秦南凹陷陡坡帶Q29構(gòu)造含CO2凝析氣藏儲(chǔ)層特征及成因

臧春艷，王清斌

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津 300452）

秦南凹陷陡坡帶Q29構(gòu)造含CO2凝析氣藏儲(chǔ)層特征及成因

臧春艷1，王清斌2

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300457；
2.中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海油田勘探開發(fā)研究院，天津 300452）

摘 要：秦南凹陷陡坡帶Q29構(gòu)造含CO2凝析氣藏，片鈉鋁石不發(fā)育，物性好，與傳統(tǒng)含CO2儲(chǔ)層有較大差別。通過偏光顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射、同位素分析等，明確了CO2成因，含CO2儲(chǔ)層特征及儲(chǔ)層高孔滲成因。研究區(qū)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～59%，δ13CCO2值為-5.2‰～-6.4‰（PDB），R/Ra為3.9～4.4，具有明顯的巖漿-幔源特征；CO2熱流體侵位后成巖共生組合為次生加大石英+自生石英+自生高嶺石；CO2熱流體侵入后加劇了溶蝕作用，含CO2儲(chǔ)層段次生孔隙比例較高；與同成巖階段不含CO2的儲(chǔ)層相比，自生高嶺石相對含量高，伊利石相對含量低；CO2熱流體對碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕并重新分配，有利于主儲(chǔ)層段物性改善；由于受多期酸性流體侵位影響，儲(chǔ)層中片鈉鋁石含量低、結(jié)晶差，對儲(chǔ)層物性影響小。上述原因是含CO2儲(chǔ)層高孔滲的主要原因。

關(guān)鍵詞：秦南凹陷；幔源CO2；優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；Q29構(gòu)造；含CO2凝析氣藏

E-mail：zangchy@cnooc.com.cn。

The Genesis and Characteristics of CO2-bearing Condensate Gas Reservoir in Q29 Structure in the Actic Area, Qinnan Depression, Bohai Bay Basin

ZANG Chunyan1, WANG Qingbin2

（1. Drilling & Production Co. of Subsidiary of CNOOC Enegy Technology & Services Ltd., Tianjin 300457, China;
2. Exploration and Development Research Institute of Bohai Oil Field of Tianjin Branch of CNOOC Ltd., Tianjin 300452, China）

Abstract:CO2-bearing condensate gas reservoir in Q29 Structure in Qinnan depression, is characterized by good physical property, low level of dawsonite, which is different from most of CO2-bearing reservoir. Through analysis with polarizing microscope, scanning electron microscope, X-ray diffraction and isotope analysis, etc, the genesis of CO2and origin of CO2-bearing high-quality reservoir have been made clear. In the study area, the content of CO2ranges from 25% to 59%, the value of δ13CCO2is from -5.2‰to -6.4‰(PDB) and the R/Ra is from 3.9 to 4.4, all of which are the obvious features of mantle origin magma. The diagenesis paragenetic association are composed of overgrowth quartz, authigenic quartz and authigenic kaolinite after the incursion of the thermal fluid of CO2, which increased reservoir dissolution. Therefore, the secondary pores are well developed in CO2-bearing reservoir. Compared with the reservoir without bearing CO2developed at the same diagenetic stage, the relative content of authigenic kaolinite is higher and the content of illite is lower in CO2-bearing reservoir. The dissolution and redistribution of carbonate cementation made by the thermal fluid of CO2are favorable for the improvement of physical properties of main reservoir. For multiperiod acidic fluid invasion, the content of dawsonite cementation is low and poorly crystallization, which has little influence on reservoir. All of above are the main reasons for the higher porosity and high permeability in CO2-bearing reservoir.

Keywords:Qinnan depression; mantle-derived CO2; high quality reservoirs; Q29 Structure; CO2-bearing condensate gas reservoir

中國東部含油氣盆地發(fā)現(xiàn)了32個(gè)CO2氣藏[1]。目前，對CO2氣藏的研究多側(cè)重于含CO2儲(chǔ)層巖石學(xué)特征方面，尤其是與CO2伴生的片鈉鋁石的研究取得了較大進(jìn)展，CO2熱流體對儲(chǔ)層的改造作用研究更多側(cè)重于CO2注采技術(shù)和CO2地下貯藏角度。實(shí)際上，CO2流體充注作為重要的“事件”，其對儲(chǔ)層的影響無疑是十分重要的。研究區(qū)含CO2儲(chǔ)層埋深大，片鈉鋁石膠結(jié)不發(fā)育，儲(chǔ)層雖然埋深較大，但高孔滲特點(diǎn)突出，這一點(diǎn)與多數(shù)含CO2儲(chǔ)層有著較大差別，落實(shí)該區(qū)塊優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的成因?qū)τ诓澈Ｉ顚觾?yōu)質(zhì)儲(chǔ)層勘探具有重要指導(dǎo)意義。

