鄂尔多斯马家沟组膏盐岩碳酸盐岩共生组合表生岩溶效果及意义

2017-04-06 08:01白斌胡素云陶士振
长江大学学报(自科版) 2017年3期
关键词:白云岩碳酸盐岩鄂尔多斯

白斌,胡素云,陶士振

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

张道锋

(中石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018)

刘伟

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

杨文敬

(中石油长庆油田分公司勘探部,陕西 西安 710018)

张宝民

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

刘新社,刘燕

(中石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018)

熊平

(长江大学工程技术学院,湖北 荆州 434020)

鄂尔多斯马家沟组膏盐岩碳酸盐岩共生组合表生岩溶效果及意义

白斌,胡素云,陶士振

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

张道锋

(中石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018)

刘伟

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

杨文敬

(中石油长庆油田分公司勘探部,陕西 西安 710018)

张宝民

(中石油勘探开发研究院,北京 100083)

刘新社,刘燕

(中石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西 西安 710018)

熊平

(长江大学工程技术学院,湖北 荆州 434020)

鄂尔多斯盆地中东部奥陶系马家沟组(Om)发育典型膏盐岩-碳酸盐岩共生体系,其一、三、五段主要发育蒸发岩,二、四、六段多为碳酸盐岩,表生溶蚀作用影响了盐上马家沟组五段(Om5)1~4亚段风化壳储层的形成与分布,成为靖边大气田主力产层。区内对于膏盐岩-碳酸盐岩共生体系储层岩溶效果定量评价较少,溶蚀模拟试验也多为温度、岩石成份、岩石结构、流体性质等单因素对白云岩溶蚀机理的定性模拟。因此,以基于地质条件下的溶蚀模拟试验为基础,定量评价岩溶作用对膏盐岩-碳酸盐岩储层孔隙结构的影响,指出在常压、饱和CO2水(3%~15%)、气温30℃的封闭体系下膏盐岩-碳酸盐岩共生组合溶蚀量与膏盐含量呈正相关关系,含盐白云岩、含白云质膏岩、白云质膏岩、膏质白云岩、含膏白云岩溶蚀率依次降低,溶蚀前后孔隙度至少增加6%。含盐白云岩溶蚀率最高,达19.8%,含膏白云岩溶蚀率最低,仅为6.3%。据此提出含盐白云岩、含白云质膏岩等膏盐岩-碳酸盐岩共生体系是Om有利储集岩,经岩溶作用后孔隙度最高可提高6%~20%,从而较好地解释了Om5含膏云坪相带存在规模优质储层的原因,并为阐明膏盐岩-碳酸盐岩共生体系岩溶储层形成机理及分布预测提供了试验依据。

鄂尔多斯盆地;马家沟组;膏盐岩-碳酸盐岩;表生岩溶

随着全球古老碳酸盐岩油气田的勘探开发,以蒸发岩盖层为主的区带拥有世界55%的石油探明储量,保存条件一直成为膏盐-碳酸盐岩油气藏研究的重点。中国膏盐岩-碳酸盐岩组合按照岩性组合与分布特征大体可以分为碳酸盐岩-膏盐-碳酸盐岩、碳酸盐岩-膏盐互层与碳酸盐岩-陆源碎屑-膏盐岩(表1)。特别是鄂尔多斯盆地马家沟组(Om)膏盐岩与碳酸盐岩交替互层,地台陆缘浅海环境长期的表生岩溶作用为膏盐附近的风化壳储层形成提供了重要条件,受到了众多油气地质学家的关注[1~8]。对不同盆地膏盐岩-碳酸盐岩储层开展了岩石学特征、成因机制、储集性能评价、有利储层预测等多方面研究,对典型盆地膏盐岩-碳酸盐岩储层成因与储集性能评价进行了大量解剖,明确了膏盐岩-碳酸盐岩自身储层特征,指出岩溶作用是该类储层形成有效储集空间的重要因素[1~17]。

