碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展_梁金同.pdf

地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 2期2 0 2 3 年 2 月Vol.48 No.2Feb.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2023.031碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展梁金同1，2，3，4，文华国1，2，3，4*，李笑天2，乔占峰5，6，佘敏5，6，钟怡江1，2，3，4，张浩21.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 6100592.成都理工大学沉积地质研究院，四川成都 6100593.中石油集团碳酸盐岩储层重点实验室成都理工大学分室，四川成都 6100594.自然资源部深时地理环境重建与应用重点实验室，四川成都 6100595.中国石油杭州地质研究院，浙江杭州 3100236.中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室，浙江杭州 310023摘要：深层超深层碳酸盐岩是当前全球油气勘探的焦点，也是未来我国有望实现油气商业发现的热点领域.对于深埋藏环境下优质碳酸盐岩储层形成而言，目前研究普遍强调了早期表生溶蚀作用和晚期埋藏溶蚀改造作用的重要性.作为表征储层溶蚀作用机理的有效手段，水岩溶蚀模拟实验能够再现实际地质条件下碳酸盐岩和地层流体之间的相互作用过程，为碳酸盐岩储层溶蚀改造研究提供了新视角.为此，系统回顾了近年来碳酸盐岩溶蚀模拟实验的研究进展，并尝试从实验模拟的角度讨论溶蚀作用对深层超深层碳酸盐岩成储过程的控制作用.首先回顾了碳酸盐岩储层的溶蚀改造作用，同时总结了碳酸盐岩水岩溶蚀模拟实验的技术与方法，其次梳理了基于溶蚀模拟实验取得的碳酸盐岩储层溶蚀改造规律与认识，最后展望了现有研究对深层超深层油气勘探以及碳封存与再利用中的应用前景.不难看出，开展碳酸盐岩溶蚀模拟实验有望为寻找埋藏成岩过程中的次生孔隙发育带、阐释规模性溶蚀作用发生的有利条件提供依据，同时也可为未来碳酸盐岩成储机制和实验模拟研究提供一定的借鉴意义.关键词：深层-超深层碳酸盐岩；储层改造；埋藏成岩作用；溶蚀模拟实验；溶蚀增孔效应；石油地质.中图分类号：P618.13 文章编号：1000-2383(2023)02-814-21 收稿日期：2023-01-13Research Progress of Burial Dissolution and Modification of Carbonate Reservoirs and FluidRock Simulation ExperimentsLiang Jintong1，2，3，4，Wen Huaguo1，2，3，4*，Li Xiaotian2，Qiao Zhanfeng5，6，She Min5，6，Zhong Yijiang1，2，3，4，Zhang Hao21.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu 610059，China2.Institute of Sedimentary Geology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China3.Key Laboratory of Carbonate Reservoir，CNPC，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China4.Key Laboratory of DeepTime Geography and Environment Reconstruction and Applications，Ministry of Natural Resources，Chengdu 610059，China5.Hangzhou Research Institute of Geology，PetroChina，Hangzhou 310023，China基金项目：国家自然科学基金项目（No.42202191）；中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目（No.2021DJ0503）；四川省青年科技创新研究团队项目“天然气成藏物质基础”（No.22CXTD0064）.