碳酸盐岩

碳酸盐岩

引言：在第二次世界大战以后，由于在西亚地区的石灰岩和白云岩中发现了大量的石油，因而促进了现代碳酸盐沉积物的研究工作。由于这些发现，石油工业部门感到对浅水碳酸盐的沉积作用、成岩作用和石化作用的基本知识的缺乏，于是展开对现代碳酸盐沉积环境的研究工作。碳酸盐岩是重要的烃源岩和储集岩，在当前国内外的大油田中，碳酸盐岩占很大比例，据统计，在世界上储量在0.14亿吨以上的546个油田中，就数目而论，以碳酸盐岩为储集层者虽然只占总数的37.9%，但就储量而言，则占57.9%。碳酸盐岩油气田的平均储量为2亿吨，而砂岩油气田的平均储量仅为0.9亿吨。碳酸盐岩储集层不仅具有如上所述的高储量，而且往往具有极高的产能。据统计，目前世界上共有9口日产量达万吨以上的高产井，其中8口属于碳酸盐储集层。显然，碳酸岩储集层中的石油具有很大的经济价值，激励我们去了解碳酸盐岩作为储油岩所应具有的性质。

我国的碳酸盐岩油气田的勘探与开发有着悠久历史，如四川在碳酸盐岩地层中采气已经有两千多年历史，至今仍为我国重要的碳酸盐岩气田分布区。此外，近年来在华北盆地老第三系和震旦亚阶至奥陶系中也证实了高产能碳酸盐岩储集层的存在，更进一步开拓了碳酸盐储集层在我国的广阔前景。随着国内外对碳酸盐岩研究的日益深入，当前已从根本上改变了认为碳酸盐岩是单纯化学沉积的观点，绝大部分的现代海洋碳酸盐都是生物成因的。与此同时，对碳酸盐岩含油性的研究和认识也获得了新飞跃。

碳酸盐岩孔隙空间特征

在碳酸盐岩储集层中常见的和对油气储集作用影响较大的空隙类型，目前已知有以下几种。

① 粒间孔隙：是指碎屑碳酸盐岩颗粒之间的孔隙，如内碎屑之间、生物碎屑之间、鲕粒直间的孔隙等。其特征与碎屑岩的的粒间空隙相似。碳酸盐岩的粒间孔隙一般是原生的，但也可以是次生的，如大颗粒之间的微晶基质的选择性溶解造成的粒间孔隙。

② 粒内孔隙：组成碳酸盐岩的各种颗粒内部的孔隙，如骨屑、团块、内碎屑、鲕粒等颗粒内部的空隙。这些孔隙有些是原生的，是在碎屑颗粒沉积以前形成的，也有次生的，是由于溶解作用和生物钻孔等作用形成的。

③ 晶间孔隙：组成碳酸盐岩的晶体之间的孔隙，如原地生成的化学成因的矿物晶体之间的孔隙，和岩石重结晶或白云石岩化作用中产生的孔隙，前者为原生的，后者为次生的。

④ 隐蔽空隙：由于较大的或特殊形状的颗粒（如壳体或其碎片）在沉积过程中所起的遮蔽作用，使其下面的孔隙不被其他较细的碎屑或基质所充填而形成的孔隙。这是许多生物碎屑灰岩中常见而又重要的一种空隙类

型。

⑤ 格架孔隙：在沉积格架中留有开口（为水所充填）的空间形成的，生物骨架状孔隙是原地生长的群体造礁生物（如珊瑚、海绵、苔藓、藻类等）骨架内的空隙，这是礁灰岩的重要孔隙类型。碳酸盐岩中有一种重要的储集层即为生物礁型储集层，生物礁内一般具有丰富的孔隙，其中包括生物体腔内的原生孔隙、生物碎屑颗粒之间的孔隙以及溶解和白云石化作用产生的孔隙等。正是由于生物礁本身具有优越的储集空间，再加以生物礁所具有的其它有利条件，例如礁前相外侧盆地相沉积中甚至生物礁本身的丰富有机质，为生物礁提供了丰富的油源，礁后相沉积为生物礁提供了沿上顺方向的遮挡层，以及生物礁所处的构造部位利于油气向其中汇集。因而，在生物礁中常形成引人注目的高产大油田。

⑥ 裂缝、层面及不整合：节理、裂缝及层面在碳酸盐岩孔隙发育方面的影响，曾有瓦尔德施密特（Waldschmidtetal.1956）详细研究过。地面水进入碳酸盐岩的主要通道是节理。由于碳酸盐岩的脆性，通常，其节理是比较发育的。最初的溶解作用几乎基本限制于垂直节理。层面在某些情况下可作为水的通道，而且伴随着垂直的或高倾角节理，形成一个地面水复杂的通道网。裂缝本身的大小差异很大。对于改造碳酸盐岩的储集性能来说，重要的是那些延伸不长的节理裂缝和肉眼难以分辨的微裂缝。这些裂缝中一些未被充填或仅半充填的，缝壁明显分开的，肉眼或镜下有可见空隙的裂缝是油气储存和流动的有效裂缝。在反映古侵蚀面的不整合附近，存在有溶解孔隙，显示出大气水及此生空隙之间有非常密切的关系。有些地区碳酸盐剖面虽然很厚，但适宜于石油聚集的环境却仅仅发生在靠近不整合面以下。

