CN104407118A - 一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法，该方法包括：检测碳酸盐岩储层的岩石学参数、地质流体特征及地质背景参数；挑选柱塞样品，配制成岩流体；样品进行实验前称重、物性分析、CT扫描分析及微观特征分析；进行碳酸盐岩溶蚀模拟实验，并采集反应生成液；进行实验后物性分析、CT扫描和微观特征分析；并分析生成液Ca²⁺、Mg²⁺含量；分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用，定性表征碳酸盐岩溶蚀孔洞的三维结构和微观形貌、定量评价碳酸盐岩溶蚀孔洞和连通属性演化。本方法可以分析从地表到深埋藏环境下碳酸盐岩溶蚀作用和溶蚀效益，为碳酸盐岩有利储层评价和预测提供更为准确的分析数据。

Description

一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法

技术领域

本发明涉及石油地质实验分析技术，尤其涉及一种综合评价碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法。

背景技术

勘探实践表明，碳酸盐岩油气田是全球油气重要的组成部分。碳酸盐岩在地表和埋藏过程中形成的溶蚀次生孔隙和洞穴是重要的油气储集空间，同时也是优质碳酸盐岩储层的重要表征之一。为了进一步了解碳酸盐岩溶蚀孔(洞)和连通属性的演化机制，碳酸盐岩溶蚀的条件、过程及其控制因素成为了石油地质工作者研究的热点。

现有碳酸盐岩溶蚀作用的分析技术比较简单，或是进行单一矿物的溶解速率实验，如比较是方解石与白云石溶解速率；或是比较相同流体属性下不同类型碳酸盐岩的溶蚀量。长庆油田杨俊杰等人的模拟实验(“表生和埋藏成岩作用的温压条件下不同组成碳酸盐岩溶蚀成岩过程的实验模拟”，1995年)进行了鲕粒云岩、微晶云岩、云灰岩、含云灰岩分别在三种不同温度与压力条件下与乙酸的溶解实验。结果表明：①在表生与相对浅埋藏的温压条件(低于75℃、20MPa)下，方解石的溶解速率大大超过白云石，随着温度和压力的升高，两者溶解速率的差值变小。②在相对深埋藏的温压条件(高于75℃、20MPa)下，白云石的溶解速率已超过方解石；③在100℃、25MPa的温压条件下，微晶白云石的溶解速率已是含云灰岩的2倍，造成这种现象的原因是白云石的温度、压力效应大大超过方解石之故。无锡石油地质研究所范明(“酸性流体对碳酸盐岩储层的改造作用”，2009年)进行了不同温度(常温～200℃)下、三种酸性流体(乙酸溶液、CO₂水溶液和H₂S水溶液)分别与六种类型碳酸盐岩(鲕粒白云岩、鲕粒灰岩、微晶白云岩、微晶灰岩、微晶灰岩云岩、微晶白云质灰岩)进行溶蚀对比实验。结果表明：①随温度从常温升高至200℃，有机酸对碳酸盐岩的溶蚀能力由弱变强再变弱，在90℃左右溶蚀能力最强；②CO₂水溶液对碳酸盐岩的溶蚀能力存在较强→强→弱变化趋势，溶蚀率最大是在60℃大90℃之间；③H₂S水溶液对碳酸盐岩的溶蚀作用明显不同，60℃时基本达到最大溶蚀率，温度继续升高后，溶蚀能力一致维持在较高的水平并略有增加，150℃后突然降低。中国地质大学(武汉)黄康俊(“埋藏有机酸性流体对四川盆地东北部飞仙关组储层的溶蚀改造作用，溶解动力学实验研究”，2011)采用旋转盘酸-岩反应及腐蚀测试系统，开展了白云岩化鲕粒灰岩与0.1mol/L乙酸的溶解动力学实验，研究了深埋藏中有机质热演化过程中伴生的有机酸对鲕粒灰岩储层的改造作用机理。结果显示，白云岩化鲕粒灰岩溶解反应的速率在3.26×10^-7～6.66×10^-7mol/(cm²·s)之间，并且溶蚀速率随温度和转速的增加而增大。Taylor等人(Taylor K C,Nasr-El-Din H A,Mehta S,Aramco S.Anomalousacid reaction rates in carbonate reservoir rocks[J].Society of Petroleum Engineers.2006)利用旋转盘设备转盘酸-岩反应及腐蚀测试系统测试了Saudi Arabia气藏深部白云岩储层中岩石的溶解速率，指出随着温度的升高，碳酸盐岩在盐酸中的溶解速率也逐渐增加。

上述现有技术的缺陷在于所进行的实验还停留在流体与岩石表面之间的反应，没有开展流体在岩石内部孔隙中运移与反应的溶蚀实验，因而不能准确了解碳酸盐岩溶蚀发生的条件与过程。在控制因素分析上，现有技术主要关注岩石或矿物成分差异，忽略岩石组构类型、孔隙类型、孔隙结构(连通属性)、矿物产状对溶蚀的控制作用。在实验结果分析方面，现有技术的分析内容相对单一，只是侧重于分析溶液组分和岩石样品质量的变化，比较碳酸盐岩中矿物成分的溶蚀快慢或多少，很少考虑岩石样品内部孔-洞-缝的演化，更谈不上定量分析碳酸盐岩溶蚀孔(洞)和连通属性的变化，而后者是碳酸盐岩油气储能、产能评价与有利储层预测的核心内容，因此传统碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应分析方法具有一定的局限性。

