準噶爾盆地瑪西斜坡區百口泉組砂礫巖埋藏溶蝕作用實驗模擬研究

單祥，郭華軍，陳希光，郭旭光，佘敏，李亞哲

1.中國石油杭州地質研究院，杭州 310023

2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 834000

0 引言

次生孔隙是碎屑巖儲層一類重要的儲集空間類型，特別是對于深部儲層，原生孔隙受壓實和膠結作用損失殆盡，是否發育次生孔隙成為儲層有效性的關鍵[1-3]。Schmidtet al.[4]于1977年提出碎屑巖次生孔隙理論，隨后提出有機質脫羥形成碳酸溶蝕假說[5]。Meshri[6]進一步提出了烴源巖演化釋放短鏈有機酸溶蝕假說，解決了碳酸供給H+量與儲層次生孔隙溶蝕規模不匹配問題，隨后該假說得到室內有機質生酸實驗的證實[7-9]。目前，國內外石油地質學家普遍認為，有機質熱演化釋放有機酸溶蝕儲層中的碎屑顆粒與膠結物是次生孔隙形成的重要機制[1-14]。同時，國內外眾多學者開展了一系列模擬實驗[15-20]，旨在探討有機酸對長石類鋁硅酸鹽礦物的溶蝕機理以及溶蝕控制因素，并認識到有機酸類型、流體pH值、長石成分、結構、反應溫壓條件等影響長石溶解。目前，公開報道的溶蝕模擬實驗大多為單一礦物表面溶蝕實驗[15-19]，主要針對長石礦物的溶蝕機理以及溶蝕影響因素，如黃思靜等[16]研究不同溫度條件下乙酸對長石的溶蝕過程，證實條紋長石溶蝕過程中金屬陽離子優先釋放，Si最后釋放，并且溫度升高對Si影響最大。陳傳平等[15]開展不同類型有機酸對長石的溶蝕實驗，證實多官能團有機酸與SiO2形成多環螯合物能促進長石溶蝕和Si的遷移。表面溶蝕實驗不能模擬地下高溫高壓狀態下流體經由巖石內部流過的內部溶蝕狀態，且無法得到溶蝕后巖石孔隙結構的變化信息。楊俊杰等[17]開展開放體系長石溶蝕實驗，證實鋁硅酸鹽礦物溶蝕可以有效增加儲層孔隙度，改善儲層孔隙結構；季漢成等[19]進行開放—半開放體系乙酸溶蝕實驗，明確了乙酸溶蝕鋁硅酸鹽礦物可提高儲層孔隙度，且鈉長石比鉀長石更易溶。前人實驗對溶蝕后孔隙結構的變化研究不夠深入，且未考慮泥質含量對溶蝕作用的影響，本次實驗旨在深化此方面的認識。

準噶爾盆地瑪湖凹陷百口泉組獲得重大油氣發現[21]，其儲層埋深較大，表現為特低孔滲、強非均質性特征，次生溶蝕孔隙是儲層最重要的儲集空間類型之一[22-23]。前人對瑪湖凹陷百口泉組次生孔隙成因、成巖演化過程和儲層形成控制因素等進行研究，取得了眾多重要認識[22-26]，但從溶蝕模擬實驗角度出發，對百口泉組砂礫巖儲層溶蝕作用影響因素以及溶蝕作用如何改變儲層孔隙結構的研究未見報道。因此，本文通過高溫高壓內部溶蝕模擬實驗，對瑪湖凹陷百口泉組溶蝕作用進行研究，以揭示溶孔形成控制因素，為明確次生孔隙成因和尋找規模優質儲層提供依據，支撐下一步油氣勘探開發。

