佘 敏，蔣義敏，胡安平，呂玉珍，陳 薇，王永生，王 瑩

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

碳酸鹽巖是油氣勘探非常重要的領(lǐng)域。近年來，在我國深層、超深層取得的重大勘探成效，如四川盆地安岳氣田、元壩氣田、普光氣田和塔里木盆地哈拉哈塘油田、順北油田的發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)了對我國深層海相油氣勘探的信心。由于碳酸鹽礦物的高化學(xué)活動性，古老海相碳酸鹽巖往往經(jīng)歷了復(fù)雜的成巖改造，因此溶蝕作用形成的次生孔隙對儲集空間有重要的貢獻(xiàn)，我國海相碳酸鹽巖油氣勘探的實(shí)踐也證明了這一認(rèn)識［1-5］。碳酸鹽巖溶蝕作用是指流動的侵蝕性流體與碳酸鹽巖之間相互作用的過程及由此產(chǎn)生的結(jié)果，從地表到深埋藏地層中均可發(fā)生［6-11］。但是在成巖演化過程中，由于流體活動和構(gòu)造運(yùn)動的多旋回性，以及溶蝕作用地質(zhì)背景的多變性，各期次溶蝕作用發(fā)生相互疊加改造，使得不同期次的溶蝕作用難以區(qū)分，很難依靠地質(zhì)觀察和推理方式來確認(rèn)。碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)是研究碳酸鹽巖溶蝕有利條件和分布規(guī)律的重要方法，可以通過正演模擬逼近地質(zhì)背景的溫度和壓力條件，再現(xiàn)碳酸鹽巖和地層水之間相互作用的過程和結(jié)果，從而解決碳酸鹽巖規(guī)模溶蝕發(fā)生的有利條件、主控因素和孔隙溶蝕演化規(guī)律問題。自20世紀(jì)30年代以來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)開展了不同溫度、壓力、流體等條件下的碳酸鹽巖溶蝕實(shí)驗(yàn)研究。

早期的碳酸鹽巖溶蝕實(shí)驗(yàn)主要模擬地表環(huán)境［12-13］，實(shí)驗(yàn)溫度＜100℃，實(shí)驗(yàn)方法包括旋轉(zhuǎn)盤法［14］、自由漂移法［15］和靜態(tài) pH法［16］等。國外學(xué)者利用上述方法相繼建立了方解石和白云石的溶解動力學(xué)方程［17-19］。20世紀(jì)80年代，隨著大量深層碳酸鹽巖油氣儲層的發(fā)現(xiàn)，對于深埋環(huán)境下碳酸鹽巖溶蝕的控制因素和有利條件的研究成為模擬實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。模擬實(shí)驗(yàn)方法包括高溫高壓旋轉(zhuǎn)盤法［20-21］、金剛石壓腔裝置法［22］、流動液相反應(yīng)釜法［23-24］和靜態(tài)高壓釜法［25］等，這些方法采用流體與巖石顆?；驂K體之間的表面反應(yīng)方式，本文統(tǒng)稱之為碳酸鹽巖表面溶蝕實(shí)驗(yàn)。韓寶平［26］利用高壓釜靜態(tài)實(shí)驗(yàn)法模擬了任丘油田中—新元古界碳酸鹽巖的溶蝕機(jī)理，提出在埋藏條件下（巖石今埋深為3 200 m）白云巖溶蝕速率大于石灰?guī)r的認(rèn)識。Tay?lor等［27］采用高溫高壓旋轉(zhuǎn)盤法研究了酸反應(yīng)速率和白云巖儲集巖反應(yīng)系數(shù)，指出碳酸鹽巖反應(yīng)速率受控于礦物和微量成份（如黏土），觀察到高溫下白云巖溶蝕后發(fā)育晶內(nèi)溶孔。

近年來，隨著流體-巖石溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和CT巖心掃描技術(shù)的進(jìn)步，碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)有2個方面的發(fā)展：一是逐漸利用耐高溫高壓巖心夾持器作為反應(yīng)釜，采用巖石柱塞樣，進(jìn)行流體在碳酸鹽巖內(nèi)部孔隙中運(yùn)移與反應(yīng)的溶蝕模擬，本文稱之為碳酸鹽巖內(nèi)部溶蝕實(shí)驗(yàn)；二是增加實(shí)驗(yàn)裝置原位在線檢測的功能，主要包括液體滲透率值和高溫高壓流體原位分析等。Luquot等［28］較早進(jìn)行基于碳酸鹽巖內(nèi)部溶蝕的模擬實(shí)驗(yàn)，他們基于CT掃描的三維孔隙結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，對比了溶蝕前后鮞?；?guī)r內(nèi)部孔隙的變化，并初步建立石灰?guī)r溶蝕過程中孔隙度和滲透率演化的數(shù)值模型。在國內(nèi)，佘敏等［29-30］較早開展巖石內(nèi)部溶蝕實(shí)驗(yàn)，采用含孔和（或）縫的巖石柱塞樣（巖樣直徑為25 mm），進(jìn)行高溫高壓下碳酸鹽巖的溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，獲得了在（60℃、10 MPa）—（180℃、50MPa）溫壓條件下，當(dāng)以0.2%乙酸作為溶解介質(zhì)時，白云巖和石灰?guī)r溶蝕量隨著溫度與壓力的升高而逐漸減少的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

