致密砂岩长石溶蚀机制及其影响因素

吴泓辰， 张晓丽， 何金先,3， 任泽强

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116； 3.中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室,湖北 武汉 430074)

致密砂岩长石溶蚀机制及其影响因素

吴泓辰1,2， 张晓丽1,2， 何金先1,2,3， 任泽强1,2

(1.中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116；2.煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室，江苏 徐州 221116； 3.中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室,湖北 武汉 430074)

致密砂岩储层中次生孔隙的形成以及油气的储集均与长石溶蚀作用有着密切关联。为了解决目前对致密砂岩长石溶蚀机制及其影响因素的认识薄弱问题，通过查阅大量文献，对国内外致密砂岩的长石溶蚀机制及影响因素进行了综合分析。结果表明，烃源岩生烃过程中所释放的有机酸性流体和大气淡水淋滤作用均可引起长石溶蚀。长石溶蚀属于非全等溶解，溶蚀机制可以分为表面反应溶蚀模型和淋滤层扩散溶蚀模型两种模型；热力学计算结果表明，钾长石溶蚀反应的吉布斯自由能增量(ΔG)最高，其次为钠长石，钙长石最低，且钾长石、钠长石的ΔG一般随温度上升而减小，而钙长石ΔG则随温度上升而增大；长石溶蚀过程受控于长石结构与成分、温压条件、溶液pH值及有机酸类型等多种因素。

长石溶蚀； 溶蚀机制； 影响因素； 致密砂岩； 有机酸流体； 大气淡水

自V. Schmid等[1]首次提出次生孔隙这一概念以来，国内外的学者不断地对其进行深入的研究。大量的研究表明，次生孔隙对油气的储集具有重要意义，特别对于埋藏较深、原生孔隙保存较差的致密砂岩储层，次生孔隙显得尤为重要[2]。

由于长石的溶蚀作用对致密砂岩次生孔隙的形成有着重要的贡献，而长石作为致密砂岩储层的骨架颗粒之一，因此长石的溶蚀与致密砂岩次生孔隙的形成有着密不可分的联系[3-4]。我国致密砂岩储层常形成于煤系地层中，受煤系地层酸性环境影响，长石溶蚀作用普遍发育，有利于次生孔隙的形成，能积极改善致密砂岩储层的物性特征[5]。

长石溶蚀是一个复杂的化学过程。系统研究长石的溶蚀机制与影响因素，有利于深刻认识致密砂岩储层中次生孔隙的形成与分布特征，为后期在致密砂岩发育区进行油气勘探开发过程中寻找优质油气储集层提供理论依据。目前对长石溶蚀的研究已经取得较丰富成果，但均是针对某个具体科学问题进行研究，成果比较零星分散，缺乏对致密砂岩中长石溶解机制与影响因素的系统总结。针对该问题，通过进行大量文献查阅分析，对长石的化学成分与结构进行了简要总结，并系统总结了致密砂岩储层长石溶蚀机制及其影响因素，有利于提高人们对致密砂岩储层长石溶蚀机制的综合认识。

1 长石化学成分与结构特征

长石是主要的造岩矿物之一，自然界中常见的长石主要有钾长石(KAlSi3O8)、钠长石(NaAlSi3O8)、钙长石(CaAl2Si2O8)，长石矿物由这三种长石端元分子组合而成(见图1)[6]。

图1 三元长石相图

Fig.1Phasediagramforternaryfeldspar

钾长石与钠长石的组合称为碱性长石。高温条件下钾长石与钠长石能形成完全类质同相系列，而随着温度降低，钠相与钾相相互分离，构成条纹长石。钠长石与钙长石的组合称为斜长石。在任意温度条件下，它们都能形成完全类质同相系列。钾长石与钙长石一般不发生相互混溶。

