塔河油田奥陶系灰岩埋藏溶蚀作用特征_朱东亚

第28卷󰀁第5期2007年9月

石油学报

ACTAPETROLEISINICA

Vol.28No.5

󰀁

Sept.2007

文章编号:0253󰀁2697(2007)05󰀁0057󰀁06

塔河油田奥陶系灰岩埋藏溶蚀作用特征

朱东亚1,2󰀁胡文瑄3󰀁张学丰3󰀁金之钧1

(1󰀁中国石化石油勘探开发研究院博士后工作站󰀁北京󰀁100083;󰀁2󰀁中国石油大学博士后流动站󰀁北京󰀁102249;

3󰀁南京大学地球科学系󰀁江苏南京󰀁210093)

摘要:塔河油田奥陶系一间房组灰岩具有典型的埋藏溶蚀特征,埋藏溶蚀形成的次生溶蚀孔隙是塔河油田南部斜坡地区重要的油

气储集空间。根据溶蚀孔的形态和溶蚀流体的来源,将埋藏溶蚀作用进一步划分为自源溶蚀作用和他源溶蚀作用两种类型。自源溶蚀作用的溶蚀流体来自灰岩内部,其侵蚀性成分为灰岩本身所含的有机质热成熟作用所释放出来的有机酸、CO2、H2S等酸性物质。由于灰岩自身所含的有机质数量少,生成的酸性物质也非常有限,所以自源溶蚀作用非常弱,只能在有机质所在位置溶蚀产生一些微小的、近圆形的、彼此孤立的溶蚀孔,是一种原位的溶蚀作用。他源溶蚀作用的溶蚀流体来自灰岩之外的烃源岩,其侵蚀性成分为烃源岩中的有机质所产生的有机酸、CO2、H2S等酸性物质。这些物质随含油气流体沿着断裂、裂缝、不整合面、缝合线等通道运移而来。他源溶蚀作用形成相对较大的溶蚀孔隙,且孔隙之间连通性好。最后给出了这两种埋藏溶蚀作用的发育模式。关键词:塔河油田;奥陶系;灰岩;埋藏溶蚀作用;溶蚀孔隙中图分类号:TE112󰀁23󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A

CharacteristicsofburialdissolutionintheOrdovicianlimestoneofTaheOilfield

ZhuDongya

1,2

󰀁HuWenxuan󰀁ZhangXuefeng󰀁JinZhijun

331

(1󰀁PostdoctoralResearchStation,SinopecPetroleumExplorationandProductionInstitute,Beijing100083,China;

2󰀁PostdoctoralResearchStation,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;

3󰀁DepartmentofEarthSciences,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

Abstract:Wel-ldevelopedburialdissolutionwasfoundinYijianfangFormationlimestoneofTaheOilfield.Theburialdissolutionporesareveryimportantreservoirspaceforoi-lgasinthesouthernslopeofTaheOilfield.Accordingtotheshapeofdissolutionporesandthesourceofdissolvingfluids,theburialdissolutioncanbesub-dividedintotwotypesincludingself-sourceddissolutionandfor-eign-sourceddissolution.Theaggressivecomponentsfortheself-sourceddissolutionincludeorganicacids,CO2andH2Sderivedfromthermalmaturationoforganicmatterspreservedinthelimestone.Theself-sourceddissolutionisgenerallyweak,becausethereisalittleamountoforganicmattersandlimitedaggressivecomponentsinthelimestone.Consequently,theself-sourceddissolutioncanon-lycreatesomesmall,roundedandisolateddissolutionporesatthepositionwheretheorganicmatterswerepreserved.Theaggressivecomponentsfortheforeign-sourceddissolutionincludeorganicacids,CO2andH2S,whichwerederivedfromorganicmattersinhy-drocarbonsourcerocks.Theaggressivecomponentsmixedwithoil/gas-bearingfluidsmigratedintothelimestonealongfaults,frac-tures,unconformitysurfacesandstylolitesfromhydrocarbonsourcerocks.Somerelativelylargeandconnectedporesweregenerallyformedintheforeign-sourceddissolution.Themodelsforthetwotypesofdissolutionwereproposed.Keywords:TaheOilfield;Ordovician;limestone;burialdissolution;dissolutionpores

