碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展_梁金同.pdf
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1、地球科学 Earth Sciencehttp:/第 48 卷 第 2期2 0 2 3 年 2 月Vol.48 No.2Feb.2 0 2 3https:/doi.org/10.3799/dqkx.2023.031碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展梁金同1,2,3,4,文华国1,2,3,4*,李笑天2,乔占峰5,6,佘敏5,6,钟怡江1,2,3,4,张浩21.油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都 6100592.成都理工大学沉积地质研究院,四川成都 6100593.中石油集团碳酸盐岩储层重点实验室成都理工大学分室,四川成都 6100594.自然资源部深时地理环境重建与应用重点
2、实验室,四川成都 6100595.中国石油杭州地质研究院,浙江杭州 3100236.中国石油天然气集团公司碳酸盐岩储层重点实验室,浙江杭州 310023摘要:深层超深层碳酸盐岩是当前全球油气勘探的焦点,也是未来我国有望实现油气商业发现的热点领域.对于深埋藏环境下优质碳酸盐岩储层形成而言,目前研究普遍强调了早期表生溶蚀作用和晚期埋藏溶蚀改造作用的重要性.作为表征储层溶蚀作用机理的有效手段,水岩溶蚀模拟实验能够再现实际地质条件下碳酸盐岩和地层流体之间的相互作用过程,为碳酸盐岩储层溶蚀改造研究提供了新视角.为此,系统回顾了近年来碳酸盐岩溶蚀模拟实验的研究进展,并尝试从实验模拟的角度讨论溶蚀作用对深层
3、超深层碳酸盐岩成储过程的控制作用.首先回顾了碳酸盐岩储层的溶蚀改造作用,同时总结了碳酸盐岩水岩溶蚀模拟实验的技术与方法,其次梳理了基于溶蚀模拟实验取得的碳酸盐岩储层溶蚀改造规律与认识,最后展望了现有研究对深层超深层油气勘探以及碳封存与再利用中的应用前景.不难看出,开展碳酸盐岩溶蚀模拟实验有望为寻找埋藏成岩过程中的次生孔隙发育带、阐释规模性溶蚀作用发生的有利条件提供依据,同时也可为未来碳酸盐岩成储机制和实验模拟研究提供一定的借鉴意义.关键词:深层-超深层碳酸盐岩;储层改造;埋藏成岩作用;溶蚀模拟实验;溶蚀增孔效应;石油地质.中图分类号:P618.13 文章编号:1000-2383(2023)02
4、-814-21 收稿日期:2023-01-13Research Progress of Burial Dissolution and Modification of Carbonate Reservoirs and FluidRock Simulation ExperimentsLiang Jintong1,2,3,4,Wen Huaguo1,2,3,4*,Li Xiaotian2,Qiao Zhanfeng5,6,She Min5,6,Zhong Yijiang1,2,3,4,Zhang Hao21.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir
5、Geology and Exploitation,Chengdu 610059,China2.Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China3.Key Laboratory of Carbonate Reservoir,CNPC,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China4.Key Laboratory of DeepTime Geography and Environment Reconstruction
6、 and Applications,Ministry of Natural Resources,Chengdu 610059,China5.Hangzhou Research Institute of Geology,PetroChina,Hangzhou 310023,China基金项目:国家自然科学基金项目(No.42202191);中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(No.2021DJ0503);四川省青年科技创新研究团队项目“天然气成藏物质基础”(No.22CXTD0064).作者简介:梁金同(1990-),男,博士,研究员,主要从事沉积储层与石油地质领域科研和教学工作.
