水巖作用與油氣成藏預(yù)測(cè)

水巖作用與油氣成藏預(yù)測(cè)

油氣儲(chǔ)層是油氣藏的核心，是主要影響油田開(kāi)發(fā)和氣壓控制的重要因素之一。實(shí)踐表明,油氣儲(chǔ)層物理性質(zhì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到油氣成藏規(guī)模的大小和油氣藏質(zhì)量的好壞。除受巖性、巖層厚度及分布范圍和連續(xù)性等因素的控制外,儲(chǔ)層的物理性質(zhì)還取決于含油氣盆地所處的構(gòu)造地質(zhì)背景、水動(dòng)力條件特征以及儲(chǔ)層的水巖作用,其中儲(chǔ)層中的水巖作用的影響尤為顯著。水巖作用貫穿了儲(chǔ)層的整個(gè)成巖演化史,參與了油氣從形成到運(yùn)移、聚集成藏,甚至逸散的整個(gè)過(guò)程,對(duì)儲(chǔ)層物性的發(fā)展、演化意義重大,對(duì)油氣的聚集、分布、成藏規(guī)模以及開(kāi)采效率有著非常重要的影響。近年來(lái),該領(lǐng)域的研究日益受到重視。本文試圖對(duì)該領(lǐng)域目前的研究現(xiàn)狀作出綜述,并對(duì)其發(fā)展方向提出一些看法。水巖作用是由水文地球化學(xué)的學(xué)科奠基人之一ОвчинниковAM于20世紀(jì)50年代提出來(lái)的,其研究?jī)?nèi)容主要包括兩個(gè)分支:一個(gè)分支側(cè)重水化學(xué)的研究,探討自然水的起源、演化、時(shí)空分布規(guī)律及其影響因素,分析不同條件下水巖作用的地球化學(xué)特征、動(dòng)力學(xué)特征及其地質(zhì)效應(yīng)(如成礦、成油等)和環(huán)境效應(yīng)(污染的加劇與治理等);另一分支側(cè)重水動(dòng)力學(xué),研究地質(zhì)環(huán)境中水動(dòng)力場(chǎng)與地應(yīng)力場(chǎng)之間相互作用的時(shí)空分布規(guī)律、類型、規(guī)模及其環(huán)境效應(yīng)(如巖土穩(wěn)定性、滑坡等)。水巖作用體系通常由三個(gè)部分組成:固體相、液體相和氣體相。固體相通常以無(wú)機(jī)礦物的形式表達(dá)(如石英、長(zhǎng)石、綠泥石、云母等),或以化學(xué)成分的形式表達(dá)(如CaO、Fe2O3、MgO等);液體相通常以水溶液(含各種陰、陽(yáng)離子)、有機(jī)酸、酚及液態(tài)烴類等形式表達(dá);氣體相通常以CO2、H2S、CH4等氣體分子形式來(lái)表達(dá)。自20世紀(jì)70年代后期從沉積盆地油田水中檢測(cè)出高濃度的有機(jī)酸以來(lái),儲(chǔ)層中的水巖作用愈來(lái)愈受關(guān)注。但是,地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性使地質(zhì)學(xué)家在解釋或預(yù)測(cè)未來(lái)或過(guò)去某地某時(shí)水巖作用特征狀態(tài)時(shí)遇到很多困難。地質(zhì)學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到,研究?jī)?chǔ)層中的水巖相互作用必須綜合應(yīng)用各種方法,例如實(shí)驗(yàn)地球化學(xué)、巖石學(xué)方法和地球化學(xué)模擬等。迄今,儲(chǔ)層中的水巖作用的研究?jī)?nèi)容已發(fā)展成為水—?dú)狻獰o(wú)機(jī)物—有機(jī)物—微生物,甚至包括人為活動(dòng)(例如石油開(kāi)采)之間的相互反應(yīng),以及這些反應(yīng)對(duì)原油性質(zhì)、儲(chǔ)層性質(zhì)變化的影響。由于油氣勘探和開(kāi)發(fā)實(shí)踐的需要,相關(guān)研究的重點(diǎn)多側(cè)重于對(duì)儲(chǔ)層物性的預(yù)測(cè)和描述,如對(duì)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性變化、孔隙預(yù)測(cè)等,而針對(duì)無(wú)機(jī)礦物變化所對(duì)應(yīng)的原油性質(zhì)變化的影響研究則相對(duì)較少。