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石油地质研究的意义是什么

发布时间: 2021-02-04 16:06:06

1. 什么是石油地质综合研究技术

石油地质综合研究水平,关系石油、天然气勘探开发的速度和效益。现代油气勘探是从石油地质综合研究开始的。就是说,应用新技术、新理论和创新思维的石油地质研究人员,对有勘探前景的沉积盆地进行综合评价,计算油气资源量;研究盆地、凹陷油气藏成藏条件,指出富油气凹陷的有利区带和勘探目标,制订钻探计划,力争用较小的投入、较短的时间取得勘探突破,特别是找到大油气田。世界各大石油公司,为取得高额利润,在国际竞争中取得主动权,十分重视石油地质综合研究,不惜投入巨额资金,开展基础性或生产性研究。石油公司与科研院所和大学实施产学研一体化,使科研成果迅速应用到勘探生产活动中,转化为现实生产力,取得事半功倍的效果。
“油气田首先是在地质家的头脑里”,是一句至理名言。其实质是:富有创造精神的地质家,对各种方法获得的资料、信息深入研究和体察,经过去粗取精、去伪存真、由表及里、由此及彼的改造制作,对沉积盆地的油气聚集规律有了比较符合实际的认识,并运筹帷幄、制订勘探方案,迅速找到有商业开发价值的油气田。地质家头脑里的“油气田”,变成现实的油气田。石油地质综合研究,包括各门类各专业的研究,可概括为以下八类:
(1)板块构造研究,包括区域构造、二级构造带、断裂、古构造研究等。
(2)地震地层学、层序地层学研究,包括沉积相、储集体、旋回、韵律、生储盖组合研究等。
(3)生油岩(烃源岩)与生油条件研究,包括海相、陆相生油母质、有机质热演化、生烃机理、煤成油、低熟油、生物气、油气运移机理研究等。
(4)地球物理勘探技术方法研究,包括地震、重力、磁力、电法、遥感、测井等各种勘探方法的开拓创新,在各种复杂地质条件下的应用。
(5)含油气体系、成藏动力学研究,包括对各种类型盆地的油气生成、运移、聚集全过程地质动力条件、物理化学变化等进行地质模拟或分析,力求能较准确地预测各层系油气聚集特点和规律。
(6)盆地分析与资源评价研究,包括盆地演化史、成藏史、单元评价、油气聚集规律等。
(7)油气勘探规划部署研究,包括近期、中长期勘探方向,储量、产量增长预测,油气田周围的滚动勘探与甩开勘探部署等。
(8)油气勘探经验研究,包括中国和世界各国油气勘探历程、经验教训、勘探的战略战术、勘探效益分析等。
总之,石油地质综合研究内容十分丰富,需要科研生产人员殚思竭虑、锲而不舍,付出极大的艰辛,才能取得真知灼见,有效地指导勘探实践,提高勘探效益。

2. 石油在地质层中的作用是什么

在地层中能有什么作用呢?只有采出来才能发挥其作用。它是由生物(包括动物和回植物,主要是动物)的遗体答;
2、海洋(不是河流和湖泊)。
形成的过程是这样:遗体进入海洋,因海洋含有大量的盐份,保证了遗体不会马上被细菌分解,大量地被保存下来,让遗体得以沉入海底,又因海底的低温进一步延长了遗体被保存的时间.就是这个时间让遗体得以积累,并得以被泥沙覆盖,被海水(盐水)浸泡过的遗体,又被泥沙或者岩石覆盖起来,后来在地热的作用下,时间长了,就成了石油。
主要生成于从寒武纪到白垩纪都有,泥盆纪最少,但主要集中在石炭纪、二叠纪、三叠纪、侏罗纪

3. 耗水作用的石油地质意义

综上所述,虽然上述反应方程不能完全涵盖地质过程中各类耗水作用,但足以说明在主生烃期矿物转化过程中的耗水量是相当可观的。如果储层处于封闭体系条件下,这一耗水过程可能使岩石孔隙空间中流体匮乏甚至形成“空洞”,在没有或没有足够外部流体及时补充的情况下,这些孔隙集中的部位将会由于流体的相对匮乏而呈现压力降低的现象,最终在钻井测试过程中表现为负的地层压力系数。岩层中这种低压区的出现,必然与外部形成一定的压力差,这就为油气进入储集层提供了动力。在封闭体系(流体封存箱)内,压力差的存在可使烃源岩排出的烃类直接进入储层;即使不封闭的体系,低压区与周围也有一定的压差,当有油气于其周围运移时,很容易进入岩层的流体匮乏区而形成油气藏,当充注的油气量不足时也表现为低压。

4. 研究地质学的重要理论意义和实际意义

对石油、煤炭、金属、非金属等矿产资源的需求.地质学所指导的地质矿产资源勘探是人类社会生存与发展的根本源泉.