縱觀國內(nèi)外的研究，碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)主要有表面溶蝕和內(nèi)部溶蝕2種方式，模擬環(huán)境有連續(xù)流-開放和靜態(tài)-封閉2種。表面溶蝕實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是容易求水-巖作用面積，方便建立動力學(xué)方程和計(jì)算溶蝕速率，其弱點(diǎn)是樣品多采用巖石顆粒或塊體，水動力條件與自然環(huán)境相距較大。以往實(shí)驗(yàn)多集中于溫度和壓力等因素與碳酸鹽巖溶蝕量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)流體多采用去離子水加酸配制而成，忽略了地層水高鹽度和復(fù)雜離子效應(yīng)的屬性，也較少關(guān)注碳酸鹽巖溶蝕過程中巖石組構(gòu)的控制作用和溶蝕差異，以及溶蝕后巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和巖石物性的變化，而這些恰恰是碳酸鹽巖孔隙成因和分布規(guī)律研究更為關(guān)心的內(nèi)容。本文重點(diǎn)闡述中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）擁有的碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的設(shè)備構(gòu)成、技術(shù)內(nèi)涵及應(yīng)用案例，以期為科研工作者更好地應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)解決碳酸鹽巖儲層成因與分布的科學(xué)問題提供參考。

1 溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)裝置

重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的高溫高壓溶解動力學(xué)模擬裝置，具體由巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)、巖石表面溶蝕系統(tǒng)和高溫高壓原位可視化檢測系統(tǒng)組成。巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)反應(yīng)釜采用高溫高壓巖心夾持器，巖心夾持器兩端分別連接壓差傳感器和壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了水-巖反應(yīng)過程中巖石柱塞樣品液體滲透率值實(shí)時在線連續(xù)測定，量程為（0.1~10 000）×10-3μm2。巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)裝有2個柱塞管式反應(yīng)釜，通過管線和閥門的選擇，可開展一個溫度條件對應(yīng)單一成巖階段的模擬，也可以同時模擬2個不同溫度條件的連續(xù)成巖過程（例如構(gòu)造抬升）。

關(guān)于柱塞管式反應(yīng)釜的巖石表面溶蝕系統(tǒng)前人有較多介紹，本文只重點(diǎn)介紹基于高溫高壓巖心夾持器的巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)（包含滲透率實(shí)時在線測定功能）。巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)主要由高溫高壓巖心夾持器、雙柱塞泵、圍壓泵、回壓控制器、回壓泵和壓力容器組成，通過計(jì)算機(jī)、恒溫控制儀、壓力控制儀和壓差傳感器控制溫度、壓力等實(shí)驗(yàn)條件，如圖1所示。高溫高壓巖心夾持器是模擬流體與巖石相互作用的高溫高壓反應(yīng)釜，巖心夾持器外部金屬腔的材料為316 L合金，具備水浴加熱功能，從而實(shí)現(xiàn)模擬高溫環(huán)境。巖心夾持器內(nèi)部包裹巖心膠套為耐高溫高壓橡膠套，通過圍壓泵自動跟蹤巖心夾持器入口流體壓力，實(shí)現(xiàn)圍壓比入口壓力恒定大于2.5 MPa，確保流體在巖石樣品內(nèi)部孔隙中的運(yùn)移與反應(yīng)。雙柱塞泵采用高精度高壓柱塞泵，用于驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)溶液流動，實(shí)現(xiàn)高溫高壓下流體恒速流動。模擬實(shí)驗(yàn)溫度由連接巖心夾持器的恒溫控制儀設(shè)定與控制，模擬實(shí)驗(yàn)壓力通過回壓控制器和回壓泵控制。

高溫高壓可視化原位檢測系統(tǒng)反應(yīng)釜采用熔融毛細(xì)硅管，冷熱臺加溫，連接激光拉曼光譜儀，實(shí)現(xiàn)高溫高壓下水-巖反應(yīng)過程中流體原位分析。對于每個反應(yīng)釜來說，兩端通過閥門開關(guān)，即可選擇開放-連續(xù)流或封閉-靜態(tài)的模擬環(huán)境。

圖1 高溫高壓溶解動力學(xué)模擬裝置中巖石內(nèi)部溶蝕系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic diagram of dissolution system inside rock in high temperatureand high pressuredissolution dynamics simulation device

高溫高壓溶解動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置的具體技術(shù)指標(biāo)如下：巖心夾持器溫度范圍為常溫至250℃，壓力范圍為常壓至68 MPa；柱塞管式反應(yīng)釜溫度范圍為常溫至400℃，壓力范圍為常壓至100MPa；流體流速為0.1～10 mL/L；巖心柱塞樣的直徑約2.54 cm，長度不小于直徑的1.5倍；流體類型包括有機(jī)酸、堿性水、地層鹵水、飽和CO2溶液等。高溫高壓溶解動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置具體功能和地質(zhì)應(yīng)用詳見表1。