儲(chǔ)層中的水巖作用特征主要受控于儲(chǔ)層的成巖環(huán)境,例如溫度、壓力、儲(chǔ)層礦物成分、水動(dòng)力條件、孔隙流體性質(zhì)等。1儲(chǔ)層原油采收率較高物理化學(xué)將潤(rùn)濕定義為固體與液體接觸時(shí)所引起的表面能下降過(guò)程。潤(rùn)濕現(xiàn)象主要表現(xiàn)在兩相流體在固體表面上爭(zhēng)奪面積。根據(jù)孔隙流體與油氣儲(chǔ)層之間的關(guān)系,儲(chǔ)層潤(rùn)濕性可以分為三大類:油潤(rùn)濕,水潤(rùn)濕和中性潤(rùn)濕。油濕系統(tǒng)中油趨向于大面積的與儲(chǔ)層接觸,其附著能力大于水;在水濕系統(tǒng)中,油和水的分布與附著于儲(chǔ)層的能力剛好與油濕系統(tǒng)相反。而中性潤(rùn)濕系統(tǒng)中,儲(chǔ)層既不強(qiáng)烈偏向油也不強(qiáng)烈偏向水。因此,在注水采油時(shí),水濕系統(tǒng)的儲(chǔ)層原油采收率要遠(yuǎn)高于油濕系統(tǒng)。采收率的提高意味著巨大的經(jīng)濟(jì)效益,所以儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性成為科學(xué)研究和工程技術(shù)界所關(guān)心的重點(diǎn)。在儲(chǔ)層潤(rùn)濕性研究初期,根據(jù)儲(chǔ)層的形成環(huán)境(多形成于水環(huán)境)以及儲(chǔ)層中大多數(shù)礦物都呈親水性這一特征,大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為儲(chǔ)層是親水的。后來(lái),通過(guò)對(duì)孔隙流體,特別是原油中極性組分的深入研究后發(fā)現(xiàn),儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性會(huì)隨著所處環(huán)境地球化學(xué)條件的變化而改變。研究表明,同一套儲(chǔ)層中的不同部位可以有不同的潤(rùn)濕性。儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性主要受以下三個(gè)因素影響。1.1親水礦物及b.表現(xiàn)為固相降低儲(chǔ)層潤(rùn)濕性碎屑巖油氣儲(chǔ)層主要由石英、硅酸鹽和碳酸鹽等礦物組成。根據(jù)親水程度不同,這些礦物可以分為親水礦物(石英、硅酸鹽等)和憎水礦物(有機(jī)固體和硫化物等)。因此,親水礦物和憎水礦物的相對(duì)含量對(duì)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性有一定的影響。另外,由于粘土礦物具有較強(qiáng)的吸附能力,所以它對(duì)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性也有重要的影響。粘土礦物容易吸附原油中的某些極性組分,從而使儲(chǔ)層具油濕性。有些粘土礦物(如鮞狀綠泥石)含有Fe,而Fe則具有從原油中吸附表面活性物質(zhì)的能力,可以局部地改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。陳蓉等認(rèn)為粘土含量越高,儲(chǔ)層越傾向于油濕性。1.2吸附作用機(jī)理原油中的極性組分有很強(qiáng)的化學(xué)活性,可通過(guò)吸附作用吸附于固體巖石上而改變巖石的潤(rùn)濕性。這些極性化合物含有一個(gè)極性端和一個(gè)烴類端,吸附過(guò)程中,極性端被吸附至巖石表面,而烴類端則遠(yuǎn)離巖石礦物表面,從而使儲(chǔ)層更加具親油性。吸附作用是水巖作用體系的重要組成部分。根據(jù)作用力的性質(zhì),吸附作用可以分為物理吸附、化學(xué)吸附和靜電吸附。吸附作用的機(jī)理有以下幾種:1)非烴分子和礦物表面的氫鍵之間的作用;2)范德華力的作用;3)礦物晶格中的陽(yáng)離子和有機(jī)質(zhì)中的陽(yáng)離子之間的電子作用;4)配位作用,包括有機(jī)化合物分子中的氮、硫、氧等官能團(tuán)與金屬離子形成配位健;5)離子交換作用。