作者简介：梁金同（1990-），男，博士，研究员，主要从事沉积储层与石油地质领域科研和教学工作.ORCID：000000023787177X.Email：*通讯作者：文华国，ORCID:0000000251401045.Email:引用格式：梁金同，文华国，李笑天，乔占峰，佘敏，钟怡江，张浩，2023.碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展.地球科学，48（2）：814-834.Citation：Liang Jintong，Wen Huaguo，Li Xiaotian，Qiao Zhanfeng，She Min，Zhong Yijiang，Zhang Hao，2023.Research Progress of Burial Dissolution and Modification of Carbonate Reservoirs and FluidRock Simulation Experiments.Earth Science，48（2）：814-834.第 2 期梁金同等：碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展6.Key Laboratory of Carbonate Reservoirs，CNPC，Hangzhou 310023，ChinaAbstract:Deep to ultradeep carbonate reservoirs have always been the focus of global oil and gas exploration at present,which are also the future fields of commercial hydrocarbon discovery in China.The importance of early epigenetic dissolution and/or late burial dissolution modification has been generally emphasized for the formation of highquality carbonate reservoirs in deep burial environments.As an effective way to characterize the mechanism of reservoir dissolution,the fluidrock dissolution simulation experiment can reproduce the interaction process between carbonate rocks and diagenetic fluids under actual geological conditions,thus providing a new perspective for determining the dissolution and modification of carbonate reservoirs.In this paper,the research progress of carbonate dissolution simulation experiments in recent years is systematically reviewed.In addition,the controlling factors of dissolution on the formation of deep to ultra deep carbonate rocks are discussed from the perspective of experimental simulation.Firstly,the dissolution and modification of carbonate reservoirs are reviewed,and the techniques and methods of carbonate fluid rock dissolution simulation experiments are summarized.Secondly,the law and understanding of carbonate reservoir