塔里木盆地英买2地区奥陶系碳酸盐岩地层水化学特征及储层响应*

杨春龙 谢增业 董才源 国建英 张 璐 刘知鑫

(1. 中国石油勘探开发研究院 河北廊坊 065007; 2. 中国石油天然气集团公司天然气成藏与开发重点实验室 河北廊坊 065007;3. 中国石油集团经济技术研究院 北京 100724)

岩溶成因碳酸盐岩储层的发育一直是石油地质家探索的问题之一，而地层水(包括有机酸)对碳酸盐岩的溶蚀起到了至关重要的作用。前人关于地层水的研究主要有：①将地层水分为NaHCO3型、Na2SO4型、MgCl2型、CaCl2型等4类，并运用地层水的地球化学特性找油[1]；②通过各离子浓度、离子系数分布研究其对油气运移、聚集、成藏的影响[2-3]；③不同碳酸盐岩油藏对地层水的特征变化具有控制作用[4];④从化学热力学角度分析碳酸盐岩溶蚀机制[5-6],并进行相关模拟实验，包括柱塞式反应釜模拟流体与岩石表面的反应[7]，以及覆压下使流体在岩石内部空隙中运移以更大、更真实的接触面积模拟碳酸盐岩与地层水的反应[8]。岩溶的识别主要通过不整合面、岩溶孔洞以及内部充填矿物[9]。

英买2地区是奥陶系内幕受储层控制的非均质油藏分布区，油气储集空间主要集中在溶蚀孔洞和构造裂缝中，其中溶蚀孔洞在储层的储集空间中占有重要地位，属于岩溶性储层。关于英买2地区碳酸盐储层与地层水关系的研究主要集中在地层水与油气成藏关系的研究，岩溶作用的类型、期次研究[10-12]以及结合岩石特征、包裹体、同位素等证据证明大气水或热液沿断裂或不整合运移，并对流经的碳酸盐岩进行溶蚀[13-14]。地层水在对碳酸盐岩储层溶蚀作用后，储层物性变好，地层水矿化度随之发生变化，而对于该地区现今储层中地层水pH值、Ca2+浓度、主要离子系数的相关关系及储层对地层水化学特征的响应研究较少。

本文在充分认识英买2地区的地质背景与岩溶模式的基础上，弱化对多期次、多因素的探究，着重对综合因素叠加后地层水所反映的结果的规律进行总结，得出非均质性碳酸盐岩储层分布对地层水Ca2+浓度及pH值的响应。本文研究结果对塔北隆起碳酸盐岩储层的认识及预测有一定的指导作用。

1 区域地质概况

英买2地区位于塔里木盆地塔北隆起英买力低凸起南部，整体表现为寒武系盐上大型穹窿背斜，是海西—印支期多期挤压褶皱变形形成的继承性古构造，中生界覆于其上形成披覆构造。英买2地区奥陶系油藏为地层内幕受储层控制的超深层非均质油藏，属于海相油，油气主要来源于南部的满加尔凹陷[15]；一间房组为主力储层，鹰山组次之；油气储集空间主要集中在溶蚀孔洞和构造裂缝中，储层分布非均质性极强，油藏内部连通性较差，由多个油水单元组成，具有“一井一藏”的特点。

英买2地区断裂十分发育，主要发育3组：一组为NNE向走滑断裂，另外两组为NNW和NWW向小型断裂(图1)。其中,NNE向大型走滑断裂延伸较远，切穿中上寒武统到志留系，直至三叠系下伏的大型不整合面，主要为加里东期形成的断裂，并持续活动；NNW和NWW向小型断裂围绕构造高点发育，主要切割奥陶系，形成于海西期末，其特点是广泛分布、分支众多[11]。依据不同断层性质及其延伸情况，可将英买2地区划分为4个缝洞带(图1)，其中英买2-12缝洞带受NE向走滑断裂和NW向小型断裂共同控制，断裂发育最多；其余3个缝洞带断裂发育相对较少，主要受单向断裂控制，双向断裂控制较少。该区大型断裂及裂缝十分发育，有利于地层水的流动，为地层水对碳酸盐岩的溶蚀作用创造了良好条件，使地层水与储层能够充分接触，改善储层的储集物性。

