下古地層裂縫方解石的成因分析及在水平井地質導向中的應用

湯 敬，付江龍，呂 建，劉 舵，吳學虎，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、開發管理面積逾1.416 0×104km2，是與奧陶系海相碳酸鹽巖有關的風化殼型低滲透、低豐度、低產的大型復雜氣田。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、六段以灰巖為主。

由目前靖邊氣田的勘探開發情況來看，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造部位，沉積地層相對較薄；同時由于該地區早古生代中奧陶統海退滯后，下古生界碳酸鹽巖暴露地表，遭受了約1.3億年的風化剝蝕、雨水沖刷及化學溶蝕、淋濾作用，造成溝槽切割相當嚴重，也導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、非均質性強等原因，井間小幅度構造和溝槽分布較為復雜，而目前地震勘探的精度不足以精確的刻畫井間小幅度構造和小型溝槽的分布，這增加了水平井現場導向的難度。目前靖邊氣田下古水平井開發難點主要有：

（1）主力氣層馬五13地層厚度較薄，給儲層預測和地質導向帶來較大困難；

（2）前石炭紀古地貌侵蝕溝槽發育，實施水平井存在主力儲層缺失風險；

（3）局部小幅度構造復雜，定向儀器比較落后，井底情況預測難，對現場地質導向要求較高；

（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育，是水平井開發極為有利的條件。裂縫發育程度對水平井的增產效果有重要的影響。水平段可以溝通不同組系的裂縫，大幅度提高單井產能。馬五1儲層裂縫滲透率和氣井產能關系研究表明，氣井產能隨著氣藏裂縫滲透率的增大而增加?？梢婇L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現裂縫充填方解石多見于奧陶系頂部風化殼附近，因此研究裂縫方解石有助于更好的判斷風化殼的存在，進而可以在水平段地質導向過程中提前預測溝槽的存在追蹤有利地層，達到提高儲層鉆遇率的效果，降低因鉆遇溝槽導致側鉆的風險。

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，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 地表灰巖露頭中發現的方解石

方解石是結晶的碳酸鹽，其母巖是石灰巖。在各種地質作用中均能形成，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達到過飽和時，可沉積形成大量的石灰巖、鮞狀灰巖等；（2）熱液型，常見于中、低溫熱液礦床中，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）風化型，石灰巖、大理巖在風化過程中地下水溶解易形成重碳酸鈣Ca（HCO3）2進入溶液，當壓力減小或蒸發時，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。

靖邊氣田現今構造面貌奠基于侏羅紀末燕山中期構造運動，發展和完善于喜馬拉雅運動。呂梁運動時本區進入地臺發育期，發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整體抬升，奧陶系上部遭受風化剝蝕，相關研究分析認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。奧陶系地層在風化剝蝕過程中，受外力作用早先沉積的碳酸鹽產生大量裂縫和溶洞，與此同時溶解了碳酸鈣的地表水滲入這些裂縫中，經過化學反應和重結晶作用最終形成裂縫方解石（方解石的形成反應式：Ca（HCO3）2=CaCO3+H2O+CO2）。裂縫方解石可以作為判斷進入奧陶系頂部地層的參考依據，圖2為裂縫方解石在奧陶系頂部巖心中的分布形態，由于巖屑樣品中存在方解石表明靠近風化殼剝蝕面，因此這種巖屑往往泥質含量也較高，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

根據目前現場錄井施工條件，現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。靖邊氣田下古地層巖屑以白云巖和灰巖為主，這兩種巖屑均不具有晶體結構且顏色為褐灰色或者灰白色，極易與方解石巖屑區分。

圖3 儲氣庫X-3井馬五11含方解石巖屑

相關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構，在巖屑中肉眼幾乎無法發現。

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，碳酸鹽巖定量分析儀通過測量每單位方解石與鹽酸反應后質量的減少量，每單位白云石與鹽酸反應后質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，其化學成分主要是是 CaCO3、MgCa（CO3）2。白云石和方解石與鹽酸反應的方程式如下：

由反應方程式可知，每1 g方解石與鹽酸完成反應后質量減少0.44 g，每1 g白云石與鹽酸反應后質量減少0.480 9 g。利用電子天平實時測量反應質量的減少量，可以判斷碳酸鹽巖成分含量。其數學表達如下：

式中X為白云質含量，H為灰質含量，A、B、C、D、E、K為試驗系數，X1、X2為實時分析數據。

以上數學模型，軟件編制，解釋結論均由計算機自動完成。碳酸鹽巖定量分析儀由研缽，帶串口輸出的電子天平，燒杯，計算機及安裝在計算機上的軟件系統組成。其中研缽負責將巖屑磨成粉末，電子天平負責稱量燒杯和燒杯內部物質的質量，燒杯是一個反應容器，計算機軟件系統負責實時讀取、分析、處理、儲存、顯示數據及繪制曲線、得出結論。由于地層中白云巖灰化現象較為普遍，灰巖與鹽酸反應速度與方解石反應速度基本一致，這就導致無法定量確定巖屑中方解石和灰質組分的含量，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，但是可以結合目視法進行更加精確的定性描述。

4 在地質導向工作中的應用探討

（1）斜井段地質導向中的應用，靖邊氣田下古地層中裂縫方解石巖屑具有現場識別度高、能夠作為奧陶系頂部地層參考依據的特點，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入奧陶系地層對水平井靶點預測和入靶前井斜控制具有重要意義。

（2）在水平段地質導向中的應用，靖邊氣田馬家溝地層局部小幅度構造復雜，各小層間巖性相似，水平井鉆進過程中一旦發生巖性變化，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識還不夠精細，在靠近溝槽邊緣的區塊實施水平井鉆遇淺溝的概率不低，因鉆遇溝槽導致側鉆的情況時有發生。由于馬五1地層中裂縫方解石主要存在于奧陶系頂部風化殼附近，因此在水平段實施過程中發現裂縫方解石巖屑（見圖4）說明當前鉆頭頂部接近風化殼，有鉆遇溝槽的可能。所以當水平段地質導向過程中發現巖屑泥質含量上升、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現溝槽存在的跡象，為后續井眼軌跡調整決策贏得先機。

圖4 儲氣庫X-1井水平段巖屑

5 結論及存在問題

（1）裂縫方解石主要存在于奧陶系頂部風化殼附近，因此可以判斷進入奧陶系頂部地層的參考依據對水平井靶點預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現溝槽存在的跡象，為后續井眼軌跡調整決策贏得先機。

（3）裂縫方解石在風化殼附近地層發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育有裂縫方解石。

（4）由于鉆頭選型與泥漿的影響，導致巖屑過細或受污染，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行識別。

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