張軍濤，吳世祥，唐德海，龍勝祥

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司 勘探南方分公司，成都 610041)

含泥碳酸鹽巖埋藏條件下溶蝕作用的實(shí)驗(yàn)?zāi)M

張軍濤1，吳世祥1，唐德海2，龍勝祥1

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院 構(gòu)造與沉積儲層實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國石油化工股份有限公司 勘探南方分公司，成都 610041)

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M埋藏條件下含泥碳酸鹽巖的溶蝕過程，分析了粘土礦物的富集程度和賦存狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著壓力和溫度的增加，粘土礦物含量是一個先增加后降低的過程，在80～160 ℃時達(dá)到極值。而粘土礦物的賦存狀態(tài)從主要分布于裂縫中到包裹狀再到殘余于裂縫之中。溶蝕率大致隨著溫度和壓力的增加而增加，實(shí)驗(yàn)中在160 ℃、48 MPa條件下獲得了最高的溶蝕率。碳酸鹽巖泥質(zhì)含量的差異對溶蝕率影響并不是十分明顯，粘土礦物的賦存狀態(tài)似乎更為重要。隨著溶蝕作用的繼續(xù)，粘土礦物對溶蝕作用有一定的影響，在80～120 ℃時，粘土礦物減緩了溶蝕率增加的速度，但是溫壓繼續(xù)增加時，這種影響又有所減弱。

粘土礦物；碳酸鹽巖；溶蝕作用；埋藏條件；實(shí)驗(yàn)?zāi)M

碳酸鹽巖在沉積過程中普遍會含有一定量的粘土礦物[1]。這些粘土礦物在碳酸鹽巖漫長的成巖過程中，會影響碳酸鹽巖成巖作用的發(fā)生。特別是在埋藏條件下，當(dāng)粘土礦物發(fā)生析出和富集時，可能會影響碳酸鹽巖的溶蝕速度[2]。因此，分析碳酸鹽巖中粘土礦物在埋藏條件下的含量變化、賦存狀態(tài)和溶蝕速率，對于了解碳酸鹽巖儲層的形成與保存非常有意義。

水巖反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M在國內(nèi)外已進(jìn)行了許多研究，其研究方法和實(shí)驗(yàn)儀器亦較為成熟[3-9]。但是針對含泥碳酸鹽巖的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，目前進(jìn)行的相對較少。本文通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M埋藏條件，試圖分析碳酸鹽巖中粘土礦物的析出速率和賦存狀態(tài)，分析粘土礦物在埋藏條件下對碳酸鹽巖溶蝕作用的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

研究借鑒較為成熟的儲層水巖反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過模擬含泥碳酸鹽巖的水巖反應(yīng)，研究碳酸鹽巖在埋藏環(huán)境下粘土礦物含量的變化以及對碳酸鹽巖溶蝕的影響。

實(shí)驗(yàn)在中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所完成。實(shí)驗(yàn)裝置水—巖反應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)儀如圖1，該裝置用管式爐加溫控制實(shí)驗(yàn)溫度，內(nèi)部用1個6孔板固定樣品管，管底采用微孔及節(jié)制閥門，以控制每個樣品出口端的流量；通過進(jìn)口端流速控制實(shí)驗(yàn)壓力。

圖1 水—巖反應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn)儀裝置示意

樣品采自川東北中三疊統(tǒng)雷口坡組，該組地層中發(fā)育大量的含泥碳酸鹽巖[10-14]。本次選用的實(shí)驗(yàn)樣品均為塊狀、均一、不含條帶與斑塊的灰?guī)r或白云巖。每個樣品被切割為3份大小相近、形狀相似、重量在10 g左右的立方體。為了突出實(shí)驗(yàn)的效果和較為真實(shí)地模擬地層流體，實(shí)驗(yàn)的流體介質(zhì)選用5%的乙酸溶液。實(shí)驗(yàn)溫度、壓力模擬地層條件，分別為：40 ℃,6 MPa；80 ℃,13 MPa；120 ℃,34 MPa；160 ℃,48 MPa。

