熊 鷹 譚秀成 伍坤宇 王小芳

1 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)，四川成都 610500 2 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西南石油大學(xué)研究分室，四川成都 610500 3 德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)地下能源系統(tǒng)研究所，克勞斯塔爾 38678 4 中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院，浙江杭州 310023

1 儲(chǔ)集層成巖作用與孔隙保存研究的新視點(diǎn)

孔隙介質(zhì)中的流體物理化學(xué)活動(dòng)是諸多地質(zhì)相關(guān)學(xué)科研究的重點(diǎn)內(nèi)容，尤其與油氣儲(chǔ)集層勘探開(kāi)發(fā)關(guān)系密切。其中，孔隙流體的溶蝕—沉淀及其與巖石相互作用作為儲(chǔ)集層成巖作用、孔隙演化以及儲(chǔ)集層非均質(zhì)性研究的核心問(wèn)題，一直是眾多石油地質(zhì)學(xué)家們持續(xù)關(guān)注的焦點(diǎn)(Kerr and Tait，1985;Nguyenetal.， 2013;Zhao and Zheng，2013;Prieto，2014;佘敏等，2016;鄭劍鋒等，2017)。眾所周知，儲(chǔ)集層孔隙保存是成巖流體與孔隙介質(zhì)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果。一方面，成巖流體的各種物理化學(xué)行為很大程度上直接控制了儲(chǔ)集空間的發(fā)育和演化；另一方面，儲(chǔ)集層孔隙介質(zhì)本身也可能會(huì)對(duì)成巖地質(zhì)流體的物理化學(xué)行為產(chǎn)生影響，進(jìn)而控制儲(chǔ)集層的發(fā)育。目前，針對(duì)儲(chǔ)集層孔隙保存方面的研究思路絕大多數(shù)以前者為主，即成巖環(huán)境及其流體化學(xué)活動(dòng)如膠結(jié)充填、溶蝕擴(kuò)大、交代作用等對(duì)儲(chǔ)集層孔隙演化的直接控制(馬永生等，2007；劉樹(shù)根等，2008；王國(guó)芝等，2013；趙文智等，2014)。也有少量學(xué)者從儲(chǔ)集層本身出發(fā)，對(duì)不同環(huán)境下的成巖流體活動(dòng)進(jìn)行探討，如碳酸鹽巖顆粒灘厚度、部位、類(lèi)型等差異(夏明軍等，2009；李凌等，2011；譚秀成等，2011；Zhangetal.， 2018)所導(dǎo)致的壓實(shí)效應(yīng)和成巖膠結(jié)差異等。但有關(guān)孔隙介質(zhì)尺寸影響成巖流體膠結(jié)、沉淀過(guò)程的研究在國(guó)內(nèi)卻鮮有報(bào)道。近年來(lái)，隨著儲(chǔ)集層非均質(zhì)性刻畫(huà)要求的提高以及微觀孔隙結(jié)構(gòu)觀察、表征手段的豐富，一些新的地質(zhì)現(xiàn)象也逐漸被發(fā)現(xiàn)，如同一塊儲(chǔ)集層樣品中出現(xiàn)“大孔充填而小孔保持”特征。這也催生了對(duì)儲(chǔ)集層成巖作用和孔隙保存研究的新的思考，如成巖流體在儲(chǔ)集層孔隙中的沉淀和膠結(jié)是否具有選擇性和非均質(zhì)性？孔隙膠結(jié)對(duì)儲(chǔ)集層是否總是破壞性的？飽和流體在狹小孔隙介質(zhì)中的礦物結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程與在開(kāi)放介質(zhì)中是否有差異，其控制因素如何？

2 “孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

對(duì)孔隙介質(zhì)影響流體物理化學(xué)行為的認(rèn)識(shí)和理解最初得益于人們對(duì)自然現(xiàn)象的不斷觀察和探究。類(lèi)似的效應(yīng)在多學(xué)科實(shí)驗(yàn)研究中均廣泛存在，如土壤的凍脹現(xiàn)象(圖 1-a)，其細(xì)小黏土孔隙中的處于過(guò)冷狀態(tài)的孔隙水向較大孔隙介質(zhì)發(fā)生遷移聚集形成離散的冰層，該現(xiàn)象就與土壤孔隙大小直接相關(guān)，因?yàn)橄鄬?duì)細(xì)小黏土孔隙中的水能夠保持過(guò)冷卻狀態(tài)而不結(jié)冰(Ozawa，1997)。同時(shí)，水滴(鹽水)的結(jié)晶溫度也隨著液滴的尺寸減小而降低(Melia and Moffitt，1964;Kubotaetal.， 1986)。基于對(duì)這些自然現(xiàn)象的不斷觀察和認(rèn)識(shí)提高，用于解釋該類(lèi)物理化學(xué)行為的理論模型也逐漸建立，并與實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)結(jié)果相符。這使研究人員意識(shí)到，在其他孔隙介質(zhì)中的流體可能也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似的物理化學(xué)行為，即孔隙介質(zhì)的尺寸與流體—巖石相互作用及礦物結(jié)晶條件可能存在一定的協(xié)變關(guān)系(Henisch and Nassau，1990;Evans，1999)。Putnis等(1995)在礦物結(jié)晶實(shí)驗(yàn)中利用多孔的凝膠作為流體流動(dòng)和結(jié)晶的介質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于開(kāi)放的溶液和結(jié)晶環(huán)境，流體的流動(dòng)和礦物結(jié)晶形態(tài)在這些細(xì)小的凝膠孔隙中均受到了極大的抑制(圖 1-b，1-c)，使其更不易發(fā)生結(jié)晶沉淀。

這些自然現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了孔隙尺寸對(duì)于其內(nèi)的流體化學(xué)行為和礦物結(jié)晶的確具有顯著的控制作用，但有關(guān)古老地層中巖石孔隙介質(zhì)內(nèi)的類(lèi)似觀察和報(bào)道則相對(duì)滯后。Steefel和Lichtner(1998)針對(duì)約旦Maqarin地區(qū)一處核廢料儲(chǔ)存庫(kù)的礦物沉淀模擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，地層中的裂縫相較于其周?chē)幕|(zhì)巖石孔隙更早地發(fā)生了充填和封閉。這表明含有核廢料的地層流體在孔隙空間相對(duì)較大的裂縫中發(fā)生的結(jié)晶沉淀速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于較小的基巖孔隙。Putnis和Mauthe(2001)在對(duì)德國(guó)西北部下三疊統(tǒng)河流相砂巖油氣儲(chǔ)集層的巖石學(xué)觀察中發(fā)現(xiàn)，成巖過(guò)程中形成的鹽類(lèi)膠結(jié)物明顯傾向于在較大孔隙中發(fā)生沉淀和膠結(jié)充填，而較小的孔隙保存度較高(圖 1-d)，并推測(cè)可能是由于孔隙的尺寸差異影響了成巖流體中礦物的溶解度。Rijniers等(2005)基于原位核磁技術(shù)對(duì)Na2CO3·2H2O溶液進(jìn)行濃度測(cè)量，結(jié)果顯示在10inm孔徑尺寸的孔隙流體中的Na2CO3·2H2O的溶解度是開(kāi)放體系溶液的2倍以上。Emmanuel和Berkouitz(2007)嘗試通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)非均質(zhì)多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)、溶質(zhì)反應(yīng)運(yùn)移的過(guò)程開(kāi)展定量分析，證實(shí)了孔隙尺寸的確可以控制流體中礦物的溶解度，并對(duì)流體溶質(zhì)的反應(yīng)運(yùn)移過(guò)程產(chǎn)生較大影響，也在一定程度上解釋了現(xiàn)今地層中的某些非均質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)特征。

