鄂爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義

白斌，胡素云，陶士振

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

張道鋒

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

劉偉

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

楊文敬

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探部，陜西 西安 710018)

張寶民

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

劉新社，劉燕

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

熊平

(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

鄂爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義

白斌，胡素云，陶士振

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

張道鋒

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

劉偉

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

楊文敬

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探部，陜西 西安 710018)

張寶民

(中石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083)

劉新社，劉燕

(中石油長(zhǎng)慶油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

熊平

(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組(Om)發(fā)育典型膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系，其一、三、五段主要發(fā)育蒸發(fā)巖，二、四、六段多為碳酸鹽巖，表生溶蝕作用影響了鹽上馬家溝組五段(Om5)1～4亞段風(fēng)化殼儲(chǔ)層的形成與分布，成為靖邊大氣田主力產(chǎn)層。區(qū)內(nèi)對(duì)于膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲(chǔ)層巖溶效果定量評(píng)價(jià)較少，溶蝕模擬試驗(yàn)也多為溫度、巖石成份、巖石結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)等單因素對(duì)白云巖溶蝕機(jī)理的定性模擬。因此，以基于地質(zhì)條件下的溶蝕模擬試驗(yàn)為基礎(chǔ)，定量評(píng)價(jià)巖溶作用對(duì)膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響，指出在常壓、飽和CO2水(3%～15%)、氣溫30℃的封閉體系下膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合溶蝕量與膏鹽含量呈正相關(guān)關(guān)系，含鹽白云巖、含白云質(zhì)膏巖、白云質(zhì)膏巖、膏質(zhì)白云巖、含膏白云巖溶蝕率依次降低，溶蝕前后孔隙度至少增加6%。含鹽白云巖溶蝕率最高，達(dá)19.8%，含膏白云巖溶蝕率最低，僅為6.3%。據(jù)此提出含鹽白云巖、含白云質(zhì)膏巖等膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系是Om有利儲(chǔ)集巖，經(jīng)巖溶作用后孔隙度最高可提高6%～20%，從而較好地解釋了Om5含膏云坪相帶存在規(guī)模優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的原因，并為闡明膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系巖溶儲(chǔ)層形成機(jī)理及分布預(yù)測(cè)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

鄂爾多斯盆地;馬家溝組；膏鹽巖-碳酸鹽巖；表生巖溶

隨著全球古老碳酸鹽巖油氣田的勘探開(kāi)發(fā)，以蒸發(fā)巖蓋層為主的區(qū)帶擁有世界55%的石油探明儲(chǔ)量，保存條件一直成為膏鹽-碳酸鹽巖油氣藏研究的重點(diǎn)。中國(guó)膏鹽巖-碳酸鹽巖組合按照巖性組合與分布特征大體可以分為碳酸鹽巖-膏鹽-碳酸鹽巖、碳酸鹽巖-膏鹽互層與碳酸鹽巖-陸源碎屑-膏鹽巖(表1)。特別是鄂爾多斯盆地馬家溝組(Om)膏鹽巖與碳酸鹽巖交替互層，地臺(tái)陸緣淺海環(huán)境長(zhǎng)期的表生巖溶作用為膏鹽附近的風(fēng)化殼儲(chǔ)層形成提供了重要條件，受到了眾多油氣地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注[1～8]。對(duì)不同盆地膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層開(kāi)展了巖石學(xué)特征、成因機(jī)制、儲(chǔ)集性能評(píng)價(jià)、有利儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等多方面研究，對(duì)典型盆地膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因與儲(chǔ)集性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量解剖，明確了膏鹽巖-碳酸鹽巖自身儲(chǔ)層特征，指出巖溶作用是該類(lèi)儲(chǔ)層形成有效儲(chǔ)集空間的重要因素[1～17]。

但不同成份的膏鹽巖-碳酸鹽巖系列儲(chǔ)層, 對(duì)其表生巖溶作用溶蝕效果的定量評(píng)價(jià)較少，特別是不同礦物成份的膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層[18～20]。為準(zhǔn)確分析膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層在表生巖溶作用下的微觀結(jié)構(gòu)特征與儲(chǔ)集性能，該次研究基于我國(guó)盆地表生巖溶作用地質(zhì)條件，在不同類(lèi)型膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層物理溶蝕試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，定量表征溶蝕前后孔隙結(jié)構(gòu)，評(píng)價(jià)膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層表生巖溶效果，為解釋奧陶系膏鹽巖-碳酸鹽巖組合下古生界天然氣藏有利儲(chǔ)層成因機(jī)理與有效預(yù)測(cè)空間分布提供試驗(yàn)依據(jù)。