實(shí)驗(yàn)采用動態(tài)壓力平衡法，即讓新鮮的流體不斷地流過巖樣，并保持釜內(nèi)壓力不變，所以流體流速和流出總液體量將會直接影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了保證流過所有樣品的流速基本一致，實(shí)驗(yàn)采用定時間、定流量、定總量，在20 h左右的時間內(nèi)，以10 mL/min 流速注入反應(yīng)液，最終使得出口閥流出量分別為500,1 000,2 000 mL。雖然中間個別樣品管的出口流速會有微小的差別，但可以通過間隙關(guān)閉出口閥的方式，精確控制各樣品的流出總液量。實(shí)驗(yàn)表明，浸泡方式下巖樣的溶蝕量較小，所以短暫關(guān)閉出口閥門不會影響到結(jié)果[7]。

在反應(yīng)前后分別對樣品進(jìn)行碳酸鹽含量分析和掃描電鏡能譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1碳酸鹽巖中粘土礦物含量變化

掃描電鏡能譜分析顯示，實(shí)驗(yàn)中3個樣品中粘土礦物是除碳酸鹽礦物之外的主要礦物類型。因此，本次研究可以利用碳酸鹽巖中不溶物的含量來反映粘土礦物的含量變化。

3個原始樣品都含有一定量的粘土礦物，在初始未溶蝕條件下，1,2,3號樣品的不溶物含量分別為8.15%,16.43%,6.38%(表1)。

3個樣品不溶物含量在反應(yīng)前后有明顯的變化(表1，圖2)。在不同的條件下，反應(yīng)后樣品也有顯著的不同。但在經(jīng)過不同的溫壓條件的流體溶蝕后，2號樣品仍然在3個樣品中具有最高不溶物含量。

表1 不同溫壓條件下碳酸鹽巖樣品的不溶物含量

注： 樣品1,2號采自廟壩剖面、3號采自立溪巖剖面的中三疊統(tǒng)雷口坡組。

圖2 不同條件下碳酸鹽巖樣品的不溶物含量

在40 ℃,6 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，1,2,3號樣品中的不溶物含量分別增加為9.89%,18.43%,7.47%；而在80 ℃,20 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，不溶物含量分別為10.78%,20.34%,7.41%，較前一條件除3號樣略有減少外，其他樣品的不溶物含量繼續(xù)增加；當(dāng)在120 ℃,34 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，除1號樣有所減少外，其他樣品的不溶物含量仍繼續(xù)上升。值得注意的是，在160 ℃,48 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，所有樣品的不溶物含量都較120 ℃,34 MPa條件下有所降低。

與原始巖樣相比，通過不同條件下的反應(yīng)后，樣品中不溶物的含量都有所增加。說明在埋藏條件下，溶蝕作用都會使得碳酸鹽巖中的不溶物含量增加。但是不溶物含量并不是簡單地增長，巖樣中的不溶物在80～160 ℃時達(dá)到極值。如圖2所示，不溶物含量變化曲線呈現(xiàn)明顯的上凸型，說明隨著壓力和溫度的增加，粘土礦物含量是一個先增加后降低的過程，可能存在一個溫壓條件，形成不溶物含量的最大值。

2.2碳酸鹽巖中粘土礦物的賦存狀態(tài)