a—北極圈的凍脹現(xiàn)象，1989年3月，航空照片；b和c—多孔凝膠介質(zhì)中的重晶石沉淀實(shí)驗(yàn)晶體特征對(duì)比，b為微米級(jí)凝膠孔隙介質(zhì)中沉淀的重晶石特征，其晶體形態(tài)受到顯著抑制，c為開(kāi)放溶液中沉淀的重晶石晶體特征；d—砂巖儲(chǔ)集層中較大碎屑顆粒間孔隙被石鹽膠結(jié)充填，較小碎屑粒間孔保持開(kāi)放，德國(guó)西北部下三疊統(tǒng)，藍(lán)色鑄體薄片；e—粉晶白云巖，毫米—厘米級(jí)的溶蝕孔洞被石膏膠結(jié)充填，微米級(jí)的晶間溶孔有效保存(紅色方框)，鄂爾多斯盆地馬家溝組，靳2井，巖心；f—e中紅色方框的放大，粉晶白云巖晶間溶孔有效保存，藍(lán)色鑄體薄片；g—大孔被中—粗晶方解石膠結(jié)充填，而緊鄰的基質(zhì)微孔大量保存下來(lái)，卡塔爾南部下白堊統(tǒng)生物碎屑灰?guī)r，藍(lán)色鑄體薄片；h—混積碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中的較大孔隙被石膏充填，與之相鄰的微米—亞微米級(jí)孔隙有效保存(紅色方框)，柴達(dá)木盆地下干柴溝組，獅41-6-1井，藍(lán)色鑄體薄片；i—h中紅色方框的放大，亞微米級(jí)的白云石晶間孔隙呈彌散狀分布，藍(lán)色鑄體薄片；j—混積碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中亞微米級(jí)的白云石晶間微孔大量發(fā)育并有效保存，柴達(dá)木盆地下干柴溝組，獅3-1井，氬離子拋光掃描電鏡；k—亞微米級(jí)的白云石晶間微孔特征，柴達(dá)木盆地下干柴溝組，獅3-1井，氬離子拋光掃描電鏡。a據(jù)Ozawa，1997；b、c據(jù)Putnis等，1995；d據(jù)Putnis和Mauthe， 2001；g據(jù)Ehrenberg和Walderhaug，2015圖 1 國(guó)內(nèi)外典型的“孔隙尺寸控制礦物沉淀及膠結(jié)”特征Fig.1 Typical features of pore-size controlled precipitation and cementation in China and abroad

筆者在中國(guó)各大含油氣盆地的儲(chǔ)集層研究中也時(shí)常觀察到類(lèi)似的與孔隙尺寸相關(guān)的差異性膠結(jié)作用，以鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組白云巖儲(chǔ)集層和柴達(dá)木盆地古近系下干柴溝組混積型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層較為典型。其中，馬家溝組孔隙膠結(jié)礦物主要為石膏和粗晶白云石，充填于顆粒白云巖和晶粒白云巖儲(chǔ)集層內(nèi)較大的溶蝕孔洞中(0.5～2icm)，且膠結(jié)程度較高(圖 1-e)。受此影響，該區(qū)白云巖儲(chǔ)集層大多僅殘留相對(duì)較小的粒間孔(0.03～0.2imm)和白云石晶間孔(0.05～1imm)并成為有效儲(chǔ)集空間(圖 1-f)。柴達(dá)木盆地西部下干柴溝組湖相碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中最常見(jiàn)的孔洞膠結(jié)物為石膏、鈣芒硝等蒸發(fā)鹽礦物。雖然巖心和普通顯微鏡觀察顯示較大的孔隙(肉眼可見(jiàn))均已被完全膠結(jié)充填，幾乎無(wú)殘留儲(chǔ)集空間(圖 1-h)，但勘探實(shí)踐和進(jìn)一步儲(chǔ)集層精細(xì)表征則發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)泥微晶級(jí)的白云巖中存在大量普遍含油的白云石晶間微孔(亞微米級(jí))(圖 1-i至1-k)，其巖心實(shí)測(cè)孔隙度甚至超過(guò)10%。這表明雖然較大的孔隙空間由于膠結(jié)充填而消失殆盡，但這些亞微米級(jí)的白云石晶間微孔仍然能夠有效且廣泛保存，并成為該區(qū)致密油穩(wěn)產(chǎn)的主力貢獻(xiàn)者。

3 孔隙膠結(jié)及其微觀表征技術(shù)進(jìn)展

隨著微觀觀測(cè)、表征和示蹤方法技術(shù)的不斷豐富和提高，越來(lái)越多的地質(zhì)工作者逐漸意識(shí)到了地層孔隙介質(zhì)中“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的存在與重要性，并嘗試通過(guò)各種技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行定性判識(shí)或定量表征。目前，對(duì)細(xì)微孔隙中飽和流體的膠結(jié)沉淀過(guò)程及其控制因素分析的方法手段多樣，大體可歸為孔隙特征顯微觀察、流體動(dòng)力學(xué)相關(guān)數(shù)值模擬和多孔介質(zhì)中的礦物沉淀模擬實(shí)驗(yàn)3類(lèi)。

a和b—用于CaCO3沉淀實(shí)驗(yàn)的雙孔介質(zhì)基質(zhì)，化學(xué)成分為無(wú)定形氧化硅，性質(zhì)與砂巖相似，a為相對(duì)大孔(μm級(jí))，b為相對(duì)小孔(nm級(jí))，掃描電鏡照片；c和d—隨反應(yīng)進(jìn)行，孔隙介質(zhì)孔徑大小與X射線(xiàn)小角度散射強(qiáng)度變化關(guān)系，c為無(wú)功能劑條件下，僅大孔介質(zhì)中 發(fā)生了CaCO3沉淀，小孔介質(zhì)中無(wú)明顯變化，d為加入功能劑條件下，大孔和小孔介質(zhì)中均發(fā)生了CaCO3沉淀圖 2 雙孔介質(zhì)CaCO3沉淀模擬實(shí)驗(yàn)(據(jù)Stack等，2014)Fig.2 Simulation experiment of CaCO3 precipitation in dual-porosity media(after Stack et al.， 2014)

