長(zhǎng)石表生淋濾溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)

馮佳睿，高志勇，崔京鋼，樊小容

（1.中國(guó)石油 a.勘探開(kāi)發(fā)研究院 石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究中心；b.油氣儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國(guó)石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

次生孔隙是砂巖孔隙中最為重要的類型，次生孔隙的形成與易溶骨架顆粒在埋藏成巖過(guò)程中的溶蝕作用關(guān)系密切。長(zhǎng)石作為碎屑顆粒中的重要成分，其溶蝕現(xiàn)象在砂巖中極為常見(jiàn)，其溶蝕機(jī)理和控制因素等受到研究者的廣泛關(guān)注。在勘探生產(chǎn)和模擬實(shí)驗(yàn)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)石次生溶蝕開(kāi)展了大量的研究工作，特別是對(duì)長(zhǎng)石的溶解成孔及其伴隨的物質(zhì)遷移和新礦物的沉淀等過(guò)程提出許多認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)[1-4]。文獻(xiàn)［5］提出了砂巖儲(chǔ)集層埋藏成巖過(guò)程次生孔隙形成的經(jīng)典理論模式，并闡述了孔隙成因類型、識(shí)別標(biāo)志和分布規(guī)律等。文獻(xiàn)［6］—文獻(xiàn)［10］針對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕作用機(jī)理，開(kāi)展了深入探討，其中最具代表性的觀點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)熱演化生酸溶蝕成孔理論。文獻(xiàn)［11］從有機(jī)-無(wú)機(jī)相互作用的角度，研究了儲(chǔ)集層成巖作用和次生孔隙的形成與演化。文獻(xiàn)［12］通過(guò)列舉測(cè)井曲線、地震數(shù)據(jù)、地層水含量、鉀的貧化和巖心孔隙度、滲透率等諸多證據(jù)，證明馬格納斯白堊系砂巖次生孔隙的形成與大氣淡水淋濾密切相關(guān)。文獻(xiàn)［13］對(duì)美國(guó)San Joaquin盆地的Stevens濁積巖研究后發(fā)現(xiàn)，盡管在長(zhǎng)石溶解的同時(shí)也存在有機(jī)酸，但鋁含量或與有機(jī)酸陰離子的濃度和長(zhǎng)石的溶解體積都無(wú)關(guān)，推測(cè)近地表暴露和大氣淡水淋濾也會(huì)對(duì)砂巖形成次生溶蝕作用。隨著研究的逐漸深入，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在遠(yuǎn)離產(chǎn)生有機(jī)酸的烴源巖的較淺地層，長(zhǎng)石也可能發(fā)生次生溶蝕，并在模擬實(shí)驗(yàn)中尋找更多的證據(jù)。針對(duì)不同淡水體系、不同類型長(zhǎng)石的溶蝕過(guò)程、長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程中的熱力學(xué)因素、溶蝕過(guò)程中物質(zhì)遷移和新礦物沉淀等方面，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了一系列CO2流體-砂巖和長(zhǎng)石單顆粒相互作用的模擬實(shí)驗(yàn)研究[14-26]，但這些實(shí)驗(yàn)只是在某單一條件下CO2流體-砂巖相互作用的過(guò)程，這對(duì)于深入了解長(zhǎng)石的溶蝕機(jī)理是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文以中粒長(zhǎng)石砂巖為對(duì)象，對(duì)表生淋濾溶蝕機(jī)制下長(zhǎng)石的溶蝕過(guò)程開(kāi)展模擬，為酸性流體條件下的長(zhǎng)石溶蝕微觀特征、易溶組分、溶蝕產(chǎn)物等多方面的綜合研究提供有利的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

模擬實(shí)驗(yàn)是在充分了解長(zhǎng)石表生淋濾溶蝕機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際地質(zhì)條件的溫度、壓力和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生的水巖反應(yīng)等進(jìn)行充分考慮，結(jié)合地史過(guò)程與儀器設(shè)備參數(shù)等設(shè)計(jì)具體的實(shí)驗(yàn)方案，試圖在最大程度上進(jìn)行長(zhǎng)石顆粒溶蝕過(guò)程的歷史重現(xiàn)，進(jìn)而研究在溶蝕過(guò)程中長(zhǎng)石的微觀形貌特征、成巖流體離子成分變化、溶蝕產(chǎn)物等，為探討長(zhǎng)石表生淋濾溶蝕機(jī)制下長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程和影響因素評(píng)價(jià)等提供有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

