彭軍，王雪龍，韓浩東，尹申，夏青松，李斌

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500）

0 引言

2013年，塔里木盆地塔中隆起中深1井鉆遇寒武系鹽下白云巖并獲得工業(yè)油氣流，標(biāo)志著塔里木盆地寒武系油氣勘探取得重要突破；但是寒武系深層、超深層的儲(chǔ)集層類型、成因及分布規(guī)律不清制約著有利區(qū)帶預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)[1]，如塔深1井深達(dá)8 400 m依然發(fā)育大量次生溶蝕孔洞。因此，超深層碳酸鹽巖地層中次生孔隙成因問(wèn)題是塔里木盆地寒武系儲(chǔ)集層成因機(jī)理研究的主要內(nèi)容之一。

針對(duì)碳酸鹽巖溶蝕作用，前人在礦物巖石學(xué)特征、溶蝕流體類型及溶蝕作用與次生孔隙的關(guān)系等方面做了大量研究[2-4]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始以溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)為手段研究碳酸鹽巖溶蝕機(jī)理[5-7]。早期側(cè)重于對(duì)不同碳酸鹽巖類型溶蝕速率的研究，研究對(duì)象以巖石碎樣或巖石塊體為主，流體與巖石表面直接接觸[8-9]。近年來(lái)，隨著技術(shù)手段的發(fā)展，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)始研究酸性流體在巖石內(nèi)部滲流條件下的溶蝕特征，分析巖石原始孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)溶蝕作用的影響及溶蝕前后巖石物性的變化特征[10-12]；國(guó)外學(xué)者更是從微觀角度以原位觀察的方式研究碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)及礦物成分對(duì)溶蝕作用的影響[13-21]。碳酸鹽巖溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)從宏觀發(fā)展到微觀，從對(duì)單一礦物受單一因素控制的溶蝕特征研究發(fā)展到多手段相結(jié)合多因素共同控制下的巖石內(nèi)部滲流溶蝕模擬。目前，對(duì)碳酸鹽巖主要礦物方解石、白云石的溶蝕能力已具有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，關(guān)于碳酸鹽巖孔隙結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)集空間類型對(duì)溶蝕作用的影響也取得了一定的研究成果；但關(guān)于次要礦物石膏對(duì)碳酸鹽巖溶蝕作用的影響認(rèn)識(shí)尚不統(tǒng)一，關(guān)于碳酸鹽巖溶蝕能力與溫度、壓力的關(guān)系（即是否存在溶蝕窗）也存在分歧。這些問(wèn)題的解決對(duì)碳酸鹽巖溶蝕機(jī)理研究具有重要的補(bǔ)充作用，更有利于塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖儲(chǔ)集層成因分析及有利區(qū)預(yù)測(cè)。

本文以塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖為實(shí)驗(yàn)樣品，以地層中常見(jiàn)的有機(jī)酸（乙酸）和二氧化碳溶液為溶蝕流體，模擬地層溫壓條件，在連續(xù)滲流狀態(tài)下進(jìn)行溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)，主要從巖石儲(chǔ)集空間類型、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分及溫壓條件方面討論塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖溶蝕機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及流程

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)綜合考慮了溫度、壓力、儲(chǔ)集空間類型、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物成分對(duì)碳酸鹽巖溶蝕作用的影響，選取巴楚地區(qū)巴探5井下寒武統(tǒng)肖爾布拉克組、瑪北1井中寒武統(tǒng)沙依里克組、塔北地區(qū)星火2井及于奇6井上寒武統(tǒng)下丘里塔格群共 4個(gè)巖心柱樣，井位分布如圖1所示。薄片鑒定巖性分別為白云質(zhì)灰?guī)r（見(jiàn)圖2a—圖2b）、殘余砂屑細(xì)晶白云巖（見(jiàn)圖2c—圖2e）、含硅細(xì)晶白云巖（見(jiàn)圖 2f—圖 2g）、中晶白云巖（見(jiàn)圖2h—圖 2i）。X 衍射表明白云質(zhì)灰?guī)r中方解石含量達(dá)52.49%（見(jiàn)表1），白云石含量為44.18%；其余樣品白云石含量均在 84%以上，其中殘余砂屑細(xì)晶白云巖白云石含量高達(dá)99.24%；除此之外巖石中還發(fā)育少量石英、硬石膏、石鹽等礦物，其中含硅細(xì)晶白云巖石英含量達(dá) 15.60%。偏光顯微鏡下孔隙特征（見(jiàn)圖 2）與物性數(shù)據(jù)（見(jiàn)表1）表明，瑪北1井白云質(zhì)灰?guī)r、巴探5井殘余砂屑細(xì)晶白云巖、星火2井含硅細(xì)晶白云巖、于奇6井中晶白云巖4個(gè)樣品分別屬于孔隙型、裂縫-孔隙型、孔隙-裂縫型、裂縫型。

