碳酸鹽膠結(jié)物溶解—沉淀的熱力學(xué)平衡在碎屑巖儲(chǔ)層質(zhì)量預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
——以渤南洼陷沙三段為例

沈臻歡， 于炳松， 韓舒筠， 楊志輝， 黃志恒

( 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083 )

0 引言

在碎屑巖儲(chǔ)層中，碳酸鹽膠結(jié)物是重要的自生礦物且發(fā)育普遍，方解石等碳酸鹽礦物的沉淀—溶解能夠改造儲(chǔ)層的原始孔隙，影響儲(chǔ)層的儲(chǔ)集能力[1-3]。這種影響主要通過(guò)方式：(1)碳酸鹽膠結(jié)物充填原始孔隙，減少儲(chǔ)層的孔隙度；(2)早期形成的碳酸鹽膠結(jié)物充填孔隙喉道，阻止巖石壓實(shí)作用的進(jìn)程，為有機(jī)質(zhì)排酸、溶解碳酸鹽膠結(jié)物形成次生孔隙提供條件；(3)晚期碳酸鹽礦物再次充填次生孔隙，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造[4]。儲(chǔ)層孔隙度是多期次疊加的結(jié)果，碳酸鹽膠結(jié)物的溶解—沉淀對(duì)其儲(chǔ)集物性具有重要影響[5-7]。人們認(rèn)為碎屑巖中碳酸鹽礦物的溶解—沉淀對(duì)次生孔隙發(fā)育和破壞有影響，但停留在定性的程度上[8-10]。以化學(xué)熱力學(xué)為基礎(chǔ)的相平衡研究是巖石學(xué)發(fā)展的熱點(diǎn)和前沿，在推動(dòng)巖石學(xué)從定性研究到定量研究的過(guò)程中起重要作用?？捎没瘜W(xué)熱力學(xué)參數(shù)，定量表征碳酸鹽礦物在固定物理化學(xué)條件下的溶解—沉淀。如于炳松等利用熱力學(xué)方法計(jì)算克拉2氣田方解石膠結(jié)物溶解狀況，預(yù)測(cè)次生孔隙對(duì)儲(chǔ)集巖的貢獻(xiàn)[11]；阮壯等[12]、陳圓圓等[13]利用熱力學(xué)方法預(yù)測(cè)塔河油田的巖溶趨勢(shì)。表明熱力學(xué)計(jì)算方法在碳酸鹽儲(chǔ)層中的預(yù)測(cè)已取得較好成果，但是否能應(yīng)用于碎屑巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)的研究還不夠深入。

影響碳酸鹽溶解能力的主要因素包括溫度、壓力、溶液pH和各種離子的活度等?？紫读黧w性質(zhì)的變化引起碳酸鹽礦物的重溶和沉淀[14]。現(xiàn)今地層水是反演當(dāng)前水—巖作用過(guò)程的直接證據(jù)[15]，對(duì)地層水中碳酸鹽礦物溶解趨勢(shì)的判別，可直觀反映現(xiàn)今條件下碳酸鹽膠結(jié)物的溶解趨勢(shì)。如果現(xiàn)今地層水條件有利于碳酸鹽礦物的沉淀，那么即使曾經(jīng)存在原生和次生孔隙，儲(chǔ)集空間也可能遭受碳酸鹽膠結(jié)物的充填和破壞[12]；反之，原始的儲(chǔ)集空間得以保留，甚至進(jìn)一步發(fā)育。

渤南洼陷沙三段砂巖儲(chǔ)層膠結(jié)物以鈣質(zhì)膠結(jié)為主，其次為泥質(zhì)膠結(jié)和硅質(zhì)膠結(jié)。早期方解石膠結(jié)較少，多為晚期鐵方解石和鐵白云石膠結(jié)[16-17]。筆者選取渤南洼陷沙河街組碎屑巖地層為研究對(duì)象，對(duì)地層水化學(xué)特征進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，定量判斷儲(chǔ)層中碳酸鹽膠結(jié)物的溶解—沉淀趨勢(shì)，預(yù)測(cè)砂巖儲(chǔ)層次生孔隙，為該地區(qū)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

