陳永振，張 創(chuàng)，張 奉

(西北大學 地質(zhì)學系，大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

溶蝕型次生孔隙是我國碎屑巖儲集層，特別是中深部碎屑巖儲集層的主要儲集空間之一［1］。對儲集層溶蝕作用的研究，對次生孔隙的發(fā)育帶和有利勘探區(qū)的篩選具有重要意義。本文在對蘇北盆地花莊油田阜三段儲層溶蝕現(xiàn)象進行分析的基礎(chǔ)上，探討了本區(qū)溶蝕型次生孔隙的形成機理，進行了孔隙演化定量分析，并對溶蝕作用的影響因素進行了分析。

沙埝油田位于蘇北盆地東臺坳陷高郵凹陷北斜坡中部，主要含油層系為古近系阜寧組三亞段。該地層為一套灰色、褐灰色粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與泥巖互層沉積，屬三角洲前緣沉積［2］，主要沉積微相為水下分流河道、河口壩與席狀砂。砂巖類型主要為巖屑長石砂巖、長石砂巖和少量長石巖屑砂巖。

1 主要溶蝕現(xiàn)象

據(jù)200余份鑄體薄片資料統(tǒng)計，溶蝕型次生孔隙是本區(qū)的主要孔隙類型，占到總孔隙含量的34.1%～100%，平均68.7%。溶孔中，主要為長石溶孔和填隙物溶孔，平均含量分別為32.9%和34.6%，偶見巖屑溶孔。

1.1 長石溶蝕

本區(qū)的長石溶孔是粒內(nèi)溶孔的主要組成部分，長石溶蝕也是本區(qū)最為發(fā)育的溶蝕現(xiàn)象，幾乎所有的鑄體薄片中均可觀察到長石溶蝕現(xiàn)象。

本區(qū)的長石溶蝕現(xiàn)象按溶蝕程度和溶蝕殘余物主要分為三個階段:①在碎屑粒級較細，雜基充填程度較高，或者次生石英、高嶺石及碳酸鹽膠結(jié)物較為發(fā)育等位置，原始粒間孔隙封閉程度較高，成巖期酸性孔隙水流動受到一定限制，長石溶蝕程度較弱。主要表現(xiàn)為酸性孔隙水沿長石解理縫、雙晶結(jié)合面等部位溶蝕，產(chǎn)生的細條紋狀和小斑點狀溶孔(圖1-a)，或長石顆粒邊緣溶蝕產(chǎn)生的鋸齒狀溶孔。②隨碎屑顆粒粒級變粗，粒間填隙物含量變少，原始粒間孔隙保存程度較高的部位，酸性孔隙水具有較為暢通的滲流通道，長石溶蝕程度也進一步加深?？梢婇L石顆粒大部分溶蝕產(chǎn)生的蜂窩狀溶孔，溶蝕殘余的長石形成篩狀殘留物(圖1-b)。③在原始粒間孔隙最發(fā)育的位置，酸性孔隙水的滲流也最為充分，可見長石完全溶蝕形成的鑄?？?。這三種不同溶蝕強度形成的長石溶蝕，并不能截然分開，而是呈現(xiàn)出一種連續(xù)變化的面貌(圖1-c)。

1.2 碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕

本區(qū)的碳酸鹽膠結(jié)物分為兩個期次，早期同沉積期形成的方解石膠結(jié)物與晚期膠結(jié)交代形成的鐵白云石膠結(jié)物。方解石膠結(jié)物在本區(qū)阜三段儲層中較為常見，含量0～43.7%不等，平均值為6.12%左右，以亮晶狀為主，含量較高時可見方解石晶體圍繞碎屑顆粒生長，完全封閉了原始粒間孔隙。白云石含量較低，均為5%以下。

同沉積期的碳酸鹽膠結(jié)物可在一定程度上抑制壓實作用，使壓實的減孔作用大為降低［3］。同時，適量的早期的碳酸鹽膠結(jié)物還可以為晚期溶蝕提供物質(zhì)基礎(chǔ)，本區(qū)碳酸鹽膠結(jié)物溶孔即是粒間溶孔的主要組成部分。而過多的碳酸鹽膠結(jié)物則會完全封閉孔隙(圖1-d)。早期碳酸鹽膠結(jié)物沉淀時沿孔隙壁生長，如果晶體的生長未完全封閉原始粒間孔隙，那么后期酸性的孔隙水沿被早期碳酸鹽膠結(jié)物縮小了的粒間孔隙流動時，便對其進行溶蝕，視酸性水滲流情況不同，碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕程度也不同。本區(qū)阜三段儲層常見溶蝕殘余的碳酸鹽膠結(jié)物分布于孔隙角隅或孔隙壁(圖1-e)。有時可見無喉道連通的死孔隙中充滿碳酸鹽膠結(jié)物，而相鄰有效孔隙內(nèi)卻無碳酸鹽膠結(jié)物，可推斷此類孔隙中充填的早期碳酸鹽膠結(jié)物已完全被溶蝕。