表1 高溫高壓溶解動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置功能與應(yīng)用Table 1 Function and application of high temperature and high pressuredissolution kineticssimulation device

1.2 溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)方法

碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)的技術(shù)思路是：在設(shè)定的溫度、壓力和流速下，將流體注入裝有碳酸鹽巖樣品的反應(yīng)釜中，與碳酸鹽巖樣品進(jìn)行水-巖反應(yīng)，測定生成溶液中的離子濃度、溶蝕后巖樣的連通孔隙體積、氣體孔隙度、氣體滲透率和質(zhì)量，計(jì)算溶蝕前后氣體孔隙度、氣體滲透率和質(zhì)量的變化，實(shí)現(xiàn)定量評價碳酸鹽巖在經(jīng)歷不同成巖環(huán)境下的溶蝕量與溶蝕效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)的主要方法步驟如下：

實(shí)驗(yàn)用巖石樣品的挑選 根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模暨x目的層段的不同巖性、物性和孔隙類型的樣品，主要依據(jù)薄片鑒定來確定樣品。

模擬實(shí)驗(yàn)前巖石樣品的表征 包括用孔-滲測定儀測定反應(yīng)前的氣體孔隙度和滲透率參數(shù)，再用CT和掃描電鏡確定反應(yīng)前樣品內(nèi)部的孔隙特征。

模擬樣品采集地的“三史”分析 分析埋藏史、溫壓場和流體場，關(guān)鍵是設(shè)定溫壓場和流體場。模擬實(shí)驗(yàn)的目的是解決特定地區(qū)和層位的碳酸鹽巖地層在整個埋藏過程中的流體-巖石相互作用和溶蝕效應(yīng)，模擬實(shí)驗(yàn)的溫度、壓力和流體的選擇要盡可能與該套地層所經(jīng)歷的埋藏史、溫壓場和流體場相符。

模擬方案的確定及模擬實(shí)驗(yàn)的實(shí)施 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案依次進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，確保反應(yīng)體系達(dá)到動態(tài)平衡，并采集反應(yīng)釜出口溶液用于Ca2+、Mg2+等離子濃度測定，需采集2份樣品，體積各約為6mL。

模擬實(shí)驗(yàn)后巖石樣品的表征 包括用孔-滲測定儀測定反應(yīng)后的氣體孔隙度和滲透率參數(shù)，再用CT和掃描電鏡確定反應(yīng)后樣品內(nèi)部的孔隙特征。

模擬數(shù)據(jù)的解釋 結(jié)合地質(zhì)背景解決碳酸鹽巖儲層孔隙成因、規(guī)模、發(fā)育樣式和分布規(guī)律問題。

針對碳酸鹽巖埋藏溶蝕控制因素和分布規(guī)律的共性問題，利用高溫高壓溶解動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置新技術(shù)和實(shí)驗(yàn)新方法，開展了2方面實(shí)驗(yàn)工作：一是通過模擬高溫、高壓和高鹽度流體，實(shí)現(xiàn)逼近地質(zhì)條件下碳酸鹽巖地層在持續(xù)深埋過程中溶蝕作用的定量模擬，分析有利于碳酸鹽巖埋藏溶蝕發(fā)生的成孔高峰期；二是通過巖石內(nèi)部溶蝕實(shí)驗(yàn)，模擬不同孔隙類型碳酸鹽巖的埋藏溶蝕，利用測試樣品溶蝕前后的孔隙度值、滲透率值和巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的演化，以及溶蝕過程中液體滲透率的實(shí)時演化，分析碳酸鹽巖埋藏溶蝕孔隙演化路徑和溶蝕效應(yīng)定量評價。

2 碳酸鹽巖埋藏溶蝕成孔高峰期實(shí)驗(yàn)

與地表的長期暴露和開放環(huán)境不同，在埋藏成巖階段，由于長期持續(xù)性的水-巖相互作用，成巖流體對碳酸鹽礦物呈過飽和狀態(tài)。但是，在碳酸鹽巖孔隙-裂縫系統(tǒng)中，有機(jī)酸和酸性巖漿等酸性流體在壓力、重力、熱力等作用的驅(qū)動下運(yùn)移，會對碳酸鹽礦物發(fā)生溶蝕作用從而形成埋藏溶孔。地下碳酸鹽巖廣泛分布，而酸性流體的量是有限的，因此產(chǎn)生最大溶蝕量的溫度成為埋藏溶蝕成孔高峰期研究的焦點(diǎn)。以往碳酸鹽巖埋藏溶蝕實(shí)驗(yàn)多以純水加酸配制而成，獲得了碳酸鹽巖溶蝕量隨溫度增高而降低的結(jié)果［31］。然而，實(shí)際地層中鹵水鹽度高，富含Na+、K+、Ca2+、Mg2+和 SO42-等離子，這些離子對碳酸鹽礦物溶解度的影響比較復(fù)雜，既有促進(jìn)也有抑制，在兩種相反離子效應(yīng)作用下，可能會存在碳酸鹽礦物相對有利溶蝕的溫度帶。本次碳酸鹽巖埋藏溶蝕成孔高峰期實(shí)驗(yàn)，開展了高鹽度酸性流體在不同溫度、壓力下的碳酸鹽巖溶蝕量定量模擬，以獲得埋藏環(huán)境下碳酸鹽巖有利溶蝕溫度帶，并針對四川盆地龍王廟組開展埋藏溶蝕實(shí)例分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品與條件

