油气田古岩溶与深岩溶研究新进展

项目来源:国家“九五”重点科技攻关项目“中国大中型气田勘探开发”研究专题 起止时间: 1996年—2000年 项目负责人:夏日元 主要完成人:夏日元唐健生罗伟权邓自强关碧珠 承担单位:中国地质科学院岩溶地质研究所 古岩溶是指地质历史时期而非现代营力环境下形成的岩溶;深岩溶则为不受地表侵蚀基准面控制环境条件下的深埋藏岩溶作用。近年来,鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地及塔里木盆地等深埋藏碳酸盐岩中的油气勘探相继取得了重大突破,在埋藏深度大于2000~3000m的碳酸盐岩中发现了高产古岩溶储集层。由于储集空间主要为岩溶孔洞、裂缝等,非均质性明显,空间分布规律复杂,加之碳酸盐岩储层经历了漫长的岩溶作用过程(既有地质历史时期近地表环境下的古岩溶作用,又经历了长期逐渐被埋藏过程中深岩溶作用的叠加与改造),造成油气储集规律十分复杂,给勘探、开发带来了一定难度。为此,从1996年起,国家“九五”重点科技攻关项目“中国大中型气田勘探开发研究(96—110)”特设立了油气田碳酸盐岩古岩溶与深岩溶专题研究。 专题研究采用古水文地质综合方法、溶蚀作用地球化学物理和数学模拟、岩石地球化学测试、岩溶储层介质结构定量评价和预测等技术手段,系统研究了鄂尔多斯盆地和渤海湾盆地奥陶系碳酸盐岩古岩溶和深岩溶的形成条件、影响控制因素和发育特征,揭示了不同时期岩溶作用的机制、发育演化特征及其与油气富集关系,识别出多种多样的古岩溶成因类型: (1)鄂尔多斯盆地古岩溶包括早期“层状岩溶”、中期“膏溶”和晚期“断裂系统岩溶”三个发育演化阶段。“膏溶”作用起关键作用,古岩溶地貌形态对油气富集有明显的控制作用; (2)深岩溶包括压释水岩溶和热水岩溶两种类型。压释水岩溶是指在压力差驱动下,上覆煤系地层成岩压实过程中释放出来的酸性水,通过渗流窗口侵入古风化壳产生对流循环而形成的岩溶。具有“水平渗流”、“侧向渗流—对流循环”、“纵向对流循环”三种发育模式,与烃类运移、聚集的关系为:早期为烃类改善运移通道,中期改造贮存空间,晚期对储集体形成封闭; (3)热水岩溶为奥陶系古风化壳深埋藏后,受燕山运动构造热事件影响,古地温梯度明显增高,呈承压状态向上运移的具有溶蚀能力的深循环热水对可溶岩所产生的溶蚀作用。热水岩溶主要经历了深循环对流热水形成、溶蚀与白云岩化作用两大阶段,对油气藏的形成具有建设性作用; (4)渤海湾盆地黄骅坳陷奥陶系碳酸盐岩岩溶发育主要经历了三个演化阶段:①加里东晚期—海西早期裸露古岩溶;②印支—燕山早期裸露和浅埋藏古岩溶:③燕山晚期—喜山期埋藏深岩溶。通过研究,建立了向斜翼部侵蚀洼地排泄型、向斜轴部山间洼地排泄型、山前浅埋藏断陷盆地型等三种古岩溶发育模式,以及倾斜垒式断块压释水作用、深埋褶断凸起构造压释水作用、深大断裂带高位掀斜断块热水作用等三种深岩溶发育模式。 (5)建立了各类古岩溶和深岩溶发育演化模式,提出了岩溶型油气储层定量评价和预测的模拟勘探技术,预测了三处有利勘探块区,取得了一定社会经济效益。     

