堿性長石溶蝕微孔發(fā)育特征及其對致密砂巖儲層物性的改造作用
——以鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)三疊系延長組6段3亞段為例

孫光遠，王哲麟，劉培剛，張志強

［1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江舟山 316021；2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；3.北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100871；4.中國石油大學(xué)（華東）計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580］

致密儲層孔隙結(jié)構(gòu)的精細表征是近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，也是評價儲層有效性的重要內(nèi)容之一［1-2］。致密砂巖儲層納米級孔喉網(wǎng)絡(luò)廣泛發(fā)育，主體孔徑分布在40～700 nm［3］。長石作為砂巖儲層中分布最廣泛的易溶骨架顆粒，次生溶孔廣泛發(fā)育，在北海盆地Brent組，McArthur盆地Barney Creek組，渤海灣盆地沙河街組，鄂爾多斯盆地延長組及準(zhǔn)噶爾盆地百口泉組儲層中，均發(fā)現(xiàn)長石溶蝕產(chǎn)生的次生孔隙［4-8］。

前人研究結(jié)果表明，碎屑巖儲集層中的堿性長石差異溶蝕現(xiàn)象十分普遍，在不同地質(zhì)條件下各類長石受元素組成與晶體結(jié)構(gòu)特征的影響溶蝕孔隙特征具有差異性，導(dǎo)致不同地區(qū)儲層次生孔隙發(fā)育特征主要受礦物組構(gòu)特征制約［9-16］，通常對于儲層物性具有建設(shè)意義。目前針對長石溶蝕的次生孔隙研究要從直觀描述和定量計算角度分析，包括溶蝕孔隙發(fā)育特征、形成與演化、成巖作用及流體等成因機制等，前人研究主要從長石溶孔與孔喉半徑關(guān)系、長石溶蝕孔增長模型及自生礦物含量與物性關(guān)系等定量計算角度分析［5，17-20］。此外，也有學(xué)者傾向于利用溶解反應(yīng)式對次生孔隙體積和孔隙度進行定量計算［21］，并對不同長石的溶蝕強度進行比較［12-13］，然而現(xiàn)有研究仍然缺乏針對不同組分的長石溶蝕孔隙形態(tài)特征、孔徑分布特點以及孔隙度貢獻程度的定量評價［21-25］。

基于現(xiàn)有的儲層表征技術(shù)［26-29］，論文主要從3個角度開展長石溶孔定量化表征：①根據(jù)樣品場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡（FE-SEM）圖像的實際觀測，分析長石發(fā)育類型與溶蝕孔隙特征，并計算各類型長石的實際溶蝕率；②根據(jù)長石溶蝕反應(yīng)前后的礦物類型和含量變化情況，測算各類型長石的理論溶蝕率；③采用溶蝕強度對長石溶蝕孔隙發(fā)育狀況進行表征。在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)性分析，對控制長石溶孔發(fā)育特征的相關(guān)因素進行了分析探討。這對于明確埋藏較深、原生孔隙保存較差的致密砂巖儲層其微-納米尺度的長石次生溶孔對儲滲條件的改善原理及作用機制具有一定意義。

1 樣品特征與研究方法

1.1 樣品來源

鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)位于盆地內(nèi)伊陜斜坡的西南部（圖1），發(fā)育有典型的深水重力流成因的致密砂巖儲層，主力產(chǎn)層延長組6段3亞段（長63亞段）形成于湖盆深水-半深水區(qū)，周緣坡折帶西陡東緩［30］。位于東部坡折帶的Y井區(qū)發(fā)育呈NE-SW向展布的席狀、透鏡狀砂體，沉積主體為砂質(zhì)碎屑流及部分濁流、泥質(zhì)碎屑流沉積，局部可見三角洲前緣水下分流河道砂質(zhì)碎屑流沉積［22，30-34］。樣品取自研究區(qū)內(nèi)的探井及評價井，取心樣品埋深介于1 980～2 210 m。

圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域位置［30］Fig.1 Location of the Ordos Basin［30］

基于區(qū)內(nèi)1 761個物性測量數(shù)據(jù)對儲層物性進行分析，結(jié)果表明：研究區(qū)長63亞段砂巖平均孔隙度為9.86%，小于10%的樣品約占62%；水平滲透率主要為（0.01～0.50）×10-3μm2，小于0.1×10-3μm2的樣品約占47%，在（0.1～1.0）×10-3μm2的樣品約占49%。該砂巖為一套低孔-特低孔、超低滲致密儲層。

