碳酸盐岩储集层成岩作用中“孔隙尺寸控制沉淀”研究进展、地质意义及鄂尔多斯盆地实例*

熊 鹰 谭秀成 伍坤宇 王小芳

1 油气藏地质及开发工程国家重点实验室·西南石油大学，四川成都 610500 2 中国石油天然气集团有限公司碳酸盐岩储层重点实验室西南石油大学研究分室，四川成都 610500 3 德国克劳斯塔尔工业大学地下能源系统研究所，克劳斯塔尔 38678 4 中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 310023

1 储集层成岩作用与孔隙保存研究的新视点

孔隙介质中的流体物理化学活动是诸多地质相关学科研究的重点内容，尤其与油气储集层勘探开发关系密切。其中，孔隙流体的溶蚀—沉淀及其与岩石相互作用作为储集层成岩作用、孔隙演化以及储集层非均质性研究的核心问题，一直是众多石油地质学家们持续关注的焦点(Kerr and Tait，1985;Nguyenetal.， 2013;Zhao and Zheng，2013;Prieto，2014;佘敏等，2016;郑剑锋等，2017)。众所周知，储集层孔隙保存是成岩流体与孔隙介质系统相互作用的结果。一方面，成岩流体的各种物理化学行为很大程度上直接控制了储集空间的发育和演化；另一方面，储集层孔隙介质本身也可能会对成岩地质流体的物理化学行为产生影响，进而控制储集层的发育。目前，针对储集层孔隙保存方面的研究思路绝大多数以前者为主，即成岩环境及其流体化学活动如胶结充填、溶蚀扩大、交代作用等对储集层孔隙演化的直接控制(马永生等，2007；刘树根等，2008；王国芝等，2013；赵文智等，2014)。也有少量学者从储集层本身出发，对不同环境下的成岩流体活动进行探讨，如碳酸盐岩颗粒滩厚度、部位、类型等差异(夏明军等，2009；李凌等，2011；谭秀成等，2011；Zhangetal.， 2018)所导致的压实效应和成岩胶结差异等。但有关孔隙介质尺寸影响成岩流体胶结、沉淀过程的研究在国内却鲜有报道。近年来，随着储集层非均质性刻画要求的提高以及微观孔隙结构观察、表征手段的丰富，一些新的地质现象也逐渐被发现，如同一块储集层样品中出现“大孔充填而小孔保持”特征。这也催生了对储集层成岩作用和孔隙保存研究的新的思考，如成岩流体在储集层孔隙中的沉淀和胶结是否具有选择性和非均质性？孔隙胶结对储集层是否总是破坏性的？饱和流体在狭小孔隙介质中的矿物结晶动力学过程与在开放介质中是否有差异，其控制因素如何？

2 “孔隙尺寸控制沉淀”现象的发现

对孔隙介质影响流体物理化学行为的认识和理解最初得益于人们对自然现象的不断观察和探究。类似的效应在多学科实验研究中均广泛存在，如土壤的冻胀现象(图 1-a)，其细小黏土孔隙中的处于过冷状态的孔隙水向较大孔隙介质发生迁移聚集形成离散的冰层，该现象就与土壤孔隙大小直接相关，因为相对细小黏土孔隙中的水能够保持过冷却状态而不结冰(Ozawa，1997)。同时，水滴(盐水)的结晶温度也随着液滴的尺寸减小而降低(Melia and Moffitt，1964;Kubotaetal.， 1986)。基于对这些自然现象的不断观察和认识提高，用于解释该类物理化学行为的理论模型也逐渐建立，并与实验、观测结果相符。这使研究人员意识到，在其他孔隙介质中的流体可能也会出现类似的物理化学行为，即孔隙介质的尺寸与流体—岩石相互作用及矿物结晶条件可能存在一定的协变关系(Henisch and Nassau，1990;Evans，1999)。Putnis等(1995)在矿物结晶实验中利用多孔的凝胶作为流体流动和结晶的介质。结果发现，相较于开放的溶液和结晶环境，流体的流动和矿物结晶形态在这些细小的凝胶孔隙中均受到了极大的抑制(图 1-b，1-c)，使其更不易发生结晶沉淀。

这些自然现象和实验结果都证实了孔隙尺寸对于其内的流体化学行为和矿物结晶的确具有显著的控制作用，但有关古老地层中岩石孔隙介质内的类似观察和报道则相对滞后。Steefel和Lichtner(1998)针对约旦Maqarin地区一处核废料储存库的矿物沉淀模拟实验中发现，地层中的裂缝相较于其周围的基质岩石孔隙更早地发生了充填和封闭。这表明含有核废料的地层流体在孔隙空间相对较大的裂缝中发生的结晶沉淀速率远远高于较小的基岩孔隙。Putnis和Mauthe(2001)在对德国西北部下三叠统河流相砂岩油气储集层的岩石学观察中发现，成岩过程中形成的盐类胶结物明显倾向于在较大孔隙中发生沉淀和胶结充填，而较小的孔隙保存度较高(图 1-d)，并推测可能是由于孔隙的尺寸差异影响了成岩流体中矿物的溶解度。Rijniers等(2005)基于原位核磁技术对Na2CO3·2H2O溶液进行浓度测量，结果显示在10inm孔径尺寸的孔隙流体中的Na2CO3·2H2O的溶解度是开放体系溶液的2倍以上。Emmanuel和Berkouitz(2007)尝试通过数值模拟的方法对非均质多孔介质中流体流动、溶质反应运移的过程开展定量分析，证实了孔隙尺寸的确可以控制流体中矿物的溶解度，并对流体溶质的反应运移过程产生较大影响，也在一定程度上解释了现今地层中的某些非均质孔隙结构特征。