表1 中國(guó)膏鹽巖碳酸鹽巖組合主要特征

圖1 鄂爾多斯盆地中東部Om地層柱狀圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[4])

1 試驗(yàn)方法

溶蝕環(huán)境、礦物類(lèi)型、礦物含量等因素均影響膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲(chǔ)層表生巖溶作用效果，形成不同尺度的溶蝕孔隙，控制有利儲(chǔ)層發(fā)育特征[8，14～26]。因此，開(kāi)展基于地質(zhì)條件約束下的表生巖溶定量評(píng)價(jià)試驗(yàn)，首先需要確定發(fā)生表生巖溶試驗(yàn)的真實(shí)地質(zhì)條件，其次優(yōu)選不同類(lèi)型的膏鹽巖-碳酸鹽巖巖石組合，開(kāi)展物理模擬試驗(yàn)，利用N2吸附測(cè)試、CO2吸附測(cè)試、壓汞定量測(cè)試、掃描電鏡、CT三維掃描等多種表征技術(shù)，定量評(píng)價(jià)溶蝕前后儲(chǔ)層孔隙類(lèi)型、直徑、連通性和孔隙體積等參數(shù)差異，明確膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕效果。

1.1 樣品優(yōu)選與試驗(yàn)流程

鄂爾多斯盆地Om發(fā)育典型膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系，其一、三、五段主要發(fā)育硬石膏、石鹽、白云巖的蒸發(fā)巖組合，二、四、六段以塊狀石灰?guī)r為主，白云巖次之的沉積組合[1](圖1)。其中五段(Om5)是海退旋回形成的沉積地層。受次級(jí)海平面變化，Om5沉積表現(xiàn)出明顯的旋回性特征，由上而下又可進(jìn)一步細(xì)分為10個(gè)亞段，其中4、6、8、10亞段為膏鹽巖層段。

為進(jìn)一步深入分析風(fēng)化殼附近奧陶系膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲(chǔ)層溶蝕孔隙形成的過(guò)程與控制因素，該次試驗(yàn)根據(jù)膏鹽巖含量高低，依次采集鄂爾多斯盆地東部Om含鹽白云巖、含膏白云巖、含泥白云質(zhì)膏巖、白云質(zhì)膏巖、含白云質(zhì)膏巖等多種巖心樣品(礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2)，開(kāi)展7組模擬表生巖溶物理試驗(yàn)，對(duì)比分析溶蝕效果差異。其中，膏鹽巖顆粒多充填在含鹽白云巖、含膏白云巖孔隙，含泥白云質(zhì)膏巖、白云質(zhì)膏巖與含白云質(zhì)膏巖中硬石膏呈結(jié)核狀分布，儲(chǔ)層物性較好，孔隙度以1%～2%為主。

表2 鄂爾多斯盆地奧陶系膏鹽巖碳酸鹽巖模擬樣品礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表

具體試驗(yàn)流程如下：

1)篩選樣品 按照白云石、石鹽、方解石、石膏等主要礦物含量差異，優(yōu)選不同巖性樣品，制備直徑為1cm的圓柱樣品。

2)多方法定量測(cè)試溶蝕前儲(chǔ)集特征 膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層孔隙直徑存在厘米至微納米級(jí)孔隙、微裂縫。利用N2吸附、CO2吸附、壓汞定量測(cè)試分析為主，結(jié)合掃描電鏡觀測(cè)，綜合定量評(píng)價(jià)溶蝕前樣品孔隙直徑分布特征。

3)確定溶蝕條件 溫度與溶液性質(zhì)是影響碳酸鹽巖儲(chǔ)層封閉的主要因素，根據(jù)地質(zhì)歷史時(shí)期研究區(qū)板塊所處不同地理位置，確定地質(zhì)歷史溫度值。由于CO2對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕效果強(qiáng)，該次模擬主要借助地質(zhì)歷史時(shí)期大氣CO2含量來(lái)恢復(fù)研究區(qū)地表淋濾流體中的CO2含量，代表溶液流體性質(zhì)，巖溶前溶液pH值均處于6～6.4之間，呈弱酸性。