󰀁󰀁在浅海台地或斜坡相带上发育的原始碳酸盐岩沉积物通常都具有非常高的原始孔隙度,一般可达60%~80%[1]。当埋藏深度达到几百米以上时,在强烈压实和广泛的胶结作用下,碳酸盐岩中的原生孔隙会逐渐消失,这对储层非常不利[2-3]。这种碳酸盐岩要成为有效的油气储层,埋藏过程中以及埋藏之后的次生溶蚀作用非常关键。20世纪70年代之前,地质学家们普遍认为地表大气淡水溶蚀作用是次生孔隙发育的决

定因素,碳酸盐岩油藏的分布受不整合面控制[4]。但此后,随着对碳酸盐岩埋藏环境认识的逐渐深入,地质学家们不但发现了埋藏溶蚀孔隙的存在,而且还意识到了埋藏溶蚀作用在储层发育中的重要意义。埋藏溶蚀也被称为中成岩期溶蚀作用[5]、深部岩溶[6]等,这是20世纪80年代碳酸盐岩成岩作用研究的主要进展之一,为盆地深部未曾受到地表岩溶作用影响的碳酸盐岩油气勘探提供了依据。

基金项目:国家基础研究发展规划(973)项目(2005CB422103)󰀁中国海相碳酸盐岩层系油气富集机理与分布预测󰀁资助。

作者简介:朱东亚,男,1975年10月生,2005年获南京大学地球科学系博士学位,现在中国石化石油勘探开发研究院做博士后研究,研究方向为石油

地质和油气储层地质。E-mail:zhudy@pepris󰀁com

󰀁58石󰀁󰀁油󰀁󰀁学󰀁󰀁报2007年󰀁第28卷󰀁

1󰀁塔河油田概况

塔河油田主体位于塔里木盆地北部沙雅隆起阿克库勒凸起上。受加里东中晚期区域性构造抬升的影响,塔北阿克库勒地区发生快速隆升,于中奥陶世末开始形成一个向北抬升、向南倾没的鼻状凸起[7]。鼻凸北部露出水面,造成中、上奥陶统地层的沉积间断和不同程度的风化剥蚀。之后,阿克库勒地区一直处于隆起状态,尤其是在泥盆纪末期鼻凸北部再次发生强烈挤压抬升,奥陶系地层再次暴露地表,并遭受强烈的风化剥蚀。现今塔河油田北部隆起区的大部分地区(图1)奥陶系中、上统地层均已剥蚀殆尽,仅在鼻凸外围的低部位残留部分中、上奥陶统地层。钻井揭示北部隆起区下奥陶统碳酸盐岩中主要发育岩溶缝洞型油气藏

[9-10]

[8]

剥蚀的过程中很少暴露至地表,受到地表大气淡水溶

蚀作用的影响也较弱。随着油气勘探向南部斜坡区深层碳酸盐岩拓展,钻井揭示奥陶系一间房组(O2yj)灰岩中埋藏溶蚀作用发育良好,埋藏溶蚀作用形成的次生孔隙为该区域的主要储集空间,并有多口井在埋藏溶蚀发育的层段获得工业性油气流(图1)。

2󰀁埋藏溶蚀作用特征

2󰀁1󰀁埋藏溶蚀作用的宏观特征

岩心观察发现,奥陶系一间房组灰岩中埋藏溶蚀作用较为发育。其上面的恰尔巴克和良里塔格组溶蚀现象较为少见;下面鹰山组泥晶灰岩角砾之间也有类似的埋藏溶蚀现象,但溶蚀作用较弱。埋藏溶蚀作用在一间房组灰岩中的发育也并不均匀,多是沿着缝合线和裂缝向周围溶蚀扩展。发生溶蚀的部位一般充填有沥青或褐黄色的原油,颜色较深;未溶蚀的部位颜色较浅,呈浅灰色或浅红褐色。溶蚀部位所占比例在不同井的不同层段也有较大的差别。