圖1 渤南洼陷區(qū)域位置及地層柱狀圖(據(jù)文獻(xiàn)[18]修改)Fig.1 The regional position and stratigraphic column of the Bonan sag(modified by reference[18])

渤南洼陷的流體基本處于封閉的超壓環(huán)境，壓力隨深度的增加而增加，可以劃分為上、中、下3個(gè)超壓帶,分別與沙一段(Es1)、沙三段(Es3)和沙四段(Es4)對(duì)應(yīng)[18]。其中沙四上亞段的烴源巖和膏巖，以及沙三下亞段的烴源巖是良好的蓋層。因此，沙四段產(chǎn)生的烴類多保存在原地，受斷層影響較小。沙三下亞段烴類的遷移很大程度上受斷層控制，除大部分儲(chǔ)集在沙三段(Es3)，部分可沿?cái)鄬舆w移到沙二段(Es2)和沙一段(Es1)[18-19]。

2 儲(chǔ)層基本特征

2.1 水化學(xué)及環(huán)境數(shù)據(jù)

表1 渤南洼陷沙三段地層水相關(guān)參數(shù)

2.2 巖石學(xué)特征

碳酸鹽礦物在薄片中較為明顯。早期充填在顆粒之間的碳酸鹽膠結(jié)物呈微晶—微亮晶，在溶解形成的孔隙中，再次充填的碳酸鹽晶體相對(duì)較為粗大且晶形較好(見(jiàn)圖2(a))。碎屑顆粒石英和長(zhǎng)石發(fā)生溶蝕，被碳酸鹽致密膠結(jié)(見(jiàn)圖2(b-c))。局部的石英顆粒溶蝕較為嚴(yán)重，可見(jiàn)石英溶解殘余，并重新充填晶形較為粗大的碳酸鹽晶體(見(jiàn)圖2(d))?？紫栋l(fā)育較好的碳酸鹽，可見(jiàn)碎屑顆粒之間新生的碳酸鹽礦物，碳酸鹽礦物呈自形程度較高的菱形(見(jiàn)圖2(e-f))。陰極發(fā)光顯示：早期的碳酸鹽呈亮黃色，零星分布在碎屑顆粒之間(見(jiàn)圖2(g))；晚期橘紅色—暗紅色的碳酸鹽膠結(jié)物，不規(guī)則地充填在碎屑顆粒之間(見(jiàn)圖2(g-h))，或呈自形程度較高的暗色碳酸鹽晶體(見(jiàn)圖2(i))。

圖2 渤南洼陷沙三段儲(chǔ)層巖心薄片特征Fig.2 Thin sections of the Es3 member reservoir in the Bonan sag

3 碳酸鹽—水相互作用的化學(xué)熱力學(xué)模型

3.1 方解石—水

方解石—水相互作用的熱力學(xué)計(jì)算方法見(jiàn)圖3[22]。地層水與方解石體系中主要反應(yīng)及平衡常數(shù)：

(1)

(2)

(3)

式(1-3)中：KCc、K1、K2為反應(yīng)的平衡常數(shù)(見(jiàn)表2)；ai為離子活度。

圖3 碳酸鹽—水相互作用熱力學(xué)計(jì)算方法Fig.3 Thermodynamic calculation the reaction of carbonate-water

p/MPaT/℃K1K2KCcKDol1001009.71×10-72.42×10-103.47×10-93.31×10-20

任意化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能ΔG表示為

3.2 白云石—水

4 碳酸鹽膠結(jié)物水—巖反應(yīng)熱力學(xué)