长石属于架状硅酸盐，基本单元为四个硅(铝)四面体通过桥氧连接而形成的四元环，环与环之间通过桥氧共角顶相互连接成平行于a轴的曲轴链(见图2)，各个链之间再共角顶相连就形成了长石在三维空间中的架状结构[7]。各个链之间的键密度较低，结合力较弱，因此形成了平行于链方向{001}与{010}的解理，同时，也使得长石单形{001}、{010}发育较好[6-9]。在长石内部，由于Al3+取代了Si4+导致了晶体内部电价不平衡，因此需要引进K+、Na+等正电荷金属离子，这些金属离子位于骨架中八元环之间。

图2 长石晶体结构图

Fig.2Structureoffeldspar

2 长石溶蚀机制

2.1溶蚀环境

致密砂岩储层中长石发生溶蚀，既可能是地下深部烃源岩中的有机质在演化过程中所产生的酸性流体所致，也有可能是储层在处于开放-半开放体系时，由大气水淋滤而造成的。

研究表明，80～120 ℃下，烃源岩(泥岩)中的干酪根脱去羧基及酚形成大量有机酸。在120～160 ℃下，干酪根脱氧释重，羧酸阴离子脱羧生成大量CO2。通过调节流体pH值或络合金属离子，有机酸和CO2能够有效地促进长石溶蚀[4]。煤系中大量存在以Ⅲ型干酪根为主的有机质，其生酸能力远大于Ⅰ、Ⅱ型，煤系地层中有机酸对长石的溶蚀作用强烈。鄂尔多斯盆地苏格里气田[10]和四川盆地须家河组[11]的地质研究成果均证明致密砂岩储层长石溶蚀与煤系地层有机酸有着重要的关联。

当砂岩储层处于开发-半开放体系时，大气水的淋滤作用也是造成储层中长石溶蚀的重要原因之一[12]。通过溶解土壤中的CO2，大气水能够提供长石溶蚀所需的酸性流体[13]。罗静兰等[14]认为表生成岩阶段的大气降水是造成鄂尔多斯盆地延长组致密砂岩长石发生溶蚀的主要原因之一。

虽然上述两种情况均能引起致密砂岩储层长石溶蚀，但由于有机酸对长石的溶蚀能力强于淡水[15]，因此储层中的长石溶蚀通常由有机酸引起，尤其对于煤系致密砂岩，有机酸更是有着重要意义[16]。

2.2长石溶蚀机理

依据前人的研究成果，主要有两种描述长石溶蚀机理的模型:表面反应模型和淋滤层扩散模型。

表面反应模型认为长石溶蚀受控于矿物表面的化学反应[17-18]。溶蚀一般先发生于矿物表面位错、双晶面、解理等能量较高的部位，长石溶蚀是按化学计量进行的一致溶蚀[19-20]。

淋滤层扩散模型认为，在长石溶蚀初期，首先发生不一致溶蚀，长石表面优先释放碱性阳离子，并形成具有成分梯度的淋滤层[21]。淋滤层的厚度达到稳定之后，则由不一致溶蚀转变为一致溶蚀，即所有元素以相等的速率进行释放[22]。

长石溶蚀主要有以下三个步骤：H+进入长石骨架中与K+、Na+、Ca2+等离子进行交换；Al3+通过水解作用溶出；富Si络合物形成于长石表面，逐渐进入溶液[23]。长石在溶蚀之后，K+、Na+、Ca2+等阳离子一般进入溶液迁移至它处，Al3+则通常在附近形成高岭石、伊利石等黏土矿物，也可能与有机酸阴离子络合从而进行迁移，而Si4+虽然也能有机酸进行络合，但这种络离子稳定性较差，难以在流体中长期保存[24]。

长石溶蚀过程中，一部分离子进入溶液， 而另一部分组分则将转变成新的矿物，因此长石溶蚀属于矿物的非全等溶解[25]。 李保利等[26]对长石砂岩进行了溶蚀前后矿物组分分析，发现溶蚀后黏土矿物和石英矿物含量均有所增加(见表1)。

表1 长石溶蚀前后矿物变化特征Table 1 The consumption change feature before and aftercorrosion of feldspar %

2.3长石溶蚀过程的热力学计算

对长石溶蚀过程进行热力学研究，有助于判断长石各端元组分的反应趋势[27]，长石溶蚀生成高岭石、伊利石的反应方程式见式(1)—(6):

