下古地層裂縫方解石的成因分析及在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用

湯 敬，付江龍，呂 建，劉 舵，吳學(xué)虎，蘇曉慶

（中國石油長慶油田分公司儲氣庫管理處，陜西靖邊 718500）

靖邊氣田位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部靖邊-橫山一帶，走向為北北東向，長約206 km、寬約95 km、開發(fā)管理面積逾1.416 0×104km2，是與奧陶系海相碳酸鹽巖有關(guān)的風(fēng)化殼型低滲透、低豐度、低產(chǎn)的大型復(fù)雜氣田。下古生界奧陶系馬家溝組屬華北海相沉積，地層自下而上可劃分為馬一至馬六等6個巖性段，馬一、三、五段以白云巖、膏鹽為主，馬二、四、六段以灰?guī)r為主。

由目前靖邊氣田的勘探開發(fā)情況來看，在奧陶系馬五段地層沉積和成巖過程中，因一直處于較高的構(gòu)造部位，沉積地層相對較薄；同時由于該地區(qū)早古生代中奧陶統(tǒng)海退滯后，下古生界碳酸鹽巖暴露地表，遭受了約1.3億年的風(fēng)化剝蝕、雨水沖刷及化學(xué)溶蝕、淋濾作用，造成溝槽切割相當(dāng)嚴(yán)重，也導(dǎo)致奧陶系頂面的馬五1+2地層殘余厚度薄。

1 研究裂縫方解石的必要性

靖邊氣田奧陶系馬家溝組馬五段是最有利的氣藏層系之一，由于馬五段主力儲層深度大、厚度薄、非均質(zhì)性強(qiáng)等原因，井間小幅度構(gòu)造和溝槽分布較為復(fù)雜，而目前地震勘探的精度不足以精確的刻畫井間小幅度構(gòu)造和小型溝槽的分布，這增加了水平井現(xiàn)場導(dǎo)向的難度。目前靖邊氣田下古水平井開發(fā)難點主要有：

（1）主力氣層馬五13地層厚度較薄，給儲層預(yù)測和地質(zhì)導(dǎo)向帶來較大困難；

（2）前石炭紀(jì)古地貌侵蝕溝槽發(fā)育，實施水平井存在主力儲層缺失風(fēng)險；

（3）局部小幅度構(gòu)造復(fù)雜，定向儀器比較落后，井底情況預(yù)測難，對現(xiàn)場地質(zhì)導(dǎo)向要求較高；

（4）馬家溝組各小層巖性相似，巖屑識別難，小層劃分困難。

靖邊氣田馬五1碳酸鹽巖儲層裂縫發(fā)育，是水平井開發(fā)極為有利的條件。裂縫發(fā)育程度對水平井的增產(chǎn)效果有重要的影響。水平段可以溝通不同組系的裂縫，大幅度提高單井產(chǎn)能。馬五1儲層裂縫滲透率和氣井產(chǎn)能關(guān)系研究表明，氣井產(chǎn)能隨著氣藏裂縫滲透率的增大而增加。可見長慶下古生界碳酸鹽巖儲層微裂縫起著主要的滲流通道作用，是水平井開發(fā)的有利因素。而裂縫方解石的存在則大大降低了儲層裂縫滲透率，通過對靖邊氣田下古氣井巖心觀察發(fā)現(xiàn)裂縫充填方解石多見于奧陶系頂部風(fēng)化殼附近，因此研究裂縫方解石有助于更好的判斷風(fēng)化殼的存在，進(jìn)而可以在水平段地質(zhì)導(dǎo)向過程中提前預(yù)測溝槽的存在追蹤有利地層，達(dá)到提高儲層鉆遇率的效果，降低因鉆遇溝槽導(dǎo)致側(cè)鉆的風(fēng)險。

2 方解石形成及下古地層裂縫方解石成因分析

方解石是一種碳酸鈣礦物（見圖1），天然碳酸鈣中最常見的就是該物質(zhì)，分布廣泛。方解石的晶體形狀多種多樣，它們的集合體可以是一簇簇的晶體，也可以是粒狀、塊狀、纖維狀、鐘乳狀、土狀等。敲擊方解石可以得到很多方形碎塊，故名方解。方解石的色彩因其中含有的雜質(zhì)不同而變化，如含鐵錳時為淺黃、淺紅、褐黑等，但一般多為白色或無色。