a—北极圈的冻胀现象，1989年3月，航空照片；b和c—多孔凝胶介质中的重晶石沉淀实验晶体特征对比，b为微米级凝胶孔隙介质中沉淀的重晶石特征，其晶体形态受到显著抑制，c为开放溶液中沉淀的重晶石晶体特征；d—砂岩储集层中较大碎屑颗粒间孔隙被石盐胶结充填，较小碎屑粒间孔保持开放，德国西北部下三叠统，蓝色铸体薄片；e—粉晶白云岩，毫米—厘米级的溶蚀孔洞被石膏胶结充填，微米级的晶间溶孔有效保存(红色方框)，鄂尔多斯盆地马家沟组，靳2井，岩心；f—e中红色方框的放大，粉晶白云岩晶间溶孔有效保存，蓝色铸体薄片；g—大孔被中—粗晶方解石胶结充填，而紧邻的基质微孔大量保存下来，卡塔尔南部下白垩统生物碎屑灰岩，蓝色铸体薄片；h—混积碳酸盐岩储集层中的较大孔隙被石膏充填，与之相邻的微米—亚微米级孔隙有效保存(红色方框)，柴达木盆地下干柴沟组，狮41-6-1井，蓝色铸体薄片；i—h中红色方框的放大，亚微米级的白云石晶间孔隙呈弥散状分布，蓝色铸体薄片；j—混积碳酸盐岩储集层中亚微米级的白云石晶间微孔大量发育并有效保存，柴达木盆地下干柴沟组，狮3-1井，氩离子抛光扫描电镜；k—亚微米级的白云石晶间微孔特征，柴达木盆地下干柴沟组，狮3-1井，氩离子抛光扫描电镜。a据Ozawa，1997；b、c据Putnis等，1995；d据Putnis和Mauthe， 2001；g据Ehrenberg和Walderhaug，2015图 1 国内外典型的“孔隙尺寸控制矿物沉淀及胶结”特征Fig.1 Typical features of pore-size controlled precipitation and cementation in China and abroad

笔者在中国各大含油气盆地的储集层研究中也时常观察到类似的与孔隙尺寸相关的差异性胶结作用，以鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组白云岩储集层和柴达木盆地古近系下干柴沟组混积型碳酸盐岩储集层较为典型。其中，马家沟组孔隙胶结矿物主要为石膏和粗晶白云石，充填于颗粒白云岩和晶粒白云岩储集层内较大的溶蚀孔洞中(0.5～2icm)，且胶结程度较高(图 1-e)。受此影响，该区白云岩储集层大多仅残留相对较小的粒间孔(0.03～0.2imm)和白云石晶间孔(0.05～1imm)并成为有效储集空间(图 1-f)。柴达木盆地西部下干柴沟组湖相碳酸盐岩储集层中最常见的孔洞胶结物为石膏、钙芒硝等蒸发盐矿物。虽然岩心和普通显微镜观察显示较大的孔隙(肉眼可见)均已被完全胶结充填，几乎无残留储集空间(图 1-h)，但勘探实践和进一步储集层精细表征则发现，该类泥微晶级的白云岩中存在大量普遍含油的白云石晶间微孔(亚微米级)(图 1-i至1-k)，其岩心实测孔隙度甚至超过10%。这表明虽然较大的孔隙空间由于胶结充填而消失殆尽，但这些亚微米级的白云石晶间微孔仍然能够有效且广泛保存，并成为该区致密油稳产的主力贡献者。

3 孔隙胶结及其微观表征技术进展

随着微观观测、表征和示踪方法技术的不断丰富和提高，越来越多的地质工作者逐渐意识到了地层孔隙介质中“孔隙尺寸控制沉淀”现象的存在与重要性，并尝试通过各种技术手段对其进行定性判识或定量表征。目前，对细微孔隙中饱和流体的胶结沉淀过程及其控制因素分析的方法手段多样，大体可归为孔隙特征显微观察、流体动力学相关数值模拟和多孔介质中的矿物沉淀模拟实验3类。

a和b—用于CaCO3沉淀实验的双孔介质基质，化学成分为无定形氧化硅，性质与砂岩相似，a为相对大孔(μm级)，b为相对小孔(nm级)，扫描电镜照片；c和d—随反应进行，孔隙介质孔径大小与X射线小角度散射强度变化关系，c为无功能剂条件下，仅大孔介质中 发生了CaCO3沉淀，小孔介质中无明显变化，d为加入功能剂条件下，大孔和小孔介质中均发生了CaCO3沉淀图 2 双孔介质CaCO3沉淀模拟实验(据Stack等，2014)Fig.2 Simulation experiment of CaCO3 precipitation in dual-porosity media(after Stack et al.， 2014)

