次生孔隙形成机理研究

次生孔隙形成机理研究进展次生孔隙的成因一直是储层研究的关键，其对预测有利储集区段，指导勘探开发具有重要的意义，因而成为石油地质工作者备受关注的问题。次生孔隙成因机制的观点有早期的大气降水，CO2—碳酸假说，20世纪70年代末的有机酸假说，以及近年来的烃类与硫酸盐热化学氧化还原反应假说等。1次生孔隙形成机制的四种假说1.1CO2—碳酸假说Curtis，Schmidt和McDonald认为，成岩过程中有机质脱羧作用产生的CO2对次生孔隙的形成起着重要的作用。其原理是：有机质脱羧作用形成CO2，CO2溶于地层水形成碳酸，碳酸电离产生H+，并随孔隙水排入邻近储层，使碳酸盐矿物发生溶蚀作用。但是，在一些沉积盆地中CO2产生的次生孔隙仅占总孔隙的百分之几。Meshri对比了碳酸和有机酸的反应能力，得出有机酸供给H+的能力是碳酸的6~350倍，即在次生孔隙形成时，有机酸起主要作用。1.2烃类与硫酸盐热化学氧化还原反应假说Siebert研究表明，热的硫酸盐被烃类还原大约是在140℃时开始，210℃结束。许多深埋藏沉积物的化学演化和储层内的流体，可以用硫酸盐被烃类还原的机制以及随后产生的H2S与其他矿物的反应来解释，即在晚成岩B阶段(Ro1.3%，地温140~210℃)，烃类可与硫酸盐进行热化学氧化还原反应生成有机酸、HCO3-、H2S及固体沥青等，造成铝硅酸盐、碳酸盐及硫酸盐矿物溶解，同时还形成晚期伊利石、绿泥石、黄铁矿等矿物，其溶解作用可使孔隙度增加5%~10%，最高可达15%。但烃类对硫酸盐以外的无机盐类均无溶解和沉淀能力，因此可有效地抑制成岩作用继续进行，阻止自生矿物沉淀。该阶段与油裂解气阶段一致，其总反应方程式为SO4-2+烃类+H2O→H2S+S+沥青+有机酸+HCO3-+热或CaSO4+CH4→H2S+CaCO3+H2O如果在剖面中烃类的含量超过硫酸盐，则储层流体性质由含有H2S的烃类控制;若获得Fe，则形成黄铁矿胶结物及含CO2的烃。如果在剖面中硫酸盐含量超过烃，则过剩硫酸盐与早先形成的H2S和CO2反应，储层流体性质则由H2S控制。若获得Fe，且Fe含量小于S含量，则S，H2S和CO2的含量控制储层流体性质，出现方解石溶解;若Fe含量大于S，则CO2控制储层流体，发生长石蚀变，若S和Fe的含量大于CO2含量，则H2和Fe控制储层流体，若S和Fe的含量小于CO2含量，则储层流体富含CO2。1.3有机酸假说有机酸，尤其是短链脂肪酸，对铝硅酸岩的溶解起着重要作用。Si，Al，Fe，Ca，Mg在有机酸中的溶解度超过了在碳酸中的溶解度，且有机酸具有较强的络合Al和Fe的能力。较新的研究对深埋地层中有机酸学说提出了挑战。Bjφrlykke等的研究发现，由于长石溶解形成孔隙的过程有些发生在较浅的地层中，同时远离产生有机酸的烃源岩。Hayes和Boles对美国SanJoa-quin盆地的Stevens浊积岩的研究也发现，尽管长石溶解的同时也存在有机酸，但铝的含量或与有机酸阴离子的含量无关，或与长石的溶解体积无关，铝的含量比所预计的要低二到三个数量级，长石溶解的体积基本上被与之伴随的高岭石的沉淀体积所抵消。1.4大气降水渗滤说大气降水渗滤可提供大量含二氧化碳的酸性溶液溶蚀、淋滤岩石，尤其是碳酸盐，形成溶蚀孔、洞、缝，其分布不仅受沉积间断的直接控制，还与物源区成分有关。大气水对岩石的影响发生在地下沉积物沉积或埋藏初期，发育带位于因构造抬升或海平面下降造成的不整合面之下，尽管大气水的作用较深，但大量孔隙的产生可能只限于大气水作用的上部。2次生孔隙形成机理目前研究表明：产生次生孔隙的成岩作用是多样的，主要有岩石破裂作用、颗粒破裂作用(主要因压实作用)、收缩作用(主要因矿物脱水作用)以及溶解作用(物理的、化学的、生物等)等等，下面从几个具体的方面探讨次生孔隙的生成。