1　研究區(qū)概況

Q29構(gòu)造位于石臼坨凸起北側(cè)邊界斷裂下降盤，南依石臼坨凸起，北鄰秦南凹陷，緊鄰秦南凹陷邊界大斷層（圖1）。埋深3 200 m以下的沙河街組一、二段發(fā)育富含CO2的構(gòu)造層狀凝析氣藏，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)44.5%～52%，探明儲(chǔ)量超過40×108m3。

圖1　Q29構(gòu)造區(qū)域地質(zhì)概況

2　CO2氣成因

戴金星等研究表明，根據(jù)氣藏CO2的體積分?jǐn)?shù)和碳同位素可區(qū)別出有機(jī)和無機(jī)成因的CO2，并區(qū)分CO2的來源。有機(jī)成因的CO2其體積分?jǐn)?shù)常低于20%，δ13CCO2值通常小于-10‰（PDB），巖漿-幔源的CO2體積分?jǐn)?shù)高，通常超過60%，δ13CCO2值較大，通常大于-8‰（PDB），巖漿-幔源的CO2氣體δ13CCO2值大多數(shù)為-6‰（PDB）±-2‰；無機(jī)成因的CO2氣藏常伴生較高含量的氦，φ （3He）/φ （4He）值大于4×10-6，R/Ra值較高，常大于3；φ （40Ar）/φ （36Ar）值也高達(dá)3[2～6]。

Q29-1井沙河街組一、二段儲(chǔ)層，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%～59%，δ13CCO2值-5.2‰～-6.4‰（PDB），處在無機(jī)成因的CO2的主要分布范圍內(nèi)（-3‰～-8‰）[4]，而遠(yuǎn)離有機(jī)成因的CO2分布范圍（-10‰～-30‰）[4]，φ （3He）/φ （4He）值為5.5×10-6～6.2×10-6，R/Ra為3.9～4.4，具有明顯的巖漿-幔源特征；在CO2成因投點(diǎn)圖上（圖2），Q29-1井沙河街組一、二段氣藏樣品都投在巖漿-幔源成因區(qū)間，該氣藏的有機(jī)成因的CO2主要為巖漿-幔源成因。

圖2　CO2成因分類（據(jù)文獻(xiàn)[2]修改）

3　儲(chǔ)層礦物特征及成巖序列

3.1 黏土礦物特征

Q29-2井沙河街組一、二段含CO2儲(chǔ)層段自生高嶺石極發(fā)育，平均占儲(chǔ)層黏土礦物的70%，與儲(chǔ)層段上下的泥巖對比，高嶺石異常特征十分突出（表1），與同層位，相近深度的含油砂巖相比其高嶺石相對含量高出20%～40%。高嶺石自形程度好，自生特征明顯（圖3a、3b）。掃描電鏡觀察表明，儲(chǔ)層段石英加大較發(fā)育，常見自形程度較好的石英充填孔隙或加大生長。與處于同一成巖階段的其他含油儲(chǔ)層相比，研究區(qū)CO2儲(chǔ)層段的砂巖黏土礦物的伊利石相對含量較低，平均僅為13%（表1），這與中成巖AⅡ～B期儲(chǔ)層黏土礦物的一般特點(diǎn)是不相符的，與處于同一成

巖階段的其它含油儲(chǔ)層相比低20%～35%。造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)橛袡C(jī)酸、烴類和幔源CO2流體多期侵位，流體處于弱酸性的時(shí)間較長有利于高嶺石相對發(fā)育和保存，而伊利石發(fā)育受到了抑制。

圖3　Q29-2井儲(chǔ)層段自生高嶺石

表1　Q29-2井CO2儲(chǔ)層段砂巖和相近深度泥巖黏土礦物相對含量對比表

圖4　片鈉鋁石X-衍射譜圖

3.2 片鈉鋁石特征

富含CO2的儲(chǔ)層段一般富含片鈉鋁石膠結(jié)物，并且常見片鈉鋁石膠結(jié)孔隙，交代碎屑顆?，F(xiàn)象[7]。對Q29-1井儲(chǔ)層段砂巖薄片和掃描電鏡中都未見片鈉鋁石，通過X衍射精細(xì)分析，見到了片鈉鋁石峰（圖4），但含量很低。一般認(rèn)為，片鈉鋁石形成于富含鈉、鋁離子，堿性—弱酸性流體，高CO2分壓的條件下[7,8]。這一條件在CO2氣藏中是很容易達(dá)到的，未出現(xiàn)明顯的片鈉鋁石膠結(jié)、交代，推測有以下原因：（1）油氣運(yùn)移和CO2熱流體侵位發(fā)生均較晚，儲(chǔ)層多期酸性流體侵位，偏酸性環(huán)境中片鈉鋁石難形成；（2）儲(chǔ)層溫度較高，片鈉鋁石穩(wěn)定性差，不易形成和保存。片鈉鋁石在低于100℃的條件下可以穩(wěn)定存在，在地層水與含片鈉鋁石砂巖相互作用實(shí)驗(yàn)中，100℃時(shí)即可觀察到片鈉鋁石的溶蝕現(xiàn)象，150℃時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈溶解[9]。研究區(qū)Q29-2井沙河街組一、二段儲(chǔ)層溫度都在113℃以上，3 300 m以下的儲(chǔ)層段，地層溫度達(dá)到120℃（表2）,片鈉鋁石在這一溫度下可能不

