Thermodynamics and kinetics model of fluid-rock interaction in carbonate-evaporite paragenesis and its application in Cambrian reservoir in Tabei area， Tarim Basin

Qiuhong CHANG; Guangyou ZHU; Zhuang RUAN; Yinghui CAO; Zhenhuan SHEN; Yaqian GUI; Guoping CHEN; Bingsong YU

doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.012

2021 , Vol. 32 >Issue 10: 1474 - 1488

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.012

Thermodynamics and kinetics model of fluid-rock interaction in carbonate-evaporite paragenesis and its application in Cambrian reservoir in Tabei area， Tarim Basin

Qiuhong CHANG ^,¹ ,
Guangyou ZHU ² ,
Zhuang RUAN ¹ ,
Yinghui CAO ² ,
Zhenhuan SHEN ¹ ,
Yaqian GUI ¹ ,
Guoping CHEN ¹ ,
Bingsong YU ^,¹

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^1. China University of Geosciences （Beijing），Beijing 100083，China
^2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Beijing 100083，China

Received date: 2021-03-18

Revised date: 2021-04-20

Online published: 2021-10-21

Supported by

The China National Petroleum Corporation Science & Technology Major Project(2019B-04)

the National Natural Science Foundation of China(2652014036)

Fold

Highlights

The dissolution and precipitation of carbonate and gypsum have a great impact on burial karst and pore preservation during burial process. In order to carry out the fine evaluation of carbonate-evaporite composite reservoir， we take the Cambrian reservoir in Tabei Uplift of Tarim Basin as the object， and establish the thermodynamics and kinetics models of fluid-mineral interaction according to the formation water ion content from 14 wells in Yingmai and Yaha areas and Well Luntan 1， combined with petrologic characteristics such as thin section observation and porosity. Results showed that the dissolution and precipitation reaction rate of carbonate minerals and gypsum and its ΔG relationship is a good index， dissolution rate increases with the decrease of ΔG and precipitation rate increases with the increase of ΔG. Calculation results show that Tabei Uplift Cambrian buried environment in general is beneficial to the dissolution of carbonate mineral gypsum combination and karstification is stronger in the northwest than that in the southeast， which is in good agreement with the test results of reservoir physical properties. This study provides a new method for quantitative prediction and evaluation of the favorable reservoir area of the deep burial carbonate-evaporite paragenetic association reservoir.

Cite this article

Qiuhong CHANG , Guangyou ZHU , Zhuang RUAN , Yinghui CAO , Zhenhuan SHEN , Yaqian GUI , Guoping CHEN , Bingsong YU . Thermodynamics and kinetics model of fluid-rock interaction in carbonate-evaporite paragenesis and its application in Cambrian reservoir in Tabei area， Tarim Basin[J]. Natural Gas Geoscience, 2021 , 32(10) : 1474 -1488 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.04.012

0 引言

碳酸盐岩油气藏的形成通常与膏盐岩有紧密关系。目前，这种碳酸盐岩—膏盐岩的组合储集体逐渐成为碳酸盐岩含油气盆地内能源勘探的重点研究领域^［1-2］。塔里木盆地在早中寒武世广泛沉积并发育了这样的碳酸盐岩—膏盐岩的岩石组合^［3］。众所周知，碳酸盐岩及膏盐岩均为易溶的岩石类型，它们不仅容易在地表环境下遭受表生岩溶作用形成储集空间，也容易在埋藏阶段与成岩流体发生水—岩反应，进而改善或者破坏原生储层^［4-5］。因此，埋藏过程中碳酸盐岩—膏盐岩组合的溶解—沉淀过程是决定深埋条件下表生岩溶作用能否保持和埋藏岩溶能否发生的关键因素，也是理解现今深埋藏碳酸盐岩储层特征的切入点^［6］。碳酸盐岩—膏盐岩组合的溶解—沉淀过程一方面取决于其水—岩反应的热力学机制，即溶解反应是否能够发生；另一方面取决于矿物溶解—沉淀反应的动力学过程，即矿物溶解速率如何^［7-8］。同时，在建立地质条件下的水—岩反应热力学和动力学模型时，溶液性质起着至关重要的作用。地层水完全不同于理想溶液。因此，根据地层水离子含量，进行矿物溶解与沉淀趋势分析或速率常数计算是一种近似的估算。