圖1 實(shí)驗(yàn)樣品井位分布圖

1.2 實(shí)驗(yàn)流體及溫度、壓力條件

碳酸鹽巖溶蝕流體主要包括同生期與準(zhǔn)同生期大氣淡水（以二氧化碳溶液為主）、埋藏條件下與有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)的酸性流體（以二氧化碳溶液和有機(jī)酸為主）[22-24]以及深部熱流體（以二氧化碳溶液為主）[4]。因此實(shí)驗(yàn)選取了有機(jī)酸和二氧化碳溶液為溶蝕流體。有機(jī)酸為體積分?jǐn)?shù)0.2%的乙酸溶液（pH值約為3.0），由分析純乙酸試劑和去離子水（除去了離子形式雜質(zhì)的純水）配制而成；二氧化碳溶液分壓為2.0 MPa（pH值約為5.0）。實(shí)驗(yàn)溫度參考塔里木盆地塔北地區(qū)和巴楚地區(qū)寒武系的埋藏?zé)嵫莼饭诺販刭Y料（見(jiàn)圖3—圖4），塔北地區(qū)寒武系埋藏較深，溫度可達(dá)234 ℃，而巴楚地區(qū)埋藏相對(duì)較淺，最高溫度僅為144 ℃。壓力近似為各溫度值對(duì)應(yīng)埋深的地層靜水壓力（略有調(diào)整）。4個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)溫度、壓力值見(jiàn)表2，其中殘余砂屑細(xì)晶白云巖的溫壓變化過(guò)程是從高溫高壓到低溫低壓，模擬地層抬升的過(guò)程，其余樣品均從低溫低壓到高溫高壓。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程及設(shè)備

表1 寒武系不同碳酸鹽巖樣品孔隙度、滲透率及X衍射分析礦物含量數(shù)據(jù)

圖3 塔北地區(qū)寒武系埋藏?zé)嵫莼罚ㄒ运?井為例）

圖4 巴楚地區(qū)寒武系埋藏?zé)嵫莼罚ㄒ园吞?井為例）

表2 不同碳酸鹽巖樣品的實(shí)驗(yàn)溫度和壓力

對(duì)樣品進(jìn)行洗油、烘干并磨制鑄體薄片，進(jìn)行鏡下觀察。對(duì)樣品進(jìn)行X衍射分析其礦物含量特征，實(shí)驗(yàn)儀器為X’pert Pro型X射線衍射儀，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，濕度為 38%；然后測(cè)定樣品孔滲數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)儀器為FYKS-3型覆壓孔滲聯(lián)合測(cè)定儀，測(cè)試溫度為25 ℃，濕度為40%；對(duì)樣品進(jìn)行CT掃描，分析其孔隙結(jié)構(gòu)特征，實(shí)驗(yàn)儀器為Vltomelx S工業(yè)CT，實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃，濕度為38%。完成上述測(cè)試后開(kāi)始溶蝕實(shí)驗(yàn)：將巖心柱樣裝入夾持器，通入預(yù)先配置好的酸性流體，待流體勻速通過(guò)巖心柱樣后（流速恒定為1 mL/min），按設(shè)計(jì)逐步設(shè)定溫度、壓力值，待其達(dá)到設(shè)定值后開(kāi)始計(jì)時(shí)，每個(gè)溫壓點(diǎn)溶蝕45 min，然后收集5 min的溶蝕流體，測(cè)定溶蝕流體中 Ca2+、Mg2+濃度。所用設(shè)備為中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的高溫高壓動(dòng)力學(xué)模擬裝置，流體離子濃度測(cè)定設(shè)備為L(zhǎng)eeman Prodigy全譜直讀光譜儀（4015）和Thrmo X SeriesⅡ電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用儀（SN01426C），測(cè)試溫度為25 ℃、濕度為47%。樣品溶蝕后，再磨制鑄體薄片對(duì)其進(jìn)行薄片鑒定、孔滲測(cè)定和CT掃描，對(duì)比分析其溶蝕前、后儲(chǔ)集層特征變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同溫度、壓力條件下碳酸鹽巖溶蝕規(guī)律

