雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究.pdf

雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究季少聪1,2,3，张庆玉1,2,3，梁彬1,2,3，李景瑞1,2,3，巴俊杰1,2,3，聂国权1,2,3，董红琪1,2,3，莫国宸1,2,3（1.中国地质科学院岩溶地质研究所/自然资源部、广西岩溶动力学重点实验室,广西桂林541004；2.联合国教科文组织国际岩溶研究中心/岩溶动力系统与全球变化国际联合研究中心,广西桂林541004；3.广西平果喀斯特生态系统国家野外科学观测研究站，广西平果531406）摘要：为了研究雄安新区雾迷山组地层水对白云岩的溶蚀作用，文章以雾迷山组白云岩为研究对象，以井下雾迷山组地层水为实验流体，开展高温高压条件下溶蚀模拟实验。实验结果表明：（1）样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降缓慢增加快速下降的特征，在 100140 范围内明显增加。样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致；（2）孔隙、微裂隙欠发育的样品仅在样品表面发生溶蚀，使得样品表面变模糊。孔隙、微裂隙发育的样品，沿粒间、晶 间 孔 隙 及 各 类 裂 隙 溶 蚀、扩 展，最 终 呈 一 定 程 度 连 通；（3）埋 藏 成 岩 环 境 下，在 100140范围存在一个保持较高溶蚀能力的温度窗口，这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。关键词：雄安新区；雾迷山组；白云岩；地层水；高温高压实验；岩溶热储中图分类号：P642.25文献标识码：A文章编号:10014810（2023）04080910开放科学（资源服务）标识码（OSID）：0引言雄安新区是我国中东部地热资源最丰富、开发利用条件最好的区域，包含雄县、容城、高阳三个大中型地热田14。雄安新区蓟县系雾迷山组储集性好、出水量大、易于回灌，是目前地热资源勘探的重点2。王贵玲等分析了雄安新区高阳低凸起雾迷山组热储特征1，鲁锴等研究了雄安新区蓟县系雾迷山组白云岩岩溶热储特征及优质储集层发育的主控因素2。碳酸盐岩的溶蚀作用是指流动的有侵蚀性流体与碳酸盐岩之间相互作用的过程及产生的结果，从地表到深埋藏地层中均可发生57，碳酸盐岩溶蚀形成的溶孔、溶洞和溶缝是重要的储集空间815。碳酸盐岩溶蚀实验是研究碳酸盐岩溶蚀有利条件和分布规律的重要方法1617。20 世纪 70 年代以来，国内外学者陆续开展了碳酸盐岩溶蚀模拟实验，探讨成分、结构、温度、压力、流体等因素对溶蚀作用的影响1825。早期的溶蚀实验主要模拟地表环境进行实基金项目：广西重点研发计划项目（桂科 AB23026062），中国地质调查项目（DD20221658），广西自然科学基金项目（2022GXNSFBA035454）和岩溶所基本科研业务费（2021008）共同资助第一作者简介：季少聪（1994），硕士，助理研究员，主要从事碳酸盐岩古岩溶储层研究。E-mail：。通信作者：张庆玉（1983），博士，研究员，主要从事碳酸盐岩古岩溶储层研究。E-mail：。收稿日期：20220427第42卷第4期中国岩溶Vol.42No.42023年8月CARSOLOGICASINICAAug.2023季少聪，张庆玉，梁彬，等.雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究J.中国岩溶，2023，42（4）：809-818.DOI：10.11932/karst20230414验，实验温度小于 100。20 世纪 80 年代，国内外学者主要研究深埋藏环境下碳酸盐岩溶蚀机理，实验方法采用流体与岩石颗粒或块体之间的表面反应方式。近年来，随着实验技术的进步，已有学者陆续开展碳酸盐岩内部溶蚀实验20。目前，模拟实验流体多以自主配置的酸溶液、高盐度水溶液或海水为主，而以实际地层水作为实验流体的模拟实验较少。本文以雄安新区雾迷山组白云岩为研究对象，以井下雾迷山组地层水为实验流体，开展高温高压条件下溶蚀模拟实验，分析温度、压力、岩性、结构等因素对白云岩溶蚀作用的影响。1地质概况雄安新区位于冀中坳陷北部，大地构造上处于华北陆块中东部的渤海湾盆地西北部。冀中坳陷北为燕山褶皱带，西接太行山东缘断层，南与邢衡隆起毗邻，东与沧县隆起相邻。雄安新区重要的构造单元为牛驼镇凸起、容城凸起、高阳低凸起，四周被凹陷环绕，北部是廊坊固安凹陷，东部为霸县凹陷，南部为饶阳凹陷，西南和西部为保定凹陷和徐水凹陷4（图 1）。研究区雾迷山组沉积后共经历了凌源、芹峪、印支、燕山和喜山 5 期构造抬升作用，遭受长期风化剥蚀和大气淡水淋滤，中生界和古生界剥蚀严重，新生界碎屑岩直接覆盖在元古界蓟县系雾迷山组之上。