5. 石油与天然气地质学意义

1.太平洋沿岸带油气资源丰富

环太平洋含油气盆地,可分东、西两部分。在西太平洋,最北为堪察加盆地、联接库页岛(萨哈林岛)和堪察加西北海岸在内的鄂霍次克海盆地,向南有日本列岛上的小型盆地、我国东部断陷盆地和台湾的西海岸盆地、菲律宾盆地、印尼的浮格科普盆地、澳大利亚阿拉弗拉海盆地、新喀里多尼盆地以及新西兰盆地,含油岩系都是古近系-新近系。

东太平洋沿岸带的含油气盆地,最北部为南阿拉斯加盆地(含库克湾和科帕河两个盆地),目前在库克湾陆地和海上发现了20多个油气田,产层为古近系-新近系;在温哥华附近的海岸地区分布有弗雷塞河盆地和格雷斯·哈保尔盆地;在加利福尼亚地区分布着最重要的几个含油气盆地,如圣朝昆、萨利纳斯-基亚岛、圣马利亚、文土拉和洛杉矶等,其中以圣朝昆和洛杉矶盆地最为重要。近十多年来,在加利福尼亚近海勘探取得了很大成绩,特别是在巴巴拉海峡地区发现20多个油气田,产层全为古近系-新近系;在加勒比海地区,有古巴盆地、海地盆地、马拉开波盆地、托库约河盆地、哥伦比亚盆地,在厄瓜多尔和秘鲁海岸有瓜阿基尔盆地,在阿根廷有门多萨盆地;在安第斯山以北到南有:委内瑞拉的奥利诺科盆地,秘鲁和巴西的亚马孙河上游盆地,玻利维亚、巴拉圭和阿根廷的安第斯山中段山前盆地,阿根廷的内乌肯盆地、巴塔哥尼亚盆地,智利和阿根廷的麦哲伦海峡盆地等等。

在太平洋东海岸,仅就美国加利福尼亚州就有洛杉矶盆地、文土拉盆地、文秋拉盆地,科罗拉多州有坦维尔油田、大克拉累东油田等,其生油岩都是中新世的Monterey组泥岩,储油层为上古近系沉积物重力流砂岩,已开采50多亿桶石油,这些油田的延伸方向、分布范围、储油物性、产量等,主要受沉积物重力流沉积条件、相位和岩性控制。据统计,洛杉矶盆地的产油量,浅海相占0.1%、三角洲相占0.9%、沉积物重力流占99%;文土拉盆地产油量,浅海相占7.2%,三角洲相占9.8%、沉积物重力流占83%,又如文秋拉油田,经Heeebouty(1970)估算,原油储量8.18×108t、天然气已累计产520×108m3,这是个大油气田。油气产层为上古新世Pico砂岩和下古新世Reptto砂岩,这两个单元形成一个含油砂岩、泥质粉砂岩和富含有机质的粉砂质泥岩连续层系,厚度可达3000多米。在这个连续层系里,在埋藏深300~2700m的范围内分成三个产油带:最上部带产天然气和凝析油,渗透率为(60~250)×0.987×10-3μm2;上部带产轻质油,渗透率为5×0.987×10-3μm2,下部带产重质油,渗透率仅为1×0.987×10-3μm2。文秋拉油田渗透率的大幅度降低,不是沉积物重力流沉积环境造成的,而是由于埋藏深,经过褶皱、断裂和成岩后生作用造成的。

在太平洋西海岸的我国,已肯定为沉积物重力流油气藏的有辽河、大港、华北、胜利、中原、苏北、泌陷双河的沙三以及长庆油田的延长组(T3y3)等,可能还有东海、南海。这与太平洋东海岸的美国海相油气田形成了鲜明对照,一个是陆相油气田分布区,一个是海相油气田分布区。为了寻找新的油气田扩大油气后备储量,首先必须搞清太平洋东西沿岸带不同的大地构造格局。按照板块学说的新地球观,太平洋东沿岸带地层新(N)、距离扩张中心近、地温率高,因此洋壳板块俯冲角<10°,没有岛弧存在,是压扭性盆地;太平洋西海岸带地层老(T-N)、距离扩张中心远、地温率低,或此洋壳板块俯冲角可达30°~40°并发育弧后拉张盆地。无论太平洋东海岸带的海相盆地,还是太平汗西海岸带的湖相盆地,只要有足够的水深、足够的坡角度、等效水退和充沛的物源都可形成沉积物重力流油气藏,在这点上它们是有共性的。

2.海(湖)底扇找油

伴随大陆漂移学说的复活和板块学说的诞生,海洋学特别是海洋地质学得到突飞猛进的发展。根据海洋地质学的新进展,目前主要找油方向是海底扇及其海底扇连接起来的陆隆。英国石油公司1978年出版《石油地质学进展》一书,在介绍浊流沉积与油气勘探关系时,强调浊积岩呈扇状体,砂岩颗粒由内部扇向外部扇依次变小,到深海已无粗粒砂沉积也无找到油气藏的希望;美国石油地质学家Thompson(1976)指出,石油资源巨大新区可能在陆隆区的沉积物中,Moorc(1969,1973,1978)等十分强调大量石油储量来自海底扇,十余年来美国石油地质工作者在加利福尼亚州岸外Argueno、Monterey和Delgada三个巨大水下扇组成的近20×104km2陆隆区进行研究工作。这个陆隆区在水深3000~4500m以下,沉积物厚达3000m,主要由海底峡谷重力流沉积的陆源碎屑物质组成;其中Monterey扇分布面积达10×104km2,沉积物由粗粒重力流沉积物和半深海软泥组成,外流水道砂体和叠覆扇舌砂体可能成为良好储集层,半深海软泥中的浮游生物经化学实验可衍生转化为石油,这样就使Monterey扇可能成为既生油又储油的油气聚集体。