4)封閉環(huán)境下巖溶試驗(yàn) 根據(jù)研究區(qū)所處時(shí)代的地表溫度、流體性質(zhì)確定封閉環(huán)境下巖溶試驗(yàn)條件，依據(jù)樣品數(shù)量選取相應(yīng)的容器依次串聯(lián)，將統(tǒng)一稱重為50g的多塊樣品分別放入密封器中，加入去離子水500mL，讓CO2飽和流體，再利用導(dǎo)管插入密閉容器口，將多余CO2倒入下一個(gè)密閉器液體之下。按上述方法使每個(gè)容器內(nèi)溶液達(dá)到CO2過(guò)飽和，呈弱酸性。然后將容器統(tǒng)一放入烤箱，設(shè)置溫度和時(shí)間，完成溶蝕試驗(yàn)。

5)多方法定量測(cè)試溶蝕后儲(chǔ)集特征 利用N2吸附、CO2吸附、壓汞等多種方法對(duì)溶蝕后的膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層進(jìn)行定量測(cè)試，結(jié)合掃描電鏡、CT分析，綜合定量評(píng)價(jià)溶蝕后樣品孔隙大小分布及連通性。

6)定量評(píng)價(jià)溶蝕前后儲(chǔ)集特征 對(duì)比膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕前后孔隙特征，定量計(jì)算溶蝕孔隙量、溶蝕率以及孔隙直徑、連通性等，定量評(píng)價(jià)溶蝕效果。

7)溶蝕條件分析 依據(jù)膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕前后差異，結(jié)合溶蝕前后孔隙直徑、溶蝕空間、孔隙連通性等參數(shù)，分析封閉環(huán)境下控制膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖溶效果的影響因素，為評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層提供依據(jù)。

1.2 物理模擬試驗(yàn)條件

依據(jù)晚奧陶世-石炭紀(jì)，鄂爾多斯盆地所處地理位置所對(duì)應(yīng)的全球大氣環(huán)境，確定膏鹽巖-碳酸鹽巖組合儲(chǔ)層表生巖溶具體試驗(yàn)條件。借鑒前人恢復(fù)的全球古氣候資料[27～32]表明，晚石炭世至中晚奧陶世，鄂爾多斯盆地均處于南半球低緯度-赤道地區(qū)，屬于熱帶、亞熱帶氣候，地表溫度約30℃左右。同時(shí)依據(jù)地質(zhì)歷史時(shí)期大氣中CO2含量恢復(fù)結(jié)果表明，晚奧陶世-石炭紀(jì)全球大氣中CO2體積分?jǐn)?shù)普遍較高，處于6%～15%之間；其中奧陶紀(jì)平均達(dá)15%，是現(xiàn)今大氣CO2體積分?jǐn)?shù)的500倍，地表巖溶流體性質(zhì)呈現(xiàn)富CO2環(huán)境，具弱酸性特征。因此，鄂爾多斯盆地Om表生巖溶試驗(yàn)條件大致確定為常壓、飽和CO2水(6%～15%)和氣溫30℃。

2 膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合表生巖溶試驗(yàn)結(jié)果

鄂爾多斯盆地Om膏鹽巖-碳酸鹽巖組合表生巖溶模擬表明，溶蝕前后儲(chǔ)層孔隙直徑、體積以及連通性等特征均具有明顯改善(圖2)。

2.1 孔隙直徑

不同巖性的膏鹽巖-碳酸鹽巖組合溶蝕前孔隙直徑范圍為0.5～20μm，孔隙直徑差異較大。其中，溶蝕前膏巖與白云巖孔隙直徑相對(duì)較低，以晶間孔隙為主，直徑為1～2μm，面孔率分別為0.69%和1.67%。含膏白云巖孔隙直徑次之，發(fā)育晶間孔隙與溶蝕孔隙，面孔率為2.05%，石膏的孔隙直徑為1.5～5μm，白云石的孔隙直徑為1～6μm。含鹽白云巖孔隙直徑最大，面孔率達(dá)2.6%，石鹽發(fā)育2～10μm溶蝕孔隙，最大可達(dá)17μm，白云石微裂縫發(fā)育，孔隙直徑為15～20μm。

經(jīng)表生巖溶試驗(yàn)后，膏鹽巖-碳酸鹽巖組合孔隙直徑明顯增大，含鹽白云巖孔隙直徑由溶蝕前2μm增大至700～3000μm，含白云質(zhì)膏巖孔隙直徑由溶蝕前1μm增大至6.6～21μm，含膏白云巖孔隙直徑由0.582μm增大至23μm。

圖2 表生巖溶前后膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合巖石孔隙特征

圖3 白云質(zhì)膏巖溶蝕前(a)、后(b)孔隙三維分布圖

2.2 孔隙連通性

圖4 膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合不同巖性溶蝕率與礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)圖

