珠江口盆地深层高温高压下的水岩作用

李承泽，陈国俊，田 兵，袁晓宇，孙 瑞，苏 龙

（1.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000；2.甘肃省油气资源研究重点实验室，兰州 730000；3.中国科学院大学，北京 100049；4.内蒙古科技大学，包头 014000；5.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020；6.中海油研究总院，北京 100028）

0 引言

高温高压环境下的深部储层是当前石油地质领域关注的热点之一，具有重要的理论意义和实践价值。运用水岩反应模拟装置研究含油气盆地深层成岩作用和次生孔隙发育机理是有利储层预测的重要手段之一，深部岩石矿物溶蚀成孔机理及伴随溶蚀过程的成岩物质传输作用是石油地质学研究的最新热点和难点［1-3］。在以碎屑岩储层为主的含油气盆地中，由于酸性等侵蚀性成岩流体对矿物的溶蚀作用会产生次生孔隙，勘探深度得以进一步扩展［4-8］。目前研究成果证实，碎屑岩储层中至少有1/3的次生孔隙是在埋藏成岩过程中因水岩反应和矿物溶蚀作用而形成［9］。季汉成等［10］研究了渤海湾盆地深层长石砂岩在半开放体系下的溶蚀作用，认为乙酸可以增加深部储层的次生孔隙空间；杨威等［11］的研究表明，温度和压力的升高可以提高长石的溶蚀能力，进而促进长石的溶解。以往的研究很少考虑实际埋藏条件下的封闭高温高压环境，也很少利用深部储层真实样品模拟溶蚀作用的过程。

利用水岩反应实验模拟深层高温高压环境下有机酸性流体对储层中矿物和胶结物的溶蚀作用，从而探讨中深部碎屑岩储层发育次生孔隙带的潜力具有重要价值。珠江口盆地深部地层地温梯度高，异常高压在盆内深层广泛发育（埋深＞4 000 m）［12］。碎屑岩储层中矿物溶解成孔过程及其伴随的溶解物质的迁移与次生矿物再沉淀作用对储层演化具有重要的控制作用。选取珠江口盆地9 块深层岩心样品进行水岩反应模拟实验，模拟在深埋藏条件下砂岩在乙酸溶液中发生溶蚀作用并形成次生孔隙的机理，结合扫描电镜观测溶蚀作用形成的次生孔-洞-缝特征，并利用实验仪器对比分析样品反应前、后的孔隙度变化，探索深部地层矿物溶蚀机理，以期为开展深层和超深层储层预测和油气勘探提供思路。

1 地质概况

珠江口盆地位于我国南海北部，地处华南大陆南缘，处于太平洋、欧亚和印度洋三大板块的交汇处附近，是在加里东、海西和燕山褶皱基底上，受到太平洋板块的俯冲挤压作用而发育的以新生代沉积为主要类型的张性盆地。珠江口盆地发生的多期构造运动造成了盆地平面上具有南北分带、东西分块的构造格局，由北向南依次为北部隆起带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带和南部隆起带，构成了“三隆两坳”的现象（图1）。珠一坳陷位于珠江口盆地东北部，包括恩平凹陷、西江凹陷、惠州凹陷、陆丰凹陷和韩江凹陷，发育古近纪以及新近纪地层，厚度可达4 km，目前已在珠江组、珠海组和恩平组等地层内获得油气发现。白云凹陷位于珠江口盆地珠二坳陷，凹陷内最大地层深度可达10 km，新生代以来主要经历了裂谷期、裂后坳陷期和新构造期共3 期演化阶段［13］，自下而上发育文昌组、恩平组、珠海组、珠江组、韩江组等。白云凹陷是典型的热盆，地温梯度较高，由北向南逐渐升高［14］，平均地温梯度达4.5 ℃/100 m［15］，同时具有超压特征，压力系数最高可达1.8［16］，其高温、超压特征为中深部储层的发育提供了条件。近年来在白云凹陷发现的大中型气田展现出该区巨大的油气勘探潜力［17］，但白云凹陷探明的油气储量规模不大，且主要集中于浅层，主要原因在于该区深部储层研究程度不高，尚未发现大量的次生孔隙发育带，且钻井资料以及样品较少，制约了该区深部储层进一步的油气勘探。

图1 珠江口盆地区域构造单元划分（a）及岩性地层综合柱状图（b）（据文献［13］修改）Fig.1 Tectonic units（a）and stratigraphic column（b）of Pearl River Mouth Basin

