鄂爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義

白斌，胡素云，陶士振

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

張道鋒

(中石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018)

劉偉

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

楊文敬

(中石油長慶油田分公司勘探部，陜西 西安 710018)

張寶民

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

劉新社，劉燕

(中石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018)

熊平

(長江大學工程技術學院，湖北 荊州 434020)

鄂爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義

白斌，胡素云，陶士振

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

張道鋒

(中石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018)

劉偉

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

楊文敬

(中石油長慶油田分公司勘探部，陜西 西安 710018)

張寶民

(中石油勘探開發研究院，北京 100083)

劉新社，劉燕

(中石油長慶油田分公司勘探開發研究院，陜西 西安 710018)

熊平

(長江大學工程技術學院，湖北 荊州 434020)

鄂爾多斯盆地中東部奧陶系馬家溝組(Om)發育典型膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系，其一、三、五段主要發育蒸發巖，二、四、六段多為碳酸鹽巖，表生溶蝕作用影響了鹽上馬家溝組五段(Om5)1～4亞段風化殼儲層的形成與分布，成為靖邊大氣田主力產層。區內對于膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲層巖溶效果定量評價較少，溶蝕模擬試驗也多為溫度、巖石成份、巖石結構、流體性質等單因素對白云巖溶蝕機理的定性模擬。因此，以基于地質條件下的溶蝕模擬試驗為基礎，定量評價巖溶作用對膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層孔隙結構的影響，指出在常壓、飽和CO2水(3%～15%)、氣溫30℃的封閉體系下膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合溶蝕量與膏鹽含量呈正相關關系，含鹽白云巖、含白云質膏巖、白云質膏巖、膏質白云巖、含膏白云巖溶蝕率依次降低，溶蝕前后孔隙度至少增加6%。含鹽白云巖溶蝕率最高，達19.8%，含膏白云巖溶蝕率最低，僅為6.3%。據此提出含鹽白云巖、含白云質膏巖等膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系是Om有利儲集巖，經巖溶作用后孔隙度最高可提高6%～20%，從而較好地解釋了Om5含膏云坪相帶存在規模優質儲層的原因，并為闡明膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系巖溶儲層形成機理及分布預測提供了試驗依據。

鄂爾多斯盆地;馬家溝組；膏鹽巖-碳酸鹽巖；表生巖溶

隨著全球古老碳酸鹽巖油氣田的勘探開發，以蒸發巖蓋層為主的區帶擁有世界55%的石油探明儲量，保存條件一直成為膏鹽-碳酸鹽巖油氣藏研究的重點。中國膏鹽巖-碳酸鹽巖組合按照巖性組合與分布特征大體可以分為碳酸鹽巖-膏鹽-碳酸鹽巖、碳酸鹽巖-膏鹽互層與碳酸鹽巖-陸源碎屑-膏鹽巖(表1)。特別是鄂爾多斯盆地馬家溝組(Om)膏鹽巖與碳酸鹽巖交替互層，地臺陸緣淺海環境長期的表生巖溶作用為膏鹽附近的風化殼儲層形成提供了重要條件，受到了眾多油氣地質學家的關注[1～8]。對不同盆地膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層開展了巖石學特征、成因機制、儲集性能評價、有利儲層預測等多方面研究，對典型盆地膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層成因與儲集性能評價進行了大量解剖，明確了膏鹽巖-碳酸鹽巖自身儲層特征，指出巖溶作用是該類儲層形成有效儲集空間的重要因素[1～17]。

但不同成份的膏鹽巖-碳酸鹽巖系列儲層, 對其表生巖溶作用溶蝕效果的定量評價較少，特別是不同礦物成份的膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層[18～20]。為準確分析膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層在表生巖溶作用下的微觀結構特征與儲集性能，該次研究基于我國盆地表生巖溶作用地質條件，在不同類型膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層物理溶蝕試驗的基礎上，定量表征溶蝕前后孔隙結構，評價膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層表生巖溶效果，為解釋奧陶系膏鹽巖-碳酸鹽巖組合下古生界天然氣藏有利儲層成因機理與有效預測空間分布提供試驗依據。

表1 中國膏鹽巖碳酸鹽巖組合主要特征

圖1 鄂爾多斯盆地中東部Om地層柱狀圖(據參考文獻[4])

1 試驗方法

溶蝕環境、礦物類型、礦物含量等因素均影響膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲層表生巖溶作用效果，形成不同尺度的溶蝕孔隙，控制有利儲層發育特征[8，14～26]。因此，開展基于地質條件約束下的表生巖溶定量評價試驗，首先需要確定發生表生巖溶試驗的真實地質條件，其次優選不同類型的膏鹽巖-碳酸鹽巖巖石組合，開展物理模擬試驗，利用N2吸附測試、CO2吸附測試、壓汞定量測試、掃描電鏡、CT三維掃描等多種表征技術，定量評價溶蝕前后儲層孔隙類型、直徑、連通性和孔隙體積等參數差異，明確膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層溶蝕效果。

