碳酸盐溶解实验:暗示优质碳酸盐岩储层形成和超深水盆地深处

文摘

作为石油地质学最前沿,研究dissolution-based岩层在深层碳酸盐岩储层提供了洞察孔隙石油储集层空间发展机制,预测储层分布在deep-ultradeep层。在这项研究中,我们进行了dissolution-precipitation实验模拟表面深埋藏环境(开放和半开口系统)。的影响,温度、压力、溶解离子在高温高压下研究了碳酸盐岩dissolution-precipitation (~ 200°C;~ 70 Mpa)和一系列的岩石和地球化学分析方法。结果表明,window-shape溶解曲线出现在75 ~ 150°C的开放系统和120 ~ 175°C的半开口系统。此外,碳酸盐岩的溶解减肥开放系统高于半开口系统,使其更有利于获得孔隙度。流体和岩石的类型很大程度上决定了储层质量。在开放系统中,方解石的溶解减肥是高于白云石有限公司为0.3%₂随着反应液。在半开口系统,从白云石灰岩盛行减肥有限公司为0.3%₂随着反应液。我们的研究可以提供理论依据的优质碳酸盐岩储层预测和超深水层深处。

1。介绍

石油和天然气形成于碳酸盐的形成需要全球石油和天然气资源总量的60% (1- - - - - -3]。在中国深层碳酸盐岩储层主要分布在鄂尔多斯,塔里木盆地奥陶系,四川盆地三叠纪、二叠系、石炭系、寒武纪,震旦系,这些储层的深度范围从3000米到8000米(4,5]。壹空间从塔里木盆地的勘探实践和MS1从四川盆地发现良好的溶解毛孔超深水碳酸盐岩埋藏深度为6000到8400米(6]。观察优质白云岩储层在8408年壹空间与孔隙度9.1%左右。白云岩与平均孔隙度为12%被发现在四川盆地,海拔6000米7]。塔河油田油气勘探,Jingbian气田,普光气田,Yuanba气田,Anyue气田,和其他海洋天然气和油田表示,海洋碳酸盐岩,特别是深层,显示出广阔的前景。

碳酸盐岩沉积物沉积后,它经历了准同生期,早期,中间,和晚成岩阶段,后生阶段。宝贵的碳酸盐岩储层孔隙度主要与流体在成岩过程的转换过程。孔隙是陨石区早期成岩作用被破坏、发达。后期的解散,孔隙发达由于烃类成熟和破坏8]。基于流体源,碳酸盐岩中的流体流动相互作用可分为表面流体,深地层流体,流体来源。基于流体源和交互模型,碳酸盐岩储层形成的地质流体环境可分为三类:开放的环境,半开口环境,封闭的环境。

仿真实验和数值模拟,可以澄清石灰岩和白云岩的溶解过程之间的关系和温度,压力,和流体。普卢默et al。9),Busenberg和普卢默(10],Sjoberg [11)的影响的研究,有限公司₂的溶解速率,温度对方解石和白云石通过仿真实验。风扇等。12,13)研究了不同类型的碳酸盐岩的溶解特性在乙酸/有限公司₂/小时₂解决方案和发现积极的溶蚀强度和温度之间的关系。因此解散高强度是维持在一定的温度范围内,和一个“解散窗口”成立。她等。14,15)发现,白云石的溶解速度接近泥晶灰岩石灰岩。这些研究加深了对碳酸盐储层的形成和发展的理解。然而,以往的研究侧重于碳酸盐的溶解速度弱酸性流体从室温到介质温度(~ 150°C)及其解散控制因素;很少被注意在碳酸盐岩的溶蚀模式/碳酸mineral-fluid反应在不同的系统和高温度/压力(16- - - - - -20.]。在这项研究中,溶解过程与碳酸盐样品/矿物在不同流体环境和不同流体/岩石比进行了使用一个白手起家的模拟实验仪器,和良好的流体环境发展优质碳酸盐岩储层进行了讨论。

2。实验

碳酸盐和流体相互作用可以看作是solid-gas-liquid三相共存反应系统。在系统中,碳酸盐岩的固相溶解或沉淀;孔隙中的液体和气体填充成为液体。固体和液体之间的交互影响的主要因素是温度、压力、pH值、液体/固体比,矿物表面结构、反应表面积,等等21]。埋藏深度决定了系统的温度和压力。碳酸盐矿物和流体之间的反应如下:

