川东南志留系泥岩盖层水岩相互作用的实验模拟及其研究意义

张军涛，吴世祥，李宏涛，柳智利

(1.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院，北京 100083；2.西南石油大学 研究生部，成都 610500)

盖层及封盖条件是油气聚集成藏的重要因素，优质区域盖层决定着大中型油气田的形成和聚集[1]。我国大中型油气田盖层以泥岩为主[2]，四川盆地的主力气层海相碳酸盐岩之上发育有泥岩、泥质灰岩、膏质白云岩、硬石膏层等封盖性好的区域盖层[3-6]。另外，热液改造型碳酸盐岩储集层的形成也与致密的封堵层(盖层)关系密切[7-8]。

盖层岩石的成岩演化过程中，流体活动对盖层的封堵能力有较大影响[9]，不同成岩环境、不同的成岩流体，对盖层岩石封堵能力的影响也不尽相同[10]。

因此，研究盖层水岩反应的方式、机理以及其对封堵能力的影响程度是十分必要的。水岩反应的实验模拟在国内外已进行了许多研究，其研究方法和实验仪器亦较为成熟。前人通过模拟实验，来研究地层流体对碳酸盐岩溶蚀作用的影响[11-15]。但是由于盖层岩性的特殊性，目前对于盖层的水岩作用的实验模拟还相对较少。仅见如吴世祥、李剑等人利用实验模拟研究盖层的水岩相互作用[9,16]。

本次研究借鉴较为成熟的储层水岩反应实验，通过模拟盖层泥岩的水岩反应，研究盖层在不同的成岩环境下，水岩反应对储层形成以及油气保存方面的影响。

1 地质背景

中国华南地区在志留系广泛分布着一套区域性的泥岩层系[17]。在川东南地区，这套泥岩层上下分别为奥陶系和二叠系以及志留系本身的海相碳酸盐岩，其中可与下伏的上奥陶统五峰组碳酸盐岩匹配形成较好的储盖组合[18]。

川东南地区的该套地层自沉积形成以后，经历了长时间的成岩演化，并存在有多期次的风化暴露和断裂活动，地层水与淡水对其均有影响[19-20]。因此，可能存在有多期次多类型的水岩相互作用过程。

2 实验样品及实验条件

2.1 实验样品与实验介质

样品来自于川东南地区的林1井，以下志留统的龙马溪组泥岩为主要的研究对象。首先对其进行X衍射矿物组分分析。然后将泥岩样品，分成质量相近的9份(表1)，并使每份具有不同的反应时间或温压条件以及流体环境。实验模拟2种不同的成岩环境：地表岩溶和埋藏溶蚀，即常温常压和高温高压(30 ℃,1 MPa; 80 ℃, 20 MPa; 160 ℃, 40 MPa)，流体介质相对应地分别选用大气降水和热卤水(含乙酸，ω(乙酸)=0.5%)。

2.2 实验装置

实验在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所完成。实验装置水—岩反应模拟实验仪如图1，该装置用管式炉加温控制实验温度，内部用1个6孔板固定样品管，管底采用微孔及节制阀门，以控制每个样品出口端的流量。通过进口端流速控制实验压力[14](图1)。

2.3 实验流程

本次实验采用动态压力平衡法，即让新鲜的流体不断地流过岩样，并保持釜内压力不变，所以水的流速和流出的总液体量将会直接影响到实验结果。为了保证流过所有样品的流速基本一致，实验采用定时间、定流量、定总量，在20 h左右的时间内，以10 mL/min 流速注入反应液，最终使得出口阀流出量分别为0.5,1,2 L，虽然中间各个样品管的出口流速会有微小的差别，但可以用间隙关闭出口阀的方式，精确控制各样品的流出总液量。实验表明，浸泡方式下岩样的溶蚀量较小，所以短暂关闭出口阀门不会影响到结果[13]。

在每组样品实验模拟之前和完成以后，都对其表面进行扫描电镜分析。

图1 水—岩反应模拟实验仪装置示意[14]

3 实验结果

3.1 样品不同环境下的溶蚀率

X衍射分析显示泥岩样品中主要矿物组分为粘土矿物，并含有少量的石英、长石等碎屑矿物，以及微量的碳酸盐矿物。而粘土矿物中主要成分为伊利石，约占96%，其次为绿泥石，约占4%。

在常温常压、淡水介质条件下，泥岩样品仅发生了微弱的溶蚀(表1)。在经历0.5,1,2 L的流体反应后，其溶蚀率分别仅为0.044%,0.035%,0.000%，而且3个不同的时间段里的溶蚀率的变化并不明显。而在高温高压、有乙酸存在的条件下，岩石样品受溶蚀破坏的强度明显强于常温淡水条件下，并且随着温度和压力的增加，其溶蚀率也随之增加。在80 ℃,20 MPa条件下，岩石样品经0.5,1,2 L含乙酸流体介质的溶蚀后，较常温常压有了显著地升高，其溶蚀率分别可至0.242%,0.526%,0.879%；而在160 ℃,40 MPa条件下，岩石样品经0.5,1,2 L含乙酸流体介质的反应后，其溶蚀率是3个测试条件下的最高值，分别为0.643%,0.987%,1.776%。同时，也注意到除了在常温常压淡水介质条件下，岩石样品的溶蚀率都随着流体介质的增加而增加，且增加过程大致具有线性的特征(图2)。