2.1与有机质有关的次生孔隙的生成(1)有机质成熟释放CO2，溶解碳酸盐矿物产生次生孔隙(Schmidt等)。222NOHCO石油干酪根热降解HCO2CaOHCOCaCO2223(2)烃类物质的转化造成的影响也可形成次生孔隙，如:固态干酪根→液态油+气态气时，体积膨大而形成次生孔隙。(3)间隙水中的羧酸能导致砂岩中酸溶性组合，特别是硅酸盐的溶解。Carothers(1978)等指出在800~200℃的温度范围内，油田水中所含醋酸根可达5000×10-6~1000×10-6，羧酸也是沉积物中有机质热演化过程中的产物，Surdam(1982)等证明，与油田水相同温度和相同浓度范围内的草酸溶液可使铝的溶解度增加一个数量级，而草酸溶液能使铝的溶解度增加3个数量级。溶解铝能以有机络合物〔Al(C2O4)2-〕的方式迁移。2.2与粘土矿物有关的次生孔隙的生成(1)粘土-碳酸盐的反应，在深埋地质作用时期提供CO2从而溶解碳酸盐矿物(Huth-heon等)。2381032522452223CO5CaCO5)OH(OSiAlMgOH2SiO)OH(OSiAl)CO(CaMg5方解石绿泥石高岭石白云石(2)粘土中孔隙水的活力对于砂粒的离子溶解作用亦可形成次生孔隙，这些孔隙水的来源及其活化的因素可以归结为:酸性大气水及地表水的渗入;碱性蒸发岩的卤化;成岩作用释放的水、压实水及粘土矿物本身的“反馈水”等。影响活度的因素，则一般可由:水的活度随t℃、含盐度的升高而减少;水的活度随压力增大而增加。至于在成岩过程中发生的反应，诸如:H+、OH-、CO2的释出，造成介质pH值的变化，以及H2S、有机酸分离物等亦均影响到pH值与Eh值的变化，即如CO2的出现就至少有利于Fe2+—Fe3+的转化。CO2的来源是多方面的。例如:有机质的氧化、火山活动、变质作用、细菌对硫酸盐矿物进行的还原作用、生物的发酵作用、热脱羧作用、矿物氧化还原反应、碳酸盐矿物的热分解(菱铁矿的分解)等等均可生成CO2，而可能导致次生孔隙的生成。(3)粘土矿物转化产生的氢离子可降低间隙水的pH值，导致酸溶性矿物溶解。H2OH3)OH(OSiKAl2K2)OH(OSiAl32210334522伊利石高岭石H14)OH(OSiAlMgFe)OH(OSiAl3OH9Mg5.3Fe5.316200.60.65.35.34522222绿泥石高岭石2.3与温度、压力有关的次生孔隙的生成(1)通过温度的下降和后生的与碳酸盐有联系的不饱和液在上升断块或者由于压实作用在大断裂带上流动而产生的淋滤作用导致次生孔隙的生成。成岩流体的流动方式与次生孔隙的分布有关，常见的流动方式有下降流、上升流和热循环对流。下降流主要指大气降水通过渗透性单元向下流动，特别在地形起伏较大地区，此种流体可在浅部岩层中形成淋滤次生孔隙发育带;上升流指地层流体从盆地凹陷负向构造单元部位向上或向外侧运移，其动力主要来自压实作用、粘土矿物脱水及流体的膨胀作用，主要发生在盆地的中-浅部位;流体的热循环对流通称贝纳德·雷利热循环对流，是最有说服力的一种深部地层中搬运溶解物机制。借鉴这一理论(Wood和Surdam，1978，1982)用来解释东部深部次生孔隙发育带的形成已见效果。有许多证据表明，在我国东部深层碎屑岩储集层中确实存在热循环对流，并且在深部产生了次生孔隙发育，形成了成岩圈闭。而流体的形成和运移与温度、压力都有很大的关系。(2)温度和压力的变化也可影响矿物的溶解度。矿物溶解度的变化可能导致次生孔隙的生成，如当间隙水从静水压力场运移进地质带后，由于压力增大使碳酸盐在水中成低饱和状态而具有溶解碳酸盐的能力，除少量矿物外，随温度升高，矿物的溶解度也增大。