1、淺探碎屑巖次生孔隙形成機(jī)制摘要:碎屑巖次生孔隙層是深部油氣藏的重要儲集層,分析了碎屑巖次生孔隙的形成機(jī)制。認(rèn)為碎屑巖進(jìn)入埋藏成巖階段后,大氣水的淋濾溶蝕、碳酸水溶液與有機(jī)酸溶液的溶蝕,以及地層水對碳酸鹽礦物的溶蝕作用,均可形成不同程度的次生孔隙。甚至有機(jī)酸的溶蝕能力是碳酸溶蝕能力的幾倍到幾十倍、幾百倍。本文提出了多學(xué)科結(jié)合、定量化研究次生孔隙的形成演化、發(fā)育規(guī)模及預(yù)測方法是今后的研究方向。關(guān)鍵詞:碎屑巖;次生孔隙;形成機(jī)制;砂巖1引言碎屑巖次生孔隙的研究始于20世紀(jì)30年代。在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi),碎屑巖的次生孔隙一直沒有受到重視,人們往往把次生孔隙解釋為地層出露地表受大氣淡水淋濾溶蝕的結(jié)果,而沒有

2、認(rèn)識到地下深部次生孔隙發(fā)育的機(jī)制及其對油氣聚集的意義。20世紀(jì)70年代以來砂巖成巖作用研究的重要突破是,在砂巖中發(fā)現(xiàn)有埋藏大量成巖過程形成的次生孔隙,并建立了一整套有關(guān)砂巖次生孔隙的識別標(biāo)志。1979年Volk-mar等人首次系統(tǒng)地闡述了砂巖次生孔隙的成因類型、識別標(biāo)志以及地下分布,認(rèn)識到地下深部砂巖次生孔隙發(fā)育的普遍性和對油氣聚集的重要性。從此,砂巖次生孔隙的研究得到了廣泛深入的開展。隨著油氣勘探開發(fā)和研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)碎屑巖油氣儲層中次生孔隙的發(fā)育是較普遍存在的。近年來在砂巖次生孔隙成因機(jī)理的研究有了新的進(jìn)展。1983年Boles研究了美國加里福尼亞州南部和德克薩斯州中新世盆地,認(rèn)為斜長

3、石是形成次生孔隙的重要產(chǎn)物,斜長石沿解理面比垂直解理面的溶解快2-3倍,溶解后析出高嶺石和形成石英次生加大。1985年朱國華研究了陜甘寧盆地三疊系砂巖儲層,認(rèn)為砂體中各種長石和濁沸石膠結(jié)物的溶蝕十分強(qiáng)烈,有些砂巖中的孔隙幾乎全是硅酸鹽巖巖屑溶孔;塔里木盆地和吐哈盆地三疊系、侏羅系,準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系以及渤海灣盆地的下第三系、松遼盆地白堊系砂巖儲層中的硅酸鹽的溶蝕也比較的強(qiáng)烈。砂巖中次生孔隙的普遍存在為尋找深部油氣藏提供了依據(jù),進(jìn)而擴(kuò)大了油氣勘探的領(lǐng)域。世界上有不少地區(qū)已在地下5km左右發(fā)現(xiàn)相對高孔滲砂體和油藏;我國東部地區(qū)在地下3-4km深度發(fā)現(xiàn)了較高孔滲性油氣儲層;塔里木盆地東河砂巖在56km

4、深度仍存在優(yōu)質(zhì)儲層;準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系三工河組在大于4km深度也存在相對優(yōu)質(zhì)儲層。很多學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)正在研究預(yù)測盆地中砂體孔隙演化和分布的模型,用以預(yù)測地下孔隙度窗口和有利孔隙帶的分布。1984年Surdam在研究礦物氧化劑與次生孔隙的形成時(shí)認(rèn)為,在許多重要的油氣儲層中,硅酸鹽骨架顆粒的溶解可構(gòu)成孔隙的重要部分。實(shí)驗(yàn)資料表明,雙官能團(tuán)羧酸能使Al的溶解度增加3個(gè)數(shù)量級。在干酪根結(jié)構(gòu)的研究中,發(fā)現(xiàn)干酪根的氧化降解是常見的反應(yīng),它能形成濃度極高的雙官能團(tuán)羧酸;即礦物氧化劑的還原以及隨之而發(fā)生的有機(jī)質(zhì)的氧化,雙官能團(tuán)羧酸從干酪根中析出。蒙脫石/伊利石混合層的有序化和羧酸的最高濃度在時(shí)間、溫度和空間上的

