塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖地層水化學(xué)特征及儲(chǔ)層響應(yīng)*

楊春龍 謝增業(yè) 董才源 國(guó)建英 張 璐 劉知鑫

(1. 中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院 河北廊坊 065007; 2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司天然氣成藏與開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北廊坊 065007;3. 中國(guó)石油集團(tuán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 北京 100724)

巖溶成因碳酸鹽巖儲(chǔ)層的發(fā)育一直是石油地質(zhì)家探索的問(wèn)題之一，而地層水(包括有機(jī)酸)對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕起到了至關(guān)重要的作用。前人關(guān)于地層水的研究主要有：①將地層水分為NaHCO3型、Na2SO4型、MgCl2型、CaCl2型等4類(lèi)，并運(yùn)用地層水的地球化學(xué)特性找油[1]；②通過(guò)各離子濃度、離子系數(shù)分布研究其對(duì)油氣運(yùn)移、聚集、成藏的影響[2-3]；③不同碳酸鹽巖油藏對(duì)地層水的特征變化具有控制作用[4];④從化學(xué)熱力學(xué)角度分析碳酸鹽巖溶蝕機(jī)制[5-6],并進(jìn)行相關(guān)模擬實(shí)驗(yàn)，包括柱塞式反應(yīng)釜模擬流體與巖石表面的反應(yīng)[7]，以及覆壓下使流體在巖石內(nèi)部空隙中運(yùn)移以更大、更真實(shí)的接觸面積模擬碳酸鹽巖與地層水的反應(yīng)[8]。巖溶的識(shí)別主要通過(guò)不整合面、巖溶孔洞以及內(nèi)部充填礦物[9]。

英買(mǎi)2地區(qū)是奧陶系內(nèi)幕受儲(chǔ)層控制的非均質(zhì)油藏分布區(qū)，油氣儲(chǔ)集空間主要集中在溶蝕孔洞和構(gòu)造裂縫中，其中溶蝕孔洞在儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間中占有重要地位，屬于巖溶性?xún)?chǔ)層。關(guān)于英買(mǎi)2地區(qū)碳酸鹽儲(chǔ)層與地層水關(guān)系的研究主要集中在地層水與油氣成藏關(guān)系的研究，巖溶作用的類(lèi)型、期次研究[10-12]以及結(jié)合巖石特征、包裹體、同位素等證據(jù)證明大氣水或熱液沿?cái)嗔鸦虿徽线\(yùn)移，并對(duì)流經(jīng)的碳酸鹽巖進(jìn)行溶蝕[13-14]。地層水在對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層溶蝕作用后，儲(chǔ)層物性變好，地層水礦化度隨之發(fā)生變化，而對(duì)于該地區(qū)現(xiàn)今儲(chǔ)層中地層水pH值、Ca2+濃度、主要離子系數(shù)的相關(guān)關(guān)系及儲(chǔ)層對(duì)地層水化學(xué)特征的響應(yīng)研究較少。

本文在充分認(rèn)識(shí)英買(mǎi)2地區(qū)的地質(zhì)背景與巖溶模式的基礎(chǔ)上，弱化對(duì)多期次、多因素的探究，著重對(duì)綜合因素疊加后地層水所反映的結(jié)果的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，得出非均質(zhì)性碳酸鹽巖儲(chǔ)層分布對(duì)地層水Ca2+濃度及pH值的響應(yīng)。本文研究結(jié)果對(duì)塔北隆起碳酸鹽巖儲(chǔ)層的認(rèn)識(shí)及預(yù)測(cè)有一定的指導(dǎo)作用。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

英買(mǎi)2地區(qū)位于塔里木盆地塔北隆起英買(mǎi)力低凸起南部，整體表現(xiàn)為寒武系鹽上大型穹窿背斜，是海西—印支期多期擠壓褶皺變形形成的繼承性古構(gòu)造，中生界覆于其上形成披覆構(gòu)造。英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系油藏為地層內(nèi)幕受儲(chǔ)層控制的超深層非均質(zhì)油藏，屬于海相油，油氣主要來(lái)源于南部的滿(mǎn)加爾凹陷[15]；一間房組為主力儲(chǔ)層，鷹山組次之；油氣儲(chǔ)集空間主要集中在溶蝕孔洞和構(gòu)造裂縫中，儲(chǔ)層分布非均質(zhì)性極強(qiáng)，油藏內(nèi)部連通性較差，由多個(gè)油水單元組成，具有“一井一藏”的特點(diǎn)。

