白云岩埋藏溶蚀孔洞的形成机理与演化——来自高温高压溶蚀模拟的证据

乔占峰，吕玉珍，陈 薇，佘 敏，邵冠铭，曹 鹏，孙晓伟

1中国石油杭州地质研究院；2中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室

0 前言

白云岩是深层油气勘探的重点领域。我国古老白云岩地层多经历深埋高温高压作用和长期成岩叠加改造[1-3]，经历多种溶蚀作用形成次生孔隙和洞穴而成为重要的油气储集空间[4-6]。油气生产也揭示，溶蚀孔洞的发育程度是控制油气产量的重要因素之一[7]。因此，揭示溶蚀孔洞的形成机制和演化过程对于预测优质白云岩储层分布至关重要。

溶蚀孔洞的形成存在两种机制：一种是早成岩期或表生期的大气水溶蚀作用[8-12]；另一种是埋藏溶蚀作用[13-18]。埋藏溶蚀作用具有特殊性，溶蚀孔隙或孔洞为末端产物，并无对应的成岩产物可以用来直接分析其发生的条件，因此对其形成机制的认识长期以来存在争议。溶蚀模拟实验为溶蚀作用的发生条件及溶蚀过程提供了有效的研究手段。

自20世纪60年代以来，国内外学者[19-24]利用实验方法开展了探索碳酸盐岩溶蚀机理的研究。随着大量深埋碳酸盐岩油气储层的发现，高温高压下碳酸盐岩溶蚀机制的研究成为模拟实验的重点内容，模拟实验条件自然由低温低压发展到高温高压环境，实验样品逐渐由岩石样品取代方解石、白云石等单矿物样品。丁茜等[23]指出埋藏条件下开放体系中方解石溶蚀速率高于白云石；郑剑锋等[24]指出埋藏溶蚀作用对改善微生物白云岩储层渗透率贡献更大。这些研究促进了深埋条件下白云岩溶蚀响应的地质认识不断深入，但是对于白云石晶体特征对溶蚀作用的控制作用以及溶蚀孔洞的形成过程尚不清楚。本文选取深层大量发育的晶粒白云岩，开展柱塞尺度和晶体尺度的高温高压溶蚀模拟实验，以探讨白云岩孔隙的形成和演化过程，明确孔喉结构控制因素和优质储层发育规律。

1 实验方法

实验目的是模拟埋藏条件下白云岩储层的溶蚀效应。实验采用中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室自主设计的连续流动成岩模拟装置。选取塔里木盆地巴楚地区永安坝剖面蓬莱坝组的细中晶白云岩和中粗晶白云岩样品进行实验。在矿物学分析的基础上，针对同一样品开展柱塞尺度和晶体尺度的溶蚀模拟，并进行联合分析。模拟实验之前，通过岩石薄片鉴定确定白云岩类型，利用X射线全岩分析确定白云岩矿物组分、含量和白云岩有序度，通过电子探针确定白云岩晶体镁和钙元素比值。

1.1 柱塞样品内部溶蚀模拟实验

柱塞样品的直径为2.5 cm，长3.5 cm。反应的温度和压力分别设定为100℃、30 MPa；考虑到油田水中所含有机酸以乙酸为主[25]，实验流体采用2 g/L的乙酸溶液（pH=3.857）；流速设定为0.5 mL/min。在实验设定的流速条件下，当反应体系达到稳定态后，对反应后的溶液进行样品采集，共采集2份样品，体积各约为6 mL。对采集的溶液应用Leeman Prodigy全谱直读光谱仪分析Ca2+、Mg2+浓度。为了较好表征白云岩微观溶蚀演化特征，量化分析有机酸对其溶蚀改造的效应，除了进行溶蚀模拟实验外，还应用基于微纳米CT的数字岩心分析、孔隙度和渗透率等测试对岩样进行反应前后的对比分析，分两个阶段进行CT扫描，分别为溶蚀7 h后（第1阶段溶蚀）和14 h后（第2阶段溶蚀）。孔隙度和渗透率测试采用气体孔渗联测仪，型号为海安FYKS-3；本次研究采用的微纳米CT型号为GE V|tomex|s。

1.2 晶体尺度溶蚀模拟实验

将样品制成长度、宽度、厚度分别约为3 cm、2 cm、1 cm的长方体，并进行氩离子抛光。反应的温度和压力分别设定为100℃、30 MPa；实验流体采用1 g/L的乙酸溶液；流速设定为1 mL/min。模拟实验前在低电压模式下进行场发射扫描电镜分析表征白云石晶体特征，包括白云石晶体内部包裹体类型和成分，晶内孔、晶格缺陷、晶体边缘、晶体表面沥青膜发育情况等，并采集对应图像；溶蚀模拟实验分析后，对溶蚀后样品的同一位置再次进行低电压模式下的场发射扫描电镜分析，做到原位对比分析。