埋藏溶蚀作用在岩心上多表现为两种不同的方式,即斑状溶蚀和顺层溶蚀。其中斑状溶蚀作用在一间房组灰岩中最为常见,顺层溶蚀偶尔在鹰山组上部灰岩或云质灰岩中发育。

(1)斑状溶蚀。斑状溶蚀为流体沿缝合线或裂缝向周围渗透扩展并溶蚀的现象,具有溶蚀部位向未溶蚀部位入侵的特征[图2(a)]。斑状溶蚀在岩心上表

。

图1󰀁塔河油田奥陶系顶面构造特征及埋藏

溶蚀段工业油流井分布

Fig.1󰀁ThestructuralfeaturesinthetopoftheOrdovicianstratum

anddistributionofwellswithindustrialoil/gasflowobtainedinburia-ldissolutionsegmentsinTaheOilfield

现为灰岩部分地发生了溶蚀,且溶蚀部位充填有黑色沥青或褐黄色原油;未溶蚀部位颜色较浅并较为致密,没有沥青或原油的浸入。溶蚀区域和未溶蚀区域呈不规则斑状交织在一起。斑状溶蚀在所观察的大多数井的岩心上都有表现,但不同井以及同一口井的不同层段溶蚀程度有着较大的差别。

󰀁󰀁塔河油田南部向南倾没的斜坡区在北部隆起抬升

图2󰀁埋藏溶蚀灰岩岩心照片

Fig.2󰀁Photosoflimestonecoreswithburialdissolution

󰀁第5期朱东亚等:塔河油田奥陶系灰岩埋藏溶蚀作用特征

-3

2

󰀁59

󰀁󰀁(2)顺层溶蚀。顺层溶蚀是流体沿近似水平的层理面以及水平裂缝对上下两侧的灰岩进行的溶蚀。溶蚀孔隙充填有沥青或褐黄色的原油,呈层状或扁平的透镜体形态。顺层溶蚀发育的典型井段为S67井的一段岩心[图2(b)]。

无论是斑状溶蚀作用还是顺层溶蚀作用,溶蚀形成的孔隙多数都非常小,但在某些岩心上也可以见到一些相对较大的溶蚀孔洞[图2(c)]。在斑状溶蚀或顺层溶蚀较为发育的岩心上,可见油浸、油斑等不同程度的油气显示。

2󰀁2󰀁埋藏溶蚀作用的微观特征

镜下观察发现,发生埋藏溶蚀作用灰岩的溶蚀部分具有较多的溶蚀孔隙,这些溶蚀孔隙中多充填有褐色的油或者黑色的沥青。溶孔孔径一般为0󰀁01~0󰀁03mm,少数可超过0󰀁1mm。溶蚀形成的孔隙一般小而密,多呈网眼状、港湾状等形态[图3(a)和图3(b)]。

在灰岩颗粒的内部及边缘[图3(a)]、泥晶基质[图3(b)]以及亮晶方解石胶结物中[图3(c)]都可见到一定的溶蚀孔洞。但是,在灰岩的这些不同部位中,发生溶蚀的程度有着较大的区别。其中溶蚀程度最大及最易发生溶蚀作用的是颗粒灰岩中的颗粒[图3(d)]。岩心上表现为斑状溶蚀的区域,在显微镜下观察发现发生溶蚀作用的主要是颗粒灰岩的颗粒。而泥晶基质和胶结物中溶蚀区域的多少、溶蚀面积的大小以及溶蚀程度的强弱都明显差于灰岩中的颗粒。埋藏溶蚀作用在一定程度上受缝合线和微裂缝控制。在缝合线或微裂缝发育的部位,其周围的灰岩溶蚀作用也较为发育[图3(e)]。灰岩中的缝合线是灰岩在压实作用下形成的,缝合线上下的灰岩一般呈犬牙交错状紧密吻合在一起。但塔河地区一间房组灰岩中发育的缝合线上下交错的齿状突起比较弱,且较为圆滑;缝合线宽度一般也都较大,中间充填有沥青或褐色的原油[图3(e)]。在缝合线的两侧,无论是颗粒、泥晶基质还是胶结物,都可见明显的溶蚀特征。缝合线的溶蚀扩大以及缝合线两侧较强的溶蚀作用表明,缝合线起到了溶蚀流体运移通道的作用。除缝合线外,碳酸盐岩中的微裂缝也是重要的流体运移通道,运移而来的流体对微裂缝周围的灰岩也产生一定的溶蚀作用。