碳酸盐岩表牛岩溶与埋藏溶蚀比较——以塔北和塔中地区为例

表生岩溶与埋藏溶蚀是碳酸盐岩储层发育的最重要成岩作用，两者受岩石等内在因素的影响基本相同，但所受的外部主控因素差异显著。表生岩溶受构造不整合面、古构造等影响较大；埋藏溶蚀主要受断裂与深部流体控制。表生岩溶主要表现为垂向分带性明显的复杂孔洞缝网络结构，而埋藏溶蚀主要呈受断裂—裂隙控制的“V”形洞穴样式或与断裂有关的阶梯状分布。表生岩溶发育一些标型特征，如钙质壳，古土壤，铝土矿，淡红色方解石晶体，溶蚀沟、坑、天坑，新月形状、悬垂和纤维状渗滤砂或胶结物，岩溶角砾及与地下暗河有关的机械流水沉积；埋藏溶蚀往往发育与中低温热液有关的异形铁白云石、萤石、闪锌矿、磁黄铁矿等密西西比河谷型矿物以及塌陷构造、裂隙结构、不规则的角砾（化）岩体等。塔里木盆地塔北地区主要发育表生岩溶作用；塔中地区西北部不具备发育大规模表生岩溶的地质条件，以发育埋藏溶蚀作用为主。     

滨海岩溶区过渡带碳酸盐岩溶浊作用的试验研究

滨海岩溶具有内陆一般岩溶区不同的发育机理，其过渡带混合溶蚀作用是控制滨海岩溶发育的最主要因素之一。通过七组不同淡水与海水配比的混合溶蚀实验（封闭CO2－H2O系统），初步得出了过渡带混合溶蚀作用的基本结论：（1）滨海岩溶区过渡带岩溶发育的基本规律与内陆一般岩溶区岩溶发育规律的基本一致，即岩性，结构是控制滨海岩溶发育的最主要因素；（2）滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀速率大于纯淡水或纯海水中同种岩石的溶蚀速率；（3）在不同的CO2分压条件下，滨海岩溶区混合过渡带内碳酸盐岩的混合溶蚀机理不同。     

埋藏条件下碳酸盐岩实验室溶蚀作用模拟的热力学模型与地质勘探方向——以陕

陕甘宁分下奥陶统马家沟组段为湖坪相碳酸盐岩夹蒸发盐沉积，马五段经历了多期复杂的成岩作用，其中溶蚀作用对马五段影响深刻，首次引用热力学理论对埋藏条件下碳酸盐岩溶蚀作用进行了理论分析和计算，其结果表明碳酸盐在埋藏成岩的不同温度压力条件下，酸性介质中溶解反应的吉布斯自由能均为负值，说明反应可自动向方解石，白云石溶解的方向进行，并随着温压的升温溶解的趋势增大，而且白云石溶解的趋势比方解石更大，碳酸盐岩溶蚀     

碳酸盐岩表生岩溶与埋藏溶蚀比较——以塔北和塔中地区为例

表生岩溶与埋藏溶蚀是碳酸盐岩储层发育的最重要成岩作用,两者受岩石等内在因素的影响基本相同,但所受的外部主控因素差异显著。表生岩溶受构造不整合面、古构造等影响较大;埋藏溶蚀主要受断裂与深部流体控制。表生岩溶主要表现为垂向分带性明显的复杂孔洞缝网络结构,而埋藏溶蚀主要呈受断裂—裂隙控制的“V”形洞穴样式或与断裂有关的阶梯状分布。表生岩溶发育一些标型特征,如钙质壳,古土壤,铝土矿,淡红色方解石晶体,溶蚀沟、坑、天坑,新月形状、悬垂和纤维状渗滤砂或胶结物,岩溶角砾及与地下暗河有关的机械流水沉积;埋藏溶蚀往往发育与中低温热液有关的异形铁白云石、萤石、闪锌矿、磁黄铁矿等密西西比河谷型矿物以及塌陷构造、裂隙结构、不规则的角砾(化)岩体等。塔里木盆地塔北地区主要发育表生岩溶作用;塔中地区西北部不具备发育大规模表生岩溶的地质条件,以发育埋藏溶蚀作用为主。     

不同水流速度下温度对奥陶系碳酸盐岩溶蚀速度的影响

为了解不同水流速度下温度对碳酸盐岩溶蚀速度的影响,以自行设计、制造的能够模拟水流条件,并且可同时容纳24个样品的溶蚀试验装置为平台,以淮南张集矿、潞安漳村矿和兖州东滩矿奥陶系灰岩为代表性岩石试样,选取不同温度、水流速度及CO₂压力,进行了溶蚀试验。试验结果显示,在水流速度较低时(16.67 mL/min),环境温度的变化对溶蚀速度的影响比较微小(平均溶蚀变化量为0.000 6 g/cm²)。在水流速度较大时(60 mL/min),温度的改变对溶蚀速度影响较大(平均溶蚀变化量为0.0038 g/cm²)。也就是说在地下水的强径流带,温度对溶蚀速度的影响相对较大,溶蚀速度较快,所以岩溶较发育。     

