长石表生淋滤溶蚀模拟实验

冯佳睿，高志勇，崔京钢，樊小容

（1.中国石油 a.勘探开发研究院 石油地质实验研究中心；b.油气储层重点实验室，北京 100083；2.中国石油大学 地球科学学院，北京 102249）

次生孔隙是砂岩孔隙中最为重要的类型，次生孔隙的形成与易溶骨架颗粒在埋藏成岩过程中的溶蚀作用关系密切。长石作为碎屑颗粒中的重要成分，其溶蚀现象在砂岩中极为常见，其溶蚀机理和控制因素等受到研究者的广泛关注。在勘探生产和模拟实验中，国内外学者针对长石次生溶蚀开展了大量的研究工作，特别是对长石的溶解成孔及其伴随的物质迁移和新矿物的沉淀等过程提出许多认识和观点[1-4]。文献［5］提出了砂岩储集层埋藏成岩过程次生孔隙形成的经典理论模式，并阐述了孔隙成因类型、识别标志和分布规律等。文献［6］—文献［10］针对长石的溶蚀作用机理，开展了深入探讨，其中最具代表性的观点是有机质热演化生酸溶蚀成孔理论。文献［11］从有机-无机相互作用的角度，研究了储集层成岩作用和次生孔隙的形成与演化。文献［12］通过列举测井曲线、地震数据、地层水含量、钾的贫化和岩心孔隙度、渗透率等诸多证据，证明马格纳斯白垩系砂岩次生孔隙的形成与大气淡水淋滤密切相关。文献［13］对美国San Joaquin盆地的Stevens浊积岩研究后发现，尽管在长石溶解的同时也存在有机酸，但铝含量或与有机酸阴离子的浓度和长石的溶解体积都无关，推测近地表暴露和大气淡水淋滤也会对砂岩形成次生溶蚀作用。随着研究的逐渐深入，越来越多的学者发现，在远离产生有机酸的烃源岩的较浅地层，长石也可能发生次生溶蚀，并在模拟实验中寻找更多的证据。针对不同淡水体系、不同类型长石的溶蚀过程、长石溶蚀过程中的热力学因素、溶蚀过程中物质迁移和新矿物沉淀等方面，国内外研究者进行了一系列CO2流体-砂岩和长石单颗粒相互作用的模拟实验研究[14-26]，但这些实验只是在某单一条件下CO2流体-砂岩相互作用的过程，这对于深入了解长石的溶蚀机理是远远不够的。本文以中粒长石砂岩为对象，对表生淋滤溶蚀机制下长石的溶蚀过程开展模拟，为酸性流体条件下的长石溶蚀微观特征、易溶组分、溶蚀产物等多方面的综合研究提供有利的实验依据。

1 实验方法

模拟实验是在充分了解长石表生淋滤溶蚀机制的基础上，对实际地质条件的温度、压力和实验过程中发生的水岩反应等进行充分考虑，结合地史过程与仪器设备参数等设计具体的实验方案，试图在最大程度上进行长石颗粒溶蚀过程的历史重现，进而研究在溶蚀过程中长石的微观形貌特征、成岩流体离子成分变化、溶蚀产物等，为探讨长石表生淋滤溶蚀机制下长石溶蚀过程和影响因素评价等提供有效的实验依据。

1.1 实验设备

模拟系统主要由反应釜体、压力泵、中央控制系统和流体供输系统4个部分组成（图1）。成岩模拟实验过程中，压力和温度是最关键的实验条件，代表地史过程中储集层所处的埋深及其地层温度，分别由压力泵和中央控制系统控制。

图1 成岩模拟系统示意图

反应釜体是整个模拟系统中的核心组件，耐高温、耐酸碱、密封性强，能够完成最高温度500℃，最高静岩压力275 MPa，流体最高压力120 MPa的实验，最大限度地模拟成岩过程。反应釜体共有6个，分别标记为1号、2号、3号、4号、5号和6号反应釜体。压力泵是向反应釜体供给压力的主要设备，可以同时对6个反应釜体供以不同的压力，形成一个压力系列，以便更接近于岩石埋藏过程的压力条件。中央控制系统主要用来调控实验中各个反应釜体的压力、温度及模拟时间，系统所使用的计算机软件可以时刻记录各个反应釜体内样品所承受的温度、压力等。流体供输系统控制流体的供给和运移。