3.1 微观孔隙结构观察与表征

现今的孔隙结构是漫长成岩过程中孔隙系统与流体相互作用的直观反映和最终结果。岩石样品中的“孔隙尺寸控制沉淀”现象主要表现为在同一样品或同一薄片视域中，当不同尺度孔隙共生时，相对较大的孔隙往往被次生矿物胶结充填，而与之相邻的较小的孔隙则能够良好的保存下来。这些次生矿物的类型与胶结形式多样，包括石盐、石膏、钙芒硝等蒸发盐矿物以及方解石、白云石等碳酸盐矿物等均有发现(图 1-d，1-e，1-g)。除了常规的岩心、薄片、压汞分析等储集层表征手段，一些较新的方法技术如扫描透射显微镜(STEM)、EDS扫描能谱元素面分析、X射线小角散射(SAXS)(图 2-c，2-d)等也时常用于精细表征非均质孔隙介质中的孔隙结构及其内部的矿物分布特征。

3.2 数值模拟方法

为解决地质研究中的时空限制和多因素环境条件定量分析等问题，数值模拟方法已经被广泛运用于各类工程、水文、环境等地质问题的研究中。其中，与地下孔隙介质内流体—岩石相互作用相关的数值模拟软件或代码如COMSOL Multiphysics、SHEMAT、TOUGHREACT等对于模拟石油地质或成岩作用研究中的地下流体动力学、流体地球化学过程具有良好效果(Clauser，2003;Xuetal.， 2006;Lietal.， 2009)。Emmanuel等(2010)基于一种新建立的适用于多孔介质的反应运移模型来分析矿物沉淀对孔隙度和孔径分布的影响，并将其与“标准”的动力学模型(多孔介质中晶体生长速率主要受矿物表面积/流体体积比值控制)进行对比(Berner，1980;Lasaga，1998)。模拟结果显示，如果按照“标准”的动力学模型预测，所有的孔隙均应被石英胶结物充填，而考虑了细微孔隙表面能和界面张力变化的反应运移模型模拟结果则能够很好地与样品实际观察相吻合，表现为直径小于10iμm的砂岩孔隙内石英胶结物的沉淀受到极大地抑制。在此基础上，众多学者又根据实际材料的需求建立了适用于不同介质体系、不同流体参数的多种数学模型和求解方法(Simonyanetal.， 2012;Jamtveitetal.， 2014;Ehrenberg and Walderhaug，2015;Stack and Kent，2015)。数值模拟方法虽然能够较好地对孔隙介质内的流体—岩石相互作用和矿物沉淀过程进行定性—半定量恢复，也清晰地证实了“孔隙尺寸控制沉淀”现象的存在。但其仍然存在不少限制，如目前的模拟方法多以单矿物系统为对象、未考虑地层压实对孔隙结构的影响、孔隙结构高度理想化而不能真实地反映天然多孔介质的复杂性等，这也是拓展数值模拟方法在未来地质研究中的应用领域的长期挑战和发展方向。

3.3 多孔介质中的矿物沉淀实验

自“孔隙尺寸控制沉淀”现象被发现以来，许多研究者便开始尝试通过实验模拟的方法来合成一种理想的多孔介质模型，以探究其内流体的溶蚀—沉淀作用过程及其孔隙结构分布规律。但是，由于在实验室条件下进行该项模拟实验的不确定因素过多，包括矿物成核部位、沉淀速率、流体交换程度、矿物包壳及其阻隔效应等。而当前条件下仅仅能够控制地下岩石表面沉淀作用发生的3个因素，即溶液类型、注入部位以及注入速率，难以对以上所有实验条件进行精确控制。同时，对于表征微观孔隙结构及其演变的方法和观察手段的缺乏也极大地限制了对孔隙介质与流体物理化学活动的相互作用过程的精确研究。直到2014年，美国地球化学家Stack等利用一种粒径可控的无定形氧化硅作为双孔介质的基质(化学性质及成分与砂岩相似)(图 2-a，2-b)，对同时具有离散分布的大孔(μm级)和小孔(nm级)的介质注入CaCO3过饱和流体，并综合X射线小角散射(SAXS)、扫描透射显微镜(STEM)和能谱分析(EDS)等方法对双孔介质内的矿物沉淀变化过程进行持续观测。结果发现，在原始的双孔介质中，经过1.75ih的过饱和流体反应后，反映小孔内矿物沉淀的X射线散射强度未发生变化；而在反映大孔的区域，随着时间的增加，其散射强度也不断增强，表明仅在大孔中发生了沉淀(图 2-c)。另外，在添加了活化膜(类似与一种功能剂，能够促进矿物成核)的双孔介质中，表征小孔及大孔的散射强度均表现为随时间累积而增强的特征，表明在2类孔隙中均发生了矿物沉淀(图 2-d)。这一研究不仅从实验模拟上直接证实了多孔介质内的“孔径尺寸控制沉淀”的现象，并且对矿物的沉淀分布以及孔隙结构演变完成了持续有效的定量观测，也为后续地质工作者研究成岩流体在孔隙介质内的物理化学行为提供了新的思路与可借鉴方法。

