雷川，陳紅漢，蘇奧，王麗娜

（1.中國(guó)科學(xué)院蘭州油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）資源學(xué)院，湖北 武漢430074；4.中國(guó)石油吉林油田公司勘探開發(fā)研究院，吉林 松原138000）

0 引言

古老的碳酸鹽巖在經(jīng)歷沉積后的壓實(shí)、膠結(jié)、重結(jié)晶作用后，原生孔隙所剩無幾，而溶蝕作用產(chǎn)生的次生孔隙則成為碳酸鹽巖的重要儲(chǔ)集空間。在儲(chǔ)層演化過程中，由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和流體活動(dòng)的多旋回性，各期次溶蝕作用發(fā)生了復(fù)雜的相互疊加改造，使得區(qū)分不同階段溶蝕作用以及不同期次流體活動(dòng)對(duì)儲(chǔ)層影響程度的定量描述成為研究難點(diǎn)。根據(jù)溶蝕作用發(fā)生的深度，將其分為地表、近地表溶蝕和埋藏溶蝕2 類。風(fēng)化殼溶蝕形成的溶洞和裂縫型碳酸鹽巖已是公認(rèn)的有效儲(chǔ)層［1-2］，但對(duì)埋藏溶蝕作用能否有效改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能仍存在不同認(rèn)識(shí)。

由于存在很多從未被抬升至地表或近地表，也沒有經(jīng)歷地表風(fēng)化，卻具有大量溶蝕孔隙的埋藏碳酸鹽巖（或稱為內(nèi)幕碳酸鹽巖）［3］，因而有學(xué)者認(rèn)為并不是所有溶蝕孔隙都與古風(fēng)化殼有關(guān)。那么除了近地表和表生成巖環(huán)境外，埋藏成巖環(huán)境階段形成的溶蝕孔隙能否有效改善儲(chǔ)層物性成了討論的焦點(diǎn)。

碳酸鹽巖產(chǎn)生溶蝕孔隙，首先需要鈣不飽和的酸性流體，但是在成巖早期階段，流體一般為鈣飽和甚至過飽和的海水，因而，成巖后的流體作用就成為研究的重點(diǎn)。受砂巖溶蝕孔隙理論的啟示［4-5］，有學(xué)者提出有機(jī)質(zhì)成熟過程中產(chǎn)生的CO2、H2S、有機(jī)酸等從烴源巖中排出，與地層水混合，形成對(duì)碳酸鹽巖具有溶蝕力的流體［3，6-7］。

除此之外，變質(zhì)或巖漿源熱液、生物降解石油、硫酸鹽熱化學(xué)還原產(chǎn)物等也能夠產(chǎn)生溶蝕性流體，并影響儲(chǔ)層物性［8-13］。但也有研究表明，砂巖儲(chǔ)層中埋藏成巖階段形成的孔隙在總孔隙中的比例微小，并不能有效改善儲(chǔ)層物性［14］，且埋藏溶蝕作用產(chǎn)生的孔隙缺乏定量數(shù)據(jù)的支持。因此，有學(xué)者也質(zhì)疑碳酸鹽巖埋藏溶蝕作用是否能形成大規(guī)模溶孔［15-16］。

本文針對(duì)上述問題，深入文獻(xiàn)調(diào)研，綜述了埋藏成巖階段溶蝕性流體類型，總結(jié)了埋藏溶蝕作用的巖相學(xué)和地球化學(xué)標(biāo)志，評(píng)述了2 種觀點(diǎn)和主控因素，強(qiáng)調(diào)了碳酸鹽巖埋藏溶蝕作用的地區(qū)差異性和對(duì)先存疏導(dǎo)體系的依賴性，并完善了埋藏巖溶模式。

1 埋藏巖溶流體類型

在不同埋藏巖溶研究實(shí)例中［17-19］，起主導(dǎo)作用的流體類型有所不同，或是多重流體同時(shí)作用，或是不同時(shí)代的流體疊加作用。通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，總結(jié)了可能引起埋藏溶蝕的流體類型（見表1）。