渤南洼陷沙河街組三段地下水?dāng)?shù)據(jù)離子活度計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表1)表明：Ca2+和Mg2+的平均活度分別約為2.12、6.54 mmol/L；水體的平均H+活度約為3.15×10-4mmol/L。47口地下水取樣井的碳酸鹽化學(xué)熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示：方解石ΔG<0 kJ/mol的井有5口，ΔG>0 kJ/mol的井有42口；NaHCO3型水的井ΔG全部大于0 kJ/mol，且ΔG相對(duì)較大；ΔG<0 kJ/mol的井水型多為CaCl2型，有3口；MgCl2和Na2SO4型水ΔG<0 kJ/mol的井各有1口。白云石ΔG<0 kJ/mol的井有4口，ΔG>0 kJ/mol的井有41口；ΔG<0 kJ/mol的井水型為CaCl2型和MgCl2型各2口和1口；NaHCO3型水ΔG全部大于0 kJ/mol，且ΔG相對(duì)較大。因此，CaCl2型水相對(duì)有利于碳酸鹽礦物溶解，NaHCO3型水易于碳酸鹽礦物的大量沉淀；MgCl2和Na2SO4型水位于兩者之間。平面上，碳酸鹽膠結(jié)物的溶解—沉淀趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

圖4 渤南洼陷Es3碳酸鹽ΔG分布Fig.4 The distribute of carbonate minerals ΔG in the Es3 member, Bonan sag

5 儲(chǔ)層預(yù)測(cè)

采用化學(xué)熱力學(xué)方法計(jì)算吉布斯自由能ΔG，判別碎屑巖中碳酸鹽膠結(jié)物的溶解—沉淀趨勢(shì)：ΔG<0 kJ/mol，反應(yīng)向溶解方向進(jìn)行，有利于碳酸鹽的溶解；ΔG>0 kJ/mol，反應(yīng)向沉淀方向進(jìn)行，有利于碳酸鹽的膠結(jié)；ΔG=0 kJ/mol，反應(yīng)處于動(dòng)態(tài)平衡。這種方法在碎屑巖儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中是否具有可操作性或者能否切合實(shí)際，需要用實(shí)際資料與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行吻合驗(yàn)證[13]。處于異常高壓帶的巖石孔隙流體流速很慢，與周圍的礦物有足夠的時(shí)間進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，從而達(dá)到化學(xué)平衡[24-25]。該方法為將熱力學(xué)原理應(yīng)用于水—碳酸鹽相互作用的數(shù)值模擬，特別是將熱力學(xué)理論模擬計(jì)算，應(yīng)用于油氣儲(chǔ)集巖的成巖過(guò)程中次生孔隙發(fā)育的研究提供理論依據(jù)[26]。

熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，渤南洼陷整體地層水條件有利于埋藏條件下碳酸鹽膠結(jié)物沉淀，鑄體薄片分析得到驗(yàn)證(見(jiàn)圖2)。由研究區(qū)深度為2.5～3.6 km地層孔隙度和碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)垂向關(guān)系可知(見(jiàn)圖5)：碳酸鹽礦物在地層中發(fā)育較為普遍，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12.2%。且縱向上碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。研究區(qū)47口井平均地層水深度約為3 059.6 m，對(duì)應(yīng)深度為3.0 km左右地層碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高值和孔隙度較小值。隨埋藏深度繼續(xù)增加，壓實(shí)作用越強(qiáng)烈，因?yàn)樘妓猁}礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，所以孔隙度略有上升。

根據(jù)渤南洼陷沙三段的碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)的平面分布(見(jiàn)圖6)可知，在碳酸鹽礦物吉布斯自由能ΔG相對(duì)較小的區(qū)域(圖4中方解石和白云石分別為ΔG≤14.00 kJ/mol和ΔG≤30.00 kJ/mol)，對(duì)應(yīng)平面上碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低的區(qū)域；并且渤南洼陷Es3的平均孔隙度為17.1%，孔隙度發(fā)育較好的區(qū)域(孔隙度≥20.0%)，對(duì)應(yīng)平面上碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)低值區(qū)域(見(jiàn)圖7)。因此，碳酸鹽膠結(jié)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對(duì)渤南洼陷Es3儲(chǔ)層質(zhì)量有重要影響。

圖5 渤南洼陷Es3孔隙度和碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨深度變化關(guān)系Fig.5 The relationship of carbonate minerals mass fraction and porosity in the Es3 member, Bonan sag

