碳酸盐岩层系地球物理勘探技术

**章概述 碳酸盐岩是一种广泛分布的生物-化学岩，具有三大特殊性：一是绝大多数碳酸盐岩沉积于相对温暖和清洁的浅水环境中；二是碳酸盐岩成岩环境复杂，成岩过程复杂多变；三是碳酸盐岩易溶、易裂、易碎。纵观世界范围内各个地质历史时期碳酸盐岩的发育状况，可发现自中、新元古代以来，特别是自寒武纪以来，碳酸盐岩发育有减少的趋势，且稳定区比活动区碳酸盐岩发育(马永生和田海芹，1999)。 碳酸盐岩储集层是一类重要的油气储集层，碳酸盐岩层系的油气勘探是个长期的过程，国外碳酸盐岩油气勘探史已超过100年，但是近年来仍时有重大发现。目前，从碳酸盐岩储集层中发现的油气储量已接近世界油气总储量的一半，油气产量则已达到世界油气总产量的60%以上。在以上油气储量的探明和发现过程中，地球物理勘探方法和技术发挥着非常重要的作用。 地球物理勘探是根据物理现象对地质体或地质构造做出解释推断的结果，是一种间接的勘探方法，它是根据测量数据或所观测的地球物理场来求解场源体的问题，具有多解性。常用的地球物理勘探方法主要包括重力勘探、磁法勘探、电法勘探和地震勘探四种方法，其利用的岩石物理性质分别是密度、磁导率、电导率和弹性。不同的矿物质具有不同的物理特性，不同物理特性在各地球物理勘探方法成果剖面上的反映不同，研究碳酸盐岩地层的地球物理特性可以推动碳酸盐岩地球物理勘探技术的发展。 **节碳酸盐岩层系概况 碳酸盐岩是形成于不同沉积环境中的碳酸盐沉积物在后期的成岩环境中经历复杂成岩作用的综合产物，储层埋深从数十米(到储层或圈闭顶计算)至6000多米，主要集中于1000～4000m，大约72%的油气田的储层埋深小于3000m，1000m以内的约占10%，仅有11%的油气田储层埋深超过4000m(张宁宁等，2014)。 一、地表碳酸盐岩分布 岩溶指未饱和的、含CO2的溶液溶解了碳酸盐岩而形成的溶孔、溶洞和洞穴。这一古地貌区可认为是在近地表环境中形成，为表生成岩作用。油气勘探成果表明，世界大型油气盆地均发育有碳酸盐岩古风化壳含油气储层(体)。据统计，其中有20%～30%与区域不整合面有关，暴露的碳酸盐岩形成古岩溶储层为油气藏提供了有效的储集场所(许效松和杜佰伟，2005)。 喀斯特即岩溶，是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称。中国喀斯特地貌分布广泛，类型之多，为世界所罕见，主要集中在云贵高原和四川西南部。在中国，作为喀斯特地貌发育的物质基础——碳酸盐岩分布很广。据不完全统计，其总面积达200万km2，其中裸露的碳酸盐类岩石约130万km2，约占全国总面积的1/7。碳酸盐岩在全国各省份均有分布，但以桂、黔和滇东部地区分布*广。湘西、鄂西、川东、鲁、晋等地，碳酸盐岩分布的面积也比较广。 二、中深层碳酸盐岩分布 关于深层的定义，国际上没有严格的标准，不同国家、不同机构对深层的定义并不相同。目前国际上大致将埋深大于4500m的油气藏定义为深层油气藏。2020年自然资源部发布的《石油天然气储量估算规范》将埋深3500～4500m定义为深层，大于4500m定义为超深层。基于东、西部地区地温场的变化以及勘探实践，我国东部地区一般将埋深介于3500～4500m定义为深层，将大于4500m定义为超深层；西部地区将埋深介于4500～5500m定义为深层，将大于5500m定义为超深层(赵文智等，2014)。 中国海相碳酸盐岩层系多位于叠合沉积盆地的中深层，具有年代老、埋深大、成岩历史漫长而复杂及储集层类型齐全的特点。埋深较大的储层主要为白云岩和超压石灰岩，对于油藏而言，白云岩和石灰岩储层的埋深分布基本一致；对于气藏而言，埋深较大的储层基本上为白云岩，这也说明白云岩相对于石灰岩更易维持高孔隙度(图1.1)。 