苏南地区碳酸盐岩的溶蚀性分析

为了解江苏南部地区碳酸盐岩地层的岩溶发育潜力,采集代表性岩石样品,并制作成统一规格的试片,开展一个水文年的溶蚀试验。结果表明,本地区碳酸盐岩的平均溶蚀速度约为1.42 mm?ka-1,与国内其它地区相比处于较低的水平,大致相当于西南地区的1/30,略高于北方岩溶区。实验证明了苏南地区二叠系、三叠系碳酸盐岩具有最强的溶蚀性,这为解释上述地层区的岩溶现象提供了地质依据。研究还表明,岩石的溶蚀性与Ca含量关系密切,同时也受岩石矿物成分、微构造影响,一般高Ca碳酸盐岩具有较高的溶蚀性。苏南地区的岩溶发育性以岩石溶蚀性为基础,但水动力条件也十分关键,宜兴地区二者兼备,岩溶最为发育。     

塔里木盆地西北缘野外溶蚀试验研究

塔里木盆地西北缘的天山南麓地处暖温带大陆性干旱气候区,碳酸盐岩广为出露.采用灰岩和白云岩溶蚀试片进行了野外溶蚀试验,得出灰岩和白云岩的溶蚀速度达到0.281~0.404mm/ka;镜下鉴定,观察到溶蚀形成的微溶缝和溶孔,缝宽0.05~0.2mm,孔径一般0.1~0.25mm,反映了在大陆性干旱气候条件下,降水下渗溶滤对岩溶孔缝洞的形成起到重要作用.     

碳酸盐岩可溶性室内研究

利用不同地区碳酸盐岩可溶性室内试验资料,对试验中的装置、试验时间、溶蚀率表示方法和可溶性影响因素进行了分析和论证;结合川西南地区、清江流域岩溶环境效应研究实际,认为室内溶蚀试验研究应用于野外岩溶发育规律分析是一种简单、方便、行之有效的研究方法。     

桂林覆盖型岩溶区土壤溶液对碳酸盐岩的溶蚀能力探讨

在桂林覆盖型岩溶区6处包气带土层中,通过钻探定深采集土样34组,进行土工实验,测定其密度、孔隙比、饱和度、塑性指数等物理指标。以浸提法(土水质量比1∶5)提取土壤溶液,测定其p H值和HCO-3、CO2-3、Cl-、SO2-4、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等离子含量。其中,对B1、X7两孔采集的24组土样,采用PHREEQC软件将浸提原液模拟浓缩至接近于天然土不同饱和度的含水量,根据浓缩结果分别计算方解石、白云石饱和指数,判别土壤溶液在给定各含水量条件下对碳酸盐岩的溶蚀能力。主要认识如下:1土壤p H值为4.35~7.08,多较低,大部分为酸性土和强酸性土。紧靠石灰岩面的土p H值较大。2土壤溶液中Ca2+、Mg2+等各种离子含量均很低。受人类活动影响,B1、X7两钻孔表现除浅部Ca2+、SO2-4、HCO-3含量高、深部低,其它几种离子则表现出含量较少且上、下基本一致甚至向下略有微量升高的特征。3人类活动区浅部土层中Ca2+、Mg2+、Na+、SO2-4、Cl-含量均明显高于人类活动较少区。4靠近石灰岩面的土壤溶液中Ca2+含量高。在距离下伏灰岩面几米以远的包气带土层中Ca2+等含量很少。5不同浓度土壤溶液的SIC、SID与桂林周边碎屑岩裂隙水接近,均为负值,且其绝对值较大,表明对方解石、白云石具有较强溶蚀能力;且SID均明显小于SIC;由于同离子效应,随着浓缩程度提高SIC、SID逐渐升高,但仍为较小负值。6与桂林漓江水、漓江两岸第四系孔隙水、岩溶地下水相比,不管是土样浸提原液还是按不同比例浓缩后土壤溶液的SIC、SID均明显更低,单纯从溶解作用考虑,其对方解石、白云石的溶蚀能力更强。桂林黏性土土壤溶液SIC、SID低、溶蚀作用强主要是由于桂林地区长期湿润多雨的气候条件造成较低土壤p H值和低Ca2+、Mg2+等离子含量以及土壤中高CO2分压所致。     