dissolution and modification based on simulation experiments are sorted out.Finally,the application prospect of current research on deep to ultradeep hydrocarbon exploration and carbon sequestration and recycling is prospected.Generally,the simulation experiment of carbonate dissolution is expected to provide a basis for discovering the secondary pore development zones during burial diagenesis and clarifying the favorable conditions for the occurrence of largescale dissolution.Furthermore,this work can provide certain reference significance for future research on the formation mechanism and experimental simulation of carbonate reservoirs.Key words:deep to ultra deep carbonates;reservoir modification;burial diagenesis;dissolution simulation experiments;dissolution and porous effect;petroleum geology.0 引言 20 世纪 90 年代以来，我国深层（埋深4 500 m）和超深层（6 000 m）碳酸盐岩油气勘探陆续取得重大突破，目前已成为世界超深层油气勘探开发最活跃的领域（赵文智等，2012；沈安江等，2015a；何治亮等，2021；马永生等，2022）.其中，我国古老碳酸盐岩层系中，深层-超深层白云岩展现出了巨大的油气勘探潜力，如四川普光、塔里木塔河、鄂尔多斯靖边等大型油气田的发现均与深埋白云岩有关.因此不难看出，深层-超深层白云岩储层是未来有望实现油气商业发现的热点领域（陈代钊和钱一雄，2017；乔占峰等，2021）.目前，学界关于深层-超深层白云岩储层的研究主要集中在 3 个方面，即深层-超深层白云岩成因、深层-超深层白云岩成储作用机理和深层-超深层优质白云岩储集体发育模式，其中后两者近年来越发受到重视，原因在于厘清深部碳酸盐岩成储机理与模式是实现深部油气勘探突破与创新的关键所在.事实上，对于沉积岩储层而言，无论是碳酸盐岩储层还是碎屑岩储层，溶蚀作用在其成储过程中都具有重要意义（Pokrovsky et al.，2005；朱光有等，2006；金 振 奎 和 余 宽 宏，2011；Bjrlykke and Jahren，2012；陈 启 林 和 黄 成 刚，2018；鄢 伟 等，2022）.对于深层-超深层碳酸盐岩的埋藏成储作用而言，能否形成有效储层很大程度上取决于孔隙的保存情况，而这往往受到埋藏成岩过程中多种复杂地质作用的共同控制.虽然目前学界关于“埋藏溶蚀作用能否形成有效储集空间”这一问题仍然存在争议，但近年来我国海相碳酸盐岩盆地深部层系（特别是白云岩层系）中陆续取得重大油气勘探突破，似乎否定了碳酸盐岩储层孔隙“消亡带”或“死亡线”的存在.为了探究深层-超深层碳酸盐岩储层的发育规律和控制因素，近年来众多学者针对深部储层发育的物质基础、储层孔隙的发育环境和储层孔隙调整和保存的环境等问题开展了大量研究，形成了一系列的深层优质碳酸盐岩储集体成因机理与模式（沈安江等，2015b；何治亮等，2021）.值得注意的是，这些模式都强调了深埋藏环境下溶蚀作用对优质碳酸盐岩储层形成的贡献，且也逐渐被碳酸盐岩溶蚀模拟实验所证实.因此，寻找埋藏成岩过程中的次生孔隙发育带、明确规模性溶蚀作用发生的有利条件，逐渐成为了当前深层-超深层碳酸盐岩储层研究的热点领域.作为探索和预测碳酸盐岩储集性能的有效手段，水岩溶蚀模拟实验已在国内外研究中的到了广泛应用，其优势在于可以通过正演模拟的方式逼近真实地质背景下的温度和压力条件，再现碳酸盐岩815第 48 卷地球科学 http:/和流体之间的相互作用过程，从而为研究碳酸盐岩储集性能和预测有利储层发育区带提供依据（丁茜等，2020；佘敏等，2020）.