但不同成份的膏盐岩-碳酸盐岩系列储层, 对其表生岩溶作用溶蚀效果的定量评价较少,特别是不同矿物成份的膏盐岩-碳酸盐岩储层[18~20]。为准确分析膏盐岩-碳酸盐岩储层在表生岩溶作用下的微观结构特征与储集性能,该次研究基于我国盆地表生岩溶作用地质条件,在不同类型膏盐岩-碳酸盐岩储层物理溶蚀试验的基础上,定量表征溶蚀前后孔隙结构,评价膏盐岩-碳酸盐岩储层表生岩溶效果,为解释奥陶系膏盐岩-碳酸盐岩组合下古生界天然气藏有利储层成因机理与有效预测空间分布提供试验依据。

表1 中国膏盐岩碳酸盐岩组合主要特征

图1 鄂尔多斯盆地中东部Om地层柱状图(据参考文献[4])

1 试验方法

溶蚀环境、矿物类型、矿物含量等因素均影响膏盐岩-碳酸盐岩共生体系储层表生岩溶作用效果,形成不同尺度的溶蚀孔隙,控制有利储层发育特征[8,14~26]。因此,开展基于地质条件约束下的表生岩溶定量评价试验,首先需要确定发生表生岩溶试验的真实地质条件,其次优选不同类型的膏盐岩-碳酸盐岩岩石组合,开展物理模拟试验,利用N2吸附测试、CO2吸附测试、压汞定量测试、扫描电镜、CT三维扫描等多种表征技术,定量评价溶蚀前后储层孔隙类型、直径、连通性和孔隙体积等参数差异,明确膏盐岩-碳酸盐岩储层溶蚀效果。

1.1 样品优选与试验流程

鄂尔多斯盆地Om发育典型膏盐岩-碳酸盐岩共生体系,其一、三、五段主要发育硬石膏、石盐、白云岩的蒸发岩组合,二、四、六段以块状石灰岩为主,白云岩次之的沉积组合[1](图1)。其中五段(Om5)是海退旋回形成的沉积地层。受次级海平面变化,Om5沉积表现出明显的旋回性特征,由上而下又可进一步细分为10个亚段,其中4、6、8、10亚段为膏盐岩层段。

为进一步深入分析风化壳附近奥陶系膏盐岩-碳酸盐岩共生体系储层溶蚀孔隙形成的过程与控制因素,该次试验根据膏盐岩含量高低,依次采集鄂尔多斯盆地东部Om含盐白云岩、含膏白云岩、含泥白云质膏岩、白云质膏岩、含白云质膏岩等多种岩心样品(矿物质量分数见表2),开展7组模拟表生岩溶物理试验,对比分析溶蚀效果差异。其中,膏盐岩颗粒多充填在含盐白云岩、含膏白云岩孔隙,含泥白云质膏岩、白云质膏岩与含白云质膏岩中硬石膏呈结核状分布,储层物性较好,孔隙度以1%~2%为主。

表2 鄂尔多斯盆地奥陶系膏盐岩碳酸盐岩模拟样品矿物质量分数统计表

具体试验流程如下:

1)筛选样品 按照白云石、石盐、方解石、石膏等主要矿物含量差异,优选不同岩性样品,制备直径为1cm的圆柱样品。

2)多方法定量测试溶蚀前储集特征 膏盐岩-碳酸盐岩储层孔隙直径存在厘米至微纳米级孔隙、微裂缝。利用N2吸附、CO2吸附、压汞定量测试分析为主,结合扫描电镜观测,综合定量评价溶蚀前样品孔隙直径分布特征。

3)确定溶蚀条件 温度与溶液性质是影响碳酸盐岩储层封闭的主要因素,根据地质历史时期研究区板块所处不同地理位置,确定地质历史温度值。由于CO2对碳酸盐岩储层溶蚀效果强,该次模拟主要借助地质历史时期大气CO2含量来恢复研究区地表淋滤流体中的CO2含量,代表溶液流体性质,岩溶前溶液pH值均处于6~6.4之间,呈弱酸性。

