下古地层裂缝方解石的成因分析及在水平井地质导向中的应用

2014-05-10付江龙吴学虎苏晓庆

石油化工应用 2014年4期

汤敬，付江龙，吕建，刘舵，吴学虎，苏晓庆

（中国石油长庆油田分公司储气库管理处，陕西靖边 718500）

靖边气田位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部靖边-横山一带，走向为北北东向，长约206 km、宽约95 km、开发管理面积逾1.416 0×104km2，是与奥陶系海相碳酸盐岩有关的风化壳型低渗透、低丰度、低产的大型复杂气田。下古生界奥陶系马家沟组属华北海相沉积，地层自下而上可划分为马一至马六等6个岩性段，马一、三、五段以白云岩、膏盐为主，马二、四、六段以灰岩为主。

由目前靖边气田的勘探开发情况来看，在奥陶系马五段地层沉积和成岩过程中，因一直处于较高的构造部位，沉积地层相对较薄；同时由于该地区早古生代中奥陶统海退滞后，下古生界碳酸盐岩暴露地表，遭受了约1.3亿年的风化剥蚀、雨水冲刷及化学溶蚀、淋滤作用，造成沟槽切割相当严重，也导致奥陶系顶面的马五1+2地层残余厚度薄。

1 研究裂缝方解石的必要性

靖边气田奥陶系马家沟组马五段是最有利的气藏层系之一，由于马五段主力储层深度大、厚度薄、非均质性强等原因，井间小幅度构造和沟槽分布较为复杂，而目前地震勘探的精度不足以精确的刻画井间小幅度构造和小型沟槽的分布，这增加了水平井现场导向的难度。目前靖边气田下古水平井开发难点主要有：

（1）主力气层马五13地层厚度较薄，给储层预测和地质导向带来较大困难；

（2）前石炭纪古地貌侵蚀沟槽发育，实施水平井存在主力储层缺失风险；

（3）局部小幅度构造复杂，定向仪器比较落后，井底情况预测难，对现场地质导向要求较高；

（4）马家沟组各小层岩性相似，岩屑识别难，小层划分困难。

靖边气田马五1碳酸盐岩储层裂缝发育，是水平井开发极为有利的条件。裂缝发育程度对水平井的增产效果有重要的影响。水平段可以沟通不同组系的裂缝，大幅度提高单井产能。马五1储层裂缝渗透率和气井产能关系研究表明，气井产能随着气藏裂缝渗透率的增大而增加。可见长庆下古生界碳酸盐岩储层微裂缝起着主要的渗流通道作用，是水平井开发的有利因素。而裂缝方解石的存在则大大降低了储层裂缝渗透率，通过对靖边气田下古气井岩心观察发现裂缝充填方解石多见于奥陶系顶部风化壳附近，因此研究裂缝方解石有助于更好的判断风化壳的存在，进而可以在水平段地质导向过程中提前预测沟槽的存在追踪有利地层，达到提高储层钻遇率的效果，降低因钻遇沟槽导致侧钻的风险。

2 方解石形成及下古地层裂缝方解石成因分析

方解石是一种碳酸钙矿物（见图1），天然碳酸钙中最常见的就是该物质，分布广泛。方解石的晶体形状多种多样，它们的集合体可以是一簇簇的晶体，也可以是粒状、块状、纤维状、钟乳状、土状等。敲击方解石可以得到很多方形碎块，故名方解。方解石的色彩因其中含有的杂质不同而变化，如含铁锰时为浅黄、浅红、褐黑等，但一般多为白色或无色。

图1 地表灰岩露头中发现的方解石

方解石是结晶的碳酸盐，其母岩是石灰岩。在各种地质作用中均能形成，方解石的形成一般是沉积作用，有大气降水成因，也有火山热液作用沉积的。方解石是分布最广的矿物之一，具有各种不同的成因类型。方解石的形成类型主要为：（1）沉积型，海水中的CaCO3达到过饱和时，可沉积形成大量的石灰岩、鲕状灰岩等；（2）热液型，常见于中、低温热液矿床中，呈脉状或见于空洞里，具良好的晶形；（3）岩浆型，方解石为岩浆成因的碳酸岩和碳酸盐熔岩中的主要造岩矿物，常与白云岩、金云母等共生；（4）风化型，石灰岩、大理岩在风化过程中地下水溶解易形成重碳酸钙Ca（HCO3）2进入溶液，当压力减小或蒸发时，使大量CO2的逸出，碳酸钙可再沉淀下来，形成钟乳石、石笋、石柱等。