不同時期、不同地區(qū)的地層水屬性存在差異，而現(xiàn)今地層水為埋藏成巖改造的產(chǎn)物。考慮到地層水的高鹽度屬性，本次實(shí)驗(yàn)流體統(tǒng)一采用當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)海水代表研究區(qū)地層水。另外，考慮到如果直接按海水鹽度配制實(shí)驗(yàn)流體，過高鹽度的反應(yīng)生成液需要先稀釋、再測試，會導(dǎo)致Ca2+、Mg2+等離子的分析誤差大，因此本次模擬流體采用去離子水加鹽（硫酸鈉4.012g/L，氯化鈣1.143 g/L，氯化鎂5.133g/L）配制而成，酸性流體介質(zhì)采用油田水中最常見的有機(jī)酸類型（乙酸），濃度分別選定為2g/L、4g/L、5g/L、6g/L和8g/L。巖石樣品為四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組的灰質(zhì)白云巖(方解石含量為49.7%，白云石含量為49.2%)。為確保每個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為該溫度、壓力、流體和巖石條件下的飽和溶蝕量，即模擬埋藏環(huán)境下碳酸鹽巖與流體反應(yīng)至平衡，巖樣采用粒間孔隙均勻分布的人造圓柱體，具體是將巖石粉碎并篩選出粒徑為16～20目的顆粒，然后將顆粒充滿整個圓柱體反應(yīng)釜（樣品量統(tǒng)一為120 g），制成直徑3 cm、長度25 cm的人造圓柱體。為了明確埋藏環(huán)境下碳酸鹽巖是否存在有利溶蝕帶，只開展溫度因素控制碳酸鹽巖埋藏溶蝕的實(shí)驗(yàn)，避免壓力因素影響。本次模擬實(shí)驗(yàn)溫度選定50℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃和160℃，而壓力統(tǒng)一為10 MPa，模擬淺埋藏—中埋藏—深埋藏的溶蝕作用序列。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在50~160℃范圍內(nèi)，當(dāng)流體和壓力等條件相同時，隨溫度升高，碳酸鹽巖在含有機(jī)酸地層水中的飽和溶蝕量總體呈下降趨勢（圖2），這一點(diǎn)與前期開展的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果［22,29-31］（實(shí)驗(yàn)溶液由純水加酸配制而成）基本一致。不同的是：高鹽度地層水中碳酸鹽巖的溶蝕量與溫度的關(guān)系具有緩慢下降—緩慢上升—快速下降的特征，碳酸鹽巖溶蝕量在80~110℃范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯增加，而前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果是持續(xù)穩(wěn)定下降。地下碳酸鹽巖溶蝕遵從化學(xué)熱力學(xué)原理：作為一個放熱過程，隨著溫度的升高，其熱力學(xué)平衡常數(shù)降低，碳酸鹽巖溶解度相應(yīng)降低，碳酸鹽巖在含有機(jī)酸地層水中的飽和溶蝕量總體呈下降趨勢。另外，依據(jù)當(dāng)前地球化學(xué)理論，在碳酸鹽巖溶蝕作用中，溶液中的Na+產(chǎn)生離子強(qiáng)度效應(yīng)，SO2-4產(chǎn)生離子對效應(yīng)，這兩種效應(yīng)會降低對碳酸鹽礦物的離子活度積，從而提高碳酸鹽巖的溶解度；溶液中的Ca2+、Mg2+產(chǎn)生同離子效應(yīng)，會增加對碳酸鹽礦物的離子活度積，從而降低碳酸鹽礦物的溶解度。初步推斷，由于這兩種相反作用的疊加效應(yīng)，導(dǎo)致了碳酸鹽巖溶蝕量在隨溫度增加而總體下降的過程中出現(xiàn)緩慢上升再快速下降的特征，但是造成這種現(xiàn)象的最終原因還需要開展單個離子影響碳酸鹽巖溶蝕量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在埋藏成巖流體背景下，隨著埋藏深度增加，溫度的升高會導(dǎo)致碳酸鹽巖埋藏溶蝕量的降低，但在80~110℃范圍內(nèi)會形成一個保持溶蝕能力的溫度窗口，這或許是碳酸鹽巖埋藏溶蝕規(guī)模發(fā)生的有利溫度帶。

圖2 含不同有機(jī)酸濃度的地層水中碳酸鹽巖飽和溶蝕量與溫度的關(guān)系Fig.2 Relationship between saturated dissolution and temperature of carbonaterocksin formation water with different organic acid concentrations