5、一致性,為雙官能團(tuán)羧酸的形成提出一種解釋,并認(rèn)為具有高溶解能力的二元羧酸和酚正好在烴類形成之前流經(jīng)相鄰砂巖,對巖石產(chǎn)生溶解作用,二元羧酸和酚能絡(luò)合Al,因而可有效地提高鋁硅酸鹽的溶解度。2形成機(jī)制2.0 概述次生孔隙絕大部分是由溶蝕作用造成的，除溶蝕作用外，方解石交代難溶硅酸鹽、膠結(jié)物和基質(zhì)中的重結(jié)晶作用、成巖圈閉造成、生物作用、砂巖中的碳酸鹽膠結(jié)物在上升期和風(fēng)化期受溶解以及巖石組分的破裂和收縮也可以使砂巖產(chǎn)生重要的次生孔隙。詳見表1：2.1大氣水的注入碎屑巖經(jīng)受地表大氣水的淋濾作用主要發(fā)生在構(gòu)造抬升或海平面下降造成的不整合面之下及大氣水沿構(gòu)造斷裂帶注入等區(qū)域。因遭受淋濾溶解作用會導(dǎo)致次生孔隙

6、的廣泛發(fā)育:(1)大氣水驅(qū)動的地下水垂向或側(cè)向大范圍地侵入流動,這種侵入的深度可達(dá)到地下2km,地下水的大范圍(指整個(gè)盆地范圍)遷移是形成地下流體整體運(yùn)動和熱運(yùn)動的重要機(jī)制。(2)大氣水具有高的流速和相對低的溫度,這種不飽和水的高速注入以及低溫條件下緩慢的反應(yīng)速度促進(jìn)了開放系統(tǒng)的成巖作用,包括次生孔隙的形成作用。(3)碎屑巖中具有較高的可溶類礦物,如長石礦物易被溶蝕,可產(chǎn)生大量的次生孔隙。(4)被溶蝕的物質(zhì)可以隨大范圍的流體遷移帶離溶蝕作用發(fā)生區(qū),產(chǎn)生的溶蝕空間得以保存。隨著大氣水流動路徑的加長,其淋溶能力降低,含某些礦物不飽和的流體最終將因?yàn)椴粩嗯c地層水的相互作用而處于飽和狀態(tài),溶蝕反應(yīng)停止

7、。所以,大氣水的作用深度可以很深,但大量孔隙的產(chǎn)生只限于大氣水作用的上部。盡管這些孔隙形成于地表或淺埋藏地層中,但巖石在其經(jīng)歷二次埋藏之前就已經(jīng)固結(jié),因而相當(dāng)數(shù)量的孔隙在深埋過程中得到保存。2.2碳酸水的溶解作用有機(jī)質(zhì)的熱成熟過程會產(chǎn)生CO2,并由此形成碳酸,它是參與地下沉積物孔隙形成的另一種重要介質(zhì)。在約100c的條件下,地下有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生CO2,形成碳酸并降低流體的pH值,從而導(dǎo)致地下碳酸鹽礦物和鋁硅酸鹽礦物的溶解。這類作用可以使由碳酸巖礦物和鋁硅酸鹽礦物膠結(jié)的砂巖產(chǎn)生有效孔隙。質(zhì)量平衡計(jì)算結(jié)果表明,有機(jī)質(zhì)的脫羧基作用所產(chǎn)生的CO2還不足以使很多地層中的砂巖發(fā)生溶解而產(chǎn)生大量的次生孔隙。在

