大气淡水在碎屑岩次生孔隙形成中的作用

杨 朋

（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学，四川 成都 610059）

大气淡水在碎屑岩次生孔隙形成中的作用

杨 朋

（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·成都理工大学，四川 成都 610059）

在水岩反应的基础上，从岩石物性，长石、石英溶蚀形成的次生孔隙以及离子的浓度变化等证据出发，阐明大气淡水在碎屑岩次生孔隙形成中的作用，为深层碎屑岩储层中次生孔隙发育带的预测提供理论依据。实验结果表明，在开放环境中，水溶液变为不饱和，有利于矿物发生溶蚀，在有机质含量高的环境下，长石岩屑会大量溶解，最后长石的溶解速率在酸性区域随pH值增大而减小、在中性区域溶解速率低且受影响小、在碱性区域随pH值增大而增大，而在碱性环境下，石英也能发生溶蚀。

大气淡水 碎屑岩 次生孔隙 溶蚀作用

0 引言

碎屑岩储层的次生孔隙自从1934年被Nutting提出来之后，一直没有得到足够的重视，直到20世纪70年代才取得了砂岩储层研究中最重要的突破——确认发现了大量的次生孔隙，1979年volk-mar等人系统地分析了次生孔隙的各种形成机理，使人们认识到次生孔隙对油气勘探的重要性［1］。进入20世纪80年代人们普遍认为碎屑岩次生孔隙的形成机理主要有羧酸、高温硅酸盐水解、硅酸、TSR机理、大气淡水等［2-7］。上述机理中，干酪根生烃形成的羧酸溶蚀一直被认为是造成次生孔隙发育的最主要原因，据R.C.Surdam等的实验证明醋酸盐溶液在同等条件下可使铝溶解度增加1个数量级，草酸则可使铝溶解度增加3个数量级（Surdam，1984）［8］。但是随着研究的深入，这种观点受到越来越多的挑战，如：水样分析中显示地层水的有机酸含量太少不足以形成众多的次生孔隙以及烃源岩附近砂岩的次生孔隙并不是最发育的等。到20世纪90年代，大气淡水对砂岩中不稳定骨架颗粒的溶蚀而产生次生孔隙引起了人们的注意［9-12］，黄思静等对鄂尔多斯盆地三叠系延长组砂岩次生孔隙形成也提出了大气水淋滤作用的新见解［13］。笔者以水岩反应的实验为基础，从岩石物性，长石、石英溶蚀形成的次生孔隙以及离子的浓度变化等证据出发，试图阐明大气淡水在碎屑岩次生孔隙形成中的作用，为深层致密碎屑岩储层中次生孔隙发育带的预测提供一种理论依据。

1 实验样品与过程

1.1 实验样品

本次实验中的样品包括湖水（取自广西的澄碧河水库，后经过滤）、长石、石英（均取自花岗母岩）、泥（取自澄碧河水库）。其中澄碧河水库中的沉积物大部分来自基岩侵蚀，少部分为上游河水带来，采样点湖水深度约10m，河流带来的悬浮颗粒主要沉积于此。

1.2 实验过程

1）Ⅰ号装置中放置一根全封闭的玻管，在其中加入5g的长石和石英，再加入100mL已过滤的澄碧河水样，密封，恒温恒压下模拟淡水溶解的封闭体系，整个装置用玻盖封闭。

2）Ⅱ号装置中放置一根具有一定渗透性的隔板的玻管，在玻管内加5g的长石和石英，加入100mL澄碧河水样，恒温恒压下模拟淡水溶解的开放体系，整个装置用玻盖封闭。

3）Ⅲ号装置中同样具有与Ⅱ号装置相同的玻管，加入5g的长石和石英，另外再多加入10g泥，同样加入水样，恒温恒压下模拟腐殖酸溶解的开放体系，整个装置用玻盖封闭。

4）分别将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号装置置于25℃恒温水溶锅中。

5）每隔7d时间取样，检测流体中各种离子的浓度变化值。

具体实验装置如图1所示。

2 实验结果

2.1 水样中离子浓度的变化

所取湖水水样中的阳离子主要为Na+、Ca2+、 Mg2+、K+，阴离子主要为HCO3-、SO42-、Cl-。根据实验中湖水（Na+－Cl-）／SO42-＜1，湖水的水型为硫酸钠型，其主要离子浓度见表1。

表1 湖水主要离子浓度表

为了对不同的体系中钾长石与石英的溶蚀速率进行对比，每隔7d对水样分别抽样化验，经过60d的反应，得到3个不同体系中水样的主要离子的浓度变化曲线（图2），可见3种不同的体系中各种离子的浓度变化曲线不尽相同，下面就几种主要的且浓度变化较为明显的离子作进一步的分析研究。