2.3 應(yīng)用案例

近年來，在四川盆地下寒武統(tǒng)龍王廟組發(fā)現(xiàn)了迄今為止中國最大的單體整裝氣田，探明儲量達(dá)4 403×108m3。龍王廟組沉積為蒸發(fā)臺地相，顆粒灘為有利儲層發(fā)育的微相，其頂界為三級層序界面。在上覆中寒武統(tǒng)高臺組沉積的早期，龍王廟組古地貌較高部位的顆粒灘灰?guī)r經(jīng)受間歇暴露，在大氣淡水淋濾下，形成部分溶孔（粒間孔）。早成巖巖溶和表生巖溶對儲層形成的重要性已經(jīng)被普遍接受，并已獲得模擬實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。近期，通過大量巖石薄片分析，認(rèn)識到埋藏溶蝕對龍王廟組儲集物性的改善可能也有貢獻(xiàn)。鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：有的白云石被溶成港灣狀（圖3a—3c），有的整個白云石被溶蝕形成白云石鑄?？祝▓D3b，3c），溶蝕孔在局部層段對儲集空間的貢獻(xiàn)率達(dá)到50%以上，平均貢獻(xiàn)率可達(dá)到20%~30%。然而，上述認(rèn)識缺乏基于正演思維的模擬實(shí)驗(yàn)證據(jù)，這在一定程度上影響了對該套優(yōu)質(zhì)白云巖儲層成因機(jī)制的全面和準(zhǔn)確理解，進(jìn)而影響對該套儲層分布的有效預(yù)測。

在埋藏成巖流體背景下，一方面，地層溫度的增加會導(dǎo)致碳酸鹽巖溶蝕量的下降，但在80~110℃范圍內(nèi)具有一個保持碳酸鹽巖溶蝕量的溫度窗口；另一方面，地層溫度對地層水中的有機(jī)酸濃度有著重要的控制作用：80~120℃為有機(jī)酸的有利保存區(qū)，其最高濃度可達(dá)10 g/L，低于80℃時細(xì)菌的分解作用、高于120℃時有機(jī)酸脫羧作用均會使有機(jī)酸的濃度降低。為獲取更加符合地質(zhì)條件下的埋藏溶蝕窗口條件，需要建立碳酸鹽巖溶蝕量隨有機(jī)酸濃度和地層溫度變化的關(guān)系曲線。目前還缺少龍王廟組地層水中有機(jī)酸濃度與地層溫度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)?？紤]到有機(jī)酸的產(chǎn)生主要受控于溫度，因此可以借鑒全球地層水中有機(jī)酸濃度與地層溫度關(guān)系的統(tǒng)計(jì)結(jié)果［32］，來設(shè)定龍王廟組不同地層溫度所對應(yīng)的有機(jī)酸濃度。由于壓力對有機(jī)酸溶蝕碳酸鹽巖的影響幾乎可以忽略不計(jì)，故將壓力統(tǒng)一設(shè)定為10MPa。

圖3 四川盆地寒武系龍王廟組白云巖儲層埋藏溶蝕特征（普通薄片，單偏光）Fig.3 Burial dissolution characteristics of dolomite reservoir of the Cambrian Longwangmiao Formation in Sichuan Basin(common thin section,single polarized light)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖4）表明：在40~140℃范圍內(nèi)，設(shè)定的地層水有機(jī)酸濃度由1 g/L上升至8 g/L，再降到2 g/L，對應(yīng)的碳酸鹽巖溶蝕量由15.35×10-3mol/L上升至58.57×10-3mol/L，再降到13.07×10-3mol/L。龍王廟組碳酸鹽巖溶蝕量隨地層溫度的增加具有先增后降的特征，在60~120℃（相當(dāng)于地層埋深1 370~3 590 m）時形成一個溶蝕有利窗口。該曲線表明：在一定深度范圍內(nèi)，含有機(jī)酸的地層水對碳酸鹽巖的溶蝕能力保持在較高的水平。因?yàn)樵谠撋疃确秶鷥?nèi)，地層水具有高有機(jī)酸濃度，而且正好處于碳酸鹽巖溶蝕能力保持的溫度窗口。

圖4 不同地溫與有機(jī)酸濃度條件下的碳酸鹽巖溶蝕量Fig.4 Dissolution amount of carbonateunder different temperature and organic acid concentration

對于龍王廟組來說，在淺埋藏階段，由于地層水中有機(jī)酸濃度低，碳酸鹽巖并不能發(fā)生大規(guī)模溶蝕，只有埋藏至1370 m（相當(dāng)于60℃）左右時，才開始形成大量溶蝕孔隙。當(dāng)碳酸鹽巖處于1 370~3 590 m（相當(dāng)于60~120℃）埋深時，由于地層水具備高有機(jī)酸濃度的條件，以及處于碳酸鹽巖溶蝕能力有利保持的溫度窗口，因而就有可能通過大規(guī)模的埋藏溶蝕而形成優(yōu)質(zhì)儲層。隨著埋深的進(jìn)一步加大，溫度升高和有機(jī)酸濃度快速降低會導(dǎo)致碳酸鹽礦物溶解度快速下降，碳酸鹽巖埋藏溶蝕能力也快速下降。需要強(qiáng)調(diào)的是，對于不同地區(qū)和地層時代的碳酸鹽巖，地溫梯度和地層流體成分等因素的差異，會導(dǎo)致埋藏溶蝕成孔高峰期所對應(yīng)的地層埋藏深度有所不同，因此碳酸鹽巖埋藏溶孔分布規(guī)律因地而異。