原油中的極性有機(jī)組分的吸附過(guò)程是以上幾種機(jī)理共同作用的結(jié)果。作用力愈強(qiáng),吸附作用也就愈強(qiáng)。原油中極性組分對(duì)潤(rùn)濕性影響最大的是NSO化合物。NSO化合物是指含有N、S、O雜原子的石油化合物,主要存在于非烴、瀝青質(zhì)等重質(zhì)餾分中。雜原子化合物具更強(qiáng)的吸附能力,因此,對(duì)儲(chǔ)層潤(rùn)濕性影響更為重大。2.3儲(chǔ)層流體溫度和復(fù)配儲(chǔ)層潤(rùn)濕性的改變程度還取決于地層水的化學(xué)組成和pH值的大小。地層水的化學(xué)組成和pH值對(duì)儲(chǔ)層礦物表面上的電荷有強(qiáng)烈影響,而表面電荷能夠影響儲(chǔ)層對(duì)表面物質(zhì)的吸附作用?？紫读黧w的pH值可以影響有機(jī)酸和堿的電離作用,從而改變儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。當(dāng)?shù)貙铀手行曰驂A性時(shí),會(huì)降低儲(chǔ)層的油濕性而使其表現(xiàn)出親水性質(zhì)。此外,孔隙流體中的表面活性物質(zhì)對(duì)潤(rùn)濕性的影響更為顯著,它能通過(guò)降低流體的表面張力而影響儲(chǔ)層的潤(rùn)濕性。2氧化還原反應(yīng)氧化還原條件是發(fā)生水巖作用的重要環(huán)境,更是各種水巖作用的重要地球化學(xué)途徑之一。氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)是電子從氧化劑向還原劑轉(zhuǎn)移,它的研究對(duì)深刻理解水巖作用十分必要。國(guó)際上對(duì)油氣儲(chǔ)層中氧化還原研究主要集中于硫酸鹽以及某些變價(jià)元素(如Fe,Mn等)的氧化物與烴類之間的反應(yīng)。2.1s與bsr反應(yīng)前后地層分離和活性油氣從烴源巖運(yùn)移到儲(chǔ)層的過(guò)程中必將經(jīng)歷多種物理化學(xué)變化,其中硫酸鹽還原作用的意義重大。硫酸鹽還原作用是地質(zhì)過(guò)程中與烴類有關(guān)的氧化還原反應(yīng),也是當(dāng)今國(guó)際地學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。硫酸鹽的還原作用可以分為熱化學(xué)硫酸鹽還原作用(TSR)和微生物硫酸鹽還原作用(BSR)。前者主要是硫酸鹽與有機(jī)質(zhì)或烴類因熱化學(xué)作用,發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成硫化氫、二氧化碳和有機(jī)酸。微生物硫酸鹽還原作用則是一種異化還原作用,首先由好氧微生物降解烴類,產(chǎn)生有機(jī)酸,厭氧的硫酸鹽還原菌利用有機(jī)酸而非烴類作為其碳源及能源來(lái)生長(zhǎng)及繁殖。TSR與BSR具有類似的總反應(yīng)方程式:SO2?442-+1.33(-CH2)+0.66H2O→H2S+1.33CO2+2OH-。二者產(chǎn)生的H2S和CO2氣體會(huì)導(dǎo)致硬石膏的溶解和方解石、黃鐵礦、閃鋅礦等的沉淀,并可產(chǎn)生單質(zhì)硫。由于TSR與BSR都是硫酸鹽的還原反應(yīng),且二者具有類似的總反應(yīng)式,因此硫酸鹽還原的成因類型很難區(qū)分。有些學(xué)者認(rèn)為可以根據(jù)地層溫度來(lái)區(qū)分它們,一般認(rèn)為,TSR發(fā)生的溫度為80℃～150℃,而B(niǎo)SR則發(fā)生于0℃～90℃,在高于90℃的條件下硫酸鹽還原菌很難存活。但是,蔡春芳等認(rèn)為在高于90℃的條件下BSR作用仍可以進(jìn)行。目前,TSR與BSR作用的溫度范圍仍有爭(zhēng)議,但基本可以確定相對(duì)的低溫條件有利于發(fā)生BSR,而高溫條件下則傾向于TSR。另外,有些學(xué)者認(rèn)為可以根據(jù)儲(chǔ)層內(nèi)H2S的含量來(lái)區(qū)分TSR和BSR。