶體的各個部位，晶體核部包裹體相對較小，晶體邊緣包裹體相對較大（圖2d—2f）；晶體內(nèi)部微孔發(fā)育，形態(tài)不規(guī)則，呈三角形或多邊形，孔徑可達(dá)1μm（圖2b—2d）。電子探針微量元素面掃顯示，該類晶體內(nèi)部除方解石包裹體和晶內(nèi)孔隙外，元素分布均勻。

圖2 粗晶白云巖巖石學(xué)圖版Fig.2 Micrographs,backscattered electron images and element mappings of coarse crystalline dolomite

2.2 溶蝕前后孔隙變化特征

對柱塞樣開展了2個階段的內(nèi)部溶蝕實(shí)驗(yàn)，每個階段的實(shí)驗(yàn)后，對樣品進(jìn)行孔滲和CT掃描等分析，以檢測孔隙變化特征?？紫堆莼哂?個方面的特點(diǎn)：

首先，從孔隙體積和孔隙度與滲透率變化來看，2種白云巖的溶蝕響應(yīng)存在一定差異（圖3）。由圖3可知，2種類型的白云巖在經(jīng)歷溶蝕改造后，孔隙度和滲透率均顯著升高，但是變化過程差別明顯。細(xì)中晶白云巖經(jīng)2個階段共14 h的溶蝕后，孔隙度自4.02%升高到5.42%（圖3a），滲透率自0.073 1×10-3μm2升高到1 099.3×10-3μm2（圖3b），第1階段溶蝕造成的孔隙度和滲透率增加幅度明顯比第2階段溶蝕的更大；而中粗晶白云巖經(jīng)2個階段共14 h的溶蝕后，孔隙度自4.33%升高到5.91%，滲透率自0.137×10-3μm2升高到1 031.3×10-3μm2，表現(xiàn)為均勻升高（圖3）。此外，第1階段的溶蝕過程中，細(xì)中晶白云巖孔隙度和滲透率的升高幅度均明顯高于中粗晶白云巖，特別是滲透率升高的幅度更大。

圖3 溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)過程中樣品孔隙度和滲透率變化曲線圖Fig.3 Graphs showing the changes of porosity and permeability of samples in different stages of dissolution simulation experiments

其次，2種巖石的孔隙類型初始都是孔隙型，受溶蝕改造都有向裂縫-孔洞型演化的趨勢（圖4）。溶蝕之前，2個樣品的基質(zhì)孔喉半徑主體分布于20～60μm，小于100μm；經(jīng)過第1階段溶蝕后，基質(zhì)孔喉半徑分布范圍擴(kuò)大，細(xì)中晶白云巖最大達(dá)150 μm，中粗晶白云巖則達(dá)到500μm，同時20～60μm的孔隙占比更大，原先分散的孔隙部分連通形成了較大的孔洞，代表孔隙經(jīng)歷了顯著的溶蝕擴(kuò)大改造；第2階段溶蝕后，2個樣品的基質(zhì)孔喉半徑均達(dá)到了約700μm，且此時較大的孔洞也已形成（圖4）。

圖4 溶蝕前后CT掃描圖像與孔喉結(jié)構(gòu)變化Fig.4 Charts showing the changes of CT-Scanning images and pore throat distributions of samples in different stages of experiments

最后，溶蝕作用對孔隙空間的改造效率受孔喉結(jié)構(gòu)控制，優(yōu)勢滲流通道形成后，改造效率顯著降低。細(xì)中晶白云巖經(jīng)過第1階段溶蝕后，沿先期孔隙發(fā)生較強(qiáng)烈的溶蝕擴(kuò)大，并在局部集中發(fā)生溶蝕。如圖5，沿流體運(yùn)移方向形成一條溶縫，使得孔隙度和滲透率均明顯升高，特別是由于裂縫的形成，使得滲透率顯著升高。在第2階段溶蝕過程中，裂縫作為流體優(yōu)勢滲流通道后，主要表現(xiàn)為對裂縫的溶蝕擴(kuò)寬，導(dǎo)致一方面樣品總體孔隙度升高幅度降低，另一方面由于樣品長度有限，溶縫貫通樣品后，滲透率升高幅度有限。中粗晶白云巖的溶蝕顯示出一定的差異（圖6）：第1階段的溶蝕自方解石斑塊開始，形成孔洞并向溶縫演化，同時對周圍孔隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行溶蝕擴(kuò)大，但是該階段內(nèi)未形成貫通的溶縫，因此孔隙度和滲透率表現(xiàn)為同步且相對緩慢的升高；第2階段的溶蝕基本為第1階段溶蝕狀態(tài)的延續(xù)，孔隙不斷擴(kuò)大，最后形成貫通縫，周圍局部孔隙斑狀富集，使得滲透率和溶蝕后的細(xì)中晶白云巖樣品接近。

圖5 細(xì)中晶白云巖樣溶蝕實(shí)驗(yàn)不同階段孔隙CT掃描圖Fig.5 CT-Scanning slices of fine crystalline dolomite sample in different stages of experiments