英買(mǎi)2地區(qū)斷裂十分發(fā)育，主要發(fā)育3組：一組為NNE向走滑斷裂，另外兩組為NNW和NWW向小型斷裂(圖1)。其中,NNE向大型走滑斷裂延伸較遠(yuǎn)，切穿中上寒武統(tǒng)到志留系，直至三疊系下伏的大型不整合面，主要為加里東期形成的斷裂，并持續(xù)活動(dòng)；NNW和NWW向小型斷裂圍繞構(gòu)造高點(diǎn)發(fā)育，主要切割?yuàn)W陶系，形成于海西期末，其特點(diǎn)是廣泛分布、分支眾多[11]。依據(jù)不同斷層性質(zhì)及其延伸情況，可將英買(mǎi)2地區(qū)劃分為4個(gè)縫洞帶(圖1)，其中英買(mǎi)2-12縫洞帶受NE向走滑斷裂和NW向小型斷裂共同控制，斷裂發(fā)育最多；其余3個(gè)縫洞帶斷裂發(fā)育相對(duì)較少，主要受單向斷裂控制，雙向斷裂控制較少。該區(qū)大型斷裂及裂縫十分發(fā)育，有利于地層水的流動(dòng)，為地層水對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用創(chuàng)造了良好條件，使地層水與儲(chǔ)層能夠充分接觸，改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集物性。

圖1 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)構(gòu)造綱要

地層系統(tǒng)組段厚度(YM2井)/m巖性特征志留系下統(tǒng) 599.5粉細(xì)砂巖、細(xì)砂巖、泥巖桑塔木組碎屑巖段452.5灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥巖夾輝綠巖上統(tǒng)良里塔格組瘤狀灰?guī)r段18.0泥灰?guī)r夾瘤狀灰?guī)r、泥晶灰?guī)r吐木休克組泥灰?guī)r段31.0紫紅色灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥晶灰?guī)r奧陶系中統(tǒng)一間房組鮞?；?guī)r段42.0大套灰褐色泥晶灰?guī)r夾生屑灰?guī)r中下統(tǒng)鷹山組鷹1段240.0大套灰褐色泥晶灰?guī)r夾燧石結(jié)核灰?guī)r鷹2段120.0灰色泥晶灰?guī)r、粉屑泥晶灰?guī)r為主,夾砂屑灰?guī)r薄層

英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系沉積序列較完整(表1)，其中一間房組儲(chǔ)層主要為亮晶鮞粒灰?guī)r、亮晶生屑灰?guī)r，下伏地層鷹山組儲(chǔ)集巖主要為泥晶灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r，而上覆地層吐木休克組、良里塔格組和桑塔木組均富含泥質(zhì)，其上覆蓋志留系碎屑巖。中奧陶統(tǒng)之上發(fā)育多套不整合面，其中一間房組頂對(duì)應(yīng)中加里東期第一幕運(yùn)動(dòng)，巖心顯示存在暴露但時(shí)間跨度很短；桑塔木組頂為一角度不整合面，對(duì)應(yīng)中加里東期第三幕運(yùn)動(dòng)；志留系頂為一大型角度不整合面，經(jīng)歷了晚加里東期—晚海西期長(zhǎng)時(shí)間的風(fēng)化剝蝕[10，16]。英買(mǎi)2地區(qū)儲(chǔ)蓋條件良好，有利于油氣聚集成藏，奧陶系是最重要的勘探目的層。

2 地層水化學(xué)特征

2.1 地層水化學(xué)成分

共取得英買(mǎi)2地區(qū)19口井的66個(gè)奧陶系地層水?dāng)?shù)據(jù)，與現(xiàn)今海水相比具有以下特點(diǎn)(表2)：①高礦化度，所取樣品礦化度為70 000～130 000 mg/L，為海水的2～4倍(平均2.7倍)，其中YM2-H26井礦化度高達(dá)248 000 mg/L。②陽(yáng)離子主要為Na++K+，其次為Ca2+、Mg2+，部分井含有Ba2+、Sr2+，其中Na++K+濃度為10 000～30 000 mg/L,一般為現(xiàn)今海水的2倍左右，與塔中地區(qū)相似;Ca2+平均濃度為13 400 mg/L，約為現(xiàn)今海水的32倍，而塔中地區(qū)Ca2+平均濃度為9 277 mg/L，約為現(xiàn)今海水的9～20倍[1]，Mg2+濃度遠(yuǎn)低于現(xiàn)今海水，平均值為601 mg/L，約為現(xiàn)今海水的一半左右，整體呈現(xiàn)明顯的Mg2+虧損與Ca2+相對(duì)富集。③陰離子中Cl-平均濃度最高，為48 100 mg/L，占總礦化度的一半以上，平均值為海水的2.5倍，其次為SO42-、HCO3-、CO32-，其中SO42-平均濃度僅為海水的1/4，HCO3-平均濃度為海水的2.5倍，CO32-濃度較低，多數(shù)井為零。④所取樣品水型均為CaCl2型，該類(lèi)型地層水多存在于與地表隔絕良好的封閉構(gòu)造中。英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水的高礦化度和主要陰陽(yáng)離子濃度變化范圍很大，與現(xiàn)今海水的離子比例有明顯差別，結(jié)合曾濺輝 等[2]對(duì)塔中地區(qū)奧陶系地層水的研究對(duì)比，反映了該區(qū)地層水與巖石較強(qiáng)的相互作用。