4 流体化学原理与控制因素

目前，有关地层孔隙介质中的“孔隙尺寸控制沉淀”现象成因机理的分析和推测较为多样，主要观点包括： 成岩流体经过不同地层孔隙时发生温压条件变化最终导致过饱和现象或胶结非均质性的出现(Emmanuel and Berkowitz，2005)；基岩矿物的溶解导致孔隙流体中另一种矿物的饱和，如方解石的溶解导致石膏的沉淀(Singurindy and Berkowitz，2003)；孔喉连通性的不均质性使得成岩流体更趋向于在大孔中运移而使得大孔相较于微孔隙接受了更多的矿物离子而最终被优先胶结(Lucia and Loucks，2013)。虽然这几种机制都存在于不同的地质环境和流体系统中，但针对特定微孔隙环境中的矿物沉淀和胶结差异，它们也都受到了一定的质疑或使用局限性。例如，微观孔隙中胶结矿物的沉淀并非一个瞬时过程，流体的扩散可以迅速消除大孔与附近微孔隙之间(通常相邻仅几毫米)的溶液离子浓度和温压的差异，即“孔隙尺寸控制沉淀”现象的观察和分析主要针对于具有统一温压条件和流体性质的多孔介质系统，如同一套岩溶系统内的不同尺度孔隙或岩溶系统边缘的基质孔隙。因此，采用不同的温压条件或微孔隙内缺乏流体运移和胶结离子对该现象进行解释往往被认为是不够完善的(Ehrenberg and Walderhaug，2015)。

而另一种与表面化学相关的解释模型则更为人们所接受和认可，即“孔隙尺寸控制溶解度”效应(pore-size controlled solubility)。早在20世纪七十年代就有研究者认识到，影响矿物晶体在多孔介质内生长速率的重要因素之一就是孔隙介质的反应表面积(Berner，1971，1980;Lasagaa，1998)。在这些细小的孔隙内，更大的反应比表面以及额外存在的界面能则很可能导致了某种矿物在细小孔隙(微米—纳米级)内的溶解度高于其在开放溶液中的溶解度(Bathurst，1975;Scherer，1999;Flatt，2002)。这种矿物溶解度受孔隙介质控制的效应可以通过在经典的矿物溶解动力学模型中引入有效溶解度Se进行修正和表达(Adamson，1976;Scherer，2004):

Se=S0exp(Vmγf/vRT)

(1)

式中Se为矿物晶体在细小孔隙介质流体中的有效溶解度，S0为矿物晶体在大溶液(开放溶液)中的溶解度，Vm是摩尔体积，γ是界面自由能，f是晶体曲率(定义为矿物晶体体积相对于表面积的变化率)，v是一摩尔固态矿物溶解产生的离子摩尔数(如石英为1，方解石为2)，R是气体常数，T是温度。同时，由于晶体曲率与曲率半径rc之间具有对应关系(Ehrenberg and Walderhaug，2015)，如球形晶体f=2/rc；立方形晶体f=4/rc；60°菱形晶体f=4.4125/rc。以方解石胶结物为例，其f=4.5/rc，将其代入有效溶解度表达式(1)可以得到：

Se=S0exp(4.5Vmγ/vRTrc)

(2)

与开放溶液中自由生长成理想晶形的矿物不同，在基质颗粒孔隙中的胶结矿物晶体的曲率半径不再等于晶体半径，其可以表达为与孔径d相关的函数(Scherer，2004):rc=d/cosθ，其中θ是不规则孔隙的二面角(图 3-a)。因此，公式(2)可以变形为：

Se=S0exp(4.5Vmγcosθ/vRTd)

(3)

由上式(3)可以看出，由于界面能γ的存在以及绝大多数情况下岩石孔隙介质中的θ<π/2，因而Se>S0，即矿物在细小孔隙介质内的溶解度往往高于在开放溶液。同时随着孔径的减小或孔隙逐渐被胶结充填会导致晶体曲率增大(图 3-b)，最终使得该矿物在孔隙流体中的有效溶解度增大而不容易发生胶结沉淀。

a—粒间孔隙结构与二面角特征；b—基质颗粒胶结与孔隙充填过程示意图图 3 孔隙结构及矿物胶结充填过程几何示意图(据Emmanuel等，2010；有修改)Fig.3 Conceptual diagram showing the pore structure and mineral precipitation process(modified after Emmanuel et al.， 2010)