1 研究區概況

瑪湖凹陷位于準噶爾盆地西北緣斷階帶下盤，西靠烏夏斷裂帶，南接中拐凸起，東抵達巴松凸起與夏鹽凸起，北達石英灘凸起與英西凹陷，研究區位于準噶爾盆地瑪湖凹陷西斜坡區（簡稱瑪西斜坡區）（圖1a）。研究層位為三疊系百口泉組，根據內部巖性旋回自下而上又可分為三段，百一段（T1b1）、百二段（T1b2）、百三段（T1b3）（圖1b）。海西運動末期，準噶爾—吐魯番板塊向哈薩克斯坦板塊俯沖、消減以致發生碰撞，使西北緣地區成為碰撞隆起帶以及與隆起帶相鄰的碰撞前陸型海相沉積盆地；晚二疊世，隨著海水退出，西北緣地區繼承性發育成為前陸型陸相盆地[27]。由于持續性的構造隆升，西北緣扎伊爾山和哈拉阿拉特山為瑪湖凹陷提供了充足的物源，在凹陷西環帶形成了近源粗粒扇三角洲群，研究區百口泉組主要發育扇三角洲沉積體系[28]（圖1a）。

圖1 研究區瑪湖凹陷位置及取樣井分布Fig.1 Location of Mahu Depression and sampling well

瑪西斜坡區百口泉組巖石類型以巖屑砂礫巖為主，礫石成分主要為凝灰巖和花崗巖，對砂礫巖薄片中砂級部分的巖礦組分進行鑒定和統計，瑪西斜坡區石英平均含量20.28%，長石平均含量22.08%，花崗巖巖屑平均含量17.21%，凝灰巖巖屑平均含量40.43%，儲層中長石和花崗巖巖屑含量高，存在發育溶孔的物質基礎。填隙物以泥雜基為主，含量為2%～10%。總體上，礫巖分選和磨圓相對較差，但（含礫）中粗砂巖分選和磨圓相對較好。瑪西斜坡區百口泉組孔隙度為1.9%～16.8%，平均8.48%，滲透率為（0.01～464）×10-3μm2，平均5.54×10-3μm2，為低孔低滲儲層。孔隙類型以溶孔為主，溶孔面孔率占到鑄體薄片總面孔率的60%以上。儲層中大量發育的鉀長石和酸性斜長石為溶孔發育奠定了物質基礎，薄片下和掃描電鏡下均可觀察到長石溶蝕成蜂窩狀或鏤空狀。

前人研究表明，瑪湖凹陷百口泉組成巖作用處于晚成巖階段B期[26]，現今地層溫度約120 ℃，壓實作用是造成原生孔隙損失的主要原因，溶蝕作用則有效改善了儲層物性，溶蝕作用增加了約5%的孔隙度，是形成低滲背景下優質儲層的關鍵因素[26]。本次研究重點查證有機酸內部溶蝕對于儲集空間的改善作用以及不同泥雜基含量砂礫巖在不同溫度下的溶蝕差異。

2 實驗方案設計

2.1 實驗樣品制備

實驗樣品須滿足2個條件：一是樣品成分盡量保持一致，有助于溶蝕對比實驗；二是樣品滲透率須達到1×10-3μm2以上，保證實驗流體能順利通過樣品內部。本次實驗樣品取自AH1 和M18 井（圖1a），利用巖心鉆機獲取長約3 cm、直徑約2.5 cm 的柱塞樣用于溶蝕實驗，同時在同一柱塞上切取薄片進行巖礦分析。取樣深度分別為AH1井3 854.2 m，3 855.6 m，M18井3 856.5 m，巖性均為砂礫巖。橫向上，取樣井間隔較近，處于同一物源體系下的扇三角洲前緣沉積環境，縱向上取樣間隔較近，可以約束三塊樣品巖礦成分具一致性。薄片鑒定結果表明，實驗樣品巖性均為巖屑砂礫巖，AH1 井3 854.2 m 樣品石英含量12%，長石含量16%，巖屑72%，泥質含量8%，碳酸鹽膠結物含量4%，為高泥雜基含量砂礫巖（圖2a，b）；M18井3 856.5 m樣品石英含量10%，長石含量17%，巖屑含量73%，泥質含量2%，碳酸鹽膠結物含量1%，為低泥雜基含量砂礫巖（圖2c，d）。實驗樣品物性，AH1 井3 854.2 m 樣品孔隙度5.85%，滲透率2.45×10-3μm2；3 855.6 m 樣品孔隙度8.43%，滲透率11.89×10-3μm2；M18 井3 856.5 m 樣品孔隙度7.58%，滲透率6.58×10-3μm2（表1）。

