塔里木盆地英買2地區奧陶系碳酸鹽巖地層水化學特征及儲層響應*

楊春龍 謝增業 董才源 國建英 張 璐 劉知鑫

(1. 中國石油勘探開發研究院 河北廊坊 065007; 2. 中國石油天然氣集團公司天然氣成藏與開發重點實驗室 河北廊坊 065007;3. 中國石油集團經濟技術研究院 北京 100724)

巖溶成因碳酸鹽巖儲層的發育一直是石油地質家探索的問題之一，而地層水(包括有機酸)對碳酸鹽巖的溶蝕起到了至關重要的作用。前人關于地層水的研究主要有：①將地層水分為NaHCO3型、Na2SO4型、MgCl2型、CaCl2型等4類，并運用地層水的地球化學特性找油[1]；②通過各離子濃度、離子系數分布研究其對油氣運移、聚集、成藏的影響[2-3]；③不同碳酸鹽巖油藏對地層水的特征變化具有控制作用[4];④從化學熱力學角度分析碳酸鹽巖溶蝕機制[5-6],并進行相關模擬實驗，包括柱塞式反應釜模擬流體與巖石表面的反應[7]，以及覆壓下使流體在巖石內部空隙中運移以更大、更真實的接觸面積模擬碳酸鹽巖與地層水的反應[8]。巖溶的識別主要通過不整合面、巖溶孔洞以及內部充填礦物[9]。

英買2地區是奧陶系內幕受儲層控制的非均質油藏分布區，油氣儲集空間主要集中在溶蝕孔洞和構造裂縫中，其中溶蝕孔洞在儲層的儲集空間中占有重要地位，屬于巖溶性儲層。關于英買2地區碳酸鹽儲層與地層水關系的研究主要集中在地層水與油氣成藏關系的研究，巖溶作用的類型、期次研究[10-12]以及結合巖石特征、包裹體、同位素等證據證明大氣水或熱液沿斷裂或不整合運移，并對流經的碳酸鹽巖進行溶蝕[13-14]。地層水在對碳酸鹽巖儲層溶蝕作用后，儲層物性變好，地層水礦化度隨之發生變化，而對于該地區現今儲層中地層水pH值、Ca2+濃度、主要離子系數的相關關系及儲層對地層水化學特征的響應研究較少。

本文在充分認識英買2地區的地質背景與巖溶模式的基礎上，弱化對多期次、多因素的探究，著重對綜合因素疊加后地層水所反映的結果的規律進行總結，得出非均質性碳酸鹽巖儲層分布對地層水Ca2+濃度及pH值的響應。本文研究結果對塔北隆起碳酸鹽巖儲層的認識及預測有一定的指導作用。

1 區域地質概況

英買2地區位于塔里木盆地塔北隆起英買力低凸起南部，整體表現為寒武系鹽上大型穹窿背斜，是海西—印支期多期擠壓褶皺變形形成的繼承性古構造，中生界覆于其上形成披覆構造。英買2地區奧陶系油藏為地層內幕受儲層控制的超深層非均質油藏，屬于海相油，油氣主要來源于南部的滿加爾凹陷[15]；一間房組為主力儲層，鷹山組次之；油氣儲集空間主要集中在溶蝕孔洞和構造裂縫中，儲層分布非均質性極強，油藏內部連通性較差，由多個油水單元組成，具有“一井一藏”的特點。

英買2地區斷裂十分發育，主要發育3組：一組為NNE向走滑斷裂，另外兩組為NNW和NWW向小型斷裂(圖1)。其中,NNE向大型走滑斷裂延伸較遠，切穿中上寒武統到志留系，直至三疊系下伏的大型不整合面，主要為加里東期形成的斷裂，并持續活動；NNW和NWW向小型斷裂圍繞構造高點發育，主要切割奧陶系，形成于海西期末，其特點是廣泛分布、分支眾多[11]。依據不同斷層性質及其延伸情況，可將英買2地區劃分為4個縫洞帶(圖1)，其中英買2-12縫洞帶受NE向走滑斷裂和NW向小型斷裂共同控制，斷裂發育最多；其余3個縫洞帶斷裂發育相對較少，主要受單向斷裂控制，雙向斷裂控制較少。該區大型斷裂及裂縫十分發育，有利于地層水的流動，為地層水對碳酸鹽巖的溶蝕作用創造了良好條件，使地層水與儲層能夠充分接觸，改善儲層的儲集物性。