1.3 巖屑及其它組分溶蝕

本區(qū)的巖屑溶孔較為少見，在粒內(nèi)溶孔中所占比例很小，僅在部分薄片中可見巖屑中易溶組分選擇性溶蝕形成的篩狀溶孔(圖1-f)。

其余局部部位可見石英顆粒被交代后沿顆粒邊緣的溶蝕現(xiàn)象及高嶺石粘土礦物的溶蝕，這些溶蝕發(fā)育部位局限，溶蝕強度低，在本區(qū)阜三段儲層溶蝕型次生孔隙中所占比例很低。

圖1 主要溶蝕現(xiàn)象

2 溶蝕機理

2.1 酸性孔隙水

在不同類型各種溶蝕反應(yīng)中，首要的前提就是必須有水參與，絕大多數(shù)情況下都需要有CO2參與［4］。從這兩個要素出發(fā)，主要的溶蝕作用類型有大氣水與地表水的淋濾作用，有機質(zhì)成熟演化中產(chǎn)生的有機酸的溶蝕作用，以及粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生酸性水的溶蝕作用等。本區(qū)阜三段儲層地層水Cl-含量 14 500.82 mg/L，總礦 24 174.16 mg/L，水型為 CaCl2型，表明了現(xiàn)今地層水的封閉性質(zhì)。鈉和氯離子的毫克當量數(shù)比值可用于反映地層水的成因和演變，本區(qū)Na+/Cl-為0.64～0.87，平均為 0.72，表現(xiàn)為典型的沉積水性質(zhì)，與大氣成因水與地表淋濾成因水無關(guān)。另外，廣泛大于的同沉積形成的方解石膠結(jié)物的沉淀，也表明了同沉積期孔隙水偏堿性。因此，大氣水與地表水的淋濾作用在本區(qū)發(fā)育應(yīng)該較弱，而主要的溶蝕作用為伴隨有機質(zhì)熱成熟產(chǎn)生的有機酸的溶蝕作用，及粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生酸性水的溶蝕作用。

本區(qū)烴源巖主要生排烴期為三垛運動到中新統(tǒng)鹽城組沉積末期，石英自生加大邊和微晶石英的有機包體均一溫度為80℃～100℃，有機質(zhì)演化至鏡質(zhì)體反射率 R00.6%～1.15%，有機酸(主要為甲酸、乙酸、丙酸和草酸)經(jīng)脫羧作用產(chǎn)生CO2，或有機酸離解出 H+，使水介質(zhì)變?yōu)樗嵝裕?-8］。有機酸的溶蝕作用在時間上與烴源巖有機質(zhì)熱演化過程和生、排烴的時間，以及由此產(chǎn)生的有機酸性流體的排出時間一致。有機酸性流體作為油氣運移的載體，在向儲層運移及在儲層內(nèi)部運移、聚集過程中，對儲層巖石的易溶組分產(chǎn)生強烈溶蝕作用并形成有效次生孔隙。

與粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的酸性水的溶蝕作用方面。X衍射資料可見，隨埋深增大，現(xiàn)今阜三段儲層伊/蒙間層中蒙脫石含量已下降到20%～30%，平均25.92%(表1)，已進入伊/蒙混層粘土礦物的迅速轉(zhuǎn)化帶。隨著地層埋深的加大、溫度升高，蒙脫石會發(fā)生脫水反應(yīng)，脫出的層間水及H+的酸性混合液，溶蝕作用增強，進一步促進了次生孔隙的發(fā)育。

表1 X衍射粘土礦物含量

2.2 礦物的溶蝕

在存在可滲流的酸性孔隙水的條件下，長石與孔隙水接觸，都將發(fā)生非全等溶解反應(yīng)，成巖變化中這種非全等溶解反應(yīng)就稱為溶蝕作用［4］。由于不同長石其元素組成存在差異，在溶蝕過程中的易溶程度及溶蝕形成的次生孔隙也有差異。

鉀長石在有水參與的條件下即可發(fā)生溶蝕［9］:

