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        碳、氧同位素測定及在碳酸鹽巖儲層分析中的應(yīng)用探討

        2017-08-22 05:17:12喬羽大慶油田勘探開發(fā)研究院有機地球化學研究室黑龍江大慶163000
        化工管理 2017年21期
        關(guān)鍵詞:中碳海相沉積環(huán)境

        喬羽(大慶油田勘探開發(fā)研究院有機地球化學研究室,黑龍江大慶163000)

        碳、氧同位素測定及在碳酸鹽巖儲層分析中的應(yīng)用探討

        喬羽(大慶油田勘探開發(fā)研究院有機地球化學研究室,黑龍江大慶163000)

        碳酸鹽巖中的碳、氧同位素組成能夠揭示豐富的儲層地質(zhì)信息。文中介紹了碳酸鹽巖中碳、氧同位素的組成特征及測定方法,對碳、氧同位素在古溫度測定、碳酸鹽巖沉積環(huán)境及成巖環(huán)境分析方面的應(yīng)用進行了探討。

        碳酸鹽巖;碳、氧同位素;特征;測定;應(yīng)用

        近幾年來,大慶油田在塔里木東部地區(qū)開辟了油氣勘探的新戰(zhàn)場,塔東區(qū)塊地質(zhì)特征和油氣儲層條件與大慶區(qū)塊差別較大,有利的油氣儲層主要分布在寒武系碳酸鹽巖地層中,加強對碳酸鹽巖儲層地質(zhì)分析具有重要意義。碳酸鹽巖中碳、氧同位素的組成在古溫度測定、沉積環(huán)境及成巖環(huán)境分析方面具有一定的優(yōu)勢,熟練掌握相關(guān)技術(shù)具有一定現(xiàn)實意義。

        1 碳酸鹽巖中碳、氧同位素特征

        碳酸鹽巖中的碳基本上是以無機碳(氧化碳)和有機碳(還原碳)的形式儲藏的,二者的δ13C平均值大約相差25‰左右。有機碳顯示出低的δ13C(-24‰PDB),遠低于氧化形式的CO2(-7‰)和海洋碳酸鹽巖的碳(0‰~4‰)。δ13C值的大小通常涉及到甲烷的產(chǎn)生,它們既可以在近地表通過生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生,也可以在大于100℃溫度的地下通過有機質(zhì)的熱化學還原作用(TSR)來產(chǎn)生[1]。從發(fā)酵作用中產(chǎn)生的甲烷會生產(chǎn)很低的δ13C值,但是殘余有機質(zhì)顯示出高的δ13C值,當甲烷的氧化作用及隨后的膠結(jié)作用將造成含有很低δ13C值的膠結(jié)物。來自熱化學作用的甲烷不能直接導致會有很低的δ13C值的地下膠結(jié)物的沉淀。土壤風化作用與海洋石灰?guī)r的溶解作用,及其后的滲流帶和淺的潛流帶方解石膠結(jié)物的沉淀通常將造成含有中等低的δ13C成分的膠結(jié)物和石灰?guī)r。δ13C如果來源于正常海相碳酸鹽巖的溶解,那么其產(chǎn)物形成的方解石膠結(jié)物就會具有與原始海相碳酸鹽巖相似的δ13C;來自風化殼上有機質(zhì)氧化來源的13C加入時,就會引起δ13C值的偏負,δ13C偏負的程度決定于水巖反應(yīng)的強度,水巖反應(yīng)強度越大,那么來自圍巖的13C比重也就越多,導致方解石膠結(jié)物的δ13C偏負程度變小。與之相反,水巖反應(yīng)強度小時,δ13C偏負程度大。

        氧同位素δ18O的組成影響因素較多,受介質(zhì)溫度和濃度的影響較大。地下流體有一個δ18O從-20‰到+12‰(SMOW)值的變化范圍,淺海水膠結(jié)物有一個相對高的氧同位素值,大氣水方解石膠結(jié)物傾向于反映出一種相對低的氧同位素比值。當有不斷增高的溫度時,會降低方解石的δ18O值。地下方解石的沉淀,即使是在含有相對重的氧同位素成分的空隙流體中沉淀,也會出現(xiàn)相對低的δ18,它們通常為大氣水所覆蓋。大氣水嚴重貧δ18O,受其影響的碳酸鹽巖和方解石膠結(jié)物的δ18O值也會嚴重偏負。碳酸鹽巖沉積環(huán)境對氧同位素也起到一定的控制作用,沉積環(huán)境中水介質(zhì)蒸發(fā)作用加強,鹽度的增高,均會使碳酸鹽巖δ13O值明顯變大;陸源淡水和大氣降水的注入會引起水介質(zhì)鹽度的降低,從而使δ13O值變小。