表2 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水化學(xué)成分組成

由英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水與現(xiàn)今海水各離子濃度與占總礦化度的比例對(duì)比(表2)可以看出，特征最明顯的是Ca2+，無(wú)論在濃度上還是占總礦化度的比例上都達(dá)到了現(xiàn)今海水的十幾到幾十倍，這表明該地區(qū)地層水經(jīng)過(guò)了強(qiáng)烈的陽(yáng)離子交換和水巖相互作用。范明 等[5]通過(guò)對(duì)不同溫度條件下CO2水溶液對(duì)碳酸鹽巖的溶蝕作用實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)60～90 ℃之間溶蝕能力最強(qiáng)，且白云巖在各個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)均比灰?guī)r難溶蝕。于炳松 等[6]從化學(xué)熱力學(xué)角度分析，得出地層水溶蝕碳酸鹽巖儲(chǔ)層后Ca2+與Mg2+濃度升高明顯，儲(chǔ)集物性明顯變好，因此，英買(mǎi)2地區(qū)地層水Ca2+的富集和Mg2+的相對(duì)虧損，其原因是該區(qū)儲(chǔ)層以灰?guī)r為主，最終在斷裂的溝通下形成了CaCl2型地層水和現(xiàn)今的油氣儲(chǔ)集空間。

2.2 地層水離子比例系數(shù)

研究地層水所處的地球化學(xué)環(huán)境和水巖相互作用強(qiáng)度，一般常用的離子比例系數(shù)有鈉氯系數(shù)、脫硫酸系數(shù)和變質(zhì)系數(shù)[17]。一般來(lái)說(shuō)，海水的鈉氯系數(shù)(rNa+/rCl-)值大約為0.85，經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交替吸附和強(qiáng)烈水巖相互作用的沉積水rNa+/rCl-值變小，基本小于0.85，受大氣降水淋濾作用影響的地下水rNa+/rCl-值大于1.0。脫硫酸系數(shù)(rSO42-×100/rCl-)表征脫硫酸作用的強(qiáng)度，作用完全時(shí)此系數(shù)為0，表明封閉程度好，水巖相互作用強(qiáng)。變質(zhì)系數(shù)[(rCl--rNa+)/rMg2+]值越大，表明封閉程度越好，水巖相互作用越強(qiáng)；該系數(shù)為負(fù)值時(shí)，表明可能受到大氣降水的影響[2,17]。

英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水的鈉氯系數(shù)全部小于0.85(表3)，平均值為0.38;脫硫酸系數(shù)少數(shù)大于1，脫硫酸不完全，其余均接近于0，平均值為0.57;變質(zhì)系數(shù)很大，平均值為68.77。這表明該區(qū)地層封閉性很好，陽(yáng)離子交替吸附和水巖相互作用都比較強(qiáng)烈。英買(mǎi)2地區(qū)主力產(chǎn)層一間房組沉積期后經(jīng)歷了非常短暫的暴露，未形成大型的不整合面，所以大氣水淋濾的影響較小，上述地層水鈉氯系數(shù)和變質(zhì)系數(shù)特征也很好地支持了這一觀點(diǎn)。

表3 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)地層水離子比例系數(shù)

2.3 地層水pH值與特征離子及離子比例系數(shù)的關(guān)系

油田水中的HCO3-主要來(lái)源于成巖過(guò)程中經(jīng)過(guò)有機(jī)質(zhì)分解而來(lái)的CO2，其化學(xué)反應(yīng)式為

H2O+CO2H2CO3

(1)

H2CO3HCO3-+H+

(2)

HCO3-+H+2H++CO32-

(3)

