砂岩储层次生孔隙形成机制的研究进展

刘喜强

(西北大学地质学系/国家大陆动力学重点实验室，陕西 西安710069)

石英、长石及各种岩屑(含硅质)是构成储层砂岩的最主要成分，长石的物理化学性质较为稳定，因而在风化、搬运和后期沉积作用之后，长石也会不同程度地得到保留，在砂岩中的分布也较为广泛。长石类矿物是大多是由岩浆分异作用或变质作用(高温条件)下所形成的，所以在转移到沉积赋存环境之后，温度大幅度降低，长石类矿物就特别容易发生分解或溶蚀反应[1]。大量研究表明[2，3，4]，无论是钾长石、钠长石还是钙长石，都特别容易和酸性流体发生溶蚀反应，所产生的溶孔对储层次生孔隙的贡献显著。故而笔者将主要从水-岩反应的实验研究及水和水和酸性流体来源这两个方面来探讨次生孔隙形成形成机制。

1 水-岩反应实验研究

长石类矿物与酸性流体发生溶解反应，最终结果是钾、钠、钙离子从长石骨架中脱离后进入溶液，而其余部分转化为伊利石、高岭石等粘土矿物和自生石英。实验地球化学方法对研究长石溶蚀作用及其产物方面的优势毋庸置疑，实验研究可控制长石物化条件，而且时效短，在水-岩反应尤其是水-硅酸盐矿物的反应的研究中，起着至关重要的作用。影响长石溶解的因素有很多，包括长石的组分、结果、反应的温压条件、酸性流体的类别和含量等，故而在实验条件下探讨流体对长石的溶解的影响，对长石溶解动力学和储层次生孔隙的形成有着重大的意义[5]。

杨俊杰[6]和黄思静等[7]进行了乙酸对长石砂岩的溶蚀实验模拟，结果表明，钙长石的溶解速率要高于钠长石，钾长石的溶解速率最慢，这与热力学计算结果相符。在一定温度下，钙长石的溶解速率与氢离子的活度的1.5次方成正比，与Al的浓度无关，而钾长石的溶解速率与铝离子的-0.33次方成正比。说明Al比Si更易被释放出来。

向廷生等[8]和李保利[9]研究表明，长石溶蚀在酸性区域随着pH值的减小而增强，且3种长石的溶蚀变化趋势基本相同，其中，钙长石的溶解对pH值最为敏感。同时，反应温度越高，溶液中阳离子的活定和迁移性越强，使得长石溶解的速率加快，促使长石的溶解作用。不同酸性流体对长石的溶解有着不同的影响。

1.1 有机酸对长石溶解的实验研究

在成岩作用的中晚期中，有机质热演化过程中会释放大量的有机酸流体，对长石矿物有强烈的溶蚀作用，并对储层次生孔隙的产生发挥着巨大的作用。向廷生等[8]季汉成等[9]对不同有机酸溶液和长石的溶解模拟实验中发现，含有机酸的溶液对铝硅酸盐矿物的溶解力度要比其他酸性溶液对铝硅酸盐矿物溶解力度高。陈传平等[3]进行不同有机酸对溶蚀的溶解实验中发现，不同有机酸对铝硅酸盐矿物的溶蚀速率序列为:丙氨酸＞柠檬酸＞草酸＞乙酸＞苯酚。李保利[10]用20%浓度的乙酸溶液和含量为55%的长石砂岩进行溶蚀反应，实验可形成0.86%的水缩次生孔隙，增加储层孔隙度的量值。

1.2 CO2对长石溶解的实验研究

CO2气体溶于水形成碳酸可对硅铝酸盐矿物溶解和碳酸盐矿物的沉淀，从而改善储层砂岩的物性。朱焕来等[11]和曲希玉等[12]在对CO2流体与长石的水热实验研究表明，长石的溶蚀强度随着温度的升高而加大，也就是说长石的溶蚀强度和温度呈正相关，且斜长石的溶蚀强度要明显好于富钾长石的强度。

2 水和酸性流体来源

水和酸性流体对矿物溶蚀和溶解物质的迁移至关重要，参与溶蚀反应形成次生孔隙形成的流体主要有:有机酸、碳酸。在各种长石的溶蚀反应过程中，水和酸性流体的来源是近年来地学界专家和学者关注的主要问题之一。

2.1 碳酸的来源

绝大多数的长石溶解反应中，水和CO2的参与必不可少。所以，水中的CO2的来源问题一直是人们关注的焦点[1]。前人在对储层次生孔隙的研究中发现，CO2的来源主要集中在以下几个方向:

(1)第一隔水层之上的岩层所含水为渗滤水，这种水的来源主要与大气密切相关，其所含CO2主要也来自于大气，尽管大气中CO2的含量不多，但其在水中的溶解度甚高，且当岩层中含有有机质时，大气中的富氧属性使其与有机质反应生成CO2，从而增强流体对长石的溶蚀作用。张枝焕等[13]研究发现，在埋深小于1 500 m或1 700且低温低于75℃的阶段，大量含有CO2的大气降水渗入岩层之中，为储层的溶蚀作用提供了H+，导致钾长石和斜长石溶解，形成的产物主要有高岭石、伊利石和蒙皂石，同时，碳酸盐矿物的溶解也将伴随发生，导致诸多离子如 Na+、K+、Ca2+、Mg2+进入地层水之中，促进次生孔隙形成。