        2 碳酸鹽巖中碳、氧同位素測定

        測定碳酸鹽巖中的碳、氧同位素,野外盡量采集新鮮的碳酸鹽巖樣品,避免因風化作用影響同位素元素的組成。孔隙充填方解石及溶洞方解石用牙鉆挑選,避開雜質(zhì)礦物和圍巖混入,對于受到瀝青影響的碳酸鹽巖樣品,應(yīng)將瀝青清洗干凈,樣品需要粉碎,過200目篩。

        碳、氧同位素一般采用磷酸法測定,樣品用量10~15 mg,使用電子天平稱量,精確到0.0001g,將樣品在110℃條件下烘干,與100%磷酸在25℃水浴中平衡反應(yīng),收集CO2氣體,在MAT-251質(zhì)譜計上測定CO2氣體中碳、氧同位素值,分析精度<0.1×10-3,δ(13C),δ(18O)數(shù)據(jù)均為相對于PDB標準值。

        3 碳、氧同位素在碳酸鹽巖儲層地質(zhì)學中的應(yīng)用

        3.1 古溫度測定

        研究表明,當不同礦物之間或礦物與水之間同位素交換達到平衡時,同位素的分餾與環(huán)境溫度有關(guān),環(huán)境溫度越高,同位素分餾越小,環(huán)境溫度越低,分餾越大。根據(jù)同位素分餾與溫度的關(guān)系,可以使用巖石中兩種礦物的同位素組成差異來測定巖石形成的溫度。在碳酸鹽巖中,常使用兩種共生礦物中氧同位組成的差異作為地質(zhì)溫度計算依據(jù),這種平衡溫度的計算方法被認為是有效的。具體計算公式如下:

        式中,同位素分餾系數(shù)a的自然對數(shù)與礦物形成的溫度的平方成反比,x、y代表兩種共生礦物(碳酸鹽巖中如方解石、白云石),A、B為常數(shù),隨共生礦物組成不同而改變,當共生礦物的δ18O差值小于10‰時,上式可以近似地表示為:

        上式中,A、B值可以從有關(guān)的表中可以查到,在具體的計算時,只需要測定碳酸鹽巖中兩種共生礦物的同一種同位素組成(如δ18O),就可以使用上式求出礦物形成的古溫度。

        3.2 沉積環(huán)境分析

        碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成與形成碳酸鹽巖的沉積介質(zhì)的同位素組成密切相關(guān),因此,可以通過分析碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成來分析碳酸鹽巖沉積環(huán)境。如海相碳酸鹽巖與陸相碳酸鹽巖的碳、氧同位素組成差異比較明顯,可以通過測定碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成,使用以下海相和淡水相碳酸鹽巖劃分的經(jīng)驗公式來進行區(qū)分:

        上述經(jīng)驗公式中,a取值0.048,b取值0.489,δ13C、δ18O值均為PDB標準,通常認為:Z 120的碳酸鹽巖沉積環(huán)境為海相,Z<120的碳酸鹽巖沉積環(huán)境為淡水相。

        3.3 同位素與碳酸鹽巖成巖環(huán)境

        碳酸鹽巖中碳、氧同位素組成能夠反映成巖環(huán)境。海相碳酸鹽巖的碳同位素組成反映海水特征,δ13C同位素組成在0‰至4‰之間。碳酸鹽巖有來自風化殼有機質(zhì)氧化來源的13C加入時,就會引起δ13C值的偏負,如大氣水潛流帶和大氣水滲流帶膠結(jié)形成的碳酸鹽巖碳、氧同位素反映大氣淡水特征,較海水碳、氧同位素組成偏負。在深埋藏環(huán)境,有機質(zhì)在高溫(大于120℃)條件下與硫酸鹽反應(yīng)(TSR熱化學還原反應(yīng))產(chǎn)生CO2、H2S和方解石等產(chǎn)物,形成的方解石中碳同位素嚴重偏負,接近有機質(zhì)的碳同位素(-24‰)??傊?,不同成巖環(huán)境形成的碳酸鹽巖碳、氧同位素存在差異,反而言之,這種同位素組成的差異,可以作為識別成巖環(huán)境的標志。

        [1]強子同等著,碳酸鹽巖儲層地質(zhì)學[M],山東東營:石油大學出版社,1998.

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