2K［AlSi3O8］(鉀長石)+3H2O→

2K++2OH-+4SiO2(石英)+Al2［Si2O5］［OH］4(高嶺石)

由于反應(yīng)前后礦物(鉀長石、石英、高嶺石)的體積存在差異，在不考慮反應(yīng)生成的礦物達到一定濃度形成絡(luò)合物被孔隙水帶走的情況下，單位摩爾鉀長石由水溶蝕所產(chǎn)生的溶孔體積可達反應(yīng)前鉀長石體積的5.96%［4］。

鉀長石在孔隙介質(zhì)呈酸性的條件下，其溶蝕反應(yīng)更易進行，溶蝕強度也更大［10］:

2K［AlSi3O8］(鉀長石)+2H2O+CO2→

Al2［Si2O5］［OH］4(高嶺石)+4SiO2(石英)+K2CO3

同時有:

斜長石中，鈉長石與鈣長石在存在酸性孔隙水的條件下，其反應(yīng)方程分別為:

2Na［AlSi3O8］(鈉長石)+2H2CO3+H2O→

2Na++2HCO3-+4SiO2(石英)+Al2［Si2O5］［OH］4(高嶺石)

中長石在孔隙水呈酸性，且含K+的條件下:

單位摩爾的鈉長石、鈣長石與中長石溶蝕后可產(chǎn)生的溶孔，分別為反應(yīng)前體積的 2.54% 、0.72% 和 9.62%［4］。

上述分析可見，長石類型不同，其溶蝕后產(chǎn)生的溶孔體積大小是不同的，從大到小依次為，中長石、鉀長石、鈉長石和鈣長石。同時，反應(yīng)生成的Al2［Si2O5］［OH］4在Al3+濃度達到100×10-6mol/L時，可被滲流的孔隙水帶走［11］。因此，所計算的溶孔體積僅為理論上的最小值。

同沉積期的方解石膠結(jié)物在酸性孔隙介質(zhì)條件下，也發(fā)生了強烈的溶蝕:

3 孔隙演化

為了能夠定量反應(yīng)本區(qū)溶蝕作用對儲層的影響，現(xiàn)對儲層孔隙演化史進行定量分析模擬。

3.1 初始孔隙度的確定

砂巖未固結(jié)前的初始孔隙度(Ф0)的恢復，采用Beard和Weyl的濕沙填集實驗所得到的孔隙度與粒徑和分選之間的關(guān)系進行計算［12-14］:

式中:S0為特拉斯科分選系數(shù)，其值等于粒度概率累計曲線上，碎屑顆粒累計重量百分比25%時的粒徑與75%時的粒徑之比的開方。

3.2 孔隙度演化計算

未固結(jié)砂巖隨埋深增大，其初始孔隙度經(jīng)由壓實作用和膠結(jié)作用減小，再為溶蝕作用所增大。儲層砂巖在壓實以后膠結(jié)以前剩余的孔隙度(Ф1)，在數(shù)值上等于鑄體薄片上的粒間孔面孔率、膠結(jié)物所占面孔率與膠結(jié)物溶孔所占面孔率之和。Ф0-Ф1即為壓實作用使儲層孔隙度所減小的值。儲層砂巖膠結(jié)以后剩余的孔隙度(Ф2)，在數(shù)值上等于鑄體薄片上的粒間孔面孔率，因此，膠結(jié)損失孔隙度為Ф1-Ф2。由溶蝕作用所增加的孔隙度即為鑄體薄片上的長石溶孔、巖屑溶孔與填隙物溶孔的面孔率之和［15-17］。

3.3 孔隙演化分析

利用上述孔隙演化計算方法對本區(qū)資料進行計算可知(表2)，花莊油田阜三段儲層初始孔隙度為38.20%;在壓實過程中，隨著碎屑顆粒排列緊密和塑性巖屑的變形，損失的孔隙度為13.85%;同沉積期的第一期自生石英及方解石膠結(jié)物的沉淀使儲層減小的孔隙度值分別為1.12%和8.74%;伴隨著有機質(zhì)熱成熟產(chǎn)生的有機酸的溶蝕作用，及粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生酸性水的溶蝕作用，儲層孔隙度增加12.76%(長石溶蝕增加6.11%，巖屑溶蝕增加0.18%，填隙物溶蝕增加6.47%);溶蝕產(chǎn)物隨孔隙水滲流時，隨著水介質(zhì)條件的變化，以粘土礦物、第二次自生石英及鐵白云石的形式沉淀下來，分別造成孔隙度減少 8.97%、0.48%和0.50%。

