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碳酸盐岩溶解动力学是以实验手段和数值模拟为基础,通过碳酸盐岩典型岩石、矿物在不同物化条件下与反应流体介质的“水-岩相互作用”动力学过程的研究,模拟碳酸盐岩在地质历史时期遭受的各类溶解作用,以探索溶解作用发生的动力学机制和影响因素。
南堡凹陷是渤海湾盆地黄骅坳陷内次一级的断陷盆地,属于华北地台的一部分,区内沉积大量海相碳酸盐岩,尤以下古生届寒武—奥陶系海相碳酸盐岩地层最为发育,具有极大的油气前景。然而由于各类地质作用的影响,特别是表生岩溶作用和深埋溶解作用,使得南堡凹陷碳酸盐岩地层储集空间复杂多变,非均值性强烈。
因此,本文选取南堡凹陷海相碳酸盐岩储层中的典型样品,俯君山组厚层白云岩、张夏组鲕粒灰岩、风山组结晶白云岩、冶里组竹叶状灰岩、马家沟组泥粒灰岩和生屑灰岩等,分别通过热力学分析、溶解动力学实验模拟,比较各岩性样品在不同实验小件下的溶蚀差异,以寻找良好的储集空间和主控因素。
本文通过方解石和白云石水岩反应的热力学分析可知:1、埋藏条件下,白云石比方解石更容易发生溶蚀;2、从浅埋藏到埋深4500m范围内,随着埋藏的加深,白云石和方解石更容易发生溶蚀,至深度为4800m时,白云石和方解石最容易发生溶解;但是之后随着深度的进一步加深和沉淀作用的加剧,溶解效应逐渐降低;3、温度和压力对溶解作用的影响各异:当温度小于130℃时,温度对溶解具有促进作用,但是当温度大于145℃之后,溶解随着温度的升高其强度变弱;由于气相的存在,压力对碳酸盐岩的溶解具有负效应,但是当压力大于15~20MPa时,压力基本上不影响碳酸盐岩的溶解。
同时,碳酸盐岩的常温常压和高温高压下的溶解动力学模拟实验结果表明:白云岩系列中,细晶白云岩溶蚀效果要好于泥晶白云岩,粗晶白云岩溶蚀效果相对较差;灰岩系列中,鲕粒灰岩的溶蚀效果要好于泥粒灰岩,砂屑灰岩又最不易溶蚀。对于不同地层而言,南堡凹陷下古生界碳酸盐岩地层中,最容易发生溶蚀的为冶理组竹叶状灰岩、马家沟组生屑灰岩和张夏组鲕粒灰岩;其次为风山组白云岩;俯君山组白云岩相对最不易溶蚀。造成这种溶蚀差异的因素主要有岩石的化学组分、结构、温度、流速等。其中,岩石化学组分的影响主要表现为不同CaCO3、MgCO3含量的岩石,溶解效果区别明显。一般而言,白云岩化灰岩往往比纯灰岩或者白云岩更容易溶解,特别是Mg含量越高,越易发生溶解。如高温高压溶解试验中,白云岩化程度高低直接反应了样品的溶蚀快慢。几个溶解较快的灰岩样品,生屑灰岩、竹叶状灰岩、鲕粒灰岩,均为白云质灰岩。而温度的影响主要是温度的升高对灰岩和白云岩溶蚀均有促进作用,即溶解速率随着温度的升高而增大,但并不是一直增大。从马家沟组JDM16泥粒灰岩和N6井2109m层位生屑灰岩的高温高压溶解动力学实验结果来看,反应之初,随着温度的升高,灰岩溶解速率增大,当温度升至175℃时,溶解速率达到最大。而从纯方解石的物理化学模拟结果来看,这个溶解速率最大值出现在140℃左右。对于纯方解石和天然灰岩样品,出现两个不同的最高值温度点,原因不是很明确,推测可能是由于不同的化学组分和结构引起的,有待进一步研究证实。
从溶解动力学实验结果推测,南堡凹陷及其邻区油气储层发育的有利部位分别为上寒武统-中下奥陶统碳酸盐岩缓坡体系中内缓坡的局限海相带、中缓坡高能潮下带以及中寒武统双镶边体系中的滩后潮汐滩和潮缘鲕粒滩。