圖6 中粗晶白云巖樣溶蝕實(shí)驗(yàn)不同階段孔隙CT掃描圖Fig.6 CT-Scanning slices of coarse crystalline dolomite sample in different stages of experiments

2.3 晶體溶蝕響應(yīng)特征

晶體尺度上，細(xì)中晶白云巖和中粗晶白云巖表現(xiàn)出相似的溶蝕響應(yīng)特點(diǎn)（圖7，圖8）。2組實(shí)驗(yàn)晶體溶蝕均呈蜂窩狀，晶間縫溶蝕加大、加深，不平整的晶體表面經(jīng)溶蝕后變平滑；晶間孔隙邊緣溶蝕強(qiáng)度明顯更大，晶體邊緣變圓滑，溶蝕呈孔洞狀；晶體內(nèi)部孔隙溶蝕擴(kuò)大明顯，且表現(xiàn)出分層遞進(jìn)的溶蝕響應(yīng)特點(diǎn)。這樣的溶蝕特征下，隨著溶蝕不斷進(jìn)行，在先期孔隙中可能形成大量的晶體脫落物，對孔隙連通性造成臨時的堵塞。

圖7 細(xì)中晶白云巖溶蝕前后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.7 Images of Scanning Electron Microscope of fine-medium crystalline dolomite before and after dissolution

圖8 中粗晶白云巖溶蝕前后掃描電鏡照片F(xiàn)ig.8 Images of Scanning Electron Microscope of medium-coarse crystalline dolomite before and after dissolution

2.4 溶蝕速率變化特征

實(shí)驗(yàn)過程中，對反應(yīng)溶液進(jìn)行定時取樣，然后進(jìn)行Ca2+、Mg2+濃度分析，認(rèn)識反應(yīng)速率變化。

根據(jù)反應(yīng)溶液中Ca2+、Mg2+濃度的變化可知，總體上，隨著溶蝕反應(yīng)的進(jìn)行，溶蝕速率以逐漸下降為趨勢，但表現(xiàn)出明顯的分段性（圖9）。溶蝕反應(yīng)初期（0～3 h期間），2種巖石的溶蝕速率比較接近，下降趨勢一致；溶蝕反應(yīng)中期（3～8 h期間），中粗晶白云巖的溶蝕速率明顯高于細(xì)中晶白云巖；溶蝕反應(yīng)后期（8～13 h），2種巖石的溶蝕速率總體進(jìn)入平臺期，細(xì)中晶白云巖的溶蝕速率明顯高于中粗晶白云巖，且有逐步升高的變化過程。細(xì)中晶白云巖溶蝕速率逐漸升高的原因推測可能是，由于第1階段溶蝕后進(jìn)行孔滲測定期間，樣品內(nèi)部細(xì)小晶體脫落進(jìn)行了重置，對孔喉進(jìn)行堵塞而影響了滲透性，導(dǎo)致在第2階段溶蝕的過程中溶蝕速率提升。在溶蝕反應(yīng)末期Ca2+、Mg2+濃度顯著降低意味著優(yōu)勢通道再次形成。

圖9 溶蝕實(shí)驗(yàn)過程反應(yīng)溶液中鈣鎂離子濃度變化曲線圖Fig.9 Graphs showing the changes of Ca2++Mg2+in solution during the experiment

通過鈣鎂離子濃度比可以判斷不同階段的礦物溶蝕特征?？傮w上，2種白云巖的反應(yīng)溶液中鈣鎂離子濃度比值逐漸下降（圖10），但表現(xiàn)出不同的變化趨勢。細(xì)中晶白云巖在經(jīng)歷了3 h的溶蝕后，反應(yīng)溶液中鈣鎂離子濃度比值略有波動，但基本保持在1.1左右；而中粗晶白云巖則一直保持較高水平的鈣鎂離子濃度比，并逐漸下降，在溶蝕反應(yīng)后期下降幅度變緩，而且鈣鎂離子濃度比一直高于細(xì)中晶白云巖（圖10）。

圖10 溶蝕實(shí)驗(yàn)過程反應(yīng)溶液中鈣鎂離子濃度比變化曲線圖Fig.10 Graphs showing the changes of Ca2+/Mg2+in solution during the experiment

3 討論

由于實(shí)驗(yàn)條件限制，柱塞樣直徑僅為2.5 cm、長3.5 cm，遠(yuǎn)小于實(shí)際地質(zhì)環(huán)境中的反應(yīng)尺度，這導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中過早形成了溶縫，因此不能完全代表地質(zhì)環(huán)境中溶蝕反應(yīng)的過程。但是，反應(yīng)過程中孔隙類型、孔滲和溶蝕速率變化特征反映了白云巖的埋藏溶蝕改造存在3個方面的特點(diǎn)。

3.1 白云巖經(jīng)埋藏溶蝕趨于向孔洞型演變

不同尺度的溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)揭示，2種類型白云巖在埋藏溶蝕過程中都具有從孔隙型向孔隙-孔洞型演化的趨勢。