自上世纪 80年代以来，随着深部碳酸盐岩层系中油气发现，溶蚀模拟实验的研究重点也由（近）地表环境下的表生溶蚀作用逐渐向埋藏环境中高温高压环境下的溶蚀作用过渡，在温度、压力、岩石成分对碳酸盐岩溶蚀的控制作用及其溶蚀改造效应研究方面取得了系列认识（Taylor et al.，2006；Chou et al.，2008；范 明 等，2007，2009；黄康俊等，2011；Bjrlykke and Jahren，2012；佘敏等，2013；刘诗琦等，2021）.因此，本文系统回顾了近年来碳酸盐岩溶蚀模拟实验的研究进展，并尝试从实验模拟的角度讨论溶蚀作用对深层-超深层碳酸盐岩成储过程的控制作用，同时梳理了若干以往研究中取得的规律性认识以及重要观点，对于未来碳酸盐岩成储机制研究和实验模拟提供借鉴，为进一步完善深埋藏碳酸盐岩成储理论提供支撑.1 碳酸盐储层的溶蚀改造作用 现有研究认为，酸性流体与碳酸盐岩之间的溶蚀作用是优质碳酸盐岩储层形成的重要控制因素之一（Machel，2004；陈代钊和钱一雄，2017）.对于白云岩储层而言，表生成岩作用阶段和埋藏成岩作用阶段的溶蚀作用均可以形成次生孔隙空间，溶蚀性流体主要包括近地表的大气淡水、埋藏生烃过程中释放的 CO2和有机酸、原油裂解和运移过程中产生（与热化学硫酸盐还原作用-TSR 有关）的 CO2和 H2S，以及深部幔源的热液流体等类型（朱光有等，2006；陈 启 林 和 黄 成 刚，2018；Morad et al.，2018；Valencia and Laya，2020）.当碳酸盐岩发生溶解而远离化学平衡时，反应的动力学过程可简化为如下 3 个平行反应（Plummer et al.，1978；Chou et al.，2008；Pokrovsky et al.，2009）：MeCO3+H+Me2+HCO3-,(1)MeCO3+H2CO3Me2+2HCO3-,(2)MeCO3 Me2+CO32-,(3)1.1（准）同生与表生期溶蚀作用大量实例研究表明，（准）同生期和表生期的大气淡水溶蚀作用都会对白云岩的增孔成储效应产生积极的改善作用，虽然二者对碳酸盐岩的溶蚀改造机制不尽相同，但仍有规律可循（陈启林和黄成刚，2018；石亮星等，2022）.通常来说，构成碳酸盐岩矿物中化学性质不稳定、比表面积较大的成分在（准）同生期会优先被选择性溶蚀，而化学性质稳定、比表面积较小的成分则未被溶蚀而保存下来，一般会在碳酸盐岩储层中形成铸模孔、粒内孔和粒间孔等储集空间类型（Goldstein et al.，2013；冯林杰等，2021）.由于碳酸盐岩矿物在表生期大多已发生新生变形作用，因此溶蚀作用会优先在（微）裂缝处发生（图 1），形成碳酸盐岩喀斯特化现象（谭秀成等，2015；Bagni et al.，2022），方解石和白云石的溶蚀过程可分别表述为如下反应：CaCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-,(4)CaMg(CO3)2+2H2O+2CO2Mg2+Ca2+4HCO3-.(5)1.2埋藏成岩期溶蚀作用关于埋藏溶蚀作用能否形成有效储集空间这图 1四川盆地三叠系飞仙关组鲕滩储层中的铸模孔形成模式图Fig.1Schematic diagram showing formation of moldic pore system in the Triassic Feixianguan oolitic shoal reservoir修改自冯林杰等（2021）816第 2 期梁金同等：碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展一问题，目前学界尚未达成共识，争论核心问题在于埋藏环境下地质流体是否相对钙过饱和，从而影响水岩反应体系的平衡状态和溶蚀反应的正向进行（Lambert et al.，2006；雷 川 等，2014；Simms，2014）.早在 20 世纪 70 年代，便有学者提出碳酸盐岩储层的埋藏过程是一个减孔的过程，并且当埋深超过 3 0003 500 m 时，碳酸盐岩储层在压溶作用和胶结作用控制下会出现一个孔隙“消亡带”或“死亡线”（Peter，1977；James，1984）.也有学者认为埋藏条件下地质流体中的碳酸盐岩矿物会在短期内饱和，如果没有溶蚀性流体的及时补充，碳酸盐岩的溶解作用将会逆向进行从而产生矿物沉淀/孔隙胶结现象，不利于次生孔隙的保存（Bjrlykke et al.