在儲(chǔ)層體系中,BSR產(chǎn)生的H2S含量低于5%,而TSR產(chǎn)生的H2S含量高于10%。但是儲(chǔ)層體系中H2S的含量往往受到眾多因素的控制,如Fe、Zn、Cu、Pb等重金屬元素的分布等。H2S可以與這些金屬元素反應(yīng)生成金屬硫化物,從而導(dǎo)致體系中H2S含量減少。因此,僅根據(jù)儲(chǔ)層體系中H2S的含量來(lái)區(qū)分TSR與BSR也是不可靠的。相對(duì)來(lái)講,區(qū)分TSR與BSR的最可靠的方法是硫同位素的分餾效應(yīng)[14,16,17,18,19:BSR反應(yīng)硫同位素的分餾效應(yīng)較大,而TSR反應(yīng)分餾效應(yīng)較小或幾乎不發(fā)生分餾。硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的H2S對(duì)儲(chǔ)層物性演化有一定的影響,主要取決于水溶的H2S能否電離出氫離子H+。當(dāng)體系中存在金屬離子Me2+(如Fe2+,Zn2+等)時(shí),可使H2S產(chǎn)生H+:Me2++H2S→MeS+2H+。此時(shí),硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的H2S對(duì)次生孔隙的發(fā)育有一定的意義;反之,若儲(chǔ)層體系中缺少金屬離子Me2+,則硫酸鹽還原作用產(chǎn)生的H2S對(duì)次生孔隙產(chǎn)生的意義不大。2.2地質(zhì)意義上的氧化還原反應(yīng)儲(chǔ)層中除硫酸鹽外,還有許多氧化性礦物可以與烴類發(fā)生氧化還原反應(yīng),包括赤鐵礦、磁鐵礦、含鐵硅酸鹽(如蒙脫石)等,它們都能被烴類還原形成低價(jià)態(tài)鹽、有機(jī)酸和二氧化碳,并產(chǎn)生次生孔隙。油氣運(yùn)移通道中的去色漂白作用正是由這種氧化還原反應(yīng)所致。新疆準(zhǔn)噶爾盆地南緣獨(dú)山子泥火山蝕變巖石的研究發(fā)現(xiàn),該泥火山主要由古近系-新近系紅色沉積巖組成,油氣侵染過(guò)的巖層呈現(xiàn)黃、綠、灰等顏色,而未被浸染的巖石則還是紅色。泥火山巖石中Fe化學(xué)種的穆斯堡爾效應(yīng)測(cè)試結(jié)果顯示,不同種類的高價(jià)鐵礦物發(fā)生氧化還原反應(yīng)有一定的順序:首先是赤鐵礦被還原,然后是針鐵礦,最后是磁鐵礦。這些研究結(jié)果不但為油氣儲(chǔ)層中水巖作用對(duì)儲(chǔ)層的改造提供了直接的證據(jù),而且對(duì)進(jìn)一步加深油氣儲(chǔ)層中的水巖作用認(rèn)識(shí)有一定的參考意義。另外,Fe是典型的氧化還原敏感性元素,不同地球化學(xué)賦存狀態(tài)的Fe即化學(xué)種代表不同的地球化學(xué)環(huán)境。因此,可根據(jù)Fe化學(xué)種的穆斯堡爾效應(yīng)來(lái)判斷氧化還原條件。結(jié)合總Fe含量分析相關(guān)的化學(xué)種及其相對(duì)含量,對(duì)揭示氧化還原條件有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。3砂巖原生原生孔隙碎屑巖次生孔隙的研究始于20世紀(jì)30年代,前期因未與油氣的聚集聯(lián)系而未受到重視。至20世紀(jì)80年代,Volkmer等首次系統(tǒng)地闡述砂巖次生孔隙的成因類型、識(shí)別標(biāo)志及分布特征,認(rèn)識(shí)到砂巖次生孔隙的形成于油氣聚集的重要性,次生孔隙的研究才受到重視。陳忠等認(rèn)為儲(chǔ)層中次生孔隙形成的實(shí)質(zhì)是在有機(jī)、無(wú)機(jī)、生物、物理、化學(xué)等因素綜合作用下,某些礦物或元素以機(jī)械、化學(xué)、生物等形式發(fā)生的重新組合。儲(chǔ)層體系內(nèi)物質(zhì)的凈移出則形成次生孔隙。次生孔隙的形成是一個(gè)多元的、復(fù)雜的、多期性的過(guò)程,主要是水巖作用的結(jié)果。