碳酸盐岩溶蚀模拟实验技术进展及应用

碳酸盐岩溶蚀作用是指流动的侵蚀性流体与碳酸盐岩之间相互作用的过程及由此产生的结果,从地表到深埋藏地层中均可发生。碳酸盐岩溶蚀模拟实验是指通过模拟地层环境来再现碳酸盐岩溶蚀作用的过程和结果,是研究碳酸盐岩储层规模溶蚀有利条件和分布规律的重要方法。中国石油集团碳酸盐岩储层重点实验室自主研发高温高压溶解动力学模拟装置,最终建成由岩石内部溶蚀、岩石表面溶蚀和高温高压原位可视化检测组成的碳酸盐岩溶蚀模拟实验技术。利用高温高压溶解动力学模拟实验装置,开展了碳酸盐岩埋藏溶蚀温度窗口和孔隙演化样式的实验研究,取得2个方面的认识:①高盐度流体背景模拟实验表明,随着温度增加,碳酸盐岩的溶蚀量具有缓慢下降—缓慢上升—快速下降的特征,由于地层水两种相反离子效应的作用,在80～110℃范围内存在一个有利于碳酸盐岩溶蚀的温度窗口;②通过粒间孔隙型、晶间孔隙型、溶蚀孔洞型、鲕模孔隙型和格架孔隙型5种碳酸盐岩溶蚀模拟的对比实验,认识到连通孔隙是埋藏溶蚀发生的先决条件和有利区域,碳酸盐岩内部组构差异会进一步加剧储集空间在孔、洞和缝组合上的复杂性。     

动水压力作用下碳酸盐岩溶蚀作用模拟实验研究

为研究岩溶地区水库蓄水不同条件下动水压力驱动下的碳酸盐岩溶蚀作用机制。以乌江流域某水电站坝前地区碳酸盐岩为研究对象,利用自行研制的开放体系压力溶蚀实验系统,对不同动水压力（0～2.0 MPa）条件下CO2水溶液溶蚀碳酸盐岩的过程进行实验模拟,其结果显示,动水压力增大会引起碳酸盐岩的溶蚀作用加剧,溶解速率曲线随动水压力的变化而发生显著改变;随动水压力的增大,岩石的化学溶解量和机械破坏量同时增大,两者的比值随着压力增大逐渐趋于1：1,两者之间存在耦合关系。采用扫描电镜与压汞试验相结合的方法进行微观研究发现,动水压力对碳酸盐岩的溶蚀作用不仅发生于岩石表面,使表面溶孔增大并加深,产生次生孔隙和次生矿物,同时还改变着岩石的内部孔隙结构,降低其渗透性并弱化结构面的连接。     

基于模拟人工降雨的磷石膏堆体变形监测

磷石膏属于级配不良土且含有可溶性磷(P)、氟(F),在天然降雨的情况下其变形破坏的可能性很大。如其发生液化将充满整个渣库,这将使渣库内磷、氟含量升高而污染地表水体。在矿山的防渗等问题还未解决的情况下,受污染的地表水侵入到地下含水层中又会导致地下水的污染。所以研究磷石膏堆体在天然降雨下变形破坏模式十分必要。本试验是以1:10的比例模拟20m高的磷石膏堆体在天然降雨条件下可能发生的变形破坏模式,进而对渣库堆填磷石膏施工提出建议。     

含膏岩地层地下水环境对混凝土建筑侵蚀实验

在膏岩富集地层进行地下工程建设时,膏岩与地下水反应溶出Ca²⁺与SO₄^2-,会增强对地下建筑物混凝土基础的侵蚀作用,影响地下工程的安全。为探究不同地层环境条件下混凝土的侵蚀特征与机理,以地下工程建设中常用的C20与C30混凝土为对象,以成都南部台地地区含膏岩地层环境条件为约束条件,探究含膏岩与不含膏岩地层中混凝土在地下温度条件变化下的侵蚀特征和机理。结果表明：1)C20与C30混凝土在含膏岩地层中的侵蚀程度显著大于不含膏岩地层中的侵蚀程度,在不同地层水的侵蚀下,C20与C30混凝土质量变化率最大分别为1.80%与0.87%,抗压强度最大下降率分别为20.14%与12.80%。C30混凝土在不同地下水环境条件下抗压强度的衰减幅度更小,更适合作为地下工程施工材料。2)温度升高导致混凝土受SO₄^2-的侵蚀作用增强,混凝土抗压强度下降,其中,C20混凝土在第四系和灌口组地下水侵蚀下抗压强度下降速率最大分别达6.89%和3.89%。3)混凝土的侵蚀是由外向内产生的,地下水中Ca^...     