，2010；Taylor et al.，2010；Ehrenberg et al.，2012）.但近年来，以我国塔里木、四川和鄂尔多斯盆地为代表的海相碳酸盐岩盆地深部层系（特别是白云岩层系）中陆续取得重大油气勘探突破（图 2）（朱光有等，2006，2020；马永生等，2010a；赵文智等，2012）；碳酸盐岩储层孔隙“消亡带”或“死亡线”的存在逐渐受到质疑，埋藏溶蚀作用对深层-超深层白云岩储层调整改造重要意义也越发得到学界的 认 可（张 静 等，2010；Moore and Wade，2013；Hao et al.，2015；沈安江等，2015a，2015b；何治亮等，2021）.据不完全统计，截至 2010 年，全球已发现目埋深超过 4 500 m 的含油气盆地 200个以上，发现 1477个深层油气藏（贾承造和庞雄奇，2015）；截至 2012年，全球共发现碳酸盐岩油气田 231个，其油气储量（2 450 万亿 t 油当量）约占全球油气田总储量的56%（张宁宁等，2014；熊加贝和何登发等，2022）.其中，深埋藏溶蚀改造下的碳酸盐岩作为潜在的优质储集层和深部碳酸盐岩油气勘探的重点目标之一，近年来持续受到国内外学者的广泛关注.如美国 Gulf Coast 盆地 Smackover 组和沙特阿拉伯二叠系 Khuff组碳酸盐岩储层的形成与深部 TSR作用引发的溶蚀作用有关，并且对于深埋环境下白云岩的溶蚀改造尤为显著（William and Clyde，1992；Jenden et al.，2015）；美国密歇根盆地 Albion Scipio 油田和 Stoney Point 油田 TrentonBlack River 组白云岩储层的形成则与深部断裂沟通的流体活动及溶蚀作用有关，特别是在深部热液流体沿断裂向上运移与相对低温地层水混合带，溶蚀作用尤为强烈（Hurley and Budros.，1990）；类似地，委内瑞拉 Gulf of Venezuela 盆地 Perla组的大型碳酸盐岩储层形成也与深埋溶蚀作用密切相关，这种溶蚀改造作用主要受控于沿断裂体系和不整合面运移的深部富无机 CO2流体（Valencia and Laya，2020）.依据溶蚀作用发生条件的差异，有学者进一步将我国的白云岩储层分为相控准同生溶蚀型、面控表生溶蚀型、断控深埋改造型和深埋生烃溶蚀型 4种主要储层类型（何治亮等，2020）.为了阐明深层优质碳酸盐储集体的成因机理与模式，也有学者相继提出了“三元控储”（马永生等，2010a）和“五因素控储”（何治亮等，2011）等地质模式.但无一例外的是，这些模式都强调了深埋藏环境下溶蚀作用对优质碳酸盐岩储层形成的贡献作用，且逐渐被碳酸盐岩溶蚀模拟实验所证实.2 碳酸盐岩水岩溶蚀模拟实验技术与方法 碳酸盐岩储层的形成往往是多类型、多期次地质过程叠加作用的产物，依靠常规的地质观察和已有地质模式的指导来研究成岩演化过程中溶蚀作用具有一定的局限性，碳酸盐岩溶蚀模拟实验技术的应用与推广为解决这一问题提供了新的视角.碳酸盐岩溶蚀模拟实验是揭示地层流体与碳酸盐岩体系之间相互作用规律的有效手段，其优势在于可以通过正演模拟的方式逼近真实地质背景下的温度和压力条件，再现碳酸盐岩和地层流体之间的相互作用过程，从而为研究碳酸盐岩储集性能和预测有利储层发育区带提供依据（丁茜等，2020；佘敏等，2020）.自 20世纪 70年代至今，国内外学者已经利用溶蚀模拟实验开展了大量研究，在碳酸盐岩储层形成机理方面取得了系列认识（PerlmutterHayman，1984；Pokrovsky et al.，2005；Qajar and Arns，2016；寿建峰等，2016；彭军等，2018；Jora et al.，2021）.除常规的静态浸泡溶蚀，根据溶蚀模拟实验方法和研究内容的不同，近年来常用的方法还可大致分为 4 类（表 1），即旋转岩盘实验、高温高压反应釜实验、金刚石压腔实验和人工包裹体合成实验.817第 48 卷地球科学 http:/图 2不同深度范围碳酸盐岩孔隙度分布特征统计图Fig.2Statistical chart of porosity distribution characteristics of carbonate rocks in different depth ranges 修改自马永生等（2019）818第 2 期梁金同等：碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展表 1不同水岩溶蚀模拟实验技术与方法对比Table 