在过去的20年间，碳酸盐岩—膏盐岩组合体虽然逐渐受到大家的重视，但对此类储层的研究主要集中在岩石学特征、成因机制、风化壳岩溶等沉积学方面^{［3，9-13］}。近年来，部分学者开始从成岩的角度探讨膏盐岩对碳酸盐岩储层形成的影响，如马奎等^［2］通过论述膏盐岩对碳酸盐岩层系油气不同成藏要素的控制作用，认为膏盐岩的存在能够有效改善白云岩的储集物性；朱童等^［14］通过岩心观察、薄片鉴定、成岩孔隙演化与埋藏史关系等手段研究膏盐岩成因及对储层的影响；彭军等^［15］对塔里木盆地寒武系碳酸盐岩溶蚀作用机理进行了定量模拟实验，实验表明碳酸盐岩中的石膏、硬石膏在准同生期易溶蚀形成膏模孔。综上所述，前人对碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层的研究大多从岩石学特征、孔隙等角度出发来分析成因，而缺少从最基本的水—岩反应过程的热力学、动力学机制的角度来探讨这种组合体储层在埋藏条件下的演变过程的研究。

针对以上问题，本文在前人研究的基础上，以塔北隆起区寒武系储层为研究对象，根据地层水离子含量，建立水—矿物相互作用的热力学和动力学模型，深入开展碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层的精细评价，利用化学热力学平衡理论，定量判断储层中碳酸盐矿物及石膏的溶解—沉淀趋势，结合动力学计算，确定溶解—沉淀反应进行程度，从而判别埋藏条件下碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层岩溶发育与保存趋势，这为碳酸盐岩—膏盐岩组合储层岩溶趋势的定量预测及评价提供了方法。

1 地质背景

塔北隆起区位于塔里木盆地北部，东西长480 km，南北宽70~110 km，面积约为3.66×10⁴ km²，该隆起北邻库车坳陷，南靠北部坳陷，为一个近EW向、呈微向北突出弧形展布的长条状隆起^［16-18］。塔北隆起为古生代克拉通残余古隆起，之后经历加里东期的继承性发展及海西早期的强烈隆升，在海西晚期基本定型，内部结构复杂，习惯上划分为6个二级构造单元，分别为：英买力低凸起、轮台低凸起、轮南低凸起、库尔勒鼻状凸起、哈拉哈塘凹陷及草湖凹陷^［19-20］（图1）。

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图1 塔北隆起区域构造位置及井位分布（据文献［21］修改）

Fig.1 Tectonic location and distribution of well location in Tabei Uplift（modified from Ref.［12］）

塔北隆起寒武系地层发育较全，自下而上依次为下寒武统玉尔吐斯组（Є₁ y）、肖尔布拉克组（Є₁ x）、吾松格尔组（Є₁ w），中寒武统沙依里克组（Є₂ s）、阿瓦塔格组（Є₂ a）和上寒武统丘里塔格组（Є₃ q）（图2）^［22-23］。地层水取样层段吾松格尔组（Є₁ w）为局限台地—蒸发台地相，上部以深灰色泥晶白云岩和石膏、含膏云岩为主，夹少量砂屑白云岩及灰岩，下部为大段白云岩，储集层主要见于膏云岩中；沙依里克组（Є₂ s）为局限台地—蒸发台地相，上部以褐灰、深灰色灰岩为主，中下部以褐灰色膏盐岩、粉细晶白云岩为主，夹细晶白云岩及含膏云岩，储集层主要位于膏岩和含膏云岩段中；阿瓦塔格组（Є₂ a）为局限台地—蒸发台地相，白云岩及膏盐岩交互叠置，夹极少量灰岩；丘里塔格组（Є₃ q）为局限台地—开阔台地相，主要为晶粒白云岩^{［22，24］}。储层中白云岩以晶粒云岩为主，可细分为泥粉晶云岩、细晶云岩、中—粗晶云岩。细晶云岩白云石晶面较干净，晶体呈半自形—他形，部分具残余砂屑结构，发育晶间孔和晶间溶孔；中—粗晶云岩白云石晶面污浊，为他形鞍状，局部可见角砾结构，主要发育晶间溶孔。