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

(1)

2NaAlSi3O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+4SiO2+2Na+

(2)

CaAl2Si2O8+2H++H2O=Al2Si2O5(OH)4+Ca2+

(3)

3KAlSi3O8+2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+6SiO2+2K++H2O

(4)

3NaAlSi3O8+K++2H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+3Na++6SiO2+H2O

(5)

3CaAl2Si2O8+2K++4H++H2O=KAl3Si3O10(OH)2+3Ca2++H2O

1.5 试验方法 向2 mL离心管中加入150 μL用缓冲液(20 mmol/L Thris-HCl,pH 7.4)配制的ssDNA溶液(终浓度为8 nmol/L)，再加入1 200 μL银纳米粒子溶液混匀，室温放置过夜后，加入NaCl溶液(终浓度为40 mmol/L)，混匀后加入100 μL不同浓度的BPA，总定容为1 500 μL，室温放置3 min，在波长300～700 nm扫描其吸光光谱。

(6)

由热力学原理可知，在不做非体积功的情况下，等温、等压的封闭体系内，任何自发进行的反应都向吉布斯自由能增量(ΔG)减小的方向进行的。即恒温恒压的条件下，当ΔG>0时，化学反应不能自发进行；当ΔG=0时，为平衡状态或可逆反应；当ΔG<0时，化学反应可自发进行。ΔG的计算公式如式(7)所示：

式中，ΔrG为一定温压条件下吉布斯自由能增量变化；ΔrH0标摩尔焓变准；ΔrS0是标准摩尔熵变；T为温度；p为压力；Δrcp为定压比热容变化；ΔrV0为体积变化。

黄可可等[28]对长石溶蚀过程的热力学计算结果表明，三种长石端元中，无论生成物为高岭石或伊利石，钙长石的ΔG都最小，钾长石最大，钠长石介于两者之间(见表2)。长石溶蚀过程中，由于钾、钠长石溶蚀属于熵增反应，而钙长石溶蚀属于熵减反应，因此钾、钠长石ΔG一般随温度上升而减小，而钙长石ΔG则随温度上升而增大[29]。值得注意的是，虽然从热力学的角度看来，长石溶蚀生成伊利石易于生成高岭石，但实际上人们通常将高岭石作为地层中长石溶蚀的标志。这是由于伊利石的形成受系统中的K+/H+活度比控制，而当整个系统开放性较好时，钾长石溶蚀产生的K+很容易被迅速带走，除非有富含K+的流体进入系统，否则难以形成伊利石[30]。

表2 不同长石溶蚀的相关反应在主要温压点上的ΔG值Table 2 ΔG of different reactions of feldspar dissolution under different conditions of temperatures and pressures

3 影响长石溶蚀的因素

3.1长石类型的影响

钾长石、钠长石以及钙长石都能在自然界中发生溶蚀，但它们的稳定性各不相同。斜长石的溶蚀速率通常随钙长石成分的增加而增加，富钙斜长石的溶蚀速率远远大于富钠和钾的斜长石[31]。赖兴运等[32]认为斜长石中钠长石的溶蚀程度受钙长石含量的影响，斜长石中钙含量越高，钠长石也相对更容易溶蚀。

季汉成等[33]在130 ℃的温度条件下，采用乙酸对长石砂岩进行了溶蚀实验模拟，发现在溶蚀69 h后，钠长石的溶蚀程度明显大于钾长石。黄思静等[34]认为在风化、搬运以及埋藏成岩作用早期阶段大多数斜长石已经被溶蚀，而钾长石可保存至相对较晚的成岩阶段。

综上所述，在一定的温压条件下，三种长石的稳定性依次为：钙长石<钠长石<钾长石。在致密砂岩储层中，由于钠长石与钙长石多溶解于同生及成岩作用早期，后期压实作用使其形成的次生孔隙较难保存至成岩作用晚期，因此钾长石通常对致密砂岩储层次生孔隙有着相对较大的贡献。