研究区雾迷山组主要岩石类型包括晶粒白云岩、颗粒白云岩、微生物白云岩、硅质白云岩和角砾白云岩 5 种类型2。2样品采集与实验方法2.1实验样品以采自雄安新区 D03 井雾迷山组的 3 种白云岩样品、D16 井雾迷山组的 1 种白云岩样品、蓟县野外剖面高于庄组的 1 种灰岩样品和桂林七星岩标准灰岩为实验样品，经薄片鉴定岩性分别为粉晶白云岩、纹层状白云岩、中晶白云岩、中晶白云岩、泥晶灰岩和亮晶砂屑灰岩。主量元素测试结果表明，白云岩样 品（A1A4）的 CaO 含 量 介 于 20.88%30.06%，MgO 含量介于 15.27%21.55%；灰岩样品（A5A6）的 CaO 含量较高，均在 45%以上，MgO 含量很低，均低于 5%（表 1）。2.2实验装置实验采用中国地质科学院岩溶地质研究所自主设计的高温高压溶解动力学模拟实验装置，由模拟实验装置、反应釜、平流泵、活塞容器、调压阀、空气增压系统、空气压缩机和高纯 CO2气瓶等部分组成，其中反应釜固定容量 1L，工作压力为 050MPa，工作温度为室温至 250。该实验装置可满足模拟不同温度、不同压力、不同水化学特征及开放、封闭两种环境下的碳酸盐岩溶蚀机理模拟实验要求，。2.3实验方案以采自雄安新区地热井井下雾迷山组全段地层水为反应液，其水化学特征如表 2 所示。同时考虑温度和压力两个因素，开展 40、10MPa 至 150、20MPa 范围内共 12 组温度、压力点的溶蚀实验（表 3），模拟从浅埋藏到深埋藏环境下雄安新区雾迷山组地层水对白云岩的溶蚀作用。3实验结果3.1溶蚀速率特征根据溶蚀试片直径、厚度以及小孔直径测量结果，计算溶蚀试片表面积，计算公式如下：S=(R1+R2)h+(R21R22)/2根据溶蚀试片质量称量结果和表面积计算结果，计算溶蚀试片单位面积的溶蚀速率，计算公式如下：v=(m1m2)/(S t)式中：S 为表面积；R1为直径；R2为小孔直径；h 为厚度；v 为溶蚀速率；m1为实验前质量；m2为实验后质量；t 为实验时间。R1、R2、h、m1、m2结果可以通过测量得到，t=24h。根据溶蚀速率计算结果（表 4），制作不同样品溶蚀速率随温度、压力变化曲线（图 2），结果表明：（1）不同样品在地层水中的溶蚀速率随温度变化特征具有相似性。当流体和压力条件相同时，样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降缓慢增加快速下降的特征，溶蚀速率在 100140 范围内明显增加。（2）不同样品在地层水中的溶蚀速率随压力变化特征具有相似性。当流体和温度条件相同时，样810中国岩溶2023年表 1实验样品主量元素测试结果Table1Testresultsofmajorelementsofexperimentalsamples样品编号采样位置层位岩性组份/%SiO2Al2O3TFe2O3CaOMgOK2ONa2O TiO2P2O5MnOLOIA1D03井雾迷山组粉晶白云岩26.861.560.3520.88 15.27 0.320.020.080.030.0133.92A2D03井雾迷山组 纹层状白云岩23.850.020.1022.98 16.47 0.010.020.010.000.0135.99A3D03井雾迷山组中晶白云岩2.170.010.1429.99 21.46 0.000.020.000.000.0045.48A4D16井雾迷山组中晶白云岩1.280.040.1730.06 21.55 0.070.020.000.000.0146.02A5蓟县野外剖面 高于庄组泥晶灰岩9.360.280.1445.624.20 0.140.030.000.010.0140.06A6桂林七星岩/亮晶砂屑灰岩0.550.210.0854.261.00 0.060.030.010.000.0043.55(a)(c)(b)050100 km凸起Uplift凹陷Sag凸起Uplift凹陷Sag020 40 km0510 km凸起Uplift凹陷Sag雄安新区XionganNew Area图1雄安新区大地构造位置及构造单元划分（据文献4，有改动）Fig.1TectoniclocationandtectonicunitdivisionoftheXionganNewArea(modifiedaccordingtoreference4)第42卷第4期季少聪等：雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究811品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。（3）白云岩样品溶蚀速率结果明显低于灰岩样品。在实验条件下，白云岩样品溶蚀速率介于(06)105gcm2h1之间（图 2ad），灰岩样品溶蚀速率介于(20180)105gcm2h1之间（图 2ef），是白云岩样品溶蚀速率的 1030 倍。