Rupkeep(1978)在总结深海碎屑环境时指出,在北美东西海岸外的深海底有巨大区别,在大西洋模式中深海平原被认为是碎屑沉积作用的主要深海环境,经JOIDES(地球深部取样联合海洋学会)考察证明,深海平原之下的充填物是由浊积岩成因的陆源砂组成的,即浊积砂沿海槽分布;在太平洋模式中,强调的是海底峡谷、水道和海底扇,即浊积砂呈扇状分布。这可能意味着不同成因和大地构造背景的海(湖)盆地,具有不同的找油方向。

英格兰北部的谢尔格里特扇,是典型古海底扇油藏,根据Walker(1978)的研究,谢尔格里特扇属于晚石炭纪地层,陆源碎屑扇体沉积在两个比较老的石灰岩“高地”之间的深水盆地里,物源来自北部或东北部,整个扇层序由新至老(表7-4)。

表7-4 谢尔格里特扇岩性及沉积相相解释

以谢尔格里特扇地层的发育史不难看出,深水盆地最先接受黑色生油泥页岩相,在海退背景条件下依次沉积外部扇或平原相的末端浊积岩、沉积中部扇分流水道的块状砂岩和卵石砂岩、沉积大陆斜坡的粉砂质泥页岩,最后沉积浅水三角洲复合体的粗粒沉积物。这是一个向上变粗变厚等效水退的典型序列,中部扇的颗粒流沉积的块状砂岩和卵石砂岩成为油气储集的优质层段。

图7-64 鄂尔多斯盆地浊积岩沉积模式

我国湖底扇油藏极为普遍,根据文应初(1982),陈全红(2007),付强(2008)等对鄂尔多斯盆地的三叠系延长组湖底扇研究(图7-64),赵汉清(1986)大港油田沙三期的研究(图7-65)等等,有工业价值油气产层都是重力流沉积的含砾砂岩和块状砂岩中。因此,不难看出,我国湖底扇沉积模式中具有不同级次的扇状体,在较浅水有近岸水下扇或水下冲积扇,在较深水才是湖底扇,无论近岸水下扇或湖底扇都是重力流沉积物,并在大港油田近岸水下扇中已开采石油,湖底扇油藏屡见不鲜。这一特征,很值得我国石油地质工作者重视,这是扩大找油领域,增加石油后备储量的方向问题。

图7-65 湖底扇沉积背景图

(据赵汉清,1986)

3.海(湖)槽找油

许靖华教授和壳牌(Shell)公司的地质学家们完全不同意海底扇找油方向,他们批评指出在现代海洋地质学家和石油地质家眼里,“浊流即海底扇,找油就在海底扇”,熟不知第四纪以来灾变事件少了,发洪水多了,以大陆带来的沉积物只能形成海底扇不能形成与岸线平行的槽状沉积物;在古代沉积物中找油应在浊流盆地轴向方向,那里沉积走向与构造走向一致,粗粒沉积物分布与整个沉积物走向一致。海槽找油,是许靖华教授经过100多个浊流盆地研究得出的宝贵理论,值得我们重视和借鉴。

文土拉油田是许靖华教授(1955~1957年)得出海槽找油最早的实例。文土拉油田是美国加利福尼亚州最大油田之一,盆地范围小、油层厚、产量高,可采储量约为1×108t。油田产在新近纪海盆沉积物里,生油层是中新世上部的Monterey组泥岩,储集层是始新统深海“浊积岩”相,中新统为滨浅海砂砾岩相,这也是个典型海退沉积序列。

文土拉盆地的地质研究工作是以20世纪20年代开始的,以30年代初期开始钻探到50年代中期已有1500余口钻井,他们当时的勘探程序也是沿长铀、占高点,钻井成功率很低,往往在构造较高部位都是水层。这样的勘探部署是基于当时流行的传统地质学观点,按照这种理论,文土拉地区的沉积模式是,一条北来的河流流入文土拉海盆后,将砾石、砂和黏土分别沉积在滨海、三角洲及其海盆里。

由于文土拉油田的一半产量(约5万桶/天)属于壳牌公司,因此该公司对盆地沉积相极为关心,于1955年派许靖华先生到文土拉研究沉积学。许先生根据地面露头和测井资料对比,认为砂岩体形态并不是南北向而是东西向,接着许先生利用介电导向仪测定了1000多个砂岩样品的长颗粒分布,结果也是东西向。在此基础上,许先生推算了海岸线、海底位置,以及不同深度带的古生物和沉积相。历时3年的研究成果是个极大发现,沉积物重力流最先经过海底峡谷并在内部扇沉积含砾泥岩和岩屑砾岩,遇到海底山脉使流向转为东西向的平坦海槽并沉积颗粒流和浊流砂岩,这套含油砂岩体可延伸10~50km。这是沉积相研究应用于油气勘探、扩大石油储量的第一曲凯歌,它极大震惊了壳牌公司。然而由于资本家技术垄断,致使这项科研成果到1978年才获准发表。

6. 油气地质学意义

震积岩不仅能反映来盆地源形成演化过程中的有关地质事件,而且具有非常重要的油气地质学意义,主要表现为:

1.改善储层的物性特征

震积岩的发育反映了古地震记录的存在,地震活动使岩层产生大量的微裂缝,裂缝沟通了原有的孔隙。因此,震积岩发育期能够极大地改善储集层渗透性,使渗透率大幅度增加。

2.震积岩自身构成储层

震积岩特别是震裂岩和震碎角砾岩是一种潜在的油气储层,为油气勘探和开发提供了新的视角和领域。

3.反映不同储集砂体的成因关系

形成震积岩的同时,由于古地震触发机制的存在,很容易引起三角洲前缘相的岩石发生滑塌,进而导致滑塌扇、浊积等一系列沉积体的形成,而这些储集体目前已成为国内外部分油田储量增长的新亮点。