2󰀁3󰀁埋藏溶蚀作用对储层的影响

S76井的几个取心井段分别发育了不同程度的埋藏溶蚀作用。第12次取心段(5559󰀁2~5565󰀁8m)位于一间房组之上并紧邻一间房组的良里塔格组(O3l),该取心段埋藏溶蚀作用不发育,孔隙度和渗透率都比较低,平均为0󰀁83%和0󰀁09󰀁10󰀁m,也几乎没有任何的油气显示。第13次(5578󰀁0~5583󰀁8m)和第14次(5590󰀁2~5598󰀁4m)取心段都属于一间房组,但也发育了不同程度的埋藏溶蚀作用。相比较而言,第14次取心段溶蚀程度比第13次更为强烈。第13次取心段的平均孔隙度和平均渗透率分别为1󰀁35%和0󰀁28󰀁10

-3

󰀁m,第14次取心段的孔隙度和渗透率平

-3

2

2

均值分别为3󰀁69%和0󰀁57󰀁10󰀁m。从油气显示上来说,第13次取心段为油斑或油迹,第14次取心段为油浸。从上述分析可以看出,埋藏溶蚀发育的程度制约着灰岩储层物性和油气显示的好坏。

3󰀁埋藏溶蚀作用类型和流体来源

3󰀁1󰀁埋藏溶蚀作用类型

根据溶蚀孔隙形态和溶蚀流体来源,埋藏溶蚀作用可以进一步分为两种类型,即自源溶蚀作用和他源溶蚀作用。自源溶蚀作用是灰岩本身所产生的溶蚀流体对灰岩的溶蚀作用,这种溶蚀作用只在灰岩中产生一些小的近圆形的孔洞。这些孔洞许多都是单个独立存在的,彼此之间连通性差,并且这些溶蚀孔隙的大小一般小于10󰀁m[图3(f),(g)]。他源溶蚀作用是来自灰岩之外的流体对灰岩的溶蚀作用,这种溶蚀作用在灰岩中产生许多大的相互连通的溶蚀孔隙,如在灰岩颗粒中可以看到大的溶蚀孔洞[图3(h)]以及沿缝合线、裂缝发生的溶蚀作用[图3(e)]。

在多数情况下,埋藏溶蚀是这两种溶蚀类型共同作用的结果。在内部侵蚀性流体作用下,灰岩先发生自源溶蚀;随着外部流体的渗入,在自源溶蚀的基础上,进一步发生他源型溶蚀作用,这样灰岩的溶蚀强度会大大增加。灰岩中的埋藏溶蚀作用是自源溶蚀和他源溶蚀相互叠加的结果,在溶蚀作用较弱的区域,通常都可以看到一些自源溶蚀特征;但在溶蚀作用较强烈的区域,一般只能看到他源溶蚀特征。在岩心上用肉眼可以看到的斑状溶蚀主要是他源溶蚀作用的结果。

3󰀁2󰀁埋藏溶蚀作用流体来源

灰岩内部会含有一定量的原始孔隙水,蒸发岩类矿物(如石膏等)的脱水作用也能提供一定量的流体

[11-12]