以溶液中鈣鎂離子總量代表樣品溶蝕量、鈣鎂離子摩爾比表示溶解礦物類型來(lái)分析不同溫度、壓力條件下碳酸鹽巖溶蝕規(guī)律。圖5a中星火2井、于奇6井2個(gè)白云巖樣品分別為孔隙-裂縫型的含硅細(xì)晶白云巖和裂縫型的中晶白云巖，溶蝕流體分別為乙酸溶液和二氧化碳溶液。二者溶蝕量表現(xiàn)出隨溫度和壓力的增加，呈先增加后減少的趨勢(shì)，存在一個(gè)最佳溶蝕溫壓區(qū)間。圖5b中瑪北1井白云質(zhì)灰?guī)r樣品同樣表現(xiàn)出隨溫度、壓力的升高，溶蝕量呈先增加后減小的趨勢(shì)；在高溫高壓階段，雖然流體溶出鈣鎂離子摩爾比接近白云石中的鈣鎂離子摩爾比，即表明受溶蝕的礦物變成以白云石為主，且受到了裂縫形成（見(jiàn)圖6a—圖6d）的影響，但溫度和壓力的變化仍是溶蝕量減小的重要原因。巴探 5井殘余砂屑細(xì)晶白云巖模擬地層抬升過(guò)程中的溶蝕，即從深埋時(shí)的高溫高壓條件到淺埋時(shí)的低溫低壓條件，溶蝕量隨著溫壓的降低，同樣存在先增加后減少的趨勢(shì)，且溶出鈣鎂離子摩爾比接近白云石中的鈣鎂離子摩爾比，說(shuō)明隨著地層的抬升，白云巖的溶蝕量同樣有一個(gè)先增加后減少的趨勢(shì)。上述溶蝕特征雖然是基于巖心柱樣為溶蝕樣品而得出的，由于巖石的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溶蝕作用的進(jìn)行而發(fā)生變化，導(dǎo)致水巖有效接觸面積的變化，進(jìn)而影響巖石溶蝕率，目前尚無(wú)定量手段確定其影響程度。但是蔣小瓊等以碳酸鹽巖碎樣為溶蝕對(duì)象、以二氧化碳和乙酸溶液為溶蝕流體對(duì)不同類型碳酸鹽巖進(jìn)行了溶蝕模擬實(shí)驗(yàn)[9]，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中巖石孔隙結(jié)構(gòu)的變化較小，可忽略不計(jì)，卻獲得了與本文實(shí)驗(yàn)相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。另外，楊云坤等對(duì)碳酸鹽巖溶蝕作用進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明，在酸性氣體含量較高的水巖反應(yīng)體系中，碳酸鹽礦物的溶蝕量同樣呈先增加后減少的趨勢(shì)[7]，與本模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

圖5 碳酸鹽巖樣品溶蝕釋放的（Ca2++Mg2+）總量及Ca2+/Mg2+值與溫度、壓力的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同類型碳酸鹽巖在不同酸性流體侵入過(guò)程中都具有一個(gè)最佳溶蝕溫度、壓力區(qū)間。由于巖石類型的差異，區(qū)間具有一定差別，溫度分布在70～100 ℃，壓力為25～40 MPa，僅針對(duì)溫度、壓力來(lái)說(shuō)，根據(jù)塔里木盆地地溫梯度計(jì)算得出有利溶蝕深度范圍大致為2 250～3 750 m。