8、大多數(shù)沉積盆地中,CO2作為溶解介質(zhì)產(chǎn)生的溶蝕孔隙是有限的。碳酸的形成有2種機(jī)理,即有機(jī)成因和無機(jī)成因。有機(jī)成因機(jī)理為,有機(jī)質(zhì)在成巖過程中會產(chǎn)生CO2,CO2上升進(jìn)入上覆的砂巖中,溶于水而形成碳酸,同時(shí)溶解碎屑顆粒和膠結(jié)物而產(chǎn)生次生孔隙。1984年Franks研究了德克薩斯州墨西哥灣岸地區(qū)孔隙流體化學(xué)性質(zhì)、CO2與次生孔隙3者之間的關(guān)系,指出始新統(tǒng)威爾科克斯群孔隙流體中方解石的飽和指數(shù)、異常高滲透率以及天然氣中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)3者之間的相關(guān)性,表明在碎屑巖中,CO2與次生孔隙的形成有密切關(guān)系。天然氣中CO2含量隨儲層時(shí)代及溫度呈有規(guī)律性的變化,反映了CO2對次生孔隙形成的動態(tài)控制;在100c左

9、右,天然氣中CO2含量迅速增加,與砂巖次生及原生孔隙比值迅速增加的溫度相符合;碳酸鹽膠結(jié)物穩(wěn)定同位素分析表明,CO2主要是來自有機(jī)體系,有機(jī)無機(jī)體系之間存在C的循環(huán),有機(jī)質(zhì)類型、數(shù)量和分布以及泥巖和砂巖中早期的碳酸鹽都能控制形成次生孔隙所需要的CO2數(shù)量。長石的溶解作用是隨儲集層中液體所含CO2濃度的增加而增大。K+,Na+,Ca2+,Mg2+均是溶液中析出的主要成分。這些反應(yīng)所產(chǎn)生的主要產(chǎn)物有高嶺石、伊利石和綠泥石,取決于濃度、反應(yīng)時(shí)間、原生礦物和地層水最初的成分。值得注意的是,在長石反應(yīng)過程中,反應(yīng)前后凈減少的固相體積分?jǐn)?shù)為14.3%,其余溶蝕部分被析出的高嶺石和石英充填。自生黏土礦物的沉

10、淀需要Al的參與,只有在長石溶解過程中,Al被遷移走,不形成或少形成諸如高嶺石等礦物相,才能形成有意義的次生孔隙。2.3有機(jī)酸的溶解作用在深埋藏地層中,孔隙形成的另一重要機(jī)制是有機(jī)酸(羧酸)的溶解作用。20世紀(jì)80年代末,人們普遍認(rèn)為有機(jī)酸在地下巖石孔隙形成過程中有很大的作用。原因是:(1)沉積盆地中有機(jī)質(zhì)熱演化過程中因其脫羧基作用而有大量的有機(jī)酸生成,其生成時(shí)間主要在液態(tài)烴形成前夕;(2)與碳酸相比,有機(jī)酸對各種礦物都有著更強(qiáng)的溶解能力;(3)有機(jī)酸陰離子可以絡(luò)合并遷移鋁硅酸鹽中的陽離子,在地下Al的溶解度通常極低,有機(jī)酸陰離子的絡(luò)合作用可以解決Al的遷移,導(dǎo)致鋁硅酸鹽的溶解和地下孔隙率的增

11、加。大量碳酸鹽和鋁硅酸鹽礦物溶解的理想溫度是80120c,相當(dāng)于早成巖晚期到晚成巖早期。隨著分析化驗(yàn)技術(shù)和測試技術(shù)的提高,儲層地球化學(xué)研究已經(jīng)超越了有機(jī)無機(jī)作用的范疇,人們對有機(jī)質(zhì)成熟過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸類型和形成機(jī)制以及對無機(jī)成巖作用的影響有了新的認(rèn)識:(1)伴隨干酪根的逐步降解和烴源巖的壓縮排水,大量有機(jī)酸被排出并進(jìn)入儲層,這一過程從成烴期一直延續(xù)到高成熟期,有機(jī)酸尤其是短鏈脂肪酸和酚類對鋁硅酸鹽的溶解作用與CO2相比,更具有溶蝕性;(2)在以I型干酪根為主的地區(qū),更有利于有機(jī)無機(jī)作用,因?yàn)殛懺锤叩戎参锇l(fā)育的沉積區(qū)往往屬于酸性成巖環(huán)境,有利于有機(jī)酸的生成和保存;(3)烴類注入儲層后能有效抑制