3.1 微觀孔隙結(jié)構(gòu)觀察與表征

現(xiàn)今的孔隙結(jié)構(gòu)是漫長(zhǎng)成巖過(guò)程中孔隙系統(tǒng)與流體相互作用的直觀反映和最終結(jié)果。巖石樣品中的“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象主要表現(xiàn)為在同一樣品或同一薄片視域中，當(dāng)不同尺度孔隙共生時(shí)，相對(duì)較大的孔隙往往被次生礦物膠結(jié)充填，而與之相鄰的較小的孔隙則能夠良好的保存下來(lái)。這些次生礦物的類(lèi)型與膠結(jié)形式多樣，包括石鹽、石膏、鈣芒硝等蒸發(fā)鹽礦物以及方解石、白云石等碳酸鹽礦物等均有發(fā)現(xiàn)(圖 1-d，1-e，1-g)。除了常規(guī)的巖心、薄片、壓汞分析等儲(chǔ)集層表征手段，一些較新的方法技術(shù)如掃描透射顯微鏡(STEM)、EDS掃描能譜元素面分析、X射線(xiàn)小角散射(SAXS)(圖 2-c，2-d)等也時(shí)常用于精細(xì)表征非均質(zhì)孔隙介質(zhì)中的孔隙結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部的礦物分布特征。

3.2 數(shù)值模擬方法

為解決地質(zhì)研究中的時(shí)空限制和多因素環(huán)境條件定量分析等問(wèn)題，數(shù)值模擬方法已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于各類(lèi)工程、水文、環(huán)境等地質(zhì)問(wèn)題的研究中。其中，與地下孔隙介質(zhì)內(nèi)流體—巖石相互作用相關(guān)的數(shù)值模擬軟件或代碼如COMSOL Multiphysics、SHEMAT、TOUGHREACT等對(duì)于模擬石油地質(zhì)或成巖作用研究中的地下流體動(dòng)力學(xué)、流體地球化學(xué)過(guò)程具有良好效果(Clauser，2003;Xuetal.， 2006;Lietal.， 2009)。Emmanuel等(2010)基于一種新建立的適用于多孔介質(zhì)的反應(yīng)運(yùn)移模型來(lái)分析礦物沉淀對(duì)孔隙度和孔徑分布的影響，并將其與“標(biāo)準(zhǔn)”的動(dòng)力學(xué)模型(多孔介質(zhì)中晶體生長(zhǎng)速率主要受礦物表面積/流體體積比值控制)進(jìn)行對(duì)比(Berner，1980;Lasaga，1998)。模擬結(jié)果顯示，如果按照“標(biāo)準(zhǔn)”的動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)，所有的孔隙均應(yīng)被石英膠結(jié)物充填，而考慮了細(xì)微孔隙表面能和界面張力變化的反應(yīng)運(yùn)移模型模擬結(jié)果則能夠很好地與樣品實(shí)際觀察相吻合，表現(xiàn)為直徑小于10iμm的砂巖孔隙內(nèi)石英膠結(jié)物的沉淀受到極大地抑制。在此基礎(chǔ)上，眾多學(xué)者又根據(jù)實(shí)際材料的需求建立了適用于不同介質(zhì)體系、不同流體參數(shù)的多種數(shù)學(xué)模型和求解方法(Simonyanetal.， 2012;Jamtveitetal.， 2014;Ehrenberg and Walderhaug，2015;Stack and Kent，2015)。數(shù)值模擬方法雖然能夠較好地對(duì)孔隙介質(zhì)內(nèi)的流體—巖石相互作用和礦物沉淀過(guò)程進(jìn)行定性—半定量恢復(fù)，也清晰地證實(shí)了“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的存在。但其仍然存在不少限制，如目前的模擬方法多以單礦物系統(tǒng)為對(duì)象、未考慮地層壓實(shí)對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的影響、孔隙結(jié)構(gòu)高度理想化而不能真實(shí)地反映天然多孔介質(zhì)的復(fù)雜性等，這也是拓展數(shù)值模擬方法在未來(lái)地質(zhì)研究中的應(yīng)用領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)和發(fā)展方向。

3.3 多孔介質(zhì)中的礦物沉淀實(shí)驗(yàn)

自“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，許多研究者便開(kāi)始嘗試通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法來(lái)合成一種理想的多孔介質(zhì)模型，以探究其內(nèi)流體的溶蝕—沉淀作用過(guò)程及其孔隙結(jié)構(gòu)分布規(guī)律。但是，由于在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行該項(xiàng)模擬實(shí)驗(yàn)的不確定因素過(guò)多，包括礦物成核部位、沉淀速率、流體交換程度、礦物包殼及其阻隔效應(yīng)等。而當(dāng)前條件下僅僅能夠控制地下巖石表面沉淀作用發(fā)生的3個(gè)因素，即溶液類(lèi)型、注入部位以及注入速率，難以對(duì)以上所有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行精確控制。同時(shí)，對(duì)于表征微觀孔隙結(jié)構(gòu)及其演變的方法和觀察手段的缺乏也極大地限制了對(duì)孔隙介質(zhì)與流體物理化學(xué)活動(dòng)的相互作用過(guò)程的精確研究。直到2014年，美國(guó)地球化學(xué)家Stack等利用一種粒徑可控的無(wú)定形氧化硅作為雙孔介質(zhì)的基質(zhì)(化學(xué)性質(zhì)及成分與砂巖相似)(圖 2-a，2-b)，對(duì)同時(shí)具有離散分布的大孔(μm級(jí))和小孔(nm級(jí))的介質(zhì)注入CaCO3過(guò)飽和流體，并綜合X射線(xiàn)小角散射(SAXS)、掃描透射顯微鏡(STEM)和能譜分析(EDS)等方法對(duì)雙孔介質(zhì)內(nèi)的礦物沉淀變化過(guò)程進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在原始的雙孔介質(zhì)中，經(jīng)過(guò)1.75ih的過(guò)飽和流體反應(yīng)后，反映小孔內(nèi)礦物沉淀的X射線(xiàn)散射強(qiáng)度未發(fā)生變化；而在反映大孔的區(qū)域，隨著時(shí)間的增加，其散射強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)，表明僅在大孔中發(fā)生了沉淀(圖 2-c)。另外，在添加了活化膜(類(lèi)似與一種功能劑，能夠促進(jìn)礦物成核)的雙孔介質(zhì)中，表征小孔及大孔的散射強(qiáng)度均表現(xiàn)為隨時(shí)間累積而增強(qiáng)的特征，表明在2類(lèi)孔隙中均發(fā)生了礦物沉淀(圖 2-d)。這一研究不僅從實(shí)驗(yàn)?zāi)M上直接證實(shí)了多孔介質(zhì)內(nèi)的“孔徑尺寸控制沉淀”的現(xiàn)象，并且對(duì)礦物的沉淀分布以及孔隙結(jié)構(gòu)演變完成了持續(xù)有效的定量觀測(cè)，也為后續(xù)地質(zhì)工作者研究成巖流體在孔隙介質(zhì)內(nèi)的物理化學(xué)行為提供了新的思路與可借鑒方法。