圖1 塔里木盆地英買2地區構造綱要

地層系統組段厚度(YM2井)/m巖性特征志留系下統 599.5粉細砂巖、細砂巖、泥巖桑塔木組碎屑巖段452.5灰巖、泥灰巖、泥巖夾輝綠巖上統良里塔格組瘤狀灰巖段18.0泥灰巖夾瘤狀灰巖、泥晶灰巖吐木休克組泥灰巖段31.0紫紅色灰質泥巖、泥質灰巖、泥晶灰巖奧陶系中統一間房組鮞粒灰巖段42.0大套灰褐色泥晶灰巖夾生屑灰巖中下統鷹山組鷹1段240.0大套灰褐色泥晶灰巖夾燧石結核灰巖鷹2段120.0灰色泥晶灰巖、粉屑泥晶灰巖為主,夾砂屑灰巖薄層

英買2地區奧陶系沉積序列較完整(表1)，其中一間房組儲層主要為亮晶鮞粒灰巖、亮晶生屑灰巖，下伏地層鷹山組儲集巖主要為泥晶灰巖夾砂屑灰巖，而上覆地層吐木休克組、良里塔格組和桑塔木組均富含泥質，其上覆蓋志留系碎屑巖。中奧陶統之上發育多套不整合面，其中一間房組頂對應中加里東期第一幕運動，巖心顯示存在暴露但時間跨度很短；桑塔木組頂為一角度不整合面，對應中加里東期第三幕運動；志留系頂為一大型角度不整合面，經歷了晚加里東期—晚海西期長時間的風化剝蝕[10，16]。英買2地區儲蓋條件良好，有利于油氣聚集成藏，奧陶系是最重要的勘探目的層。

2 地層水化學特征

2.1 地層水化學成分

共取得英買2地區19口井的66個奧陶系地層水數據，與現今海水相比具有以下特點(表2)：①高礦化度，所取樣品礦化度為70 000～130 000 mg/L，為海水的2～4倍(平均2.7倍)，其中YM2-H26井礦化度高達248 000 mg/L。②陽離子主要為Na++K+，其次為Ca2+、Mg2+，部分井含有Ba2+、Sr2+，其中Na++K+濃度為10 000～30 000 mg/L,一般為現今海水的2倍左右，與塔中地區相似;Ca2+平均濃度為13 400 mg/L，約為現今海水的32倍，而塔中地區Ca2+平均濃度為9 277 mg/L，約為現今海水的9～20倍[1]，Mg2+濃度遠低于現今海水，平均值為601 mg/L，約為現今海水的一半左右，整體呈現明顯的Mg2+虧損與Ca2+相對富集。③陰離子中Cl-平均濃度最高，為48 100 mg/L，占總礦化度的一半以上，平均值為海水的2.5倍，其次為SO42-、HCO3-、CO32-，其中SO42-平均濃度僅為海水的1/4，HCO3-平均濃度為海水的2.5倍，CO32-濃度較低，多數井為零。④所取樣品水型均為CaCl2型，該類型地層水多存在于與地表隔絕良好的封閉構造中。英買2地區奧陶系地層水的高礦化度和主要陰陽離子濃度變化范圍很大，與現今海水的離子比例有明顯差別，結合曾濺輝 等[2]對塔中地區奧陶系地層水的研究對比，反映了該區地層水與巖石較強的相互作用。

表2 塔里木盆地英買2地區奧陶系地層水化學成分組成

由英買2地區奧陶系地層水與現今海水各離子濃度與占總礦化度的比例對比(表2)可以看出，特征最明顯的是Ca2+，無論在濃度上還是占總礦化度的比例上都達到了現今海水的十幾到幾十倍，這表明該地區地層水經過了強烈的陽離子交換和水巖相互作用。范明 等[5]通過對不同溫度條件下CO2水溶液對碳酸鹽巖的溶蝕作用實驗，發現60～90 ℃之間溶蝕能力最強，且白云巖在各個溫度區間內均比灰巖難溶蝕。于炳松 等[6]從化學熱力學角度分析，得出地層水溶蝕碳酸鹽巖儲層后Ca2+與Mg2+濃度升高明顯，儲集物性明顯變好，因此，英買2地區地層水Ca2+的富集和Mg2+的相對虧損，其原因是該區儲層以灰巖為主，最終在斷裂的溝通下形成了CaCl2型地層水和現今的油氣儲集空間。