12、后期成巖作用的進(jìn)行,但也有人認(rèn)為油氣進(jìn)入儲層后仍然可以發(fā)生石英次生加大和斜長石(或鉀長石)的鈉長石化,只不過其作用程度比水層低;(4)地層中異常流體超壓的釋放將引起相鄰砂巖中的長石發(fā)生溶解作用。煤系地層砂巖中的酸溶現(xiàn)象普遍,對砂巖的成巖作用影響較大。這種溶蝕既有早期煤系沉積環(huán)境的影響,也有晚期有機(jī)酸形成作用的控制,它們對儲層性質(zhì)的影響是不同的。煤系地層中的酸性流體豐富,在成巖早期就可以生成大量酸性流體,并對砂巖骨架產(chǎn)生溶蝕。這種溶蝕可以增加一定量的次生孔隙,但更重要的是這種早期溶蝕會降低砂巖骨架的支撐力,影響砂巖孔隙的保存,同時(shí)會伴生高嶺石和石英次生加大的普遍存在。因此,這種溶蝕產(chǎn)生的凈增孔隙

13、的量和對巖石滲透能力的影響效果是值得研究的。深埋藏地層中孔隙增加現(xiàn)象并不能證明孔隙的產(chǎn)生和Al的遷移就是在深埋藏地層中發(fā)生的,孔隙的產(chǎn)生和Al的遷移可能發(fā)生在大氣水作用帶,在繼續(xù)的深埋藏過程中,這些孔隙可以被保存下來,在塑性顆粒含量較低的巖石中更是如此。2.4硅酸鹽的水解作用硅酸鹽的水解模式在某些方面與有機(jī)酸作為溶解介質(zhì)的模式相矛盾,與有機(jī)質(zhì)熱成熟過程產(chǎn)生CO2作為溶解介質(zhì)的模式完全矛盾。根據(jù)硅酸鹽水解模式,在有鋁硅酸鹽存在的體系中,由于pH值受鋁硅酸鹽的平衡控制,CO2豐度的增加并不能降低pH值,多余的CO2因碳酸鹽礦物的沉淀而消耗掉。在100C的條件下,地層中有機(jī)酸的加入可以使碳酸鹽溶解,

14、但是,由于受鋁硅酸鹽系統(tǒng)中動力反應(yīng)過程的影響,開始溶解的碳酸鹽又將重新沉淀,這與實(shí)際觀察到的結(jié)果是比較吻合的。然而,硅酸鹽的水解可以在溫度超過100120c的條件下成為碳酸鹽礦物溶解的驅(qū)動力,高溫條件下鋁硅鹽的平衡可以提高酸度,此時(shí)將發(fā)生碳酸鹽的溶解以保持高的CO2分壓。2.5冷卻地層水對碳酸鹽礦物的溶解作用因壓實(shí)作用從沉積物中釋放出來的流體可以沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移,從而在斷層附近發(fā)生流體的冷卻作用。在斷層停止提供流體通道的部位,便可導(dǎo)致流體向與之相鄰的巖石滲透。如果這種巖石含有方解石并具有一定的滲透率,在初始狀態(tài)下處于平衡并含有碳酸鈣的孔隙水因遭受冷卻作用,其所含的碳酸鈣變得不飽和,碳酸鹽礦物便可

15、在此發(fā)生溶解作用。2.6影響溶解作用的因素、母巖若母巖石可以溶解的巖石，則溶解會產(chǎn)生大量的次生孔隙；若母巖石非可溶巖石（如硅酸鹽）則不能產(chǎn)生次生孔隙。如表2.成巖作用巖石破裂作用顆粒破裂作用收縮作用溶解作用方解石白云石菱鐵礦硫酸鹽其他蒸發(fā)巖硅酸鹽其他非硅酸鹽形成的次生孔隙較少較少較少較多較多較多較少較少很少很少表2巖石產(chǎn)生次生孔隙的成巖作用、酸性水在深部發(fā)生溶蝕作用所需的大量酸性水介質(zhì)的形成與油氣的生成過程和粘土礦物的轉(zhuǎn)化有密切的關(guān)系。與粘土礦物有關(guān)的次生孔隙的生成 粘土- 碳酸鹽的反應(yīng), 在深埋地質(zhì)作用時(shí)期提供CO 2 從而溶解碳酸鹽礦物(Hu th2heon 等) 。5 CaM g(CO3