4 流體化學(xué)原理與控制因素

目前，有關(guān)地層孔隙介質(zhì)中的“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象成因機(jī)理的分析和推測(cè)較為多樣，主要觀點(diǎn)包括： 成巖流體經(jīng)過(guò)不同地層孔隙時(shí)發(fā)生溫壓條件變化最終導(dǎo)致過(guò)飽和現(xiàn)象或膠結(jié)非均質(zhì)性的出現(xiàn)(Emmanuel and Berkowitz，2005)；基巖礦物的溶解導(dǎo)致孔隙流體中另一種礦物的飽和，如方解石的溶解導(dǎo)致石膏的沉淀(Singurindy and Berkowitz，2003)；孔喉連通性的不均質(zhì)性使得成巖流體更趨向于在大孔中運(yùn)移而使得大孔相較于微孔隙接受了更多的礦物離子而最終被優(yōu)先膠結(jié)(Lucia and Loucks，2013)。雖然這幾種機(jī)制都存在于不同的地質(zhì)環(huán)境和流體系統(tǒng)中，但針對(duì)特定微孔隙環(huán)境中的礦物沉淀和膠結(jié)差異，它們也都受到了一定的質(zhì)疑或使用局限性。例如，微觀孔隙中膠結(jié)礦物的沉淀并非一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，流體的擴(kuò)散可以迅速消除大孔與附近微孔隙之間(通常相鄰僅幾毫米)的溶液離子濃度和溫壓的差異，即“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的觀察和分析主要針對(duì)于具有統(tǒng)一溫壓條件和流體性質(zhì)的多孔介質(zhì)系統(tǒng)，如同一套巖溶系統(tǒng)內(nèi)的不同尺度孔隙或巖溶系統(tǒng)邊緣的基質(zhì)孔隙。因此，采用不同的溫壓條件或微孔隙內(nèi)缺乏流體運(yùn)移和膠結(jié)離子對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行解釋往往被認(rèn)為是不夠完善的(Ehrenberg and Walderhaug，2015)。

而另一種與表面化學(xué)相關(guān)的解釋模型則更為人們所接受和認(rèn)可，即“孔隙尺寸控制溶解度”效應(yīng)(pore-size controlled solubility)。早在20世紀(jì)七十年代就有研究者認(rèn)識(shí)到，影響礦物晶體在多孔介質(zhì)內(nèi)生長(zhǎng)速率的重要因素之一就是孔隙介質(zhì)的反應(yīng)表面積(Berner，1971，1980;Lasagaa，1998)。在這些細(xì)小的孔隙內(nèi)，更大的反應(yīng)比表面以及額外存在的界面能則很可能導(dǎo)致了某種礦物在細(xì)小孔隙(微米—納米級(jí))內(nèi)的溶解度高于其在開(kāi)放溶液中的溶解度(Bathurst，1975;Scherer，1999;Flatt，2002)。這種礦物溶解度受孔隙介質(zhì)控制的效應(yīng)可以通過(guò)在經(jīng)典的礦物溶解動(dòng)力學(xué)模型中引入有效溶解度Se進(jìn)行修正和表達(dá)(Adamson，1976;Scherer，2004):

Se=S0exp(Vmγf/vRT)

(1)

式中Se為礦物晶體在細(xì)小孔隙介質(zhì)流體中的有效溶解度，S0為礦物晶體在大溶液(開(kāi)放溶液)中的溶解度，Vm是摩爾體積，γ是界面自由能，f是晶體曲率(定義為礦物晶體體積相對(duì)于表面積的變化率)，v是一摩爾固態(tài)礦物溶解產(chǎn)生的離子摩爾數(shù)(如石英為1，方解石為2)，R是氣體常數(shù)，T是溫度。同時(shí)，由于晶體曲率與曲率半徑rc之間具有對(duì)應(yīng)關(guān)系(Ehrenberg and Walderhaug，2015)，如球形晶體f=2/rc；立方形晶體f=4/rc；60°菱形晶體f=4.4125/rc。以方解石膠結(jié)物為例，其f=4.5/rc，將其代入有效溶解度表達(dá)式(1)可以得到：

Se=S0exp(4.5Vmγ/vRTrc)

(2)

與開(kāi)放溶液中自由生長(zhǎng)成理想晶形的礦物不同，在基質(zhì)顆?？紫吨械哪z結(jié)礦物晶體的曲率半徑不再等于晶體半徑，其可以表達(dá)為與孔徑d相關(guān)的函數(shù)(Scherer，2004):rc=d/cosθ，其中θ是不規(guī)則孔隙的二面角(圖 3-a)。因此，公式(2)可以變形為：

Se=S0exp(4.5Vmγcosθ/vRTd)

(3)

由上式(3)可以看出，由于界面能γ的存在以及絕大多數(shù)情況下巖石孔隙介質(zhì)中的θ<π/2，因而Se>S0，即礦物在細(xì)小孔隙介質(zhì)內(nèi)的溶解度往往高于在開(kāi)放溶液。同時(shí)隨著孔徑的減小或孔隙逐漸被膠結(jié)充填會(huì)導(dǎo)致晶體曲率增大(圖 3-b)，最終使得該礦物在孔隙流體中的有效溶解度增大而不容易發(fā)生膠結(jié)沉淀。

a—粒間孔隙結(jié)構(gòu)與二面角特征；b—基質(zhì)顆粒膠結(jié)與孔隙充填過(guò)程示意圖圖 3 孔隙結(jié)構(gòu)及礦物膠結(jié)充填過(guò)程幾何示意圖(據(jù)Emmanuel等，2010；有修改)Fig.3 Conceptual diagram showing the pore structure and mineral precipitation process(modified after Emmanuel et al.， 2010)