2 实验方法与仪器

2.1 实验样品与仪器

实验所采用的岩心样品均来自珠江口盆地中深部储层［18］，其中珠一坳陷样品7 块（陆丰凹陷3个、惠州凹陷2 个、西江凹陷1 个、恩平凹陷1 个），珠二坳陷中白云凹陷样品2 块。岩心样品埋深均大于3 000 m，岩性主要为长石砂岩，样品溶蚀作用不显著，次生孔隙不发育，岩心样品的基本特征如表1 所列。岩心所在地层的地层水化学组成复杂，其中有机酸浓度最高。限于实验条件，本次实验采用乙酸溶液，同时，为了加快反应速度，提高了有机酸浓度，实验选取并配制浓度为0.17 mol/L、理论pH 值为2.75（实测pH 值为2.75）的乙酸溶液。实验仪器采用程序控制的高温高压水岩反应装置。按照珠江口盆地中深层地温梯度和压力系数，温度设定为175 ℃，反应压力为50 MPa，反应时间为144 h。为了尽可能接近真实的成岩地质环境，实验采用半封闭式高温高压模拟系统进行模拟，岩石样品矿物成分X 射线衍射分析结果如表2 所列。

表1 珠江口盆地岩心样品特征Table 1 Characteristics of core samples in Pearl River Mouth Basin

表2 珠江口盆地岩石样品矿物成分X 射线衍射分析Table 2 X-ray diffraction analysis of mineral composition of rock samples in Pearl River Mouth Basin

2.2 实验过程

本次实验受时间和经费制约，主要立足地质实际和勘探需求，暂不涉及平衡状态下的长石溶蚀反应。按照珠江口盆地中深层地温梯度和压力系数，设置了相应的温度和压力，模拟研究区深部储层水岩反应及溶蚀机理。

实验过程为：①使用去离子水清洗岩心样品数次，在105 ℃的温度条件下进行24 h 的烘干处理；②将处理好的岩心样品装入样品室，放进釜体内部等待反应；③使用真空泵对样品室抽真空；④利用计算机程序对岩心样品顶、底部施加相同的静岩压力，并固定样品；⑤将设计的反应溶液通过高压液体泵注入样品室直到流体压力达到实验预设值；⑥实验过程中，由压力控制器检测并保持釜内压力，由温度控制器检测并控制釜内温度，实验装置设有进液口和出液口，在不影响装置内的温度和压力的情况下进行分时段（48 h，96 h，144 h）连续取样分析；⑦使用计算机对实验温度、时间、静岩压力以及流体压力进行每分钟记录；⑧实验结束后，首先进行液体收集，打开釜体，等温度降为室温后，将样品室中的岩心完整取出，然后使用去离子水进行清洗，在温度为105 ℃条件下烘干24 h 后，最后进行孔隙度分析，并挑选样品进行扫描电镜观察及能谱分析。

3 实验结果与讨论

为模拟埋藏环境下有机质热演化过程中发生的有机酸对深部储层的溶蚀改造作用，在水动力条件确定的半封闭-半开放体系下，分别对珠江口盆地9 组砂岩岩心样品进行了流体流经岩石内部的溶蚀实验。实验后溶液离子质量浓度随反应时长的变化情况如表3 所列。

表3 珠江口盆地岩心样品反应后溶液中离子质量浓度变化Table 3 Change of ion mass concentration in solution after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin mg/L

3.1 微观形貌对比

扫描电镜观测结果显示，在高温高压实验环境下，样品表面均发生了不同程度的溶蚀，发生溶蚀作用的主要组分包括不稳定矿物钾长石、钠长石及黏土矿物。溶蚀现象主要为：长石颗粒发生溶蚀，在矿物表面形成溶蚀孔与溶蚀坑，也常见长石沿解理方向发生集中溶蚀，黏土矿物由于稳定性差，同样发生溶蚀，不同的溶蚀现象体现了矿物的选择性溶蚀。对比反应前、后的扫描电镜特征可以看出，样品TB5 表面的钾长石发生溶蚀并产生了溶蚀孔（图2a，2b）；样品TB6 反应后斜长石发生溶蚀并形成了溶蚀坑（图2c，2d）；样品TB2 反应后矿物表面未出现明显的溶蚀现象，表面平整且没有流体反应的痕迹，说明矿物表现出选择性溶蚀特征（图2e，2f）；样品TB1 在铸体薄片下可以观察到长石颗粒发生溶蚀，颗粒边缘发生溶蚀形成港湾状、凹凸状（图2g）；样品CS10 中长石因反应前表面存在碎裂与裂缝而使溶蚀强度得到进一步提升（图2h），表明裂缝也是有利于发生溶蚀作用的主控因素之一，微裂缝是深层砂砾岩储层的重要渗流通道［18］。以上现象说明岩石中的易溶组分含量和易溶矿物原生结构的差异会影响次生孔隙的发育，体现在矿物的选择性溶蚀。研究区储层的易溶矿物主要包括长石类矿物、黏土矿物及部分岩屑等，地层中的有机酸为流体组分的主体，除长石颗粒以外，碎屑岩储层中所包含的碳酸盐胶结物及岩屑成分均会发生不同程度的溶蚀，产生次生孔隙。