⑦ 溶蚀孔洞：是由于地面水或地下水的溶蚀作用而形成孔洞，它是碳酸盐岩储集层中常见的空隙类型之一。由于碳酸盐岩的易溶性，实际上前述各类孔隙通常多经溶蚀作用的后生改造，故常见到粒间溶孔、粒内溶孔、晶间溶孔及溶缝、溶道等提法。

由以上叙述可见，碳酸盐岩储集层的孔隙空间与碎屑岩相比，后者不论在储集空间的成因上，还是在其形态上，都相对比较单一，它通常是以原生粒间空隙为主，后生作用一般影响不大。而碳酸盐岩的储集空间要复杂的多，它不仅有众多的原生空隙类型，而且此生作用（如溶蚀、白云岩化、构造运动等）的影响很大。正是由于成因上的多样性，造成了碳酸盐岩储集空间形态的复杂性和分布的不均一行。砂岩储集层虽亦有不均一性，但其不均一性常常表现为比较连续的、渐变的，而碳酸盐岩储集空间分布的不均一性则表现为更大的突变性，这是由于影响其物性发育程度的因素很多，各种因素又有局限性所致。

影响碳酸盐岩空隙空间的主要因素

① 构造作用：在碳酸盐岩地层中，因构造作用而形成裂隙是一种常见的地质

现象。水平地层在压实应力作用下首先会产生“X”型节理；其次沿压力方向会产生一组张裂面；当地层发生背斜褶曲以后，又将会沿着层面滑动产生层间裂隙，在褶曲翼部产生轴面劈理和羽状裂隙；在背斜顶部产生与褶曲轴走向一致的张裂缝等。但是裂缝的发育并不是均衡的，它在地层剖面上具有一定的层位性，在构造平面上有一定的部位性。四川的石油地质工作者从长期寻找裂缝型高产油气田的实践中总结出一条经验，即在局部构造上钻井要“占高点，沿长轴，沿扭弯，沿断层”

② 溶蚀作用：溶蚀作用是在碳酸盐中普遍进行的一种作用，碳酸盐沉积物最大的特征就是具有易变性和易溶性。其实质是含CO₂的地下水对碳酸盐矿物的溶解。在接近地表处，地下水常含有丰富的CO₂，溶蚀能力较强。当碳酸盐沉积物或碳酸盐岩中孔隙水的性质发生改变时，便可引起碳酸盐矿物或其他成分发生溶解作用。溶解作用可以发生在碳酸盐岩的各个成岩阶段，这些溶蚀作用可以分为选择性溶解和非选择性溶解。当深埋地下的碳酸盐岩在地壳运动影响下出露地表时，一般在接近地表的部分，由于垂直裂隙发育，古以地表水的淋滤作用为主，对岩石的溶蚀作用较差，仅发生一些垂向溶蚀，而在其下的潜流带上部，水流缓慢，岩石在地下水的长期浸泡下，溶蚀孔洞发育，且多水平延伸。处于上两带之间潜水面季节变化带，随着季节变化，潜水面升降，地下水时而垂向淋滤，时而水平渗流，形成了溶孔、溶洞最为发育的岩溶带。

由于碳酸盐岩本身的易溶性和易裂性，溶洞性的储集层在碳酸盐岩储集层中很常见，很特点是：岩石本身的孔隙度和渗透率一般都很低，但裂缝和溶洞系统广为发育。在钻井中常常出现钻时加快、钻具防空、井漏、井喷等现象；岩心测定之物性与油气井实际产能不相适应；以及在两相距很近的井产能相差悬殊，而相距很远的井，又可发生连通、干扰等反常现象。

通过对地层条件下碳酸盐岩中不同矿物的溶解模拟实验研究表明：当温度和压力按地层增温和增压的条件同时增加时，白云岩溶解速率的增加速度大于方解石。碳酸盐岩中白云岩含量越高，其溶解速率越快。其地质意义在于，在近地表的浅埋藏成岩作用中，因构造抬升或海平面下降造成的不整合面之下的石灰岩中由溶解作用形成的次生孔隙应比白云岩更为发育，石灰岩的孔渗性相对较好；但在相对高温高压的深埋藏地层中，白云岩中的溶解作用形成的次生孔隙应比石灰岩更为发育，白云岩的孔渗性应比石灰岩更好。同时，白云岩中在近地表条件下形成的孔隙在深埋条件下也更容易保存。这是在深埋藏地层中，白云岩油气储层大大多于石灰岩的原因CO₂的分压对白云岩和石灰岩的溶解性有重要影响。在CO₂分压低时，白云岩的初始溶解速率比石灰岩低，且CO₂分压越低，两者的差异越大。