3.2水化学演化特征根据实验前后反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度测试结果，计算 Ca2+、Mg2+浓度增加量及其随温度、压力变化曲线，如表 5、图 3 所示。结果表明：反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降缓慢增加快速下降的特征，且在 100140 范围内明显增加；反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随压力增加明显增大。这一结果与样品溶蚀速率随温度、压力变化规律一致。3.3溶蚀形态特征通过观察实验前后溶蚀试片样品的表面形貌和微观结构，对比分析不同样品的溶蚀特征，结果表明：表 2溶蚀实验反应液水化学特征Table2Hydrochemicalcharacteristicsofreactionsolutionsinthedissolutionexperiment成分/mgL1K+Na+Ca2+Mg2+Cl含量30.07579.5737.4019.28790.63成分/mgL1SO24HCO3CO23NO3pH含量2.79341.3732.640.058.49表 3本次溶蚀模拟实验选取的温度和压力Table3Temperatureandpressureselectedforthedissolutionexperiment实验编号温度/CO2分压/MPa压力/MPa实验编号温度/CO2分压/MPa压力/MPa140310740620260310860620380310980620410031010100620512031011120620615031012150620表 4实验样品的溶蚀速率计算结果Table4Calculationresultsofdissolutionratesofexperimentalsamples温度、压力溶蚀速率/105gcm2h1A1粉晶白云岩A2纹层状白云岩A3中晶白云岩A4中晶白云岩A5泥晶灰岩A6亮晶砂屑灰岩4010MPa3.703.824.144.60/130.906010MPa2.243.491.662.0328.9943.168010MPa2.753.020.991.0129.7944.3010010MPa2.871.881.701.8926.9535.5312010MPa3.802.602.161.8129.6050.7515010MPa0.931.831.101.3317.4828.154020MPa5.185.025.824.5853.34168.476020MPa3.475.045.544.5056.86160.618020MPa4.644.144.644.0655.37128.2010020MPa4.693.573.102.8350.84108.1912020MPa5.985.383.423.4938.80113.9915020MPa3.924.662.022.0337.0888.38812中国岩溶2023年表 5实验前后反应液的 Ca2+、Mg2+浓度Table5ConcentrationsofCa2+andMg2+inreactionsolutionsbeforeandaftertheexperiment温度/压力/MPa实验前离子浓度/mgL1实验后离子浓度/mgL1离子浓度增加量/mgL1Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+Ca2+Mg2+401037.4019.2856.68346.9869.44416.42309.5850.16359.74601037.4019.2856.68151.0036.68187.68113.6017.40131.00801037.4019.2856.68143.5034.35177.85106.1015.07121.171001037.4019.2856.68141.0735.08176.15103.6715.80119.471201037.4019.2856.68147.3035.12182.42109.9015.84125.741501037.4019.2856.6844.8931.5276.417.4912.2419.73402037.4019.2856.68422.0484.65506.69384.6465.37450.01602037.4019.2856.68359.9180.98440.89322.5161.70384.21802037.4019.2856.68273.3062.40335.70235.9043.12279.021002037.4019.2856.68299.0574.40373