粘土礦物對碳酸鹽巖溶蝕作用的影響可能與其在碳酸鹽巖中的賦存狀態(tài)有關(guān)，通過掃描電鏡可以清楚地識別粘土礦物在碳酸鹽巖中的賦存狀態(tài)的變化。反應(yīng)前的3號樣，掃描電鏡顯示為致密塊狀含泥泥晶云巖，孔隙很不發(fā)育，見很少量的片狀粘土礦物，主要存在于白云石粒間(圖3a)。在40 ℃,6 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，粒間孔隙發(fā)育，顆粒溶蝕呈鏤空狀，邊緣見殘余泥質(zhì)分布；殘余泥質(zhì)呈片狀，主要成分為伊利石(圖3b)。在80 ℃,20 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，粒間孔隙發(fā)育，顆粒大部分被溶蝕，邊緣見殘余粘土礦物分布(圖3c)。當(dāng)在120 ℃,34 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，溶孔更為發(fā)育，邊緣見殘余泥質(zhì)分布，幾近呈包裹狀。在160 ℃,48 MPa條件下，經(jīng)1 000 mL含乙酸流體的溶蝕后，晶間溶孔與粒內(nèi)溶孔非常發(fā)育，邊緣可見殘余的粘土礦物，但較之上一個條件下明顯減少?？梢园l(fā)現(xiàn)，粘土礦物的賦存形態(tài)與不溶物的含量有一定的聯(lián)系。從40 ℃,6 MPa到160 ℃,48 MPa，不溶物含量經(jīng)歷了增加到減少的過程，粘土礦物的賦存狀態(tài)從主要分布于裂縫中到包裹狀再到殘余于裂縫之中。

2.3碳酸鹽巖在埋藏條件下的溶蝕率

在埋藏條件下，含乙酸流體介質(zhì)中，碳酸鹽巖樣品顯然要比泥巖樣品更容易發(fā)生溶蝕[15]。本文用溶蝕率來反映礦物溶蝕前后質(zhì)量變化，即指質(zhì)量差值與原始質(zhì)量的百分比。在經(jīng)歷1 000 mL流體反應(yīng)后，其溶蝕率在15.7%～27.4%之間。在不同的溫度和壓力下，樣品的溶蝕率有著顯著的不同，隨著溫度和壓力的升高，溶蝕率逐漸增加，但80～120 ℃間增加的速率逐漸放緩。

在接近地表的溫壓條件下(40 ℃,6 MPa)，3個樣品的溶蝕率分別為16.6%,15.77%,16.84%，其中2號樣的溶蝕率最低，3號樣品的溶蝕率最高，但較前人泥質(zhì)含量較少的樣品其溶蝕率偏低[5]。當(dāng)溫度和壓力升高至80 ℃,13 MPa時，各樣品的溶蝕率也分別升高至23.00%,23.43%,21.70%，2號樣的溶蝕率最高，3號樣的溶蝕率最低。至120 ℃,34 MPa時，各樣品的溶蝕率繼續(xù)增高至23.47%,25.46%,23.97%，但增加的速度明顯減緩，2號樣的溶蝕率最高， 1號樣的溶蝕率最低。當(dāng)升至160 ℃,48 MPa時，巖樣的溶蝕率也相應(yīng)升高至27.42%,26.58%,26.23%，其中1號樣溶蝕率最高，3號樣的溶蝕率最低。

圖3 3號巖樣在不同溫壓條件下的溶蝕形貌

圖4 不同條件下碳酸鹽巖樣品的溶蝕率

綜合上述數(shù)據(jù)顯示，粘土礦物含量不同的巖樣在相同的溫度壓力條件下，溶蝕率有一定的差異。在近地表較淺埋深的條件下，3號和1號樣要略高于2號樣的溶蝕率；而當(dāng)溫壓條件增加時，地溫在80～120 ℃時，2號樣的溶蝕率超過了3號樣和1號樣；埋深繼續(xù)增加時，地溫到160 ℃時，3個巖樣的溶蝕率相差不大(圖4)。

3 討論

溶蝕率大致上隨著溫度和壓力的增加而增加，在160 ℃,48 MPa條件下具有最高的溶蝕率。但是如前所述，粘土礦物含量并不隨溫度和壓力的增加而簡單增加，在80～120 ℃不溶物含量達(dá)到最大值，而繼續(xù)增加時粘土礦物含量卻有減少的趨勢。一般在溶蝕過程中，碳酸鹽礦物能被大量溶蝕，粘土礦物僅有微量能被溶蝕，因此按照此理論，隨著溶蝕率增加，粘土礦物含量也是個相應(yīng)增加的過程。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻顯示為不同的趨勢，這可能與粘土礦物在較高溫度壓力條件下，具有了一定的溶解度，并且粘土礦物的析出同時阻礙了溶蝕作用的發(fā)生，80～120 ℃溶蝕率增加較為緩慢，可能也與粘土礦物的存在有關(guān)。再當(dāng)溫壓繼續(xù)增加時，溶蝕率持續(xù)增加，粘土礦物的影響減弱。