2 实验结果

2.1 样品溶蚀前表征

溶蚀模拟实验前对细中晶白云岩和中粗晶白云岩样品进行了详细的表征。细中晶白云岩样品中白云石呈雾心亮边结构，晶间孔较发育，呈三角形或多边形；实测孔隙度为4.02%，渗透率为0.073 1×10-3μm2；白云石晶体密度为2.84 g/cm3，岩石密度为2.73 g/cm3（表1）。中粗晶白云岩样品中白云石以他形中粗晶白云石为主，局部为自形中晶白云石，自形中晶白云石发育部位晶间孔发育，局部见扩溶现象；实测孔隙度为4.33%，渗透率为0.137×10-3μm2；白云石晶体密度为2.82 g/cm3，岩石密度为2.70 g/cm3（表1）。

表1 内部溶蚀实验不同阶段样品参数统计表Table 1 Parameters of samples for internal dissolution experiment in different stages

溶蚀前铸体薄片和扫描电镜照片显示：细晶白云岩中白云石呈自形—半自形，晶间孔发育（图1a），局部白云石晶体接触紧密（图1b），晶体间可见微缝发育（图1c）。晶体内部不同程度发育方解石包裹体（图1c—1f），包裹体于晶核部位相对更发育，晶体边缘欠发育，包裹体粒径多小于5μm。发育大量微孔，微孔形态不规则，孔径可达0.1μm，晶间局部充填硅质（图1e，1f）。

图1 细晶白云岩岩石学图版Fig.1 Micrographs,backscattered electron images and spectra of fine crystalline dolomite

粗晶白云石在普通薄片下呈他形、镶嵌状接触，晶体内可见颗粒结构（图2a）。扫描电镜下可见晶体内发育大量方解石包裹体，部分包裹体粒径大于5μm，形态不规则（图2b，2c），方解石包裹体可发育于白云石晶体的各个部位，晶体核部包裹体相对较小，晶体边缘包裹体相对较大（图2d—2f）；晶体内部微孔发育，形态不规则，呈三角形或多边形，孔径可达1μm（图2b—2d）。电子探针微量元素面扫显示，该类晶体内部除方解石包裹体和晶内孔隙外，元素分布均匀。

图2 粗晶白云岩岩石学图版Fig.2 Micrographs,backscattered electron images and element mappings of coarse crystalline dolomite

2.2 溶蚀前后孔隙变化特征

对柱塞样开展了2个阶段的内部溶蚀实验，每个阶段的实验后，对样品进行孔渗和CT扫描等分析，以检测孔隙变化特征。孔隙演化具有3个方面的特点：

首先，从孔隙体积和孔隙度与渗透率变化来看，2种白云岩的溶蚀响应存在一定差异（图3）。由图3可知，2种类型的白云岩在经历溶蚀改造后，孔隙度和渗透率均显著升高，但是变化过程差别明显。细中晶白云岩经2个阶段共14 h的溶蚀后，孔隙度自4.02%升高到5.42%（图3a），渗透率自0.073 1×10-3μm2升高到1 099.3×10-3μm2（图3b），第1阶段溶蚀造成的孔隙度和渗透率增加幅度明显比第2阶段溶蚀的更大；而中粗晶白云岩经2个阶段共14 h的溶蚀后，孔隙度自4.33%升高到5.91%，渗透率自0.137×10-3μm2升高到1 031.3×10-3μm2，表现为均匀升高（图3）。此外，第1阶段的溶蚀过程中，细中晶白云岩孔隙度和渗透率的升高幅度均明显高于中粗晶白云岩，特别是渗透率升高的幅度更大。

图3 溶蚀模拟实验过程中样品孔隙度和渗透率变化曲线图Fig.3 Graphs showing the changes of porosity and permeability of samples in different stages of dissolution simulation experiments

其次，2种岩石的孔隙类型初始都是孔隙型，受溶蚀改造都有向裂缝-孔洞型演化的趋势（图4）。溶蚀之前，2个样品的基质孔喉半径主体分布于20～60μm，小于100μm；经过第1阶段溶蚀后，基质孔喉半径分布范围扩大，细中晶白云岩最大达150 μm，中粗晶白云岩则达到500μm，同时20～60μm的孔隙占比更大，原先分散的孔隙部分连通形成了较大的孔洞，代表孔隙经历了显著的溶蚀扩大改造；第2阶段溶蚀后，2个样品的基质孔喉半径均达到了约700μm，且此时较大的孔洞也已形成（图4）。

图4 溶蚀前后CT扫描图像与孔喉结构变化Fig.4 Charts showing the changes of CT-Scanning images and pore throat distributions of samples in different stages of experiments