當(dāng)pH值為5.0時(shí)，式(1)成立；當(dāng)pH值為6.3時(shí)，式(2)成立；當(dāng)pH值為10.3時(shí)，式(3)成立。由此可見(jiàn)，地層水中的pH值與CO32-、HCO3-及Ca2+之間都具有密切的相關(guān)性；當(dāng)式(3)成立時(shí)，高pH值下地層水中Ca2+就會(huì)因沉淀而減少。

由英買(mǎi)2地區(qū)地層水pH值與Ca2+和HCO3-離子的相互關(guān)系(圖2)可以看出，當(dāng)?shù)貙铀膒H值小于5.0時(shí)，式(1)成立，地層水中的HCO3-濃度較低，活躍的H+能夠加速對(duì)儲(chǔ)層的溶蝕，Ca2+相對(duì)濃度偏高；當(dāng)pH值為5.0～6.3時(shí)，隨著pH值的增大，HCO3-離子增多，此階段CO32-濃度仍然較低，溶蝕作用大于Ca2+的沉淀作用，Ca2+濃度進(jìn)一步隨著pH值的增大而增大，主要分布于中部主干斷裂溝通區(qū)域(圖2)，地層水流動(dòng)性強(qiáng)，H+活躍，溶蝕作用正在進(jìn)行；當(dāng)pH值大于6.3時(shí)，隨著pH值的增加，HCO3-離子進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CO32-離子，而轉(zhuǎn)換的CO32-離子沉淀了Ca2+，Ca2+濃度也隨著pH值的升高而降低，主要分布在孤立溶蝕洞穴發(fā)育區(qū)，地層水流動(dòng)性差，經(jīng)過(guò)溶蝕作用后，pH值較高，Ca2+析出。分布在英買(mǎi)2地區(qū)的地層水最高pH值并未達(dá)到式(3)成立的10.3，但在7.5～8.0時(shí)Ca2+相對(duì)濃度已經(jīng)較低。整體上，該地區(qū)地層水HCO3-濃度隨著pH值的增大而先增大后減小，Ca2+濃度也隨著pH值的增大而先增大后減小。

圖2 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)地層水pH值-Ca2+-HCO3-關(guān)系

地層水的鈉氯系數(shù)反映陽(yáng)離子交互吸附和水巖相互作用的強(qiáng)度，而變質(zhì)系數(shù)反映地層水的封閉性。從英買(mǎi)2地區(qū)地層水pH值與變質(zhì)系數(shù)及鈉氯系數(shù)的相互關(guān)系(圖3)可以看出，鈉氯系數(shù)的高值區(qū)恰好對(duì)應(yīng)地層水變質(zhì)系數(shù)的低值區(qū)，即陽(yáng)離子交互吸附和水巖相互作用最強(qiáng)區(qū)恰好對(duì)應(yīng)變質(zhì)較強(qiáng)區(qū)，集中在pH值為5.5～6.0；但概率最高的地區(qū)是中變質(zhì)區(qū)與中鈉氯系數(shù)區(qū)，相應(yīng)的pH值為6.0～7.0。因此，英買(mǎi)2地區(qū)地層整體封閉性較好，陽(yáng)離子交互吸附作用和水巖相互作用也較強(qiáng)。

圖3 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)地層水pH值-變質(zhì)系數(shù)-鈉氯系數(shù)關(guān)系

3 儲(chǔ)層響應(yīng)特征

碳酸鹽巖沉積物在成巖作用過(guò)程中很敏感，沉積之后很容易在膠結(jié)和壓實(shí)作用的過(guò)程中變得十分致密，喪失其儲(chǔ)集能力，但后期的構(gòu)造作用會(huì)形成一系列斷層及構(gòu)造裂縫，而且地層水極易對(duì)其進(jìn)行溶蝕[18]。英買(mǎi)2地區(qū)一間房組頂部存在短暫的抬升并暴露于地表，接受地表水的淋濾和溶蝕作用[9]。研究認(rèn)為，地層水中部分主要陽(yáng)離子組分與圍巖沉積礦物成分之間存在一種亞穩(wěn)定熱動(dòng)力學(xué)平衡[19-20]。英買(mǎi)2地區(qū)主要為灰?guī)r儲(chǔ)層，地層水Ca2+濃度較高，致密的基質(zhì)不具有儲(chǔ)集空間，在經(jīng)歷斷裂溝通過(guò)的較強(qiáng)溶蝕作用后，溶蝕洞穴產(chǎn)生，地層水pH值升高，同時(shí)洞穴的存在降低了地層水的流動(dòng)性。