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图2 塔北隆起寒武系综合地层柱状简图（据文献［22］修改）

Fig.2 The comprehensive stratigraphic column of Cambrian in Tabei Uplift（modified from Ref.［22］）

2 数据及研究模型

2.1　地层水及环境数据

地层水特征是研究水—岩反应的基础数据，本文地层水数据收集自中国石油勘探开发研究院。研究所用的地层水数据选取自塔北隆起寒武系14口井，深度处于5 343.4~8 100 m之间，平均深度为5 843.8 m（表1）。取水样数据点的平均地温约为122.7 ℃，主要地温集中在112.2~130.4 ℃之间。地层水的平均矿化度为155.8 g /L，最小为93.9 g/L，最大为242 g/L。地层水化学性质总体较为相似：均为CaCl₂（氯化钙）型地层水，阳离子主要是Na⁺、K⁺，阴离子主要为Cl^-。

表1 塔北地区寒武系地层水相关参数及热力学、动力学计算结果

Table 1 The list of formation water parameters and thermodynamic and kinetic calculation results of Cambrian in Tabei Uplift

井号	深度 /m	层位	温度/℃	pH	总矿化度 /（g/L）	水型	离子浓度/（mmol/L）									I^-	ΔG/（kJ/mol）			R/［mol/（L·a）］
井号	深度 /m	层位	温度/℃	pH	总矿化度 /（g/L）	水型	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺、Na⁺	Cl^-	SO₄ ^2-	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	Ba²⁺、Sr²⁺	B³⁺	I^-	Cc	Dol	Gyp	Cc	Dol
轮探1	7 968.0	Є₁ w	167.33	5.28	180.5	氯化钙	538.1	194.3	1 749.0	3 205.0	3.3	0.0	2.1	0.0	0.0	3.9	0.00	-0.04	-2.42	0.00	0.07
轮探1	7 968.0	Є₁ w	167.33	5.26	180.4	氯化钙	539.1	191.2	1 749.0	3 201.0	3.4	0.0	2.4	0.0	0.0	3.9	0.00	-0.05	-2.38	0.00	0.09
轮探1	7 968.0	Є₁ w	167.33	5.26	180.4	氯化钙	539.1	194.3	1 743.0	3 201.0	3.4	0.0	2.3	0.0	0.0	3.9	0.00	-0.04	-2.35	0.00	0.07
轮探1	8 100.0	Є₁ w	170.10	5.05	202.0	氯化钙	525.9	228.0	2 083.0	3 580.0	4.7	0.0	1.4	0.0	0.0	4.3	-0.01	0.00	-1.16	0.01	0.00
轮探1	8 100.0	Є₁ w	170.10	6.05	173.1	氯化钙	371.0	98.1	2 101.0	3 030.0	3.0	0.0	3.5	0.0	0.0	3.5	0.03	-0.25	-4.07	0.01	0.97
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.54	242.0	氯化钙	204.0	46.4	3 160.9	3 940.0	3.2	0.0	1.1	143.0	2.7	2.8	0.03	-0.85	-4.31	0.00	5.11
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.84	215.0	氯化钙	259.0	42.9	2 830.4	3 580.0	3.6	0.0	1.1	78.0	2.7	2.6	0.03	-1.43	-3.29	0.00	8.73
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	7.1	215.0	氯化钙	334.0	51.3	2 940.0	3 710.0	3.3	0.0	1.2	2.7	2.2	4.1	0.01	-1.33	-1.98	0.00	5.69
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.77	211.0	氯化钙	189.0	49.0	3 174.0	3 642.0	3.3	0.0	1.0	0.0	2.2	3.9	0.02	-0.53	-3.88	0.00	1.69
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.63	211.0	氯化钙	337.0	46.1	2 890.0	3 650.0	4.2	0.0	1.9	0.0	0.4	4.0	0.02	-1.54	-1.24	0.00	12.40