5 地質(zhì)意義

5.1 對(duì)油氣儲(chǔ)集層非均質(zhì)性的影響

5.1.1 微孔選擇性保存

儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)與非均質(zhì)性研究是油氣勘探和開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵課題之一，“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象對(duì)于油氣儲(chǔ)集層最直接的影響就是導(dǎo)致非均質(zhì)的孔隙保存和分布。目前，在國(guó)內(nèi)外多個(gè)含油氣盆地中均發(fā)現(xiàn)了由于孔隙尺寸差異引起孔隙選擇性保存的現(xiàn)象和文獻(xiàn)報(bào)道(Putnis and Mauthe，2001;Ehrenbergetal.， 2012)。其中，以各類(lèi)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層(如生物骨架灰?guī)r、礫屑灰?guī)r、顆?；?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r)孔隙中的方解石膠結(jié)物最為常見(jiàn)(Gr?tschetal.， 2003;Richardetal.， 2007;Borgomanoetal.， 2013;Lucia and Loucks，2013)。有研究者基于修正后的礦物溶解動(dòng)力學(xué)模型對(duì)不同粒徑大小的方解石晶體溶解度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示當(dāng)方解石粒徑分別為1、5、10和20iμm的情況下，其在孔隙介質(zhì)中的溶解度相較于開(kāi)放溶液分別增加了0.3%、0.06%、0.03%和0.015%(Steefel and Wagoner Cappelen，1990)。雖然溶解度增加的幅度看似較小，但考慮到地質(zhì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)，流體—巖石相互作用的輕微不平衡也可能對(duì)膠結(jié)物的生長(zhǎng)和體積變化產(chǎn)生巨大影響。例如隨著孔隙流體中離子濃度(方解石)緩慢增加，較大孔隙中的流體將會(huì)優(yōu)先達(dá)到沉淀的臨界條件，使得這些較大的晶體持續(xù)生長(zhǎng)和擴(kuò)大。但在很長(zhǎng)一段地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，流體的離子濃度還不足以達(dá)到微孔隙中方解石沉淀的臨界條件，因此較大的孔隙最終被大量膠結(jié)充填，而較小的微孔隙往往能夠較好地保存下來(lái)(Ehrenberg and Walderhaug，2015)。

a—生物碎屑灰?guī)r，溶孔大量發(fā)育，部分較大孔隙被方解石膠結(jié)充填，樣品實(shí)測(cè)孔隙度26.9%，卡塔爾南部，藍(lán)色鑄體薄片；b—生物碎屑灰?guī)r，絕大部分孔隙(鈣球粒和有孔蟲(chóng)體腔孔)被亮晶方解石充填，但暗色基質(zhì)灰?guī)r中仍保存有大量微孔發(fā)育，樣品實(shí)測(cè)孔隙度25.8%，卡塔爾南部，藍(lán)色鑄體薄片(孔隙細(xì)小，普通顯微鏡難以識(shí)別，僅局部見(jiàn)星點(diǎn)狀的藍(lán)色鑄體)；c—鮞?；?guī)r中溶模孔發(fā)育，局部被方解石膠結(jié)充填，法國(guó)Génissiat地區(qū)，藍(lán)色鑄體薄片；d—鮞?；?guī)r基質(zhì)部分的掃描電鏡照片，方解石晶體間大量的基質(zhì)微孔發(fā)育，且?guī)缀鯚o(wú)膠結(jié)充填現(xiàn)象，樣品實(shí)測(cè)孔隙度24.2%，法國(guó)Génissiat地區(qū)，掃描電鏡；e—卡塔爾南部不同埋深生物碎屑灰?guī)r儲(chǔ)集層的孔喉半徑與累計(jì)孔隙度統(tǒng)計(jì)規(guī)律，隨埋深增大，普通顯微鏡可見(jiàn)的大孔被方解石膠結(jié)充填程度增大，微孔保存及對(duì)總孔隙度貢獻(xiàn)率變化不大，均能有效保存。 a、b、e據(jù)Ehrenberg和Walderhaug，2015；c、d據(jù)Richard等，2007圖 4 “孔隙尺寸控制沉淀”影響下的油氣儲(chǔ)集層孔隙保存特征Fig.4 Pore preservation characteristics of hydrocarbon reservoir affected by pore-size controlled precipitation

有關(guān)“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象對(duì)儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性和選擇性保存的具體影響，目前主要從3個(gè)方面進(jìn)行識(shí)別和表征。首先，最直觀和普遍的體現(xiàn)就是薄片顯微觀察或掃描電鏡顯示出的選擇性膠結(jié)特征(Richardetal.， 2007;Ehrenbergetal.， 2012)，一些較大的粒間孔、鑄?？谆蛏矬w腔孔等多被粗大的亮晶方解石膠結(jié)，而與之緊緊相鄰的較小孔隙(μm級(jí)，肉眼可見(jiàn))則充填程度極低(圖 1-g，圖4-a)。有學(xué)者通過(guò)對(duì)比巖心樣品的薄片面孔率(或借助圖像分析方法)與氦氣法(或核磁法)實(shí)測(cè)孔隙度發(fā)現(xiàn)，薄片下肉眼觀察的幾乎所有大孔都被方解石膠結(jié)充填了，而其實(shí)測(cè)孔隙度甚至能夠達(dá)到20%～30%(圖 4-b至4-d)。這表明，巖石中仍保存有大量的基質(zhì)微孔隙(nm～μm級(jí)，普通顯微鏡下難以識(shí)別)，該類(lèi)儲(chǔ)集層仍具有較大的勘探價(jià)值和潛力(Fabricius and Borre，2007;Borgomanoetal.， 2013)。此外，某些儲(chǔ)集層中隨深度變化的孔喉結(jié)構(gòu)和孔隙類(lèi)型演變也可能是“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的體現(xiàn)，其主要受膠結(jié)流體來(lái)源的影響。Ehrenberg和Walderhaug(2015)在對(duì)阿曼西北部白堊系生物碎屑灰?guī)r儲(chǔ)集層研究中發(fā)現(xiàn)，在同一套儲(chǔ)集層內(nèi)自下而上孔隙度變好，下部的孔隙中方解石膠結(jié)物含量較高，縫合線(xiàn)也更為發(fā)育。同時(shí)不同深度段樣品的壓汞曲線(xiàn)顯示隨埋深增加，微孔隙占比變化不大，而肉眼可見(jiàn)的較大孔隙對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)率則明顯降低(圖 4-e)。這反映了在埋深加大的過(guò)程中，壓實(shí)壓溶作用的增強(qiáng)以及縫合線(xiàn)的大量產(chǎn)生釋放富含碳酸鹽離子的流體優(yōu)先對(duì)下部?jī)?chǔ)集層中的較大孔隙進(jìn)行膠結(jié)，但微孔隙則仍然較好的保存下來(lái)并占據(jù)主導(dǎo)；儲(chǔ)集層上部則由于更弱的壓溶作用和流體改造，其膠結(jié)程度向上逐漸減弱。類(lèi)似的大孔保存性隨埋深和膠結(jié)程度增大而逐漸變差，但微孔則幾乎不受影響的現(xiàn)象在砂巖儲(chǔ)集層孔隙被石鹽膠結(jié)的過(guò)程中也有發(fā)現(xiàn)(Putnis and Mauthe，2001)，反映了孔隙尺寸和膠結(jié)流體來(lái)源對(duì)礦物沉淀的共同控制。