地層流體環(huán)境分為開(kāi)放環(huán)境、間歇性開(kāi)放環(huán)境和封閉環(huán)境 3類，其中封閉條件下地層與外界僅存在能量的交換[25]，因此不可能發(fā)生溶蝕作用而形成規(guī)模性儲(chǔ)集空間[26]。所以碳酸鹽巖儲(chǔ)集層中規(guī)模發(fā)育的次生溶蝕孔洞主要形成于開(kāi)放環(huán)境和間歇性開(kāi)放環(huán)境。溶蝕流體主要有同生期、準(zhǔn)同生期和表生期大氣淡水，埋藏條件下與有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)的酸性流體及深部熱液。流體運(yùn)移的過(guò)程中，離源區(qū)近的區(qū)域，流體未飽和發(fā)生溶蝕作用；遠(yuǎn)離源區(qū)的區(qū)域，溶蝕作用使流體逐漸飽和，傾向于沉淀。因此，在某一酸性流體侵入事件中，近端以溶蝕作用為主，可看成開(kāi)放環(huán)境，而遠(yuǎn)端傾向于沉淀?；谏鲜龇治?，認(rèn)為本文實(shí)驗(yàn)正是模擬了溶蝕孔隙規(guī)模發(fā)育的開(kāi)放環(huán)境，較真實(shí)地反映了實(shí)際地層溶蝕作用的發(fā)育規(guī)律。

2.2 不同孔隙結(jié)構(gòu)及儲(chǔ)集空間類型碳酸鹽巖溶蝕規(guī)律

對(duì)于殘余砂屑細(xì)晶白云巖，偏光顯微鏡下及 CT掃描圖像上溶蝕特征均表現(xiàn)為溶蝕后小孔擴(kuò)大、合并成大孔甚至溶洞，溶蝕邊緣較為平滑（見(jiàn)圖 2c—圖2d、圖 6e—圖 6h）。相應(yīng)的孔隙和喉道數(shù)量均減少，在體積為 0.216 mm3的三維孔隙重構(gòu)區(qū)域內(nèi)，孔隙數(shù)量由 12 132個(gè)減少到 3 384個(gè)，喉道數(shù)量由 21 860個(gè)減少到 12 255個(gè)；溶蝕前孔隙半徑主要為 19.01～35.72 μm，溶蝕后主要為 22.54～56.61 μm，平均孔隙半徑由21.84 μm增加到40.15 μm；溶蝕前喉道半徑主要為 8.97～22.54 μm，溶蝕后主要為 28.37～56.61 μm，平均喉道半徑由15.22 μm增加到40.22 μm。

圖6 寒武系碳酸鹽巖樣品溶蝕前后CT掃描圖像對(duì)比

對(duì)于含硅細(xì)晶白云巖，偏光顯微鏡下，溶蝕前裂縫與孔隙均有發(fā)育，溶蝕后裂縫明顯被拓寬且縫壁變得平直（見(jiàn)圖2g），溶孔也明顯擴(kuò)大；CT掃描圖像表明裂縫和孔隙均有溶蝕現(xiàn)象發(fā)生，但是裂縫擴(kuò)溶作用更強(qiáng)烈（見(jiàn)圖6i—圖6l）。孔隙結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為孔隙和喉道數(shù)量均增加，在體積為0.216 mm3的三維孔隙重構(gòu)區(qū)域內(nèi)，孔隙數(shù)量由1 489個(gè)增加到3 300個(gè)，喉道數(shù)量由83個(gè)增加到2 542個(gè)；溶蝕前孔隙半徑主要為7.13～14.22 μm，溶蝕后主要為17.90～35.72 μm，平均孔隙半徑由12.69 μm增加到22.37 μm，溶蝕前喉道半徑主要為 7.13～11.29 μm，溶蝕后主要為 14.22～28.37 μm，平均喉道半徑由8.45 μm增加到18.27 μm。