表1 埋藏溶蝕流體類型

1.1 有機(jī)來源溶蝕流體

1）埋藏成巖階段有機(jī)質(zhì)熱成熟作用釋放CO2、H2S、有機(jī)酸［3］（見圖1）。研究表明，儲(chǔ)層溫度與CO2分壓呈線性關(guān)系，即隨著儲(chǔ)層溫度升高，CO2的分壓也會(huì)增加［27］，不同類型烴源巖產(chǎn)出的有機(jī)酸和CO2占總有機(jī)碳的比例也不同［28］。蒙脫石在干酪根裂解生氣過程中起到正催化作用，可能是造成該現(xiàn)象的原因之一，該催化作用被證明也適用于CO2的生成［29］。

2）生物降解石油產(chǎn)生的具溶蝕性的代謝產(chǎn)物也是有機(jī)來源溶蝕流體。某些細(xì)菌和真菌可以消耗石油，同時(shí)產(chǎn)生有機(jī)酸（例如環(huán)烷酸）、CO2［21，30-31］。Floodgate［32］列出了海水環(huán)境中的25 個(gè)可降解烴類的細(xì)菌種屬，和27 個(gè)可降解烴類的真菌種屬。一般某一種微生物只能降解某一特定碳數(shù)的烴類，各種群落的微生物聚集在一起降解組分復(fù)雜的石油［31］。Story 在三維地震資料中解釋出了“溶蝕帶”，并認(rèn)為這種地震剖面上低振幅雜亂反射是溶蝕作用產(chǎn)生的碳酸鹽巖垮塌物，而溶蝕性物質(zhì)正是微生物降解原油所產(chǎn)生的CO2和H2S［21］。

圖1 溶蝕流體的生成與油氣生成的關(guān)系［3］

由圖1可以看出，在埋深較淺部位，產(chǎn)甲烷菌作用產(chǎn)生甲烷，到了生油窗之后，隨著烴類的大量產(chǎn)生，CO2，H2S 以及有機(jī)酸等酸性組分逐漸增加。

1.2 無機(jī)來源溶蝕流體

1）受斷層控制的深層大氣水。構(gòu)造抬升和近垂直斷裂發(fā)育，使得隆起區(qū)的大氣水沿裂縫下滲至碳酸鹽巖地層形成縫洞型儲(chǔ)層，即碳酸鹽巖內(nèi)幕區(qū)大氣水巖溶模式。塔里木盆地塔北隆起西段英買力低凸起南端的英買2 構(gòu)造奧陶系碳酸鹽巖即為典型實(shí)例，其構(gòu)造翼部的斷裂和裂縫系統(tǒng)構(gòu)成泄水通道，形成水循環(huán)，可使巖溶作用持續(xù)發(fā)生［24］。

2）巖漿熱液。巖漿熱液主要來源于深部巖漿流體，其有效溶蝕組分主要包括CO2，SO2，H2S 等。其裂縫充填物具有明顯不同于圍巖的熱液礦物組合、流體包裹體均一溫度、同位素特征和微量元素組成，有時(shí)也伴有圍巖的熱褪色，熱碎裂等現(xiàn)象［11］，還包括幔源的溶蝕性流體。劉存革等［33］通過對(duì)塔河油田奧陶系縫洞方解石的鍶同位素研究，認(rèn)為極低的87Sr/86Sr 值可能指示幔源流體的存在。除溶蝕作用之外，螢石交代方解石形成大量晶間孔也可有效改善儲(chǔ)層的孔隙度。熱液釋放的熱量也可降低化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能，促進(jìn)溶解作用的發(fā)生。

1.3 有機(jī)物與無機(jī)物反應(yīng)來源溶蝕流體

在一定啟動(dòng)條件下，干酪根降解生成的氣態(tài)烴與硫酸鹽巖接觸后會(huì)生成H2S 和CO2等溶蝕性流體，分有細(xì)菌的參與（BSR）和沒有細(xì)菌的參與（TSR）2 種情況。塔里木盆地奧陶系、川東北二疊系與三疊系碳酸鹽巖TSR 作用明顯，其產(chǎn)物對(duì)碳酸鹽巖具有溶蝕作用［34-35］。