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.56	197.0	氯化钙	337.7	53.1	2 634.0	3 401.0	4.9	0.0	4.9	0.0	3.1	3.8	0.05	-1.25	-0.92	0.08	30.50
英买32	5 409.0	Є₃ q	113.59	6.95	178.0	氯化钙	227.8	59.2	2 510.0	3 069.0	5.3	0.0	4.1	0.0	2.6	3.4	0.08	-0.49	-2.12	0.09	3.76
英买33	5 507.2	Є₃ q	115.65	6.9	196.0	氯化钙	323.0	54.1	2 650.0	3 390.0	3.0	0.0	1.1	0.0	3.1	3.8	0.02	-1.22	-2.55	0.00	6.26
英买33	5 507.2	Є₃ q	115.65	7.38	195.0	氯化钙	326.0	56.3	2 620.0	3 370.0	3.6	0.0	1.8	0.0	2.8	3.8	0.03	-1.15	-1.95	0.00	3.29
英买33	5 507.5	Є₃ q	115.66	6.87	185.0	氯化钙	179.0	60.5	2 282.6	3 010.0	2.1	0.0	1.4	124.0	0.0	2.2	0.05	-0.36	-6.24	0.00	0.73
英买33	5 529.5	Є₃ q	116.12	6.26	194.0	氯化钙	180.4	48.8	2 664.0	3 103.0	8.3	0.0	3.2	0.0	0.9	3.4	0.09	-0.44	-1.46	0.05	2.19
英买33	5 529.5	Є₃ q	116.12	6.9	190.0	氯化钙	183.3	58.5	2 639.0	3 098.0	11.8	0.0	1.1	0.0	0.9	3.4	0.03	-0.34	-0.30	0.00	0.62
英买33	5 529.5	Є₃ q	116.12	6.23	186.0	氯化钙	182.8	47.8	2 587.0	3 022.0	11.2	0.0	3.8	0.0	1.0	3.3	0.10	-0.47	-0.51	0.07	2.49
英买33-H4	5 547.0	Є₃ q	116.49	6.44	189.0	氯化钙	327.0	53.6	2 498.0	3 260.0	3.1	0.0	0.8	7.9	4.2	3.7	-0.02	-1.29	-2.51	0.01	36.77
英买33-H4	5 545.7	Є₃ q	116.46	6.27	183.0	氯化钙	331.0	45.6	2 519.3	3 060.0	3.3	0.0	4.2	8.0	3.9	3.6	0.06	-1.55	-2.28	0.02	18.91
英买33-H4	5 545.7	Є₃ q	116.46	6.69	181.0	氯化钙	323.0	43.6	2 428.0	3 100.0	3.2	0.0	4.7	7.9	4.3	3.5	0.07	-1.58	-2.47	0.01	12.01
英买33-H4	5 545.7	Є₃ q	116.46	6.45	181.0	氯化钙	319.0	43.4	2 397.0	3 110.0	3.3	0.0	4.8	7.8	3.7	3.5	0.07	-1.57	-2.50	0.02	15.60
英买33-H4	5 545.7	Є₃ q	116.46	6.33	177.0	氯化钙	311.0	43.5	2 397.1	3 010.0	4.4	0.0	2.4	7.6	4.6	3.5	0.04	-1.58	-1.72	0.01	18.18
英买33-H4	5 538.7	Є₃ q	116.31	6.28	113.0	氯化钙	163.0	29.5	1 480.7	1 910.0	27.8	0.0	7.6	3.9	0.0	2.1	0.35	-0.81	1.47	0.81	6.47
英买33-H1	5 720.1	Є₂ a	120.12	6.54	178.0	氯化钙	323.0	56.4	2 340.0	3 090.0	2.7	0.0	1.4	0.0	3.3	3.5	0.02	-1.19	-3.07	0.00	9.07
英买35	5 709.6	Є₃ q	119.90	6.13	130.0	氯化钙	353.0	14.6	2 250.0	2 250.0	1.0	0.0	3.8	7.3	5.5	1.9	0.08	-4.84	-6.46	0.05	90.34
英买35	5 709.6	Є₃ q	119.90	6.82	130.0	氯化钙	346.0	16.7	2 240.0	2 240.0	1.1	0.0	5.3	7.8	5.5	1.9	0.11	-4.35	-6.18	0.20	117.63
英买321	5 343.4	Є₃ q	112.21	7.56	165.0	氯化钙	298.0	44.2	2 180.0	2 850.0	2.5	0.0	1.5	0.0	2.3	3.2	0.03	-1.53	-3.76	0.00	4.19
英买321	5 365.7	Є₃ q	112.68	6.63	189.0	氯化钙	156.0	31.7	2 300.0	2 990.0	2.8	0.0	8.2	164.0	3.7	2.2	0.40	-0.54	-5.79	0.49	2.05