所以,深入研究震积岩特征、分布及成因对于含油气盆地进一步的油气勘探具有重要的现实意义。

7. 地质意义

现代地震研究表明,地震主要发生在活动的大地构造背景下,根据将今论古的原则,地史时期的地震同样发生在活动的构造背景下。发生在湖泊盆地中的地震,则对盆地底部沉积物产生影响,形成各种震积变形构造。因此,可以通过震积岩研究恢复盆地的构造的活动性和帮助认识沉积盆地的大地构造背景。

从鄂尔多斯盆地南部晚三叠世主要断裂和震积岩发现井分布的关系看,震积岩的分布主要受断裂控制,断裂附近震积岩较发育(图5-15)。目前在富县以南、铜川以北发现的震积岩最多,富县地区在晚三叠世主要断裂并不发育,但其结晶基底的断裂十分发育,说明震积岩的形成还可能受结晶基底活动的控制。这对探讨结晶基底断裂活动对延长组石油聚集中的控制作用具有重要意义。

图5-15 鄂尔多斯盆地南部晚三叠世主要断裂和震积岩发现井分布

中、晚三叠世,秦岭洋最终关闭,华北与扬子克拉通拼接,秦岭地区全面碰撞造山(张国伟等,2001),鄂尔多斯盆地大范围接受晚三叠世沉积,进入盆地鼎盛发育时期(赵重远等,1990;刘池洋,2006)。三叠系延长组长6—长8中均发现震积岩,从时间上看,该期正是湖盆扩张,强烈坳陷至稳定坳陷的时期;从地点上看,震积岩发现井位于盆地南部,井的连线近东西向,平行于总体近东西向展布的秦岭造山带,这符合吴贤涛(1992)提出的震积岩连线有平行于构造带的特点;说明中三叠世鄂尔多斯盆地南部受秦岭碰撞造山的影响,南北向逆冲带已开始产生;到晚三叠世,随着秦岭、南祁连海槽的封闭,南北向逆冲带发生强烈活动。晚三叠世秦岭造山带强烈的构造活动正是本区延长期震积作用的直接诱发因素。从秦岭造山带的时空演化考虑,鄂尔多斯盆地南部在地质历史中始终与秦岭造山带的形成演化有着息息相关的内在联系。该震积岩的发现,从沉积学角度证明了这段地质时期正是受秦岭造山带影响,鄂尔多斯盆地幕式构造运动最强烈的时期。

盆地南部延长组长6—长8中发育大规模浊积岩,浊积岩的形成主要是由于古斜坡地形和外界触发机制,对于外界触发机制一直认为是地震活动造成的,但未能找到证据。该震积岩的发现,表明晚三叠世地震活动频繁,本次研究在固9井长7浊积岩中发现具地震作用特征的同沉积断裂,表明震积岩与浊积岩产生的时间趋于一致,这为该浊积岩的外界触发机制是地震活动引起的提供了直接的、有力的证据。

地震事件对地层的改造作用能可以增加储层裂解,改善储层的储集性,震积岩层可作为潜在的储层(郭建华等,1999,陈世悦等,2003)。塔17井井深1433.6m(长7)岩心薄片中见到震裂缝附近发育溶孔,这些微裂缝和溶孔无疑对改善储层的储集性能起到了建设性作用。同时发生地震的断裂系统为油气的运移提供通道,这为在地震断裂系统附近寻找低渗透砂岩中的高渗储层提供了新的方向,地震的断裂系统上倾的三角洲前缘水下分流河道和河口坝砂岩构成的岩性圈闭具有较高产量。

8. 什么叫做石油地质

石油地质,主来要强调的是油气自资源形成、运聚及保存等地质的条件。目前在油气勘探领域作为一个比较大的学科,它所涉的几个关键内容包括:烃源岩(油气的来源)、储层(油气赋存介质)、盖层(阻止油气因地层压力向上泄漏的大锅盖)、圈闭(油气聚集的场所)、运移(油气从烃源岩生排之后的运输路径及动力)、保存(顾名思义,就是保存的条件了)。

9. 水-岩反应的石油地质意义

1.控制着成油地球化学环境及水化学成分

水文地质学家(如孙世雄教授等)将含油气盆地内水-岩反应视为地壳中水文地球化学循环的一部分,认为地壳中岩石的变化是水参与化学反应的结果。由于水的分解(始于离解)作用,使水分子先失去一个氢离子,而另一个仍与氧组成OH-,OH-与CO2作用形成

,当溶液中盐分浓度达到碳酸盐饱和时(地下水中常见到),则重碳酸(

)离解为H+和

,这又使第二个氢和氧分离。这时氧结合到

中去,而氢通过溶液又可以参与到新的水解反应,完成了水分子完全分解为氢与氧的过程,并相应地与粘土及碳酸盐结合(固定)下来。其作用的发展具有严格的固定方向,一方面它导致内生铝硅酸盐的溶解,另一个方面,它导致粘土矿物和碳酸盐的形成,而且,相应的固定了氢离子。例如下列反应:

含油气盆地水文地质研究

实际上水分子分解可分为:水分子的离解;水解、

的形成;再形成

离子;最后形成碳酸盐等阶段。可用下式表示岩石与水相互作用的一般形式:

