李承澤，陳國俊，田 兵，袁曉宇，孫 瑞，蘇 龍

（1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000；2.甘肅省油氣資源研究重點實驗室，蘭州 730000；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)，包頭 014000；5.中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 730020；6.中海油研究總院，北京 100028）

0 引言

高溫高壓環(huán)境下的深部儲層是當(dāng)前石油地質(zhì)領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一，具有重要的理論意義和實踐價值。運用水巖反應(yīng)模擬裝置研究含油氣盆地深層成巖作用和次生孔隙發(fā)育機理是有利儲層預(yù)測的重要手段之一，深部巖石礦物溶蝕成孔機理及伴隨溶蝕過程的成巖物質(zhì)傳輸作用是石油地質(zhì)學(xué)研究的最新熱點和難點［1-3］。在以碎屑巖儲層為主的含油氣盆地中，由于酸性等侵蝕性成巖流體對礦物的溶蝕作用會產(chǎn)生次生孔隙，勘探深度得以進一步擴展［4-8］。目前研究成果證實，碎屑巖儲層中至少有1/3的次生孔隙是在埋藏成巖過程中因水巖反應(yīng)和礦物溶蝕作用而形成［9］。季漢成等［10］研究了渤海灣盆地深層長石砂巖在半開放體系下的溶蝕作用，認為乙酸可以增加深部儲層的次生孔隙空間；楊威等［11］的研究表明，溫度和壓力的升高可以提高長石的溶蝕能力，進而促進長石的溶解。以往的研究很少考慮實際埋藏條件下的封閉高溫高壓環(huán)境，也很少利用深部儲層真實樣品模擬溶蝕作用的過程。

利用水巖反應(yīng)實驗?zāi)M深層高溫高壓環(huán)境下有機酸性流體對儲層中礦物和膠結(jié)物的溶蝕作用，從而探討中深部碎屑巖儲層發(fā)育次生孔隙帶的潛力具有重要價值。珠江口盆地深部地層地溫梯度高，異常高壓在盆內(nèi)深層廣泛發(fā)育（埋深＞4 000 m）［12］。碎屑巖儲層中礦物溶解成孔過程及其伴隨的溶解物質(zhì)的遷移與次生礦物再沉淀作用對儲層演化具有重要的控制作用。選取珠江口盆地9 塊深層巖心樣品進行水巖反應(yīng)模擬實驗，模擬在深埋藏條件下砂巖在乙酸溶液中發(fā)生溶蝕作用并形成次生孔隙的機理，結(jié)合掃描電鏡觀測溶蝕作用形成的次生孔-洞-縫特征，并利用實驗儀器對比分析樣品反應(yīng)前、后的孔隙度變化，探索深部地層礦物溶蝕機理，以期為開展深層和超深層儲層預(yù)測和油氣勘探提供思路。

1 地質(zhì)概況

珠江口盆地位于我國南海北部，地處華南大陸南緣，處于太平洋、歐亞和印度洋三大板塊的交匯處附近，是在加里東、海西和燕山褶皺基底上，受到太平洋板塊的俯沖擠壓作用而發(fā)育的以新生代沉積為主要類型的張性盆地。珠江口盆地發(fā)生的多期構(gòu)造運動造成了盆地平面上具有南北分帶、東西分塊的構(gòu)造格局，由北向南依次為北部隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶和南部隆起帶，構(gòu)成了“三隆兩坳”的現(xiàn)象（圖1）。珠一坳陷位于珠江口盆地東北部，包括恩平凹陷、西江凹陷、惠州凹陷、陸豐凹陷和韓江凹陷，發(fā)育古近紀(jì)以及新近紀(jì)地層，厚度可達4 km，目前已在珠江組、珠海組和恩平組等地層內(nèi)獲得油氣發(fā)現(xiàn)。白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷，凹陷內(nèi)最大地層深度可達10 km，新生代以來主要經(jīng)歷了裂谷期、裂后坳陷期和新構(gòu)造期共3 期演化階段［13］，自下而上發(fā)育文昌組、恩平組、珠海組、珠江組、韓江組等。白云凹陷是典型的熱盆，地溫梯度較高，由北向南逐漸升高［14］，平均地溫梯度達4.5 ℃/100 m［15］，同時具有超壓特征，壓力系數(shù)最高可達1.8［16］，其高溫、超壓特征為中深部儲層的發(fā)育提供了條件。近年來在白云凹陷發(fā)現(xiàn)的大中型氣田展現(xiàn)出該區(qū)巨大的油氣勘探潛力［17］，但白云凹陷探明的油氣儲量規(guī)模不大，且主要集中于淺層，主要原因在于該區(qū)深部儲層研究程度不高，尚未發(fā)現(xiàn)大量的次生孔隙發(fā)育帶，且鉆井資料以及樣品較少，制約了該區(qū)深部儲層進一步的油氣勘探。