1Comparison of experimental techniques and methods of different water rock dissolution simulations研究方法旋转岩盘高温高压釜金刚石压腔人工合成包裹体模拟条件温度：0200 压力：050 MPa温度：0600 压力：0120 MPa温度：0600 压力：0120 MPa温度：0200压力：00.06 MPa主要研究内容(1)溶蚀反应速率(2)宏/微观岩石表面形貌演化(3)水岩反应体系成分变化(1)溶蚀反应速率(2)岩石饱和溶蚀量(3)宏/微观岩石微观形貌演化(4)水岩反应组分原位分析(5)渗透率在线检测(1)微观溶蚀反应能力(2)微观矿物溶蚀沉淀行为(3)水岩反应组分原位分析(1)微观溶蚀反应能力(2)微观矿物溶蚀沉淀行为(3)水岩反应组分原位分析样品要求柱塞样(直径 3.8 cm，长度2.0 cm)柱塞样(直径 2.5 cm，长度3.8 cm)；颗粒样(粒径0.85 mm)颗粒样(150目，100 m)颗粒样(粒径0.3 mm)方法评述优势：操作步骤简单，实验流程便捷易行局限：反应体系封闭，适用条件受限优势：可实时检测柱塞样渗透率变化局限：无法开展致密岩性的内部溶蚀改造实验优势：可开展微观矿物尺度研究，与配套方法结合可实现反应过程原位观测局限：样品制备与实验流程复杂优势：可与配套方法结合实现反应过程原位观测，开展矿物与富硅流体水岩反应时无需额外引入 SiO2局限：熔融硅管胶囊制备复杂反应前后的溶蚀效果对比(a)(b)反应前反应后0.75 cm0.75 cm(a)(b)反应前反应后0.55 cm0.55 cm 50m50m(a)20,174 MPa(b)140,305 MPaDQD参考文献范明等(2009)；黄康俊等(2011)；Yoo et al.(2018）寿建峰等(2016)；彭军等(2018)；佘敏等(2020)杨云坤等(2014)；张单明等(2015)；刘诗琦等(2021)Chou et al.(2008)；王小林等(2017)注：*表 1所列不同类型实验适用的模拟温压条件来自本文引用的文献中的实际实验条件（统计时间截至 2022年 8月），并不代表该方法所能达到的极限温压条件.819第 48 卷地球科学 http:/2.1旋转岩盘实验旋转岩盘法是较早被用来模拟流体与碳酸盐岩反应的一种实验方式，实验选用的样品主要为岩石柱塞样，利用流体不断冲刷样品和浸泡的方式模拟地质条件下的溶蚀反应（图 3a）.旋转岩盘法多用于开展化学动力学方面的研究，即通过对比不同实验条件（温度、压力和流速等）下碳酸盐岩矿物的溶解速率，探讨不同类型碳酸盐岩矿物的表面溶蚀作用 机 制（Pokrovsky et al.，2005；Taylor et al.，2006；黄康俊等，2011）.旋转岩盘实验的优势在于实验操作简便易行，但是该实验多在封闭条件下开展，实验结果与真实流动（开放、半开放）地质条件下的水岩反应仍有差异，因此在地质条件适用性方面相对有限.事实上，碳酸盐岩溶蚀作用的强度不仅受“溶蚀速率”的影响.在地质历史时期，碳酸盐岩与地层流体之间的反应可近似视为已经达到动态平衡，此时溶蚀作用的强度主要受“溶蚀能力”或“溶解度”的控制，二者之间的作用关系属于化学热力 学 的 研 究 范 畴（Luquot and Gouze，2009；Bjrlykke and Jahren，2012；杨云坤等，2014；佘敏等，2020）.因此，近年来国内学者倾向于采用其他替代手段开展化学热力学领域的实验研究.2.2高温高压反应釜实验与早期的旋转岩盘实验相比，高温高压釜采用动态压力平衡的方式驱使流体流过岩样，其优势在于反应界面处的流体成分始终与配制流体一致，不受体系生成产物的影响，并且流体经过岩样的流速和反应体系的温度和压力更加精准可控（图 3b）.该实验技术的另一优势是，可以实现柱塞岩样的渗透率在线检测和高温高压条件下流体的原位分析等功能（佘敏等，2014，2020；乔占峰等，2021；沈安江等，2021）.此外，该技术还可与 CT 扫描技术结合对岩石的孔隙结构进行三维表征，多维度、立体化的系统评价碳酸盐岩溶蚀反应的强度和效果；但是对于孔渗物性较差的样品而言，水岩反应进程较慢，内部柱塞流的溶蚀实验效果并不理想.换言之，高温高压反应釜实验方法对初始孔渗物性较好的岩样模拟具有较好的适用性.