图2 珠江口盆地岩心样品反应前、后扫描电镜和铸体薄片特征（a）样品TB5，反应前，H25-7 井，文昌组，3 767.75 m；（b）样品TB5，反应后，H25-7 井，文昌组，3 767.75 m；（c）样品TB6，反应前，H19-1 井，恩平组，3 908.50 m；（d）样品TB6，反应后，H19-1 井，恩平组，3 908.50 m；（e）样品TB2，反应前，L13-1 井，恩平组，3 223.50 m；（f）样品TB2，反应后，L13-1 井，恩平组，3 223.50 m；（g）样品TB1，反应后长石发生溶蚀，L14-4 井，文昌组，4 168.52 m；（h）样品CS10，碎裂和裂缝使长石溶蚀强度提升，L34-2 井，珠江组，3 014.00 mFig.2 Scanning electron microscope and cast thin section characteristics of rock samples before and after reaction in Pearl River Mouth Basin

3.2 样品孔隙度变化

研究区岩心样品孔隙度变化结果（图3）显示：反应后样品的孔隙度平均增加了5.6%，平均提升幅度达31.5%，其中最大提升幅度为78.2%，最小提升幅度为2.0%。深度较大的样品孔隙度在模拟实验中得到了提升，能够较大幅度地改善孔隙，说明深部储层存在酸性流体发生溶蚀作用产生次生孔隙的可能性。样品孔隙度出现差异的原因在于易溶矿物原生结构存在差异，不同样品的孔隙连通性及样品发育的裂缝和碎裂情况不同。根据样品反应前、后孔隙度的变化情况、铸体薄片及扫描电镜观察结果，样品CS10 发育裂缝和碎裂，且多为有效连通的孔隙，能够发生有效溶蚀，对孔隙度提升较大；样品TB2 不发育裂缝和碎裂，多为不能连通的无效孔隙，溶蚀作用弱，对孔隙度改善较小，孔隙的连通性较差，表明在相同条件下部分样品次生孔隙不发育，体现了矿物的选择性溶蚀。埋藏溶蚀能够改善储集层的储集空间与连通性，尤其对连通性的提升表现更为突出。不同样品反应前、后孔隙度变化的对比表明，溶蚀作用存在差异，且受原始孔隙发育程度、岩石成分粒度与结构以及易溶矿物组合等的差异影响。此外，长石在整个反应过程中都处于不饱和状态，长石发生的持续性溶蚀是地质时期漫长历史中产生次生孔隙的主要贡献者，是形成有效储层的关键影响因素。根据模拟实验过程来估算长石等矿物对储层产生次生孔隙的贡献具有现实意义。

图3 珠江口盆地岩心样品孔隙度变化Fig.3 Porosity change of core samples in Pearl River Mouth Basin

3.3 溶蚀机制分析

有机酸对硅酸盐矿物和碳酸盐矿物表现出不同的溶蚀改造能力，其一方面取决于水岩反应过程中的热力学机制，具体表现为溶解反应是否具有发生的条件，另一方面则取决于发生反应的矿物在溶解-沉淀反应中的动力学特征，体现在矿物的溶解速率不同［19］。除此之外，参与反应的流体性质也会产生关键影响。珠江口盆地岩心样品反应后溶液离子质量浓度对比结果（图4）显示，反应后的Ca2+总体质量浓度较高，而其他阳离子如K+，Na+和Mg2+的质量浓度则较低，并且在不同反应时长同一样品发生离子迁移的种类也有差异。反应溶液中的离子含量体现出矿物晶格的离子释放程度，9 组不同类型的岩心均释放K+，Na+，Ca2+，Mg2+等阳离子，从反应溶液的离子数据来看，Ca2+含量总体上要高于K+和Na+，这与水岩反应的反应速率有关。关于温度和压力条件会影响有机酸对矿物的溶蚀能力这一问题，范明等［20］的实验结果显示，当温度从常温升高至200 ℃时，有机酸的溶蚀能力先由弱变强，然后再变弱。对比本次实验和以往研究结果发现，温度和压力对有机酸溶蚀砂岩能力的影响尚未形成统一观点，主要是由于采用的模拟实验方式不同。以往模拟实验多采用流体与岩石矿物进行溶蚀反应，而此次实验采用有机酸性流体与深部岩心样品进行反应，这在作用方式和水岩比上与深部储层实际埋藏成岩环境更为接近。