1.2 研究方法

場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡是研究巖石微觀結(jié)構(gòu)、孔隙類型以及礦物形貌學(xué)特征的主要手段，聯(lián)合能譜分析（EDS）以及元素面掃分析可以確定礦物組分特征。本次研究使用FEI Quanta 650高分辨率場發(fā)射掃描電鏡，為使樣品盡可能保留在原始地層狀態(tài)，取心樣品在磨片前均未洗油，此外，為了提高成像質(zhì)量，實驗觀察前樣品經(jīng)過氬離子拋光并進行噴鉻處理。

首先利用掃描電鏡的背散射和二次電子成像技術(shù)對儲層中的長石礦物進行高分辨率成像，在對研究區(qū)長6段致密砂巖儲層的掃描電鏡圖像觀察的基礎(chǔ)上，利用能譜分析獲取各類長石的鉀、鈉元素的分布特征及組成特點，基于Image J軟件對圖像進行二值化處理及參數(shù)提取，分別對具有典型溶蝕特征的波狀條紋長石和斑塊狀長石進行圖像分析和理論計算，采用溶蝕強度參數(shù)評價儲層溶孔對儲集空間的貢獻程度，并以此為依據(jù)探討鉀-鈉長石差異溶蝕的影響機制、分析長石溶孔對儲滲性能的改善作用進行探討。

1.3 樣品基本特征

根據(jù)顯微鏡下鑄體薄片的孔隙發(fā)育特征及面孔率等參數(shù)，對研究樣品進行分類評價，不同類型儲層孔喉發(fā)育特征差異明顯。一類儲層（圖2a—c）骨架顆粒粒徑大，原生粒間孔隙和粒間殘余孔隙發(fā)育，孔徑總體較大，平均面孔率7.3%，喉道類型包括孔隙縮小型和頸縮狀，有較好的儲滲空間；二類儲層（圖2d—f）粘土礦物包裹骨架礦物導(dǎo)致表面粗糙，并且充填粒間孔隙，因此，此類儲層主要發(fā)育粘土礦物晶間孔，孔隙半徑小，平均面孔率5%左右，喉道以頸縮狀和彎片狀為主；三類儲層（圖2g—i）顆粒粒徑小，主要以泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，粒間殘余孔隙孔徑小，發(fā)育粒內(nèi)溶蝕孔隙，并且呈現(xiàn)明顯的成層性分布，面孔率很低，一般低于4%，喉道以片狀和彎片狀為主。

圖2 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層孔隙結(jié)構(gòu)特征鑄體薄片照片（單偏光，藍色鑄體）Fig.2 Images of casting thin sections showing the pore structure of Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin（with plane polarized light and blue casting）

元素全面掃描分析是利用電子束在試樣表面平面掃描通過，使得所定義元素在顯示器上以不同顏色的點分別顯示出分布圖像，根據(jù)SEM-EDS元素-礦物判別方法［35］，對研究區(qū)內(nèi)樣品的常見骨架礦物和粘土礦物進行識別和顯示。結(jié)果表明（圖3），華慶地區(qū)樣品礦物組分主要包含有石英（30.86%）、鈉長石（23.12%）、鉀長石（10.03%）、方解石（11.34%）、白云石（8.16%）、菱鐵礦（0.12%），粘土礦物以綠泥石為主（4.79%），其次為蒙脫石（2.98%），再次為伊利石和高嶺石，含量分別為1.54%和1.28%。

圖3 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層SEM-EDS面掃元素-礦物判別結(jié)果Fig.3 SEM-EDSelement-mineral discrimination of Chang-63 tight sandstone，Huaqing area，Ordos Basin

2 堿性長石基本特征

2.1 元素組成

具有條紋特征的堿性長石是指在炙熱的熔融狀態(tài)下含有鈉和含有鉀的長石均勻的混溶在一起，冷卻時兩種長石結(jié)晶后顯示出了不同的條紋特征，在場發(fā)射電子顯微鏡下反饋的圖像信息為不同灰度值長石的差異性聚集分布，相對于鉀長石中富含的鉀離子（K+），鈉長石中的鈉離子（Na+）原子序數(shù)小，因此鈉長石在背散射或二次電子條件下的圖像呈現(xiàn)的灰度值較小，顏色較深，為深灰色（圖4）。