对塔河A区碳酸盐岩油藏注水开发试验的几点思考

塔河奥陶系碳酸盐岩油田是一个与“古风化壳有关”的“岩溶洞穴裂缝型油藏”的组合体，由于碳酸盐岩受“多期岩溶作用叠加改造”，古风化壳以下300m范围内，溶蚀孔、洞、缝发育且具强烈的非均质性。     

硫酸盐岩溶蚀机理实验研究

在硫酸盐岩和碳酸盐岩混合建造地区,硫酸盐岩的溶蚀对岩溶的产生有着重要影响,对于某些岩溶现象和地质灾害的解释,必须考虑硫酸盐岩岩溶的影响,对硫酸盐岩的溶蚀机理及其影响因素的研究就显得尤为重要.本文采用室内实验模拟的方法,根据岩溶发育的影响因素,研究了硫酸盐岩的溶蚀机理.研究认为,硫酸盐岩溶蚀发育的条件不同于碳酸盐岩,即在水与硫酸盐岩体系内即使没有CO2的参与,水对硫酸盐岩仍具侵蚀性;硫酸盐岩溶蚀的发育不但与其本身的固有特性有关外,还与岩石所处的环境因素有关.     

南方典型溶蚀丘陵系统现代岩溶作用强度研究

我国典型溶蚀丘陵系统分布于湖南中西部雪峰山地区的新化 -涟源县一带。主要宏观岩溶地貌类型有丛丘谷地、峰丘谷地、峰丛洼 (谷 )地、丘岭谷地。它们之间岩溶发育程度、形态组合特征差异明显。本文在论述不同地貌系统岩溶水水化学特征及其溶蚀能力的基础上 ,用水化学平衡法对不同地貌区的溶蚀速度进行了计算 ,并分析了现代岩溶作用强度趋异的原因。溶蚀丘陵区平均溶蚀速度为 2 5 .19m3·km- 2 ·a- 1 ,决定了该区宏观地貌以半岩溶形态为主导特征。     

磷石膏岩溶发育机理研究及工程处理

磷石膏可以直接为水所溶蚀,磷石膏的特殊结晶形态以及其中的杂质进一步影响磷石膏的溶解特性,从而产生磷石膏的岩溶现象。堆放在碳酸盐岩地区的磷石膏由于复合岩溶作用的影响,还会带来水文、工程地质等方面的问题,磷石膏的岩溶现象是影响渣场稳定、渣坝稳定、地下水环境的特殊问题。提出了提高磷石膏渣坝稳定性、防止磷石膏渣场渗漏和保护地下水环境的工程措施。     

西南某水电站断裂构造和层间溶蚀带组合岩溶渗漏研究

西南某水电站坝址基岩为碳酸盐岩,坝区断层构造和岩溶较发育。水库蓄水后,坝址右岸抗力体1 315 m排水洞出现持续渗漏。随库区水位升高,涌水量逐渐加大至约1.9 m³·s⁻¹,水库无法正常蓄水。为查明库水渗漏途径,有针对性地采取措施减少渗漏量,开展了岩溶渗漏研究。通过工程地质测绘、岩溶水文地质调查、钻探、压水试验、孔内电视、孔内电磁波CT等勘察手段,结合前期平硐、基坑开挖和物探等勘查成果,并利用灌浆孔灌浆过程试验数据,最终查明库水渗漏通道：在水压力作用下,库水沿断裂构造F₁₂下渗,在深部沿层间溶蚀带绕过防渗帷幕,呈30°倾角向下游逐步抬升,最终通过竖向岩溶发育带,从1 315 m排水洞地质薄弱点涌出。通过对灌浆帷幕采取补强措施,封堵了主要渗漏通道,库水渗漏得到有效控制,达到了设计要求。