图1 塔里木盆地英买2地区构造纲要

地层系统组段厚度(YM2井)/m岩性特征志留系下统 599.5粉细砂岩、细砂岩、泥岩桑塔木组碎屑岩段452.5灰岩、泥灰岩、泥岩夹辉绿岩上统良里塔格组瘤状灰岩段18.0泥灰岩夹瘤状灰岩、泥晶灰岩吐木休克组泥灰岩段31.0紫红色灰质泥岩、泥质灰岩、泥晶灰岩奥陶系中统一间房组鲕粒灰岩段42.0大套灰褐色泥晶灰岩夹生屑灰岩中下统鹰山组鹰1段240.0大套灰褐色泥晶灰岩夹燧石结核灰岩鹰2段120.0灰色泥晶灰岩、粉屑泥晶灰岩为主,夹砂屑灰岩薄层

英买2地区奥陶系沉积序列较完整(表1)，其中一间房组储层主要为亮晶鲕粒灰岩、亮晶生屑灰岩，下伏地层鹰山组储集岩主要为泥晶灰岩夹砂屑灰岩，而上覆地层吐木休克组、良里塔格组和桑塔木组均富含泥质，其上覆盖志留系碎屑岩。中奥陶统之上发育多套不整合面，其中一间房组顶对应中加里东期第一幕运动，岩心显示存在暴露但时间跨度很短；桑塔木组顶为一角度不整合面，对应中加里东期第三幕运动；志留系顶为一大型角度不整合面，经历了晚加里东期—晚海西期长时间的风化剥蚀[10，16]。英买2地区储盖条件良好，有利于油气聚集成藏，奥陶系是最重要的勘探目的层。

2 地层水化学特征

2.1 地层水化学成分

共取得英买2地区19口井的66个奥陶系地层水数据，与现今海水相比具有以下特点(表2)：①高矿化度，所取样品矿化度为70 000～130 000 mg/L，为海水的2～4倍(平均2.7倍)，其中YM2-H26井矿化度高达248 000 mg/L。②阳离子主要为Na++K+，其次为Ca2+、Mg2+，部分井含有Ba2+、Sr2+，其中Na++K+浓度为10 000～30 000 mg/L,一般为现今海水的2倍左右，与塔中地区相似;Ca2+平均浓度为13 400 mg/L，约为现今海水的32倍，而塔中地区Ca2+平均浓度为9 277 mg/L，约为现今海水的9～20倍[1]，Mg2+浓度远低于现今海水，平均值为601 mg/L，约为现今海水的一半左右，整体呈现明显的Mg2+亏损与Ca2+相对富集。③阴离子中Cl-平均浓度最高，为48 100 mg/L，占总矿化度的一半以上，平均值为海水的2.5倍，其次为SO42-、HCO3-、CO32-，其中SO42-平均浓度仅为海水的1/4，HCO3-平均浓度为海水的2.5倍，CO32-浓度较低，多数井为零。④所取样品水型均为CaCl2型，该类型地层水多存在于与地表隔绝良好的封闭构造中。英买2地区奥陶系地层水的高矿化度和主要阴阳离子浓度变化范围很大，与现今海水的离子比例有明显差别，结合曾溅辉 等[2]对塔中地区奥陶系地层水的研究对比，反映了该区地层水与岩石较强的相互作用。

表2 塔里木盆地英买2地区奥陶系地层水化学成分组成

由英买2地区奥陶系地层水与现今海水各离子浓度与占总矿化度的比例对比(表2)可以看出，特征最明显的是Ca2+，无论在浓度上还是占总矿化度的比例上都达到了现今海水的十几到几十倍，这表明该地区地层水经过了强烈的阳离子交换和水岩相互作用。范明 等[5]通过对不同温度条件下CO2水溶液对碳酸盐岩的溶蚀作用实验，发现60～90 ℃之间溶蚀能力最强，且白云岩在各个温度区间内均比灰岩难溶蚀。于炳松 等[6]从化学热力学角度分析，得出地层水溶蚀碳酸盐岩储层后Ca2+与Mg2+浓度升高明显，储集物性明显变好，因此，英买2地区地层水Ca2+的富集和Mg2+的相对亏损，其原因是该区储层以灰岩为主，最终在断裂的沟通下形成了CaCl2型地层水和现今的油气储集空间。