M代表碱金属元素(钙、镁,等等)。在反应期间,CaCO₃或CaMg(有限公司₃)₂溶解和Ca^{2 +}和毫克^{2 +}进入的液体。可以定量监测反应进程的变化金属阳离子浓度或矿物减肥之前和之后的反应。

2.1。实验设置

这个实验是进行碳酸盐岩储层溶蚀率仪器由实验室(图设计和制造1)[12,22,23]。电加热器被用来加热反应堆。反应堆的温度由温度传感器监测和控制(装Pt100)。仪器的设计温度和压力是250°C和70 Mpa。反应系统的压力和流量控制的恒压恒流泵。观察表面结构通过扫描电子显微镜(SEM);德国蔡司EVO马10);Ca的浓度^{2 +}和毫克^{2 +}之前和之后的反应是衡量ICP-OES(美国安捷伦715 OES)检测极限为0.3μg / L和0.1μ分别g / L。矿物的类型和成分测量了x射线衍射仪(XRD);力量D8、德国)。

2.2。实验步骤

在实验中,反应器的温度和压力是逐渐提高到设定的值。储层中的流体是加压罐,然后通过管道流入了高温和高压反应器(Hastelloy)。六个平行石英反应器反应管可以放置。第一液体流过管,然后与碳酸盐反应样本。后(1),减肥中碳酸盐矿物的反应可以定量描述的大小解散的过程。

后地温梯度为2.5°C / 100 m,从地球表面的温度和压力形成深度(7000)范围从25 ~ 200°C和1 ~ 70 Mpa,分别。反应堆被加热的温度逐渐5°C /分钟。液体流率设定为1毫升/分钟和0毫升/分钟的开放和半开口地质流体系统,分别为(表1)。每个温度/压力的反应时间是3到4个小时,直到液中的钙和镁离子浓度不再改变,然后延长了两个多小时,以确保流动相互作用的平衡。当反应完成后,钙、镁离子液体测量和溶解率是由重量决定的质量损失样品。

在实验结束时,两种流体的溶解特性系统和各种碳酸盐样品温度和压力被测量的变化调查解散减肥和离子浓度的变化。

2.3。实验对象

在这项研究中,方解石矿物样本标准,标准的白云石矿物,从奥陶系和泥晶灰岩样品平凉市形成,白云石灰岩样本,和细晶白云岩样本奥陶系马家沟的形成。样品的显微特征如图所示2。收集位置和形态的样品表中列出2。碳酸盐岩样品的矿物组成和内容列在表中3。

样品粉碎成颗粒直径2.8毫米到4.2毫米的样品管。样本与去离子水超声清洗和干燥炉105°C的24小时。有限公司₂水溶液被选为酸性流体介质,模拟原位酸性流体环境(24]。公司的质量分数₂溶液的pH值为4.2 0.3%。

3所示。结果与讨论

3.1。碳酸盐岩减肥的开放系统

开放系统的模拟,方解石的溶解通常超过了白云石、石灰岩和白云岩(图3)。每个碳酸盐的溶解减肥样本显示解散窗口,在此期间减肥先上升然后下降随着温度升高(12,22,23,25]。温度显示解散窗口范围从35°C到150°C。解散减肥的标准方解石样品增加35°C和100°C之间,到达峰值在100°C,然后慢慢下降。标准的白云石样品,当溶解范围减肥增加35°C和125°C之间,和最大解散减肥达到125°C。白云石对温度变化的响应时间慢于方解石,方解石的最大溶解减肥是白云石的两倍。这些结果表明,方解石是白云石的放荡更多开放的环境和符合前者研究的开放系统(23]。通过热力学模拟、黄等。26]发现碳酸盐矿物在不到700米的深度往往溶解,形成和朱et al。27)发现,碳酸盐岩的溶解性能先增加,然后随着温度的增加减少。在这个研究结果符合上述模拟。