2.2　碳酸盐矿物热力学计算模型

根据化学热力学的基本理论可知，在一个化学反应方程中，ΔG=生成物自由能－反应物自由能=ΔG ₀＋RTLnK ^［25］。其中ΔG ₀为反应标准吉布斯自由能；R为热力学反应常数，8.314 J/（mol·K）；T为水样所在深度的温度，K；K为反应的平衡常数。

根据以上热力学原理，碳酸盐矿物电离反应的吉布斯自由能ΔG，决定了方解石和白云石的溶解—沉淀反应的进行方向。当ΔG>0时，反应向沉淀方向进行；当ΔG<0时，反应向溶解方向进行；当ΔG＝0时，反应处于动态平衡，方解石和白云石既不溶解也不沉淀。因此，求解ΔG值是建立水—碳酸盐矿物体系的化学热力学模型的关键。

2.2.1　水—方解石

地层水与方解石体系中与方解石溶解—沉淀相关的主要反应及其平衡常数^［25-26］如下：

表1 塔北地区寒武系地层水相关参数及热力学、动力学计算结果(续表)

Table 1 The list of formation water parameters and thermodynamic and kinetic calculation results of Cambrian in Tabei Uplift (continued)

井号	深度 /m	层位	温度/℃	pH	总矿化度 /（g/L）	水型	离子浓度/（mmol/L）									I^-	ΔG/（kJ/mol）			R/［mol/（L·a）］
井号	深度 /m	层位	温度/℃	pH	总矿化度 /（g/L）	水型	Ca²⁺	Mg²⁺	K⁺、Na⁺	Cl^-	SO₄ ^2-	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	Ba²⁺、Sr²⁺	B³⁺	I^-	Cc	Dol	Gyp	Cc	Dol
英买321	5 365.7	Є₃ q	112.68	6.61	184.0	氯化钙	151.0	26.8	2 239.1	2 880.0	10.2	0.0	11.0	158.0	2.6	2.1	0.58	-0.49	-1.87	1.15	1.78
英买321	5 365.7	Є₃ q	112.68	6.56	170.0	氯化钙	280.0	31.7	2 186.9	2 850.0	6.8	0.0	11.9	34.1	4.2	2.2	0.33	-1.79	-1.21	0.38	16.94
英买321-7H	5 414.1	Є₃ q	113.70	6.35	211.0	氯化钙	292.0	44.5	2 960.0	3 630.0	6.8	0.0	2.4	5.9	1.4	4.0	0.03	-1.33	-0.21	0.01	13.50
英买321-7H	5 414.1	Є₃ q	113.70	6.41	207.0	氯化钙	290.0	44.1	2 900.0	3 560.0	7.6	0.0	2.6	5.9	1.8	3.9	0.04	-1.34	0.05	0.01	12.74
英买321-7H	5 585.0	Є₂ a	117.29	6.06	197.0	氯化钙	263.0	37.5	2 760.4	3 420.0	3.9	0.0	2.2	5.3	2.2	3.7	0.03	-1.50	-2.43	0.01	22.78
英买321-7H	5 585.0	Є₂ a	117.29	6.00	221.0	氯化钙	313.0	47.7	3 082.6	3 820.0	3.7	0.0	2.8	6.1	2.0	4.2	0.03	-1.29	-1.77	0.01	19.37
牙哈7-3H	5 780.5	Є₂ a	121.39	6.46	93.9	氯化钙	131.0	26.2	1 359.6	1 570.0	3.4	0.0	2.9	3.0	3.0	1.8	0.17	-0.98	-5.76	0.12	7.29
牙哈7-3H	5 780.5	Є₂ a	121.39	6.43	96.7	氯化钙	134.0	28.6	1 339.7	1 660.0	1.6	0.0	4.8	3.5	4.4	1.9	0.28	-0.69	-8.03	0.37	4.04
牙哈7-3H	5 780.5	Є₂ a	121.39	6.55	96.1	氯化钙	138.0	28.6	1 320.0	1 650.0	0.8	0.0	8.3	3.7	4.6	1.9	0.51	-0.40	-10.29	0.98	1.28
牙哈7-3H	5 780.5	Є₂ a	121.39	6.44	122.0	氯化钙	140.0	24.9	1 783.9	2 070.0	2.3	0.0	3.7	3.7	3.6	2.3	0.18	-1.09	-6.70	0.15	8.82
牙哈7-H2	6 104.6	Є₂ s	128.20	6.42	120.0	氯化钙	142.0	23.4	1 730.0	2 060.0	3.0	0.0	4.9	3.5	3.5	2.3	0.24	-1.13	-5.81	0.28	9.69