4)封闭环境下岩溶试验 根据研究区所处时代的地表温度、流体性质确定封闭环境下岩溶试验条件,依据样品数量选取相应的容器依次串联,将统一称重为50g的多块样品分别放入密封器中,加入去离子水500mL,让CO2饱和流体,再利用导管插入密闭容器口,将多余CO2倒入下一个密闭器液体之下。按上述方法使每个容器内溶液达到CO2过饱和,呈弱酸性。然后将容器统一放入烤箱,设置温度和时间,完成溶蚀试验。

5)多方法定量测试溶蚀后储集特征 利用N2吸附、CO2吸附、压汞等多种方法对溶蚀后的膏盐岩-碳酸盐岩储层进行定量测试,结合扫描电镜、CT分析,综合定量评价溶蚀后样品孔隙大小分布及连通性。

6)定量评价溶蚀前后储集特征 对比膏盐岩-碳酸盐岩储层溶蚀前后孔隙特征,定量计算溶蚀孔隙量、溶蚀率以及孔隙直径、连通性等,定量评价溶蚀效果。

7)溶蚀条件分析 依据膏盐岩-碳酸盐岩储层溶蚀前后差异,结合溶蚀前后孔隙直径、溶蚀空间、孔隙连通性等参数,分析封闭环境下控制膏盐岩-碳酸盐岩储层岩溶效果的影响因素,为评价预测有利储层提供依据。

1.2 物理模拟试验条件

依据晚奥陶世-石炭纪,鄂尔多斯盆地所处地理位置所对应的全球大气环境,确定膏盐岩-碳酸盐岩组合储层表生岩溶具体试验条件。借鉴前人恢复的全球古气候资料[27~32]表明,晚石炭世至中晚奥陶世,鄂尔多斯盆地均处于南半球低纬度-赤道地区,属于热带、亚热带气候,地表温度约30℃左右。同时依据地质历史时期大气中CO2含量恢复结果表明,晚奥陶世-石炭纪全球大气中CO2体积分数普遍较高,处于6%~15%之间;其中奥陶纪平均达15%,是现今大气CO2体积分数的500倍,地表岩溶流体性质呈现富CO2环境,具弱酸性特征。因此,鄂尔多斯盆地Om表生岩溶试验条件大致确定为常压、饱和CO2水(6%~15%)和气温30℃。

2 膏盐岩-碳酸盐岩共生组合表生岩溶试验结果

鄂尔多斯盆地Om膏盐岩-碳酸盐岩组合表生岩溶模拟表明,溶蚀前后储层孔隙直径、体积以及连通性等特征均具有明显改善(图2)。

2.1 孔隙直径

不同岩性的膏盐岩-碳酸盐岩组合溶蚀前孔隙直径范围为0.5~20μm,孔隙直径差异较大。其中,溶蚀前膏岩与白云岩孔隙直径相对较低,以晶间孔隙为主,直径为1~2μm,面孔率分别为0.69%和1.67%。含膏白云岩孔隙直径次之,发育晶间孔隙与溶蚀孔隙,面孔率为2.05%,石膏的孔隙直径为1.5~5μm,白云石的孔隙直径为1~6μm。含盐白云岩孔隙直径最大,面孔率达2.6%,石盐发育2~10μm溶蚀孔隙,最大可达17μm,白云石微裂缝发育,孔隙直径为15~20μm。

经表生岩溶试验后,膏盐岩-碳酸盐岩组合孔隙直径明显增大,含盐白云岩孔隙直径由溶蚀前2μm增大至700~3000μm,含白云质膏岩孔隙直径由溶蚀前1μm增大至6.6~21μm,含膏白云岩孔隙直径由0.582μm增大至23μm。