1.1 樣品優選與試驗流程

鄂爾多斯盆地Om發育典型膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系，其一、三、五段主要發育硬石膏、石鹽、白云巖的蒸發巖組合，二、四、六段以塊狀石灰巖為主，白云巖次之的沉積組合[1](圖1)。其中五段(Om5)是海退旋回形成的沉積地層。受次級海平面變化，Om5沉積表現出明顯的旋回性特征，由上而下又可進一步細分為10個亞段，其中4、6、8、10亞段為膏鹽巖層段。

為進一步深入分析風化殼附近奧陶系膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系儲層溶蝕孔隙形成的過程與控制因素，該次試驗根據膏鹽巖含量高低，依次采集鄂爾多斯盆地東部Om含鹽白云巖、含膏白云巖、含泥白云質膏巖、白云質膏巖、含白云質膏巖等多種巖心樣品(礦物質量分數見表2)，開展7組模擬表生巖溶物理試驗，對比分析溶蝕效果差異。其中，膏鹽巖顆粒多充填在含鹽白云巖、含膏白云巖孔隙，含泥白云質膏巖、白云質膏巖與含白云質膏巖中硬石膏呈結核狀分布，儲層物性較好，孔隙度以1%～2%為主。

表2 鄂爾多斯盆地奧陶系膏鹽巖碳酸鹽巖模擬樣品礦物質量分數統計表

具體試驗流程如下：

1)篩選樣品 按照白云石、石鹽、方解石、石膏等主要礦物含量差異，優選不同巖性樣品，制備直徑為1cm的圓柱樣品。

2)多方法定量測試溶蝕前儲集特征 膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層孔隙直徑存在厘米至微納米級孔隙、微裂縫。利用N2吸附、CO2吸附、壓汞定量測試分析為主，結合掃描電鏡觀測，綜合定量評價溶蝕前樣品孔隙直徑分布特征。

3)確定溶蝕條件 溫度與溶液性質是影響碳酸鹽巖儲層封閉的主要因素，根據地質歷史時期研究區板塊所處不同地理位置，確定地質歷史溫度值。由于CO2對碳酸鹽巖儲層溶蝕效果強，該次模擬主要借助地質歷史時期大氣CO2含量來恢復研究區地表淋濾流體中的CO2含量，代表溶液流體性質，巖溶前溶液pH值均處于6～6.4之間，呈弱酸性。

4)封閉環境下巖溶試驗 根據研究區所處時代的地表溫度、流體性質確定封閉環境下巖溶試驗條件，依據樣品數量選取相應的容器依次串聯，將統一稱重為50g的多塊樣品分別放入密封器中，加入去離子水500mL，讓CO2飽和流體，再利用導管插入密閉容器口，將多余CO2倒入下一個密閉器液體之下。按上述方法使每個容器內溶液達到CO2過飽和，呈弱酸性。然后將容器統一放入烤箱，設置溫度和時間，完成溶蝕試驗。

5)多方法定量測試溶蝕后儲集特征 利用N2吸附、CO2吸附、壓汞等多種方法對溶蝕后的膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層進行定量測試，結合掃描電鏡、CT分析，綜合定量評價溶蝕后樣品孔隙大小分布及連通性。

6)定量評價溶蝕前后儲集特征 對比膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層溶蝕前后孔隙特征，定量計算溶蝕孔隙量、溶蝕率以及孔隙直徑、連通性等，定量評價溶蝕效果。

7)溶蝕條件分析 依據膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層溶蝕前后差異，結合溶蝕前后孔隙直徑、溶蝕空間、孔隙連通性等參數，分析封閉環境下控制膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層巖溶效果的影響因素，為評價預測有利儲層提供依據。

1.2 物理模擬試驗條件

依據晚奧陶世-石炭紀，鄂爾多斯盆地所處地理位置所對應的全球大氣環境，確定膏鹽巖-碳酸鹽巖組合儲層表生巖溶具體試驗條件。借鑒前人恢復的全球古氣候資料[27～32]表明，晚石炭世至中晚奧陶世，鄂爾多斯盆地均處于南半球低緯度-赤道地區，屬于熱帶、亞熱帶氣候，地表溫度約30℃左右。同時依據地質歷史時期大氣中CO2含量恢復結果表明，晚奧陶世-石炭紀全球大氣中CO2體積分數普遍較高，處于6%～15%之間；其中奧陶紀平均達15%，是現今大氣CO2體積分數的500倍，地表巖溶流體性質呈現富CO2環境，具弱酸性特征。因此，鄂爾多斯盆地Om表生巖溶試驗條件大致確定為常壓、飽和CO2水(6%～15%)和氣溫30℃。

2 膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合表生巖溶試驗結果

鄂爾多斯盆地Om膏鹽巖-碳酸鹽巖組合表生巖溶模擬表明，溶蝕前后儲層孔隙直徑、體積以及連通性等特征均具有明顯改善(圖2)。

2.1 孔隙直徑

不同巖性的膏鹽巖-碳酸鹽巖組合溶蝕前孔隙直徑范圍為0.5～20μm，孔隙直徑差異較大。其中，溶蝕前膏巖與白云巖孔隙直徑相對較低，以晶間孔隙為主，直徑為1～2μm，面孔率分別為0.69%和1.67%。含膏白云巖孔隙直徑次之，發育晶間孔隙與溶蝕孔隙，面孔率為2.05%，石膏的孔隙直徑為1.5～5μm，白云石的孔隙直徑為1～6μm。含鹽白云巖孔隙直徑最大，面孔率達2.6%，石鹽發育2～10μm溶蝕孔隙，最大可達17μm，白云石微裂縫發育，孔隙直徑為15～20μm。