2個(gè)樣品溶蝕前后孔喉參數(shù)的變化特征一致表明溶蝕作用均擴(kuò)大了孔隙和喉道的半徑，對(duì)樣品滲透率的提高具有明顯作用。但是，二者孔喉數(shù)量表現(xiàn)出相反的變化特征，這與樣品溶蝕前的孔喉發(fā)育特征有關(guān)。殘余砂屑細(xì)晶白云巖溶蝕前具有較發(fā)育的孔隙和喉道，溶蝕作用使孔隙和喉道擴(kuò)大、連通直至合并，導(dǎo)致數(shù)量減少。而含硅細(xì)晶白云巖溶蝕前孔隙和喉道相對(duì)不發(fā)育，溶蝕作用雖然擴(kuò)大了孔隙和喉道半徑，但沒(méi)有達(dá)到合并的程度，相同分辨率條件下提取的孔隙和喉道數(shù)量有所增加。

對(duì)比分析巖石樣品溶蝕前后的孔滲數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）可以看出，不同巖性、不同儲(chǔ)集空間類型原巖變化特征差別明顯。對(duì)于孔隙度而言，孔隙型樣品白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕前后孔隙度變化率最大，為174.92%，這與其基質(zhì)中含大量方解石礦物有關(guān)；而裂縫型樣品中晶白云巖溶蝕前后孔隙度變化率最低，僅為10.56%，與其溶解的主要為裂縫中充填方解石有關(guān)（見(jiàn)圖6m—圖6p）；殘余砂屑細(xì)晶白云巖和含硅細(xì)晶白云巖溶蝕前后孔隙度變化率介于上述2種巖性之間，分別為14.86%和22.05%，因殘余砂屑細(xì)晶白云巖樣品溶蝕時(shí)間短，故孔隙度變化率比含硅細(xì)晶白云巖略低。對(duì)于滲透率而言，白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕后變化率同樣最大，為11 999 900.00%，與其溶蝕后期裂縫的形成有一定關(guān)系；而殘余砂屑細(xì)晶白云巖溶蝕前后變化率最低，為251.60%，主要是因?yàn)槠湟曰|(zhì)孔擴(kuò)溶為主；含硅細(xì)晶白云巖和中晶白云巖溶蝕前后變化率介于上述2種巖性之間，分別為51 636.53%和125 702.14%。上述數(shù)據(jù)表明裂縫的存在對(duì)巖石樣品滲透率的改善起決定性作用，含硅細(xì)晶白云巖、中晶白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕后裂縫顯著拓寬，滲透率比殘余砂屑細(xì)晶白云巖分別高出2，3，5個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 巖石樣品溶蝕前后孔隙度、滲透率數(shù)據(jù)對(duì)比表

巖石樣品物性變化特征表明，方解石含量高的過(guò)渡型碳酸鹽巖溶蝕后孔隙度增加最明顯，而裂縫型純白云巖溶蝕后孔隙度變化最?。粷B透率的變化則主要受儲(chǔ)集空間類型控制，裂縫型碳酸鹽巖溶蝕后滲透率增量最大，而以基質(zhì)孔為主的孔隙型碳酸鹽巖溶蝕后滲透率變化最小，若高壓條件下孔隙型碳酸鹽巖有裂縫形成，滲透率同樣會(huì)顯著增大。因?yàn)榱芽p的存在易形成優(yōu)勢(shì)通道，導(dǎo)致溶蝕量減小，但是滲透率顯著增大，而孔隙型碳酸鹽巖中流體則均勻滲流，溶蝕量相對(duì)較高，所以孔隙度滲透率均相應(yīng)增加。

2.3 不同礦物成分碳酸鹽巖溶蝕規(guī)律

對(duì)于白云質(zhì)灰?guī)r樣品，偏光顯微鏡下，溶蝕前自形—半自形粉晶白云石晶體間分布大量泥晶方解石，溶蝕后泥晶方解石明顯減少，晶間溶孔相應(yīng)增加，剩余白云石晶體未見(jiàn)明顯溶蝕痕跡（見(jiàn)圖 2a—圖 2b），說(shuō)明方解石與白云石共存的情況下，方解石優(yōu)先溶解；CT掃描圖像上該樣品溶蝕前整體孔隙不發(fā)育，而溶蝕后孔隙呈層狀分布（見(jiàn)圖 6c—圖 6d），此特征明顯與方解石呈層狀分布有關(guān)。對(duì)于殘余砂屑細(xì)晶白云巖樣品，溶蝕作用沿晶間孔、晶間溶孔均勻發(fā)育，溶蝕后形成均一的基質(zhì)孔隙，這與該樣品為純白云巖及原始孔隙均質(zhì)性較強(qiáng)有關(guān)；另外偏光顯微鏡下該樣品可見(jiàn)少量存在裂紋且與孔隙接觸的硬石膏，然而在溶蝕后沿該裂紋沒(méi)有明顯的溶蝕痕跡（見(jiàn)圖2e）。