1.4 其他溶蝕流體

1）混合流體?；旌先芪g作用最早由前蘇聯(lián)學(xué)者布涅耶夫于1912年發(fā)現(xiàn)。巖溶水的混合溶蝕作用包括飽和溶液混合溶蝕、外來物質(zhì)混合溶蝕和溫度混合溶蝕3 方面［36］。淺埋藏低溫條件下，2 種方解石飽和流體按一定比例混合之后，可以形成對(duì)方解石不飽和的流體。

2）壓實(shí)流體。當(dāng)?shù)貙勇裆钸_(dá)到一定程度，上覆地層壓力的增大可導(dǎo)致孔隙水沿著生長(zhǎng)斷層排出。生長(zhǎng)斷層活躍時(shí)可促進(jìn)壓實(shí)流體的排出，生長(zhǎng)斷層不活躍時(shí)壓實(shí)流體的排出受到限制［37］。Moldovanyi 等認(rèn)為這些壓實(shí)水來自于第三紀(jì)頁巖的脫水作用［26］。黏土礦物脫出的水本身不具有溶蝕性，但是在其排出過程中可能會(huì)溶解CO2、有機(jī)酸等溶蝕組分。

2 埋藏溶蝕的識(shí)別標(biāo)志

關(guān)于埋藏溶蝕的研究多集中于塔里木盆地和四川盆地，少數(shù)涉及鄂爾多斯盆地和渤海灣盆地的濟(jì)陽坳陷。目前關(guān)于埋藏巖溶的識(shí)別標(biāo)志見表2。單獨(dú)一個(gè)標(biāo)志難以準(zhǔn)確判斷是否發(fā)生埋藏溶蝕作用，一般結(jié)合多種巖相學(xué)特征及多組地球化學(xué)數(shù)據(jù)綜合識(shí)別。

表2 存在埋藏溶蝕的直接證據(jù)和間接證據(jù)匯總

3 埋藏溶蝕的有效性

目前對(duì)于埋藏溶蝕能否有效改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能，學(xué)術(shù)界主要存在2 種觀點(diǎn)：一是以Moore，Mazzullo和Harris 等為代表，認(rèn)為某些情況下埋藏巖溶對(duì)次生孔隙的形成有重要作用［3，7］；二是以Bj?rlykke，Ehrenberg和Taylor 等為代表，認(rèn)為埋藏巖溶幾乎不能形成大規(guī)模有效孔隙［14-16，47］。

現(xiàn)實(shí)中并非所有多孔碳酸鹽巖都與不整合面相關(guān)，也存在許多未曾暴露地表但具有高孔滲碳酸鹽巖地層的實(shí)例。Mazzullo 等認(rèn)為埋藏溶蝕對(duì)碳酸鹽巖次生孔隙的形成具有重要作用［3］。流體沿著不整合面、斷裂、裂縫、縫合線等進(jìn)行溶蝕［19，48］，可造成碳酸鹽巖先存孔隙的擴(kuò)大；或者形成新的溶蝕孔隙，形成與大氣水溶蝕孔隙相似的溶孔、溶洞、溶縫，導(dǎo)致難以區(qū)分識(shí)別［7］；或者碳酸鹽巖內(nèi)部產(chǎn)生的溶蝕性組分在不運(yùn)移的情況下溶蝕碳酸鹽巖，形成自源溶蝕孔隙［38，49］。

但是，也有學(xué)者對(duì)埋藏溶蝕能否有效改善儲(chǔ)層表示懷疑。他們認(rèn)為在可以產(chǎn)生有機(jī)酸和CO2的烴源巖及在碳酸鹽巖發(fā)育的地層中，碳酸鹽巖礦物易達(dá)到平衡，可能在短期內(nèi)使流體對(duì)鈣過飽和（失去溶蝕碳酸鹽巖的能力），如果沒有持續(xù)補(bǔ)充的有機(jī)酸、CO2和H2S，那么有機(jī)質(zhì)熱成熟過程釋放的流體對(duì)儲(chǔ)層次生孔隙的貢獻(xiàn)可能很有限［15-16，50］。他們還認(rèn)為，高含CO2的變質(zhì)成因或巖漿成因流體對(duì)裂縫的依賴性較大，在分布上具有局限性，且與礦物反應(yīng)易達(dá)到平衡，因此對(duì)埋藏溶蝕的影響極?。?6，51］。