原生铝硅酸盐+水+二氧化碳=粘土+碳酸盐

这就是地壳中的水在不断运动及与原生铝硅酸盐相互作用的过程中经常进行化学分解,并以离子的形式与次生产物结合(固定)在一起。

水分解作用的规模和能量都很大,蒙脱石及水云母在其形成过程中要分解出10%~12%的水。粘土形成时,被分解、结合的水不少于15%~30%。铝硅酸盐遭到完全破坏时,其中的水将全部进行化学分解,成为离子和风化产物结合(固定)。

粘土矿物在沉积盆地中随着地质时代的延续会发生一系列的变化,如在一定的地静压力下高岭石和蒙脱石转变为伊利石与绿泥石,粘土进行水云母化及绿泥石化反应时,不仅有溶解状的阳离子参与,而且水分子亦参与了反应。蒙脱石失去层间水而转化为伊利石,其矿物变化可用下式表示:

蒙脱石+Al3+→伊利石+Si4+

如果有Fe2+、Mg2+离子存在,蒙脱石则通过蒙脱石—绿泥石混合层而转化成绿泥石;如果孔隙水是酸性的,蒙脱石的成岩作用也可形成高岭石矿物。蒙脱石转变为绿泥石的反应如下:

含油气盆地水文地质研究

蒙脱石重结晶为伊利石时,仅有5%的水(相当于蒙脱石的质量)被分解为离子并被结合(固定),而蒙脱石转变为绿泥石时,则要超过35%的水受到分解和结合(固定),几乎是蒙脱石结晶格架中含水量(12%~24%)的两倍。所以,水的离子分解在沉积盆地内是必须考虑的地质现象(反应)。从沉积物被挤出而转入储集层的水,在与岩石相互作用时参与化学反应,分解为离子,并被新生物或气体(H2S、CH4、CO2等)产物所结合(固定)。

在地壳中水-岩反应不仅会发生上述的分解作用,而且还会有水的合成。在地质构造活动期或区域变质过程中,水的合成作用比较发育,促使粘土矿物和碳酸盐重结晶,转变为原生(内生)铝硅酸盐。此时,因水分解作用分开的H+

重新化合形成水,同时伴生有CO2等。例如,绿泥石重结晶形成黑云母时,要析出6%~10%的水。在地质循环过程中,水岩之间不是简单的储存和被储存的关系,也不是单一从岩石中被挤压出来,或是溶解岩石、沉淀出不同矿物(包括有机质、气体等)的从属关系,而是还有新生(再生)或重新合成的新内容,促进了物质的相互转换,构成了地壳中水的地球化学循环。这个循环可理解为:在地质条件下(沉积、变质、岩浆等)水-岩相互作用有次序、有方向性的发展过程,即岩石、有机质、气体等所经历的地球化学改造与活动中,在水分子的直接参与下,产生的分解与合成等作用与现象的总和(图5-76)。

根据上述,不难看出水-岩反应是地下水圈内普遍存在的自然现象,更是贯穿于含油气盆地成生发展过程中的一种作用。作用的结果,控制了沉积物所处的地球化学环境(氧化与还原、酸性与碱性、淡水与咸水等),影响着有机物质发育及其向油气演化的程度,改造了岩石的孔隙度和渗透率,对油气的丰度和储存条件产生一定的影响。有机地球化学家和石油地质学家,对油气生成、运移、聚集同地球化学环境及水介质条件的关系,作了大量而深入地研究并已取得共识,本文不再重复。

图5-76 水在地壳中的地球化学循环

(据Основы Гидрогеологин,1982)

含油气盆地内,现今地下水化学成分与岩石结构特征是在地质历史发展的长河中相互作用的结果。地下水与沉积物之间发生的一切物理、化学(包括生物化学、有机化学、无机化学等)反应,在经过不断地元素交换与迁移、分解与合成等过程后处于动平衡状态。长期以来,水-岩反应的边界条件是地质学家、矿物岩石学家及地球化学家等感兴趣的探索课题,虽然意见不尽一致,但有一点是肯定的,即水-岩反应同温度、压力、水与岩石的原始性质及成分等有密切关系。从水文地质上考虑,这个反应的边界可由天然水的pH-Eh限定的水氧化边界和水还原边界共同组成的近似稳定场范围来表示。众所周知,水-岩反应必然引起液体的pH值和Eh值的变化,或者说,pH-Eh值的变化特点可以显示出水-岩反应的趋势和差异。从图5-77中看出,海水同沉积物之间的pH-Eh变化范围基本一致,其反应是在pH值为5~10,Eh值为-400~+500mV范围内进行的。说明它们所处的环境比较稳定,而同天然水系中其他类型水有很大的区别(图5-78),如同大陆环境的油田水(封存水)相比,稳定场的范围要宽大的多。这就是说,陆相沉积盆地内,水-岩反应是在相对较窄小的pH-Eh场内进行的,这也是造成海相油田水与陆相油田水化学成分差异的一个原因。

含油气盆地中水-岩反应不仅改造了地球化学环境,而且还控制着油田水化学成分的演变方向,使其在天然水系中具有独特风貌。在第三章里,对我国油田水化学成分特征进行了较多的讨论。为了进一步探讨水-岩反应对油田水离子组成的影响,以塔里木盆地为例作概要叙述。