综上，高温高压反应釜实验法不仅可以用来探讨碳酸盐岩溶蚀过程中化学成分和矿物表面微形貌等微观特征的变化，还可以从宏观角度研究岩样的物性变化演化规律.2.3金刚石压腔原位溶蚀实验为了开展单矿物尺度的水岩反应模拟实验，有学者将改进的高温高压水热金刚石压腔装置与激光拉曼光谱测试设备联用（图 3c），该方法的优点在于反应体系成分变化可以实时原位监测（杨云坤等，2014；张单明等，2015）.由于该实验对象为单矿物，因此对样品的挑选制备以及实验的原位观测要求较高，这同时也是金刚石压腔实验的局限所在，即无法表征溶蚀作用岩石宏观特征的改造效果.有学者采用向封闭的金刚石压腔体系中引入乙酸酐并缓慢水解生成乙酸的方法，详细讨论了碳酸盐岩矿物与地层流体之间的溶蚀-沉淀平衡过程，实现了反应体系从“封闭体系-（半）开放体系-封闭体系”的复杂转化（杨云坤等，2014；张单明等，2015；刘诗琦等，2021）.2.4人工包裹体合成实验熔融毛细硅管合成包裹体技术是实现碳酸盐岩水岩反应过程原位观察的另一手段，利用熔融毛细硅管胶囊作为反应容器，抽真空和焊封后可与常规淬火分析、拉曼光谱分析和微区 X 衍射分析结合开展水岩反应研究（图 3d）.该技术的优点在于反应腔体透明，便于开展配套光学测试分析；并且由于熔融毛细硅管的成分为 SiO2，在开展矿物与富硅流体 水 岩 反 应 时 无 需 额 外 引 入 SiO2（Chou et al.，2008；王小林等，2017）.与金刚石压腔原位溶蚀实验相同，熔融毛细硅管合成包裹体主要适用于微观矿物微米尺度研究，无法开展岩样大尺度宏观特征的对比研究.此外，该实验的反应腔为熔融毛细硅管胶囊，截面内径和外径分别为 0.50 mm 和 0.65 mm，精密的实验材料对于样品制备提出了更高的要求.3 基于溶蚀模拟实验的碳酸盐岩储层溶蚀改造规律 虽然目前学界关于碳酸盐岩的埋藏溶蚀作用能否形成规模性有效储集空间仍存争议，但不可否认的是，寻找碳酸盐岩埋藏溶蚀作用的优势发育区带，仍然是我国当前深层-超深层碳酸盐岩油气勘探和储层形成机理研究的焦点之一.因此，笔者在调研国内外文献资料的基础上，系统回顾和总结了高温高压环境下的碳酸盐岩溶蚀模拟实验所取得的主要成果和规律认识，旨在为深部碳酸盐岩溶蚀成储作用机理研究提供借鉴意义.3.1“溶蚀窗”概念的提出和再认识实际地层条件下，参与水-岩反应的地质流相820第 2 期梁金同等：碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展对于广泛分布的碳酸盐岩是有限的，因此正确评估溶蚀反应的规模和有效性是寻找潜在储层的基本前提.范明等（2011）通过对比灰岩、白云岩和含泥质白云岩与饱和 CO2溶液在开放条件下的溶蚀模拟实验结果发现，碳酸盐岩样品在 305165、348 MPa条件下的溶蚀率变化曲线近似呈箱型，存在特定的深度范围可以使碳酸盐岩的溶蚀能力保持在较高的水平.这一规律在 He et al.（2017）开展的多种灰岩和白云岩与饱和 CO2溶液在 25200、170 MPa 条件下的开放和半开放溶蚀实验中得到了验证（图 4a）.这个深度或对应的温度范围被定义为“溶蚀窗”（范明等，2011），这一概念的提出对于碳酸盐岩的溶蚀作用及其与储层的形成的重要意义在于，明确指出了碳酸盐岩在深埋（特定的高温高压）条件下比中-浅埋藏（低温低压）条件下更容易发生溶蚀作用（He et al.，2017）.然而，也有学者对“溶 蚀 窗”这 一 概 念 持 不 同 观 点（佘 敏 等，2013，2020；杨云坤等，2014），认为“溶蚀窗”的存在只能说明不同地质条件下碳酸盐岩的溶蚀速率存在差异，并不能完全代表溶蚀能力.事实上，碳酸盐岩溶蚀作用的强度实际上与热力学平衡状态下的“溶解度”有关，因此在讨论给定流体和温压条件下碳酸盐岩的溶蚀程度时，需要同时考虑平衡条件下的“饱和溶蚀量”.杨云坤等（2013，2014）和张单明等（2015）利用金刚石压腔分别对白云石和方解石在CO2流体与H2S流体作用下的原位溶蚀过程进行对比发现，在封闭-半封闭的埋藏环境下，随着地层温度（室温260/230）和压力的升高，二者并未出现明显的溶蚀现象.当温度效应大于压力效应时，矿物颗粒的边缘位置反而会出现沉淀现象，说明在封闭半封闭的埋藏过程中碳酸盐岩不存在大范围的“溶蚀窗”.也有学者（佘敏等，2013，2020；沈安江等，2015a，2015b，2021）利用高温高压反应釜开展柱塞流内部溶蚀模拟实验发现“溶蚀窗”并未出现，取而代之的是事件性的埋藏溶蚀“成孔高峰”.