表1 溶蝕實驗樣品信息表Table 1 Data for dissolution experiment samples

圖2 瑪西斜坡區百口泉組實驗樣品特征（a）高泥雜基砂礫巖柱塞，AH1井，3 854.2 m；（b）薄片顯示礫間褐色泥雜基含量高，AH1井，3 854.2 m；（c）低泥雜基砂礫巖柱塞，M18井，3 856.5 m；（d）薄片表明礫間泥雜基含量較低，M18井，3 856.5 mFig.2 Features of dissolution experiment samples from Baikouquan Formation, western slope of the Mahu Sag

2.2 實驗設備

本次溶蝕實驗及實驗前后儲層表征工作是在中國石油杭州地質研究院碳酸鹽巖儲層重點實驗室完成的。溶蝕實驗儀器采用杭州地質研究院自主設計的高溫高壓溶蝕動力學模擬裝置（圖3），其包含一個巖石內部溶蝕系統，反應釜為高溫高壓巖心夾持器，最高工作溫度400 ℃、最高工作壓力100 MPa。利用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICPOES）對溶蝕實驗反應生成液中的Si4+、Al3+等陽離子濃度進行測定。利用FYKS-3 型覆壓孔滲聯合測試儀，對實驗前后樣品物性進行測定，測試環境為大氣壓101.1 kPa，溫度25 ℃，濕度60%RH。實驗前后柱塞樣品儲集空間的三維表征是利用通用電氣生產的定制化CT 裝置VtomeX 實現的，2.5 cm 柱塞樣品掃描分辨率達8 μm。實驗前后樣品表面形態的表征是在FEI Inspect S50 型掃描電子顯微鏡上進行的。

圖3 溶蝕模擬實驗裝置示意圖1.反應液儲液罐；2.流體泵；3.高壓緩沖容器；4.預熱器；5.樣品；6.反應釜（帶樣品夾持器）；7.反應生成液儲液罐Fig.3 Schematic of simulation device for dissolution experiments

2.3 實驗方案

碎屑巖的埋藏溶蝕作用與深部有機質熱演化釋放有機酸溶蝕鋁硅酸鹽巖有關，以往溶蝕模擬多為單礦物的表面溶蝕實驗，對碎屑巖內部溶蝕實驗模擬方面研究的不夠，本次實驗著重研究溶蝕后儲層物性、孔隙結構的變化，以及埋藏環境下溫度和泥質含量對碎屑巖儲層有機酸溶蝕效應的影響。

本次水—巖模擬實驗是在開放條件下進行的。根據瑪西斜坡區28件覆蓋侏羅系和三疊系儲層的地層水分析數據，71%的地層水樣品為NaHCO3型，約29%的地層水為CaCl2型。從淺層向深層，地層水總礦化度變化不大，整體介于2.69～25.12 g/L。同時Ca2+、Mg2+、K++Na+、Cl-等多種離子濃度隨深度增加沒有顯著的變化（圖4）。在發生強烈長石溶蝕且僅有少量次生礦物沉淀的情況下，地層水礦化度和離子濃度應急劇升高。瑪西地區這種礦化度隨深度增加無明顯變化的特點表明不同來源的地層水發生了強烈的混合作用，表明百口泉組水—巖反應處于開放體系下。

圖4 瑪西斜坡區不同深度地層水礦化度及離子濃度垂向分布特征Fig.4 Salinity and concentration of different ions in porewaters in the western slope of the Mahu Sag