最后，溶蚀作用对孔隙空间的改造效率受孔喉结构控制，优势渗流通道形成后，改造效率显著降低。细中晶白云岩经过第1阶段溶蚀后，沿先期孔隙发生较强烈的溶蚀扩大，并在局部集中发生溶蚀。如图5，沿流体运移方向形成一条溶缝，使得孔隙度和渗透率均明显升高，特别是由于裂缝的形成，使得渗透率显著升高。在第2阶段溶蚀过程中，裂缝作为流体优势渗流通道后，主要表现为对裂缝的溶蚀扩宽，导致一方面样品总体孔隙度升高幅度降低，另一方面由于样品长度有限，溶缝贯通样品后，渗透率升高幅度有限。中粗晶白云岩的溶蚀显示出一定的差异（图6）：第1阶段的溶蚀自方解石斑块开始，形成孔洞并向溶缝演化，同时对周围孔隙发育区进行溶蚀扩大，但是该阶段内未形成贯通的溶缝，因此孔隙度和渗透率表现为同步且相对缓慢的升高；第2阶段的溶蚀基本为第1阶段溶蚀状态的延续，孔隙不断扩大，最后形成贯通缝，周围局部孔隙斑状富集，使得渗透率和溶蚀后的细中晶白云岩样品接近。

图5 细中晶白云岩样溶蚀实验不同阶段孔隙CT扫描图Fig.5 CT-Scanning slices of fine crystalline dolomite sample in different stages of experiments

图6 中粗晶白云岩样溶蚀实验不同阶段孔隙CT扫描图Fig.6 CT-Scanning slices of coarse crystalline dolomite sample in different stages of experiments

2.3 晶体溶蚀响应特征

晶体尺度上，细中晶白云岩和中粗晶白云岩表现出相似的溶蚀响应特点（图7，图8）。2组实验晶体溶蚀均呈蜂窝状，晶间缝溶蚀加大、加深，不平整的晶体表面经溶蚀后变平滑；晶间孔隙边缘溶蚀强度明显更大，晶体边缘变圆滑，溶蚀呈孔洞状；晶体内部孔隙溶蚀扩大明显，且表现出分层递进的溶蚀响应特点。这样的溶蚀特征下，随着溶蚀不断进行，在先期孔隙中可能形成大量的晶体脱落物，对孔隙连通性造成临时的堵塞。

图7 细中晶白云岩溶蚀前后扫描电镜照片Fig.7 Images of Scanning Electron Microscope of fine-medium crystalline dolomite before and after dissolution

图8 中粗晶白云岩溶蚀前后扫描电镜照片Fig.8 Images of Scanning Electron Microscope of medium-coarse crystalline dolomite before and after dissolution

2.4 溶蚀速率变化特征

实验过程中，对反应溶液进行定时取样，然后进行Ca2+、Mg2+浓度分析，认识反应速率变化。

根据反应溶液中Ca2+、Mg2+浓度的变化可知，总体上，随着溶蚀反应的进行，溶蚀速率以逐渐下降为趋势，但表现出明显的分段性（图9）。溶蚀反应初期（0～3 h期间），2种岩石的溶蚀速率比较接近，下降趋势一致；溶蚀反应中期（3～8 h期间），中粗晶白云岩的溶蚀速率明显高于细中晶白云岩；溶蚀反应后期（8～13 h），2种岩石的溶蚀速率总体进入平台期，细中晶白云岩的溶蚀速率明显高于中粗晶白云岩，且有逐步升高的变化过程。细中晶白云岩溶蚀速率逐渐升高的原因推测可能是，由于第1阶段溶蚀后进行孔渗测定期间，样品内部细小晶体脱落进行了重置，对孔喉进行堵塞而影响了渗透性，导致在第2阶段溶蚀的过程中溶蚀速率提升。在溶蚀反应末期Ca2+、Mg2+浓度显著降低意味着优势通道再次形成。

图9 溶蚀实验过程反应溶液中钙镁离子浓度变化曲线图Fig.9 Graphs showing the changes of Ca2++Mg2+in solution during the experiment

通过钙镁离子浓度比可以判断不同阶段的矿物溶蚀特征。总体上，2种白云岩的反应溶液中钙镁离子浓度比值逐渐下降（图10），但表现出不同的变化趋势。细中晶白云岩在经历了3 h的溶蚀后，反应溶液中钙镁离子浓度比值略有波动，但基本保持在1.1左右；而中粗晶白云岩则一直保持较高水平的钙镁离子浓度比，并逐渐下降，在溶蚀反应后期下降幅度变缓，而且钙镁离子浓度比一直高于细中晶白云岩（图10）。

图10 溶蚀实验过程反应溶液中钙镁离子浓度比变化曲线图Fig.10 Graphs showing the changes of Ca2+/Mg2+in solution during the experiment