3.2。碳酸盐岩减肥半开口系统

半开口系统仿真,白云石灰岩的溶蚀减肥是最大的在所有的样品。方解石的溶解减肥是高于白云石对整个温度范围内。石灰石和白云石共享类似解散重量损失35°C ~ 125°C之间,前者高于后者的溶解速度,当温度高于125°C。所有样品的溶解减肥来到山顶150°C左右。最高的方解石溶解减肥是白云石的约1.5倍。解散窗口的温度范围从120°C到175°C。解散窗口半开口系统出现在温度/压力高于开放系统(图4)。

在半开口系统,白云石灰岩(白云石含量< 30%)比其他碳酸盐样品有较高的减肥。泰勒et al。28]还发现,解散减肥Kluff形成的石灰岩与白云岩30 - 40%的内容是最大的1 M盐酸溶液,在室温下。戴维斯et al。29日)建议毫克^{2 +}白云石溶蚀破坏产生的内部晶体结构方解石和增强方解石的溶解。也观察到白云石化灰岩储层的字段通常发育良好的溶解毛孔。

半开口的模拟实验系统接近实际deep-ultradeep碳酸盐岩地层。断层系统的开放与情景相关的构造或特定的流体等相邻地层的开发有限公司₂、有机酸形成生烃或H₂年代从TSR可以使它有利于流体进入故障或骨折与碳酸盐岩反应。水/岩比相对较小的少量液体。在这种情况下,在短时间内成为过度饱和液体在反应,溶解/沉淀过程的平衡。这样短的反应影响小创建孔隙度但可能维持先前存在的气孔形成的开放系统,防止通过胶结孔隙度损失。

在这项研究中,平均体重标准的方解石样品在开放系统14倍半开口的系统。白云石样品标准,开放系统的平均体重的11倍半开口系统。因此,碳酸盐岩的溶解减肥在开放系统更高的在相同的温度和压力条件下(对应于埋深),也有利于孔隙度(图5)。

在碳酸盐矿物的溶解过程,H⁺溶液中扩散到扩散边界层与矿物之间的解决方案并与矿物表面反应。Ca^{2 +}和毫克^{2 +}反应产物,从矿物表面扩散到解决方案。边界层的厚度决定了扩散时间和反应速率。溶解率可能是有限的。当液体的流量很低,相对较厚的扩散边界层,和缓慢的传质速度成为更高的溶解速率的限制因素,反之亦然(30.- - - - - -32]。在开放系统中,较强的水动力条件和更薄比这双半开口系统可能导致较高的扩散率。

当液的pH值低于4,矿物溶解率成正比⁺浓度(33,34]。开放的流体系统不断补充新鲜的酸性流体(pH ~ 4)的反应。然而,半开口流体系统中流体的总量相对较小,流体的平均pH值增加到5.45 ~ H⁺损耗。因此,pH值较低的液体可以保证较高的反应速率的开放系统。因此,较高的扩散率和反应速率表示,碳酸盐岩的溶解在开放系统中,解散总额大,是更重要的比半开口系统。

此外,碳酸盐岩孔隙中的水-岩作用模拟实验的封闭系统显示整个碳酸盐岩倾向于降水和胶结随着温度和压力的增加35]。然而,我们也观察到一些单点倾向于溶解,这表明溶解/沉淀过程的动态平衡反应。因为水/岩比相当小的封闭系统,降水仅仅影响了整个孔隙度状态。

3.3。表面的观察碳酸盐岩样品

碳酸盐样品扫描电镜(SEM)观察到反应前后的开放系统。碳酸盐溶解的特点如下:方解石表面反应(图之前持平6(一)),然后小沿着方解石溶解毛孔形成解理面或表面(图上的弱点6 (b))。一些新白色矿物表面沉淀,后来确认为CaCO₃能量色散谱仪(图6 (c))。白云石溶解主要从菱形晶体边缘椭球(图6 (d))。小孔形成白云石晶体边缘被连接到形成大孔(图6 (e)和6 (f))。赫尔曼和白色(36]观察选择性溶解的白云石颗粒边缘。流体和岩石的初始界面决定解散后的界面形态。一般来说,解散是扩展和连接的接触表面矿物解理,骨折,弱点。

3.4。不同的流体环境的特征

3.4.1。开放的地质流体系统

当我们实验结果应用于相应的实际地质流体系统的deep-ultradeep碳酸盐岩储层形成,(1)开放的环境和更高的水/岩比会导致流体与不饱和CaCO₃。在这种情况下,水岩反应继续朝着解散的方向。新形成的气孔,原始孔隙或裂隙扩展。新形成的孔隙为溶解反应提供了更大的表面积。碳酸盐岩地层继续溶入了水库,连同大孔隙和裂缝系统的发展。