发明内容

本发明采用的技术方案是依托成岩作用模拟装置，建立一种在不同成岩阶段环境下(地层温度和地层压力)，不同类型酸性流体与不同类型碳酸盐岩之间的反应，通过对比实验前后碳酸盐岩的重量、孔隙体积、渗透率、三维孔隙结构特征、孔喉参数统计、微观溶蚀形貌特征以及对应温度和压力条件下碳酸盐岩反应生成液成分变化，从而达到定量评价碳酸盐岩储层在经历不同成岩环境下的溶蚀作用和溶蚀效应。

为达上述目的，本发明提供了一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法，所述方法包括：

步骤(1)：检测模拟实验地区的碳酸盐岩储层的岩石学参数、地质流体特征以及地质背景参数；

步骤(2)：根据步骤(1)的检测结果，挑选用于模拟实验的样品，配制符合地质背景的成岩流体；

步骤(3)：柱塞样品进行实验前称重、物性分析、CT扫描分析，并对样品进行微观特征分析；其中所述物性分析包括测定有效孔隙体积及渗透率；

步骤(4)：将柱塞样品置于成岩作用模拟装置的岩心夹持器内；

步骤(5)：进行碳酸盐岩溶蚀模拟实验，并采集模拟实验的反应生成液；

步骤(6)：模拟实验结束后，柱塞样品进行实验后物性分析、CT扫描和微观特征分析；并对反应生成液进行Ca²⁺、Mg²⁺含量分析；

步骤(7)逐一分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用，定性表征碳酸盐岩溶蚀孔(洞)的三维结构和微观形貌、定量评价碳酸盐岩溶蚀孔(洞)和连通属性演化。

根据本发明所述的方法，步骤(1)中所述碳酸盐岩储层的岩石学参数包括岩石类型、矿物组分、孔隙类型与孔隙结构。

具体地，所述碳酸盐岩储层的岩石类型依据Folk分类法对碳酸盐岩薄片鉴定而定并命名，主要基于四种主要的颗粒类型以及颗粒(异化颗粒)、基质和胶结物或孔隙的相对丰度，所述矿物组分参数是矿物类型及其含量；所述地质流体特征包括地质流体类型，通过检测地质流体特征确定流体类型为有机酸溶液、CO₂水溶液或是H₂S水溶液等；所述地质背景参数包括研究区埋藏地层深度及对应的地层温度与地层压力。

根据本发明所述的方法，步骤(2)中依据岩石学参数挑选与研究地区目的储层相一致的碳酸盐岩样品，制备碳酸盐岩柱塞样品，柱塞样品的直径为2.5cm，长度在3～5cm范围内。实验用成岩流体的类型和浓度主要依据研究地区(模拟实验地区)流体史而确定。在碳酸盐岩溶蚀过程中实验条件的选择必须紧密结合研究地区的地质背景。

根据本发明所述的方法，步骤(3)中碳酸盐岩柱塞样品完成洗油、烘干后再依次进行称重、物性分析、CT扫描，并对样品进行微观特征分析；优选地，所述微观特征分析包括孔喉参数统计、扫描电镜分析，这些分析样品应是用于模拟实验的同一柱塞样品或与柱塞样品最接近的残余样品。

根据本发明所述的方法，步骤(3)进行物性分析前，应该先对柱塞样品进行标记气体流通的入口端和出口端；物性分析包括有效孔隙体积和渗透率。

根据本发明所述的方法，步骤(3)进行CT扫描时，应针对柱塞样品的入口端和出口端分开扫描，并记录扫描条件，如分辨率(放大倍数)。

根据本发明所述的方法，步骤(3)完成CT扫描后，根据CT扫描图像挑选典型区域三维数据体，进行孔喉参数统计计算，并标记三维数据体范围及位置。

根据本发明所述的方法，步骤(3)进行扫描电镜分析时，采用低真空模式，不要对样品进行镀金等处理，并记录每次扫描区域的位置信息。

根据本发明所述的方法，步骤(4)所述成岩作用模拟实验装置可以使用现有技术的装置，例如。本发明为了更加具体的对本发明技术方案加以说明，实施例中具体分析过程均基于专利ZL 201120344178.X中的装置。

根据本发明所述的方法，步骤(4)所述应根据柱塞样品所标记的入口端和出口端，将柱塞样品放置到成岩作用模拟装置的岩心夹持器内，确保成岩流体流通方向与物性分析时气体流通方向一致。

根据本发明所述的方法，步骤(5)所述模拟实验具体方法是，将配制好的流体通过液体泵连续注入成岩装置内，待装置出口流体溶液后，根据步骤(1)检测的地质背景来设定岩心夹持器的温度和压力，进行连续流水-岩反应，直至水-岩反应达到动态平衡时采集反应生成液，如此循环至整个实验结束。