3 讨论

由于实验条件限制，柱塞样直径仅为2.5 cm、长3.5 cm，远小于实际地质环境中的反应尺度，这导致实验中过早形成了溶缝，因此不能完全代表地质环境中溶蚀反应的过程。但是，反应过程中孔隙类型、孔渗和溶蚀速率变化特征反映了白云岩的埋藏溶蚀改造存在3个方面的特点。

3.1 白云岩经埋藏溶蚀趋于向孔洞型演变

不同尺度的溶蚀模拟实验揭示，2种类型白云岩在埋藏溶蚀过程中都具有从孔隙型向孔隙-孔洞型演化的趋势。

首先，晶体尺度上白云石的溶蚀以孔隙周缘最强，主要表现为对先期孔隙的扩溶。通过对溶蚀后柱塞样的切片分析可知，在贯通缝周围，原孔隙发育部位存在较显著的扩溶。不同白云岩类型孔隙扩溶特征表现出一定的差异：中粗晶白云岩孔隙经扩溶后呈斑状富集，向孔洞发育的趋势更为明显；而细中晶白云岩更多表现为对孔隙的均匀扩溶，演化为孔隙-孔洞型。

其次，在白云岩中形成了通畅的贯通缝后，溶蚀效率和渗透率增加幅度明显降低。由此可见，放大到地质体中，在形成一定尺度的溶缝后，溶缝发育部位的溶蚀强度会显著降低，溶蚀作用主要发育区即转移到周围的孔隙发育部位，形成一系列断续连通的孔洞。这也是白云岩储层中多见孔洞，而少见大型洞穴和溶缝的原因。

3.2 白云岩孔隙类型和发育程度控制埋藏溶蚀速率

溶蚀模拟实验中，在同等浓度酸性流体作用的情况下，孔隙类型和孔隙发育程度对埋藏溶蚀速率具有明显控制作用。反应初期，岩石以孔隙型为特征，流体呈弥散型流动，反应面积大，故而溶蚀速率高，孔隙度和渗透率都有显著提升，且渗透率提升更为明显。随着溶蚀反应持续，孔隙逐渐被溶蚀扩大进而连通，导致溶缝发育而形成优势渗流通道，反应面积变小，溶蚀速率降低，对孔隙度和渗透率的改造相对变弱。第2阶段溶蚀中，细中晶白云岩溶蚀速率的提升，可能是由于第1次溶蚀后，测试孔渗的过程中细小颗粒脱落发生重置，堵塞部分孔喉，使得酸性流体向周围孔隙扩散，溶蚀面积再次变大，从而导致溶蚀速率升高。随后在溶蚀实验末期，溶缝再一次形成，而且连通性更好，导致溶蚀速率显著降低。因此，对于深层白云岩来说，孔隙连通性太差和太好都不利于大规模的埋藏溶蚀改造。

3.3 埋藏溶蚀最初以优先溶蚀高钙白云石或方解石为特点

中粗晶白云岩中方解石或高钙白云石含量更高，初期溶蚀速率也比细中晶白云岩高，随着反应进行，溶液中钙镁离子浓度比逐渐下降。细中晶白云岩在进入溶蚀第2阶段后，矿物成分基本一致，以白云石为主，溶蚀速率可能主要受孔隙类型和反应面积控制。

2种白云岩类型在埋藏环境有机酸的作用下，均具有较强的溶蚀潜力，且溶蚀作用自先期孔隙逐渐扩大；在先期孔隙不发育的条件下，有机酸难以渗透进入岩石内部，溶蚀强度相应减弱。因此，尽管2种白云岩类型在实验室条件下具有相似的溶蚀潜力，但是，细中晶白云岩总体具有更好的先期孔隙发育条件[26-27]，在地下埋藏环境有充足酸性流体作用的条件下，更易于接受强烈的埋藏溶蚀改造，更具有成为优质储层的潜力，而且表现为对先期孔隙的溶蚀扩大，形成孔隙-孔洞型储层。因其为准同生白云石化滩经埋藏白云石化改造而成[26-27]，具有更好的相控性，具有大规模发育的潜力，应是深层油气勘探的重点。

4 结论

通过高温高压溶蚀模拟实验，结合孔隙表象变化和溶液成分变化监测，探索了不同类型白云岩的埋藏溶蚀规律：①白云岩在埋藏溶蚀改造条件下具有自孔隙型向孔洞型储层转变的趋势；②白云岩孔隙类型和孔隙发育程度控制埋藏溶蚀速率，孔隙连通性太差和太好均会导致溶蚀速率的降低；③高钙白云石更易于接受埋藏溶蚀改造。综合以上因素认为，准同生白云石化滩经埋藏白云石化改造形成的细中晶白云岩具有较好的初始孔隙度和适当的孔隙连通性，易于被埋藏溶蚀优先改造，因其具有较好的相控性，有利于规模优质储层发育，是深层油气勘探的重要方向。