基于場發(fā)射掃描電鏡和能譜分析，對研究區(qū)堿性長石的元素組成以及鉀、鈉長石的互熔狀態(tài)進行研究，發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層中的長石具有典型的條紋長石特征，表現(xiàn)形式為鉀長石和鈉長石不同程度的混溶。依據(jù)鉀長石與鈉長石的互溶狀態(tài)及元素分布特征將研究區(qū)內(nèi)的堿性長石劃分為波狀條紋長石和斑塊狀條紋長石兩類，能譜分析結(jié)果顯示波狀條紋長石（圖4a）與斑塊狀條紋長石（圖4b）的元素組分特征基本一致（表1），均為鉀（K）、鈉（Na）、鈣（Ca）、鋁（Al）、硅（Si）、氧（O），由于樣品從礦場獲得后未經(jīng)洗油處理，元素組成中還可見到一些由瀝青殘留形成的碳元素（C）。

圖4 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層能譜分析結(jié)果Fig.4 EDS（energy-dispersive spectrometry）result of Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin

2.2 堿性長石混溶特征

2.2.1 波狀條紋長石

波狀條紋長石屬于鈉長石和鉀長石不完全類質(zhì)同象系列，發(fā)育主要是由于低溫條件下鉀長石與鈉長石發(fā)生固溶體分離，二者沿一定析出結(jié)晶，形成了明顯的紋層（圖5）。依據(jù)其內(nèi)鉀長石和鈉長石含量占比，波狀條紋長石可分為波狀正條紋長石和波狀反條紋長石，不同類型的礦物發(fā)育特征和含量占比對次生溶蝕孔隙的發(fā)育具有重要作用。

圖5 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層FE-SEM電鏡下波狀條紋長石發(fā)育特征照片F(xiàn)ig.5 FE-SEMimages showing the development characteristics of wavy perthite fromthe Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin

對具有典型特征的波狀條紋長石樣品進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在波狀條紋長石中，波狀正條紋長石占比較高，占比大于70%，而波狀反條紋長石不足30%。此外，波狀正條紋長石中鉀長石面積占比較大，介于51.26%～85.27%，平均68.09%，鈉長石面積占比較小，介于14.73%～48.74%，平均31.91%；波狀反條紋長石中，鈉長石面積占比較大，介于62.79%～79.59%，平均69.37%，鉀長石面積占比較小，介于0.41%～37.21%，平均30.63%（圖6）。

圖6 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層典型樣品波狀條紋長石中鉀長石、鈉長石占比（樣品“1—24”分別對應(yīng)圖5中的“a—x”）Fig.6 The proportions of orthoclase and albite in wavy perthite from typical samples in Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin（sample numbers “1-24” corresponding to “a-x” in Fig.5 respectively）

2.2.2 斑塊狀條紋長石

與波狀條紋長石類似，文中描述的斑塊狀條紋長石是在低溫條件下，當(dāng)完全解理和不完全解理同時發(fā)育時，鉀長石與鈉長石是不完全類質(zhì)同象體或有限互溶的固溶體，從而形成相互交代的斑塊狀結(jié)構(gòu)（圖7），為鈉長石與鉀長石的互溶系列。根據(jù)鉀長石和鈉長石含量占比，可分為斑塊狀正條紋長石和斑塊狀反條紋長石。

圖7 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層FE-SEM電鏡下斑塊條紋狀長石發(fā)育特征照片F(xiàn)ig.7 FE-SEM images showing the development characteristics of mottled perthite fromthe Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin

對具有典型特征的斑塊狀條紋長石進行圖像處理和統(tǒng)計（圖8）發(fā)現(xiàn)以鉀長石為主導(dǎo)的斑塊狀正條紋長石占比較高，達75%，而以鈉長石為主的斑塊狀反條紋長石僅占比25%。其中斑塊狀正條紋長石中鉀長石面積占比較大，介于51.72%～81.46%，平均65.12%，而鈉長石面積占比較小，介于18.54%～48.28%，平均34.88%；斑塊狀反條紋長石中鈉長石面積占比較大，介于54.76%～72.19%，平均64.40%，鉀長石面積占比介于27.81%～45.24%，平均35.60%。

圖8 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層典型樣品斑塊狀條紋長石中鉀長和石鈉長石占比（樣品編號“1—24”分別對應(yīng)圖7中的“a—x”）Fig.8 The proportions of orthoclase and albite in mottled perthite from typical samples in Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin（sample numbers “1—24” corresponding to “a—x” in Fig.7 respectively）