5 地质意义

5.1 对油气储集层非均质性的影响

5.1.1 微孔选择性保存

储集层孔隙结构与非均质性研究是油气勘探和开发过程中的关键课题之一，“孔隙尺寸控制沉淀”现象对于油气储集层最直接的影响就是导致非均质的孔隙保存和分布。目前，在国内外多个含油气盆地中均发现了由于孔隙尺寸差异引起孔隙选择性保存的现象和文献报道(Putnis and Mauthe，2001;Ehrenbergetal.， 2012)。其中，以各类碳酸盐岩储集层(如生物骨架灰岩、砾屑灰岩、颗粒灰岩和泥质灰岩)孔隙中的方解石胶结物最为常见(Grötschetal.， 2003;Richardetal.， 2007;Borgomanoetal.， 2013;Lucia and Loucks，2013)。有研究者基于修正后的矿物溶解动力学模型对不同粒径大小的方解石晶体溶解度进行计算，结果显示当方解石粒径分别为1、5、10和20iμm的情况下，其在孔隙介质中的溶解度相较于开放溶液分别增加了0.3%、0.06%、0.03%和0.015%(Steefel and Wagoner Cappelen，1990)。虽然溶解度增加的幅度看似较小，但考虑到地质系统的稳定性和长时间效应，流体—岩石相互作用的轻微不平衡也可能对胶结物的生长和体积变化产生巨大影响。例如随着孔隙流体中离子浓度(方解石)缓慢增加，较大孔隙中的流体将会优先达到沉淀的临界条件，使得这些较大的晶体持续生长和扩大。但在很长一段地质时期内，流体的离子浓度还不足以达到微孔隙中方解石沉淀的临界条件，因此较大的孔隙最终被大量胶结充填，而较小的微孔隙往往能够较好地保存下来(Ehrenberg and Walderhaug，2015)。

a—生物碎屑灰岩，溶孔大量发育，部分较大孔隙被方解石胶结充填，样品实测孔隙度26.9%，卡塔尔南部，蓝色铸体薄片；b—生物碎屑灰岩，绝大部分孔隙(钙球粒和有孔虫体腔孔)被亮晶方解石充填，但暗色基质灰岩中仍保存有大量微孔发育，样品实测孔隙度25.8%，卡塔尔南部，蓝色铸体薄片(孔隙细小，普通显微镜难以识别，仅局部见星点状的蓝色铸体)；c—鲕粒灰岩中溶模孔发育，局部被方解石胶结充填，法国Génissiat地区，蓝色铸体薄片；d—鲕粒灰岩基质部分的扫描电镜照片，方解石晶体间大量的基质微孔发育，且几乎无胶结充填现象，样品实测孔隙度24.2%，法国Génissiat地区，扫描电镜；e—卡塔尔南部不同埋深生物碎屑灰岩储集层的孔喉半径与累计孔隙度统计规律，随埋深增大，普通显微镜可见的大孔被方解石胶结充填程度增大，微孔保存及对总孔隙度贡献率变化不大，均能有效保存。 a、b、e据Ehrenberg和Walderhaug，2015；c、d据Richard等，2007图 4 “孔隙尺寸控制沉淀”影响下的油气储集层孔隙保存特征Fig.4 Pore preservation characteristics of hydrocarbon reservoir affected by pore-size controlled precipitation

有关“孔隙尺寸控制沉淀”现象对储集层孔隙结构非均质性和选择性保存的具体影响，目前主要从3个方面进行识别和表征。首先，最直观和普遍的体现就是薄片显微观察或扫描电镜显示出的选择性胶结特征(Richardetal.， 2007;Ehrenbergetal.， 2012)，一些较大的粒间孔、铸模孔或生物体腔孔等多被粗大的亮晶方解石胶结，而与之紧紧相邻的较小孔隙(μm级，肉眼可见)则充填程度极低(图 1-g，图4-a)。有学者通过对比岩心样品的薄片面孔率(或借助图像分析方法)与氦气法(或核磁法)实测孔隙度发现，薄片下肉眼观察的几乎所有大孔都被方解石胶结充填了，而其实测孔隙度甚至能够达到20%～30%(图 4-b至4-d)。这表明，岩石中仍保存有大量的基质微孔隙(nm～μm级，普通显微镜下难以识别)，该类储集层仍具有较大的勘探价值和潜力(Fabricius and Borre，2007;Borgomanoetal.， 2013)。此外，某些储集层中随深度变化的孔喉结构和孔隙类型演变也可能是“孔隙尺寸控制沉淀”现象的体现，其主要受胶结流体来源的影响。Ehrenberg和Walderhaug(2015)在对阿曼西北部白垩系生物碎屑灰岩储集层研究中发现，在同一套储集层内自下而上孔隙度变好，下部的孔隙中方解石胶结物含量较高，缝合线也更为发育。同时不同深度段样品的压汞曲线显示随埋深增加，微孔隙占比变化不大，而肉眼可见的较大孔隙对总孔隙度的贡献率则明显降低(图 4-e)。这反映了在埋深加大的过程中，压实压溶作用的增强以及缝合线的大量产生释放富含碳酸盐离子的流体优先对下部储集层中的较大孔隙进行胶结，但微孔隙则仍然较好的保存下来并占据主导；储集层上部则由于更弱的压溶作用和流体改造，其胶结程度向上逐渐减弱。类似的大孔保存性随埋深和胶结程度增大而逐渐变差，但微孔则几乎不受影响的现象在砂岩储集层孔隙被石盐胶结的过程中也有发现(Putnis and Mauthe，2001)，反映了孔隙尺寸和胶结流体来源对矿物沉淀的共同控制。