從英買(mǎi)2地區(qū)地層水Ca2+平面分布(圖4)可以看出，Ca2+濃度高值區(qū)主要沿著構(gòu)造高部位NNE向大型走滑斷裂，處在英古2、英買(mǎi)2-12和英買(mǎi)2-3等3個(gè)主要縫洞帶的交界處，英古2縫洞帶和英買(mǎi)2-3縫洞帶靠近主干走滑斷裂的部位Ca2+濃度也較高；構(gòu)造翼部的NW向小型斷裂和NE向走滑斷裂共同控制的英買(mǎi)2-12縫洞帶區(qū)則屬于Ca2+濃度低值區(qū)。分析認(rèn)為，前者斷裂發(fā)育較多，但孤立洞穴發(fā)育較少，地層水流動(dòng)性強(qiáng)，活躍的H+加速了地下碳酸鹽巖的溶解，儲(chǔ)層處于正在溶蝕狀態(tài)，地層水Ca2+濃度較高；后者受雙向斷裂控制，孤立洞穴發(fā)育較多，井間連通性與地層水流動(dòng)性較差，經(jīng)歷過(guò)較強(qiáng)的溶蝕作用，地層水pH值較高，Ca2+被大量沉淀。英買(mǎi)2-12井縫洞帶中的孤立洞穴存在大量方解石充填[9]，也說(shuō)明其經(jīng)歷了較強(qiáng)的溶蝕作用和Ca2+的大量沉淀。

圖4 塔里木盆地英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水Ca2+濃度與儲(chǔ)層類(lèi)型分布

英買(mǎi)2地區(qū)儲(chǔ)層類(lèi)型與Ca2+平面分布也具有一定的規(guī)律性(圖4)：Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層(洞穴型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層)主要分布于英買(mǎi)2-12縫洞帶對(duì)應(yīng)Ca2+濃度低值區(qū)，Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層(裂縫-孔洞型儲(chǔ)層)主要分布于英古2、英買(mǎi)2-3等單向斷裂密集發(fā)育地區(qū)及雙向斷裂控制但斷裂較少的英買(mǎi)2-12東縫洞帶。從該地區(qū)地層水pH值與Ca2+濃度的相關(guān)性(圖2)可以看出，地層水pH值在一定程度上能夠定性反映巖溶程度，碳酸鹽巖礦物參與巖溶作用后會(huì)導(dǎo)致地層水pH值升高[21]，高pH值反映了強(qiáng)烈的巖溶作用，更傾向于形成Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層；而低pH值反映出較活躍的地層水流動(dòng)狀態(tài)，更傾向于形成Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層。

4 結(jié)論

1) 英買(mǎi)2地區(qū)奧陶系地層水礦化度高，水型以CaCl2型為主， Ca2+平均濃度及占地層水總礦化度的比例均較高；地層水呈現(xiàn)中鈉氯系數(shù)、中低脫硫酸系數(shù)、中高變質(zhì)系數(shù)特征,鈉氯系數(shù)隨著pH值增大而增大，變質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。該地區(qū)地層封閉性好，且地層水經(jīng)過(guò)了較強(qiáng)烈的陽(yáng)離子交換和水巖相互作用。

2) 英買(mǎi)2地區(qū)地層水中的Ca2+、HCO3-及鈉氯系數(shù)、變質(zhì)系數(shù)均以pH值為核心具有較好的相互關(guān)系，HCO3-濃度隨著pH值增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并間接導(dǎo)致Ca2+濃度先增大后減小，最后大量沉淀；而Ca2+濃度與斷層的發(fā)育及地層水流動(dòng)性密切相關(guān)。

3) 英買(mǎi)2地區(qū)地層水Ca2+濃度低值區(qū)主要分布在構(gòu)造翼部的NE向走滑斷裂和NW向小型斷裂共同控制且斷層發(fā)育較多地區(qū)，Ca2+濃度相對(duì)較低，pH值較高，雙向斷裂的控制使儲(chǔ)層經(jīng)歷了較強(qiáng)的溶蝕作用而發(fā)育大量孤立洞穴，孤立洞穴內(nèi)地層水流動(dòng)性降低， Ca2+被沉淀，主要為Ⅰ類(lèi)儲(chǔ)層(洞穴型優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層)分布區(qū)；而在沿著構(gòu)造高部位NNE向大型走滑斷裂和其余NW向單向斷裂控制區(qū)，地層水和H+相對(duì)活躍，孤立洞穴發(fā)育相對(duì)較少，對(duì)應(yīng)Ⅱ類(lèi)儲(chǔ)層分布區(qū)(裂縫-孔洞型儲(chǔ)層)。