.45261.6555.12316.771202037.4019.2856.68319.7069.70389.40282.3050.42332.721502037.4019.2856.68303.3462.99366.33265.9443.71309.652002468406080100120温度/140160(a)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa2002468406080100120温度/140160(b)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa2002468406080100120温度/140160(c)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa2002468406080100120温度/140160(d)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa20020406080406080100120温度/140160(e)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa20050100150200406080100120温度/140160(f)溶蚀速率/105 gcm2h110 MPa20 MPa图2实验样品的溶蚀速率随温度、压力变化曲线(a)A1，粉晶白云岩(b)A2，纹层状白云岩(c)A3，中晶白云岩(d)A4，中晶白云岩(e)A5，泥晶灰岩(f)A6，亮晶砂屑灰岩Fig.2Dissolutionratecurveofexperimentalsampleswiththevariationoftemperatureandpressure(a)A1,Powdercrystaldolomite(b)A2,Laminateddolomite(c)A3,Mesocrystallinedolomite(d)A4,Mesocrystallinedolomite(e)A5,Micritelimestone(f)A6,Sparitearenaceouslimestone第42卷第4期季少聪等：雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究813（1）各样品在实验条件下均发生一定程度的溶蚀现象，以溶蚀试片样品表面溶蚀为主。部分样品实验后表面变模糊（图 4cd、ij），亮晶砂屑灰岩样品实验后表面呈现凹凸不平的特征（图 4kl）。（2）孔隙、微裂隙发育的样品，沿孔隙、微裂隙溶蚀程度较高。如图 5a、d 所示，中晶白云岩样品白云20020406010080406080100120温度/140160(b)Mg2+离子浓度/mgL110 MPa20 MPa200100200300500400406080100120温度/140160(a)Ca2+离子浓度/mgL110 MPa20 MPa图3实验后反应液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化曲线Fig.3ThecurveoftheincreaseofCa2+andMg2+concentrationsinthereactionsolutionswiththevariationoftemperatureandpressureaftertheexperiment(a)(b)(c)(d)(g)(h)(i)(j)(k)(l)(e)(f)图4实验样品实验前后照片对比(a)粉晶白云岩，实验前(b)粉晶白云岩，实验后(c)纹层状白云岩，实验前(d)纹层状白云岩，实验后(e)中晶白云岩，实验前(f)中晶白云岩，实验后(g)中晶白云岩，实验前(h)中晶白云岩，实验后(i)泥晶灰岩，实验前(j)泥晶灰岩，实验后(k)亮晶砂屑灰岩，实验前(l)亮晶砂屑灰岩，实验后Fig.4Comparisonofphotosofexperimentalsamplesbeforeandaftertheexperiment(a)Powdercrystaldolomite,beforeexperiment(b)Powdercrystaldolomite,afterexperiment(c)Laminateddolomite,beforeexperiment(d)Laminateddolomite,afterexperiment(e)Mesocrystallinedolomite,beforeexperiment(f)Mesocrystallinedolomite,afterexperiment(g)Mesocrystallinedolomite,beforeexperiment(h)Mesocrystallinedolomite,afterexperiment(i)Micritelimestone,beforeexperiment(j)Micritelimestone,afterexperiment(k)Sparitearenaceouslimestone,beforeexperiment(l)Sparitearenaceouslimestone,afterexperiment814中国岩溶2023年石晶粒发生溶蚀，晶间孔隙溶蚀扩大；如图 5b、c、e、f 所示，纹层状白云岩和粉晶白云岩样品发育少量微裂隙，且沿着微裂隙溶蚀较发育，局部可见串珠状溶孔。