本发明中通常将岩心夹持器温度和压力与步骤(1)检测的地质背景(地层温度和地层压力)设定一致。

根据本发明所述的方法，所述流体以恒定流速连续通过柱塞样品的内部孔隙，流体流速可选范围为0.1～5ml/min。

根据本发明所述的方法，步骤(6)依次对实验后柱塞样品进行烘干、称重、物性分析、CT扫描，并对样品进行微观特征分析；优选地，所述微观特征分析包括孔喉参数统计和/或扫描电镜分析；其中，扫描电镜分析主要是利用扫描电镜对实验后柱塞样品进行微观形貌特征分析。

根据本发明所述的方法，步骤(6)中，对反应后柱塞样品进行物性分析时应与步骤(3)中标记气体流通方向一致；对反应后柱塞样品进行CT扫描时应与步骤(3)中分析条件相一致；对照步骤(3)的CT扫描图像，根据碳酸盐岩颗粒组构特征确认并选取柱塞样品相同位置的三维数据体。

根据本发明所述的方法，步骤(6)对反应后柱塞样品进行孔喉统计计算时应与步骤(3)中分析区域范围及位置相一致。

根据本发明所述的方法，步骤(6)对反应后柱塞样品进行扫描电镜分析时，每次扫描区域和条件应与步骤(3)中相一致，做到原位对比分析。

根据本发明所述的方法，步骤(7)对反应生成液分析是指Ca²⁺、Mg²⁺浓度分析。

根据本发明所述的方法，步骤(7)逐一分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用时，包括分析岩石属性(岩石组构、孔隙类型、孔隙结构、矿物组分、矿物产状和/或岩石物性等)对碳酸盐岩溶蚀效应的控制作用；其中所述碳酸盐岩溶蚀效应包括碳酸盐岩内部溶蚀溶洞的三维结构和微观形貌演化，以及通过孔隙体积、渗透率、孔喉统计参数来定量表征溶蚀效应。

根据本发明所述的方法，其可以更具体为：

(1)实际地质背景参数分析，获取并统计分析所模拟盆地及地区的碳酸盐岩岩性、岩石组分、成岩流体特征、研究区低温梯度与压力等；

(2)依据上述的碳酸盐岩储层实际地质背景参数，挑选与研究区目的层相一致的岩石类型样品，制备成直径2.5㎝、长度在3～5cm范围内的柱塞样品，配制符合研究区流体史和埋深史相符合的成岩流体；

(3)将制备好的碳酸盐岩柱塞样品洗油后依次进行、称重、孔隙体积、孔隙度、渗透率、CT扫描、孔喉参数统计、扫描电子显微镜微观特征分析；

(4)将完成实验前分析的柱塞样品放于成岩作用模拟装置(专利号：ZL201120344178.X，专利授权日2011年7月4日)的岩心夹持器内；

(5)将配制好的成岩流体通过液体泵连续注入成岩装置内，待装置出口流体溶液后，根据检测的地质背景来设定岩心夹持器的温度和压力，进行连续流下水-岩反应，直至水-岩反应达到动态平衡时采集反应生成液，如此循环至整个实验结束；

(6)将实验后的柱塞样品进行烘干、称重、孔隙体积、孔隙度、渗透率、CT扫描、孔喉参数统计、扫描电子显微镜微观特征分析；对反应生成液进行Ca²⁺、Mg²⁺含量分析；

(7)根据碳酸盐岩在不同控制因素下溶蚀的Ca²⁺、Mg²⁺含量，讨论岩石属性(岩石组构、孔隙类型、孔隙结构、矿物组分、矿物产状、岩石物性)对碳酸盐岩溶蚀的控制作用；通过碳酸盐岩内部溶蚀溶洞的三维结构和微观形貌演化定性表征碳酸盐岩溶蚀效应；通过孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔喉统计参数来定量表征碳酸盐岩溶蚀效应。