5.1.2 对渗透率的影响

众所周知，成岩流体的胶结充填是造成各类型储集层孔渗性能减弱重要因素之一。目前，一般可以通过对流体性质的化学平衡研究结合胶结矿物的物质的量和摩尔体积来最终估算孔隙度的变化，但对于由孔隙度变化引起的渗透率变化还缺乏可以定量描述的方法。考虑到储集层孔隙介质及其孔喉分布的非均质性和复杂性，成岩流体的运移路径与矿物沉淀方式对于储集层孔隙度—渗透率的协变性可能具有重要的控制作用(Bloch，1991)，同时不同的胶结方式也可能反过来控制流体—岩石相互作用及反应持续程度(Cohen and Rothman，2015)。孔隙度与渗透率之间的变化关系目前主要通过基质矿物粒径变化来进行描述(Freeze and Cherry，1979)，即k=Cd2，其中k为渗透率、d是平均颗粒直径、C是一个拟合系数。该方法对于定性分析储集层孔渗关系或油气渗流性能具有重要意义，但该线性变化关系只有在矿物基质稳定(如颗粒直径、分布均匀)、均匀胶结的情况下才严格适用。而实际上，储集层孔隙的胶结作用对于孔隙度和渗透率的影响更多地表现为非线性关系(Gibson-Pooleetal.， 2008;Zhangetal.， 2013)。

多孔介质内过饱和流体的胶结沉淀作用可能存在3种形式，包括：(1)与孔隙大小无关的均质沉淀(Borgiaetal.， 2012)；(2)小孔中的沉淀受到抑制，大孔中优先发生沉淀(Emmanueletal.， 2010)；(3)大孔内的沉淀受到抑制而在小孔中优先发生沉淀(Hedges and Whitelam，2012)。这些不同的胶结沉淀形式对储集层孔渗性能的影响程度明显不同。若成岩流体在孔隙内的胶结具有均一性，过饱和流体往往沿着基质矿物颗粒表面发生结晶形成环状包壳包裹基质颗粒，结果往往导致流体—岩石的相互作用在达到动力学或热力学平衡状态之前就趋于停止，虽然一些细小的基质颗粒间喉道关闭，渗透率有所降低，但储集层内的相对大孔通常能够保留下来并处于开放状态(图 5-a)；如果成岩流体在大孔中发生优先沉淀，此时储集层孔隙度下降幅度较大，但对整体渗透性能的影响较小，孔隙流体仍能够较好地渗流(图 5-b)；与之相反，如果在小孔内发生优先沉淀，虽然整体孔隙度降低程度较小，但却极易形成大量胶结物集中充填于基质矿物颗粒间的细小孔隙，堵塞喉道，导致渗透率大大降低(图 5-c)。

图 5 成岩饱和流体在孔隙介质内的沉淀方式(据Stack，2015；有修改)Fig.5 Various precipitation pathways of saturated diagenetic fluid in porous media(modified after Stack，2015)

因此，在研究成岩流体胶结对于储集层孔渗性能的影响时，有必要结合具体情况对成岩流体的胶结形式进行判断，这也有助于对储集层孔隙演化和孔渗性能特征的整体把握。虽然这几种形式的过饱和流体沉淀作用在模拟实验或地层介质中均有发现，与前文中的“孔隙尺寸控制溶解度”效应似乎有所矛盾。不过大多数学者认为造成这种差异的原因主要是流体的优先沉淀区不仅与孔隙尺寸有关，还可能受到其他不确定因素的控制，如基质颗粒形态结构(凹凸状态)、流体性质和观测时间等(Stack，2015)。即在流体与孔隙介质系统的相互作用过程中，孔隙尺寸并非是唯一的变量，多种地质因素的变化与不确定性也可能导致了最终的结果差异。

5.1.3 成岩环境与边界条件

“孔隙尺寸控制沉淀”现象对于碳酸盐岩储集层孔渗性能的保存和分布的确具有一定的影响，但在大量的储集层实例中并非都能观察到该现象。因此在考虑这种效应的时候，有必要明确其成岩环境和边界条件。从现有的文献报道和实例来看，由孔隙尺寸引起的胶结、沉淀差异大多发生在相对开放的早期成岩阶段。一方面，处于浅埋藏的碳酸盐岩储集体(如丘滩)周围的细粒沉积物尚未完全致密化，仍保持有较好的漫流式渗透性能(Xiaoetal.， 2016)，这为储集层提供了较好的与外界的连通性。另一方面，随着压实压溶作用的逐渐增强，以封存海水(孔隙水)和压释水为代表的早期成岩流体相对活跃。在上覆沉积物不断加积和压实作用的驱动下，这些外源的流体趋于沿着丘滩储集体的周缘进入相对高孔渗层(Xiongetal.， 2020)，由于孔喉结构和孔隙尺寸的骤然变化，最终导致在储集层内出现流体化学行为和胶结作用的差异性。与早期成岩环境相反，处于晚成岩埋藏阶段的地层流体流动趋于平缓，多处于停滞状态，其成岩环境相对封闭。此阶段，呈透镜状分布的碳酸盐岩丘滩储集体大多相对孤立，周缘细粒沉积物的致密化导致储集层内部与外界流体沟通不畅。除去由于地层温压条件改变导致的孔隙流体沉淀和胶结作用，受孔隙尺寸控制的差异性胶结现象较为罕见。不过，当储集层被构造裂缝有效沟通并伴随深部热液流体上涌时，热液矿物在储集层孔隙内的结晶沉淀也可能出现差异性。不难看出，相对开放的成岩环境、合适的外源流体(压释流体、热液流体等)、储集体与外界的有效连通路径以及突变的孔隙介质是“孔隙尺寸控制沉淀”现象发生的关键条件。