瑪西斜坡區百口泉組儲層鑄體薄片下長石普遍發生溶蝕，且溶蝕程度很高，常見鉀長石溶蝕成窗欞狀，部分鉀長石溶蝕形成鑄模孔（圖5），這種溶蝕特征表明長石溶蝕發生在壓實作用將顆粒調整到現今接觸狀態之后，即深埋藏期，否則這些溶蝕的長石及鑄模孔必然受到壓實作用的破壞而不能保存下來，埋藏期的溶蝕流體介質最可能是有機酸。康遜等研究表明[23]，瑪西斜坡區百口泉組烴類充注強度和長石溶蝕程度具有強相關性，這一證據表明酸性含烴流體與巖石發生相互作用并產生次生孔隙。油田水所含有機酸主要以乙酸為主，處于排酸高峰時期的油田水pH值可達3.8～6[29]。前人研究表明，有機酸溶蝕鋁硅酸鹽巖速率慢，為了加快反應速率，減少反應時間，本次實驗用純乙酸試劑和去離子水配置成質量濃度為2%、pH值約為2.4的強乙酸溶液，以縮短實驗周期。前人研究表明，壓力對有機酸溶蝕硅酸鹽巖的影響較小[30]，因此此次實驗采用恒定壓力10 MPa。設計了2 種流體連續流動的開放體系溶蝕模擬方案（表2）：①針對砂礫巖溶蝕增孔效率，孔隙結構變化特征；實驗過程為同一樣品（AH1 井，3 855.6 m），固定溫壓條件下進行酸蝕實驗，對比實驗前后礦物形貌、物性、孔隙結構變化特征。反應流體為濃度2%乙酸溶液，流體流速為1 mL/min，實驗溫度120 ℃，壓力10 MPa，反應時間共計23 h。②針對溫度、泥質含量對長石溶蝕的影響；取兩塊泥質含量不同的樣品（AH1井，3 854.2 m，M18井3 856.5 m）進行變溫度下的酸蝕實驗，對比長石溶蝕量的大小。反應流體為濃度2%乙酸溶液，流體流速為1 mL/min，實驗溫度分別為80 ℃、100 ℃、120 ℃、140 ℃，壓力恒定為10 MPa，反應時間為每個溫度點2 h。

表2 高溫高壓溶蝕模擬實驗條件設計表Table 2 Design table of dissolution experimental conditions at high temperatures and pressures

圖5 瑪西斜坡區百口泉組鑄體薄片長石溶蝕特征（a）AH1井，3 859.75 m，T1b1，砂礫巖；（b）M18井，3 873.33 m，T1b2，砂礫巖Fig.5 Thin section showing features of feldspar dissolution, Baikouquan Formation, western slope of the Mahu Sag

3 實驗結果

3.1 實驗①結果

初始孔隙度8.43%，滲透率11.89×10-3μm2的砂礫巖樣品在開放體系下，受1 mL/min、2%質量濃度的乙酸溶蝕23 h 之后，孔隙度增至9.00%，滲透率增至16.19×10-3μm2，孔隙度增長了0.57%，滲透率增長了4.30×10-3μm2。利用掃描電鏡對反應前后礦物表面進行原位對比發現，溶蝕前長石礦物表面較平坦，無明顯的溶蝕孔洞（圖6a，b），溶蝕后長石礦物表面形成若干微小的溶蝕孔隙（圖6c），且部分粒間孔隙被溶蝕增大（圖6d）。根據反應前后柱塞樣品CT 掃描數據，溶蝕反應有效地擴展了部分粒間孔和儲層喉道（圖7a，b），儲層連通孔隙體積由溶蝕前37.82%增至41.97%（圖7c，d），平均孔隙半徑由溶蝕前的18.6μm 增至19.2μm，平均喉道半徑也由溶蝕前的12.58μm增至13μm，并且溶蝕作用對小孔隙和小喉道改善明顯（圖8）。

圖6 反應前后樣品表面形態掃描電鏡照片Fig.6 Microscopic morphology of sample surfaces before and after dissolution experiments

圖7 溶蝕反應前后樣品孔隙結構CT 掃描Fig.7 CT scan images of samples before and after dissolution experiments, showing pore structure changes

3.2 實驗②結果

一組低泥質含量和一組高泥質含量砂礫巖在變溫度、10 MPa 壓力開放體系下，受到1 mL/min 流速、2%質量濃度的乙酸溶蝕，每個溫度點反應2 h，采集到的生成液中檢測出Ca2+、Mg2+、Si4+、Al3+、Na+、K+離子（表3），建立各離子濃度隨溫度變化圖（圖9）。可以看到隨著反應溫度的升高，除低泥質樣品Al3+濃度先增加后降低之外，二組樣品反應溶液中Si4+、Na+、K+離子濃度均增加。Mg2+表現為隨著反應溫度升高濃度持續降低，Ca2+則表現為隨著反應溫度升高濃度先降低后升高。低泥質樣品溶蝕生成液中Al3+、Si4+、K+、Na+均明顯高于高泥質樣品。