图4 珠江口盆地岩心样品反应后溶液中的离子质量浓度Fig.4 Ion mass concentration in solution after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin

珠江口盆地岩心样品反应前、后矿物含量的变化结果（图5）显示，钾长石和斜长石含量均有所下降，说明酸性流体在反应中消耗了这些矿物，同时使得孔隙度得到了提升。地层中的高压可以抑制黏土矿物发生转化，延长了有机酸性流体在地层中的作用时间，进一步增加了酸性流体与硅酸盐矿物和碳酸盐矿物的接触时间和溶蚀强度，使次生孔隙得到增加［21］。整体上，异常高压环境下的储层具有较好的物性，也更容易发育有效储层［22］。此外反应体系的封闭和开放性是影响体系温度和压力条件、流体发生迁移、反应平衡方向和溶蚀强度的重要因素。一般情况下，储层中成岩流体的环境发生改变，使得岩石矿物之间通过孔隙流体发生物质交换，进而发生溶蚀作用。储层由于断层或不整合面的存在而构成一个非封闭性的化学系统，溶蚀作用产生的离子被运移到他处，自生矿物不发生原地沉淀，使得次生孔隙被保留下来，进而改善了储层物性。结合本次模拟实验证实，深部储层可以产生次生孔隙，这类储层可以作为有效储层［23］。

图5 珠江口盆地岩心样品反应前、后的矿物质量分数对比Fig.5 Comparison of mineral mass fraction before and after reaction of rock samples in Pearl River Mouth Basin

通过珠江口盆地岩心样品模拟实验，对比孔隙发育情况后得出，有机酸可以对砂岩产生溶蚀作用，因此，下一步可将深部储层作为寻找规模储层的潜在有利区域，这一认识拓展了盆地油气勘探领域。结合地质实际来看，成岩过程中碎屑物质与孔隙流体发生离子交换，流体将部分易溶组分带离，进而以离子形式存在于流体中或于其他位置再次发生沉淀。如果储层成岩环境发育断层、裂缝、渗透层、超微孔渗网络，溶蚀产生的离子就能被地层流体带走［24-26］，进而有利于进一步增强溶蚀作用。

3.4 实验地质意义

流体-岩石相互作用贯穿于成储和成藏过程中，其研究对揭示储层成因机制与成藏机制等具有重要意义。这一作用破坏了先前成岩环境的物理化学平衡状态，发生新的成岩反应，产生流体与多种矿物的相互作用，砂岩水岩反应过程中成岩物质传输的本质是体系中矿物-流体物理化学作用的平衡过程［27-28］。对珠江口盆地而言，当有机酸性流体进入深部储层后，与储层内的地质流体形成了高温高压条件下的“乙酸-H2O-砂岩”水岩反应体系。模拟实验结果表明，在高温高压条件下有机酸性流体对岩心内的硅酸盐矿物和碳酸盐矿物能够发生溶蚀作用，深部储层具有发育次生孔隙的潜力。珠江口盆地深部储层成因与地质背景独特，高温高压成岩环境与有机酸性流体的耦合叠加是其区别于其他含油气盆地的显著特征，这种独特的成储模式对于丰富和发展深层成岩、成储理论以及推动深层勘探具有重要意义。因此，在当前深部油气勘探成本越来越高，风险越来越大的背景下，开展高温高压水岩反应和深部储层预测研究，对于提高深层勘探成功率、降低勘探风险具有重要现实意义。

4 结论

（1）通过对珠江口盆地深层温度为175 ℃和压力为50 MPa 条件下的水岩模拟实验，证实了高温高压条件下有机酸性流体对岩石矿物具有溶蚀作用，并且发生了离子迁移现象，释放出K+，Ca2+，Na+，Mg2+等阳离子，样品孔隙度得到提升，反应后平均提高了5.6%，提升幅度达31.5%。珠江口盆地深部储层具有一定的储油能力和勘探潜力，岩石中易溶组分含量以及易溶矿物原生结构影响次生孔隙的发育。

（2）对少井及无井区域进行深部地层条件下的水岩反应实验是科学有效的储层预测与评价方法，实验能够提供发生溶蚀作用的证据，在当前深部油气勘探成本越来越高，风险越来越大的油气勘探背景下，模拟实验对深部储层预测和勘探具有重要现实意义。