水巖作用對(duì)次生孔隙的影響主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:3.1大氣降水作用大氣降水對(duì)儲(chǔ)層的影響主要發(fā)生在埋藏初期,位于構(gòu)造抬升或海平面下降造成的不整合面之下。對(duì)儲(chǔ)層次生孔隙的影響主要有兩個(gè)方面:1)儲(chǔ)層中含有大量水溶性礦物(如長(zhǎng)石、方解石、白云石等),在大氣降水作用下發(fā)生溶蝕作用,產(chǎn)生次生孔隙;2)大氣水驅(qū)動(dòng)地下水大范圍的垂向或側(cè)向流動(dòng),使得被溶解的物質(zhì)可以遷移出儲(chǔ)層體系,產(chǎn)生次生孔隙。而且,這種大范圍的流動(dòng)是地下流體整體運(yùn)動(dòng)和熱循環(huán)的重要?jiǎng)恿χ?。另?大氣降水中含有二氧化碳,可促進(jìn)儲(chǔ)層礦物的溶解。大氣降水的作用深度可以很深,但是隨著大氣水流動(dòng)路徑加長(zhǎng),其淋溶能力會(huì)相應(yīng)降低,所以其形成的次生孔隙只能形成于大氣水作用的上部地層。3.2氧化碳儲(chǔ)層機(jī)理儲(chǔ)層中碳酸的來(lái)源主要包括有機(jī)來(lái)源和無(wú)機(jī)來(lái)源兩大類:有機(jī)成因理論認(rèn)為,干酪根和其他有機(jī)質(zhì)經(jīng)氧化作用可產(chǎn)生CO2,如TSR等。另外就是有機(jī)酸經(jīng)過(guò)熱脫羧作用可產(chǎn)生CO2,溶于水后形成碳酸。碳酸無(wú)機(jī)來(lái)源也有兩種:首先,粘土礦物與碳酸鹽礦物可以反應(yīng)生成CO2,白云石和高嶺石在有水和石英存在的條件下反應(yīng)可生成CO2,具體機(jī)理如下式:5CaMg(CO3)2+Al2Si2(OH)4+SiO2+2H2O→Mg5Al2Si3O10(OH)8+5CaCO3+3CO2。其次,如上文所述,大氣中的CO2可經(jīng)降水的滲濾作用進(jìn)入儲(chǔ)層體系。碳酸是儲(chǔ)層中重要溶劑之一,可與碳酸鹽礦物和硅酸鹽礦物發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生次生孔隙:H2CO3+CaCO3→Ca(HCO3)2,2NaAlSi2O8+2CO2+11H2O→Al2Si2O15(OH)4+2Na++2HCO-3+4H4SiO4。質(zhì)量平衡計(jì)算表明,大多數(shù)沉積盆地中碳酸(或含CO2的酸性水)作為溶解介質(zhì)產(chǎn)生的次生孔隙是有限的。3.3其他理化性質(zhì)有機(jī)酸主要由干酪根的熱催化和降解作用產(chǎn)生。干酪根中含有大量含氧基團(tuán),其中主要為不飽和脂肪酸、多環(huán)芳香烴酸及羧酸等。Surdam等認(rèn)為干酪根可以產(chǎn)生大量的水溶性有機(jī)酸。有機(jī)酸的另一個(gè)來(lái)源是液態(tài)石油。石油中含有大量樹(shù)脂和瀝青質(zhì)等,它們通過(guò)熱催化或生物降解而生成有機(jī)酸。有機(jī)質(zhì)的迅速腐爛分解,以及與硫酸鹽的氧化還原作用也可產(chǎn)生有機(jī)酸。相對(duì)于碳酸而言,有機(jī)酸具更強(qiáng)的酸性以及與鋁硅酸鹽的絡(luò)合能力,對(duì)礦物的溶蝕作用更加顯著。3.3.1石英的原生投運(yùn)長(zhǎng)石的溶解被認(rèn)為是次生孔隙產(chǎn)生的主要原因之一,特別是在原生孔隙度低、長(zhǎng)石含量相對(duì)較高的雜砂巖中,由此產(chǎn)生的次生孔隙度可接近100%。有機(jī)酸對(duì)長(zhǎng)石具有明顯的溶蝕作用,對(duì)儲(chǔ)層中次生孔隙的發(fā)育具有非常重要的積極意義。而且,粗粒長(zhǎng)石溶解程度要遠(yuǎn)大于細(xì)粒長(zhǎng)石。具體機(jī)理如下:鉀長(zhǎng)石的溶解:4KAlSi3O-8+4H+→Al4Si4O10+8OH-+8SiO2+4K+。長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生高嶺石和SiO2,為石英的次生加大提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。