圖6 渤南洼陷Es3碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)平面分布

研究區(qū)碳酸鹽膠結(jié)較為致密，即使是原先有孔隙存在的區(qū)域，也可看到自形的碳酸鹽晶體在孔隙邊緣生長(zhǎng)，不同區(qū)域的沉淀趨勢(shì)存在明顯差異。渤南洼陷北帶近岸水下扇(見(jiàn)圖1(a))砂礫巖儲(chǔ)層整體上經(jīng)歷“弱堿性—酸性—堿性—酸性—堿性”酸堿交替的成巖環(huán)境演化[27]。因此，現(xiàn)今地層水是處于堿性環(huán)境下的，與實(shí)測(cè)地層水pH的結(jié)果一致(見(jiàn)表1)，而在前一期酸性流體環(huán)境下，渤南洼陷北帶附近的碳酸鹽膠結(jié)物可能發(fā)生溶解。義361井靠近渤南洼陷北部(見(jiàn)圖4)，該區(qū)域CaCO3和CaMg(CO3)2電離反應(yīng)的ΔG相對(duì)較高，代表埋藏條件下先期形成的碳酸鹽填隙物保存較為完整或有少量的溶解，且在有早期溶蝕孔發(fā)育處多發(fā)生晚期碳酸鹽重新沉淀(見(jiàn)圖2(d、h))。因此，渤南洼陷北部碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，孔隙度較差。義東341井位于半深湖相，ΔG高，平面上碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，可見(jiàn)新生碳酸鹽晶體沿孔隙邊緣生長(zhǎng)(見(jiàn)圖2(a))。此外，渤南洼陷的物源主要來(lái)自于東南部，以進(jìn)積型三角洲沉積為主(見(jiàn)圖1(b))，對(duì)應(yīng)ΔG相對(duì)較低的區(qū)域，反映早期碳酸鹽膠結(jié)物可能溶解較為明顯。由于碳酸鹽ΔG>0 kJ/mol，孔隙中有少量的菱形碳酸鹽晶體重新沉淀，如羅358井(見(jiàn)圖2(f、i))。因此，碳酸鹽膠結(jié)物沉淀—溶解的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，與碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)和孔隙度數(shù)據(jù)有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以判斷次生孔隙的發(fā)育狀況，預(yù)測(cè)有利儲(chǔ)層發(fā)育帶。研究區(qū)的沉積相展布對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量也有影響，渤南洼陷儲(chǔ)層質(zhì)量較好的區(qū)域主要是三角洲相。

圖7 渤南洼陷Es3孔隙度平面分布Fig.7 The distribute of porosity in the Es3 member, Bonan sag

6 結(jié)論

(1)渤南洼陷沙三段儲(chǔ)層總體上有利于碳酸鹽礦物沉淀，先期溶解的孔隙中有新生的碳酸鹽晶體生長(zhǎng)，說(shuō)明熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果的正確性。

(2)除受溫度、壓力、孔隙流體pH等控制以外，地下水水型對(duì)碳酸鹽膠結(jié)物溶解—沉淀的影響主要表現(xiàn)在：CaCl2型水相對(duì)有利于碳酸鹽礦物溶解；NaHCO3型水易于碳酸鹽礦物的沉淀；MgCl2和Na2SO4型水位于兩者之間，多以沉淀為主。

(3)碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與孔隙度在縱向和平面上具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層質(zhì)量具有重要影響。采用熱力學(xué)模型，判別渤南洼陷沙三段地層碳酸鹽膠結(jié)物對(duì)儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育具有指導(dǎo)作用。礦物溶解—沉淀的化學(xué)熱力學(xué)可作為碎屑巖儲(chǔ)層孔隙預(yù)測(cè)的一種重要且有效的方法。

(4)研究區(qū)吉布斯自由能較小的區(qū)域主要位于三角洲相，并且該區(qū)域的碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，孔隙度發(fā)育較好，是有利儲(chǔ)層的主要發(fā)育區(qū)。