1.2 样品制备与实验流程

本次研究利用自主研发的成岩模拟系统，以中粒长石砂岩为研究对象，模拟CO2溶于大气水形成的酸性流体对长石碎屑颗粒的表生淋滤过程，实验过程中酸性流体浓度约为0.03～0.04 mol/L.将富含长石的砂岩样品粉碎至0.25～0.50 mm，分为6等份分别放入6个烧杯中，边加入适量去离子水，边用玻璃棒搅拌均匀，待砂岩样品充分静置8 h后，将样品分别装入6个反应釜体中。1号和4号反应釜体模拟早成岩阶段A期→表生淋滤→缓慢沉降→快速深埋过程，2号、3号、5号和6号反应釜体模拟早成岩阶段A期→表生淋滤过程。首先，6个反应釜体均由25℃逐渐升高到325℃，然后，1号、2号、4号和5号反应釜体从325℃降低到50℃，3号和6号反应釜体由325℃降低到25℃，全部完成后，6个反应釜体同时开始供给饱和H2CO3溶液，流速均为0.3 mL/min.1号和4号反应釜体在供液结束后，反应釜体内温度由50℃逐渐升高至425℃；2号和5号反应釜体在供液结束后，温度保持50℃直至实验结束；3号和6号反应釜体停止供液后，温度保持25℃直至实验结束（表1）。供液过程中分别对6个反应釜体持续取液并收集，供液结束后封闭反应釜体直至实验结束。

库车前陆盆地白垩系储集层沉积距今130×106a左右，地层沉降可划分为2个阶段：①早期长期浅埋阶段，即130×106—23×106a地层缓慢沉降阶段；②后期快速深埋阶段，即23×106a至今快速沉降阶段。2个沉降阶段的时间比约为5∶1.根据库车前陆盆地白垩系储集层的沉降史和沉降比，确定实验天数为26 d.

2 实验结果与讨论

模拟实验完成后，6个反应釜体内的样品基本上形成了高度约为10 cm的短柱体，除4号反应釜体内的样品出现部分碎裂外，其他样品较为完整。笔者对模拟实验后获得的表生淋滤阶段的成岩样品进行了铸体薄片观察、扫描电镜图像分析及成岩流体离子成分测试等，对实验后成岩样品的长石颗粒溶蚀特征、流体离子变化趋势及自生矿物等分别开展研究。

2.1 成岩样品镜下微观特征

通过X射线衍射全岩成分分析和黏土矿物成分分析发现，实验前富含长石的砂岩样品中石英含量为33.3%，钾长石为35.6%，钠长石为28.4%，方解石为1.4%，黏土矿物为1.3%，黏土矿物均为伊利石，未检出高岭石。实验前样品中碎屑颗粒形态完整，长石和石英等颗粒棱角分明（图2）。实验完成后，钾长石和斜长石（钠长石）颗粒发生了不同程度的溶蚀。对2号、3号、5号和6号反应釜体内样品进行铸体薄片观察发现，钾长石边缘通常呈港湾状溶蚀，长石颗粒内部产生溶蚀缝，溶蚀程度相对较弱，斜长石则多沿双晶方向发生溶蚀，局部溶蚀强烈，颗粒表面见港湾状深沟（图3）。X射线衍射全岩成分分析发现，实验后样品的黏土矿物含量有所增加，为1.8%～5.0%（表2）。与实验前样品相比，伊利石相对含量降低，为63.0%～74.0%，平均为70.8%，高岭石相对含量为26.0%～37.0%，平均为29.3%，证明长石的表生淋滤过程中可能形成高岭石（表2）。

表1 成岩模拟实验温度和压力参数

图2 表生淋滤溶蚀模拟实验前长石形态

2.2 成岩流体离子浓度变化

图3 表生淋滤溶蚀模拟实验后长石的溶蚀特征

实验过程中流体供给是半开放式的，离子浓度反映长石的溶蚀速率。长石是含铝的硅酸盐矿物，因此成岩流体中K+，Na+，Ca2+，Mg2+，Al3+，Si4+等离子浓度的变化可有效反映长石的溶解趋势，其中K+代表钾长石的溶蚀情况，Na+和Ca2+指示斜长石的溶蚀变化（图4），离子浓度高则代表相应长石的溶蚀速度快。钾长石（KAlSi3O8）和钠长石（NaAlSi3O8）在CO2酸性流体作用下发生溶蚀，反应过程可以表示为