从轮南、塔中4号构造、东河塘和英买力四个地区油田水化学分析资料统计看,碳酸盐岩地层含水岩系富含Mg2+、Ca2+

,而碎屑岩地层含水岩系富含K+、Na+和Cl-,贪镁水型(镁的相对浓度为1%左右)相对富集Ca2+

Land和Macpherson(1992)从水-岩相互作用方面,概要地计算了长石溶解对水化学演化的影响。假定砂岩体积为20%,大致对应于海湾沿岸油田2745m(9000英尺)埋深,那么,5000cm3砂岩将含1L孔隙水和4000cm3矿物。假定原始砂岩组分20%为长石,其中一半为钾长石,另一半为含钙长石15%的斜长石,即1 L水含有60cm3的钙长石和400cm3钾长石。假如接近一半的长石发生了溶解,由溶解所释放的组分体积如图5-79所示。如果长石溶解所释放的Ca2+、K+残留于溶液中,地层水中应该含有质量浓度近90000mL/L的钾和1500mg/L的钙离子。但是K+很少超过1000mg/L,不到10%地层水Ca2+质量浓度超过15000mg/L。矿物-水反应必须缓冲K+浓度至所观测到的低浓度,K+要么在岩中以伊利石固定下来,要么从砂岩中迁移至泥页岩中。

图5-77 海水与深海沉积物pH-Eh稳定场

图5-78 几种主要天然水的pH-Eh近似稳定场

图5-79 海湾沿岸砂岩各反应矿物体积图

(据Land和Macpherson,1992)

塔里木盆地轮南地区侏罗系孔隙度介于10%~20%之间,平均约16%;三叠系为15%~25%,最高达 28.5%,平均约20%。三叠系中长石占15%~25%,平均为20%;侏罗系中长石为25%~35%,平均30%,斜长石/钾长石之比为2:1。在三叠系砂岩中,1 L水将占据5000cm3砂岩的孔隙体积,相应的斜长石体积为533cm3(4000cm3×20%×2/3),钾长石为267cm3(4000cm3×20%×1/3)。假定斜长石含钙长石15%,则钙长石为80cm3。一半长石溶解可提供20000mg/L的钙和60000mg/L的钾。同样,可计算出侏罗系砂岩中1/3长石溶解所生成的钙为:

含油气盆地水文地质研究

所生成的钾为:

含油气盆地水文地质研究

侏罗系—三叠系油田水Ca2+的浓度大多低于12000mg/L,小于上述计算的长石溶解所生成的量(26250mg/L),据此,可认为油田水中Ca2+主要来源于斜长石的溶解,而不可能来自方解石的溶解,其依据是源于碳酸盐的

的含量,只有Ca2+的1/20。贫镁或耗镁型油田水的形成,与水-岩反应中富镁绿泥石的形成、早期白云石的胶结及成油过程中微生物对Mg2+的消耗等因素有关。在岩石薄片鉴定中观察到石英、长石和铸模孔中具有绿泥石包壳,石炭系“东河砂岩”中含有15%以上的同期泥晶白云石团块,上述观察的事实,说明Mg2+由水相转入固相。此外。Mg2+是某些微生物生存的必须元素,构成一些酶的活性成分。Mg2+还能从水相转入油相,形成镁卟啉等。油田水

含量低,从一个方面支持了Mg2+含量低同微生物活动有关的结论。在石炭系储层中发生的方解石的白云石化也是去Mg2+富Ca2+的因素:

2CaCO3+Mg2+=CaMg(CO3)2+Ca2+

另外,水-岩反应过程促使油田水富氯,其主要原因是由盐岩矿物溶解而成。据Вjфrlуке、Cran和Hanor(1994)资料在距盐丘100m以上至3km的距离内,溶解的Cl-通过扩散与平流作用仍可使油田水Cl-浓度上升,并随距离增大而减少。盆地内乡1井打到石炭系盐丘,满参1井钻遇膏盐层,油田水中Cl-含量都很高,说明盐类溶解是水富氯的主要原因。

水-岩相互作用在微量元素方面的表现很凸出,如Sr、B等。

塔里木盆地油田水中Sr的含量较高,一般认为海相油田水中富集Sr,但本区碎屑岩含水岩系Sr的含量超过平均值(表5-39),最高达600mg/L。由于沉积物内含锶矿物(如天青石等)比较贫乏,因此,水中锶的来源主要是由斜长石溶解而进入水中。这一认识与Land和Macpherson(1992)在研究墨西哥湾沉积盆地新生界储集层时,发现溶解200cm3斜长石可提取500mg Sr的结论是一致的。

表5-39 塔里木盆地不同时代油田水Sr、B平均含量

注:(1)轮南(2)东河塘(3)塔中(单位:mg/L)。

区内第三系油田水具有高含B的特点(表5-39),而且与矿化度的高低无直接关系,显然同传统的气候-浓缩成因观点相悖。笔者(1995)认为,在水-岩反应增强的前提下,地壳内硅酸盐矿物溶解是水中B的主要来源,作为这一认识的证据是,源于硅酸盐的Li具有同步增高的现象(轮南地区油田水中Li的含量最高达21mg/L)。两种元素共同增高进一步印证了水-岩反应的存在。