圖1 珠江口盆地區(qū)域構(gòu)造單元劃分（a）及巖性地層綜合柱狀圖（b）（據(jù)文獻［13］修改）Fig.1 Tectonic units（a）and stratigraphic column（b）of Pearl River Mouth Basin

2 實驗方法與儀器

2.1 實驗樣品與儀器

實驗所采用的巖心樣品均來自珠江口盆地中深部儲層［18］，其中珠一坳陷樣品7 塊（陸豐凹陷3個、惠州凹陷2 個、西江凹陷1 個、恩平凹陷1 個），珠二坳陷中白云凹陷樣品2 塊。巖心樣品埋深均大于3 000 m，巖性主要為長石砂巖，樣品溶蝕作用不顯著，次生孔隙不發(fā)育，巖心樣品的基本特征如表1 所列。巖心所在地層的地層水化學(xué)組成復(fù)雜，其中有機酸濃度最高。限于實驗條件，本次實驗采用乙酸溶液，同時，為了加快反應(yīng)速度，提高了有機酸濃度，實驗選取并配制濃度為0.17 mol/L、理論pH 值為2.75（實測pH 值為2.75）的乙酸溶液。實驗儀器采用程序控制的高溫高壓水巖反應(yīng)裝置。按照珠江口盆地中深層地溫梯度和壓力系數(shù)，溫度設(shè)定為175 ℃，反應(yīng)壓力為50 MPa，反應(yīng)時間為144 h。為了盡可能接近真實的成巖地質(zhì)環(huán)境，實驗采用半封閉式高溫高壓模擬系統(tǒng)進行模擬，巖石樣品礦物成分X 射線衍射分析結(jié)果如表2 所列。

表1 珠江口盆地巖心樣品特征Table 1 Characteristics of core samples in Pearl River Mouth Basin

表2 珠江口盆地巖石樣品礦物成分X 射線衍射分析Table 2 X-ray diffraction analysis of mineral composition of rock samples in Pearl River Mouth Basin

2.2 實驗過程

本次實驗受時間和經(jīng)費制約，主要立足地質(zhì)實際和勘探需求，暫不涉及平衡狀態(tài)下的長石溶蝕反應(yīng)。按照珠江口盆地中深層地溫梯度和壓力系數(shù)，設(shè)置了相應(yīng)的溫度和壓力，模擬研究區(qū)深部儲層水巖反應(yīng)及溶蝕機理。

實驗過程為：①使用去離子水清洗巖心樣品數(shù)次，在105 ℃的溫度條件下進行24 h 的烘干處理；②將處理好的巖心樣品裝入樣品室，放進釜體內(nèi)部等待反應(yīng)；③使用真空泵對樣品室抽真空；④利用計算機程序?qū)r心樣品頂、底部施加相同的靜巖壓力，并固定樣品；⑤將設(shè)計的反應(yīng)溶液通過高壓液體泵注入樣品室直到流體壓力達到實驗預(yù)設(shè)值；⑥實驗過程中，由壓力控制器檢測并保持釜內(nèi)壓力，由溫度控制器檢測并控制釜內(nèi)溫度，實驗裝置設(shè)有進液口和出液口，在不影響裝置內(nèi)的溫度和壓力的情況下進行分時段（48 h，96 h，144 h）連續(xù)取樣分析；⑦使用計算機對實驗溫度、時間、靜巖壓力以及流體壓力進行每分鐘記錄；⑧實驗結(jié)束后，首先進行液體收集，打開釜體，等溫度降為室溫后，將樣品室中的巖心完整取出，然后使用去離子水進行清洗，在溫度為105 ℃條件下烘干24 h 后，最后進行孔隙度分析，并挑選樣品進行掃描電鏡觀察及能譜分析。

3 實驗結(jié)果與討論

為模擬埋藏環(huán)境下有機質(zhì)熱演化過程中發(fā)生的有機酸對深部儲層的溶蝕改造作用，在水動力條件確定的半封閉-半開放體系下，分別對珠江口盆地9 組砂巖巖心樣品進行了流體流經(jīng)巖石內(nèi)部的溶蝕實驗。實驗后溶液離子質(zhì)量濃度隨反應(yīng)時長的變化情況如表3 所列。