石英的次生加大是砂巖儲(chǔ)層中常見(jiàn)的現(xiàn)象,通常認(rèn)為它是造成孔隙度降低的主要原因之一。石英的次生加大作用多發(fā)生于深埋砂巖層。在石英含量較高的砂巖中,由于壓溶作用使石英在接觸部位發(fā)生溶解,形成硅膠溶液。硅膠溶液在砂巖體系中由SiO2高濃度帶向低濃度帶流動(dòng),在充足的SiO2補(bǔ)給及孔隙流體飽和的情況下,沿石英顆粒表面形成一系列次生加大邊。蘇格蘭設(shè)得蘭群島盆地海相砂巖層研究發(fā)現(xiàn),在較為純凈的石英顆粒周圍次生加大的頻率遠(yuǎn)大于被膜狀粘土礦物覆蓋的石英顆粒?？傮w而言,長(zhǎng)石的溶解產(chǎn)生高嶺石和SiO2,后者雖會(huì)降低儲(chǔ)層的孔隙度,但是長(zhǎng)石溶解前后固體物質(zhì)的總體積還是減小的,因此,長(zhǎng)石的溶解結(jié)果有利于次生孔隙的發(fā)育。3.3.2有機(jī)酸對(duì)碳酸鈣的溶解作用碳酸鹽的膠結(jié)與溶解作用主要取決于CO2分壓,孔隙流體中的Ca2+濃度以及pH值等因素。體系的pH值升高,CO2分壓降低,有利于碳酸鹽的沉淀;反之則有利于碳酸鹽的溶解。有機(jī)酸對(duì)碳酸鹽的影響是通過(guò)調(diào)節(jié)體系pH值實(shí)現(xiàn)的。有機(jī)酸對(duì)碳酸鹽的溶解作用可用下述過(guò)程來(lái)描述:早期成巖階段,溫度低于80℃,有機(jī)質(zhì)被細(xì)菌分解,成巖環(huán)境有利于碳酸鹽的沉淀。在砂巖進(jìn)入中期成巖階段時(shí),體系溫度超過(guò)80℃,有機(jī)質(zhì)成熟過(guò)程中釋放大量有機(jī)酸進(jìn)入儲(chǔ)層系統(tǒng)中,使其在孔隙水中濃度增大,pH值降低,造成了早期碳酸鹽的溶解,產(chǎn)生大量次生孔隙:2H++CaCO3→Ca2++CO2+H2O碳酸鹽礦物的溶解使得部分次生粒間孔隙的連通性增加,對(duì)儲(chǔ)層滲透率的提高有著非常重要的積極意義。3.3.3有機(jī)酸提高鋁硅酸鹽溶解度的機(jī)理從本質(zhì)上講,有機(jī)酸對(duì)鋁硅酸鹽的溶解主要是針對(duì)Al3+進(jìn)行的。鋁在有機(jī)酸中的溶解度是關(guān)于溫度、pH值、有機(jī)酸類型和濃度的函數(shù)。雖然乙酸與Al3+絡(luò)合能力較低,但是能夠有效地緩沖體系的pH值,從而提高鋁硅酸鹽的溶解度。另外,某些不飽和有機(jī)酸具有還原性,都能與某些氧化性鋁硅酸鹽發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成低價(jià)態(tài)鹽(黃鐵礦或綠泥石)、含氧有機(jī)物和二氧化碳,從而改變儲(chǔ)層中部分礦物的性質(zhì)。因此,它還可以控制儲(chǔ)層中流體的Eh值以及多價(jià)元素的賦存狀態(tài)。有機(jī)酸使鋁硅酸鹽礦物溶解速度加快、提高溶解度的機(jī)理主要通過(guò)以下兩個(gè)途徑完成:1)在礦物表面形成絡(luò)合物,降低了表面反應(yīng)的活化能,加大了礦物元素進(jìn)入溶液的速率;2)在流體溶液中,有機(jī)酸陰離子與Al3+結(jié)合形成絡(luò)合離子,降低溶液中Al3+的有效濃度。3.3.4有機(jī)酸與粘土礦物的反應(yīng)機(jī)理粘土礦物是造成儲(chǔ)層孔隙度降低的主要因素之一。有機(jī)酸可以通過(guò)絡(luò)合作用促進(jìn)高嶺石中鋁的釋放。但是土壤中的這種變化規(guī)律是否適用于地下深處的儲(chǔ)層還不得而知。另外,塔中地區(qū)儲(chǔ)層成巖作用研究發(fā)現(xiàn),在含油量較高的地區(qū)儲(chǔ)層中高嶺石含量也較高,表明有機(jī)酸有利于高嶺石類粘土礦物的形成。目前,對(duì)有機(jī)酸與粘土礦物的反應(yīng)機(jī)理的研究還非常薄弱,有機(jī)酸與粘土礦物之間的研究還沒(méi)有取得共識(shí),甚至出現(xiàn)一些相悖的觀點(diǎn)。Pittman等認(rèn)為,粘土礦物作為一種強(qiáng)固體酸,與有機(jī)酸之間的反應(yīng)較易發(fā)生。