近年来,新的研究成果表明,同位素组成也受水-岩反应的控制。就氢、氧同位素而言,随着水-岩反应的增强,总的演变趋势是富集δ18O,δD偏轻。

地下水中富集δ18O同粘土矿物的脱水作用有关,或者是由粘土矿物和碳酸盐矿物在较高温度下重结晶造成的。更完整或更严格地讲,导致水介质氧同位素正偏移的水-岩反应,应是低温下形成的矿物在高温条件下发生重结晶、或溶解—再沉淀的结果。而相反的情形则使水δ18O值降低。如相对低温条件下形成的钠长石交代高温、火成的斜长石后,相应的水介质贫δ18O。但是,在缺乏钠长石化或其作用较弱的储层中,水-岩反应一般导致地层水氧同位素偏重。塔里木盆地油田水存在着氧同位素正偏移的现象,如陆相的侏罗系、三叠系油田水为成岩改造的原生水,δ18O为-5.31%~+2.72‰。海相的奥陶系油田水δ18O=+4.99‰(LN3井);寒武系油田水δ18O=+2.92‰(LZ1井)。这是地下水与铝硅酸盐、碳酸盐矿物之间的氧同位素交换有关,即与增强的水-岩相互作用有关。结合地层的岩性特征和矿物组成来分析,可能的水-岩反应包括长石溶解和转化,以及温度增高时方解石、白云石的重结晶及溶解—再沉淀等。另外,寒武—奥陶系作为盆地主要烃源岩,硫酸盐还原作用生成的H2S,经氧化和电离提供的H+,促进水-岩相互作用,也会使氧同位素偏重。

根据表5-40和表5-41及碎屑岩中碳酸盐胶结物和地层水中氧同位组成资料。结合图5-80可清楚地看出水-岩相互作用过程中,不同矿物平衡时氧同位素组成与变化。

表5-40 碳酸盐胶结物氧同位素组成

表5-41 轮南地区储层地温及油田水氧同位素分布

图5-80 地层水与碳酸盐胶结物氧同位素平衡图

从图5-80看出,在目前地下温度条件下,地层水氧同位素与白云石平衡时,白云石的氧同位素值为19‰~21‰。同轮南地区两个实测的白云石胶结物的 δ18O值(分别为19.5‰和20.68‰)正好相当,两者处于平衡状态,说明白云石是晚期形成的。而LN3井和 LN10井三叠系两个油组地下水δ18O分别为2.69‰~-0.29‰,位于方解石δ18O=12‰和δ18O=14‰平衡线的上方,地层水相对富集δ18O,反映了方解石胶结物形成较早。成岩晚期地层水又与同位素组成较重的白云石发生交换(或斜长石溶解,蔡春芳,1995),图上的数据点,紧邻白云石 δ18O=19‰和21‰平衡线支持了这个论点。有的地层水氧同位素偏轻(如LN3井,J2+3,δ18O为-4.81‰),位于方解石胶结物δ18O值平衡线以下,其原因:一是在相对低温条件下形成的钠长石交代高温与水成的斜长石;二是与粘土脱水有关,即地下水未能充分的与自生方解石进行同位素交换。本区地层中泥/砂比值高,存在着粘土脱水的条件。

造成地下水中氢同位素偏轻的主要因素在第三章已讨论过,可概括为:在低温条件下,碎屑粘土与地下水发生氢同位素交换,导致粘土中的δD值降低;沉积盆地中烃(分散有机质、原油、甲烷等气体)、硫化氢及某些粘土矿物等含有较高轻同位素组成的氢元素,如甲烷气中氢可低至-250‰。塔里木盆地甲烷气氢同位素分布范围为-150‰~-230‰。因此,烃-水相互作用,必然导致油田水中贫氢。

油田水中87Sr/86Sr比值的增高,除与蒸发浓缩作用有关外,还同泥页岩的溶滤,特别是含有钾长石等矿物的溶解有关,不同类型水混合也是一个主要影响因素。塔里木盆地油田水87Sr/86Sr的实际分析资料(表5-42)是上述综合因素的反映,从一个方面提供了水岩相互作用的信息。

含油气盆地内地下水的成因及化学成分的形成是复杂多变的。水-岩相互作用不是控制盆地油田水同位素变化的唯一因素,还要受到其他因素(如前述的深成水或者地幔水运移、补给,火山活动等)的制约,因此,在研究油田水同位素变化规律时要结合具体的地质(包括水文地质)条件进行分析。

2.改造储层物性结构

流动的地下水不断地促进水-岩相互作用的进行,在改变自身化学成分的同时,也改造着储层的物性特征。对油气成藏意义来说,主要表现在孔隙度(或渗透率)的扩大等方面,其中有机酸和CO2是重要因子。

(1)有机酸

我国油田水(陆相与海相)中都含有一定量的有机酸(见第三章)。作者(1995)及其同行们比较系统的研究了有机酸与油气的关系,油田水中有机酸的分布有以下特点:

表5-42 塔里木盆地油田水87Sr/86Sr组成

(据蔡春芳,2000)

1)不同含油气盆地油田水中有机酸含量差异较大,就是在同一盆地不同时代油田水中高低相差也比较悬殊(表5-43)。

表5-43 不同时代油田水中有机酸最高含量

(据蔡春芳等,1997)

图5-81 有机酸浓度随地温变化图

(据蔡春芳等,1997)

2)以单元酸为主,其绝对含量高于双元酸。在单元酸中以乙酸为主,所占比例在吐哈盆地(台北凹陷)为48%~60%、塔里木盆地为60%~85%、鄂尔多斯盆地为79%~83%、泌阳凹陷超过78%。这是由羧酸的稳定程度决定的,羧酸的稳定性序列是:乙酸≥甲酸>草酸>丙二酸。

3)在总体上看,有机酸含量随矿化度增加而增高的趋势明显;在油区(层)内达到最高值;油田水与非油田水中的含量有一定的区别。

4)在不同温度区间内含量差异较大,一般在低温带(小于80℃时)含量较低;在80~200℃时含量最高;超过200℃时检测出的几率很低。塔里木盆地的实测资料说明,有机酸的高浓度主要分布在一定的温度区间内(图5-81)。