表3 珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)后溶液中離子質(zhì)量濃度變化Table 3 Change of ion mass concentration in solution after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin mg/L

3.1 微觀形貌對比

掃描電鏡觀測結(jié)果顯示，在高溫高壓實驗環(huán)境下，樣品表面均發(fā)生了不同程度的溶蝕，發(fā)生溶蝕作用的主要組分包括不穩(wěn)定礦物鉀長石、鈉長石及黏土礦物。溶蝕現(xiàn)象主要為：長石顆粒發(fā)生溶蝕，在礦物表面形成溶蝕孔與溶蝕坑，也常見長石沿解理方向發(fā)生集中溶蝕，黏土礦物由于穩(wěn)定性差，同樣發(fā)生溶蝕，不同的溶蝕現(xiàn)象體現(xiàn)了礦物的選擇性溶蝕。對比反應(yīng)前、后的掃描電鏡特征可以看出，樣品TB5 表面的鉀長石發(fā)生溶蝕并產(chǎn)生了溶蝕孔（圖2a，2b）；樣品TB6 反應(yīng)后斜長石發(fā)生溶蝕并形成了溶蝕坑（圖2c，2d）；樣品TB2 反應(yīng)后礦物表面未出現(xiàn)明顯的溶蝕現(xiàn)象，表面平整且沒有流體反應(yīng)的痕跡，說明礦物表現(xiàn)出選擇性溶蝕特征（圖2e，2f）；樣品TB1 在鑄體薄片下可以觀察到長石顆粒發(fā)生溶蝕，顆粒邊緣發(fā)生溶蝕形成港灣狀、凹凸?fàn)睿▓D2g）；樣品CS10 中長石因反應(yīng)前表面存在碎裂與裂縫而使溶蝕強度得到進一步提升（圖2h），表明裂縫也是有利于發(fā)生溶蝕作用的主控因素之一，微裂縫是深層砂礫巖儲層的重要滲流通道［18］。以上現(xiàn)象說明巖石中的易溶組分含量和易溶礦物原生結(jié)構(gòu)的差異會影響次生孔隙的發(fā)育，體現(xiàn)在礦物的選擇性溶蝕。研究區(qū)儲層的易溶礦物主要包括長石類礦物、黏土礦物及部分巖屑等，地層中的有機酸為流體組分的主體，除長石顆粒以外，碎屑巖儲層中所包含的碳酸鹽膠結(jié)物及巖屑成分均會發(fā)生不同程度的溶蝕，產(chǎn)生次生孔隙。

圖2 珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)前、后掃描電鏡和鑄體薄片特征（a）樣品TB5，反應(yīng)前，H25-7 井，文昌組，3 767.75 m；（b）樣品TB5，反應(yīng)后，H25-7 井，文昌組，3 767.75 m；（c）樣品TB6，反應(yīng)前，H19-1 井，恩平組，3 908.50 m；（d）樣品TB6，反應(yīng)后，H19-1 井，恩平組，3 908.50 m；（e）樣品TB2，反應(yīng)前，L13-1 井，恩平組，3 223.50 m；（f）樣品TB2，反應(yīng)后，L13-1 井，恩平組，3 223.50 m；（g）樣品TB1，反應(yīng)后長石發(fā)生溶蝕，L14-4 井，文昌組，4 168.52 m；（h）樣品CS10，碎裂和裂縫使長石溶蝕強度提升，L34-2 井，珠江組，3 014.00 mFig.2 Scanning electron microscope and cast thin section characteristics of rock samples before and after reaction in Pearl River Mouth Basin