3 碳酸鹽巖埋藏溶孔演化樣式實(shí)驗(yàn)

在碳酸鹽巖成巖過程中，原生沉積孔隙受到多期成巖作用疊加改造，次生溶蝕孔洞成為主要儲集空間類型。碳酸鹽巖孔隙演化和恢復(fù)一直是地質(zhì)勘探建模的核心內(nèi)容，但是原生孔隙類型復(fù)雜多樣，溶蝕疊加改造進(jìn)一步加劇了孔隙成因分析的難度，地質(zhì)家一直希望通過正演模擬實(shí)驗(yàn)來研究碳酸鹽巖溶孔的發(fā)育和分布規(guī)律。對于實(shí)際成巖作用中的溶蝕作用來說，酸性侵蝕流體在碳酸鹽巖內(nèi)部孔隙中運(yùn)移并發(fā)生反應(yīng)，而且?guī)r石內(nèi)部孔隙具有固體比面積大和孔隙比較狹窄的特點(diǎn)，這些都是傳統(tǒng)巖石表面反應(yīng)所不能模擬的。此外，以往的實(shí)驗(yàn)側(cè)重于討論碳酸鹽巖溶蝕量與溫度和壓力的關(guān)系，忽略了溶蝕導(dǎo)致巖石孔隙和物性發(fā)生的演化，即溶蝕增加的主要孔隙是基質(zhì)型還是裂縫型，是孔隙度改善顯著還是更有利于滲透率的提高，而這些恰恰是碳酸鹽巖儲層研究更為關(guān)心的，故有必要開展不同孔隙類型碳酸鹽巖在埋藏溶蝕中的孔隙演化和溶蝕效應(yīng)評價實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品與條件

為了分析孔隙類型對碳酸鹽巖溶蝕的控制效應(yīng)，筆者挑選了粒間孔隙型、晶間孔隙型、溶蝕孔洞型、鮞?？紫缎秃透窦芸紫缎偷?種孔隙類型的碳酸鹽巖，鏡下鑒定對應(yīng)的巖性分別為鮞粒白云巖、細(xì)—粉晶白云巖、砂屑白云巖、鮞粒白云巖和珊瑚灰?guī)r（圖5），其中，鮞粒白云巖和細(xì)—粉晶白云巖的孔隙類型為孔隙型，發(fā)育粒間孔或晶間孔，孔隙呈網(wǎng)狀分布，并由喉道溝通，細(xì)—粉晶白云巖具顆粒殘余幻影結(jié)構(gòu)特征；砂屑白云巖發(fā)育溶孔溶洞，有少量晶間孔，微裂縫溝通孔隙，孔隙類型為裂縫-孔洞型；鮞粒白云巖以發(fā)育鮞?？诪橹?，見少量粒間孔和粒間溶孔；珊瑚灰?guī)r樣品發(fā)育格架孔。實(shí)驗(yàn)所用碳酸鹽巖樣品的礦物組成見表2。

實(shí)驗(yàn)樣品為柱塞樣，每個樣品溶蝕時間設(shè)計(jì)為8 h；實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定為100℃，壓力設(shè)定為10 MPa，且保持不變，實(shí)驗(yàn)?zāi)M連續(xù)流-開放體系環(huán)境，流速1 mL/min，反應(yīng)液由去離子水加分析純乙酸配制而成，乙酸濃度為2 g/L。實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后對每個樣品進(jìn)行CT掃描和孔隙度、滲透率測定；實(shí)驗(yàn)過程中利用滲透率在線測定技術(shù)，實(shí)時檢測液體滲透率值并建立時間演化曲線，數(shù)據(jù)采集時間間隔為10 s。

圖5 5種孔隙類型碳酸鹽巖的顯微特征（鑄體薄片，單偏光）Fig.5 Microscopic characteristics of five pore types of carbonate rocks(castingthin section,singlepolarized light)

表2 5種孔隙類型碳酸鹽巖樣品的X衍射全巖分析Table2 Wholerock X-ray diffraction analysis of fiveporetypesof carbonaterock samples