5.1.2 對(duì)滲透率的影響

眾所周知，成巖流體的膠結(jié)充填是造成各類(lèi)型儲(chǔ)集層孔滲性能減弱重要因素之一。目前，一般可以通過(guò)對(duì)流體性質(zhì)的化學(xué)平衡研究結(jié)合膠結(jié)礦物的物質(zhì)的量和摩爾體積來(lái)最終估算孔隙度的變化，但對(duì)于由孔隙度變化引起的滲透率變化還缺乏可以定量描述的方法。考慮到儲(chǔ)集層孔隙介質(zhì)及其孔喉分布的非均質(zhì)性和復(fù)雜性，成巖流體的運(yùn)移路徑與礦物沉淀方式對(duì)于儲(chǔ)集層孔隙度—滲透率的協(xié)變性可能具有重要的控制作用(Bloch，1991)，同時(shí)不同的膠結(jié)方式也可能反過(guò)來(lái)控制流體—巖石相互作用及反應(yīng)持續(xù)程度(Cohen and Rothman，2015)?？紫抖扰c滲透率之間的變化關(guān)系目前主要通過(guò)基質(zhì)礦物粒徑變化來(lái)進(jìn)行描述(Freeze and Cherry，1979)，即k=Cd2，其中k為滲透率、d是平均顆粒直徑、C是一個(gè)擬合系數(shù)。該方法對(duì)于定性分析儲(chǔ)集層孔滲關(guān)系或油氣滲流性能具有重要意義，但該線(xiàn)性變化關(guān)系只有在礦物基質(zhì)穩(wěn)定(如顆粒直徑、分布均勻)、均勻膠結(jié)的情況下才嚴(yán)格適用。而實(shí)際上，儲(chǔ)集層孔隙的膠結(jié)作用對(duì)于孔隙度和滲透率的影響更多地表現(xiàn)為非線(xiàn)性關(guān)系(Gibson-Pooleetal.， 2008;Zhangetal.， 2013)。

多孔介質(zhì)內(nèi)過(guò)飽和流體的膠結(jié)沉淀作用可能存在3種形式，包括：(1)與孔隙大小無(wú)關(guān)的均質(zhì)沉淀(Borgiaetal.， 2012)；(2)小孔中的沉淀受到抑制，大孔中優(yōu)先發(fā)生沉淀(Emmanueletal.， 2010)；(3)大孔內(nèi)的沉淀受到抑制而在小孔中優(yōu)先發(fā)生沉淀(Hedges and Whitelam，2012)。這些不同的膠結(jié)沉淀形式對(duì)儲(chǔ)集層孔滲性能的影響程度明顯不同。若成巖流體在孔隙內(nèi)的膠結(jié)具有均一性，過(guò)飽和流體往往沿著基質(zhì)礦物顆粒表面發(fā)生結(jié)晶形成環(huán)狀包殼包裹基質(zhì)顆粒，結(jié)果往往導(dǎo)致流體—巖石的相互作用在達(dá)到動(dòng)力學(xué)或熱力學(xué)平衡狀態(tài)之前就趨于停止，雖然一些細(xì)小的基質(zhì)顆粒間喉道關(guān)閉，滲透率有所降低，但儲(chǔ)集層內(nèi)的相對(duì)大孔通常能夠保留下來(lái)并處于開(kāi)放狀態(tài)(圖 5-a)；如果成巖流體在大孔中發(fā)生優(yōu)先沉淀，此時(shí)儲(chǔ)集層孔隙度下降幅度較大，但對(duì)整體滲透性能的影響較小，孔隙流體仍能夠較好地滲流(圖 5-b)；與之相反，如果在小孔內(nèi)發(fā)生優(yōu)先沉淀，雖然整體孔隙度降低程度較小，但卻極易形成大量膠結(jié)物集中充填于基質(zhì)礦物顆粒間的細(xì)小孔隙，堵塞喉道，導(dǎo)致滲透率大大降低(圖 5-c)。

圖 5 成巖飽和流體在孔隙介質(zhì)內(nèi)的沉淀方式(據(jù)Stack，2015；有修改)Fig.5 Various precipitation pathways of saturated diagenetic fluid in porous media(modified after Stack，2015)

因此，在研究成巖流體膠結(jié)對(duì)于儲(chǔ)集層孔滲性能的影響時(shí)，有必要結(jié)合具體情況對(duì)成巖流體的膠結(jié)形式進(jìn)行判斷，這也有助于對(duì)儲(chǔ)集層孔隙演化和孔滲性能特征的整體把握。雖然這幾種形式的過(guò)飽和流體沉淀作用在模擬實(shí)驗(yàn)或地層介質(zhì)中均有發(fā)現(xiàn)，與前文中的“孔隙尺寸控制溶解度”效應(yīng)似乎有所矛盾。不過(guò)大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為造成這種差異的原因主要是流體的優(yōu)先沉淀區(qū)不僅與孔隙尺寸有關(guān)，還可能受到其他不確定因素的控制，如基質(zhì)顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)(凹凸?fàn)顟B(tài))、流體性質(zhì)和觀測(cè)時(shí)間等(Stack，2015)。即在流體與孔隙介質(zhì)系統(tǒng)的相互作用過(guò)程中，孔隙尺寸并非是唯一的變量，多種地質(zhì)因素的變化與不確定性也可能導(dǎo)致了最終的結(jié)果差異。

5.1.3 成巖環(huán)境與邊界條件

“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)集層孔滲性能的保存和分布的確具有一定的影響，但在大量的儲(chǔ)集層實(shí)例中并非都能觀察到該現(xiàn)象。因此在考慮這種效應(yīng)的時(shí)候，有必要明確其成巖環(huán)境和邊界條件。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)例來(lái)看，由孔隙尺寸引起的膠結(jié)、沉淀差異大多發(fā)生在相對(duì)開(kāi)放的早期成巖階段。一方面，處于淺埋藏的碳酸鹽巖儲(chǔ)集體(如丘灘)周?chē)募?xì)粒沉積物尚未完全致密化，仍保持有較好的漫流式滲透性能(Xiaoetal.， 2016)，這為儲(chǔ)集層提供了較好的與外界的連通性。另一方面，隨著壓實(shí)壓溶作用的逐漸增強(qiáng)，以封存海水(孔隙水)和壓釋水為代表的早期成巖流體相對(duì)活躍。在上覆沉積物不斷加積和壓實(shí)作用的驅(qū)動(dòng)下，這些外源的流體趨于沿著丘灘儲(chǔ)集體的周緣進(jìn)入相對(duì)高孔滲層(Xiongetal.， 2020)，由于孔喉結(jié)構(gòu)和孔隙尺寸的驟然變化，最終導(dǎo)致在儲(chǔ)集層內(nèi)出現(xiàn)流體化學(xué)行為和膠結(jié)作用的差異性。與早期成巖環(huán)境相反，處于晚成巖埋藏階段的地層流體流動(dòng)趨于平緩，多處于停滯狀態(tài)，其成巖環(huán)境相對(duì)封閉。此階段，呈透鏡狀分布的碳酸鹽巖丘灘儲(chǔ)集體大多相對(duì)孤立，周緣細(xì)粒沉積物的致密化導(dǎo)致儲(chǔ)集層內(nèi)部與外界流體溝通不暢。除去由于地層溫壓條件改變導(dǎo)致的孔隙流體沉淀和膠結(jié)作用，受孔隙尺寸控制的差異性膠結(jié)現(xiàn)象較為罕見(jiàn)。不過(guò)，當(dāng)儲(chǔ)集層被構(gòu)造裂縫有效溝通并伴隨深部熱液流體上涌時(shí)，熱液礦物在儲(chǔ)集層孔隙內(nèi)的結(jié)晶沉淀也可能出現(xiàn)差異性。不難看出，相對(duì)開(kāi)放的成巖環(huán)境、合適的外源流體(壓釋流體、熱液流體等)、儲(chǔ)集體與外界的有效連通路徑以及突變的孔隙介質(zhì)是“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵條件。