圖9 高泥質樣品和低泥質樣品溶蝕生成液陽離子濃度隨反應溫度變化曲線Fig.9 Variation in cationic concentration with reaction temperature of dissolution solution for samples with high and low matrix contents

表3 不同泥質含量樣品不同溫度下溶蝕生成液中主要陽離子濃度表Table 3 Concentrations of main cations in dissolution solution for experiments at different temperatures on samples with different matrices

4 實驗結果討論

實驗①開放體系下的有機酸溶蝕作用可以有效改善儲層物性，從礦物形貌看，溶蝕后礦物表面未出現伴生沉淀物；從孔隙度、滲透率的增長率來看，實驗后孔隙度增加了0.57%，增長率為6.7%，滲透率增加了4.30×10-3μm2，增長率為36.2%，可以發現溶蝕作用不僅增加儲層孔隙度，對滲透率的改善更加重要。前人有研究提到，溶孔用主要增加儲層孔隙度，對儲層滲透率貢獻不大[31]，本次研究由溶蝕前后的CT孔喉分布頻率可以看出（圖8），溶蝕作用對半徑10μm左右的小孔隙和小喉道改善最為明顯，溶蝕后這部分孔隙和喉道頻率明顯增加，有效改善了儲層的滲流性能。

圖8 溶蝕反應前后樣品CT 孔隙半徑和喉道半徑分布圖Fig.8 Distribution of pore radius and throat radius of samples before and after dissolution experiments

實驗①是在開放體系下進行的，有關成巖地球化學體系的開放/封閉性是次生孔隙研究中的熱點話題[11,13]，這關系到溶蝕產物的分配。在封閉的地球化學系統下，溶蝕沉淀物會在原地沉淀，對儲層物性改善意義不大，若地球化學系統是開放的，溶蝕沉淀物可以被持續地帶出體系，儲層物性可得到有效改善。前文所述，地層水證據表明瑪西斜坡區百口泉組處于開放的成巖系統。巖礦研究表明，瑪西斜坡區百口泉組黏土礦物以伊蒙混層和伊利石為主，高嶺石不占主導（圖10），而高嶺石是長石溶蝕的直接產物，在低于130 ℃的條件下，高嶺石也不會大量轉化為伊利石，富長石溶孔貧高嶺石的特征恰恰說明高嶺石在開放的成巖體系下被帶離了成巖體系。通過鑄體薄片鑒定，瑪西斜坡區百口泉組長石溶孔面孔率可達1.5%～4%，而高嶺石和石英的含量普遍小于0.5%，與長石溶孔量嚴重不匹配，也表明長石溶蝕產物被有效地帶出了成巖體系。而深部有機酸運移以及開放成巖條件極可能受斷裂和不整合面的綜合影響。根據瑪西斜坡區油藏剖面圖，侏羅系和二疊三疊系發育印支期和燕山期兩期斷裂體系，其呈階梯狀，配合二疊—三疊系以及三疊—侏羅系兩期大的區域不整合面，將來自二疊系的油氣接力輸送到淺層三疊系和侏羅系成藏（圖11）。這種階梯斷裂結合不整合面形成了有效的流體運移通道，是深部存在開放成巖系統的主要原因。

圖10 M18 井百口泉組黏土X 衍射含量直方圖Fig.10 Different clay contents by XRD for M18 well,Baikouquan Formation

圖11 瑪西斜坡區油藏剖面圖Fig.11 Oil reservoir profile in the western slope of the Mahu Sag

實驗②中溶蝕生成液中Al3+、Si4+、K+、Na+、Ca2+離子的析出是鉀長石和斜長石溶蝕的直接證據，且Na+和Ca2+濃度較高，反應斜長石溶蝕更多，該反應機理方程式如下：