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

5種孔隙類型碳酸鹽巖埋藏溶蝕前后孔隙度和氣體滲透率實(shí)測結(jié)果如表3所示。粒間孔隙型鮞粒白云巖和晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖的孔隙度增加量超過1.5%，氣體滲透率保持原數(shù)量級，增加量小于30×10-3μm2，溶蝕作用主要增加孔隙而連通屬性改善有限，而且晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖增孔更顯著；溶蝕孔洞型砂屑白云巖的孔隙度增加量為0.75%，氣體滲透率增加量超過50×10-3μm2，提高了一個數(shù)量級，溶蝕作用對孔隙空間和連通屬性改善均相對有限；鮞模孔隙型鮞粒白云巖的孔隙度增加量是1.17%，氣體滲透率增加量超過4000×10-3μm2，提高了3個數(shù)量級，溶蝕作用主要提高了連通屬性而孔隙空間改善有限；格架孔隙型珊瑚灰?guī)r溶蝕后孔隙度只增加了0.38%，而氣體滲透率提高了4個數(shù)量級，溶蝕作用顯著改善連通屬性。從數(shù)據(jù)對比來看，碳酸鹽巖孔隙類型不同，受埋藏溶蝕改造的效果存在差異。

在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)模擬實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到100℃后開始注入流體增加壓力，5種孔隙類型碳酸鹽巖埋藏溶蝕過程中滲透率實(shí)時演化特征如圖6所示：①粒間孔隙型鮞粒白云巖和晶間孔隙型殘余顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)—粉晶白云巖樣品的液體滲透率演化特征基本一致，始終保持緩慢增加；②溶蝕孔洞型砂屑白云巖的液體滲透率持續(xù)穩(wěn)定增加，且可以分為初始相對緩慢增加和后期相對快速增加2個階段，最終液體滲透率增加約1個數(shù)量級；③鮞?？紫缎王b粒白云巖滲透率演化也可分為2個階段，初始階段滲透率相對緩慢地增加，大約5 000 s后進(jìn)入快速增加階段，最終液體滲透率增加約4個數(shù)量級；④與前4個樣品不同的是，當(dāng)壓力為1.5 MPa時，格架孔隙型珊瑚灰?guī)r樣品的滲透率值極其快速地增加，大約2 min后液體滲透率值突破檢測上限，為防止樣品破碎，保持壓力為1.5 MPa，隨著反應(yīng)進(jìn)行，液態(tài)滲透率上下波動比較大，這可能是珊瑚灰?guī)r溶蝕速率快導(dǎo)致顆粒脫落所致。在埋藏溶蝕過程中，5種孔隙類型碳酸鹽巖的液體滲透率演化特征明顯不同，這說明先存的孔隙類型控制了流體與巖石的接觸，進(jìn)而控制了碳酸鹽巖連通屬性和孔隙結(jié)構(gòu)的演化。

表3 5種孔隙類型的碳酸鹽巖樣品溶蝕前后孔隙度和滲透率演化統(tǒng)計(jì)Table 3 Statisticsof porosity and permeability beforeand after dissolution of fiveporetypes of carbonaterock samples

圖6 5種孔隙類型碳酸鹽巖埋藏溶蝕實(shí)驗(yàn)過程中液體滲透率實(shí)時演化曲線Fig.6 Real-time evolution curve of liquid permeability in the dissolu?tion experiment of fiveporetypesof carbonaterocks

5種孔隙類型碳酸鹽巖埋藏溶蝕前后巖石內(nèi)部的孔隙特征如圖7所示：①粒間孔隙型鮞粒白云巖和晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖樣品具有基本相同的孔滲變化量和液體滲透率演化規(guī)律，但是反應(yīng)前后CT掃描孔隙演化特征明顯不同（圖7a，7b）。這兩類樣品巖石內(nèi)部孔隙均呈網(wǎng)狀分布，反應(yīng)過程中流體介質(zhì)呈彌散狀進(jìn)入網(wǎng)狀孔隙體系中，導(dǎo)致網(wǎng)狀孔隙整體溶蝕加大，但是粒間孔隙型鮞粒白云巖的粒間孔隙均勻增大，且未見溶洞產(chǎn)生，而晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖局部溶蝕顯著并形成溶洞，這可能與樣品組構(gòu)有關(guān)。粒間孔隙型鮞粒白云巖中鮞粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖具顆粒殘余結(jié)構(gòu)，顆粒成因類型多樣且晶體大小也不同，殘余顆粒結(jié)構(gòu)中部分粉晶溶蝕速率更快，并可能伴隨晶粒脫落或顆?？逅?，導(dǎo)致局部形成溶蝕洞，這或許也是晶間孔隙型細(xì)—粉晶白云巖孔隙度增加量更大的原因。②溶蝕孔洞型砂屑白云巖局部溶蝕孔洞溶蝕加大（圖7c），盡管微裂縫發(fā)育，但是溶蝕后CT圖中未見類似鮞模孔隙型鮞粒白云巖中的溶縫，滲透率值增加量也表明連通屬性改善有限。③對于鮞?？紫缎王b粒白云巖，盡管鮞?？资侵饕紫额愋停捎谙嗷ス铝⒌脑?，絕大多數(shù)鮞?？撞⑽窗l(fā)生溶蝕作用，而是局部相互連通的粒間孔隙溶蝕加大，甚至形成溶洞。結(jié)合滲透率演化曲線來看，流體在巖石內(nèi)部主要沿局部粒間孔運(yùn)移與反應(yīng)，初始以增加孔隙為主，局部優(yōu)勢溶蝕的粒間孔隙逐漸連通并形成彎曲的溶蝕縫（圖7d），導(dǎo)致后期滲透率急劇增加。④與孔隙型鮞粒白云巖和孔隙型細(xì)—粉晶白云巖不同，盡管格架孔隙型珊瑚灰?guī)r的孔隙更發(fā)育，孔隙度超過40%，但是溶蝕過程并不是整體溶蝕加大，而是局部溶蝕形成溶蝕縫，原因是珊瑚灰?guī)r孔隙間連通性相對較差，流體主要沿著少數(shù)連通的孔隙運(yùn)移和反應(yīng)，很快形成貫通樣品兩端的溶縫（圖7e）。從上述孔隙演化對比來看，連通孔隙是埋藏溶蝕發(fā)生的先決條件和有利區(qū)域，巖石內(nèi)部組構(gòu)差異會進(jìn)一步加劇儲集空間在孔、洞和縫組合上的復(fù)雜性。