图2 不同温压条件下泥岩的溶蚀率

3.2 水岩反应前后样品的形态以及物质组分差异

通过对样品进行扫描电镜分析，可以显现岩石样品反应前后在形貌特征以及物质组成的差异。在常温常压下、经历了3个不同量流体过程的样品，其反应前后的物质组成和表面形态并无太大的差异(图3A,B)。反应前，泥岩表面呈凹凸不平状，主要的矿物组分为粘土矿物和少量的石英、碳酸盐矿物以及黄铁矿等(图3A)；反应后，样品表面并未出现太大的差异(图3B)。而在80 ℃,20 MPa，乙酸流体介质的条件下，泥岩样品反应前后有较大的差异(图3C,D)。反应后表面区域圆滑，样品表面部分易溶矿物组分(主要为碳酸盐岩矿物)已经明显减少，并可见表面有少量的绿泥石沉淀(图3D)。

图3 水岩反应前后样品的形貌和物质组分差异

在160 ℃,40 MPa，乙酸流体介质的条件下，样品反应前后的差异更为明显(图3E,F)。反应后，样品表面更加圆润，易溶组分减少得更为显著，表面有黄铁矿沉淀产生(图3F)。

4 讨论

4.1 表生条件下水岩反应对盖层泥岩的影响

实验结果显示，在常温常压下泥岩样品在淡水中的溶蚀率非常低，溶蚀量微乎其微。即在常温常压下，泥岩与淡水仅有非常微弱的水岩反应发生。这可能与泥岩本身的内部物质组成和成岩阶段相关，首先本次研究泥岩样品主要矿物成分为粘土矿物以及少量的石英、长石和碳酸盐矿物，这些矿物在常温常压淡水条件下都具有较低的溶解度，很难被溶蚀；并且泥岩样品处于高成岩阶段，难以继续发生水岩反应，这可以解释泥岩样品在常温常压下较低的溶蚀率。由此可以推断，在地表淡水弱的水动力条件下，对泥岩盖层破坏是非常有限的。但是值得注意的是，由于本次实验的流体的流速非常低，流体对岩石样品的冲刷作用对实验结果影响非常小。但在实际情况下，物理的冲刷破碎是地表条件下对盖层岩石最主要的破坏作用。

4.2 埋藏条件下水岩反应对盖层泥岩的影响

埋藏条件下含乙酸流体的溶蚀率要明显高于在常温常压下淡水条件的溶蚀率，说明在埋藏条件下含乙酸流体的溶蚀能力要高于常温常压下的淡水。这也与岩石的物质组成以及成岩阶段有关，在乙酸存在的条件下，使得易于溶蚀的组分如碳酸盐矿物、粘土矿物等被溶蚀；而在高温高压的条件下，处于晚成岩阶段的泥岩也易于产生微小裂隙，使得更易发生溶蚀。故而推断，同等流体量的情况下，在埋藏环境中含乙酸的流体对盖层的破坏力要高于地表条件的淡水。即使如此，含乙酸流体在高温高压条件下对泥岩的溶蚀率也是非常低的，最高仅为1.776%。

在都是同一种流体(含乙酸)的情况下，随着温度和压力的升高，溶蚀率也逐渐升高。可能说明在较高的温度压力条件下，即较大的深度下，泥岩更容易发生溶蚀破坏。

4.3 盖层水岩反应对热水改造碳酸盐岩储层形成的影响

虽然高温高压的含乙酸流体对泥岩有一定的溶蚀能力，但是对比同种条件下的灰岩和云岩的溶蚀率，可以发现两者的溶蚀率之间存在较大的差异。碳酸盐岩的溶蚀率远高于泥岩，在90 ℃,50 MPa条件下，经1 L含乙酸流体作用下碳酸盐岩的溶蚀率可高达39%[13]。参照经典的热水溶蚀碳酸盐岩储层的形成模式[7]，可以发现一个较好的热水改造碳酸盐岩储层的存在，顶部必须具备有一个泥岩(或其他致密岩性)的封堵层。以往的研究只对比分析了两者之间渗透性的差异，但均未考虑到在埋藏条件下，泥岩盖层的溶蚀问题。本次研究显示，泥岩虽然在埋藏条件具有较常温下更高的溶蚀率，但相对于碳酸盐岩而言，其溶蚀率还是非常微弱的。

因此，可以预测在埋藏条件下，当断裂或岩浆热液活动时，具有溶蚀性的热流体在由下向上运移过程中，首先对位于下部的下奥陶系碳酸盐岩发生溶蚀作用，而当流体运移至顶部时，由于志留系泥岩渗透率低和难溶蚀2个因素的叠加作用，使得流体无法继续向上运移，大量的热流体在碳酸盐岩中滞留，与岩石的水岩反应更加充分，造成强烈的溶蚀，产生大量的溶蚀孔洞，形成热改造碳酸盐岩储集层[21]。

5 结论

1)在常温常压下，泥岩与淡水仅有非常微弱的水岩反应发生，在地表淡水弱的水动力条件下，对泥岩盖层破坏是非常有限的。

2)同等流体量的情况下，在埋藏环境中含乙酸的流体对泥岩的破坏力要高于常温常压下的淡水。在同一种流体(含乙酸)的情况下，随着温度和压力的升高，溶蚀率也逐渐升高。可能说明在较高的温度压力条件下，即较大的深度下，泥岩可能更容易发生溶蚀破坏。

3)泥岩虽然在高温高压下也能被含乙酸流体溶蚀，但相对于同种条件下的灰岩和云岩的溶蚀率要低得多。在研究区内，当有具有溶蚀性的热流体活动时，由于志留系龙马溪组泥岩渗透率低和难溶蚀2个因素的叠加，使得大量的流体在碳酸盐岩中滞留，与围岩发生充分的水岩作用，有可能在奥陶系碳酸盐岩地层中形成热改造碳酸盐岩储集层。

致谢：在实验过程和本文完成过程中，得到了中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所范明高级工程师、刘伟新高级工程师、张庆珍高级工程师、俞凌杰等的帮助和指导，在此一并表示感谢。

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