本发明方法具有如下优势：

本发明的方法，可以开展覆压下地质流体连续通过岩石内部孔隙中运移与反应，这一模拟方式更加符合实际地成岩作用(在岩石内部的反应)，对碳酸盐岩溶蚀孔(洞)形成和孔-洞-缝连通属性演化的基础研究和生产实践更有针对性。建立的模拟地质过程约束下的碳酸盐岩溶蚀过程与溶蚀效应的工艺流程与分析方法，强调岩石属性(岩石组构、孔隙类型、孔隙结构、矿物组分、矿物产状、岩石物性)对碳酸盐岩溶蚀的控制作用，尤其关注岩石孔隙特征和连通属性这一复杂因素，既控制溶蚀作用(孔隙特征控制流体与岩石接触面积，连通属性控制流体在岩石内的运移机制)，又随着溶蚀作用进行而不断演化。在碳酸盐岩溶蚀效益分析方面，不是简单比较矿物溶蚀快慢或多少，而是从碳酸盐岩有利储层评价与预测出发，强调经过溶蚀作用后，碳酸盐岩作为储集岩的储能和产能回发生怎样变化，具体包括多维度、多尺度分析碳酸盐岩溶蚀孔(洞)和连通属性演化特征，以及通过孔隙体积、渗透率、孔喉统计参数来定量表征溶蚀效应。本发明中，根据岩石成分和储集空间类型，挑选孔隙型白云岩、裂缝-孔洞型白云岩、孔隙型灰岩和裂缝型灰岩四种类型碳酸盐岩，开展溶蚀作用和溶蚀效应的对比分析，取得了初步认识：①随着温度和压力的增加，有机酸对碳酸盐岩的溶蚀能力相应降低，表生环境下更有利于碳酸盐岩溶孔储层发育。②相对高温高压下，云岩溶蚀量大于灰岩，更有利于云岩溶孔储层的形成。③相同孔隙类型云岩和灰岩溶蚀效果不同：对孔隙型白云岩，溶蚀后孔隙类型保持为孔隙型，总孔隙体积提高较大，也就是储能提高明显，而对产能增加相对较小；孔隙型灰岩溶蚀后，孔隙类型由孔隙型演化为溶缝-孔隙型，渗透率增加显著，即可较大幅度提高产能，岩石溶蚀质量相对较少。裂缝型灰岩(生屑灰岩)溶蚀量随温压增加而缓慢降低。在埋藏开放环境下，储集空间类型对白云岩溶蚀具重要控制作用。在埋藏开放环境下，灰岩溶蚀后储集空间和连通性能均提高，渗透率提高，产能增加非常显著。④白云岩经埋藏溶蚀后其内部孔隙、吼道溶蚀加大，并相互连通，导致孔喉体积增加、数量降低，白云石晶体溶蚀具蜂窝状特征。

附图说明

图1为本发明实施例1的分析流程图。

图2为实施例1检测的碳酸盐岩样品的储集空间特征。

图3a为实施例1检测的孔隙型白云岩(细粉晶白云岩)溶蚀前后的内部孔隙演化特征。

图3b为实施例1检测的裂缝-孔洞型白云岩(砂屑白云岩)溶蚀前后的内部孔隙演化特征。

图3c为实施例1检测的孔隙型灰岩(亮晶粒屑灰岩)溶蚀前后的内部孔隙演化特征。

图3d为实施例1检测的裂缝型灰岩(生屑灰岩)溶蚀前后的内部孔隙演化特征。

图4a与图4b为实施例1检测的细粉晶云岩溶蚀前后孔喉统计参数对比。

图5a为实施例1检测的孔隙型白云岩和孔隙型灰岩溶蚀释放出钙、镁浓度合量与温度、压力的关系。

图5b为实施例1检测的孔隙型白云岩和裂缝-孔洞型白云岩溶蚀释放出钙、镁浓度合量与温度、压力的关系。

图5c为实施例1检测的孔隙型灰岩和裂缝型灰岩溶蚀释放出钙、镁浓度合量与温度、压力的关系。

图6a为实施例1检测的白云岩孔隙体积演化对比。

图6b为实施例1检测的白云岩渗透率演化对比。

图6c为实施例1检测的灰岩孔隙体积演化对比。

图6d为实施例1检测的灰岩渗透率演化对比。

图7a与图7b为实施例1检测的细粉晶白云岩溶蚀前后微观形貌特征。

图7c与图7d为实施例1检测的亮晶粒屑灰岩溶蚀前后微观形貌特征。

具体实施方式

以下通过具体实施例并结合附图对本发明的方法和所带来的技术效果做进一步详细说明，但不能理解为对本发明可实施范围的限定。

实施例1

近年来在川东北地区下三叠统飞仙关组和上二叠统长兴组钻获众多高产工业气流，以普光、罗家寨、渡口河、黄龙场、五百梯和高峰场为代表的一系列飞仙关组和长兴组海相碳酸盐岩大、中型气田的发现，是中国南方海相碳酸盐岩油气勘探领域的重大突破，优质储层大多数发育于高程度白云岩化的礁、滩相地层中。本实施例中便是针对碳酸盐岩储层孔隙发育机理这一研究热点，开展不同类型碳酸盐岩样品模拟实验研究，来定量评价碳酸盐岩溶蚀作用发生的过程以及溶蚀效应。

请参见图1所示流程，本实施例提供了一种不同成岩环境下碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法，该方法包括：

步骤(1)：检测模拟实验地区的碳酸盐岩储层的岩石学参数、地质流体特征以及地质背景参数；

其中，岩石学参数包括岩石类型、矿物组分、孔隙类型与孔隙结构等参数，地质流体特征包括地质流体类型(储层成岩流体类型)，地质背景参数包括地层温度与静水压力。

本实施例中，岩石学参数如下：

根据碳酸盐岩油气储层勘探实践，挑选了孔隙型白云岩、裂缝-孔洞型白云岩、孔隙型灰岩和裂缝型灰岩四种典型样品，岩石样品矿物分析结果见表1。

表1模拟碳酸盐岩储层样品的X射线衍射全岩矿物分析

岩石样品孔隙类型及孔喉结构见图2所示，其中孔隙型白云岩发育晶间孔或粒间孔，孔隙呈网状分布，并由吼道沟通；裂缝-孔洞型白云岩发育孤立溶孔溶洞，少量晶间孔，微裂缝沟通；孔隙型灰岩发育晶间孔，孔隙呈网状分布，并由吼道沟通；裂缝型灰岩中裂缝发育，见少量孔隙，主要由裂缝沟通。