從圖5b中鈣、鎂離子溶出量變化曲線看出，在相對(duì)低溫低壓的同一溫壓點(diǎn)下受相同酸性流體溶蝕，白云質(zhì)灰?guī)r的溶蝕量均比殘余砂屑細(xì)晶白云巖溶蝕量大，前者為后者的2.3倍；在高溫高壓階段，2者溶蝕量差別縮小至8.9%。上述變化的原因主要是低溫低壓階段，白云質(zhì)灰?guī)r以溶解方解石為主，如圖 5b中Ca2+/Mg2+變化曲線所示，高溫高壓階段白云石溶解量增加，結(jié)合偏光顯微鏡下特征及CT圖像可知造成這種差異性溶蝕的原因是樣品中方解石呈層狀分布。早期流體呈層狀流動(dòng)，主要溶解方解石層，隨著壓力增大，閉合縫拓寬切穿白云石層，此時(shí)流體主要沿裂縫流動(dòng)，反應(yīng)面積減少，且早期方解石大量溶蝕，此時(shí)以溶解白云石為主。而殘余砂屑細(xì)晶白云巖由于成分單一，白云石含量高達(dá)99.24%，始終以溶解白云石為主。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方解石含量為52.49%的白云質(zhì)灰?guī)r樣品每個(gè)溫壓點(diǎn)的溶蝕量均比不含方解石的殘余砂屑細(xì)晶白云巖大，說(shuō)明從近地表?xiàng)l件到深埋藏條件，方解石的溶蝕能力均比白云石強(qiáng)。且二者共存的情況下，酸性流體將優(yōu)先溶蝕方解石。因此，針對(duì)巖石類型來(lái)說(shuō)，埋藏條件下方解石含量較高的過(guò)渡型碳酸鹽巖有利于溶蝕形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。

發(fā)現(xiàn)殘余砂屑細(xì)晶白云巖樣品中的硬石膏未見(jiàn)明顯溶蝕痕跡，分析其原因可能與乙酸為弱酸、難與硫酸鈣反應(yīng)有關(guān)，且乙酸易與碳酸鈣或碳酸鈣鎂反應(yīng)生成大量鈣離子，由于同離子效應(yīng)[27]使硫酸鈣更難溶于水溶液中。為了驗(yàn)證這一推測(cè)，采用CO2-H2O-CaCO3-CaSO4-NaCl模型[28]計(jì)算了碳酸鈣和硫酸鈣的溶解度，受模型限制，由于二氧化碳溶液和乙酸均為弱酸，本文實(shí)驗(yàn)以二氧化碳溶液近似代替乙酸溶液。圖 7表明在65 ℃、20 MPa、NaCl濃度為0.17 mol/kg的條件下，硫酸鈣溶解度隨著二氧化碳濃度增加而減小，同時(shí)也隨著溶液中碳酸鈣含量的增加而減小；圖 8表明硫酸鈣和碳酸鈣均充足的情況下，早期溶液中不含二氧化碳，硫酸鈣溶解度是碳酸鈣的 816倍，隨著溫壓的升高，溶液中二氧化碳含量逐漸增加，同時(shí)硫酸鈣溶解度逐漸降低，而碳酸鈣溶解度迅速增加且超過(guò)硫酸鈣溶解度，當(dāng)二氧化碳濃度增加到1 mol/kg時(shí)，硫酸鈣溶解度降到一個(gè)極小值，之后隨著溫度、壓力的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)，但始終比碳酸鈣溶解度小。