圖1 地表灰?guī)r露頭中發(fā)現(xiàn)的方解石

方解石是結(jié)晶的碳酸鹽，其母巖是石灰?guī)r。在各種地質(zhì)作用中均能形成，方解石的形成一般是沉積作用，有大氣降水成因，也有火山熱液作用沉積的。方解石是分布最廣的礦物之一，具有各種不同的成因類型。方解石的形成類型主要為：（1）沉積型，海水中的CaCO3達(dá)到過飽和時，可沉積形成大量的石灰?guī)r、鮞狀灰?guī)r等；（2）熱液型，常見于中、低溫?zé)嵋旱V床中，呈脈狀或見于空洞里，具良好的晶形；（3）巖漿型，方解石為巖漿成因的碳酸巖和碳酸鹽熔巖中的主要造巖礦物，常與白云巖、金云母等共生；（4）風(fēng)化型，石灰?guī)r、大理巖在風(fēng)化過程中地下水溶解易形成重碳酸鈣Ca（HCO3）2進(jìn)入溶液，當(dāng)壓力減小或蒸發(fā)時，使大量CO2的逸出，碳酸鈣可再沉淀下來，形成鐘乳石、石筍、石柱等。

靖邊氣田現(xiàn)今構(gòu)造面貌奠基于侏羅紀(jì)末燕山中期構(gòu)造運動，發(fā)展和完善于喜馬拉雅運動。呂梁運動時本區(qū)進(jìn)入地臺發(fā)育期，發(fā)育了下古以碳酸鹽為主的淺海相沉積。加里東回旋晚期全區(qū)整體抬升，奧陶系上部遭受風(fēng)化剝蝕，相關(guān)研究分析認(rèn)為靖邊氣田下古地層中的裂縫方解石就是在這個時期形成。奧陶系地層在風(fēng)化剝蝕過程中，受外力作用早先沉積的碳酸鹽產(chǎn)生大量裂縫和溶洞，與此同時溶解了碳酸鈣的地表水滲入這些裂縫中，經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)和重結(jié)晶作用最終形成裂縫方解石（方解石的形成反應(yīng)式：Ca（HCO3）2=CaCO3+H2O+CO2）。裂縫方解石可以作為判斷進(jìn)入奧陶系頂部地層的參考依據(jù)，圖2為裂縫方解石在奧陶系頂部巖心中的分布形態(tài)，由于巖屑樣品中存在方解石表明靠近風(fēng)化殼剝蝕面，因此這種巖屑往往泥質(zhì)含量也較高，整體巖屑顏色較深。

圖2 G45-2H井奧陶系頂部地層中的裂縫方解石

3 裂縫方解石巖屑的識別方法

根據(jù)目前現(xiàn)場錄井施工條件，現(xiàn)場識別巖屑的方法主要有目視法和碳酸鹽巖定量分析法。

3.1 目視法

現(xiàn)場觀察裂縫方解石巖屑的主要特征是：顏色呈白色或者接近透明（見圖3），顯微鏡下能夠看到明顯的晶體解理面，巖屑邊緣棱角狀，滴稀鹽酸后劇烈反應(yīng)。靖邊氣田下古地層巖屑以白云巖和灰?guī)r為主，這兩種巖屑均不具有晶體結(jié)構(gòu)且顏色為褐灰色或者灰白色，極易與方解石巖屑區(qū)分。

圖3 儲氣庫X-3井馬五11含方解石巖屑

相關(guān)資料表明靖邊氣田下古地層普遍存在溶孔方解石，但這種方解石受限于巖層中溶孔的大小，無法形成較大的晶體結(jié)構(gòu)，在巖屑中肉眼幾乎無法發(fā)現(xiàn)。

3.2 碳酸鹽巖定量分析法

該方法主要通過碳酸鹽巖定量分析儀實現(xiàn)，碳酸鹽巖定量分析儀通過測量每單位方解石與鹽酸反應(yīng)后質(zhì)量的減少量，每單位白云石與鹽酸反應(yīng)后質(zhì)量的減少量來分析巖石成分中方解石和白云石的含量。碳酸鹽巖的主要成分白云石和方解石，其化學(xué)成分主要是是 CaCO3、MgCa（CO3）2。白云石和方解石與鹽酸反應(yīng)的方程式如下：