取检验量的最大值与门限进行比较，若超过门限值，则认为捕获成功，若未超过门限值，继续搜索下一个码相位和频点，直到捕获成功或者所有的码相位和频点都搜索完成且检验量的最大值没有超过门限，此时再用码相位比较法[15]进行捕获判决。捕获的结果采用码相位判决方法是进行R次捕获，，这R次捕获结果中，每次保留最大K个相关值及其对应的码相位、多普勒频偏、采样时间，以其中一个码相位为基准，根据码速率和时间去推测其他码相位，若码相位差值的和小于一定的阈值，则认为捕获成功。否则遍历集合的下一个点，直到捕获成功或者集合中的点遍历完还未超过阈值，则认为捕获失败。

1）有泥开放体系即Ⅲ号装置中Al离子的溶出速度比封闭体系、无泥开放体系即Ⅰ、Ⅱ号装置中要快，而且经过60d的反应后，有泥开放体系中抽检水样的累积的Al离子含量高。并且相对于封闭体系即Ⅰ号装置，开放体系即Ⅱ、Ⅲ号装置中累积的Al离子含量要远高于封闭体系（图3）。

图2 不同装置中各种离子的浓度变化曲线图

图3 不同体系中Al离子含量变化图

2）通过每周对各种体系中水样的化验，发现在有泥体系（Ⅲ号装置）中K离子含量最高，究其原因，认为是粘土矿物提供了大量K离子来源。而且溶出的最快速率是发生在最开始的7d之内，之后随着天数的增加，溶出速度减慢，表明K离子很容易进入溶液（图4）。

3）原始湖水中Ca离子的含量为20.86mg／L，通过一段时间的实验反应，发现有泥体系中Ca离子的含量升高较明显，是由于粘土中原始的Ca离子含量高，而在无泥的封闭体系中Ca离子含量基本稳定在原始湖水的水平，最后无泥开放体系中Ca离子累积含量稍高，究其原因可能是开放体系中受到流体交换后Ca离子不断得到补充的影响（图5）。

2.2 镜下观察结果

图4 不同体系中K离子含量变化图

图5 不同体系中Ca离子含量变化图

为了客观地研究不同体系中样品所发生的溶蚀变化，每间隔30d将样品取出进行扫描电镜观察，这样能够更真实地反应样品的孔隙变化。现将反应前与反应后3个体系的样品进行比较，可以发现与反应前的原样相比，3个体系中的长石矿物类样品均有不同程度的溶蚀，溶蚀后颗粒边缘的孔隙、裂缝增多，组构发生显著的变化。其中含泥的开放体系中长石类矿物溶蚀最为剧烈，表面都出现了大量的次生微孔隙，边缘呈港湾状，棱角化变钝，解理缝扩大；无泥的开放体系次之，但仍可见溶蚀产生微裂缝；封闭体系则溶蚀量最少。

而在3种体系中，只有开放无泥体系和封闭体系发生了石英的溶蚀，表面凹凸起伏，大量的凹坑形成蜂窝状溶孔，其中开放无泥体系中凹坑加深，且更为致密。而开放有泥体系中的石英岩面则基本上没有发现溶蚀现象。

3 实验结果讨论

3.1 大气淡水的组成

大气淡水主要来自地面及地表水体——江河、湖泊的蒸发、植物的蒸腾以及冰雪的升华而进入大气之中，大气淡水的盐度比较低，且具有低离子强度，Ca离子浓度是不断变化的，并且含有少量的K离子、Sr离子、Mn离子、Fe离子、Si离子、CO32-等，贫Mg离子、Na离子。

在潮温气候条件下，临近湖泊的植被茂盛，土壤中含有大量的粘土矿物，由于有植被残落物和根系以及土壤生物的存在，使得土壤中有机质含量升高，土壤有机质的主要部分便是土壤腐殖质，腐殖质溶解后便产生腐殖酸，腐殖酸对土壤矿质部分有一定的溶解能力，同时部分有机酸能够络合金属离子而保留于土壤中。因此植被丰富区的大气淡水中腐殖酸以及某些金属离子含量有所增加，水体溶液呈弱酸性。

3.2 不同体系溶蚀能力的比较

长石类是碎屑岩中最常见的矿物类型，大量的岩相学证据和物性特征表明，碎屑岩中次生孔隙的产生主要是由长石的溶蚀造成的。由上面的实验结果观察可发现含泥的开放体系中，长石的溶蚀最为显著，溶蚀后的长石表面出现了大量的次生微孔隙；不含泥的开放体系中长石溶蚀量次之，主要沿着双晶缝或解理缝选择性溶解；而封闭体系中只在长石碎屑边缘发生微弱的溶蚀。而在扫描电镜下观察到的石英溶蚀作用则有所不同，其中含泥开放体系石英表面基本无溶蚀孔洞，不含泥的开放和全封闭体系中，石英岩面均凹凸起伏，出现了蜂窝状溶孔，其中不含泥的开放系统溶蚀孔洞最为致密。究其原因，笔者认为有以下几点：

1）在开放体系中，由于水溶液能充分与CO2接触并形成碳酸，而在酸性条件下，H+易与长石表面的碱性阳离子发生交换反应，于是发生溶蚀作用，因此开放体系中，长石类的溶蚀较封闭体系明显。