模擬系統(tǒng)主要由反應(yīng)釜體、壓力泵、中央控制系統(tǒng)和流體供輸系統(tǒng)4個(gè)部分組成（圖1）。成巖模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，壓力和溫度是最關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)條件，代表地史過(guò)程中儲(chǔ)集層所處的埋深及其地層溫度，分別由壓力泵和中央控制系統(tǒng)控制。

圖1 成巖模擬系統(tǒng)示意圖

反應(yīng)釜體是整個(gè)模擬系統(tǒng)中的核心組件，耐高溫、耐酸堿、密封性強(qiáng)，能夠完成最高溫度500℃，最高靜巖壓力275 MPa，流體最高壓力120 MPa的實(shí)驗(yàn)，最大限度地模擬成巖過(guò)程。反應(yīng)釜體共有6個(gè)，分別標(biāo)記為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)反應(yīng)釜體。壓力泵是向反應(yīng)釜體供給壓力的主要設(shè)備，可以同時(shí)對(duì)6個(gè)反應(yīng)釜體供以不同的壓力，形成一個(gè)壓力系列，以便更接近于巖石埋藏過(guò)程的壓力條件。中央控制系統(tǒng)主要用來(lái)調(diào)控實(shí)驗(yàn)中各個(gè)反應(yīng)釜體的壓力、溫度及模擬時(shí)間，系統(tǒng)所使用的計(jì)算機(jī)軟件可以時(shí)刻記錄各個(gè)反應(yīng)釜體內(nèi)樣品所承受的溫度、壓力等。流體供輸系統(tǒng)控制流體的供給和運(yùn)移。

1.2 樣品制備與實(shí)驗(yàn)流程

本次研究利用自主研發(fā)的成巖模擬系統(tǒng)，以中粒長(zhǎng)石砂巖為研究對(duì)象，模擬CO2溶于大氣水形成的酸性流體對(duì)長(zhǎng)石碎屑顆粒的表生淋濾過(guò)程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中酸性流體濃度約為0.03～0.04 mol/L.將富含長(zhǎng)石的砂巖樣品粉碎至0.25～0.50 mm，分為6等份分別放入6個(gè)燒杯中，邊加入適量去離子水，邊用玻璃棒攪拌均勻，待砂巖樣品充分靜置8 h后，將樣品分別裝入6個(gè)反應(yīng)釜體中。1號(hào)和4號(hào)反應(yīng)釜體模擬早成巖階段A期→表生淋濾→緩慢沉降→快速深埋過(guò)程，2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)反應(yīng)釜體模擬早成巖階段A期→表生淋濾過(guò)程。首先，6個(gè)反應(yīng)釜體均由25℃逐漸升高到325℃，然后，1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)反應(yīng)釜體從325℃降低到50℃，3號(hào)和6號(hào)反應(yīng)釜體由325℃降低到25℃，全部完成后，6個(gè)反應(yīng)釜體同時(shí)開(kāi)始供給飽和H2CO3溶液，流速均為0.3 mL/min.1號(hào)和4號(hào)反應(yīng)釜體在供液結(jié)束后，反應(yīng)釜體內(nèi)溫度由50℃逐漸升高至425℃；2號(hào)和5號(hào)反應(yīng)釜體在供液結(jié)束后，溫度保持50℃直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束；3號(hào)和6號(hào)反應(yīng)釜體停止供液后，溫度保持25℃直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束（表1）。供液過(guò)程中分別對(duì)6個(gè)反應(yīng)釜體持續(xù)取液并收集，供液結(jié)束后封閉反應(yīng)釜體直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

庫(kù)車前陸盆地白堊系儲(chǔ)集層沉積距今130×106a左右，地層沉降可劃分為2個(gè)階段：①早期長(zhǎng)期淺埋階段，即130×106—23×106a地層緩慢沉降階段；②后期快速深埋階段，即23×106a至今快速沉降階段。2個(gè)沉降階段的時(shí)間比約為5∶1.根據(jù)庫(kù)車前陸盆地白堊系儲(chǔ)集層的沉降史和沉降比，確定實(shí)驗(yàn)天數(shù)為26 d.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