牙哈7-H2	6 104.6	Є₂ s	128.20	6.74	115.0	氯化钙	137.0	23.1	1 678.9	1 950.0	2.7	0.0	3.9	0.0	0.0	2.1	0.21	-1.17	-6.26	0.10	7.09
牙哈7-H2	6 104.6	Є₂ s	128.20	6.64	111.0	氯化钙	145.0	23.1	1 590.0	1 910.0	3.7	0.0	5.1	0.0	0.0	2.1	0.27	-1.19	-5.18	0.21	8.21
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	7.10	117.0	氯化钙	136.0	27.2	1 680.0	2 000.0	4.2	0.0	4.4	3.8	6.2	2.2	0.24	-0.81	-4.93	0.06	2.51
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	6.06	106.0	氯化钙	133.0	25.1	1 510.0	1 830.0	1.2	0.0	3.8	3.7	3.8	2.0	0.18	-0.98	-8.83	0.34	11.52
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	6.54	98.7	氯化钙	135.0	22.6	1 351.2	1 710.0	0.5	0.0	4.7	3.7	4.5	1.9	0.28	-1.12	-11.81	0.28	8.27
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	6.98	97.7	氯化钙	140.0	23.0	1 361.1	1 670.0	0.4	0.0	3.8	3.9	4.0	1.9	0.22	-1.26	-12.38	0.06	6.08
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	7.01	96.0	氯化钙	126.0	20.0	1 370.0	1 660.0	0.5	0.0	3.2	0.0	0.0	1.8	0.21	-1.36	-12.07	0.05	6.62
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	6.68	95.8	氯化钙	145.0	23.9	1 371.5	1 610.0	1.2	0.0	5.0	0.0	0.0	1.8	0.28	-1.16	-8.64	0.21	7.50
牙哈7-H5	6 211.6	Є₂ s	130.44	6.57	94.2	氯化钙	136.0	22.8	1 290.3	1 630.0	1.4	0.0	5.0	0.0	0.0	1.8	0.30	-1.09	-8.47	0.31	7.73
牙哈10	6 164.1	Є₂ a	129.45	6.35	97.8	氯化钙	95.0	19.8	1 243.5	1 590.0	0.6	0.0	6.7	60.6	4.1	1.2	0.65	-0.21	-12.17	2.70	0.48
牙哈10	6 164.1	Є₂ a	129.45	5.89	96.5	氯化钙	112.0	21.1	1 252.2	1 590.0	0.7	0.0	9.4	41.4	4.6	1.2	0.66	-0.14	-11.24	7.99	0.38
牙哈10	6 164.1	Є₂ a	129.45	6.45	96.5	氯化钙	112.0	23.6	1 252.2	1 600.0	1.0	0.0	6.5	40.9	4.2	1.2	0.55	-0.40	-9.95	1.47	1.45
牙哈10CH	6 669.9	Є₁ w	140.07	6.60	98.7	氯化钙	152.0	35.2	1 335.8	1 700.0	0.6	0.0	3.1	4.2	0.0	1.9	0.16	-0.75	-10.61	0.08	3.87
牙哈10CH	6 671.7	Є₁ w	140.11	6.43	96.1	氯化钙	148.0	31.1	1 334.7	1 640.0	0.9	0.0	4.4	0.0	0.0	1.8	0.23	-0.79	-9.41	0.25	5.18
牙哈701	5 874.5	Є₁ w	123.36	6.01	124.8	氯化钙	182.7	70.7	1 664.4	2 116.8	22.4	0.0	9.6	0.0	8.5	2.5	0.35	0.20	1.26	1.53	0.76
牙哈701	5 874.5	Є₁ w	123.36	5.64	124.0	氯化钙	182.7	59.5	1 677.3	2 145.2	12.1	0.0	9.7	0.0	7.8	2.4	0.29	0.06	-4.55	2.37	0.09