易形成和保存。

表2　Q29-2井沙河街組一、二段含CO2儲(chǔ)層段地層溫度

3.3 成巖序列及礦物共生組合

壓實(shí)作用是砂巖最早進(jìn)行的成巖作用，含CO2氣儲(chǔ)層段砂巖負(fù)膠結(jié)物孔隙度一般小于30%，與砂巖初始孔隙度38%～40%相比，壓實(shí)作用至少造成10%左右的孔隙的損失。

包裹體和激光拉曼分析表明，含CO2包裹體與油氣包裹體同期產(chǎn)出，也檢測到了含CO2和烴類的包裹體，CO2流體和油氣近同期侵位，成藏時(shí)間均晚于5.1 Ma。CO2流體注入前形成的自生礦物組合主要為高嶺石和次生加大石英，主要是由有機(jī)酸溶蝕長石產(chǎn)生，CO2注入后加劇了長石和碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕作用，自生高嶺石和次生加大石英、自生石英進(jìn)一步發(fā)育，導(dǎo)致了儲(chǔ)層中高嶺石含量較高。研究區(qū)沙河街組一、二段主要為晚期成藏，由于油氣和CO2的晚期補(bǔ)給，儲(chǔ)層流體處在弱酸性環(huán)境的時(shí)間較長，有利于高嶺石的發(fā)育和保存，而不利于伊利石的發(fā)育，造成儲(chǔ)層中伊利石相對含量明顯偏低。由于孔隙流體環(huán)境和儲(chǔ)層溫度的限制，片鈉鋁石在儲(chǔ)層中并不發(fā)育。CO2流體溶蝕的碳酸鹽在儲(chǔ)層中重新分配，并在后期重新沉淀。成巖共生序列如圖5。

圖5　秦南凹陷Q29構(gòu)造沙一、二段凝析氣藏砂巖成巖共生序列

4　優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層成因探討

4.1 儲(chǔ)層物性特征

孔隙統(tǒng)計(jì)表明，顆粒溶蝕型次生孔隙占全部孔隙的7%～33%，平均值16%（表3）。Q29-2井含CO2儲(chǔ)層段孔隙度和滲透率均較高，以渤中坳陷3 000 m以下儲(chǔ)層物性作為背景值與本井段物性對比，該儲(chǔ)層段物性明顯偏向滲透率軸，高滲特征明顯，最高滲透率超過6 000×10-3μm2（圖6）。

表3　含CO2儲(chǔ)層段砂巖孔隙類型分析

圖6　含CO2儲(chǔ)層段砂巖物性與渤中坳陷埋深大于3 000 m砂巖物性對比

4.2 溶蝕作用對儲(chǔ)層的貢獻(xiàn)

CO2熱流體進(jìn)入儲(chǔ)層后會(huì)帶來長石及碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕。CO2驅(qū)油技術(shù)在石油開采中已被廣泛采用，并日趨成熟。注入CO2后地層水pH值顯著降低，地層水中金屬離子顯著增加[10]。實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著溫度提高，鈉長石、方解石、鐵方解石出現(xiàn)了明顯溶蝕，并隨溫度增加溶蝕強(qiáng)度增大[1]。白云石、鐵白云石膠結(jié)物在CO2-H2O體系中也會(huì)發(fā)生溶蝕[11-13]?；瘜W(xué)反應(yīng)式如下[1,11-15]：

通過掃描電鏡及鑄體薄片分析，含CO2儲(chǔ)層段見到了大量長石的溶蝕現(xiàn)象（圖7），儲(chǔ)層段伊蒙混層中蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～35%之間，處在中成巖AⅡ期，有機(jī)酸的溶蝕作用對儲(chǔ)層也應(yīng)該有所貢獻(xiàn)，溶蝕作用是兩者共同作用的結(jié)果，由于CO2熱流體規(guī)模巨大，CO2熱流體侵位后是溶蝕作用的主要時(shí)期。碳酸鹽膠結(jié)物的溶蝕作用主要發(fā)生在CO2熱流體侵位的早期，隨著孔隙流體pH值升高，將發(fā)生碳酸鹽的再次沉淀膠結(jié)。