首先，晶體尺度上白云石的溶蝕以孔隙周緣最強(qiáng)，主要表現(xiàn)為對先期孔隙的擴(kuò)溶。通過對溶蝕后柱塞樣的切片分析可知，在貫通縫周圍，原孔隙發(fā)育部位存在較顯著的擴(kuò)溶。不同白云巖類型孔隙擴(kuò)溶特征表現(xiàn)出一定的差異：中粗晶白云巖孔隙經(jīng)擴(kuò)溶后呈斑狀富集，向孔洞發(fā)育的趨勢更為明顯；而細(xì)中晶白云巖更多表現(xiàn)為對孔隙的均勻擴(kuò)溶，演化為孔隙-孔洞型。

其次，在白云巖中形成了通暢的貫通縫后，溶蝕效率和滲透率增加幅度明顯降低。由此可見，放大到地質(zhì)體中，在形成一定尺度的溶縫后，溶縫發(fā)育部位的溶蝕強(qiáng)度會顯著降低，溶蝕作用主要發(fā)育區(qū)即轉(zhuǎn)移到周圍的孔隙發(fā)育部位，形成一系列斷續(xù)連通的孔洞。這也是白云巖儲層中多見孔洞，而少見大型洞穴和溶縫的原因。

3.2 白云巖孔隙類型和發(fā)育程度控制埋藏溶蝕速率

溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)中，在同等濃度酸性流體作用的情況下，孔隙類型和孔隙發(fā)育程度對埋藏溶蝕速率具有明顯控制作用。反應(yīng)初期，巖石以孔隙型為特征，流體呈彌散型流動，反應(yīng)面積大，故而溶蝕速率高，孔隙度和滲透率都有顯著提升，且滲透率提升更為明顯。隨著溶蝕反應(yīng)持續(xù)，孔隙逐漸被溶蝕擴(kuò)大進(jìn)而連通，導(dǎo)致溶縫發(fā)育而形成優(yōu)勢滲流通道，反應(yīng)面積變小，溶蝕速率降低，對孔隙度和滲透率的改造相對變?nèi)?。?階段溶蝕中，細(xì)中晶白云巖溶蝕速率的提升，可能是由于第1次溶蝕后，測試孔滲的過程中細(xì)小顆粒脫落發(fā)生重置，堵塞部分孔喉，使得酸性流體向周圍孔隙擴(kuò)散，溶蝕面積再次變大，從而導(dǎo)致溶蝕速率升高。隨后在溶蝕實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?，溶縫再一次形成，而且連通性更好，導(dǎo)致溶蝕速率顯著降低。因此，對于深層白云巖來說，孔隙連通性太差和太好都不利于大規(guī)模的埋藏溶蝕改造。

3.3 埋藏溶蝕最初以優(yōu)先溶蝕高鈣白云石或方解石為特點(diǎn)

中粗晶白云巖中方解石或高鈣白云石含量更高，初期溶蝕速率也比細(xì)中晶白云巖高，隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液中鈣鎂離子濃度比逐漸下降。細(xì)中晶白云巖在進(jìn)入溶蝕第2階段后，礦物成分基本一致，以白云石為主，溶蝕速率可能主要受孔隙類型和反應(yīng)面積控制。

2種白云巖類型在埋藏環(huán)境有機(jī)酸的作用下，均具有較強(qiáng)的溶蝕潛力，且溶蝕作用自先期孔隙逐漸擴(kuò)大；在先期孔隙不發(fā)育的條件下，有機(jī)酸難以滲透進(jìn)入巖石內(nèi)部，溶蝕強(qiáng)度相應(yīng)減弱。因此，盡管2種白云巖類型在實(shí)驗(yàn)室條件下具有相似的溶蝕潛力，但是，細(xì)中晶白云巖總體具有更好的先期孔隙發(fā)育條件[26-27]，在地下埋藏環(huán)境有充足酸性流體作用的條件下，更易于接受強(qiáng)烈的埋藏溶蝕改造，更具有成為優(yōu)質(zhì)儲層的潛力，而且表現(xiàn)為對先期孔隙的溶蝕擴(kuò)大，形成孔隙-孔洞型儲層。因其為準(zhǔn)同生白云石化灘經(jīng)埋藏白云石化改造而成[26-27]，具有更好的相控性，具有大規(guī)模發(fā)育的潛力，應(yīng)是深層油氣勘探的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

通過高溫高壓溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)合孔隙表象變化和溶液成分變化監(jiān)測，探索了不同類型白云巖的埋藏溶蝕規(guī)律：①白云巖在埋藏溶蝕改造條件下具有自孔隙型向孔洞型儲層轉(zhuǎn)變的趨勢；②白云巖孔隙類型和孔隙發(fā)育程度控制埋藏溶蝕速率，孔隙連通性太差和太好均會導(dǎo)致溶蝕速率的降低；③高鈣白云石更易于接受埋藏溶蝕改造。綜合以上因素認(rèn)為，準(zhǔn)同生白云石化灘經(jīng)埋藏白云石化改造形成的細(xì)中晶白云巖具有較好的初始孔隙度和適當(dāng)?shù)目紫哆B通性，易于被埋藏溶蝕優(yōu)先改造，因其具有較好的相控性，有利于規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育，是深層油氣勘探的重要方向。