。但原始孔隙水在埋藏初期就已经与碳酸盐岩

围岩达到了平衡,并且随着温度的升高(埋深的增加),碳酸钙的溶解度会有一定程度的降低;而蒸发盐类矿物脱水作用一般是在盆地沉降早期进行的[11,13],也会很快与碳酸盐岩围岩达到平衡。因此,灰岩中存在的这些流体都不大可能会对埋藏成岩条件下的灰岩产生溶蚀作用。󰀁60石󰀁󰀁油󰀁󰀁学󰀁󰀁报2007年󰀁第28卷󰀁

图3󰀁灰岩埋藏溶蚀的微观特征

Fig.3󰀁Micro-characteristicsofburialdissolutioninlimestone

󰀁󰀁在有机质成熟作用过程中以及盆地演化后期阶段

的烃类热降解过程中,会产生一定数量的有机酸、CO2和H2S等酸性物质[14-17]

中会改变周围地层中流体的成分,使这些地层中的流体具有一定的溶蚀碳酸钙的能力。因此,有机成岩作

用过程中产生的对碳酸钙不饱和流体是使灰岩发生埋。这些酸性物质排放到地层󰀁第5期

[18-19]

朱东亚等:塔河油田奥陶系灰岩埋藏溶蚀作用特征

-2--

󰀁61

藏溶蚀的最可能的流体。

塔河油田一间房组灰岩主要是泥晶灰岩和泥晶颗粒灰岩,灰岩颗粒包括内碎屑颗粒、生物碎屑颗粒、鲕粒、藻团块颗粒等。在藻团块颗粒和泥晶基质中通常会有一定量的有机质被保存下来,随着埋藏深度的增加,这些有机质会发生热成熟作用,释放出一定量的酸性物质,从而使灰岩发生自源溶蚀作用。由于一间房组灰岩中有机质含量非常低,产生的酸性物质数量也非常有限,在使紧邻有机质的碳酸钙发生溶蚀时便很快消耗殆尽,不再具有溶蚀距离较远处的碳酸钙的能力。因此,自源溶蚀作用是一种原位的溶蚀作用,仅能在酸性物质产生的部位溶蚀并产生一些非常小的溶蚀孔。对具有一定有机质含量的各种类型碳酸盐岩来说,自源溶蚀作用应该是一种较为普遍的现象。相对于自源溶蚀作用来说,他源溶蚀作用的流体来自于灰岩地层之外。可能的流体包括大气降水以及由于混入了泥/页岩压实作用所排出的流体而在化学成分上发生了改变的地层水。大气降水向深部的循环在一些地层倾斜或断陷盆地中时有发生,但是除非携带有地下产生的有机酸或CO2,否则渗入到地下深处的大气降水不大可能再会对碳酸盐岩具有溶蚀能力。这是因为大气降水在从地表向下渗透过程中会很快与碳酸盐岩达到平衡[20]。泥/页岩压实作用过程中,流体的排出大多与粘土矿物的转变(蒙脱石向伊利石转变)、无定形无机凝胶体的变化及硅酸盐的水解等有关,排出流体数量非常有限,并且沉积的泥/页岩中会富含灰质成分。所以,排出的流体会在泥/页岩中就与碳酸钙达到平衡,也不大可能对其他层位的碳酸钙产生溶蚀作用。

来自烃源岩的含油气流体不但富含有机质成熟过程中释放出来的有机酸、CO2和H2S等酸性物质,而且数量非常巨大。当这些流体沿着断裂、裂缝以及不整合面等通道运移到灰岩地层中时,必然会对灰岩产生溶蚀作用。因此,来自烃源岩的含油气流体是使灰岩发生他源溶蚀的最可能流体。

塔河油田周围地区的寒武󰀁奥陶系烃源岩具有多期演化、长期供烃的特征,油水运移过程中可以携带不断从烃源岩中排出且溶于其中的有机酸、CO2以及H2S等进入上覆碳酸盐岩地层,使碳酸盐岩发生溶蚀。对塔河油田奥陶系灰岩油田水的分析化验结果表明,pH值多为5~6󰀁7,HCO-3的质量浓度为30󰀁97~5151󰀁26mg/L,表现为酸性。但是,由于油田水到达地面后,其中所溶解的CO2和H2S已大多从溶液中逸