地质流体特征如下：

储层成岩流体特征：川东北地区受早印支运动的影响，早三叠世开始大幅度沉降，飞仙关组和嘉陵江组沉积了近2000米厚的沉积物。到晚三叠世长兴组-飞仙关组快速埋藏到3000米左右，此时志留系烃源岩开始进入生烃门限，有机酸和一些烃类物质开始逐渐侵入储层，改变了孔隙水的性质使其呈弱酸性。根据这些分析特征，确定流体类型及实验参数如下：

流体类型:2ml/L乙酸溶液

实验体系:开放-流动

实验温压范围：30℃,5MPa→187℃,60MPa

流体流速:1ml/min

溶蚀方式:内部溶蚀

每个温压点反应时间：1小时。

地质背景参数如下：

研究区埋藏地层深度及对应地层温度、压力：地表(温度30℃，静水压力0.1MPa)、埋深1000米(温度52℃，静水压力10MPa)、埋深1500米(温度65℃，静水压力15MPa)、埋深2000米(温度79℃，静水压力20MPa)、埋深2500米(温度92℃，静水压力25MPa)、埋深3000米(温度106℃，静水压力30MPa)、埋深4000米(温度133℃，静水压力40MPa)、埋深5000米(温度160℃，静水压力50MPa)、埋深6000米(温度187℃，静水压力60MPa)。

步骤(2)：根据步骤(1)的检测结果，挑选用于模拟实验的样品，配制符合地质背景的成岩流体：

①挑选6块碳酸盐岩样品(参见表1，分别为细粉晶白云岩、鲕粒白云岩、砂屑白云岩、亮晶粒屑灰岩、云质藻粘结灰岩、生屑灰岩)，采用岩心钻取机和切割机制备直径为2.5cm，高度＞3.0cm的圆柱体柱塞样品。

②采用油田水中最常见的有机酸类型-乙酸模拟地质背景的成岩流体，2ml/L乙酸溶液由分析纯乙酸试剂和去离子水配制而成。

步骤(3)：柱塞样品进行实验前称重、物性分析(有效孔隙体积、渗透率)、CT扫描分析，并对样品进行微观特征分析：

将制备好的6块次碳酸盐岩柱塞样品分别进行洗油；烘干后用记号笔标记柱塞样品的入口端与出口端；称重后再根据柱塞样品标记方向进行孔隙度、有效孔隙体积、渗透率测量以及CT扫描分析。

重量、有效孔隙体积、渗透率分析数据参见表2，CT扫描分析图片见图3a(孔隙型白云岩)、图3b(裂缝-孔洞型白云岩)、图3c(孔隙型灰岩)和图3d(裂缝型灰岩)。CT扫描后进行孔喉参数统计计算分析，相关数据参见图4a。另，挑选与柱塞样品最接近的残余样品利用扫描电镜进行微观特征分析(参见图7a与图7c，分别为细粉晶白云岩及亮晶粒屑灰岩样品)。

步骤(4)：将柱塞样品置于成岩作用模拟装置的岩心夹持器内：

本实施例所用成岩作用模拟装置参见ZL 201120344178.X(专利授权日2011年7月4日)所示，该成岩作用模拟装置只配置一个岩心夹持器，因此每次模拟实验只进行一个柱塞样品。根据柱塞样品所标记的入口端和出口端，将柱塞样品放置到成岩作用模拟装置的岩心夹持器内，确保成岩流体流通方向与物性分析时气体流通方向一致。

步骤(5)：进行碳酸盐岩溶蚀模拟实验，并采集模拟实验的反应生成液：

通过成岩作用模拟装置模拟每个样品依次在地表(温度30℃，静水压力5MPa)、埋深1000米(温度52℃，静水压力10MPa)、埋深1500米(温度65℃，静水压力15MPa)、埋深2000米(温度79℃，静水压力20MPa)、埋深2500米(温度92℃，静水压力25MPa)、埋深3000米(温度106℃，静水压力30MPa)、埋深4000米(温度133℃，静水压力40MPa)、埋深5000米(温度160℃，静水压力50MPa)、埋深6000米(温度187℃，静水压力60MPa)条件下的溶蚀模拟实验。

实验开始，将配制的乙酸溶液以流速为1.0ml/min连续、恒速地注入成岩作用模拟装置，当装置出口端流出溶液时设定实验温度和压力，待模拟装置显示温度和压力与设定条件一致后，进行流体连续流经碳酸盐岩内部的水岩反应，直至反应体系达到动态平衡时，收集对应温度和压力条件下的反应生成溶液，一般采集2个样品，体积各约为6ml。如此循环直至实验结束。

其中成岩作用模拟装置中，液体泵驱动成岩流体流动，围压泵提供岩心夹持器围压，岩心夹持器内橡胶套包裹柱塞样品并确保流体只能通过柱塞样品内部流动；实验温度和静水压力均由中央控制系统总成控制。