2.2 地层水离子比例系数

研究地层水所处的地球化学环境和水岩相互作用强度，一般常用的离子比例系数有钠氯系数、脱硫酸系数和变质系数[17]。一般来说，海水的钠氯系数(rNa+/rCl-)值大约为0.85，经过阳离子交替吸附和强烈水岩相互作用的沉积水rNa+/rCl-值变小，基本小于0.85，受大气降水淋滤作用影响的地下水rNa+/rCl-值大于1.0。脱硫酸系数(rSO42-×100/rCl-)表征脱硫酸作用的强度，作用完全时此系数为0，表明封闭程度好，水岩相互作用强。变质系数[(rCl--rNa+)/rMg2+]值越大，表明封闭程度越好，水岩相互作用越强；该系数为负值时，表明可能受到大气降水的影响[2,17]。

英买2地区奥陶系地层水的钠氯系数全部小于0.85(表3)，平均值为0.38;脱硫酸系数少数大于1，脱硫酸不完全，其余均接近于0，平均值为0.57;变质系数很大，平均值为68.77。这表明该区地层封闭性很好，阳离子交替吸附和水岩相互作用都比较强烈。英买2地区主力产层一间房组沉积期后经历了非常短暂的暴露，未形成大型的不整合面，所以大气水淋滤的影响较小，上述地层水钠氯系数和变质系数特征也很好地支持了这一观点。

表3 塔里木盆地英买2地区地层水离子比例系数

2.3 地层水pH值与特征离子及离子比例系数的关系

油田水中的HCO3-主要来源于成岩过程中经过有机质分解而来的CO2，其化学反应式为

H2O+CO2H2CO3

(1)

H2CO3HCO3-+H+

(2)

HCO3-+H+2H++CO32-

(3)

当pH值为5.0时，式(1)成立；当pH值为6.3时，式(2)成立；当pH值为10.3时，式(3)成立。由此可见，地层水中的pH值与CO32-、HCO3-及Ca2+之间都具有密切的相关性；当式(3)成立时，高pH值下地层水中Ca2+就会因沉淀而减少。

由英买2地区地层水pH值与Ca2+和HCO3-离子的相互关系(图2)可以看出，当地层水的pH值小于5.0时，式(1)成立，地层水中的HCO3-浓度较低，活跃的H+能够加速对储层的溶蚀，Ca2+相对浓度偏高；当pH值为5.0～6.3时，随着pH值的增大，HCO3-离子增多，此阶段CO32-浓度仍然较低，溶蚀作用大于Ca2+的沉淀作用，Ca2+浓度进一步随着pH值的增大而增大，主要分布于中部主干断裂沟通区域(图2)，地层水流动性强，H+活跃，溶蚀作用正在进行；当pH值大于6.3时，随着pH值的增加，HCO3-离子进一步转化为CO32-离子，而转换的CO32-离子沉淀了Ca2+，Ca2+浓度也随着pH值的升高而降低，主要分布在孤立溶蚀洞穴发育区，地层水流动性差，经过溶蚀作用后，pH值较高，Ca2+析出。分布在英买2地区的地层水最高pH值并未达到式(3)成立的10.3，但在7.5～8.0时Ca2+相对浓度已经较低。整体上，该地区地层水HCO3-浓度随着pH值的增大而先增大后减小，Ca2+浓度也随着pH值的增大而先增大后减小。

图2 塔里木盆地英买2地区地层水pH值-Ca2+-HCO3-关系

地层水的钠氯系数反映阳离子交互吸附和水岩相互作用的强度，而变质系数反映地层水的封闭性。从英买2地区地层水pH值与变质系数及钠氯系数的相互关系(图3)可以看出，钠氯系数的高值区恰好对应地层水变质系数的低值区，即阳离子交互吸附和水岩相互作用最强区恰好对应变质较强区，集中在pH值为5.5～6.0；但概率最高的地区是中变质区与中钠氯系数区，相应的pH值为6.0～7.0。因此，英买2地区地层整体封闭性较好，阳离子交互吸附作用和水岩相互作用也较强。