表2 孔隙演化數(shù)據(jù)表

表中可見，溶蝕作用所增加的孔隙度占儲層現(xiàn)今孔隙度的73.6%，也就是說，溶蝕作用的發(fā)育與否及其強度，決定了優(yōu)質(zhì)儲層的質(zhì)量。溶蝕面孔率與相應(yīng)樣品的He孔隙度與空氣滲透率均呈現(xiàn)出良好的正相關(guān)關(guān)系(圖2、圖3)，進一步說明，本區(qū)阜三段儲層的物性很大程度上是由溶蝕作用所產(chǎn)生的次生孔隙所決定的。

圖2 溶蝕面孔率與孔隙度關(guān)系

圖3 溶蝕面孔率與滲透率關(guān)系

4 溶蝕作用控制因素探討

4.1 粒度

隨儲層巖石碎屑顆粒粒級變粗(粒徑中值Ф減小)，溶蝕作用明顯增強(圖4)。較細粒級碎屑顆粒組成的儲層巖石沉積時水動力較弱，碎屑顆粒簸選不充分，顆粒間充填著較多的泥質(zhì)雜基，粒間孔隙發(fā)育較差。在成巖作用過程中，酸性孔隙水滲流不暢，溶蝕作用發(fā)育較差。而較粗粒級碎屑顆粒組成的儲層巖石情況則相反，其支撐形成的粒間孔較大，且孔隙內(nèi)雜基充填程度低，酸性水易于流動，因此溶蝕作用強度也較大。

圖4 粒徑中值與溶蝕面孔率關(guān)系

4.2 泥質(zhì)雜基含量

如上所述，在孔隙介質(zhì)條件變?yōu)樗嵝裕瑢⒁l(fā)生溶蝕時的粒間孔隙的發(fā)育程度決定了酸性孔隙水滲流是否通暢，也就決定了溶蝕作用的強度。因此，儲層碎屑顆粒沉積時，其粒間充填的泥質(zhì)雜基含量越高，粒間孔隙發(fā)育越差，溶蝕強度也越低。整體上看，溶蝕面孔率與泥質(zhì)雜基含量呈負相關(guān)關(guān)系，溶蝕作用的強度隨泥質(zhì)雜基含量升高而降低(圖5)。

圖5 泥質(zhì)雜基含量與溶蝕面孔率關(guān)系

4.3 剛性顆粒含量

物理性質(zhì)穩(wěn)定的剛性顆粒(石英和長石)的含量與溶蝕強度呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，隨著剛性顆粒含量在碎屑顆?？偭恐兴及俜直鹊奶岣?，溶蝕強度明顯增強(圖6)。這是因為，物理性質(zhì)穩(wěn)定的剛性顆粒在壓實過程中，一般僅發(fā)生重新排列，而不發(fā)生形狀變化，高剛性顆粒含量的儲層巖石，在壓實過程中損失的粒間孔隙相對較小。如果剛性顆粒含量較低，而塑性巖屑含量高，那么在壓實過程中，隨著塑性巖屑變形，甚至呈假雜基形態(tài)，粒間孔隙將大為減少，限制了后期酸性水的滲流，抑制了溶蝕。另外，物理性質(zhì)穩(wěn)定而化學性質(zhì)不穩(wěn)定的長石，一方面壓實作用損失的孔隙度較小，另一方面還為溶蝕提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖6 剛性顆粒含量與溶蝕面孔率關(guān)系

溶蝕作用的控制因素除了上述碎屑顆粒粒徑、泥質(zhì)雜基與剛性顆粒含量外，還受其他一些諸如儲層早期膠結(jié)作用、酸性孔隙介質(zhì)的滲流方向和滲流速度等因素的影響［18-20］，故溶蝕面孔率與上述三個參數(shù)雖然均呈一定的相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性卻較差。因此，在分析溶蝕作用控制因素，并進一步借此預(yù)測次生孔隙發(fā)育帶時，要綜合考慮沉積作用與成巖作用的各個方面，才能得到符合客觀實際的結(jié)論。

5 結(jié)語

1)花莊油田阜三段儲層的主要溶蝕現(xiàn)象有長石沿解理縫、雙晶結(jié)合面溶蝕產(chǎn)生的細條紋狀和小斑點狀溶孔，長石顆粒大部分溶蝕產(chǎn)生的蜂窩狀溶孔，和長石完全溶蝕形成的鑄?？?碳酸鹽溶蝕后的殘余物分布于孔隙角隅或孔隙壁;以及巖屑的篩狀溶蝕現(xiàn)象。