5.2 地热系统开发中的孔隙堵塞

除了与油气储集层成岩作用和孔隙非均质性的密切联系外，“孔隙尺寸控制沉淀”效应对于许多工程地质研究及施工风险评估也具有不可忽视的意义。1997年，在德国北部的1口地热储集层钻井开发过程中，由于钻井液与地层矿物复杂反应生成大量的硬石膏(CaSO4)胶结物充填堵塞原始的砂岩储集层孔隙，最终导致该项目终止。随后，研究人员发现砂岩储集层中的硬石膏胶结物大多集中分布于相对较高孔隙度的区域，而低孔隙度区域的硬石膏胶结程度较低(Wagneretal.， 2005)。同时，对该孔隙介质内流体反应运移及其与基质矿物相互作用的数值模拟结果也证实了这种非均质的硬石膏胶结模式与孔隙大小密切相关，即细小孔隙中的流体存在一个超过热力学平衡状态的临近过饱和阈值(Mürmannetal.， 2013)，与前人的“孔隙尺寸控制溶解度”原理相符。因此，考虑区域性孔隙分布及其相关的矿物沉淀与过饱和现象，对于评估地热储集层钻井的胶结风险和矿物充填模式是十分有必要的。

整体而言，“孔隙尺寸控制沉淀”现象在油气或地热储集层勘探开发中大多表现出一定的破坏性，但对某些特定的地质问题研究或地质资源利用来说，同一种沉淀作用和胶结模式也可能出现不同的期望结果。例如，对于CO2地下封存或核废料处理的盖层(封隔层)而言，如果矿物的沉淀和胶结优先发生在较大的孔隙或裂缝中，少量的胶结充填便可能使盖层的有效性大幅提升，表现出“自封存”现象(Wangetal.， 2009;Stack，2015)。该技术目前已经用于模拟CO2地下封存过程，即在地下储集层注入CO2之后，周围相对致密和细小孔隙内的高盐度流体向具有更高孔渗条件的储集层边缘部位发生运移，流体中石盐、石膏等矿物的有效溶解度降低，进而胶结充填于这些较大孔隙并最终达到封隔目的(Borgiaetal.， 2012)。

6 实例： 鄂尔多斯盆地马家沟组孔隙充填特征

6.1 储集层发育与胶结特征

图 6 鄂尔多斯盆中奥陶统马五段盐下储集层孔隙分布特征Fig.6 Porosity distribution of subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

a、b和d—砂屑云岩储集层，较大孔径的粒间孔隙被石膏胶结充填，较小孔径的粒间孔隙得以保留，靳2井，3586.75im，马五7亚段，a、d为蓝色铸体薄片，b为岩心；c、e和f—粉晶云岩储集层，大孔(溶洞)被粗晶白云石胶结物充填，基质白云石晶间孔保存完好，桃38井，3630.56im，马五9亚段，c、f为蓝色铸体薄片，e为岩心图 7 鄂尔多斯盆地中奥陶统马五段盐下储集层孔隙胶结特征Fig.7 Pore cementation of subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

中奥陶统马家沟组是鄂尔多斯盆地下古生界天然气勘探的主力层位， 尤其是盐下(马五7—马五10 亚段，马五6为盆地范围的膏盐层)白云岩储集层因其独特的碳酸盐岩—蒸发岩韵律互层发育模式和保存条件而成为了近年来盆地勘探研究的焦点(Heetal.， 2014，杨华等，2014，Xiaoetal.， 2019)。研究表明，盆地中部马家沟组盐下发育典型的台内丘滩储集体，主要分布于马五7和马五9亚段，岩性以晶粒云岩、颗粒云岩和微生物岩为主，对应的储集空间为晶间孔、粒间(溶)孔和窗格孔等(付金华等，2017；席胜利等，2017；刘耘等，2018)。受频繁的海平面波动变化影响，准同生期台内相对沉积高部位的颗粒滩或微生物丘发生周期性短暂暴露溶蚀是优质储集层形成的根本机制(付斯一等，2019；Xiongetal.， 2019)，也使得薄层丘滩高孔渗层在纵向上频繁叠置(图 6)。同时，储集层孔隙度分布也具有鲜明的旋回性和非均质性，表现为孔隙度随着高频暴露旋回发生韵律性变化并在旋回中上部达到最优。随后的漫长成岩过程中，成岩流体与孔隙介质系统相互作用以及胶结充填则是决定早期孔隙能否有效保存的至关重要因素。系统的岩心取样及宏微观岩石学特征观察表明，马家沟组盐下储集层孔隙胶结物以石膏和中—粗晶白云石2类占主导。

6.2 孔径分布特征

图 8 鄂尔多斯盆地中奥陶统马五段盐下储集层孔隙度与镜下孔隙尺寸、胶结特征的相关性分析Fig.8 Correlation analysis of porosity，microscopic pore size and cementation in subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