在地质历史上,开放的地理环境主要存在于准同生沉积成岩作用阶段的长期接触如礁石、沙滩,潮滩频繁曝光或构造隆升的后成阶段如近地表岩溶环境和深循环淡水溶蚀环境。长期和大规模解散可能形成相当大的存储空间。尽管填充效应从机械、化学或生化过程,开放的环境是主要为优质碳酸盐岩储层形成的环境。此外,水库的规模和质量进一步由碳酸盐岩的组成和结构,流体的相互作用强度和时间,填充模式和大小。例如,岩溶储层后期的质量可能退化由于解散和充填的影响。

3.4.2。半开口地质流体环境

半开口的水/岩比地质流体系统是相对较小。液体容易迅速达到饱和或过饱和状态的反应。有一个动态平衡之间的溶解/沉淀过程流体和岩石。矿物溶解和沉淀同时沿着流体流动路径。一些先前存在的孔隙度可能扩大一些孔隙度可能被方解石和白云石胶结。

在地质历史上,这种环境的特点是周期性的错,活跃的褶皱,在盆地演化和特殊流体活动,改变原来的液体环境,打破化学平衡在形成一个新的流体环境形成。因此,情景发生了流动的相互作用。物质和能量的交换过程的形成会导致一系列包括解散,交代作用、白云石化作用、重结晶作用、胶结和导致孔隙度的增加/减少。一起埋葬过程,生烃、BSR TSR发生在地层和一些酸/碱液体也可能进入碳酸盐地层和岩浆活动形成一个新的流体环境和改变存储空间。化学咄咄逼人的流体在流动过程中互动,控有限公司₂H₂年代,有机酸,主要来自有机质成熟,烃降解,TSR, BSR [24,37,38]。这些液体可能大大溶解岩石,提高孔隙度(39,40]。此外,一些半开口环境,如强tectonic-hydrothermal运动也可以形成优质碳酸盐岩储层。例如,按比例缩小的热液白云岩储层是油气勘探的一个重要领域。

3.4.3。封闭的地质流体环境

封闭的地质流体系统的剩余孔隙水饱和,和流动的相互作用达到一个平衡状态。没有按比例缩小的溶解或沉淀,先前存在的孔隙度是维护。尽管流体流动是有限的,埋藏深度的变化可能会打破平衡反应温度或压力的变化。小降水、解散或会出现再结晶随埋深的变化,但孔隙度在这个环境中几乎没有改变。一个封闭的环境的主要功能是维护的储层空间。封闭的流体环境需要一个稳定的构造背景和良好的限制条件,这是油气聚集的基础和前提,转换、调整和保护。

总之,开放和半开口流体环境的关键储集空间的形成,和关闭流体环境对储层空间的维护至关重要。

4所示。结论

在这项研究中,我们达成以下谅解通过综合分析实验结果:(1)开放是关键。几乎所有的优质储层经历了一个或多个开放或半开口地质流体环境的地质演化历史。长期降水淋溶在准同生期和后成阶段和酸溶解的中、晚期深埋藏成岩作用可以显著改善储层的物理性质。(2)流体和岩石的类型决定了溶解速率和储层质量。流模式、强度和流体的反应时间决定解散力量和溶解率。的结构、组成和接触表面的岩石影响储层的质量。流体流动可能形成的各种通道类型储层溶蚀孔隙等空间,骨折,洞。(3)封闭的地质流体环境对既存储层空间的保护至关重要。如果现有的碳酸盐岩储层的孔隙形成良好的早期成岩作用阶段,deep-ultradeep封闭环境可以提供有效的保存条件。埋葬或令人振奋的形成过程会改变系统的温度和压力,导致微循环流体的储集层。尽管迁移和材料可能发生的小调整,孔隙度几乎没有变化和明显的渗透率变化和异质性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

明雪博士承认的援助。实验上的帮助和参考材料从东华你博士Shoutao Peng博士和Lingjie Yu博士承认。这项工作是由中国科学院的战略重点研究项目(批准号XDA14010201)和中国国家自然科学基金资助。41702134也没有。U1663209)。

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