其反應(yīng)主要包括兩個(gè)方面:一是吸附作用,粘土礦物通過(guò)層間或表面酸位與有機(jī)酸陰離子相結(jié)合,形成亞穩(wěn)定的絡(luò)合體,該過(guò)程將減少孔隙流體中有機(jī)酸離子濃度,對(duì)長(zhǎng)石等礦物的溶解起到抑制作用;另一個(gè)方面是催化作用,粘土礦物可通過(guò)表面酸位是使有機(jī)酸根離子發(fā)生歧化或電子云變形,最終導(dǎo)致脫羧作用,其結(jié)果是孔隙流體中有機(jī)酸離子的濃度降低。雖然有機(jī)酸與粘土礦物的作用過(guò)程及機(jī)理尚沒(méi)有完全清楚,但基本上能夠確認(rèn)其作用結(jié)果不利于砂巖儲(chǔ)層中的次生孔隙的形成。3.4儲(chǔ)層體系成巖環(huán)境的作用機(jī)理隨著烴源巖中有機(jī)質(zhì)熱演化程度的升高而大量生成凝析油和濕氣,儲(chǔ)層中有機(jī)酸的來(lái)源被破壞,脫羧作用減弱,CO2來(lái)源也隨之減少,以及上文提到的各種水巖反應(yīng)對(duì)有機(jī)酸的消耗,強(qiáng)堿弱酸鹽的水解作用,堿(土)金屬元素的遷入,必然導(dǎo)致儲(chǔ)層體系成巖環(huán)境由酸性向堿性演變。許多模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),沉積物在演化過(guò)程中會(huì)向pH值升高的方向轉(zhuǎn)化,使孔隙流體呈堿性。成巖環(huán)境的轉(zhuǎn)變必然會(huì)對(duì)水巖作用產(chǎn)生巨大影響,原先在酸性成巖環(huán)境下活躍的碳酸鹽礦物、長(zhǎng)石溶解和石英次生加大反應(yīng)受到抑制甚至終止,而新的水巖作用開(kāi)始活躍。這些新的水巖反應(yīng)必然對(duì)酸性條件下形成的礦物、組構(gòu)進(jìn)行改造,形成新的成巖組構(gòu)及相應(yīng)的孔隙類型。長(zhǎng)期以來(lái),人們更為注重酸性成巖環(huán)境下的水巖作用對(duì)儲(chǔ)層次生孔隙的影響,而對(duì)堿性成巖環(huán)境的研究曾一度薄弱,但近年來(lái)有加強(qiáng)的勢(shì)頭。3.4.1反應(yīng)ph以往研究中很少將石英與次生孔隙聯(lián)系起來(lái)。近幾年的研究表明,石英顆粒也可以被溶解,并形成以石英直接溶解型孔隙為主的儲(chǔ)集空間。研究發(fā)現(xiàn),SiO2的溶解度與pH值之間有一定的關(guān)系,在pH為2～8.5時(shí)很穩(wěn)定,溶解度很小且保持不變;當(dāng)pH值大于8.5時(shí),其溶解度隨著pH值的增大而增大,當(dāng)pH等于11時(shí)可達(dá)到5000×10-6。SiO2可與堿液發(fā)生反應(yīng)生成硅凝膠:SiO2+OH-→HSiO-3。在地下成巖環(huán)境中,這種硅凝膠的濃度不會(huì)太高,它可以隨孔隙流體遷移出去,產(chǎn)生次生孔隙。在pH值較高的時(shí)候(pH>11),這種硅凝膠就會(huì)以二聚體或三聚體的聚體離子形式遷移:HSiO-3+HSiO-3→(HSiO-3)2,使其遷移能力大大提高。3.4.2土壤中含碳酸鹽巖儲(chǔ)層的土地碳酸鹽膠結(jié)作用是儲(chǔ)層成巖過(guò)程中一種重要的孔隙減少作用,碳酸鹽膠結(jié)物的沉淀與溶解直接影響到孔隙的發(fā)育。早期碳酸鹽膠結(jié)物的含量與原生沉積有很大關(guān)系,而晚期碳酸鹽膠結(jié)物的含量則與水巖作用密切相關(guān)。碳酸鹽的濃度隨pH值的升高和CO2分壓的降低而減小。當(dāng)體系溫度高于120℃時(shí),有機(jī)酸(主要為乙酸)發(fā)生脫羧作用釋放了大量的CO2:CH3COOH→CH4+CO2。使儲(chǔ)層CO2分壓超過(guò)了碳酸鹽溶解的平衡分壓,溶解了的碳酸鹽再次沉淀。由于在酸性成巖環(huán)境下,體系富集了大量的Ca2+,Mg2+,Fe2+等,可形成鐵方解石,鐵白云石甚至菱鐵礦,充填于次生孔隙中。在碳酸鹽巖儲(chǔ)層中,這種次生礦物的大量充填,雖不利于儲(chǔ)層有效儲(chǔ)集空間的擴(kuò)大,但卻有利于蓋層的發(fā)育,從而有利于油氣的聚集和保存。