图2 表生岩溶前后膏盐岩碳酸盐岩共生组合岩石孔隙特征

图3 白云质膏岩溶蚀前(a)、后(b)孔隙三维分布图

2.2 孔隙连通性

图4 膏盐岩-碳酸盐岩共生组合不同岩性溶蚀率与矿物质量分数相关图

表生岩溶作用对鄂尔多斯Om膏盐岩-碳酸盐岩组合孔隙连通性也具有明显促进作用,白云质膏岩溶蚀前样品微观孔隙整体小,孔隙相对孤立,连通性差(图3(a))。在对表生岩溶后的膏盐岩-碳酸盐岩样品进行72h的CT三维扫描,获取7200张图像,经数值三维重构可见大量具有网状分布的连通孔隙(图3(b))。利用数值重构分析不同直径孔隙对应体积以及孔隙连通性表明,10~50μm的孔隙连通性增强最为明显,其次5~10μm孔隙连通性受岩溶控制,连通性自样品表层向内部逐渐减弱。

2.3 溶蚀前后孔隙体积变化

根据膏盐岩-碳酸盐岩共生组合不同岩性样品溶蚀前后重量,可分别计算溶蚀量与溶蚀率。其中,含盐白云岩溶蚀率最高,达19.8%,含白云质膏岩次之,为10.3%,白云质膏岩溶蚀率介于8.2%~6.9%,含膏白云岩溶蚀率为6.3%。溶蚀量与膏盐含量呈正相关关系,膏盐岩-碳酸盐岩组合中膏岩比白云岩更易溶解(图4)。

表3 膏盐岩碳酸盐岩共生组合表生岩溶后液体成分统计表

3 讨论

膏盐岩-碳酸盐岩表生岩溶效果受矿物成份、溶蚀溶度、压力、溶液性质、时间、流体封闭性等多种因素控制[13~16]。在常压、饱和CO2水(3%~15%)、气温30℃的封闭体系下,对矿物含量与溶蚀率、孔隙度相关性分析表明,膏盐岩-碳酸盐岩共生体系中石盐最易溶蚀,其次膏岩比白云岩易溶解。

但由于该次试验是在封闭环境下定量探讨膏盐岩-碳酸盐岩储层表生溶蚀效果,较少考虑溶蚀时间与溶液流动性等因素对溶蚀量的影响。通过微米CT三维扫描成像可见,经过120h的恒温溶蚀,内部溶蚀效果较差,1cm圆柱体仅在边部260μm存在明显溶蚀现象。然而,鄂尔多斯盆地奥陶系溶蚀约150Ma,溶蚀量应较为可观,储层储集能力值得高度重视。

同时对灰岩与泥粉晶白云岩分别开展了封闭体系与开放体系表生溶蚀试验表明,灰岩溶蚀率仅为2.9%,泥粉晶白云岩孔隙直径由溶蚀前5~50nm,增大至溶蚀后10nm~50μm,孔隙度由溶蚀前的0.75%升至溶蚀后4.2%,可见开放流动的溶蚀环境对于膏盐岩-碳酸盐岩储层储集性能提高也具有重要意义[33]。

4 结论及意义

1)膏盐岩-碳酸盐岩储层溶蚀效果受岩性、温度、压力、流体性质以及流体流动参数等因素联合控制。在溶蚀条件相同情况下,膏盐岩-碳酸盐岩储层中硬石膏结核等易溶蚀膏盐矿物含量决定了溶蚀率的高低, 储集性能与硬石膏结核等膏盐矿物含量呈正相关关系。

2)鄂尔多斯Om5内部纵向上4、6、8和10亚段等4个膏盐岩层段内仍然发育有利的白云岩储层,进一步拓宽了盆地勘探的层系。

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[编辑] 邓磊

2016-10-12

国家科技重大专项(2011ZX05004);中国石油勘探开发研究院青年基金项目(2012Y—007);湖北省自然基金项目(2013CFB394)。

白斌(1981-),男,博士,高级工程师,主要从事沉积储层地质学研究,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.尔多斯马家沟组膏盐岩碳酸盐岩共生组合表生岩溶效果及意义[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(3):7~12.

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