步骤(6)：模拟实验结束后，柱塞样品进行实验后物性分析、CT扫描和微观特征分析；并对反应生成液进行Ca²⁺、Mg²⁺含量分析：

将实验后的碳酸盐岩柱塞样品烘干后称重，再根据柱塞样品标记方向进行物性分析(孔隙体积、渗透率)、CT扫描、孔喉参数统计、扫描电镜分析。

重量、有效孔隙体积、渗透率分析数据参见表2，CT扫描分析图片见图3a、图3b、图3c和图3d。CT扫描后进行孔喉参数统计计算分析。对反应各温压点下生成液进行离子成分与含量分析(见表3和表4)。孔隙型白云岩(亮晶鲕粒白云岩)溶蚀前后孔隙及吼道统计参数见表5及图4b。实现定性分析微观溶蚀孔隙演化特征(图7b和图7d)。

表2碳酸盐岩样品重量、有效孔隙体积和渗透率演化统计

表3白云岩反应生成溶液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度

表4白云岩反应生成溶液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度

表5孔隙型白云岩(亮晶鲕粒白云岩)溶蚀前后孔隙及吼道统计参数表

步骤(7)逐一分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用。通过对比反应前后柱塞样品的CT和扫描电镜分析，定性表征碳酸盐岩溶蚀孔(洞)的三维结构和微观形貌。依据每个温压点下样品溶蚀出的钙镁含量，样品重量、有效孔隙体积、渗透率的变化，定量评价碳酸盐岩溶蚀孔(洞)和连通属性演化：

本实施例中，通过碳酸盐岩溶蚀成岩作用模拟实验，再现了孔隙型白云岩、裂缝-孔洞型白云岩、孔隙型灰岩和裂缝型灰岩四种类型碳酸盐岩储层从地表到6000米埋深下有机酸的溶蚀作用与溶蚀效应，结果表明：

①在30℃、5MPa～187℃、60MPa，流速恒定为1.0ml/min条件下，孔隙型灰岩(亮晶粒屑灰岩、云质藻粘结灰岩)和孔隙型白云岩(细粉晶白云岩和亮晶鲕粒白云岩)经2ml/L乙酸溶液溶蚀释放出Ca²⁺、Mg²⁺合量在8.90～21.58×10^-3mol/L之间(见表3，表4和图5a)。数据表明，随着温度和压力的提高，乙酸溶液对碳酸盐岩的溶蚀量相应降低。原因分析为，乙酸溶解白云岩和灰岩为放热反应，根据化学热力学理论可知，放热反应的标准摩尔焓变值为负数，因此当温度增加时，乙酸溶解白云岩和灰岩的热力学平衡常数将降低，即溶解度将降低，也就导致灰岩和白云岩的溶解量随温度增加而降低。由此可知，随着埋藏深度的增加，由于地层温度的升高，有机酸对碳酸盐岩的溶蚀能力相应降低。

对于不同温压下孔隙型灰岩(亮晶粒屑灰岩、云质藻粘结灰岩)与孔隙型白云岩(细粉晶白云岩和亮晶鲕粒白云岩)的溶蚀量开展进一步分析。在30℃、5MPa～92℃、25MPa下，孔隙型灰岩和孔隙型白云岩经2ml/L乙酸溶液溶蚀释放出Ca²⁺、Mg²⁺合量基本一致；在106℃、30MPa～187℃、60MPa下，孔隙型白云岩(细粉晶白云岩和亮晶鲕粒白云岩)经2ml/L乙酸溶液溶蚀释放出Ca²⁺、Mg²⁺合量约为孔隙型灰岩(亮晶粒屑灰岩、云质藻粘结灰岩)的一倍(图5a)。基于化学热力学和流体渗流机制分析，在30℃、5MPa～92℃、25MPa下，孔隙型灰岩和孔隙型白云岩的储层空间类型(孔隙和孔喉结构类型)保持为孔隙型(图3a、图3c)，孔隙呈网状分布，乙酸溶液在岩石样品内部孔隙运移时，可以与岩石充分接触，乙酸溶液溶解灰岩和白云岩的反应均达到溶解平衡状态，两者皆遵循化学热力学理论。在106℃、30MPa～187℃、60MPa下，孔隙型白云岩与乙酸反应时，白云岩的储集空间类型仍保持为孔隙型。然而，孔隙型灰岩与乙酸反应时，灰岩的储集空间类型由孔隙型演化为溶缝-孔隙型(图3c)。根据流体渗流机制可知，此时流体在灰岩内部主要沿裂缝运移，流体与岩石的实际接触面变小，单位时间内溶蚀量相应降低，这是导致孔隙型白云岩溶蚀量约为孔隙型灰岩一倍的原因所在。