4讨论4.1温度、压力对碳酸盐岩溶蚀控制性作用通过比较同一样品在不同温度、压力条件下的溶蚀速率，分析温度、压力对碳酸盐岩溶蚀作用的影响。如图 2 所示，当压力条件相同时，样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降缓慢增加快速下降的特征，溶蚀速率在100140 范围内明显增加；当温度条件相同时，样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。同时，反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致（图 3）。这一实验结果与佘敏进行的在自主配置的高盐度反应液中碳酸盐岩的溶蚀模拟实验结果基本一致12。因此，在埋藏成岩环境下，随着深度增加、温度升高，会导致碳酸盐岩埋藏溶蚀量的降低，但在100140 范围存在一个较高溶蚀能力的窗口，这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。4.2岩性、结构对碳酸盐岩溶蚀控制性作用通过比较不同岩性、结构样品在相同实验条件下的表面形貌、微观结构变化特征，分析岩性、结构对碳酸盐岩溶蚀作用的影响。如图 4、5 所示，孔隙、微裂隙欠发育的样品，实验过程中可溶流体实际上很难进入该样品发生较大规模溶蚀，而仅在样品表面发生溶蚀，使得样品表面变模糊（图 4cd、ij、kl）；孔隙、微裂隙发育的样品，沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙、缝洞溶蚀、扩展，最终呈一定程度连通（图 5bc、ef）。5结论（1）温度、压力是影响研究区白云岩溶蚀作用的重要因素。样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降缓慢增加快速下降的特征，在 100140 范围内明显增加；样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。反应溶液的 Ca2+、Mg2+浓度增加量随温度、压力变化特征与样品溶蚀速率随温度、压力变化特征一致。（2）沿孔隙、微裂隙溶蚀作用程度较高。孔隙、微裂隙发育的样品，沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙溶(a)(b)(c)(d)(e)(f)0200 m0200 m0200 m0200 m0200 m0200 m图5实验样品实验前后显微镜下照片对比(a)中晶白云岩，实验前(b)纹层状白云岩，实验前(c)粉晶白云岩，实验前(d)中晶白云岩，实验后(e)纹层状白云岩，实验后(f)粉晶白云岩，实验后Fig.5Comparisonofphotosofexperimentalsamplesundermicroscopebeforeandaftertheexperiment(a)Mesocrystallinedolomite,beforeexperiment(b)Laminateddolomite,beforeexperiment(c)Powdercrystaldolomite,beforeexperiment(d)Mesocrystallinedolomite,afterexperiment(e)Laminateddolomite,afterexperiment(f)Powdercrystaldolomite,afterexperiment第42卷第4期季少聪等：雄安新区蓟县系雾迷山组地层水对白云岩溶蚀的模拟实验研究815蚀、扩展，最终呈一定程度连通。（3）溶蚀模拟实验表明，在 100140 范围存在一个保持较高溶蚀能力的温度窗口，这可能是研究区雾迷山组白云岩岩溶储层形成的有利温度区间。参考文献王贵玲,高俊,张保建,邢一飞,张薇,马峰.雄安新区高阳低凸起区雾迷山组热储特征与高产能地热井参数研究J.地质学报,2020,94（7）：1970-1980.WANG Guiling,GAO Jun,ZHANG Baojian,XING 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