表2 表生淋滤溶蚀模拟实验后样品X射线衍射全岩成分分析和黏土矿物成分分析

图4 成岩流体中主要离子浓度变化

从图4可以看出，Ca2+和Na+最大浓度分别为124.00 mg/L和26.50 mg/L，K+最大浓度为8.69 mg/L.在整个实验过程中，与K+相比，Ca2+和Na+浓度变化更大，这一点在离子变化曲线的斜率上也有明显的指示。因此，在同样的CO2酸性流体条件下，斜长石溶蚀能力可能更强。Mg2+浓度的变化可能指示后期碳酸盐矿物、黏土矿物的溶解。Al3+浓度较低，且后期呈现逐渐减少的趋势，在pH值小于5时，Al主要以Al3+形式存在，pH值为5～7时，Al主要以络合物的形式存在，且pH值大于6时，Al3+几乎消失[27]。Fe3+浓度很低，可能是杂质成分，本文不予讨论。成岩流体离子浓度的变化趋势表明，风化淋滤过程中，K+，Ca2+，Na+等离子较先析出，Si4+，Al3+等离子则较晚析出。

钾长石和斜长石由于表生淋滤溶蚀，生成高岭石和伊利石的过程可以表示为

研究表明，通常开放体系下，长石溶解生成的水溶物迁移速率远远大于长石溶解速率，溶解产生的K+被迅速带走，伊利石沉淀所需的K+浓度很难达到，因此长石溶解生成的自生黏土矿物多为高岭石。同时，长石受酸性流体溶蚀生成SiO2，因此在实验后成岩样品中偶见微量石英胶结物（图5）。

图5 表生淋滤作用下长石溶蚀产物分配模式（据文献［28］，有修改）

2.3 长石溶蚀效果的影响因素

溶解流体的来源、体系的开放与封闭性、易溶组分和含量、迁出物质的迁移方式和自生高岭石分布等，是判断长石碎屑颗粒溶蚀机制的主要依据。开放体系中长石的表生淋滤溶蚀，多是在近地表远离烃源岩的区域，低矿化度大气淡水淋滤作用下的溶蚀，由于钙长石的吉布斯自由能最低，最易溶蚀。长石等骨架颗粒的溶蚀作用，是否能够有效改善储集层物性仍存在争议，争议的焦点在于溶蚀产物能否被有效带出储集层。因此，酸性流体的流速是影响长石溶蚀作用的重要参数。文献［28］研究发现，在低流速，如25℃条件下流速小于0.03 m/a时，流体不能及时将长石颗粒附近的溶蚀产物有效带出，从而造成高岭石和石英等近原地沉淀，长石溶蚀作用仅能增加微量的孔隙；在高流速，如100℃条件下流速大于3 000.00 m/a时，长石颗粒溶解释放的物质能被及时从砂岩中带出，高岭石和石英等无法在砂岩中沉淀下来，长石溶解作用能够增大绝对孔隙度。另外，温度的升高、长石颗粒表面积的增大，都会对长石溶蚀产生积极的影响，相同酸性流体条件下，溶蚀时间越长，溶蚀作用通常会越强。

3 结论

（1）对长石表生淋滤溶蚀机制下的成岩模拟研究，揭示了这种溶蚀机制与埋藏溶蚀机制下的易溶长石类型、长石颗粒的溶蚀特征等方面均存在差异，成岩流体离子变化趋势也表现出一定的规律。

（2）通过对实验后样品的X射线衍射全岩成分分析和黏土矿物成分分析发现，长石溶蚀产生的自生黏土矿物可能多为高岭石，但是此次模拟实验并未观察到晶形较好的高岭石，可能是由于高岭石含量较低，或者是实验条件所限。

（3）本次实验研究对酸性流体条件下的长石溶蚀过程和特征的认知提供了有效的依据，对判断长石的溶蚀机制具有重要的理论和实际意义。下步工作将侧重对长石的溶蚀产物类型和形成条件等开展研究。