如佘敏等（2020）在开展灰质白云岩与不同浓度乙酸（4 g/L、6 g/L、8 g/L）在恒压（10 MPa）、变温（50160）条件下的流动溶蚀模拟实验发现，当反应体系近似达到热力学平衡状态时，碳酸盐岩与酸性流体的溶蚀反应强度（溶解度）随温度增加整体呈减弱趋势，虽然在一定深度图 3典型碳酸盐岩水岩溶蚀模拟实验装置原理示意图Fig.3Typical schematic diagrams of carbonate water and rock dissolution simulation experimentaa.旋转盘水岩溶蚀反应装置与原理图（修改自黄康俊等，2011）；b.高温高压水岩反应实验装置示意图（修改自佘敏等，2014）；c.水热金刚石压腔实验装置示意图（修改自张单明等，2015）；d.熔融毛细硅管胶囊实验装置示意图（修改自王小林等，2017）821第 48 卷地球科学 http:/范围内存在饱和溶蚀量的短暂回升，但并未出现上述“溶蚀窗”具备的箱型曲线形态（图 4b）.通过对比上述溶蚀模拟的实验结果可以看出，笔者认为导致“溶蚀窗”（或可与之对比的溶蚀量局部回升）现象存在不同认识的主要原因可能来自两方面.首先，流体冲刷岩石样品的流速不同，所反映的水岩反应作用的化学动力学规律也不同.在以化学动力学研究为目的实验中，温度升高必然会导致溶 解 速 率 常 数 和 扩 散 系 数 均 增 加（Taylor et al.，2006；Brantley and Conrad，2008）；而在以化学热力学研究为目的的实验中，温度升高会导碳酸盐岩溶解度降低，从而导致饱和溶蚀量的下降（PerlmutterHayman，1984；寿建峰等，2016；佘敏等，2020）.其次，水岩反应体系的开放与否不同，得出的实验结果所适用的实际地质条件也存在差异.事实上，在实际的地层埋藏环境下，绝对的封闭体系并不常见，取而代之的是开放体系与封闭体系的交替出现，最终表现为孔隙的贫化和富集现象（沈安江等，2015a，2015b）.换言之，在实际地质条件下，碳酸盐岩与地层流体之间的相互作用包涵了“溶蚀增孔”和“胶结减孔”两种效应，这一过程往往伴随着孔隙的建造与破坏作用的同时发生.因此，在开展溶蚀模拟实验研究时，利用高温高压反应釜开展柱塞样溶蚀实验可以获取更多的地质信息，同时结合其他地质因素对上述规律进行综合评估，有望为油气储层预测与勘探生产提供有益指导.3.2离子效应与碳酸盐岩的溶解-沉淀平衡实际地质条件下，地层水中常含有复杂的阳离子（Na+、K+、Mg2+和 Ca2+等）和阴离子（Cl-、SO42-、HCO3-和 CO32-等），而不同离子之间由于亲和力的强弱存在差异可形成不同类型的化合物，据此可将地层水或地表水分为不同水型.目前普遍采用的是苏林提出的四分法，也有学者（康志勇等，2022）采用六步九分法将水型进一步细分.对于碳酸盐岩的溶蚀作用而言，其本质是矿物晶格上的离子脱离原来位置向流体中转移，造成晶格破坏的过程（Chorover and Brusseau，2008；佘敏等，2013）.因此，在探图 5基于“反应传输模型”的水岩界面反应示意图(修改自 Shabani and Zivar,2020)Fig.5A geochemical transport model based schematic of the brinerock reaction on the interface（modified after Shabani and Zivar,2020）图 4（a）半开放体系中碳酸盐岩的溶蚀质量损失率与温度的关系（数据引自 He et al.,2017）；（b）含不同有机酸浓度的地层水中碳酸盐岩饱和溶蚀量与温度的关系（数据引自佘敏等，2020）Fig.4（a）Relationship between carbonate dissolution weight loss and temperature in the semiopen system（modified after He et al.,2017）；（b）Relationship between saturated dissolution and temperature of carbonate rocks in formation water with different organic acid concentrations（modified after She et al.，2020）822第 2 期梁金同等：碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展讨真实地质条件下的碳酸盐岩水岩相互作用规律时，需要考虑地质流体中不同类型离子之间的相互作用（图 5），原因在于