Ehrenberg 等通過定量模擬計(jì)算認(rèn)為，埋藏溶蝕對(duì)碳酸鹽巖次生孔隙的貢獻(xiàn)只在總孔隙中占極小的比例（見圖2），并解釋了各種溶蝕流體的溶蝕機(jī)制的局限性［15-16］。筆者認(rèn)為，該模擬計(jì)算盡管在定量計(jì)算埋藏溶蝕所產(chǎn)生的溶蝕孔隙方面做了原創(chuàng)性和探索性的工作，但卻忽略了實(shí)際地質(zhì)系統(tǒng)的開放性。在地質(zhì)歷史時(shí)期，流體的產(chǎn)生、運(yùn)移是一個(gè)開放的過程，并且具有多期性，而該模擬計(jì)算將地質(zhì)模型簡(jiǎn)化為封閉模型，因而，在解釋埋藏溶蝕的強(qiáng)度時(shí)具有一定的局限性。

圖2 模擬計(jì)算孔隙度增加1%所需的流體量［16］

由圖2可以看出，要使100 m3的碳酸鹽巖地層增加1%的孔隙度，即溶蝕掉1 m3的碳酸鹽巖，需要0.01%的鈣不飽和溶液27 000 m3，但是下覆5 km 厚的沉積物失去10%孔隙度所釋放的地層水一般不超過500 m3/m2，還不足所需量的2%。

除此之外，對(duì)于硫酸鹽熱化學(xué)還原，Machel 認(rèn)為TSR 反應(yīng)發(fā)生于狹窄的反應(yīng)帶，雖然在理論上可以形成溶蝕孔隙，但難以有效增加儲(chǔ)層孔隙度［8］。但是，在我國(guó)四川盆地東北下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組氣藏中天然氣中，由TSR 反應(yīng)生成的H2S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)12%～17%，某些氣藏的硫磺儲(chǔ)量達(dá)到數(shù)百萬噸，且儲(chǔ)集空間以溶蝕孔為主，巖心樣品孔隙度最高的大于20%［35］。碳酸鹽巖儲(chǔ)層中高含硫化氫的氣藏主要與TSR 反應(yīng)有關(guān)［52-54］。目前烴源巖成熟所產(chǎn)生的溶蝕性流體作為埋藏溶蝕作用的重要因素，已被許多石油地質(zhì)學(xué)家所認(rèn)可［55］。

4 埋藏溶蝕控制因素

4.1 地區(qū)差異性分析

影響埋藏溶蝕的地質(zhì)因素至少包括： 裂縫發(fā)育程度；深大斷裂的分布；碳酸鹽巖中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其是否發(fā)生過熱降解； 目的層碳酸鹽巖與烴源巖是否疏通，及二者之間的距離；熱對(duì)流；碳酸鹽巖的礦物成分及黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)；巖漿活動(dòng)；TSR 是否發(fā)生及其強(qiáng)度、影響范圍；微生物降解的強(qiáng)度和范圍等。

不同研究區(qū)的各因素表現(xiàn)或發(fā)育程度、分布范圍不同，使得埋藏巖溶具有一定的地區(qū)差異性，甚至同一盆地不同構(gòu)造單元也存在差異。例如，2011年，金振奎等認(rèn)為在塔東地區(qū)埋藏溶蝕作用為溶蝕孔洞最主要的成因［41］；2006年，錢一雄等認(rèn)為埋藏溶蝕作用在塔中西北部奧陶系碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育中有重要作用［23］；2012年，鄭劍等認(rèn)為塔中北斜坡地區(qū)鷹山組儲(chǔ)層差異性受控于層間巖溶和埋藏巖溶等［56］。

