碳酸盐胶结物溶解—沉淀的热力学平衡在碎屑岩储层质量预测中的应用<br/>——以渤南洼陷沙三段为例

碳酸盐胶结物溶解—沉淀的热力学平衡在碎屑岩储层质量预测中的应用
——以渤南洼陷沙三段为例

2018-11-08沈臻欢于炳松韩舒筠杨志辉黄志恒

东北石油大学学报 2018年5期

沈臻欢，于炳松，韩舒筠，杨志辉，黄志恒

( 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院，北京 100083 )

0 引言

在碎屑岩储层中，碳酸盐胶结物是重要的自生矿物且发育普遍，方解石等碳酸盐矿物的沉淀—溶解能够改造储层的原始孔隙，影响储层的储集能力[1-3]。这种影响主要通过方式：(1)碳酸盐胶结物充填原始孔隙，减少储层的孔隙度；(2)早期形成的碳酸盐胶结物充填孔隙喉道，阻止岩石压实作用的进程，为有机质排酸、溶解碳酸盐胶结物形成次生孔隙提供条件；(3)晚期碳酸盐矿物再次充填次生孔隙，对孔隙结构进行改造[4]。储层孔隙度是多期次叠加的结果，碳酸盐胶结物的溶解—沉淀对其储集物性具有重要影响[5-7]。人们认为碎屑岩中碳酸盐矿物的溶解—沉淀对次生孔隙发育和破坏有影响，但停留在定性的程度上[8-10]。以化学热力学为基础的相平衡研究是岩石学发展的热点和前沿，在推动岩石学从定性研究到定量研究的过程中起重要作用。可用化学热力学参数，定量表征碳酸盐矿物在固定物理化学条件下的溶解—沉淀。如于炳松等利用热力学方法计算克拉2气田方解石胶结物溶解状况，预测次生孔隙对储集岩的贡献[11]；阮壮等[12]、陈圆圆等[13]利用热力学方法预测塔河油田的岩溶趋势。表明热力学计算方法在碳酸盐储层中的预测已取得较好成果，但是否能应用于碎屑岩储层预测的研究还不够深入。

影响碳酸盐溶解能力的主要因素包括温度、压力、溶液pH和各种离子的活度等。孔隙流体性质的变化引起碳酸盐矿物的重溶和沉淀[14]。现今地层水是反演当前水—岩作用过程的直接证据[15]，对地层水中碳酸盐矿物溶解趋势的判别，可直观反映现今条件下碳酸盐胶结物的溶解趋势。如果现今地层水条件有利于碳酸盐矿物的沉淀，那么即使曾经存在原生和次生孔隙，储集空间也可能遭受碳酸盐胶结物的充填和破坏[12]；反之，原始的储集空间得以保留，甚至进一步发育。

渤南洼陷沙三段砂岩储层胶结物以钙质胶结为主，其次为泥质胶结和硅质胶结。早期方解石胶结较少，多为晚期铁方解石和铁白云石胶结[16-17]。笔者选取渤南洼陷沙河街组碎屑岩地层为研究对象，对地层水化学特征进行热力学计算，定量判断储层中碳酸盐胶结物的溶解—沉淀趋势，预测砂岩储层次生孔隙，为该地区储层评价提供理论依据。

1 地质背景

图1 渤南洼陷区域位置及地层柱状图(据文献[18]修改)Fig.1 The regional position and stratigraphic column of the Bonan sag(modified by reference[18])

渤南洼陷的流体基本处于封闭的超压环境，压力随深度的增加而增加，可以划分为上、中、下3个超压带,分别与沙一段(Es1)、沙三段(Es3)和沙四段(Es4)对应[18]。其中沙四上亚段的烃源岩和膏岩，以及沙三下亚段的烃源岩是良好的盖层。因此，沙四段产生的烃类多保存在原地，受断层影响较小。沙三下亚段烃类的迁移很大程度上受断层控制，除大部分储集在沙三段(Es3)，部分可沿断层迁移到沙二段(Es2)和沙一段(Es1)[18-19]。

2 储层基本特征

2.1 水化学及环境数据

表1 渤南洼陷沙三段地层水相关参数

2.2 岩石学特征

碳酸盐矿物在薄片中较为明显。早期充填在颗粒之间的碳酸盐胶结物呈微晶—微亮晶，在溶解形成的孔隙中，再次充填的碳酸盐晶体相对较为粗大且晶形较好(见图2(a))。碎屑颗粒石英和长石发生溶蚀，被碳酸盐致密胶结(见图2(b-c))。局部的石英颗粒溶蚀较为严重，可见石英溶解残余，并重新充填晶形较为粗大的碳酸盐晶体(见图2(d))。孔隙发育较好的碳酸盐，可见碎屑颗粒之间新生的碳酸盐矿物，碳酸盐矿物呈自形程度较高的菱形(见图2(e-f))。阴极发光显示：早期的碳酸盐呈亮黄色，零星分布在碎屑颗粒之间(见图2(g))；晚期橘红色—暗红色的碳酸盐胶结物，不规则地充填在碎屑颗粒之间(见图2(g-h))，或呈自形程度较高的暗色碳酸盐晶体(见图2(i))。

图2 渤南洼陷沙三段储层岩心薄片特征Fig.2 Thin sections of the Es3 member reservoir in the Bonan sag

3 碳酸盐—水相互作用的化学热力学模型

3.1 方解石—水

方解石—水相互作用的热力学计算方法见图3[22]。地层水与方解石体系中主要反应及平衡常数：

(1)

(2)

(3)