圖7　Q29-2井含CO2儲(chǔ)層段長石的溶蝕

圖8　Q29-2井凝析氣層段砂巖“頂鈣膠結(jié)”

4.3 CO2熱流體對碳酸鹽膠結(jié)物的重新分配作用

CO2熱流體進(jìn)入儲(chǔ)層后碳酸鹽膠結(jié)物發(fā)生溶蝕，溶蝕產(chǎn)生的鈣、鎂、鐵離子將以難溶的碳酸鹽形式沉淀[1]，通過巖心的每10～15 cm一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行了碳酸鹽含量的詳細(xì)測量，Q29-2井沙河街組一、二段CO2儲(chǔ)層段中觀察到了明顯的“頂鈣膠結(jié)”現(xiàn)象，“頂鈣膠結(jié)”位置巖性相對主儲(chǔ)層段砂巖粒度較細(xì)，碳酸鹽強(qiáng)膠結(jié)帶向下漸變?yōu)槿跄z結(jié)帶（圖8）。主要儲(chǔ)層段碳酸鹽含量較低，一般低于5%，儲(chǔ)層段砂巖的頂部碳酸鹽含量較高，最高可達(dá)到

36%。膠結(jié)物以亮晶方解石為主，含少量白云石，應(yīng)主要為晚期膠結(jié)產(chǎn)物。儲(chǔ)層段上、下的碳酸鹽膠結(jié)作用主要受控于流體熱對流效應(yīng)和砂體的滲透率。一般來說，熱流體的侵入帶來儲(chǔ)層流體熱波動(dòng)往往更容易引起儲(chǔ)層內(nèi)的熱對流效應(yīng)，同一砂體鈣質(zhì)更易在相對低滲透率的儲(chǔ)層段沉淀，但兩者都是以CO2流體引起鈣質(zhì)溶蝕為前提的，溶蝕下來的金屬離子以熱對流為動(dòng)力在砂體的頂部或底部及滲透率相對較低的砂層段沉淀，鈣質(zhì)的重新分配有利于主儲(chǔ)層段物性的改善。

4.4 黏土礦物對儲(chǔ)層物性的影響

很多研究表明，高嶺石含量與滲透率往往呈正相關(guān)，而與伊利石含量呈負(fù)相關(guān)[13]。這主要是由于兩類黏土礦物發(fā)育特點(diǎn)決定的，伊利石發(fā)育會(huì)堵塞孔隙吼道，而高嶺石以孔隙充填為主，對孔隙吼道影響小。儲(chǔ)層高滲的特征與伊利石不發(fā)育，而高嶺石大量發(fā)育是密切相關(guān)的，CO2流體對抑制伊利石發(fā)育貢獻(xiàn)較大。

另外，由于儲(chǔ)層受多期酸性流體及儲(chǔ)層溫度的影響，儲(chǔ)層中片鈉鋁石含量低，與片鈉鋁石共生的鐵白云石也沒有大量出現(xiàn)，這兩類礦物對儲(chǔ)層破壞作用小是儲(chǔ)層能夠保持較高孔滲的重要原因。

5　結(jié)論

（1）秦南凹陷陡坡帶Q29構(gòu)造沙河街組一、二段含CO2凝析氣層中CO2主要為幔源成因。

（2）含CO2儲(chǔ)層高嶺石含量高，伊利石含量低，次生孔隙發(fā)育，主儲(chǔ)層段砂巖碳酸鹽含量低；CO2熱流體侵位后的成巖共生組合為次生加大石英+自生石英+自生高嶺石，后期成巖共生組合為少量片鈉鋁石+碳酸鹽膠結(jié)物。

（3）含CO2儲(chǔ)層高孔滲的主要原因：①CO2成藏晚，儲(chǔ)層長期偏酸性流體環(huán)境，儲(chǔ)層溫度高等因素不利于片鈉鋁石發(fā)育，片鈉鋁石含量低、結(jié)晶差，對儲(chǔ)層物性影響小；②CO2熱流體侵位加強(qiáng)了長石的溶蝕作用，對碳酸鹽膠結(jié)物溶蝕、重新分配改善了主儲(chǔ)層段物性；③CO2流體侵位抑制了伊利石的發(fā)育，有利于高嶺石發(fā)育，對儲(chǔ)層滲透率貢獻(xiàn)較大。

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作者簡介：第一臧春艷，女，1976年生，工程師，碩士，石油地質(zhì)專業(yè)，主要從事儲(chǔ)層評價(jià)與研究工作。

收稿日期：2014-04-26；改回日期：2014-08-21

基金項(xiàng)目：國家科技重大專項(xiàng)“中國近海富烴凹陷再評價(jià)和新區(qū)新領(lǐng)域勘探方向”（2008ZX05023-001-004）。

文章編號(hào)：1008-2336（2015）01-0016-06

中圖分類號(hào)：TE122.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2015.01.016