2.2 地層水離子比例系數

研究地層水所處的地球化學環境和水巖相互作用強度，一般常用的離子比例系數有鈉氯系數、脫硫酸系數和變質系數[17]。一般來說，海水的鈉氯系數(rNa+/rCl-)值大約為0.85，經過陽離子交替吸附和強烈水巖相互作用的沉積水rNa+/rCl-值變小，基本小于0.85，受大氣降水淋濾作用影響的地下水rNa+/rCl-值大于1.0。脫硫酸系數(rSO42-×100/rCl-)表征脫硫酸作用的強度，作用完全時此系數為0，表明封閉程度好，水巖相互作用強。變質系數[(rCl--rNa+)/rMg2+]值越大，表明封閉程度越好，水巖相互作用越強；該系數為負值時，表明可能受到大氣降水的影響[2,17]。

英買2地區奧陶系地層水的鈉氯系數全部小于0.85(表3)，平均值為0.38;脫硫酸系數少數大于1，脫硫酸不完全，其余均接近于0，平均值為0.57;變質系數很大，平均值為68.77。這表明該區地層封閉性很好，陽離子交替吸附和水巖相互作用都比較強烈。英買2地區主力產層一間房組沉積期后經歷了非常短暫的暴露，未形成大型的不整合面，所以大氣水淋濾的影響較小，上述地層水鈉氯系數和變質系數特征也很好地支持了這一觀點。

表3 塔里木盆地英買2地區地層水離子比例系數

2.3 地層水pH值與特征離子及離子比例系數的關系

油田水中的HCO3-主要來源于成巖過程中經過有機質分解而來的CO2，其化學反應式為

H2O+CO2H2CO3

(1)

H2CO3HCO3-+H+

(2)

HCO3-+H+2H++CO32-

(3)

當pH值為5.0時，式(1)成立；當pH值為6.3時，式(2)成立；當pH值為10.3時，式(3)成立。由此可見，地層水中的pH值與CO32-、HCO3-及Ca2+之間都具有密切的相關性；當式(3)成立時，高pH值下地層水中Ca2+就會因沉淀而減少。

由英買2地區地層水pH值與Ca2+和HCO3-離子的相互關系(圖2)可以看出，當地層水的pH值小于5.0時，式(1)成立，地層水中的HCO3-濃度較低，活躍的H+能夠加速對儲層的溶蝕，Ca2+相對濃度偏高；當pH值為5.0～6.3時，隨著pH值的增大，HCO3-離子增多，此階段CO32-濃度仍然較低，溶蝕作用大于Ca2+的沉淀作用，Ca2+濃度進一步隨著pH值的增大而增大，主要分布于中部主干斷裂溝通區域(圖2)，地層水流動性強，H+活躍，溶蝕作用正在進行；當pH值大于6.3時，隨著pH值的增加，HCO3-離子進一步轉化為CO32-離子，而轉換的CO32-離子沉淀了Ca2+，Ca2+濃度也隨著pH值的升高而降低，主要分布在孤立溶蝕洞穴發育區，地層水流動性差，經過溶蝕作用后，pH值較高，Ca2+析出。分布在英買2地區的地層水最高pH值并未達到式(3)成立的10.3，但在7.5～8.0時Ca2+相對濃度已經較低。整體上，該地區地層水HCO3-濃度隨著pH值的增大而先增大后減小，Ca2+濃度也隨著pH值的增大而先增大后減小。

圖2 塔里木盆地英買2地區地層水pH值-Ca2+-HCO3-關系

地層水的鈉氯系數反映陽離子交互吸附和水巖相互作用的強度，而變質系數反映地層水的封閉性。從英買2地區地層水pH值與變質系數及鈉氯系數的相互關系(圖3)可以看出，鈉氯系數的高值區恰好對應地層水變質系數的低值區，即陽離子交互吸附和水巖相互作用最強區恰好對應變質較強區，集中在pH值為5.5～6.0；但概率最高的地區是中變質區與中鈉氯系數區，相應的pH值為6.0～7.0。因此，英買2地區地層整體封閉性較好，陽離子交互吸附作用和水巖相互作用也較強。