16、) 2+ Al2Si2O 5 (OH) 4+ SiO 2+ 2H2O = Mg5Al2Si3O10(OH)8+ 5 CaCO3+ 5CO2白云石 高嶺石 綠泥石 方解石 粘土中孔隙水的活力對于砂粒的離子溶解作用亦可形成次生孔隙, 這些孔隙水的來源及其活化的因素可以歸結(jié)為: 酸性大氣水及地表水的滲入; 堿性蒸發(fā)巖的鹵化; 成巖作用釋放的水、壓實(shí)水及粘土礦物本身的“反饋水”等。影響活度的因素, 則一般可由: 水的活度隨t、含鹽度的升高而減少; 水的活度隨壓力增大而增加。至于在成巖過程中發(fā)生的反應(yīng), 諸如: H+ 、OH- 、CO 2的釋出, 造成介質(zhì)pH 值的變化,以及H2S、有機(jī)酸分離物等亦均影

17、響到pH 值與Eh 值的變化, 即如CO 2的出現(xiàn)就至少有利于Fe2+ Fe3+ 的轉(zhuǎn)化。CO 2 的來源是多方面的。例如: 有機(jī)質(zhì)的氧化、火山活動、變質(zhì)作用、細(xì)菌對硫酸鹽礦物進(jìn)行的還原作用、生物的發(fā)酵作用、熱脫羧作用、礦物氧化還原反應(yīng)、碳酸鹽礦物的熱分解(菱鐵礦的分解) 等等均可生成CO 2, 而可能導(dǎo)致次生孔隙的生成。 粘土礦物轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的氫離子可降低間隙水的pH 值, 導(dǎo)致酸溶性礦物溶解。3 Al2Si2O 5 (OH) 4+ 2K+ 2KAl3Si3O10(OH) 2+ 3 H2O + 2H+高嶺石 伊利石315Fe2+ + 315M g2+ + 9H2O + 3 Al2Si2O 5 (

18、OH) 4Fe315M 高嶺石 g315A l610 Si610O 20 (OH) 16+ 14H 綠泥石3、溫度和壓力 溫度和壓力的變化也可影響礦物的溶解度。礦物溶解度的變化可能導(dǎo)致次生孔隙的生成, 如當(dāng)間隙水從靜水壓力場運(yùn)移進(jìn)地質(zhì)帶后, 由于壓力增大使碳酸鹽在水中成低飽和狀態(tài)而具有溶解碳酸鹽的能力, 除少量礦物外, 隨溫度升高, 礦物的溶解度也增大。另外, 當(dāng)溫度和壓力都不變時(shí), 間隙水的稀釋或不同離子比的變化可引起礦物的溶解。通過溫度的下降和后生的與碳酸鹽有聯(lián)系的不飽和液在上升斷塊或者由于壓實(shí)作用在大斷裂帶上流動而產(chǎn)生的淋濾作用導(dǎo)致次生孔隙的生成。成巖流體的流動方式與次生孔隙的分布有關(guān), 常見的流動方式有下降流、上升流和熱循環(huán)對流。下降流主要指大氣降水通過滲透性單元向下流動, 特別在地形起伏較大地區(qū), 此種流體可在淺部巖層中形成淋濾次生孔隙發(fā)育帶; 上升流指地層流體從盆地凹陷負(fù)向構(gòu)造單元部位向上或向外側(cè)運(yùn)移, 其動力主要來自壓實(shí)作用、粘土礦物脫水及流體的膨脹作用, 主要發(fā)生在盆地的中- 淺部位; 流體的熱循環(huán)對流通稱貝納德·雷利熱循環(huán)對流, 是最有說服力的一種深部地層中搬運(yùn)溶解物機(jī)制。借鑒這一理論(Wood