模擬實(shí)驗(yàn)完成后，6個(gè)反應(yīng)釜體內(nèi)的樣品基本上形成了高度約為10 cm的短柱體，除4號(hào)反應(yīng)釜體內(nèi)的樣品出現(xiàn)部分碎裂外，其他樣品較為完整。筆者對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)后獲得的表生淋濾階段的成巖樣品進(jìn)行了鑄體薄片觀察、掃描電鏡圖像分析及成巖流體離子成分測(cè)試等，對(duì)實(shí)驗(yàn)后成巖樣品的長(zhǎng)石顆粒溶蝕特征、流體離子變化趨勢(shì)及自生礦物等分別開(kāi)展研究。

2.1 成巖樣品鏡下微觀特征

通過(guò)X射線衍射全巖成分分析和黏土礦物成分分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)前富含長(zhǎng)石的砂巖樣品中石英含量為33.3%，鉀長(zhǎng)石為35.6%，鈉長(zhǎng)石為28.4%，方解石為1.4%，黏土礦物為1.3%，黏土礦物均為伊利石，未檢出高嶺石。實(shí)驗(yàn)前樣品中碎屑顆粒形態(tài)完整，長(zhǎng)石和石英等顆粒棱角分明（圖2）。實(shí)驗(yàn)完成后，鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石（鈉長(zhǎng)石）顆粒發(fā)生了不同程度的溶蝕。對(duì)2號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)反應(yīng)釜體內(nèi)樣品進(jìn)行鑄體薄片觀察發(fā)現(xiàn)，鉀長(zhǎng)石邊緣通常呈港灣狀溶蝕，長(zhǎng)石顆粒內(nèi)部產(chǎn)生溶蝕縫，溶蝕程度相對(duì)較弱，斜長(zhǎng)石則多沿雙晶方向發(fā)生溶蝕，局部溶蝕強(qiáng)烈，顆粒表面見(jiàn)港灣狀深溝（圖3）。X射線衍射全巖成分分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)后樣品的黏土礦物含量有所增加，為1.8%～5.0%（表2）。與實(shí)驗(yàn)前樣品相比，伊利石相對(duì)含量降低，為63.0%～74.0%，平均為70.8%，高嶺石相對(duì)含量為26.0%～37.0%，平均為29.3%，證明長(zhǎng)石的表生淋濾過(guò)程中可能形成高嶺石（表2）。

表1 成巖模擬實(shí)驗(yàn)溫度和壓力參數(shù)

圖2 表生淋濾溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)前長(zhǎng)石形態(tài)

2.2 成巖流體離子濃度變化

圖3 表生淋濾溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)后長(zhǎng)石的溶蝕特征

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中流體供給是半開(kāi)放式的，離子濃度反映長(zhǎng)石的溶蝕速率。長(zhǎng)石是含鋁的硅酸鹽礦物，因此成巖流體中K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Al3+，Si4+等離子濃度的變化可有效反映長(zhǎng)石的溶解趨勢(shì)，其中K+代表鉀長(zhǎng)石的溶蝕情況，Na+和Ca2+指示斜長(zhǎng)石的溶蝕變化（圖4），離子濃度高則代表相應(yīng)長(zhǎng)石的溶蝕速度快。鉀長(zhǎng)石（KAlSi3O8）和鈉長(zhǎng)石（NaAlSi3O8）在CO2酸性流體作用下發(fā)生溶蝕，反應(yīng)過(guò)程可以表示為

表2 表生淋濾溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)后樣品X射線衍射全巖成分分析和黏土礦物成分分析

圖4 成巖流體中主要離子濃度變化

從圖4可以看出，Ca2+和Na+最大濃度分別為124.00 mg/L和26.50 mg/L，K+最大濃度為8.69 mg/L.在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，與K+相比，Ca2+和Na+濃度變化更大，這一點(diǎn)在離子變化曲線的斜率上也有明顯的指示。因此，在同樣的CO2酸性流體條件下，斜長(zhǎng)石溶蝕能力可能更強(qiáng)。Mg2+濃度的變化可能指示后期碳酸鹽礦物、黏土礦物的溶解。Al3+濃度較低，且后期呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢(shì)，在pH值小于5時(shí)，Al主要以Al3+形式存在，pH值為5～7時(shí)，Al主要以絡(luò)合物的形式存在，且pH值大于6時(shí)，Al3+幾乎消失[27]。Fe3+濃度很低，可能是雜質(zhì)成分，本文不予討論。成巖流體離子濃度的變化趨勢(shì)表明，風(fēng)化淋濾過(guò)程中，K+，Ca2+，Na+等離子較先析出，Si4+，Al3+等離子則較晚析出。

鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石由于表生淋濾溶蝕，生成高嶺石和伊利石的過(guò)程可以表示為

研究表明，通常開(kāi)放體系下，長(zhǎng)石溶解生成的水溶物遷移速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長(zhǎng)石溶解速率，溶解產(chǎn)生的K+被迅速帶走，伊利石沉淀所需的K+濃度很難達(dá)到，因此長(zhǎng)石溶解生成的自生黏土礦物多為高嶺石。同時(shí)，長(zhǎng)石受酸性流體溶蝕生成SiO2，因此在實(shí)驗(yàn)后成巖樣品中偶見(jiàn)微量石英膠結(jié)物（圖5）。

圖5 表生淋濾作用下長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)物分配模式（據(jù)文獻(xiàn)［28］，有修改）

2.3 長(zhǎng)石溶蝕效果的影響因素

溶解流體的來(lái)源、體系的開(kāi)放與封閉性、易溶組分和含量、遷出物質(zhì)的遷移方式和自生高嶺石分布等，是判斷長(zhǎng)石碎屑顆粒溶蝕機(jī)制的主要依據(jù)。開(kāi)放體系中長(zhǎng)石的表生淋濾溶蝕，多是在近地表遠(yuǎn)離烴源巖的區(qū)域，低礦化度大氣淡水淋濾作用下的溶蝕，由于鈣長(zhǎng)石的吉布斯自由能最低，最易溶蝕。長(zhǎng)石等骨架顆粒的溶蝕作用，是否能夠有效改善儲(chǔ)集層物性仍存在爭(zhēng)議，爭(zhēng)議的焦點(diǎn)在于溶蝕產(chǎn)物能否被有效帶出儲(chǔ)集層。因此，酸性流體的流速是影響長(zhǎng)石溶蝕作用的重要參數(shù)。文獻(xiàn)［28］研究發(fā)現(xiàn)，在低流速，如25℃條件下流速小于0.03 m/a時(shí)，流體不能及時(shí)將長(zhǎng)石顆粒附近的溶蝕產(chǎn)物有效帶出，從而造成高嶺石和石英等近原地沉淀，長(zhǎng)石溶蝕作用僅能增加微量的孔隙；在高流速，如100℃條件下流速大于3 000.00 m/a時(shí)，長(zhǎng)石顆粒溶解釋放的物質(zhì)能被及時(shí)從砂巖中帶出，高嶺石和石英等無(wú)法在砂巖中沉淀下來(lái)，長(zhǎng)石溶解作用能夠增大絕對(duì)孔隙度。另外，溫度的升高、長(zhǎng)石顆粒表面積的增大，都會(huì)對(duì)長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生積極的影響，相同酸性流體條件下，溶蝕時(shí)間越長(zhǎng)，溶蝕作用通常會(huì)越強(qiáng)。

3 結(jié)論

（1）對(duì)長(zhǎng)石表生淋濾溶蝕機(jī)制下的成巖模擬研究，揭示了這種溶蝕機(jī)制與埋藏溶蝕機(jī)制下的易溶長(zhǎng)石類型、長(zhǎng)石顆粒的溶蝕特征等方面均存在差異，成巖流體離子變化趨勢(shì)也表現(xiàn)出一定的規(guī)律。

（2）通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)后樣品的X射線衍射全巖成分分析和黏土礦物成分分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)石溶蝕產(chǎn)生的自生黏土礦物可能多為高嶺石，但是此次模擬實(shí)驗(yàn)并未觀察到晶形較好的高嶺石，可能是由于高嶺石含量較低，或者是實(shí)驗(yàn)條件所限。

（3）本次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)酸性流體條件下的長(zhǎng)石溶蝕過(guò)程和特征的認(rèn)知提供了有效的依據(jù)，對(duì)判斷長(zhǎng)石的溶蝕機(jī)制具有重要的理論和實(shí)際意義。下步工作將側(cè)重對(duì)長(zhǎng)石的溶蝕產(chǎn)物類型和形成條件等開(kāi)展研究。