3.2温度与压力的影响

温度对长石溶蚀程度有较大的影响，而压力对长石溶蚀程度的影响效果很小甚至可以忽略[35]。一般情况下，温度的升高能够加快长石与溶液的反应速率[35-37]，加大长石溶蚀程度(见图3)。温度的效应受溶液酸碱性影响，在酸性或碱性条件下，长石溶蚀受温度影响明显，而在中性条件下受温度影响较小[38-40]。地质环境中，温度往往随埋深的增加而增加，因此对于埋藏较深的致密砂岩储层，温度是促进其长石溶蚀的因素之一。

图3 不同温度下钾长石溶蚀质量相对变化

Fig.3Weightlossofsamplesatdifferentexperimentaltemperatures

3.3 pH值的影响

国内外学者的研究表明，长石溶蚀速率与pH值呈U型关系，即处于中性或弱碱性条件下时，溶蚀速率最小，而随着酸度或碱度的增加，溶蚀速率逐渐增大(见图4)[42-43]。S. Gudbrandsson等[44]推导了室温和不同pH值条件下斜长石的溶蚀速率公式，认为酸性条件下，斜长石溶蚀速率受钙长石含量及溶液pH值影响，而碱性条件下仅与溶液pH值有关。

pH值对长石溶蚀的影响体现在多个方面。陈传平等[45]认为有机酸对硅酸盐矿物的溶解作用是一种亲核取代反应，较低的pH值有利于羧酸阴离子向Si原子的“进攻”。R. Hellmann[46]认为与中性溶液相比，处于酸性或碱性条件下的长石，其表面淋滤层的开放性更好，更有利于溶蚀反应的进行。肖奕等[23]探讨了低温碱性溶液中微纹长石的溶蚀过程，认为pH值的升高有利于Al、Si元素的溶出，从而促进长石的溶蚀。

鄂尔多斯盆地上古生界与四川盆地须家河组致密砂岩气藏的烃源岩均为煤系[16]，煤在成熟演化的的过程中可产生大量的酸性流体，使得煤系地层有机酸浓度较高，降低地层流体的pH值，从而使长石发生较为强烈的溶蚀。

图4 70 ℃时斜长石溶蚀速率随pH值的变化

Fig.4DissolutionrateofplagioclasewithpHvalueat70 ℃

3.4有机酸种类对长石溶蚀的影响

在长石溶蚀过程中，酸的种类是控制长石溶蚀程度的重要因素。无机酸通过提供H+促进长石溶蚀，而有机酸不仅能够提供H+，还通过络合作用促进长石溶蚀[47]。与无机酸相比，有机酸的溶蚀能力通常更强[48]。煤系烃源岩地层中所产生的有机酸比其他地层高数百倍[49]，因此对于煤系致密砂岩储层，有机酸对长石的溶蚀和次生孔隙的形成有着重要的影响。

有机酸的络合作用主要体现在以下两个方面: (1)在矿物表面形成络合物，降低了表面反应的活化能，加快了反应速率；(2)在流体溶液中，有机酸阴离子与Si4+、Al3+结合形成络合离子，降低了溶液中Si4+、Al3+的有效浓度[50]。

一般情况下，不同有机酸根的络合效应各不相同，对长石的溶蚀能力也存在一定差异。相比一元羧酸，二元羧酸能与Si原子形成较稳定的五(六)元环状化合物，阻止硅聚集和胶结的能力更强，因此草酸溶蚀长石的能力通常强于乙酸[39]。温度对有机酸根的络合效应也有一定影响。张文正等[51]用乙酸溶液对钙长石进行了溶蚀实验，发现低温阶段(50～75 ℃)乙酸的络合作用有助于Al的释放与迁移，但不能较好地阻止高温阶段(100～125 ℃)Al发生沉淀。

有机酸对长石溶蚀的贡献程度受自身浓度、地层流体化学性质等多种因素的影响。草酸对长石的溶蚀能力通常强于乙酸，但草酸在地层中的含量远低于乙酸，无法有效地调节地下流体的pH值，并且当地层流体含有较多的Ca2+、Mg2+时，草酸对长石的溶蚀能力将下降[31,52]。