有机酸的分析方法主要有气相色谱法、液相色谱法、离子色谱法及毛细管电泳法等。由于有机酸包括种类较多,检测分析方法不统一,其浓度或含量在不同盆地之间不好对比。

目前,人们对油田水中有机酸的来源与成因认同为:干酪根热成熟作用、烃类微生物降解及烃热化学硫酸盐还原作用。

干酪根官能团中含有一定量的氧,促使干酪根转化为有机酸,其生成的量是腐殖型、腐泥腐殖型干酪根(O/C元素的原子比值高,是生成有机酸的良好母质)大于腐泥型干酪根。此外,生成的有机酸同有机质成正比,并受有机质成熟度的控制。

微生物在石油储层中活动时,既消耗有机酸,也产生有机酸,只是由于生成有机酸作用(量)大于消耗有机酸作用(量)而残留于孔隙水中。水中喜氧微生物,导致烃类发生生物降解,产生有机酸等中间产物,可用以下反应式表述:

含油气盆地水文地质研究

图5-82说明原油在有水热解过程中,可生成一元羧酸和二元羧酸。含有较高氧元素的原油(未成熟油、重质油、生物降解过的原油等),在烃类热化学硫酸盐还原作用下,均可生成相对高浓度的羧酸(表5-44)。

地下水中有机酸在参与水-岩反应过程中,起到改造储层物性的作用,它主要通过溶表5-44 硫酸盐还原作用生成的有机酸

表5-44 硫酸盐还原作用生成的有机酸

(据蔡春芳等,1997)

解岩石中的金属元素而产生次生孔隙。如在铝硅酸盐发育的地区,有机酸与主要造岩矿物——Al、Si等形成有机络合物而转入水相,尤其在碱性的水文地球化学环境,提高了有机酸溶解岩石中长石矿物的能力,在含油气盆地中形成分布比较普遍的次生孔隙。

图5-82 原油有水热解过程中有机酸的组成

(据Kharaka等,1993)

实验发现,一元酸对Al的结合能力至少比三水铝矿的无机溶解度提高一个数量级。实验模拟也证明,有机酸与Si起作用,使石英具有明显的溶蚀结构。

塔里木盆地油田水中含有较高的Al,平均为2mg/L,最高达5.4mg/L。SiO2含量多数在13~65mg/L之间,最高超过80mg/L。它们的高含量与有机酸的高值相一致,在剖面上同降低的碎屑岩中长石和增高的自生高岭石和石英含量相对应。而在非油田水中Al和SiO2较量较低。这些现象从一个方面说明,有机酸与Al等元素形成相对稳定的络合物是存在的。

含油气盆地中次生孔隙的分布是普遍存在的现象,而且都分布在与地下水活动有关的范围内,所以不难理解砂岩中次生孔隙是有机酸溶解的结果。有机酸高浓度的平面分布与储层物性好相对应的实际探例,可进一步证明有机酸是形成次生孔隙的重要因素。例如,塔里木盆地轮南地区,高渗储层(高孔隙度、高渗透率)分布带恰与地层水中有机酸高浓度带相重合。吉拉克油田LN8井三叠系T油组油田水中有机酸含量高达1300mg/L,孔隙度为17%~25%,渗透率为300×10-3~1000×10-3μm2;东河塘地区 DH11井,“东河砂岩”油田水中有机酸含量为1371mg/L,孔隙度为12%~17%,渗透率为10×10-3~237×10-3μm2。泌阳凹陷安棚油田位于NW—SE向鼻状构造带上的泌254井—泌252井是储层物性发育最好的地带,恰与油田水中有机酸高值带相吻合(图5-83)。上述实际资料说明,在水-岩相互作用中,地下水有机酸促使次生孔隙的发育,是储层物性变好的原因之一。

从含油气盆地是自流水盆地一部分的观点出发,油田水在区域上的运动是连续的、长期的(从古代到现代),有机酸与油气储集层的作用是随油气的生成、运移和聚集而持续发展进行的。特别是毗邻烃源区的砂岩体,断裂带及不整合面附近是水-岩反应的活跃带,也是有机酸溶蚀和形成次生孔隙的发育带。在油田开发过程中,或开发后期(即注水后),只要地下水化学成分保持着溶滤岩石的能力,水-岩反应将会继续进行,形成新的高渗透能力的储集层,为油气聚集成藏提供了条件和场所。

图5-83 安棚油田油田水中有机酸含量分布图

(据李武等,2005)

(2)二氧化碳

地下水中的CO2在水-岩相互作用中意义和地位,早已被人们所认识(见第二章)。但是油田水中CO2的实际含量往往被人们所忽略。从理论上讲,在封闭、还原环境中的油田水,应该含有较高的CO2(包括侵蚀性CO2和游离性CO2)。另外,我国许多含油气盆地油田水中

含量一般较高,有的在阴离子中占主导地位,

与CO2在化学性质上存在着共生关系,也是油田水中CO2含量较高的原因之一。由于油田水样大都是在井口所取,其中所溶解的CO2等气体,因温度、压力降低,而从溶液中逸出。实验室内分析测试的CO2含量,比油藏内地下水的实际含量要低得多。在研究水中CO2参与溶解岩石能力及其与其他化合物相互作用时,要根据压力和温度差,对分析测得的CO2含量进行校正。

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