3.2 樣品孔隙度變化

研究區(qū)巖心樣品孔隙度變化結(jié)果（圖3）顯示：反應(yīng)后樣品的孔隙度平均增加了5.6%，平均提升幅度達31.5%，其中最大提升幅度為78.2%，最小提升幅度為2.0%。深度較大的樣品孔隙度在模擬實驗中得到了提升，能夠較大幅度地改善孔隙，說明深部儲層存在酸性流體發(fā)生溶蝕作用產(chǎn)生次生孔隙的可能性。樣品孔隙度出現(xiàn)差異的原因在于易溶礦物原生結(jié)構(gòu)存在差異，不同樣品的孔隙連通性及樣品發(fā)育的裂縫和碎裂情況不同。根據(jù)樣品反應(yīng)前、后孔隙度的變化情況、鑄體薄片及掃描電鏡觀察結(jié)果，樣品CS10 發(fā)育裂縫和碎裂，且多為有效連通的孔隙，能夠發(fā)生有效溶蝕，對孔隙度提升較大；樣品TB2 不發(fā)育裂縫和碎裂，多為不能連通的無效孔隙，溶蝕作用弱，對孔隙度改善較小，孔隙的連通性較差，表明在相同條件下部分樣品次生孔隙不發(fā)育，體現(xiàn)了礦物的選擇性溶蝕。埋藏溶蝕能夠改善儲集層的儲集空間與連通性，尤其對連通性的提升表現(xiàn)更為突出。不同樣品反應(yīng)前、后孔隙度變化的對比表明，溶蝕作用存在差異，且受原始孔隙發(fā)育程度、巖石成分粒度與結(jié)構(gòu)以及易溶礦物組合等的差異影響。此外，長石在整個反應(yīng)過程中都處于不飽和狀態(tài)，長石發(fā)生的持續(xù)性溶蝕是地質(zhì)時期漫長歷史中產(chǎn)生次生孔隙的主要貢獻者，是形成有效儲層的關(guān)鍵影響因素。根據(jù)模擬實驗過程來估算長石等礦物對儲層產(chǎn)生次生孔隙的貢獻具有現(xiàn)實意義。

圖3 珠江口盆地巖心樣品孔隙度變化Fig.3 Porosity change of core samples in Pearl River Mouth Basin

3.3 溶蝕機制分析

有機酸對硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物表現(xiàn)出不同的溶蝕改造能力，其一方面取決于水巖反應(yīng)過程中的熱力學(xué)機制，具體表現(xiàn)為溶解反應(yīng)是否具有發(fā)生的條件，另一方面則取決于發(fā)生反應(yīng)的礦物在溶解-沉淀反應(yīng)中的動力學(xué)特征，體現(xiàn)在礦物的溶解速率不同［19］。除此之外，參與反應(yīng)的流體性質(zhì)也會產(chǎn)生關(guān)鍵影響。珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)后溶液離子質(zhì)量濃度對比結(jié)果（圖4）顯示，反應(yīng)后的Ca2+總體質(zhì)量濃度較高，而其他陽離子如K+，Na+和Mg2+的質(zhì)量濃度則較低，并且在不同反應(yīng)時長同一樣品發(fā)生離子遷移的種類也有差異。反應(yīng)溶液中的離子含量體現(xiàn)出礦物晶格的離子釋放程度，9 組不同類型的巖心均釋放K+，Na+，Ca2+，Mg2+等陽離子，從反應(yīng)溶液的離子數(shù)據(jù)來看，Ca2+含量總體上要高于K+和Na+，這與水巖反應(yīng)的反應(yīng)速率有關(guān)。關(guān)于溫度和壓力條件會影響有機酸對礦物的溶蝕能力這一問題，范明等［20］的實驗結(jié)果顯示，當(dāng)溫度從常溫升高至200 ℃時，有機酸的溶蝕能力先由弱變強，然后再變?nèi)?。對比本次實驗和以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度和壓力對有機酸溶蝕砂巖能力的影響尚未形成統(tǒng)一觀點，主要是由于采用的模擬實驗方式不同。以往模擬實驗多采用流體與巖石礦物進行溶蝕反應(yīng)，而此次實驗采用有機酸性流體與深部巖心樣品進行反應(yīng)，這在作用方式和水巖比上與深部儲層實際埋藏成巖環(huán)境更為接近。

圖4 珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)后溶液中的離子質(zhì)量濃度Fig.4 Ion mass concentration in solution after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)前、后礦物含量的變化結(jié)果（圖5）顯示，鉀長石和斜長石含量均有所下降，說明酸性流體在反應(yīng)中消耗了這些礦物，同時使得孔隙度得到了提升。地層中的高壓可以抑制黏土礦物發(fā)生轉(zhuǎn)化，延長了有機酸性流體在地層中的作用時間，進一步增加了酸性流體與硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物的接觸時間和溶蝕強度，使次生孔隙得到增加［21］。整體上，異常高壓環(huán)境下的儲層具有較好的物性，也更容易發(fā)育有效儲層［22］。此外反應(yīng)體系的封閉和開放性是影響體系溫度和壓力條件、流體發(fā)生遷移、反應(yīng)平衡方向和溶蝕強度的重要因素。一般情況下，儲層中成巖流體的環(huán)境發(fā)生改變，使得巖石礦物之間通過孔隙流體發(fā)生物質(zhì)交換，進而發(fā)生溶蝕作用。儲層由于斷層或不整合面的存在而構(gòu)成一個非封閉性的化學(xué)系統(tǒng)，溶蝕作用產(chǎn)生的離子被運移到他處，自生礦物不發(fā)生原地沉淀，使得次生孔隙被保留下來，進而改善了儲層物性。結(jié)合本次模擬實驗證實，深部儲層可以產(chǎn)生次生孔隙，這類儲層可以作為有效儲層［23］。