3 堿性長石溶蝕微孔發(fā)育特征

3.1 基于圖像處理分析溶蝕微孔發(fā)育特征

研究區(qū)長63亞段致密砂巖儲層中的堿性長石具有差異溶蝕的特征，鉀長石會發(fā)生大量溶蝕，產(chǎn)生溶蝕孔隙，而鈉長石溶蝕現(xiàn)象不常見，溶蝕孔隙發(fā)育較少。部分樣品僅發(fā)生初步溶解，形成的條帶狀溶蝕孔隙占比較少，另一部分長石則溶蝕強烈，形成較大孔隙，部分甚至只剩下長石殘骸。一部分溶蝕微孔被新生粘土礦物和碳酸鹽礦物充填，而另一部分未被充填，溶蝕后的溶液被遷移他處，典型樣品圖像分析處理結(jié)果顯示，由堿性長石溶蝕形成的孔隙面積占比為12.82%～40.15%，平均24.40%。

溶蝕孔隙的形態(tài)特征取決于鉀長石與鈉長石的互溶狀態(tài)及元素分布特征。波狀條紋長石中常見有條帶狀孔隙，溶蝕沿著一組解理優(yōu)先發(fā)育，形成平行于雙晶接合面方向的條帶狀孔隙，是長石溶蝕孔隙的主要類型，其寬度為0.05～6.00μm，平均2.00μm（圖9a—c）；在斑塊狀條紋長石則發(fā)育蜂窩狀孔隙，由于兩組解理發(fā)育，長石溶蝕呈不規(guī)則的半連通狀，孔隙半徑為0.2～10.00μm，平均可達4.00μm（圖9d—f）。

圖9 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層長石溶蝕微孔FE-SEM照片F(xiàn)ig.9 FE-SEMimages showing dissolved micro-nano pores in feldspar fromthe Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin

3.2 基于理論計算分析溶蝕微孔發(fā)育特征

隨著長石礦物的溶蝕，產(chǎn)生大量的溶蝕產(chǎn)物，主要包括伊利石、高嶺石。前人研究表明，根據(jù)鉀長石和鈉長石發(fā)生的溶蝕作用，前期的溶蝕先生成自生粘土礦物高嶺石，主要反應(yīng)方程式如下：

隨著溶蝕產(chǎn)生的K+和Na+濃度增加，高嶺石逐漸向伊利石轉(zhuǎn)化。鉀長石溶蝕沉淀出大量的伊利石，反應(yīng)方程式如下：

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，利用反應(yīng)關(guān)系式中溶蝕反應(yīng)前后的產(chǎn)物類型和單礦物摩爾體，可得到反應(yīng)前后的物質(zhì)體積差，將體積差與總反應(yīng)體積做比值計算從而得到理論溶蝕孔隙度。從表2中可以看出，不同類型的長石溶蝕理論孔隙度差異較大，鉀長石＞鈉長石＞鈣長石［28-29］，當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物不同時，同類長石溶蝕孔隙度也存在差異，通常伊利石大于高嶺石，計算結(jié)果與鏡下圖像觀測結(jié)果一致。

表2 致密儲層長石次生溶孔孔隙度理論計算結(jié)果［24-25］Table 2 Secondary dissolution porosity of feldspar in the tight sandstone reservoir based on theoretical calculation［24-25］

3.3 堿性長石溶孔發(fā)育程度定量化評價方法

論文采用溶蝕強度對長石溶蝕孔隙發(fā)育狀況進行表征：長石溶孔在總孔隙中占比越大，其對致密儲層物性的改善貢獻越大，溶蝕強度越大。基于前人研究，結(jié)合研究區(qū)長石溶蝕狀況，將溶蝕強度劃分為弱溶蝕（0～15%）、中溶蝕（15%～30%）、強溶蝕（30%～50%）及極強溶蝕（＞50%）。結(jié)果如表3所示，長石溶蝕孔貢獻率為2.06%～35.20%，平均為13.99%，鉀長石通常對溶蝕孔隙的貢獻程度更大。鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層的溶蝕強度以弱溶蝕為主，占64.3%，其次為中溶蝕，占28.6%，強溶蝕現(xiàn)象較少，僅占7.1%，并未出現(xiàn)極強溶蝕強度的現(xiàn)象。

表3 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層長石溶孔率與溶蝕強度判定Table 3 Dissolved porosity contribution and dissolution intensity of feldspar in Chang-63 tight sandstone reservoir,Huaqing area,Ordos Basin

4 討論

4.1 粘土礦物發(fā)育特點與長石溶孔發(fā)育程度

研究區(qū)樣品的自生伊利石含量較高，而高嶺石含量普遍較低（圖3），說明在鉀長石溶蝕過程中，存在高嶺石向伊利石的轉(zhuǎn)化，反應(yīng)方程如方程式（7）所示，并與方程式（5）有協(xié)同作用。