4 结论

(1) 依据所处环境的不同，致密砂岩长石溶蚀既可由烃源岩生烃过程释放出的有机酸性流体引起，也可以由大气淡水淋滤作用引起。长石溶蚀效果受自身结构与成分、温度、pH值以及有机酸等多种因素的共同影响，是一个较为复杂的过程，我国致密砂岩常形成于煤系地层中，有机酸是其长石发生溶蚀的最主要影响因素。

(2) 长石溶蚀属于非全等溶解，表面反应模型和淋滤层扩散模型是两种用来描述长石溶蚀的主要模型。前者认为长石溶蚀受矿物表面化学反应的控制，矿物表面晶格缺陷为溶蚀提供有利位置。后者则认为长石溶蚀首先释放碱性阳离子，并形成具有成分梯度的淋滤层。

(3) 自然界中长石溶蚀现象较为普遍，但不同类型长石的稳定性各不相同。一般情况下，钙长石最容易发生溶蚀，其次为钠长石，钾长石的稳定性最好，钾长石通常对致密砂岩储层次生孔隙有着相对较大的贡献。

(4) 温度的升高能够加快长石与溶液的反应速率，加大长石溶蚀程度。温度的效应受溶液酸碱性影响，酸性或碱性条件下，长石溶蚀受温度影响明显。长石各元素受温度的影响程度也存在一定区别，其中Si元素受温度的影响最大。

(5) 溶液pH值、有机酸的络合作用与长石溶蚀均有重要关系。随pH值的上升，长石溶蚀速率呈U型曲线变化。而有机酸则能够通过络合作用，降低表面反应的活化能以及Si4+、Al3+的有效浓度。煤系烃源岩地层能产生大量的有机酸，通过调节pH值和络合作用，能积极的促进煤系致密砂岩储层中长石溶蚀。

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Dissolution Mechanism of Feldspar of Tight Sandstone and Its Influencing Factors

Wu Hongchen1,2, Zhang Xiaoli1,2, He Jinxian1,2,3, Ren Zeqiang1,2

(1.SchoolofResourcesandGeoscience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,XuzhouJiangsu221116,China； 2.KeylaboratoryofCoalbedMethaneResourceandReservoirFormationProcess,MinistryofEducation,XuzhouJiangsu221116,China；3.KeylaboratoryofTectonicsandPetroleumResourcesMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,WuhanHubei430074,China)

Feldspar Dissolution has an important influence on the development of secondary porosity of tight sandstone reservoir and the storage of oil-gas. In order to solve problem of lack of recognition for dissolution mechanism of feldspar of tight sandstone and its influencing factors, through literature researches, a synthetic analysis of dissolution mechanism of feldspar and its influencing factors was made. Results show that organic acid generated from hydrocarbon source rocks and meteoric water both can dissolve feldspar. Feldspar dissolve incongruently, the surface reaction model and the leached-layer diffusion model have been used to describe the feldspar dissolution mechanism. According to thermodynamic calculation, maximum of Gibbs free energy increment involved in K-feldspar dissolution reaction, followed by albite, and anorthite dissolution reaction shows the minimum Gibbs free energy increment, disslution reactions of K-feldspar and albite show negative correlation between Gibbs free energy increment and temperature, but anorthite dissolution reaction shows opposite tendency. Feldspar dissolution is controlled by its composition and structure, temperature and pressure condition, pH and acid type.

Feldspar dissolution; Dissolution mechanism; Influencing factors; Tight sandstone; Organic acid; Meteoric water

1006-396X(2017)05-0042-08

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE132

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.009

2017-02-28

2017-04-05

中国博士后科学基金项目(2015M571841)；构造与油气资源教育部重点实验室开放研究基金项目(TPR-2015-04)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015QNB24)。

吴泓辰(1994-)，男，硕士研究生，从事油气储层地质研究工作；E-mail：hongchen00wu@foxmail.com。

张晓丽(1983-)，女，博士后，讲师，从事油气地质研究工作；E-mail：xlzhang@cumt.edu.cn。

(编辑 王亚新)