2）开放体系中若含有泥，则土壤有机质较为丰富，而有机阴离子能络合Al3+并形成络合物溶于水，同时有机质的不同演化阶段释放CO2，使反应溶液的pH值继续降低，经测试小于或等于6.4，进一步提高长石的溶解度，所以该体系中长石类的溶蚀最为剧烈，同时由于该体系属于弱酸性环境，因此石英不发生溶解。

3）在不含泥的开放体系和封闭体系中，由于湖水中是极不饱和SiO2，含Si矿物会持续溶解，pH值为7左右。同时在开放的不含泥体系的整个反应过程中，开始是由碳酸构成的酸性环境选择性地溶蚀硅铝酸盐矿物，促进长石类次生孔隙的发育，随着碳酸对其他易溶矿物的溶蚀，其自身也被消耗，溶液介质逐渐由酸性向碱性转变。H+的消耗，弱酸根的水解，碱金属离子的进入等多种因素使溶液的pH值升高，经测试达到7.2，这样石英以及含铝、硅元素的硅铝酸盐矿物就会在碱性溶液中发生溶蚀。

3.3 大气淡水溶蚀机理的影响因素

3.3.1 有机质的含量

由于有机酸是有机质演化而来的，这样就将有机质的成熟演化与粘土矿物的转化和砂岩的成岩作用联系起来，从而进入砂岩层中后便打破了原有矿物体系与溶液间的平衡，加速了硅铝酸盐等不稳定矿物成分的溶解与转化，因此提高了砂岩层的溶蚀度。有机酸对硅铝酸盐矿物的溶解有两种机理：一是羧酸与Al3+结合并形成络合物溶于水，导致硅铝酸盐矿物的溶解和次生孔隙的形成，发生反应的化学方程式如下：

KAlSi3O8（钾长石）＋H2C2O4＋8H2O＋2H+＝3H4SiO4+AlC2O4＋4H2O（络合物）＋K+

二是有机阴离子的分泌伴随着质子的泌出，使得含泥体系中大气淡水的pH值降低，同时有机质向烃类转化过程中释放出大量CO2，使孔隙介质流体介质呈酸性，而H+能使长石发生蚀变，从而使矿物孔隙增加，发生反应的化学方程式如下：

2KAlSi3O8＋2H+＋H2O＝Al2Si2O5（OH）4＋4SiO2＋2K+

因此含有丰富的有机质会有利于次生孔隙的形成。由此可得，有机质对水岩反应的影响是通过提供H＋、改变pH值、络合金属元素，从而提高矿物的溶解度。

3.3.2 大气淡水的酸碱度

长石类矿物在酸性流体存在的条件下易发生溶蚀反应，在开放体系中，大气淡水充分与CO2相接触，并形成碳酸，离解后产生H+，溶解碎屑岩中的酸溶性组分从而产生次生孔隙，长石的溶解作用是随储集层中液体所含CO2浓度的增加而增大的，表明在碎屑岩中CO2与次生孔隙的形成有密切关系。同样的，J.G.Southwick等都研究了在碱性条件下长石类硅铝酸盐和石英等矿物也易溶蚀。而我们的实验过程也同样证明了这点，在酸性和碱性环境下，长石类硅铝酸盐均能发生溶蚀，而在中性条件下，溶解效率较低。而随着H+的消耗，弱酸根的水解，碱性增强，则能选择性地溶蚀含SiO2的矿物。

3.3.3 水体的流动性

在自然界不流动的水质很容易达到饱和状态，处于流动状态的水，有时虽然达到饱和，但水体的流动性能使不同浓度的饱和水溶液相混合产生混合溶蚀作用，可变为不饱和而重新获得溶蚀能力，因此经常流动的水体能大大提高水的溶蚀力。同时流水能经常与空气保持接触，CO2有良好的接触关系，只有不断地加入CO2，水的溶解能力才能有重要的岩溶意义。最后水的流动可以为离子之间的转换提供运移通道。

4 结论

1）开放体系中的溶蚀效果比封闭体系要好。由于开放体系中水体的流动性要优于封闭体系，而且与大气中的CO2接触较充分，使得水溶液变为不饱和，易于矿物发生溶蚀。

2）有机质能转化为有机酸，有机酸离解产生H+并溶蚀碎屑岩中的酸溶性组分，同时有机酸阴离子的存在能络合A13+并呈络合物形成溶于水，导致长石岩屑大量溶解。

3）长石的溶解速率在酸性区域随pH值增大而减小、在中性区域溶解速率低且受影响小、在碱性区域随pH值增大而增大，而在碱性环境下，石英也能发生溶蚀。

4）充足的水体和良好的流动性对次生孔隙的产生有益。

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（编辑：卢栎羽）

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2095-1132（2014）01-0016-05

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.005

2013-06-17

2013-11-27

杨朋（1987-），硕士研究生，研究方向为油气成藏规律研究。E-mail：284373280@qq.com。