蒙脫石的伊利石化是耗K+過程，只要蒙脫石存在，鉀長石就會持續(xù)溶蝕，而且Na+的產(chǎn)生抑制了鈉長石的溶蝕作用，產(chǎn)生明顯的鈉長石次生加大現(xiàn)象，反應(yīng)過程如下：

而樣品中伊∕蒙混層含量較高，且主要分布在粒間孔隙的中間部位，說明在長石溶蝕過程中，發(fā)生了蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)化。但其中的自生伊利石比例不大，主要分布在溶蝕孔隙中間和顆粒周邊。

通過電鏡圖像觀察和EDS礦物元素面掃分析發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)長石所含的金屬元素主要為鈉離子和鉀離子。根據(jù)溶蝕反應(yīng)方程式，可對鉀長石、鈉長石反應(yīng)前、后的體積差進行計算，并得到溶蝕自生礦物與長石溶孔率之間的關(guān)系［公式（9），公式（10）］。

圖10顯示了14個樣品的溶孔率理論值計算結(jié)果，樣品的鉀長石溶蝕孔隙率為0.22%～1.63%，平均0.82%，鈉長石溶蝕孔隙率為0.10%～0.77%，平均0.39%，且不同樣品的結(jié)果變化較大。鉀長石溶孔對長石溶孔的貢獻率高達68%，鈉長石溶孔對長石溶孔的貢獻率32%，說明鉀長石溶孔是研究區(qū)溶孔的主體，這與基于圖像處理的溶蝕微孔結(jié)果基本一致。

圖10 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段致密砂巖儲層堿性長石中鉀長石和鈉長石溶孔率理論計算值Fig.10 Theoretically calculated dissolution porosity contribution of orthoclase and albite from Chang-63 tight sandstone reservoir，Huaqing area，Ordos Basin

4.2 堿性長石溶孔發(fā)育程度與儲層物性的制約關(guān)系

相關(guān)性分析結(jié)果表明，儲層總孔隙度與鉀-鈉長石溶蝕孔隙的貢獻率呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)關(guān)系（圖11a—c）。在樣品總孔隙度較大的情況下，堿性長石溶蝕微孔孔隙度貢獻率相對較小，說明此類儲層粒間孔隙較發(fā)育。相反地，當(dāng)儲層致密程度增大，粒間孔減少，此時堿性長石中的溶蝕微孔對儲層的改善作用增強（圖11d）。

圖11 鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段堿性長石性質(zhì)與儲層物性相關(guān)性Fig.11 Correlation analysis between alkalifeldspar properties and reservoir physical properties，Chang-63，Huaqing area，Ordos Basin

從堿性長石元素組成的角度來看，長石中K+富集區(qū)域面積占比增大時，溶蝕孔隙面積占比隨之減?。▓D11e），而Na+富集區(qū)域面積大小則與溶蝕孔隙面積大小無明顯相關(guān)性（圖11f）。此外，隨著溶蝕孔隙度增長，鉀長石和鈉長石的溶蝕孔隙貢獻率都呈現(xiàn)線性增長趨勢，但二者的斜率相差較大（圖11g），鉀長石溶蝕孔隙在總孔隙中占比越來越大，說明鉀長石溶孔率貢獻度逐漸增加，而鈉長石溶孔率貢獻度逐漸減小。

5 結(jié)論

1）鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段的長石類型以具有K+和Na+差異性富集特征的堿性長石為主，電子顯微鏡下表現(xiàn)為鉀長石與鈉長石的不同程度混溶。鉀長石和鈉長石的礦物含量平均值分別為7.6%和30.5%，二者的混溶現(xiàn)象形成波狀條紋長石和斑塊狀條紋長石。

2）堿性長石溶蝕微孔發(fā)育程度與K+富集區(qū)域面積大小呈負相關(guān)，說明隨著鉀長石含量的減小溶蝕程度逐漸增加。理論計算結(jié)果也表明鉀長石溶孔對長石溶孔的貢獻率高達68%，鈉長石溶孔對長石溶孔的貢獻率只有32%，說明鉀長石溶孔是研究區(qū)長63亞段致密砂巖儲層碎屑長石顆粒內(nèi)溶孔的主體。

3）鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長63亞段堿性長石溶蝕微孔主要由弱溶蝕作用形成，其形態(tài)特征取決于鉀長石與鈉長石的互溶狀態(tài)及元素分布特征。波狀條紋長石多形成條帶狀孔隙，而斑塊狀條紋長石多形成蜂窩狀孔隙，溶蝕微孔的孔隙度貢獻率為2.06%～35.20%，平均為13.99%。