7、ORCID:000000023787177X.Email:*通讯作者:文华国,ORCID:0000000251401045.Email:引用格式:梁金同,文华国,李笑天,乔占峰,佘敏,钟怡江,张浩,2023.碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展.地球科学,48(2):814-834.Citation:Liang Jintong,Wen Huaguo,Li Xiaotian,Qiao Zhanfeng,She Min,Zhong Yijiang,Zhang Hao,2023.Research Progress of Burial Dissolution and Modification
8、 of Carbonate Reservoirs and FluidRock Simulation Experiments.Earth Science,48(2):814-834.第 2 期梁金同等:碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展6.Key Laboratory of Carbonate Reservoirs,CNPC,Hangzhou 310023,ChinaAbstract:Deep to ultradeep carbonate reservoirs have always been the focus of global oil and gas exploration a
9、t present,which are also the future fields of commercial hydrocarbon discovery in China.The importance of early epigenetic dissolution and/or late burial dissolution modification has been generally emphasized for the formation of highquality carbonate reservoirs in deep burial environments.As an eff
10、ective way to characterize the mechanism of reservoir dissolution,the fluidrock dissolution simulation experiment can reproduce the interaction process between carbonate rocks and diagenetic fluids under actual geological conditions,thus providing a new perspective for determining the dissolution an
11、d modification of carbonate reservoirs.In this paper,the research progress of carbonate dissolution simulation experiments in recent years is systematically reviewed.In addition,the controlling factors of dissolution on the formation of deep to ultra deep carbonate rocks are discussed from the persp
12、ective of experimental simulation.Firstly,the dissolution and modification of carbonate reservoirs are reviewed,and the techniques and methods of carbonate fluid rock dissolution simulation experiments are summarized.Secondly,the law and understanding of carbonate reservoir dissolution and modificat
13、ion based on simulation experiments are sorted out.Finally,the application prospect of current research on deep to ultradeep hydrocarbon exploration and carbon sequestration and recycling is prospected.Generally,the simulation experiment of carbonate dissolution is expected to provide a basis for di
14、scovering the secondary pore development zones during burial diagenesis and clarifying the favorable conditions for the occurrence of largescale dissolution.Furthermore,this work can provide certain reference significance for future research on the formation mechanism and experimental simulation of
15、carbonate reservoirs.Key words:deep to ultra deep carbonates;reservoir modification;burial diagenesis;dissolution simulation experiments;dissolution and porous effect;petroleum geology.0 引言 20 世纪 90 年代以来,我国深层(埋深4 500 m)和超深层(6 000 m)碳酸盐岩油气勘探陆续取得重大突破,目前已成为世界超深层油气勘探开发最活跃的领域(赵文智等,2012;沈安江等,2015a;何治亮等,20