圖3 塔里木盆地英買2地區地層水pH值-變質系數-鈉氯系數關系

3 儲層響應特征

碳酸鹽巖沉積物在成巖作用過程中很敏感，沉積之后很容易在膠結和壓實作用的過程中變得十分致密，喪失其儲集能力，但后期的構造作用會形成一系列斷層及構造裂縫，而且地層水極易對其進行溶蝕[18]。英買2地區一間房組頂部存在短暫的抬升并暴露于地表，接受地表水的淋濾和溶蝕作用[9]。研究認為，地層水中部分主要陽離子組分與圍巖沉積礦物成分之間存在一種亞穩定熱動力學平衡[19-20]。英買2地區主要為灰巖儲層，地層水Ca2+濃度較高，致密的基質不具有儲集空間，在經歷斷裂溝通過的較強溶蝕作用后，溶蝕洞穴產生，地層水pH值升高，同時洞穴的存在降低了地層水的流動性。

從英買2地區地層水Ca2+平面分布(圖4)可以看出，Ca2+濃度高值區主要沿著構造高部位NNE向大型走滑斷裂，處在英古2、英買2-12和英買2-3等3個主要縫洞帶的交界處，英古2縫洞帶和英買2-3縫洞帶靠近主干走滑斷裂的部位Ca2+濃度也較高；構造翼部的NW向小型斷裂和NE向走滑斷裂共同控制的英買2-12縫洞帶區則屬于Ca2+濃度低值區。分析認為，前者斷裂發育較多，但孤立洞穴發育較少，地層水流動性強，活躍的H+加速了地下碳酸鹽巖的溶解，儲層處于正在溶蝕狀態，地層水Ca2+濃度較高；后者受雙向斷裂控制，孤立洞穴發育較多，井間連通性與地層水流動性較差，經歷過較強的溶蝕作用，地層水pH值較高，Ca2+被大量沉淀。英買2-12井縫洞帶中的孤立洞穴存在大量方解石充填[9]，也說明其經歷了較強的溶蝕作用和Ca2+的大量沉淀。

圖4 塔里木盆地英買2地區奧陶系地層水Ca2+濃度與儲層類型分布

英買2地區儲層類型與Ca2+平面分布也具有一定的規律性(圖4)：Ⅰ類儲層(洞穴型優質儲層)主要分布于英買2-12縫洞帶對應Ca2+濃度低值區，Ⅱ類儲層(裂縫-孔洞型儲層)主要分布于英古2、英買2-3等單向斷裂密集發育地區及雙向斷裂控制但斷裂較少的英買2-12東縫洞帶。從該地區地層水pH值與Ca2+濃度的相關性(圖2)可以看出，地層水pH值在一定程度上能夠定性反映巖溶程度，碳酸鹽巖礦物參與巖溶作用后會導致地層水pH值升高[21]，高pH值反映了強烈的巖溶作用，更傾向于形成Ⅰ類儲層；而低pH值反映出較活躍的地層水流動狀態，更傾向于形成Ⅱ類儲層。

4 結論

1) 英買2地區奧陶系地層水礦化度高，水型以CaCl2型為主， Ca2+平均濃度及占地層水總礦化度的比例均較高；地層水呈現中鈉氯系數、中低脫硫酸系數、中高變質系數特征,鈉氯系數隨著pH值增大而增大，變質系數呈現相反的趨勢。該地區地層封閉性好，且地層水經過了較強烈的陽離子交換和水巖相互作用。

2) 英買2地區地層水中的Ca2+、HCO3-及鈉氯系數、變質系數均以pH值為核心具有較好的相互關系，HCO3-濃度隨著pH值增大呈現出先增大后減小的趨勢，并間接導致Ca2+濃度先增大后減小，最后大量沉淀；而Ca2+濃度與斷層的發育及地層水流動性密切相關。

3) 英買2地區地層水Ca2+濃度低值區主要分布在構造翼部的NE向走滑斷裂和NW向小型斷裂共同控制且斷層發育較多地區，Ca2+濃度相對較低，pH值較高，雙向斷裂的控制使儲層經歷了較強的溶蝕作用而發育大量孤立洞穴，孤立洞穴內地層水流動性降低， Ca2+被沉淀，主要為Ⅰ類儲層(洞穴型優質儲層)分布區；而在沿著構造高部位NNE向大型走滑斷裂和其余NW向單向斷裂控制區，地層水和H+相對活躍，孤立洞穴發育相對較少，對應Ⅱ類儲層分布區(裂縫-孔洞型儲層)。