5.2 地?zé)嵯到y(tǒng)開(kāi)發(fā)中的孔隙堵塞

除了與油氣儲(chǔ)集層成巖作用和孔隙非均質(zhì)性的密切聯(lián)系外，“孔隙尺寸控制沉淀”效應(yīng)對(duì)于許多工程地質(zhì)研究及施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估也具有不可忽視的意義。1997年，在德國(guó)北部的1口地?zé)醿?chǔ)集層鉆井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于鉆井液與地層礦物復(fù)雜反應(yīng)生成大量的硬石膏(CaSO4)膠結(jié)物充填堵塞原始的砂巖儲(chǔ)集層孔隙，最終導(dǎo)致該項(xiàng)目終止。隨后，研究人員發(fā)現(xiàn)砂巖儲(chǔ)集層中的硬石膏膠結(jié)物大多集中分布于相對(duì)較高孔隙度的區(qū)域，而低孔隙度區(qū)域的硬石膏膠結(jié)程度較低(Wagneretal.， 2005)。同時(shí)，對(duì)該孔隙介質(zhì)內(nèi)流體反應(yīng)運(yùn)移及其與基質(zhì)礦物相互作用的數(shù)值模擬結(jié)果也證實(shí)了這種非均質(zhì)的硬石膏膠結(jié)模式與孔隙大小密切相關(guān)，即細(xì)小孔隙中的流體存在一個(gè)超過(guò)熱力學(xué)平衡狀態(tài)的臨近過(guò)飽和閾值(Mürmannetal.， 2013)，與前人的“孔隙尺寸控制溶解度”原理相符。因此，考慮區(qū)域性孔隙分布及其相關(guān)的礦物沉淀與過(guò)飽和現(xiàn)象，對(duì)于評(píng)估地?zé)醿?chǔ)集層鉆井的膠結(jié)風(fēng)險(xiǎn)和礦物充填模式是十分有必要的。

整體而言，“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象在油氣或地?zé)醿?chǔ)集層勘探開(kāi)發(fā)中大多表現(xiàn)出一定的破壞性，但對(duì)某些特定的地質(zhì)問(wèn)題研究或地質(zhì)資源利用來(lái)說(shuō)，同一種沉淀作用和膠結(jié)模式也可能出現(xiàn)不同的期望結(jié)果。例如，對(duì)于CO2地下封存或核廢料處理的蓋層(封隔層)而言，如果礦物的沉淀和膠結(jié)優(yōu)先發(fā)生在較大的孔隙或裂縫中，少量的膠結(jié)充填便可能使蓋層的有效性大幅提升，表現(xiàn)出“自封存”現(xiàn)象(Wangetal.， 2009;Stack，2015)。該技術(shù)目前已經(jīng)用于模擬CO2地下封存過(guò)程，即在地下儲(chǔ)集層注入CO2之后，周?chē)鄬?duì)致密和細(xì)小孔隙內(nèi)的高鹽度流體向具有更高孔滲條件的儲(chǔ)集層邊緣部位發(fā)生運(yùn)移，流體中石鹽、石膏等礦物的有效溶解度降低，進(jìn)而膠結(jié)充填于這些較大孔隙并最終達(dá)到封隔目的(Borgiaetal.， 2012)。

6 實(shí)例： 鄂爾多斯盆地馬家溝組孔隙充填特征

6.1 儲(chǔ)集層發(fā)育與膠結(jié)特征

圖 6 鄂爾多斯盆中奧陶統(tǒng)馬五段鹽下儲(chǔ)集層孔隙分布特征Fig.6 Porosity distribution of subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

a、b和d—砂屑云巖儲(chǔ)集層，較大孔徑的粒間孔隙被石膏膠結(jié)充填，較小孔徑的粒間孔隙得以保留，靳2井，3586.75im，馬五7亞段，a、d為藍(lán)色鑄體薄片，b為巖心；c、e和f—粉晶云巖儲(chǔ)集層，大孔(溶洞)被粗晶白云石膠結(jié)物充填，基質(zhì)白云石晶間孔保存完好，桃38井，3630.56im，馬五9亞段，c、f為藍(lán)色鑄體薄片，e為巖心圖 7 鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬五段鹽下儲(chǔ)集層孔隙膠結(jié)特征Fig.7 Pore cementation of subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

中奧陶統(tǒng)馬家溝組是鄂爾多斯盆地下古生界天然氣勘探的主力層位， 尤其是鹽下(馬五7—馬五10 亞段，馬五6為盆地范圍的膏鹽層)白云巖儲(chǔ)集層因其獨(dú)特的碳酸鹽巖—蒸發(fā)巖韻律互層發(fā)育模式和保存條件而成為了近年來(lái)盆地勘探研究的焦點(diǎn)(Heetal.， 2014，楊華等，2014，Xiaoetal.， 2019)。研究表明，盆地中部馬家溝組鹽下發(fā)育典型的臺(tái)內(nèi)丘灘儲(chǔ)集體，主要分布于馬五7和馬五9亞段，巖性以晶粒云巖、顆粒云巖和微生物巖為主，對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)集空間為晶間孔、粒間(溶)孔和窗格孔等(付金華等，2017；席勝利等，2017；劉耘等，2018)。受頻繁的海平面波動(dòng)變化影響，準(zhǔn)同生期臺(tái)內(nèi)相對(duì)沉積高部位的顆粒灘或微生物丘發(fā)生周期性短暫暴露溶蝕是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層形成的根本機(jī)制(付斯一等，2019；Xiongetal.， 2019)，也使得薄層丘灘高孔滲層在縱向上頻繁疊置(圖 6)。同時(shí)，儲(chǔ)集層孔隙度分布也具有鮮明的旋回性和非均質(zhì)性，表現(xiàn)為孔隙度隨著高頻暴露旋回發(fā)生韻律性變化并在旋回中上部達(dá)到最優(yōu)。隨后的漫長(zhǎng)成巖過(guò)程中，成巖流體與孔隙介質(zhì)系統(tǒng)相互作用以及膠結(jié)充填則是決定早期孔隙能否有效保存的至關(guān)重要因素。系統(tǒng)的巖心取樣及宏微觀巖石學(xué)特征觀察表明，馬家溝組鹽下儲(chǔ)集層孔隙膠結(jié)物以石膏和中—粗晶白云石2類(lèi)占主導(dǎo)。

6.2 孔徑分布特征

圖 8 鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬五段鹽下儲(chǔ)集層孔隙度與鏡下孔隙尺寸、膠結(jié)特征的相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of porosity，microscopic pore size and cementation in subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