綜上所述，酸性流體在巖石內(nèi)部孔隙中運(yùn)移與反應(yīng)時，孔壁邊緣的礦物被溶蝕，導(dǎo)致孔隙空間發(fā)生相應(yīng)變化，變化后的孔隙又反過來改變流體在巖石內(nèi)部的運(yùn)移過程，進(jìn)一步加劇溶蝕孔隙的演化?；诹ｉg孔隙型、晶間孔隙型、溶蝕孔洞型、鮞?？紫缎秃透窦芸紫缎偷?種碳酸鹽巖樣品的溶蝕實(shí)驗(yàn)，溶蝕效應(yīng)可分為3類：粒間孔隙型白云巖和晶間孔隙型殘余顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)—粉晶白云巖為顯著增孔-相對增滲型，鮞?？紫缎王b粒白云巖和格架孔隙型珊瑚灰?guī)r為相對增孔-顯著增滲型，而溶蝕孔洞型砂屑白云巖為相對增孔-相對增滲型。孔隙類型演化有4種演化路徑：粒間孔隙型白云巖保持為孔隙型，晶間孔隙型殘余顆粒結(jié)構(gòu)細(xì)—粉晶白云巖由孔隙型演化為孔-洞型，鮞?？紫缎王b粒白云巖和格架孔隙型珊瑚灰?guī)r由孔隙型演化為孔-縫型，溶蝕孔洞型砂屑白云巖保持為溶蝕孔洞型。

4 結(jié)論

碳酸鹽巖溶蝕模擬技術(shù)總的發(fā)展趨勢是由低溫低壓向高溫高壓條件發(fā)展，溶蝕實(shí)驗(yàn)方式也逐步實(shí)現(xiàn)巖石內(nèi)部溶蝕，這使得碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)條件更逼近地質(zhì)實(shí)際，而且CT、場發(fā)射掃描電鏡、激光拉曼和滲透率原位檢測技術(shù)的引入，使溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)苌婕皫r石內(nèi)部孔隙和礦物晶體尺度的溶蝕特征，并能在反應(yīng)過程中原位（實(shí)驗(yàn)溫度和壓力）分析流體成分和巖石樣品的液體滲透率值，從而有助于更加直觀和清晰地認(rèn)識碳酸鹽巖溶蝕作用過程和特征，以及實(shí)現(xiàn)定量評價碳酸鹽巖溶蝕效應(yīng)。盡管實(shí)驗(yàn)技術(shù)取得長足進(jìn)步，但目前的實(shí)驗(yàn)仍然較多關(guān)注不同溫度下的碳酸鹽巖溶蝕量，較少研究高溫高壓下流體屬性的影響，例如離子效應(yīng)和二氧化碳分壓等，特別是缺少基于成巖事件地質(zhì)背景下的模擬實(shí)驗(yàn)研究。因此，接近地層水實(shí)際屬性的高溫高壓水-巖反應(yīng)及原位分析實(shí)驗(yàn)研究有待加強(qiáng)。

利用高溫高壓溶解動力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展了碳酸鹽巖埋藏溶蝕溫度窗口和孔隙演化樣式的實(shí)驗(yàn)研究，取得2個方面的認(rèn)識：①高鹽度流體背景模擬實(shí)驗(yàn)表明，隨著溫度增加，碳酸鹽巖的溶蝕量具有緩慢下降—緩慢上升—快速下降的特征，由于地層水2種相反離子效應(yīng)的作用，在80～110℃范圍內(nèi)存在一個有利于碳酸鹽巖溶蝕的溫度窗口；②通過粒間孔隙型、晶間孔隙型、溶蝕孔洞型、鮞?？紫缎秃透窦芸紫缎偷?種碳酸鹽巖的對比實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識到連通孔隙是埋藏溶蝕發(fā)生的有利區(qū)域，并控制著孔隙結(jié)構(gòu)演化樣式和溶蝕效應(yīng)，碳酸鹽巖內(nèi)部組構(gòu)差異會進(jìn)一步加劇儲集空間在孔、洞和縫組合上的復(fù)雜性。