圖7 硫酸鈣溶解度隨碳酸鈣濃度增加變化特征

圖8 硫酸鈣、碳酸鈣溶解度隨溫壓變化特征

模擬計(jì)算結(jié)果表明，硬石膏在埋藏條件下且流體中弱酸濃度較高時(shí)明顯比碳酸鹽礦物難溶，反而在同生、準(zhǔn)同生期，弱酸濃度較低的情況下更易溶解，這與本次實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果十分吻合，說(shuō)明膏云坪碳酸鹽巖發(fā)育膏模孔的關(guān)鍵時(shí)期應(yīng)為同生、準(zhǔn)同生階段。

綜上所述，認(rèn)為方解石與白云石共存的情況下，方解石優(yōu)先溶解；埋藏條件下硬石膏與碳酸鹽礦物共存的情況下，則碳酸鹽礦物較易溶，硬石膏相對(duì)難溶。

3 寒武系碳酸鹽巖溶蝕作用

控制碳酸鹽巖溶蝕作用的因素非常復(fù)雜，由于實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件的限制，本文實(shí)驗(yàn)只考慮了溫度、壓力、礦物類型、儲(chǔ)集空間類型、孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)溶蝕作用的影響，暫未考慮有效反應(yīng)面積的變化。因此，討論碳酸鹽巖溶蝕量隨溫壓變化的特征時(shí)，未考慮有效反應(yīng)面積變化的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在實(shí)際地層溫壓條件下，方解石始終比白云石易溶，似乎與白云巖地層更易發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層相悖，原因在于白云巖具有相對(duì)較高的硬度，對(duì)孔隙空間的支撐保護(hù)具有重要作用[29]。碳酸鹽巖礦物組分主要為方解石、白云石，且 2者存在溶蝕能力的差異，容易發(fā)生選擇性溶蝕。過(guò)渡型碳酸鹽巖中的方解石與酸性流體接觸，易優(yōu)先溶解形成大量?jī)?chǔ)集空間，此實(shí)驗(yàn)結(jié)論正是塔里木盆地寒武系沙依里克組礫屑灰?guī)r與粉晶白云巖互層中灰?guī)r層發(fā)育水平層狀溶洞的原因（見(jiàn)圖9a）。另外，在礁灘相的同生、準(zhǔn)同生期，白云石化程度相對(duì)低，原生孔隙發(fā)育，間歇性暴露受大氣淡水淋濾，易形成大量溶蝕孔洞，這與優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖儲(chǔ)集層主要分布于礁灘相一致。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖中硬石膏在埋藏條件下相對(duì)碳酸鹽礦物更難溶解，理論計(jì)算表明在酸性流體濃度、鈣離子濃度較低的情況下硬石膏易溶解，因此推測(cè)碳酸鹽巖中膏?？仔纬傻年P(guān)鍵時(shí)期應(yīng)為同生、準(zhǔn)同生階段，主要發(fā)育于膏云坪沉積。

圖9 塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖溶蝕作用特征

上述結(jié)論與前人研究認(rèn)為的白云巖儲(chǔ)集空間主要受沉積相及同生期巖溶作用控制，埋藏溶蝕作用只起到了改造或者優(yōu)化儲(chǔ)集空間的作用結(jié)論相符。

雖然碳酸鹽巖溶蝕作用存在一個(gè)最佳溫度、壓力區(qū)間，對(duì)應(yīng)塔里木盆地寒武系2 250～3 750 m埋深段，但溶蝕作用除受溫度和壓力的影響外，巖石礦物成分、儲(chǔ)集空間特征、酸性流體等都具有重要作用，達(dá)到最佳溶蝕溫壓條件溶蝕孔隙卻不一定最發(fā)育，相反同生、準(zhǔn)同生期儲(chǔ)集層具相對(duì)易溶的方解石、膏質(zhì)，且處于開(kāi)放環(huán)境，為溶蝕孔隙形成最佳階段。埋藏條件下以孔隙的保存為主，但當(dāng)埋深達(dá)到一定深度后，如果具有酸性流體侵入，將是儲(chǔ)集空間的最佳改造時(shí)期。對(duì)于塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖而言，埋深達(dá)到最佳溶蝕深度段的時(shí)期正好與寒武系烴源巖有機(jī)質(zhì)熱成熟生烴期一致[30]，大量有機(jī)酸的生成匹配最佳的溶蝕溫壓條件，有利于埋藏溶蝕作用的發(fā)育，表現(xiàn)為埋藏條件下形成大量非選擇性溶孔，且孔隙邊緣殘余瀝青（見(jiàn)圖 9b）。