另外，当温度和压力都不变时，间隙水的稀释或不同离子比的变化可引起矿物的溶解。2.4与生物作用有关的次生孔隙的生成生物对碳酸盐的分解也有很大作用，直接作用有穴居和钻孔生物;间接作用有生物死亡被细菌分解，产生H2S溶解碳酸盐。间隙水中硫酸盐在脱硫细菌参与下，有机质存在的条件下发生还原反应而产生H2S:Na2SO4+2H2O+2C→2NaHCO3+H2S该反应本身就是一种能使硫酸盐矿物溶解的作用，反应产生的H2S溶于水中也具有溶解碳酸盐等矿物的能力，另外，火山活动也是H2S的一个重要来源。2.5砂岩中的碳酸盐胶结物在上升期和风化期受溶解产生的次生孔隙这主要是由于在淡水循环期间造成大规模离子(K+、Fe2+、Ca2+、Si2+等)迁移，另外，在地层中的不整合面地段，斜长石因受到充满CO2的酸性大气水的侵蚀而产生次生孔隙(Sommer等)。4445222283SiOH4HCO2Na2)OH(OSiAlOH11CO2ONaAlSi23高岭石钠长石44810442283SiOH8HCO4K4)OH(OSiAlOH22CO4OKAlSi43高岭石钾长石2.6含胶体水矿物的转变而造成次生孔隙的生成在深埋过程中：20%)~10%(eTA率达出现次生无效孔，孔隙（原始无效孔）燧石蛋白石蛋白石2.7成岩圈闭造成的次生孔隙带的形成深层储集层中，由于超压带和封闭性断层的存在以及压实流体和粘土矿物脱水的消耗，使储集层中上升流的流动趋于终止。而在地层倾角较大的部位，如负向构造单元向正向构造单元过渡的部位和盆地的斜坡带，流体的流动以热循环对流方式为主，造成构造翼部碳酸盐胶结物被携至构造顶部发生沉淀，形成致密带或遮挡层，从而形成深部成岩圈闭。深层成岩圈闭内岩屑、长石含量较高，它们易被酸性流体溶解，从而形成次生孔隙。总之，次生孔隙的形成是多样的，也是复杂的。它可以是以上述的某一机制为主形成，也可能是多种原理共同作用形成。本文主要从一个微观角度叙述了它的成因以及相关问题，宏观的影响因素，如宇宙体的运动、壳幔物质的对流、沉积环境与沉积相等等方面对次生孔隙的形成与演化也都是有影响的。另外，在次生孔隙这一研究领域，依然有很多问题因主观或客观因素未曾被人们认清楚和意识到，所以依然需要不断的研究，从而有利于更准确和全面的认识储层，以有利于油气田的开发。参考文献[1]黄思静,侯中键.地下孔隙度和渗透率在空间和时间上的变化及影响因素.沉积学报,2001,19(2):224-230.[2]朱国华.陕北浊沸石次生孔隙砂体的形成与油气关系[J].石油学报,1985,6(1):1-8.[3]寿建峰,朱国华.砂岩储层孔隙保存的定量预测研究.地质科学,1998,32(2):224-249.[4]DeutschCV,JournelAG.Geostatisticalsoftwarelibraryanduser’sGuide.Oxfmd:OxfordPress,1992.[5]陈丽华,赵澄林.碎屑岩天然气储集层次生孔隙三种成因机理.石油勘探与开发,1999,26(5):77-79.[6]林壬子,张金亮.陆相储层沉积学进展.北京:石油工业出版社.[7]西北大学地质系.碎屑岩的成岩作用.西安:西北大学出版社,1986.[8]沃马克·施密特,戴维A·麦克唐纳.砂岩成岩过程中的次生储集孔隙.北京:石油工业出版社.[9]朱国华.碎屑岩储集层孔隙的形成、演化和预测.沉积学报,1992,10(3).[10]陈丽华,等.碎屑岩天然气储集层次生孔隙的三种成因机理.石油勘探与开发,1999.[11]文玲,胡书毅,田海芹.靖安油田延长组长6段低孔低渗透储层特征及评价.西北地质,2001,34(4):53-60.