图3 塔里木盆地英买2地区地层水pH值-变质系数-钠氯系数关系

3 储层响应特征

碳酸盐岩沉积物在成岩作用过程中很敏感，沉积之后很容易在胶结和压实作用的过程中变得十分致密，丧失其储集能力，但后期的构造作用会形成一系列断层及构造裂缝，而且地层水极易对其进行溶蚀[18]。英买2地区一间房组顶部存在短暂的抬升并暴露于地表，接受地表水的淋滤和溶蚀作用[9]。研究认为，地层水中部分主要阳离子组分与围岩沉积矿物成分之间存在一种亚稳定热动力学平衡[19-20]。英买2地区主要为灰岩储层，地层水Ca2+浓度较高，致密的基质不具有储集空间，在经历断裂沟通过的较强溶蚀作用后，溶蚀洞穴产生，地层水pH值升高，同时洞穴的存在降低了地层水的流动性。

从英买2地区地层水Ca2+平面分布(图4)可以看出，Ca2+浓度高值区主要沿着构造高部位NNE向大型走滑断裂，处在英古2、英买2-12和英买2-3等3个主要缝洞带的交界处，英古2缝洞带和英买2-3缝洞带靠近主干走滑断裂的部位Ca2+浓度也较高；构造翼部的NW向小型断裂和NE向走滑断裂共同控制的英买2-12缝洞带区则属于Ca2+浓度低值区。分析认为，前者断裂发育较多，但孤立洞穴发育较少，地层水流动性强，活跃的H+加速了地下碳酸盐岩的溶解，储层处于正在溶蚀状态，地层水Ca2+浓度较高；后者受双向断裂控制，孤立洞穴发育较多，井间连通性与地层水流动性较差，经历过较强的溶蚀作用，地层水pH值较高，Ca2+被大量沉淀。英买2-12井缝洞带中的孤立洞穴存在大量方解石充填[9]，也说明其经历了较强的溶蚀作用和Ca2+的大量沉淀。

图4 塔里木盆地英买2地区奥陶系地层水Ca2+浓度与储层类型分布

英买2地区储层类型与Ca2+平面分布也具有一定的规律性(图4)：Ⅰ类储层(洞穴型优质储层)主要分布于英买2-12缝洞带对应Ca2+浓度低值区，Ⅱ类储层(裂缝-孔洞型储层)主要分布于英古2、英买2-3等单向断裂密集发育地区及双向断裂控制但断裂较少的英买2-12东缝洞带。从该地区地层水pH值与Ca2+浓度的相关性(图2)可以看出，地层水pH值在一定程度上能够定性反映岩溶程度，碳酸盐岩矿物参与岩溶作用后会导致地层水pH值升高[21]，高pH值反映了强烈的岩溶作用，更倾向于形成Ⅰ类储层；而低pH值反映出较活跃的地层水流动状态，更倾向于形成Ⅱ类储层。

4 结论

1) 英买2地区奥陶系地层水矿化度高，水型以CaCl2型为主， Ca2+平均浓度及占地层水总矿化度的比例均较高；地层水呈现中钠氯系数、中低脱硫酸系数、中高变质系数特征,钠氯系数随着pH值增大而增大，变质系数呈现相反的趋势。该地区地层封闭性好，且地层水经过了较强烈的阳离子交换和水岩相互作用。

2) 英买2地区地层水中的Ca2+、HCO3-及钠氯系数、变质系数均以pH值为核心具有较好的相互关系，HCO3-浓度随着pH值增大呈现出先增大后减小的趋势，并间接导致Ca2+浓度先增大后减小，最后大量沉淀；而Ca2+浓度与断层的发育及地层水流动性密切相关。

3) 英买2地区地层水Ca2+浓度低值区主要分布在构造翼部的NE向走滑断裂和NW向小型断裂共同控制且断层发育较多地区，Ca2+浓度相对较低，pH值较高，双向断裂的控制使储层经历了较强的溶蚀作用而发育大量孤立洞穴，孤立洞穴内地层水流动性降低， Ca2+被沉淀，主要为Ⅰ类储层(洞穴型优质储层)分布区；而在沿着构造高部位NNE向大型走滑断裂和其余NW向单向断裂控制区，地层水和H+相对活跃，孤立洞穴发育相对较少，对应Ⅱ类储层分布区(裂缝-孔洞型储层)。