②对比溶蚀前后岩石样品质量(见表2)、孔隙体积(图6a和图6c)、渗透率(图6b和图6d)以及孔隙演化特征(图3a和图3c)可知，储集空间同为孔隙型的白云岩和灰岩具有不同的溶蚀能力和溶蚀效益。溶蚀后孔隙型白云岩样品质量约减少1g，孔隙体积约增加0.4cm³，渗透率约增加5mD；溶蚀后孔隙型灰岩样品质量约减少0.8g，孔隙体积约增加0.4cm³，渗透率约增加5346mD。与孔隙型灰岩相比，溶蚀导致孔隙型白云岩的渗透率增加有限，溶蚀质量相对较大，孔隙体积变化相当，且储集空间类型保持为孔隙型；而孔隙型灰岩渗透率增加显著，高达三个数量级，岩石溶蚀质量相对较少，且储集空间类型演化为溶缝-孔洞型。由此可知，在埋藏开放环境下，储集空间类型对白云岩溶蚀具重要控制作用，孔隙型白云岩溶蚀改造增加的是基质孔隙度，有利于储能的改善；裂缝-孔洞型白云岩溶蚀改造增加的是裂缝孔隙度，但渗透率增加几个数量级，有利于产能的提高。由此可知，经过埋藏溶蚀作用后，孔隙型灰岩多发育溶缝-洞(穴)型储层，而孔隙型白云岩主要形成孔隙型储层。

③相同温压下，孔隙型白云岩溶蚀量大于裂缝-孔洞型白云岩(图5b)。在30℃、5MPa～187℃、60MPa，流速恒定为1.0ml/min条件下，孔隙型白云岩(细粉晶白云岩和鲕粒白云岩)溶蚀量逐渐降低；30℃、5MPa下，孔隙型白云岩溶蚀量最大。温压增加，裂缝-孔洞型白云岩(砂屑白云岩)的溶蚀量逐渐增加；温压达到133℃、40MPa后，裂缝-孔洞型白云岩溶蚀量基本一致。导致孔隙型白云岩溶蚀量大于裂缝-孔洞型白云岩的原因是，孔隙型白云岩的储集空间以孔隙位置，呈网状分布，乙酸溶液在岩石样品内部孔隙运移时，可以与岩石充分接触。然而，裂缝-孔洞型白云岩的储集空间包含孔(洞)和裂缝，乙酸溶液在岩石样品内部主要沿裂缝运移，流体与岩石的实际接触面小，导致相同温压下裂缝-孔洞型白云岩的溶蚀量低。

对比溶蚀前后岩石样品质量(见表2)、孔隙体积(图6a和图6c)、渗透率(图6b和图6d)以及孔隙演化特征(图3a和3b)。孔隙型白云岩样品质量约减少1g，孔隙体积约增加0.4cm³，渗透率约增加5mD；裂缝-孔洞型白云岩样品质量约减少0.5g，孔隙体积约增加0.3cm³，渗透率增加高达5753mD。孔隙型白云岩渗透率增加有限，溶蚀质量较大，孔隙体积增加显著，且储集空间类型保持为孔隙型；裂缝-孔洞型白云岩渗透率增加显著，高达三个数量级，岩石溶蚀质量较少，孔隙体积增加较少，且储集空间类型演化为溶缝-孔洞型。由此可知，在埋藏开放环境下，储集空间类型对白云岩溶蚀具重要控制作用，孔隙型白云岩溶蚀改造增加的是基质孔隙度，有利于储能的改善；裂缝-孔洞型白云岩溶蚀改造增加的是裂缝孔隙度，但渗透率增加几个数量级，有利于产能的提高。

④储集空间类型不同，灰岩溶蚀能力具有明显差异(图5c(相同温压下不同灰岩溶蚀量的差异)、图6d(相同实验下不同灰岩溶蚀后渗透率的差异))。在30℃、5MPa～187℃、60MPa，流速恒定为1.0ml/min条件下，裂缝型灰岩(生屑灰岩)溶蚀量随温压增加而缓慢降低，究其原因是裂缝型灰岩在溶蚀过程中，流体沿多个微缝运移逐渐演化为沿一个主缝运移，导致流体与岩石接触面积逐渐减少所致。孔隙型灰岩(亮晶粒屑灰岩、云质藻粘结灰岩)的溶蚀量与温压关系，以及溶蚀过程中孔隙演化特征在结论①中已做分析，此处不再赘述。

对比溶蚀前后岩石样品质量(见表2)、孔隙体积(图6a和图6c)、渗透率(图6b和图6d)以及孔隙演化特征(图3c和3d)。孔隙型灰岩样品质量约减少0.8g，孔隙体积约增加0.427cm³，渗透率约增加5346mD；裂缝型灰岩样品质量约减少0.7g，孔隙体积约增加0.3cm³，渗透率增加高达5113mD。孔隙型灰岩和裂缝型灰岩溶蚀后的渗透率、溶蚀质量、孔隙体积变化基本相当，且孔隙增加有效，而渗透率增加显著，均高达三个数量级。在埋藏开放环境下，灰岩溶蚀后储集空间和连通性能均提高，渗透率都提高3个数量级，产能增加非常显著；孔隙型灰岩和裂缝型灰岩溶蚀改造后均演化为溶缝型灰岩，增加的均是裂缝孔隙度。

⑤由于孔喉参数统计分析主要用于孔隙型碳酸盐岩，而本次分析四种类型碳酸盐岩样品中，只有孔隙型白云岩溶蚀后保持为孔隙型，因此只对孔隙型白云岩样品进行分析。结果表明，孔隙型白云岩经溶蚀后其内部孔隙、孔道溶蚀加大，并相互连通，导致孔喉体积增加、数量降低(见表5)。