③ 白云岩化作用和重结晶作用：石灰岩部分地或全部地被白云石交代的作用，白云石化作用可以使碳酸盐岩产生众多裂隙和孔洞。据分析认为，在白云石化作用中，当白云石含量大于50%时，空隙度增加很快；当白云石含量达80-90%时，孔隙度可增大至30%；但当白云石含量大于90%

时，孔隙度反而降低。在碳酸盐岩地层中还可见到一种物理变化现象，这就是重结晶作用，单纯的重结晶作用是指在成岩过程中，矿物的晶体形状和大小发生变化而化学成分不改变的作用。由于温度、压力升高，碳酸盐岩中的组成矿物重新组合排列，由不结晶的或者小晶体的，重新组合成晶体的或大晶体结构，产生晶间孔隙。因而使致密的碳酸盐岩变得疏松多孔，其物性变化随结晶程度增加而增加。白云石化也可以导致粒间空隙，这是因为方解石转化为白云石的分子交代作用，将使矿物体积缩小12～13%，一般来说，白云石化作用可以使岩石的孔隙度增大。

④ 压实作用：早期发育的胶结作用或白云石化作用，极大地妨碍了碳酸盐沉积物压实作用的进行，但在某些颗粒碳酸盐岩中，压实作用仍是重要的成岩作用。颗粒碳酸盐岩中常见的压实现象有：颗粒点接触频率高；颗粒定向和变形；颗粒间线状接触或曲面接触；颗粒压平；颗粒断裂或破裂；颗粒错断或分离；颗粒表皮撕裂；颗粒表皮揉皱；颗粒内部构造变形；颗粒在应力作用下发生粉碎性碎裂；有机质破碎变形为不规则细脉。

碳酸盐石油的运移

油气运移是油气藏形成的重要条件，油气在各种动力作用下，沿着断层、不整合面或类似复合疏导体由高势区向低势区运移，在运移路径上遇到合适的圈闭则聚集成藏，因此油气的运移特征和运移模式控制了油气藏形成和分布规律。

在研究油气运移的时候，人们常根据油气运移的方式、动力不同和运移发生的先后将整个油气运移过程划分为初次运移和二次运移两个阶段。初次运移是指油气自生油层向储集层的运移，二次运移指的是油气进入储集岩后的运移。

生油层的原始有机质是处于分散状态的，它们呈微粒状分布在岩石颗粒之间，或呈薄膜状吸附在颗粒表面。因而我们完全有理由认为，刚刚生成的油和气，也是极端分散的，而且多包含在原始母质之中，或被吸附于表面。

近年来大量研究和油气勘探实例表明,构造应力是控制油气运移和聚集分布的重要动力。例如由于塔河地区一直处于构造高点部位,因而易于造成应力集中并产生裂缝,而多期的构造运动及由此所产生的多方向构造主应力变化,是导致塔河地区不同方向裂缝均有发育的根本地质原因。在构造应力场作用下,构造高部位以发育拱张断裂为主,基本特点是小而碎、陡而短、密集而方向性差;在构造翼部地区,挤压及剪切作用产生了相对较大且方向性相对较强的断裂。两类断裂均具有陡倾特点,有利于地层流体的垂向交换与循环。

从野外油气显示分布的特征来看，除古油藏破坏出露地表发现液态油苗外，往往含油的级别都相对较低。在野外地面露头勘探时，所观察和采集

的样品经历了漫长地质年代的风化剥蚀。现今观察的岩石在地质时期发生的油气运移和储集过程，所含油气经过长期的风化降解，由于风化氧化已绝大部分损失，仅残留极少部分。因此含油气证据远不如井下油气显示现象那样易于辨认和明显。由于野外受施工的限制，野外所观察的岩石含油显示的识别一般仅凭颜色、气味和特殊特征产状，总的来讲比较粗略，有待于实验分析的最终确认。除此之外井下岩屑样品和含油气级别较低的含油气显示也必须经实验室分析测试研究才能最后确认。所以对石油运移的研究应注重室内研究。实验室确定岩石样品是否含油气，主要是用现代化的分析测试手段，检测岩石中烃类的含量与组成。众所周知，石油和天然气均是不同碳数烃类的混合物。我们常称的干气、湿气、凝析油、轻质油、重质油，其实就是不同碳数烃类的比例不同。含碳数小的烃多则油轻，含碳数大的多则油重。碳数不同的烃类从液态热蒸发为气态所需温度不同。通常碳数越少热蒸发温度越低，而碳数越大则热蒸发温度越高。基于油气组分在不同温度下恒温热蒸发分离的原理，将岩样在不同温度下恒温蒸发，可以确定不同的含油气组分与含量。总的含油气量大小就是确定岩石含油级别的依据。通过含油气组分的差别，可以确定所含油气的性质。