(2)有机质的热成熟过程中，有机酸脱羧作用会有大量的CO2并溶于水形成碳酸，它是参与碎屑岩储集层次生孔隙形成的一种重要介质。在100℃左右的条件下，地下有机质会分解产生CO2，由其形成的碳酸降低流体的pH值，从而导致铝硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的溶解。这种溶蚀作用可有效地使储层砂岩产生次生孔隙。司学强等[14]研究发现，当低温大于100℃时，有机酸经脱羧作用产生大量的CO2，此时CO2分压会超过碳酸盐的溶解平衡常数，导致碳酸盐溶解停滞甚至重新估沉积。随着温度继续升高，CO2的含量急剧升高，此时碳酸盐的溶解将受CO2的分压所控制，碳酸盐矿物又会开始大量溶解，促进次生孔隙的形成，改善储层的物性。

(3)绝大多数的天然气储层中，CO2中碳源主要为与海相相关的无机碳，在相对高温和CO2分压较高的环境下，虽有酸性流体的产生，但还是以碳酸盐的沉淀为主，而与之相关的CO2进入到碳酸盐中，在盆地快速抬升过程中，由于温度的大幅下降，流体对碳酸盐欠饱和而致使溶解作用发生，形成次生孔隙。

2.2 有机酸的来源

有机酸对储层岩石孔隙的形成发挥着巨大的作用，与碳酸相比，有机酸对长石等矿物的溶蚀更为强烈。关于有机酸流体的来源的研究探讨，前人主要在以下几方面有重要发现:

(1)在早成岩晚期到晚成岩早期，盆地中的有机质在热演化过程中由于脱羧基的作用而生成大量的有机酸，相较而言，有机酸比其他酸性溶解介质的溶解能力更强，而有机酸的阴离子可络合并迁移铝硅酸盐当中的阳离子，使得在埋藏条件下，铝的溶解度增加从而更易迁移。王勇等[3]在对济阳坳陷陡坡带深层砂砾岩体次生孔隙成因的研究中发现，济阳坳陷中有机质释放出来的有机酸进入临近砂砾岩体时进行了充分的溶蚀作用，后通过流体的循环，将溶解质带出发应系统，进而形成大规模的次生孔隙带。

(2)在成岩阶段的中晚期，储层孔隙中流体基本处于封闭或半封闭状态，此时，泥质中大量的有机质也逐渐成熟而向烃类转变，伴随这此过程有大量的有机酸形成，继而形成具有很强溶解力的酸性流体。当酸性流体进入砂岩层之后，孔隙水的pH值大幅度下降，影响了矿物的稳定性，加速了铝硅酸盐和碳酸盐矿物的溶解，从而形成次生孔隙。张枝焕等[15]对黄骅坳陷三马地区中-深部储层成岩作用的研究中表明，泥岩中向储层充注的有机酸使得地层水pH值降低，为长石等不稳定矿物的溶解创造了有利的条件。

(3)在成岩阶段晚期，随着底层埋深的不断加大，温度升高，大量干酪根热解形成短链酸，而粘土矿物的脱水反应所释放的水便成为有机酸运载过程的有效载体，进而形成强溶解力的酸性流体，为之后长石溶蚀提供前提条件。赵国泉等[16]在对鄂尔多斯盆地上古生界天然气储集层长石的溶蚀与次生孔隙的形成的研究中发现，在埋藏深度达1 900～3 900 m的晚成岩阶段，干酪根热解后形成的大量有机酸与钾长石的溶蚀反应是研究区内天然气储集层次生孔隙形成的主要原因。

(4)当地层中有氧化剂时，它将与储层中的烃类发生氧化还原反应，此过程也可产生大量的有机酸进而对储层中的铝硅酸盐或碳酸盐类矿物进行溶蚀，形成次生孔隙，对油层储集性进行改造。孟万斌等[17]对川西中侏罗统致密砂岩次生孔隙成因的研究中发现，上沙溪庙组储层中的氧化剂与烃类发生反应所生成的有机酸对研究区储层的溶蚀作用较强烈，对储层的改造起着显著的作用。

3 结语

(1)由长石和酸性流体的水-岩反应可知，钙长石的溶解速率要高于钠长石，钾长石的溶解速率最慢，长石溶蚀在酸性区域随着pH值的减小而增强，且3种长石的溶蚀变化趋势基本相同，其中，钙长石的溶解对pH值最为敏感。不同有机酸对铝硅酸盐矿物的溶蚀速率序列为:丙氨酸＞柠檬酸＞草酸＞乙酸＞苯酚。

(2)在对酸性流体的来源研究发现，CO2的来源主要来源为:是大气水中溶解的CO2，有机酸脱羧酸形成的CO2以及碳酸盐分解。有机酸的来源主要为:有机质热演化过程中形成的短链酸，泥质转变而来以及烃类氧化反应所产生。

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