深层碳酸盐岩是我国陆上油气勘探发展的重要接替领域，加强对深层碳酸盐岩的油气地质研究与探索，对于实现我国油气工业持续、稳定、健康发展具有十分重要的现实意义。 图1.1碳酸盐岩油气田不同岩石类型的储层埋深(张宁宁等，2014) 三、碳酸盐岩油气田 从全世界主要油气田的统计资料看，碳酸盐岩储集层油气藏约占60%。基于碳酸盐岩特殊的成岩环境及其特有的物理化学性质，碳酸盐岩的储集孔隙空间与碎屑岩有很大的不同。碳酸盐岩储集层的物性主要受孔隙、洞穴及裂缝控制。孔隙和洞穴是储存油气的良好空间，而裂隙的发育又可以将孔隙、洞穴互相沟通起来，成为统一的孔隙-洞穴-裂缝系统，既可以储存丰富的油气，又可以造成便于油气流动的高渗透带。因此碳酸盐岩储集层形成的油气田常常储量大、产量高，容易形成大型油气田(马永生和田海芹，1999)。 国外海相碳酸盐岩大油气田分布有两大显著特点：①地层时代新，主要分布于侏罗纪、白垩纪与古近纪；②盆地类型以被动大陆边缘盆地、陆陆碰撞边缘盆地、大陆裂谷盆地为主，尤以被动大陆边缘盆地的大油气田数量与探明储量*多，其次为陆陆碰撞边缘盆地与大陆裂谷盆地。与国外中、新生代海相碳酸盐岩大油气田相比，中国古老碳酸盐岩大油气田*显著的特点是储量丰度低、分布面积大。我国海相碳酸盐岩油气田的储量规模要小很多，且油气藏类型也复杂很多，导致这种现象的主要原因是我国古老海相碳酸盐岩油气地质条件远比国外复杂得多。一方面我国陆上海相碳酸盐岩层系经历了复杂的构造运动，造成生、储、盖等成藏地质条件和原始沉积相比有很大变化，尤为明显的是*优生、储、盖条件的大陆边缘沉积卷入变形或者遭受破坏，残留保存较为完整的地层多属于板块内部克拉通盆地沉积，现今又多位于叠合盆地深层。另一方面，从生烃与成藏过程看，海相层系普遍经历了多起生烃与多起成藏(汪泽成等，2013)。江怀友等(2008)从碳酸盐岩资源现状、碳酸盐岩油气资源勘探技术与方法、碳酸盐岩油气主要开发技术等3个方面对世界海相碳酸盐岩油气勘探开发的现状进行研究。张宁宁等(2014)从碳酸盐岩大油气田分布特征、碳酸盐岩储层岩石特征及类型、碳酸盐岩储层埋深及圈闭类型、碳酸盐岩大油气田成藏的主要控制因素等方面对全球碳酸盐岩大油气田进行了深入研究。 (一)地 理 分 布 碳酸盐岩储层在前寒武纪至中新世均有发育，但时空分布呈现明显的不均匀性。碳酸盐岩储层主要分布于北半球，如中东波斯湾盆地、墨西哥湾盆地、锡尔特盆地、西西伯利亚盆地、滨里海盆地、美国阿拉斯加北坡、二叠盆地和中国四川盆地及渤海湾盆地等；碳酸盐岩和碎屑岩复合型储层主要分布于东西伯利亚盆地、塔里木盆地、乌拉尔前陆盆地带、威利斯顿盆地、阿尔伯塔盆地以及西非等地区(张宁宁等，2014)。 (二)层 系 分 布 据不完全统计(张宁宁等，2014)，截至2012年底，世界上共发现了1021个大型油气田，其中碳酸盐岩大油气田321个。碳酸盐岩储层中油气的分布，可以有效反映碳酸盐岩储层的分布。统计全球主要碳酸盐岩大油气田个数可发现，发育白垩系碳酸盐岩储层的油气田个数*多，其数量占碳酸盐岩大油气田的29%，如图1.2所示(张宁宁等，2014)。碳酸盐岩储层按岩性可分为白云岩及石灰岩两大类。大型碳酸盐岩油气田中，寒武纪—奥陶纪及三叠纪碳酸盐岩储层均为白云岩储层，白垩纪、古近纪—新近纪碳酸盐岩储层主要为石灰岩，如图1.3所示(江怀友等，2008)。 图1.2全球碳酸盐岩油气田层系分布(油气田数目226个)(张宁宁等，2014) 图1.3全球碳酸盐岩油气田层系与岩性(江怀友等，2008) 第二节碳酸盐岩层系地球物理勘探概况 海相碳酸盐岩油气资源是十分重要的勘探领域。当前国际能源供需矛盾突出，能源安全日益成为各国关注的焦点，碳酸盐岩勘探开发聚焦了世界的目光，主要大国出于经济和政治利益的考虑，均加大了对碳酸盐岩油气勘探开发的投入。