經表生巖溶試驗后，膏鹽巖-碳酸鹽巖組合孔隙直徑明顯增大，含鹽白云巖孔隙直徑由溶蝕前2μm增大至700～3000μm，含白云質膏巖孔隙直徑由溶蝕前1μm增大至6.6～21μm，含膏白云巖孔隙直徑由0.582μm增大至23μm。

圖2 表生巖溶前后膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合巖石孔隙特征

圖3 白云質膏巖溶蝕前(a)、后(b)孔隙三維分布圖

2.2 孔隙連通性

圖4 膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合不同巖性溶蝕率與礦物質量分數相關圖

表生巖溶作用對鄂爾多斯Om膏鹽巖-碳酸鹽巖組合孔隙連通性也具有明顯促進作用，白云質膏巖溶蝕前樣品微觀孔隙整體小，孔隙相對孤立，連通性差(圖3(a))。在對表生巖溶后的膏鹽巖-碳酸鹽巖樣品進行72h的CT三維掃描，獲取7200張圖像，經數值三維重構可見大量具有網狀分布的連通孔隙(圖3(b))。利用數值重構分析不同直徑孔隙對應體積以及孔隙連通性表明，10～50μm的孔隙連通性增強最為明顯，其次5～10μm孔隙連通性受巖溶控制，連通性自樣品表層向內部逐漸減弱。

2.3 溶蝕前后孔隙體積變化

根據膏鹽巖-碳酸鹽巖共生組合不同巖性樣品溶蝕前后重量，可分別計算溶蝕量與溶蝕率。其中，含鹽白云巖溶蝕率最高，達19.8%，含白云質膏巖次之，為10.3%，白云質膏巖溶蝕率介于8.2%～6.9%，含膏白云巖溶蝕率為6.3%。溶蝕量與膏鹽含量呈正相關關系，膏鹽巖-碳酸鹽巖組合中膏巖比白云巖更易溶解(圖4)。

表3 膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶后液體成分統計表

3 討論

膏鹽巖-碳酸鹽巖表生巖溶效果受礦物成份、溶蝕溶度、壓力、溶液性質、時間、流體封閉性等多種因素控制[13～16]。在常壓、飽和CO2水(3%～15%)、氣溫30℃的封閉體系下，對礦物含量與溶蝕率、孔隙度相關性分析表明，膏鹽巖-碳酸鹽巖共生體系中石鹽最易溶蝕，其次膏巖比白云巖易溶解。

但由于該次試驗是在封閉環境下定量探討膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層表生溶蝕效果，較少考慮溶蝕時間與溶液流動性等因素對溶蝕量的影響。通過微米CT三維掃描成像可見，經過120h的恒溫溶蝕，內部溶蝕效果較差，1cm圓柱體僅在邊部260μm存在明顯溶蝕現象。然而，鄂爾多斯盆地奧陶系溶蝕約150Ma，溶蝕量應較為可觀，儲層儲集能力值得高度重視。

同時對灰巖與泥粉晶白云巖分別開展了封閉體系與開放體系表生溶蝕試驗表明，灰巖溶蝕率僅為2.9%，泥粉晶白云巖孔隙直徑由溶蝕前5～50nm，增大至溶蝕后10nm～50μm，孔隙度由溶蝕前的0.75%升至溶蝕后4.2%，可見開放流動的溶蝕環境對于膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層儲集性能提高也具有重要意義[33]。

4 結論及意義

1)膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層溶蝕效果受巖性、溫度、壓力、流體性質以及流體流動參數等因素聯合控制。在溶蝕條件相同情況下，膏鹽巖-碳酸鹽巖儲層中硬石膏結核等易溶蝕膏鹽礦物含量決定了溶蝕率的高低, 儲集性能與硬石膏結核等膏鹽礦物含量呈正相關關系。

2)鄂爾多斯Om5內部縱向上4、6、8和10亞段等4個膏鹽巖層段內仍然發育有利的白云巖儲層，進一步拓寬了盆地勘探的層系。

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[編輯] 鄧磊

2016-10-12

國家科技重大專項(2011ZX05004)；中國石油勘探開發研究院青年基金項目(2012Y—007);湖北省自然基金項目(2013CFB394)。

白斌(1981-)，男，博士，高級工程師，主要從事沉積儲層地質學研究，baibin81@petrochina.com.cn。

TE122.2

A

1673-1409(2017)3-0007-06

[引著格式]白斌，胡素云，陶士振，等.爾多斯馬家溝組膏鹽巖碳酸鹽巖共生組合表生巖溶效果及意義[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(3):7～12.