式(1-3)中：KCc、K1、K2为反应的平衡常数(见表2)；ai为离子活度。

图3 碳酸盐—水相互作用热力学计算方法Fig.3 Thermodynamic calculation the reaction of carbonate-water

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

任意化学反应的吉布斯自由能ΔG表示为

3.2 白云石—水

4 碳酸盐胶结物水—岩反应热力学

渤南洼陷沙河街组三段地下水数据离子活度计算结果(见表1)表明：Ca2+和Mg2+的平均活度分别约为2.12、6.54 mmol/L；水体的平均H+活度约为3.15×10-4mmol/L。47口地下水取样井的碳酸盐化学热力学计算结果显示：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相对较大；ΔG<0 kJ/mol的井水型多为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的井水型为CaCl2型和MgCl2型各2口和1口；NaHCO3型水ΔG全部大于0 kJ/mol，且ΔG相对较大。因此，CaCl2型水相对有利于碳酸盐矿物溶解，NaHCO3型水易于碳酸盐矿物的大量沉淀；MgCl2和Na2SO4型水位于两者之间。平面上，碳酸盐胶结物的溶解—沉淀趋势见图4。

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

5 储层预测

采用化学热力学方法计算吉布斯自由能ΔG，判别碎屑岩中碳酸盐胶结物的溶解—沉淀趋势：ΔG<0 kJ/mol，反应向溶解方向进行，有利于碳酸盐的溶解；ΔG>0 kJ/mol，反应向沉淀方向进行，有利于碳酸盐的胶结；ΔG=0 kJ/mol，反应处于动态平衡。这种方法在碎屑岩储层预测中是否具有可操作性或者能否切合实际，需要用实际资料与计算结果进行吻合验证[13]。处于异常高压带的岩石孔隙流体流速很慢，与周围的矿物有足够的时间进行物质和能量交换，从而达到化学平衡[24-25]。该方法为将热力学原理应用于水—碳酸盐相互作用的数值模拟，特别是将热力学理论模拟计算，应用于油气储集岩的成岩过程中次生孔隙发育的研究提供理论依据[26]。

热力学计算结果说明，渤南洼陷整体地层水条件有利于埋藏条件下碳酸盐胶结物沉淀，铸体薄片分析得到验证(见图2)。由研究区深度为2.5～3.6 km地层孔隙度和碳酸盐质量分数垂向关系可知(见图5)：碳酸盐矿物在地层中发育较为普遍，平均质量分数约为12.2%。且纵向上碳酸盐胶结物质量分数与孔隙度具有较好的对应关系。研究区47口井平均地层水深度约为3 059.6 m，对应深度为3.0 km左右地层碳酸盐质量分数高值和孔隙度较小值。随埋藏深度继续增加，压实作用越强烈，因为碳酸盐矿物质量分数减少，所以孔隙度略有上升。

根据渤南洼陷沙三段的碳酸盐质量分数的平面分布(见图6)可知，在碳酸盐矿物吉布斯自由能ΔG相对较小的区域(图4中方解石和白云石分别为ΔG≤14.00 kJ/mol和ΔG≤30.00 kJ/mol)，对应平面上碳酸盐质量分数相对较低的区域；并且渤南洼陷Es3的平均孔隙度为17.1%，孔隙度发育较好的区域(孔隙度≥20.0%)，对应平面上碳酸盐质量分数低值区域(见图7)。因此，碳酸盐胶结物质量分数的高低对渤南洼陷Es3储层质量有重要影响。

图5 渤南洼陷Es3孔隙度和碳酸盐质量分数随深度变化关系Fig.5 The relationship of carbonate minerals mass fraction and porosity in the Es3 member, Bonan sag

图6 渤南洼陷Es3碳酸盐矿物质量分数平面分布

研究区碳酸盐胶结较为致密，即使是原先有孔隙存在的区域，也可看到自形的碳酸盐晶体在孔隙边缘生长，不同区域的沉淀趋势存在明显差异。渤南洼陷北带近岸水下扇(见图1(a))砂砾岩储层整体上经历“弱碱性—酸性—碱性—酸性—碱性”酸碱交替的成岩环境演化[27]。因此，现今地层水是处于碱性环境下的，与实测地层水pH的结果一致(见表1)，而在前一期酸性流体环境下，渤南洼陷北带附近的碳酸盐胶结物可能发生溶解。义361井靠近渤南洼陷北部(见图4)，该区域CaCO3和CaMg(CO3)2电离反应的ΔG相对较高，代表埋藏条件下先期形成的碳酸盐填隙物保存较为完整或有少量的溶解，且在有早期溶蚀孔发育处多发生晚期碳酸盐重新沉淀(见图2(d、h))。因此，渤南洼陷北部碳酸盐质量分数较高，孔隙度较差。义东341井位于半深湖相，ΔG高，平面上碳酸盐矿物质量分数高，可见新生碳酸盐晶体沿孔隙边缘生长(见图2(a))。此外，渤南洼陷的物源主要来自于东南部，以进积型三角洲沉积为主(见图1(b))，对应ΔG相对较低的区域，反映早期碳酸盐胶结物可能溶解较为明显。由于碳酸盐ΔG>0 kJ/mol，孔隙中有少量的菱形碳酸盐晶体重新沉淀，如罗358井(见图2(f、i))。因此，碳酸盐胶结物沉淀—溶解的热力学计算结果，与碳酸盐质量分数和孔隙度数据有很好的对应关系，可以判断次生孔隙的发育状况，预测有利储层发育带。研究区的沉积相展布对储层质量也有影响，渤南洼陷储层质量较好的区域主要是三角洲相。