圖 9 鄂爾多斯盆地中奧陶統(tǒng)馬五段鹽下不同儲(chǔ)集巖類(lèi)、不同膠結(jié)特征的壓汞法孔隙半徑分布特征Fig.9 Pore radius distribution of various rock samples with different cementation features by mercury intrusion method in subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

6.3 膠結(jié)流體來(lái)源與膠結(jié)模式

結(jié)合馬五段鹽下碳酸鹽巖—蒸發(fā)巖韻律互層的旋回性沉積背景分析，丘灘沉積主要位于各碳酸鹽巖層系的上部，經(jīng)準(zhǔn)同生暴露溶蝕之后可形成大量溶蝕孔洞。其之上則發(fā)育以紋層狀膏巖為主的低能蒸發(fā)巖沉積，同時(shí)氣候條件也愈加干旱，海水鹽度升高(席勝利等，2017)。因此，在丘灘沉積之后的準(zhǔn)同生—淺埋藏期，受上覆蒸發(fā)巖逐漸壓實(shí)和強(qiáng)蒸發(fā)環(huán)境的影響，不斷濃縮下滲的重鹵水以及疏松沉積物間的高鹽度海水具有向高孔滲的丘灘儲(chǔ)集體發(fā)生滲流運(yùn)移的趨勢(shì)?？紤]到“孔隙尺寸控制溶解度”效應(yīng)，在上覆細(xì)粒巖層孔隙中的過(guò)飽和流體逐漸向高孔滲的丘灘儲(chǔ)集體滲流時(shí)，由于孔隙尺寸驟然擴(kuò)大，石膏等礦物的有效溶解度降低，進(jìn)而在丘灘體邊緣部位快速成核結(jié)晶并優(yōu)先充填于較大的粒間孔隙。此時(shí)，雖然一些相對(duì)細(xì)小的粒間孔隙得到保存，但大孔的集中膠結(jié)充填仍然導(dǎo)致巖石總體孔隙度大幅減少(約3%～5%)，同時(shí)較大的喉道也很快被堵塞，僅殘存一些孤立的細(xì)小粒間孔，巖石滲流能力大幅削弱。另一方面，雖然高鹽度海水的膠結(jié)充填極大地破壞了丘灘體邊緣儲(chǔ)集層的孔滲性能，但邊緣部位的快速膠結(jié)和致密化也有效地阻隔了外部的高鹽度流體向丘灘體核部進(jìn)一步滲流與膠結(jié)，為丘灘體核部創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)封閉的成巖環(huán)境，類(lèi)似于CO2儲(chǔ)庫(kù)研究中的“自封存”現(xiàn)象(Wangetal.， 2009)，其流體—巖石相互作用趨于平衡，有利于孔隙保存。這也較好地解釋了在單個(gè)丘灘沉積旋回中，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層主要位于中上部，而頂部孔滲性能相對(duì)減弱的特征。

此外，大量研究表明，馬家溝組碳酸鹽巖儲(chǔ)集層在晚侏羅世還受到了明顯的熱事件影響，表現(xiàn)為來(lái)自深部，沿著基地?cái)嗔押蛥^(qū)域不整合面運(yùn)移的熱液流體對(duì)先期高孔滲的白云巖儲(chǔ)集層的重結(jié)晶改造和膠結(jié)充填(王保全等，2009；黃擎宇等，2010)。巖石學(xué)特征觀察顯示馬家溝組熱液伴生礦物類(lèi)型豐富，包括白云石、螢石和黃鐵礦等，其中以中—粗晶白云石和鞍形白云石膠結(jié)物在馬五段鹽下最為常見(jiàn)。整體上，熱液膠結(jié)作用在馬五9亞段較為普遍，且大多充填于較大的溶蝕孔洞，而其周?chē)嗷ゴ罱咏佑|的基質(zhì)白云石中仍保留有大量的晶間孔隙，表現(xiàn)出典型的“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象。同時(shí)，由于旋回發(fā)育的致密膏巖層(馬五6和馬五8亞段)對(duì)地層流體的封隔作用，自下而上儲(chǔ)集層的熱液改造和膠結(jié)程度明顯減弱，這也可能是馬五9亞段儲(chǔ)集層孔滲性能整體上次于馬五7亞段的關(guān)鍵原因。

7 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)環(huán)境中“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象廣泛存在，主要表現(xiàn)為多孔介質(zhì)中流體的膠結(jié)非均質(zhì)性及最終的“大孔充填而小孔保存”特征。目前的研究主要從不同尺度孔隙結(jié)構(gòu)直接觀察、流體—孔隙介質(zhì)相互作用的數(shù)值模擬、多孔介質(zhì)內(nèi)礦物沉淀模擬實(shí)驗(yàn)3個(gè)方面開(kāi)展。受孔隙大小控制的非均質(zhì)沉淀特征可以利用與表面化學(xué)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解釋?zhuān)次⒖紫吨懈蟮慕缑鎻埩偷V物晶體曲率導(dǎo)致礦物的有效溶解度更高，因而更容易保持過(guò)飽和狀態(tài)而不發(fā)生沉淀。

“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象對(duì)碳酸鹽巖油氣儲(chǔ)集層的影響主要表現(xiàn)在微孔的選擇性保存，在特定區(qū)域內(nèi)當(dāng)大孔隙與小孔隙共生時(shí)，大孔隙更傾向于被礦物膠結(jié)充填而小孔隙易于被保存，不同的膠結(jié)模式對(duì)巖石整體滲透率的影響也略有不同。成巖流體性質(zhì)、來(lái)源及膠結(jié)模式的判識(shí)有助于對(duì)儲(chǔ)集層孔隙結(jié)構(gòu)演化和有效孔隙分布的整體把握。此外，該現(xiàn)象在地?zé)衢_(kāi)發(fā)和二氧化碳地質(zhì)封存研究中也值得重視。

針對(duì)多孔介質(zhì)中“孔隙尺寸控制沉淀”的觀察和認(rèn)識(shí)日趨完善，但現(xiàn)有的研究手段仍具有一定的局限性，如數(shù)值模擬中的礦物基質(zhì)和孔隙結(jié)構(gòu)高度理想化，難以反映天然多孔介質(zhì)的復(fù)雜性；地質(zhì)環(huán)境中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型可能比模擬中使用的經(jīng)驗(yàn)速率定律更為復(fù)雜；礦物沉淀模擬實(shí)驗(yàn)中的時(shí)空尺度限制等。這些因素很大程度上限制了從定性觀察到定量表征的快速進(jìn)展，還有待進(jìn)一步的深入探究和持續(xù)關(guān)注。不過(guò)，“孔隙尺寸控制沉淀”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和重視對(duì)于理解流體—巖石復(fù)雜作用過(guò)程具有重要理論意義，也為儲(chǔ)集層成巖作用和孔隙保存研究提供了新的視點(diǎn)和思考角度。