由反應(yīng)方程式可知，每1 g方解石與鹽酸完成反應(yīng)后質(zhì)量減少0.44 g，每1 g白云石與鹽酸反應(yīng)后質(zhì)量減少0.480 9 g。利用電子天平實時測量反應(yīng)質(zhì)量的減少量，可以判斷碳酸鹽巖成分含量。其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

式中X為白云質(zhì)含量，H為灰質(zhì)含量，A、B、C、D、E、K為試驗系數(shù)，X1、X2為實時分析數(shù)據(jù)。

以上數(shù)學(xué)模型，軟件編制，解釋結(jié)論均由計算機(jī)自動完成。碳酸鹽巖定量分析儀由研缽，帶串口輸出的電子天平，燒杯，計算機(jī)及安裝在計算機(jī)上的軟件系統(tǒng)組成。其中研缽負(fù)責(zé)將巖屑磨成粉末，電子天平負(fù)責(zé)稱量燒杯和燒杯內(nèi)部物質(zhì)的質(zhì)量，燒杯是一個反應(yīng)容器，計算機(jī)軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)實時讀取、分析、處理、儲存、顯示數(shù)據(jù)及繪制曲線、得出結(jié)論。由于地層中白云巖灰化現(xiàn)象較為普遍，灰?guī)r與鹽酸反應(yīng)速度與方解石反應(yīng)速度基本一致，這就導(dǎo)致無法定量確定巖屑中方解石和灰質(zhì)組分的含量，因此使用碳酸鹽巖定量分析法并不能定量的確定巖屑中方解石含量，但是可以結(jié)合目視法進(jìn)行更加精確的定性描述。

4 在地質(zhì)導(dǎo)向工作中的應(yīng)用探討

（1）斜井段地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用，靖邊氣田下古地層中裂縫方解石巖屑具有現(xiàn)場識別度高、能夠作為奧陶系頂部地層參考依據(jù)的特點，因此在水平井斜井段實施過程中及時通過方解石判斷是否進(jìn)入奧陶系地層對水平井靶點預(yù)測和入靶前井斜控制具有重要意義。

（2）在水平段地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用，靖邊氣田馬家溝地層局部小幅度構(gòu)造復(fù)雜，各小層間巖性相似，水平井鉆進(jìn)過程中一旦發(fā)生巖性變化，層間夾層較多，單純通過錄井巖屑錄井和隨鉆伽馬分析很難判斷井底鉆頭所在小層。目前靖邊氣田對溝槽展布情況認(rèn)識還不夠精細(xì)，在靠近溝槽邊緣的區(qū)塊實施水平井鉆遇淺溝的概率不低，因鉆遇溝槽導(dǎo)致側(cè)鉆的情況時有發(fā)生。由于馬五1地層中裂縫方解石主要存在于奧陶系頂部風(fēng)化殼附近，因此在水平段實施過程中發(fā)現(xiàn)裂縫方解石巖屑（見圖4）說明當(dāng)前鉆頭頂部接近風(fēng)化殼，有鉆遇溝槽的可能。所以當(dāng)水平段地質(zhì)導(dǎo)向過程中發(fā)現(xiàn)巖屑泥質(zhì)含量上升、隨鉆伽馬值升高、氣測降低等情況時，可以通過觀察巖屑中是否存在裂縫方解石提前發(fā)現(xiàn)溝槽存在的跡象，為后續(xù)井眼軌跡調(diào)整決策贏得先機(jī)。

圖4 儲氣庫X-1井水平段巖屑

5 結(jié)論及存在問題

（1）裂縫方解石主要存在于奧陶系頂部風(fēng)化殼附近，因此可以判斷進(jìn)入奧陶系頂部地層的參考依據(jù)對水平井靶點預(yù)測和入靶前井斜控制有重要意義。

（2）在水平段實施過程可以通過觀察巖屑中是否存在裂縫方解石提前發(fā)現(xiàn)溝槽存在的跡象，為后續(xù)井眼軌跡調(diào)整決策贏得先機(jī)。

（3）裂縫方解石在風(fēng)化殼附近地層發(fā)育較為普遍但不具有廣泛性，并非所有下古水平井奧陶系頂部地層發(fā)育有裂縫方解石。

（4）由于鉆頭選型與泥漿的影響，導(dǎo)致巖屑過細(xì)或受污染，巖屑中存在的裂縫方解石可能難以分辨，因此需要借助顯微鏡等儀器進(jìn)行識別。

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