儲(chǔ)集空間類型是控制碳酸鹽巖溶蝕作用效果的重要因素，裂縫的存在控制著酸性流體流動(dòng)方向，進(jìn)而使溶蝕作用沿著裂縫邊緣發(fā)育。塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖裂縫發(fā)育，多形成溶蝕縫-洞組合（見(jiàn)圖 9c），此類儲(chǔ)集空間的形成主要與埋藏條件下有機(jī)酸性流體及熱液流體沿構(gòu)造破裂形成的裂縫通道侵入有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與儲(chǔ)集層溶蝕孔洞特征綜合分析，認(rèn)為塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖最重要的孔隙形成時(shí)期為同生、準(zhǔn)同生期。該時(shí)期碳酸鹽沉積物壓實(shí)、膠結(jié)作用弱，原生孔隙發(fā)育，且方解石含量高，受大氣淡水溶蝕可以形成大量溶蝕孔洞（包括膏?？祝M管后期受壓實(shí)、膠結(jié)作用破壞，但其殘余孔隙仍為埋藏酸性流體提供了重要的滲流通道；寒武系碳酸鹽巖儲(chǔ)集層埋深達(dá)2 250～3 750 m深度段時(shí)，在裂縫的溝通下，與有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)的酸性流體、熱液流體等多種酸性流體進(jìn)行疊加改造最終形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。

4 結(jié)論

實(shí)際地層條件下，方解石比白云石易溶，即方解石含量高的碳酸鹽巖地層，方解石易優(yōu)先溶解形成次生孔洞。碳酸鹽巖地層中的石膏、硬石膏由于同離子效應(yīng)，在埋藏條件下的酸性流體中不易溶解，石膏、硬石膏的溶蝕主要發(fā)生在同生、準(zhǔn)同生期酸性流體含量較低的情況下。

隨著溫壓的增加，酸性流體對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕能力先增強(qiáng)后減弱，熱力學(xué)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致表明，存在最佳溶蝕溫壓范圍，溫度為70～100 ℃，壓力為25～40 MPa，對(duì)應(yīng)塔里木盆地寒武系2 250～3 750 m埋深，此階段正好與寒武系烴源巖有機(jī)質(zhì)生烴期一致，有機(jī)酸與合適的溫壓條件疊加有利于埋藏溶蝕作用的發(fā)育。

原巖儲(chǔ)集空間類型及孔隙結(jié)構(gòu)控制流體滲流特征，影響溶蝕作用結(jié)果?？紫缎蛶r石流體均勻地在連通孔隙中流動(dòng)，以孔隙的擴(kuò)溶為主，孔隙度和滲透率均有增加；裂縫型或高壓下形成裂縫的孔隙型巖石中流體則主要沿裂縫流動(dòng)和擴(kuò)溶，裂縫的形成易導(dǎo)致溶蝕量減少?gòu)亩箍紫抖仍黾硬幻黠@，但是滲透率會(huì)得到極大的提高?？紫逗秃淼腊l(fā)育的碳酸鹽巖，流體滲流能力強(qiáng)，原巖更易溶蝕，形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集空間。

多種溶蝕特征表明塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖儲(chǔ)集層儲(chǔ)集空間形成的最重要時(shí)期為同生、準(zhǔn)同生期，該時(shí)期碳酸鹽沉積物壓實(shí)、膠結(jié)作用弱，原生孔隙發(fā)育，方解石含量相對(duì)較高，受大氣淡水溶蝕可以形成大量溶蝕孔洞。在埋藏深度達(dá)到2 250～3 750 m時(shí)，受與有機(jī)質(zhì)熱演化有關(guān)的酸性流體、深部熱流體等多種酸性流體疊加改造，形成現(xiàn)今優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集層。

致謝：感謝中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院斯春松高級(jí)工程師、碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室沈安江教授在實(shí)驗(yàn)條件上提供的大量幫助和支持，感謝佘敏、蒙紹興等專家在實(shí)驗(yàn)方法及操作上給予的幫助和指導(dǎo)。