随着油气地质理论的发展和勘探技术水平的不断提高，世界碳酸盐岩勘探开发方兴未艾。碳酸盐岩油气勘探方法有地质法、地球物理法、地球化学勘探法和钻井法，其中地球物理法是油气勘探中*常用的一种手段和方法，在油气探明过程链中发挥着非常重要的作用。 碳酸盐岩层系的油气勘探是个长期的过程，国外碳酸盐岩大油气田的发现史已超过100年，但是近年来仍时有重大发现。中国海相碳酸盐岩油气勘探已有半个世纪，虽然发现了一些大油气田，但其探明储量仍然很低，探明率远低于陆相盆地。这一方面与勘探投入低有关，但更主要的原因在于海相碳酸盐岩油气地质条件的复杂性。与陆相盆地和国外海相碳酸盐岩盆地相比，中国海相碳酸盐岩具有自己独*的油气地质条件，金之钧(2005)对中国与国外海相碳酸盐岩盆地油气地质条件进行了对比(表1.1)。表1.1中国与国外海相碳酸盐岩盆地油气地质条件对比(金之钧，2005)区域时代分布盆地类型烃源岩储层时代岩性物性保存条件中国主要为古生代多旋回的叠合盆地有机碳高—低前新生代、古生代为主多样，非均质性强好—差保存破坏分区性强国外主要为中、新生代原型盆地有机碳高，平均值为3.29%中、新生代为主灰岩，白云岩好保存条件好〖KH-*2〗一、全球碳酸盐岩层系地球物理勘探概况 全球大油气田的形成和分布规律一直是石油地质学家和油气勘探家探索的热点。碳酸盐岩大油气田是指以碳酸盐岩为储层且油气可采储量大于6849×104t油当量的油气田(Michel，2003)。从全球来看，碳酸盐岩储层以其展布广、厚度均一稳定、物性好而成为重要的产油储层，全球碳酸盐岩储层油气储量约占油气总储量的40%，产量约占油气总产量的60%(Roehl and Coquette，1985a，1985b)。从区域分布上看，中东地区石油产量约占全球产量的2/3，其中80%的含油层属于碳酸盐岩(Alsharhan and Nain，1997)；北美的碳酸盐岩储层中的石油产量约占北美整个石油产量的1/2(Wilson，1980a，1980b)。 据Halbouty的资料统计，世界313个大型碳酸盐岩油气田探明可采油气总量1434.5×108t，其中石油约占52%，为750.1×108t，天然气占48%，为684.4×108t油当量。张宁宁等(2014)对全球碳酸盐岩大油气田分布特征及其控制因素进行了细致研究，将碳酸盐岩大油气田类型分为生物礁类、颗粒滩类、白云岩类以及不整合与风化壳类等4种类型，世界上几个典型碳酸盐岩大油气田类型示意图见图1.4。 图1.4碳酸盐岩大油气田类型示意图(张宁宁等，2014) 碳酸盐岩的岩性变化大、储集空间类型多、次生变化明显、非均质性强，成岩作用的复杂性使碳酸盐岩储层的非均质性增强，其孔隙度和渗透率的分布难以预测。裂缝的分布规律复杂，所以碳酸盐岩缝洞研究一直是国际性攻关难题。 二、中国碳酸盐岩层系地球物理勘探概况 中国沉积盆地的油气勘探有两大层系：陆相沉积环境中形成的碎屑岩层系和海相沉积环境中形成的以碳酸盐岩层系为主的海相地层。中国海相碳酸盐岩的油气勘探始于1958年的四川盆地川中石油会战。20世纪90年代初，中国海相碳酸盐岩油气勘探日益成为各大石油公司和学者关注的热点。这一方面是因为中国海相碳酸盐岩沉积区分布面积大，油气资源丰富，但勘探程度低，是现实的油气资源接替领域；另一方面是因为中国海相碳酸盐岩表现出的许多具有中国特色的油气地质特征吸引了众多学者从事该领域的研究(金之钧，2005)。 与国外相比，中国碳酸盐岩的勘探历程有所不同，1977～2000年间中国碳酸盐岩油气田的探明储量以岩溶风化壳为主，主要勘探以岩溶风化壳和台缘带礁滩体并重，如图1.5所示(罗平等，2008)。 图1.5中国海相碳酸盐岩油气勘探历程(罗平等，2008) 中国南方碳酸盐岩分布广泛，具有巨大的油气资源潜力和前景。