出,因此油田水在地下的真实pH值可能会比地面上测定的值小许多。另外,在塔河油田114个油田水样[21]

中,有机酸根在总碱度(HCO3+CO3+HS+OAA)中所占的比例大多数为30%~70%,有24个(21󰀁1%)油田水样品的有机酸根占总碱度的70%以上,最高达92%。这些分析结果表明了塔河碳酸盐岩地层中的流体对碳酸钙具有一定的溶蚀能力,并且随油气运移而来的有机酸对地层流体的酸度有着较大的贡献。

[22]

4󰀁埋藏溶蚀作用发育模式

自源溶蚀作用和他源溶蚀作用尽管具有相似的对碳酸盐岩具有溶蚀能力的物质成分,即都是在有机质成熟过程产生的有机酸、CO2和H2S等酸性物质。但自源溶蚀的这些侵蚀性物质产生在碳酸盐岩地层内部,而他源溶蚀的这些侵蚀性物质产生在碳酸盐岩地层之外,并经过了长距离运移,所以,两者的溶蚀发育模式有着明显的差别。

自源溶蚀作用发育模式见图4(a)。自源溶蚀作用与灰岩本身所含的少量有机质成熟作用有关,灰岩中具有溶蚀能力的流体不具有流动性,只能在有机质所在的位置对碳酸钙进行溶蚀,并很快消耗完。自源溶蚀的发育受到灰岩本身的有机质含量、有机质类型以及埋藏演化过程的制约。

灰岩中发育的他源溶蚀作用是携带酸性物质的含油气流体大量运移而至的结果,其溶蚀发育模式见图4(b)。他源溶蚀作用既需要大量富含酸性物质的油气流体,又需要从烃源岩到灰岩的有效运移通道沟通,

图4󰀁埋藏溶蚀发育模式Fig.4󰀁Modelforburialdissolution

还需要流体在碳酸盐岩地层内部的流动,因此,他源溶蚀作用受到烃源岩与灰岩的空间耦合关系、断裂和不整合面发育以及灰岩自身缝合线、微裂隙和原有孔隙发育状况等多种因素的制约。含油气流体一旦运移到灰岩地层中,会沿着缝合线和微裂隙向灰岩内部渗透并使灰岩溶蚀。溶蚀方式既可以是产生新的溶蚀孔隙,也可以是对缝合线、微裂隙以及原有孔隙的溶蚀扩大。自源溶蚀作用形成的微小孔隙可作为他源溶蚀发󰀁62石󰀁󰀁油󰀁󰀁学󰀁󰀁报2007年󰀁第28卷󰀁

生的基础,他源溶蚀流体在这些微小自源溶蚀孔隙的基础上进一步溶蚀扩大,从而产生大的次生溶蚀孔隙。

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(收稿日期2006󰀁07󰀁10󰀁改回日期2006󰀁09󰀁23󰀁

5󰀁结󰀁论

埋藏溶蚀作用是塔河油田南部斜坡地区一间房组灰岩重要的次生溶蚀孔隙发育机制,埋藏溶蚀孔隙构成了一间房组灰岩重要的储集空间。埋藏溶蚀作用可进一步划分为自源溶蚀作用和他源溶蚀作用两种类

型。这两种溶蚀作用都与沉积有机质成熟作用释放出来的有机酸、CO2、H2S等酸性物质有关。但前者产生于灰岩内部,而后者来自于灰岩之外的烃源岩。自源溶蚀产生的微小溶蚀孔隙可作为他源溶蚀作用进一步溶蚀形成大的次生孔隙的基础。自源溶蚀的发育受到灰岩本身的有机质含量、有机质类型以及埋藏演化过程的制约,而他源溶蚀作用受到烃源岩与灰岩的空间耦合关系、断裂和不整合面发育以及灰岩自身缝合线、微裂隙和原有孔隙发育状况等多种因素的制约。

参

考

文

献

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编辑󰀁王󰀁秀)