2)酸性孔隙水介質(zhì)主要來源于有機質(zhì)熱成熟產(chǎn)生的有機酸和粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生酸性水，不同類型長石溶蝕的難易程度及溶孔的大小不同。

3)孔隙演化定量分析表明，本區(qū)儲層溶蝕增加孔隙度為12.76%(長石溶蝕增加6.11%，巖屑溶蝕增加 0.18%，填隙物溶蝕增加6.47%)，儲層物性很大程度上是由溶蝕作用所產(chǎn)生的次生孔隙所決定的。

4)隨碎屑顆粒粒度變粗、泥質(zhì)雜基含量變低、剛性顆粒含量升高，溶蝕作用強度增強;溶蝕作用控制因素復雜，要綜合考慮沉積作用與成巖作用的各個方面，才能得到符合客觀實際的結(jié)論。

［1］劉林玉，陳剛，柳益群，等.碎屑巖儲集層溶蝕型次生孔隙發(fā)育的影響因素分析［J］.沉積學報.1998，16(2):97-101.

［2］張金亮.高郵凹陷阜三段沉積相分析［J］.青島海洋大學學報.2002，32(4):591-596.

［3］鐘大康，朱筱敏，李樹靜，等.早期碳酸鹽膠結(jié)作用對砂巖孔隙演化的影響-以塔里木盆地滿加爾凹陷志留系砂巖為例［J］.沉積學報.2007，25(6):885-890.

［4］李汶國，張曉鵬，鐘玉梅.長石砂巖次生溶孔的形成機理［J］.石油與天然氣地質(zhì).2005，26(2):220-224.

［5］張金亮，劉寶珺，毛鳳鳴，等.蘇北盆地高郵凹陷北斜坡阜寧組成巖作用及儲層特征［J］.沉積學報.2003，24(2):43-49.

［6］張金亮，常象春，劉寶珺，等.蘇北鹽城油氣藏流體歷史分析及成藏機理［J］.地質(zhì)學報.2002，76(2):254-260.

［7］施振飛，張振城，葉紹東，等.蘇北盆地高郵凹陷阜寧組儲層次生孔隙成因機制探討［J］.沉積學報.2005，23(3):429-436.

［8］姚合法，林承焰，侯建國，等.蘇北盆地粘土礦物轉(zhuǎn)化模式與古地溫［J］.沉積學報.2004，22(1):29-35.

［9］張以明，侯方浩，方少仙，等.冀中饒陽凹陷下第三系沙河街組第三段砂巖次生孔隙形成機制［J］.石油與天然氣地質(zhì).1994，15(3):208-215.

［10］汪正然，陳武.礦物學［M］.上海:上?？茖W技術(shù)出版社.1965.249-253.

［11］史基安，晉慧娟，薛蓮花.長石砂巖溶解作用發(fā)育機理及其影響因素分析.沉積學報.1994，12(3):67-75.

［12］王瑞飛，孫衛(wèi).儲層沉積 -成巖過程中物性演化的主控因素［J］.礦物學報.2009，29(3):399-404.

［13］Beard D C，Weyl P K.Ⅰnfluence of texture on porosity and permeability of unconsolidated sand［J］.AAPG Bulletin，1973，57(2):349-369.

［14］Scherer M.Parameters influencing porosity in sandstones:a model for sandstone porosity prediction［J］.AAPG Buletin，1987，71(4):485～491.

［15］王寶清，張荻楠，劉淑芹，等.龍虎泡地區(qū)高臺子油層成巖作用及其對儲集巖孔隙演化的影響［J］.沉積學報.2000，18(3):414-419.

［16］壽建峰，朱國華.砂巖儲層孔隙保存的定量預(yù)測研究［J］.地質(zhì)科學.1998，33(2):244-250.

［17］代金友，張一偉，熊琦華，等.成巖作用對儲集層物性貢獻比率研究［J］.石油勘探與開發(fā).2003，30(4):54-56.

［18］鐘大康，朱筱敏，王紅軍，等.中國深層優(yōu)質(zhì)碎屑巖儲層特征與形成機理分析［J］.中國科學(D 輯).2008，38(增刊Ⅰ):11-18.

［19］王琪，史基安，薛蓮花，等.碎屑儲集巖成巖演化過程中流體-巖石相互作用特征-以塔里木盆地西南坳陷地區(qū)為例［J］.沉積學報.1999，17(4):584-590.

［20］楊帆，孫玉善，譚秀成，等.迪那2氣田古近系低滲透儲集層形成機制分析［J］.石油勘探與開發(fā).2005，32(2):39-42.