16、21;马永生等,2022).其中,我国古老碳酸盐岩层系中,深层-超深层白云岩展现出了巨大的油气勘探潜力,如四川普光、塔里木塔河、鄂尔多斯靖边等大型油气田的发现均与深埋白云岩有关.因此不难看出,深层-超深层白云岩储层是未来有望实现油气商业发现的热点领域(陈代钊和钱一雄,2017;乔占峰等,2021).目前,学界关于深层-超深层白云岩储层的研究主要集中在 3 个方面,即深层-超深层白云岩成因、深层-超深层白云岩成储作用机理和深层-超深层优质白云岩储集体发育模式,其中后两者近年来越发受到重视,原因在于厘清深部碳酸盐岩成储机理与模式是实现深部油气勘探突破与创新的关键所在.事实上,对于沉积岩储层而言,无
17、论是碳酸盐岩储层还是碎屑岩储层,溶蚀作用在其成储过程中都具有重要意义(Pokrovsky et al.,2005;朱光有等,2006;金 振 奎 和 余 宽 宏,2011;Bjrlykke and Jahren,2012;陈 启 林 和 黄 成 刚,2018;鄢 伟 等,2022).对于深层-超深层碳酸盐岩的埋藏成储作用而言,能否形成有效储层很大程度上取决于孔隙的保存情况,而这往往受到埋藏成岩过程中多种复杂地质作用的共同控制.虽然目前学界关于“埋藏溶蚀作用能否形成有效储集空间”这一问题仍然存在争议,但近年来我国海相碳酸盐岩盆地深部层系(特别是白云岩层系)中陆续取得重大油气勘探突破,似乎否定了碳
18、酸盐岩储层孔隙“消亡带”或“死亡线”的存在.为了探究深层-超深层碳酸盐岩储层的发育规律和控制因素,近年来众多学者针对深部储层发育的物质基础、储层孔隙的发育环境和储层孔隙调整和保存的环境等问题开展了大量研究,形成了一系列的深层优质碳酸盐岩储集体成因机理与模式(沈安江等,2015b;何治亮等,2021).值得注意的是,这些模式都强调了深埋藏环境下溶蚀作用对优质碳酸盐岩储层形成的贡献,且也逐渐被碳酸盐岩溶蚀模拟实验所证实.因此,寻找埋藏成岩过程中的次生孔隙发育带、明确规模性溶蚀作用发生的有利条件,逐渐成为了当前深层-超深层碳酸盐岩储层研究的热点领域.作为探索和预测碳酸盐岩储集性能的有效手段,水岩溶蚀
19、模拟实验已在国内外研究中的到了广泛应用,其优势在于可以通过正演模拟的方式逼近真实地质背景下的温度和压力条件,再现碳酸盐岩815第 48 卷地球科学 http:/和流体之间的相互作用过程,从而为研究碳酸盐岩储集性能和预测有利储层发育区带提供依据(丁茜等,2020;佘敏等,2020).自上世纪 80年代以来,随着深部碳酸盐岩层系中油气发现,溶蚀模拟实验的研究重点也由(近)地表环境下的表生溶蚀作用逐渐向埋藏环境中高温高压环境下的溶蚀作用过渡,在温度、压力、岩石成分对碳酸盐岩溶蚀的控制作用及其溶蚀改造效应研究方面取得了系列认识(Taylor et al.,2006;Chou et al.,2008;范
20、 明 等,2007,2009;黄康俊等,2011;Bjrlykke and Jahren,2012;佘敏等,2013;刘诗琦等,2021).因此,本文系统回顾了近年来碳酸盐岩溶蚀模拟实验的研究进展,并尝试从实验模拟的角度讨论溶蚀作用对深层-超深层碳酸盐岩成储过程的控制作用,同时梳理了若干以往研究中取得的规律性认识以及重要观点,对于未来碳酸盐岩成储机制研究和实验模拟提供借鉴,为进一步完善深埋藏碳酸盐岩成储理论提供支撑.1 碳酸盐储层的溶蚀改造作用 现有研究认为,酸性流体与碳酸盐岩之间的溶蚀作用是优质碳酸盐岩储层形成的重要控制因素之一(Machel,2004;陈代钊和钱一雄,2017).对于白云岩
21、储层而言,表生成岩作用阶段和埋藏成岩作用阶段的溶蚀作用均可以形成次生孔隙空间,溶蚀性流体主要包括近地表的大气淡水、埋藏生烃过程中释放的 CO2和有机酸、原油裂解和运移过程中产生(与热化学硫酸盐还原作用-TSR 有关)的 CO2和 H2S,以及深部幔源的热液流体等类型(朱光有等,2006;陈 启 林 和 黄 成 刚,2018;Morad et al.,2018;Valencia and Laya,2020).当碳酸盐岩发生溶解而远离化学平衡时,反应的动力学过程可简化为如下 3 个平行反应(Plummer et al.,1978;Chou et al.,2008;Pokrovsky et al.,
22、2009):MeCO3+H+Me2+HCO3-,(1)MeCO3+H2CO3Me2+2HCO3-,(2)MeCO3 Me2+CO32-,(3)1.1(准)同生与表生期溶蚀作用大量实例研究表明,(准)同生期和表生期的大气淡水溶蚀作用都会对白云岩的增孔成储效应产生积极的改善作用,虽然二者对碳酸盐岩的溶蚀改造机制不尽相同,但仍有规律可循(陈启林和黄成刚,2018;石亮星等,2022).通常来说,构成碳酸盐岩矿物中化学性质不稳定、比表面积较大的成分在(准)同生期会优先被选择性溶蚀,而化学性质稳定、比表面积较小的成分则未被溶蚀而保存下来,一般会在碳酸盐岩储层中形成铸模孔、粒内孔和粒间孔等储集空间类型(G
23、oldstein et al.,2013;冯林杰等,2021).由于碳酸盐岩矿物在表生期大多已发生新生变形作用,因此溶蚀作用会优先在(微)裂缝处发生(图 1),形成碳酸盐岩喀斯特化现象(谭秀成等,2015;Bagni et al.,2022),方解石和白云石的溶蚀过程可分别表述为如下反应:CaCO3+H2O+CO2Ca2+2HCO3-,(4)CaMg(CO3)2+2H2O+2CO2Mg2+Ca2+4HCO3-.(5)1.2埋藏成岩期溶蚀作用关于埋藏溶蚀作用能否形成有效储集空间这图 1四川盆地三叠系飞仙关组鲕滩储层中的铸模孔形成模式图Fig.1Schematic diagram showing
24、formation of moldic pore system in the Triassic Feixianguan oolitic shoal reservoir修改自冯林杰等(2021)816第 2 期梁金同等:碳酸盐岩储层埋藏溶蚀改造与水岩模拟实验研究进展一问题,目前学界尚未达成共识,争论核心问题在于埋藏环境下地质流体是否相对钙过饱和,从而影响水岩反应体系的平衡状态和溶蚀反应的正向进行(Lambert et al.,2006;雷 川 等,2014;Simms,2014).早在 20 世纪 70 年代,便有学者提出碳酸盐岩储层的埋藏过程是一个减孔的过程,并且当埋深超过 3 0003 50
25、0 m 时,碳酸盐岩储层在压溶作用和胶结作用控制下会出现一个孔隙“消亡带”或“死亡线”(Peter,1977;James,1984).也有学者认为埋藏条件下地质流体中的碳酸盐岩矿物会在短期内饱和,如果没有溶蚀性流体的及时补充,碳酸盐岩的溶解作用将会逆向进行从而产生矿物沉淀/孔隙胶结现象,不利于次生孔隙的保存(Bjrlykke et al.,2010;Taylor et al.,2010;Ehrenberg et al.,2012).但近年来,以我国塔里木、四川和鄂尔多斯盆地为代表的海相碳酸盐岩盆地深部层系(特别是白云岩层系)中陆续取得重大油气勘探突破(图 2)(朱光有等,2006,2020;马
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