靖边气田现今构造面貌奠基于侏罗纪末燕山中期构造运动，发展和完善于喜马拉雅运动。吕梁运动时本区进入地台发育期，发育了下古以碳酸盐为主的浅海相沉积。加里东回旋晚期全区整体抬升，奥陶系上部遭受风化剥蚀，相关研究分析认为靖边气田下古地层中的裂缝方解石就是在这个时期形成。奥陶系地层在风化剥蚀过程中，受外力作用早先沉积的碳酸盐产生大量裂缝和溶洞，与此同时溶解了碳酸钙的地表水渗入这些裂缝中，经过化学反应和重结晶作用最终形成裂缝方解石（方解石的形成反应式：Ca（HCO3）2=CaCO3+H2O+CO2）。裂缝方解石可以作为判断进入奥陶系顶部地层的参考依据，图2为裂缝方解石在奥陶系顶部岩心中的分布形态，由于岩屑样品中存在方解石表明靠近风化壳剥蚀面，因此这种岩屑往往泥质含量也较高，整体岩屑颜色较深。

图2 G45-2H井奥陶系顶部地层中的裂缝方解石

3 裂缝方解石岩屑的识别方法

根据目前现场录井施工条件，现场识别岩屑的方法主要有目视法和碳酸盐岩定量分析法。

3.1 目视法

现场观察裂缝方解石岩屑的主要特征是：颜色呈白色或者接近透明（见图3），显微镜下能够看到明显的晶体解理面，岩屑边缘棱角状，滴稀盐酸后剧烈反应。靖边气田下古地层岩屑以白云岩和灰岩为主，这两种岩屑均不具有晶体结构且颜色为褐灰色或者灰白色，极易与方解石岩屑区分。

图3 储气库X-3井马五11含方解石岩屑

相关资料表明靖边气田下古地层普遍存在溶孔方解石，但这种方解石受限于岩层中溶孔的大小，无法形成较大的晶体结构，在岩屑中肉眼几乎无法发现。

3.2 碳酸盐岩定量分析法

该方法主要通过碳酸盐岩定量分析仪实现，碳酸盐岩定量分析仪通过测量每单位方解石与盐酸反应后质量的减少量，每单位白云石与盐酸反应后质量的减少量来分析岩石成分中方解石和白云石的含量。碳酸盐岩的主要成分白云石和方解石，其化学成分主要是是 CaCO3、MgCa（CO3）2。白云石和方解石与盐酸反应的方程式如下：

由反应方程式可知，每1 g方解石与盐酸完成反应后质量减少0.44 g，每1 g白云石与盐酸反应后质量减少0.480 9 g。利用电子天平实时测量反应质量的减少量，可以判断碳酸盐岩成分含量。其数学表达如下：

式中X为白云质含量，H为灰质含量，A、B、C、D、E、K为试验系数，X1、X2为实时分析数据。

以上数学模型，软件编制，解释结论均由计算机自动完成。碳酸盐岩定量分析仪由研钵，带串口输出的电子天平，烧杯，计算机及安装在计算机上的软件系统组成。其中研钵负责将岩屑磨成粉末，电子天平负责称量烧杯和烧杯内部物质的质量，烧杯是一个反应容器，计算机软件系统负责实时读取、分析、处理、储存、显示数据及绘制曲线、得出结论。由于地层中白云岩灰化现象较为普遍，灰岩与盐酸反应速度与方解石反应速度基本一致，这就导致无法定量确定岩屑中方解石和灰质组分的含量，因此使用碳酸盐岩定量分析法并不能定量的确定岩屑中方解石含量，但是可以结合目视法进行更加精确的定性描述。

4 在地质导向工作中的应用探讨

（1）斜井段地质导向中的应用，靖边气田下古地层中裂缝方解石岩屑具有现场识别度高、能够作为奥陶系顶部地层参考依据的特点，因此在水平井斜井段实施过程中及时通过方解石判断是否进入奥陶系地层对水平井靶点预测和入靶前井斜控制具有重要意义。

（2）在水平段地质导向中的应用，靖边气田马家沟地层局部小幅度构造复杂，各小层间岩性相似，水平井钻进过程中一旦发生岩性变化，层间夹层较多，单纯通过录井岩屑录井和随钻伽马分析很难判断井底钻头所在小层。目前靖边气田对沟槽展布情况认识还不够精细，在靠近沟槽边缘的区块实施水平井钻遇浅沟的概率不低，因钻遇沟槽导致侧钻的情况时有发生。由于马五1地层中裂缝方解石主要存在于奥陶系顶部风化壳附近，因此在水平段实施过程中发现裂缝方解石岩屑（见图4）说明当前钻头顶部接近风化壳，有钻遇沟槽的可能。所以当水平段地质导向过程中发现岩屑泥质含量上升、随钻伽马值升高、气测降低等情况时，可以通过观察岩屑中是否存在裂缝方解石提前发现沟槽存在的迹象，为后续井眼轨迹调整决策赢得先机。