图 9 鄂尔多斯盆地中奥陶统马五段盐下不同储集岩类、不同胶结特征的压汞法孔隙半径分布特征Fig.9 Pore radius distribution of various rock samples with different cementation features by mercury intrusion method in subsalt reservoir of the Fifth Member of Middle Ordovician Majiagou Formation in Ordos Basin

6.3 胶结流体来源与胶结模式

结合马五段盐下碳酸盐岩—蒸发岩韵律互层的旋回性沉积背景分析，丘滩沉积主要位于各碳酸盐岩层系的上部，经准同生暴露溶蚀之后可形成大量溶蚀孔洞。其之上则发育以纹层状膏岩为主的低能蒸发岩沉积，同时气候条件也愈加干旱，海水盐度升高(席胜利等，2017)。因此，在丘滩沉积之后的准同生—浅埋藏期，受上覆蒸发岩逐渐压实和强蒸发环境的影响，不断浓缩下渗的重卤水以及疏松沉积物间的高盐度海水具有向高孔渗的丘滩储集体发生渗流运移的趋势。考虑到“孔隙尺寸控制溶解度”效应，在上覆细粒岩层孔隙中的过饱和流体逐渐向高孔渗的丘滩储集体渗流时，由于孔隙尺寸骤然扩大，石膏等矿物的有效溶解度降低，进而在丘滩体边缘部位快速成核结晶并优先充填于较大的粒间孔隙。此时，虽然一些相对细小的粒间孔隙得到保存，但大孔的集中胶结充填仍然导致岩石总体孔隙度大幅减少(约3%～5%)，同时较大的喉道也很快被堵塞，仅残存一些孤立的细小粒间孔，岩石渗流能力大幅削弱。另一方面，虽然高盐度海水的胶结充填极大地破坏了丘滩体边缘储集层的孔渗性能，但边缘部位的快速胶结和致密化也有效地阻隔了外部的高盐度流体向丘滩体核部进一步渗流与胶结，为丘滩体核部创造了一个相对封闭的成岩环境，类似于CO2储库研究中的“自封存”现象(Wangetal.， 2009)，其流体—岩石相互作用趋于平衡，有利于孔隙保存。这也较好地解释了在单个丘滩沉积旋回中，优质储集层主要位于中上部，而顶部孔渗性能相对减弱的特征。

此外，大量研究表明，马家沟组碳酸盐岩储集层在晚侏罗世还受到了明显的热事件影响，表现为来自深部，沿着基地断裂和区域不整合面运移的热液流体对先期高孔渗的白云岩储集层的重结晶改造和胶结充填(王保全等，2009；黄擎宇等，2010)。岩石学特征观察显示马家沟组热液伴生矿物类型丰富，包括白云石、萤石和黄铁矿等，其中以中—粗晶白云石和鞍形白云石胶结物在马五段盐下最为常见。整体上，热液胶结作用在马五9亚段较为普遍，且大多充填于较大的溶蚀孔洞，而其周围相互搭接接触的基质白云石中仍保留有大量的晶间孔隙，表现出典型的“孔隙尺寸控制沉淀”现象。同时，由于旋回发育的致密膏岩层(马五6和马五8亚段)对地层流体的封隔作用，自下而上储集层的热液改造和胶结程度明显减弱，这也可能是马五9亚段储集层孔渗性能整体上次于马五7亚段的关键原因。

7 结语

地质环境中“孔隙尺寸控制沉淀”现象广泛存在，主要表现为多孔介质中流体的胶结非均质性及最终的“大孔充填而小孔保存”特征。目前的研究主要从不同尺度孔隙结构直接观察、流体—孔隙介质相互作用的数值模拟、多孔介质内矿物沉淀模拟实验3个方面开展。受孔隙大小控制的非均质沉淀特征可以利用与表面化学相关的动力学模型进行解释，即微孔隙中更大的界面张力和矿物晶体曲率导致矿物的有效溶解度更高，因而更容易保持过饱和状态而不发生沉淀。

“孔隙尺寸控制沉淀”现象对碳酸盐岩油气储集层的影响主要表现在微孔的选择性保存，在特定区域内当大孔隙与小孔隙共生时，大孔隙更倾向于被矿物胶结充填而小孔隙易于被保存，不同的胶结模式对岩石整体渗透率的影响也略有不同。成岩流体性质、来源及胶结模式的判识有助于对储集层孔隙结构演化和有效孔隙分布的整体把握。此外，该现象在地热开发和二氧化碳地质封存研究中也值得重视。

针对多孔介质中“孔隙尺寸控制沉淀”的观察和认识日趋完善，但现有的研究手段仍具有一定的局限性，如数值模拟中的矿物基质和孔隙结构高度理想化，难以反映天然多孔介质的复杂性；地质环境中的反应动力学模型可能比模拟中使用的经验速率定律更为复杂；矿物沉淀模拟实验中的时空尺度限制等。这些因素很大程度上限制了从定性观察到定量表征的快速进展，还有待进一步的深入探究和持续关注。不过，“孔隙尺寸控制沉淀”现象的发现和重视对于理解流体—岩石复杂作用过程具有重要理论意义，也为储集层成岩作用和孔隙保存研究提供了新的视点和思考角度。