目前對(duì)于堿性成巖環(huán)境下的水巖作用對(duì)儲(chǔ)層次生孔隙的意義仍有爭(zhēng)議,但是大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為與酸性成巖環(huán)境相比,這時(shí)的水巖作用也有利于次生孔隙的發(fā)育。4儲(chǔ)層流體與礦物的相互作用儲(chǔ)層的成巖作用是一個(gè)非常復(fù)雜且十分漫長(zhǎng)的地球化學(xué)過(guò)程,主要受礦物成分、孔隙流體組成及粘度,pH值和溫度等因素的綜合影響,其中最關(guān)鍵的是孔隙流體與礦物間的相互作用。Hancock等認(rèn)為當(dāng)油氣進(jìn)入儲(chǔ)層后,儲(chǔ)層的成巖作用將會(huì)被完全地終止。但Walderhang等認(rèn)為油氣的聚集并不會(huì)使儲(chǔ)層的成巖作用完全停止,而是對(duì)其有一定的抑制作用。油氣在儲(chǔ)層孔隙中的聚集,改變了砂巖儲(chǔ)層的成巖環(huán)境,導(dǎo)致孔隙流體中的無(wú)機(jī)離子含量降低,阻礙了礦物-離子之間的質(zhì)量傳遞,從而抑制了砂巖自生礦物的形成,也抑制了膠結(jié)、交代等成巖作用過(guò)程。4.1儲(chǔ)層巖石礦物元素儲(chǔ)層成巖過(guò)程中無(wú)論是新生粘土礦物的沉淀還是早期粘土礦物的溶解,都與儲(chǔ)層孔隙中的流體有著密不可分的關(guān)系。隨著埋藏深度的增加,蒙脫石可向伊利石轉(zhuǎn)化:4.5K++8Al3++蒙皂石→伊利石+Na++2Ca2+,鉀長(zhǎng)石+蒙脫石→伊利石+綠泥石+石英油氣進(jìn)入儲(chǔ)層使成巖環(huán)境發(fā)生變化,導(dǎo)致孔隙流體中無(wú)機(jī)離子濃度大量降低,阻礙了礦物與流體間的質(zhì)量傳遞,抑制伊利石的生長(zhǎng)。東營(yíng)凹陷中央隆起帶第三系儲(chǔ)層研究發(fā)現(xiàn),在富含油儲(chǔ)層中,伊利石含量較少,而含油量低的儲(chǔ)層中伊利石含量較高,但是伊利石含量與含油程度之間沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是因?yàn)橛蜌獾某渥⒁鹂紫读黧w性質(zhì)的改變,阻礙了Na+的遷移,占據(jù)了晶體的生長(zhǎng)空間,從而抑制了伊利石的生長(zhǎng)。4.2鉀長(zhǎng)石鈉長(zhǎng)石化的儲(chǔ)層儲(chǔ)層精細(xì)表征交代作用是成礦、變質(zhì)作用中極其重要的地質(zhì)過(guò)程之一,其本質(zhì)是流體在輸運(yùn)過(guò)程中與圍巖的化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致礦物的溶解、組分的遷移和沉淀作用。鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化是儲(chǔ)層中非常普遍的一種交代現(xiàn)象,它是Na+和K+進(jìn)行一對(duì)一的等容積的置換反應(yīng):KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+Na+→NaAlSi3O8(鈉長(zhǎng)石)+K+。盡管鈉長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的交代反應(yīng)為等體積反應(yīng),但鉀長(zhǎng)石的溶解程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈉長(zhǎng)石的沉淀。據(jù)此推論,鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化增加了儲(chǔ)層的孔隙度,有利于儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育。另外,鉀長(zhǎng)石的鈉長(zhǎng)石化還伴隨著鋁硅酸鹽礦物和硅質(zhì)巖屑的消耗:2KAlSi3O8(鉀長(zhǎng)石)+Al4Si4O10(OH)8(石英)+2Na++4SiO2→2NaAlS