初始溶蝕率的不同可能與3個樣品的粘土含量的差異有關(guān)，在較低的溫壓條件下，粘土礦物的含量以及巖石巖性影響著溶蝕作用的發(fā)生，使得2號樣的溶蝕率最低，3號樣最高；但當(dāng)溫壓條件增加時，粘土礦物含量的影響減弱，可能與其賦存狀態(tài)聯(lián)系更大，包裹狀賦存更能阻礙溶蝕作用的發(fā)生；溫度壓力繼續(xù)增加時，溶蝕能力已經(jīng)超過了粘土析出的影響，粘土含量的影響變小。

模擬實(shí)驗(yàn)的溫壓條件可以對應(yīng)埋藏條件下的溫壓，以地表溫度25 ℃、地溫梯度25 ℃/km計(jì),40,80,120,160 ℃分別對應(yīng)埋藏深度為800,2 400,4 000,5 600 m。結(jié)合前面的分析，在埋藏深度2 400～5 600 m之間時，粘土礦物的析出達(dá)到極值，在此深度區(qū)間最利于粘土礦物的析出，容易富集形成泥質(zhì)夾層，從而減緩溶蝕作用的發(fā)生。

4 結(jié)論

1)隨著溫度和壓力的增高，粘土礦物的析出率是一個先增加后減少的過程，在溫度80～120 ℃時，不溶物含量達(dá)到最大值。

2)碳酸鹽巖的泥質(zhì)含量的差異對溶蝕率影響并不是十分明顯。但是隨著溶蝕作用的繼續(xù)，粘土礦物的含量對溶蝕作用有一定的影響。在80～120 ℃時，粘土礦物減緩了溶蝕率增加的速度，但是溫壓繼續(xù)增加時，這種影響又有所減弱。這可能也與粘土礦物的賦存狀態(tài)有關(guān)，存在于粒間晶間的粘土礦物可能對溶蝕作用影響不大，但是呈包裹狀賦存的粘土礦物可能減緩溶蝕作用的發(fā)生。

致謝：在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、完成過程中，得到了中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所范明、劉偉新和俞凌杰等同志的大力幫助，特致謝忱。

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(編輯黃 娟)

Experimentalsimulationofburialdissolutionofclay-bearingcarbonate

Zhang Juntao1, Wu Shixiang1, Tang Dehai2, Long Shengxiang1

(1.LaboratoryofStructuralandSedimentologicalReservoirGeology,SINOPECResearchInstituteofPetroleumExploration&Production,Beijing100083,China; 2.SINOPECExplorationSouthernCompany,Chengdu,Sichuan610041,China)

The burial dissolution process of clay-bearing carbonate was simulated with experiment in order to ana-lyze the enrichment and occurrence of clay mineral. As the increase in pressure and temperature, clay mineral content increased at first and then decreased, with 80-160 ℃ as the turning point. Clay mineral mainly existed in crack, inclusion and residual crack. Dissolution rate increased as temperature and pressure increased, and obtained the biggest value at 160 ℃ and 48 MPa in experiment. The influence of clay content in carbonate on dissolution rate was not obvious, while the occurrence of clay mineral played a more important role. As dissolution continued, clay mineral delayed the increase of dissolution rate at 80-120 ℃; however, the influence weakened as temperature and pressure continued increasing.

clay mineral; carbonate; dissolution effect; burial condition; experimental simulation

1001-6112(2013)02-0220-04

10.11781/sysydz20130219

TE122.2+3

A

2012-03-19；

2013-01-28。

張軍濤(1981—)，男，博士，工程師，從事碳酸鹽巖儲層研究。E-mail：zhangjt.syky@sinopec.com。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB214802)和國家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05005002)資助。