盡管有學(xué)者認(rèn)可發(fā)生了埋藏溶蝕，并強(qiáng)調(diào)了埋藏溶蝕對(duì)各自研究區(qū)儲(chǔ)層的重要性，但也有學(xué)者認(rèn)為塔克隆起中下奧陶統(tǒng)鷹山白云巖儲(chǔ)集層埋藏成巖期形成針狀溶孔被亮晶方解石嚴(yán)重充填［34］，對(duì)儲(chǔ)層物性貢獻(xiàn)不大。王恕一、王嗣敏等也強(qiáng)調(diào)了深部流體充填作用對(duì)儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能的破壞和對(duì)儲(chǔ)層非均質(zhì)性的加強(qiáng)［44，57］。

由此可見，埋藏巖溶存在明顯的地區(qū)差異性，即使同一盆地內(nèi)部埋藏溶蝕對(duì)次生孔隙的貢獻(xiàn)也存在 “關(guān)鍵因素”和“充填嚴(yán)重”2 種不同觀點(diǎn)。建議從尋找區(qū)域埋藏溶蝕演化主控因素入手，同時(shí)考慮埋藏溶蝕的溶蝕作用和阻塞作用。

4.2 對(duì)先存疏導(dǎo)體系的依賴性

一些學(xué)者總結(jié)了碳酸鹽巖埋藏溶蝕模式，均是溶蝕性流體沿著斷層、裂縫和縫合線等先存疏導(dǎo)體系運(yùn)移到碳酸鹽巖地層進(jìn)行溶蝕［3，11，38，41，55，58-61］。層序不整合面、斷裂和裂縫、縫合線、早期地表巖溶縫洞等先存疏導(dǎo)體系，是巖溶型碳酸鹽巖儲(chǔ)層的控制因素。筆者對(duì)前人總結(jié)的幾種模式分析后認(rèn)為，埋藏巖溶對(duì)先存疏導(dǎo)體系的依賴性強(qiáng)，溶蝕性流體優(yōu)先選擇高滲透率部位運(yùn)移（見圖3）。

由圖3可以看出，來自烴源巖和（或）侵入體中的溶蝕性流體優(yōu)先選擇斷層面、地層層面、縫合線、裂縫、不整合面等先存輸導(dǎo)體系運(yùn)移。

圖3 埋藏巖溶模式

5 存在問題

1）多期次溶蝕作用相互疊加改造，導(dǎo)致難以區(qū)分不同巖溶作用的溶蝕程度，這使得對(duì)溶蝕期次以及每期溶蝕的作用范圍及程度的研究變得困難，尤其是定量研究不同期次埋藏巖溶作用對(duì)次生孔隙的貢獻(xiàn)。深埋溶蝕次生孔隙一般沿著先存孔隙（可能是地層處于地表、近地表環(huán)境時(shí)的大氣水溶蝕作用產(chǎn)生的通道）繼續(xù)擴(kuò)大部分溶蝕孔隙，這種情況下我們有可能把先存孔隙也當(dāng)作了埋藏巖溶的貢獻(xiàn)，從而不準(zhǔn)確地估計(jì)了深埋溶蝕的程度。

2）孔隙和裂縫充填物是在空間形成后才充填進(jìn)去的，有可能晚于充填時(shí)間，而用孔隙充填物的巖相學(xué)特征和地球化學(xué)特征去研究孔隙本身形成時(shí)的流體，是否科學(xué)可靠仍值得討論［16］。

6 結(jié)論

1）埋藏溶蝕流體來源可分為有機(jī)來源、無機(jī)來源、有機(jī)加無機(jī)來源、其他來源。目前主要通過巖相學(xué)和地球化學(xué)方法識(shí)別埋藏溶蝕作用的發(fā)生。

2）國(guó)內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者認(rèn)同埋藏溶蝕可有效改善儲(chǔ)層。同時(shí)也有學(xué)者對(duì)此提出懷疑，但其計(jì)算模型未考慮地質(zhì)流體活動(dòng)的開放性、多期性，因而仍存在局限。

3）埋藏溶蝕對(duì)次生孔隙貢獻(xiàn)的定量化為油氣勘探?jīng)Q策提供了重要科學(xué)依據(jù)，定量計(jì)算是未來碳酸鹽巖埋藏溶蝕次生孔隙領(lǐng)域亟待解決的問題。

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