隨著溫度的升高，Al3+、Si4+、Na+、K+離子濃度均增加（圖9a～d），反映溫度越高越有利于長石的溶蝕，這主要受化學熱力學的控制，長石溶蝕是吸熱反應，溫度越高越有利于化學反應向正向進行[16]。低泥雜基樣品溶蝕生成液中Al3+濃度在120 ℃和140 ℃的下降可能是由于有機酸根與Al3+形成了絡合鋁酸根[20]。Mg2+和部分Ca2+則來自于碳酸鹽膠結物，隨著反應溫度升高和反應時間的持續，Mg2+濃度持續下降（圖9e），這可能受兩方面影響：一是隨著溶蝕反應的進行，樣品中碳酸鹽膠結物量降低，二是碳酸鹽溶蝕反應是吸熱反應[30]，溫度越高越不利于反應的進行。而Ca2+離子濃度先下降后上升（圖9f），則表明隨著溫度升高和反應的持續，斜長石溶蝕逐漸成為生成液中Ca2+的主要來源。從低泥質和高泥質兩組樣品溶蝕生成液離子濃度看，低泥質樣品溶蝕生成液中Al3+、Si4+、K+、Na+均明顯高于高泥質樣品，這表明低泥質含量的儲層更有利于溶蝕作用的進行。而高泥質樣品溶蝕生成液Mg2+、Ca2+更高則主要是由于含有更多碳酸鹽膠結物。

5 油氣勘探意義

由高溫高壓內部溶蝕模擬實驗可知，開放體系下，有機酸可以有效溶蝕儲層中的長石礦物，其不僅能改善儲層孔隙度，還能增加儲層中小孔隙和小喉道的數量，有效提高儲層滲透率。溫度越高長石溶蝕量越大，因此對于深部儲層而言，地層溫度高，有利于長石溶蝕，此外，低泥質含量砂礫巖長石溶蝕量越大。由瑪湖凹陷不同相帶泥質含量和滲透率交會圖可知（圖12），扇三角外前緣砂礫巖泥質含量通常小于5%，內前緣砂礫巖泥質含量為5%～8%，平原相砂礫巖泥質含量通常大于8%。根據泥質含量將這三類砂礫巖分別稱為貧泥砂礫巖、含泥砂礫巖和富泥砂礫巖。根據泥質含量和滲透率交會圖，結合溶蝕模擬實驗可知，貧泥砂礫巖原始滲透性較好，有利于酸性流體的滲流，水巖反應更加充分，長石溶蝕效率更高。由瑪湖凹陷百口泉組孔隙度—深度圖可知（圖13），貧泥砂礫巖和含泥砂礫巖在3 500 m 以下存在次生孔隙帶，貧泥砂礫巖溶蝕增孔量最高可達5%，而富泥砂礫巖幾乎不發育次生孔隙帶。現階段，百口泉組油氣勘探從斜坡區走向凹陷區，儲層埋深加大、地溫升高、壓實作用更強，是否發育有利儲層是勘探面臨的關鍵問題。根據上述模擬實驗認識結合實際的孔隙度—深度演化模型，凹陷區扇三角洲外前緣水下分流河道貧泥砂礫巖有利于溶蝕孔隙的形成，埋深超過4 000 m 也發育溶孔型儲層，下一步可將凹陷區作為尋找規模優質儲層的有利領域，這一認識提升了百口泉組深部儲層的油氣勘探價值。

圖12 瑪湖凹陷不同相帶砂礫巖泥雜基含量和滲透率交會圖Fig.12 Permeability vs. matrix of conglomerate deposited in different sedimentary facies in Mahu Sag

圖13 瑪湖凹陷百口泉組三類砂礫巖孔隙度—深度圖Fig.13 Depth vs. porosity of three types of conglomerate in Baikouquan Formation, Mahu Sag

6 結論

（1）開放體系高溫高壓條件下，有機酸溶蝕砂礫巖中長石組分可以有效提高儲層孔隙度以及滲透率，溶蝕作用顯著增加半徑10μm 左右的小孔隙和小喉道，對滲透率的改善效果尤為顯著。

（2）有機酸溶蝕模擬生成液中的陽離子（Al3+、Si4+、Na+、K+、Ca2+）表明斜長石和鉀長石發生溶蝕，并且溫度越高，泥質含量越低，長石溶蝕量越大。

（3）斜坡區百口泉組扇三角洲外前緣水下分流河道貧泥砂礫巖泥質含量低、地溫高，有利于長石溶蝕，埋深超過4 000 m 仍發育相對優質儲層，是尋找溶孔儲層的有利領域。