圖5 珠江口盆地巖心樣品反應(yīng)前、后的礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)對比Fig.5 Comparison of mineral mass fraction before and after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin

通過珠江口盆地巖心樣品模擬實驗，對比孔隙發(fā)育情況后得出，有機酸可以對砂巖產(chǎn)生溶蝕作用，因此，下一步可將深部儲層作為尋找規(guī)模儲層的潛在有利區(qū)域，這一認識拓展了盆地油氣勘探領(lǐng)域。結(jié)合地質(zhì)實際來看，成巖過程中碎屑物質(zhì)與孔隙流體發(fā)生離子交換，流體將部分易溶組分帶離，進而以離子形式存在于流體中或于其他位置再次發(fā)生沉淀。如果儲層成巖環(huán)境發(fā)育斷層、裂縫、滲透層、超微孔滲網(wǎng)絡(luò)，溶蝕產(chǎn)生的離子就能被地層流體帶走［24-26］，進而有利于進一步增強溶蝕作用。

3.4 實驗地質(zhì)意義

流體-巖石相互作用貫穿于成儲和成藏過程中，其研究對揭示儲層成因機制與成藏機制等具有重要意義。這一作用破壞了先前成巖環(huán)境的物理化學(xué)平衡狀態(tài)，發(fā)生新的成巖反應(yīng)，產(chǎn)生流體與多種礦物的相互作用，砂巖水巖反應(yīng)過程中成巖物質(zhì)傳輸?shù)谋举|(zhì)是體系中礦物-流體物理化學(xué)作用的平衡過程［27-28］。對珠江口盆地而言，當(dāng)有機酸性流體進入深部儲層后，與儲層內(nèi)的地質(zhì)流體形成了高溫高壓條件下的“乙酸-H2O-砂巖”水巖反應(yīng)體系。模擬實驗結(jié)果表明，在高溫高壓條件下有機酸性流體對巖心內(nèi)的硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物能夠發(fā)生溶蝕作用，深部儲層具有發(fā)育次生孔隙的潛力。珠江口盆地深部儲層成因與地質(zhì)背景獨特，高溫高壓成巖環(huán)境與有機酸性流體的耦合疊加是其區(qū)別于其他含油氣盆地的顯著特征，這種獨特的成儲模式對于豐富和發(fā)展深層成巖、成儲理論以及推動深層勘探具有重要意義。因此，在當(dāng)前深部油氣勘探成本越來越高，風(fēng)險越來越大的背景下，開展高溫高壓水巖反應(yīng)和深部儲層預(yù)測研究，對于提高深層勘探成功率、降低勘探風(fēng)險具有重要現(xiàn)實意義。

4 結(jié)論

（1）通過對珠江口盆地深層溫度為175 ℃和壓力為50 MPa 條件下的水巖模擬實驗，證實了高溫高壓條件下有機酸性流體對巖石礦物具有溶蝕作用，并且發(fā)生了離子遷移現(xiàn)象，釋放出K+，Ca2+，Na+，Mg2+等陽離子，樣品孔隙度得到提升，反應(yīng)后平均提高了5.6%，提升幅度達31.5%。珠江口盆地深部儲層具有一定的儲油能力和勘探潛力，巖石中易溶組分含量以及易溶礦物原生結(jié)構(gòu)影響次生孔隙的發(fā)育。

（2）對少井及無井區(qū)域進行深部地層條件下的水巖反應(yīng)實驗是科學(xué)有效的儲層預(yù)測與評價方法，實驗?zāi)軌蛱峁┌l(fā)生溶蝕作用的證據(jù)，在當(dāng)前深部油氣勘探成本越來越高，風(fēng)險越來越大的油氣勘探背景下，模擬實驗對深部儲層預(yù)測和勘探具有重要現(xiàn)實意義。