表生巖溶作用對(duì)鄂爾多斯Om膏鹽巖-碳酸鹽巖組合孔隙連通性也具有明顯促進(jìn)作用，白云質(zhì)膏巖溶蝕前樣品微觀孔隙整體小，孔隙相對(duì)孤立，連通性差(圖3(a))。在對(duì)表生巖溶后的膏鹽巖-碳酸鹽巖樣品進(jìn)行72h的CT三維掃描，獲取7200張圖像，經(jīng)數(shù)值三維重構(gòu)可見(jiàn)大量具有網(wǎng)狀分布的連通孔隙(圖3(b))。利用數(shù)值重構(gòu)分析不同直徑孔隙對(duì)應(yīng)體積以及孔隙連通性表明，10～50μm的孔隙連通性增強(qiáng)最為明顯，其次5～10μm孔隙連通性受巖溶控制，連通性自樣品表層向內(nèi)部逐漸減弱。

2.3 溶蝕前后孔隙體積變化

根據(jù)膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合不同巖性樣品溶蝕前后重量，可分別計(jì)算溶蝕量與溶蝕率。其中，含鹽白云巖溶蝕率最高，達(dá)19.8%，含白云質(zhì)膏巖次之，為10.3%，白云質(zhì)膏巖溶蝕率介于8.2%～6.9%，含膏白云巖溶蝕率為6.3%。溶蝕量與膏鹽含量呈正相關(guān)關(guān)系，膏鹽巖-碳酸鹽巖組合中膏巖比白云巖更易溶解(圖4)。

表3 膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶后液體成分統(tǒng)計(jì)表

3 討論

膏鹽巖-碳酸鹽巖表生巖溶效果受礦物成份、溶蝕溶度、壓力、溶液性質(zhì)、時(shí)間、流體封閉性等多種因素控制[13～16]。在常壓、飽和CO2水(3%～15%)、氣溫30℃的封閉體系下，對(duì)礦物含量與溶蝕率、孔隙度相關(guān)性分析表明，膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系中石鹽最易溶蝕，其次膏巖比白云巖易溶解。

但由于該次試驗(yàn)是在封閉環(huán)境下定量探討膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層表生溶蝕效果，較少考慮溶蝕時(shí)間與溶液流動(dòng)性等因素對(duì)溶蝕量的影響。通過(guò)微米CT三維掃描成像可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)120h的恒溫溶蝕，內(nèi)部溶蝕效果較差，1cm圓柱體僅在邊部260μm存在明顯溶蝕現(xiàn)象。然而，鄂爾多斯盆地奧陶系溶蝕約150Ma，溶蝕量應(yīng)較為可觀，儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力值得高度重視。

同時(shí)對(duì)灰?guī)r與泥粉晶白云巖分別開(kāi)展了封閉體系與開(kāi)放體系表生溶蝕試驗(yàn)表明，灰?guī)r溶蝕率僅為2.9%，泥粉晶白云巖孔隙直徑由溶蝕前5～50nm，增大至溶蝕后10nm～50μm，孔隙度由溶蝕前的0.75%升至溶蝕后4.2%，可見(jiàn)開(kāi)放流動(dòng)的溶蝕環(huán)境對(duì)于膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層儲(chǔ)集性能提高也具有重要意義[33]。

4 結(jié)論及意義

1)膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕效果受巖性、溫度、壓力、流體性質(zhì)以及流體流動(dòng)參數(shù)等因素聯(lián)合控制。在溶蝕條件相同情況下，膏鹽巖-碳酸鹽巖儲(chǔ)層中硬石膏結(jié)核等易溶蝕膏鹽礦物含量決定了溶蝕率的高低, 儲(chǔ)集性能與硬石膏結(jié)核等膏鹽礦物含量呈正相關(guān)關(guān)系。

2)鄂爾多斯Om5內(nèi)部縱向上4、6、8和10亞段等4個(gè)膏鹽巖層段內(nèi)仍然發(fā)育有利的白云巖儲(chǔ)層，進(jìn)一步拓寬了盆地勘探的層系。

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2016-10-12

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX05004)；中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院青年基金項(xiàng)目(2012Y—007);湖北省自然基金項(xiàng)目(2013CFB394)。

白斌(1981-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事沉積儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究，baibin81@petrochina.com.cn。

TE122.2

A

1673-1409(2017)3-0007-06

[引著格式]白斌，胡素云，陶士振，等.爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(3):7～12.