⑥由于扫描电镜分析主要针对样品中微观孔隙和矿物晶体溶蚀特征分析，而本次分析四种类型碳酸盐岩样品中，主要是白云石和方解石矿物晶体，因此以亮晶鲕粒白云岩和亮晶粒屑灰岩为代表。亮晶鲕粒白云岩中部分方解石被完全溶解形成溶孔，白云石晶体发育晶间溶孔、晶内溶孔，且部分白云石溶蚀具“蜂窝状”特征。由于白云石结构仍然保存，其晶间缝溶蚀加大且相互连通，因此这种微观溶蚀特征更有利于油、气的储集与运移(图7b)。亮晶粒屑灰岩溶蚀后可见直径大0.5mm的溶蚀孔，分析溶蚀孔是由泥晶颗粒溶蚀垮塌所致。具体分析为，岩石内泥晶颗粒由众多不等粒泥晶组成，与相同尺寸亮晶方解石对比，相同时间下泥晶颗粒内的小晶粒由于体积小，很快完全溶蚀形成微溶孔，且晶间溶缝加大，进一步有利于泥晶颗粒溶蚀，甚至内部垮塌或晶粒脱落，最终导致溶孔形成(图7d)。

Claims (10)

1.一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法，该方法包括：

步骤(1)：检测模拟实验地区的碳酸盐岩储层的岩石学参数、地质流体特征以及地质背景参数；

步骤(2)：根据步骤(1)的检测结果，挑选用于模拟实验的样品，配制符合地质背景的成岩流体；

步骤(3)：柱塞样品进行实验前称重、物性分析、CT扫描分析，并对样品进行微观特征分析；其中所述物性分析包括测定有效孔隙体积及渗透率；

步骤(4)：将柱塞样品置于成岩作用模拟装置的岩心夹持器内；

步骤(5)：进行碳酸盐岩溶蚀模拟实验，并采集模拟实验的反应生成液；

步骤(6)：模拟实验结束后，柱塞样品进行实验后物性分析、CT扫描和微观特征分析；并对反应生成液进行Ca²⁺、Mg²⁺含量分析；

步骤(7)逐一分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用，定性表征碳酸盐岩溶蚀孔洞的三维结构和微观形貌、定量评价碳酸盐岩溶蚀孔洞和连通属性演化。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(1)中所述碳酸盐岩储层的岩石学参数包括岩石类型、矿物组分、孔隙类型与孔隙结构；地质流体特征包括地质流体类型，通过检测地质流体特征确定流体类型为有机酸溶液、CO₂水溶液或是H₂S水溶液；所述地质背景参数包括研究区埋藏地层深度及对应的地层温度与静水压力。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中依据岩石学参数挑选与研究地区目的储层相一致的碳酸盐岩样品，制备碳酸盐岩柱塞样品，柱塞样品的直径为2.5cm，长度在3～5cm范围内。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(2)中所述成岩流体的类型和浓度依据研究地区流体史而确定。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(3)中碳酸盐岩柱塞样品完成洗油、烘干后再依次进行称重、物性分析、CT扫描，并对样品进行微观特征分析；优选地，所述微观特征分析包括孔喉参数统计和/或扫描电镜分析。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，进行物性分析前，先对柱塞样品进行标记气体流通的入口端和出口端，物性分析包括有效孔隙体积和渗透率；

进行CT扫描时，针对柱塞样品的入口端和出口端分开扫描，并记录扫描条件；

优选地，完成CT扫描后，根据CT扫描图像挑选典型区域三维数据体，进行孔喉参数统计计算，并标记三维数据体范围及位置。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在完成CT扫描后进行扫描电镜分析，进行扫描电镜分析时，采用低真空模式，并记录每次扫描区域的位置信息。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(5)将配制好的流体通过液体泵连续注入成岩装置内，待装置出口流体溶液后，根据检测的地质背景来设定岩心夹持器的温度和压力，进行连续流下的水-岩反应，直至反应达到动态平衡时采集反应生成液，如此循环至整个实验结束。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(6)中碳酸盐岩柱塞样品完成烘干后再依次进行称重、物性分析、CT扫描，并对样品进行微观特征分析；优选地，所述微观特征分析包括孔喉参数统计和/或扫描电镜分析；

其中，步骤(6)中，对反应后柱塞样品进行物性分析时应与步骤(3)中标记气体流通方向一致；对反应后柱塞样品进行CT扫描时应与步骤(3)中分析条件相一致；对反应后柱塞样品进行孔喉统计计算时应与步骤(3)中分析区域范围及位置相一致；对反应后柱塞样品进行扫描电镜分析时，每次扫描区域和条件应与步骤(3)中相一致，做到原位对比分析。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(7)中逐一分析碳酸盐岩在不同控制因素下的溶蚀作用时，包括分析岩石组构、孔隙类型、孔隙结构、矿物组分、矿物产状和/或岩石物性对碳酸盐岩溶蚀效应的控制作用；其中所述碳酸盐岩溶蚀效应包括碳酸盐岩内部溶蚀溶洞的三维结构和微观形貌演化，以及通过孔隙体积、渗透率、孔喉统计参数来定量表征溶蚀效应。