CaCO₃＝Ca²⁺ + CO₃ ^2-，

K c c = a C a 2 + a C O 3 2 -

（1）

CO₂(aq) +H₂O⇋H⁺+HCO₃ ^-，K₁ =

a H + a H C O 3 - a C O 2 a H 2 O

（2）

HCO₃ ^-⇋H⁺+CO₃ ^2-，K₂=

a H + a C O 3 2 - a H C O 3 -

（3）

式中：K _cc、K ₁、K ₂为反应平衡常数，可查相关热力学表（表2）获得。

表2 不同温压条件下反应的平衡常数^[26-28]

Table 2 The list of equilibrium constants for reactions at different temperatures and pressures^[26-28]

P/GPa	T/℃	K ₁	K ₂	K _cc	K _dol
0.1	100	9.71×10^-7	2.42×10^-10	3.47×10^-9	3.31×10^-20
0.1	150	1.29×10^-6	4.32×10^-10	2.09×10^-9	7.16×10^-21

根据式（1）—式（3）可得方解石电离反应的吉布斯自由能表达式^［25-26］：

ΔG＝ΔG₀＋RTLnK=-RTLnK_eq+RTLnK=RTLn(K/K_eq)=RTLn(

a C a 2 + / a C a e q 2 +)

（4）

由式（4）可知实际地下水温度T、现今地下水中的

a C a 2 +

及反应达到平衡态时的

a C a e q 2 +

共同决定该反应的ΔG。

现今地下水中的Ca²⁺活度可由

a C a 2 + =

[C a 2 +]

γ C a 2 +

^［27-28］计算，式中：

γ C a 2 +

为离子活度系数，可由Tresdell-Jones方程^［27-28］计算（表3）：

L g γ i = - A z i 2 I 1 + a i B I + b I

（5）

表3 碳酸盐岩地层水中相关离子的活度系数参数^[27-28]

Table 3 Activity coefficient parameters of ions in formation water of carbonate rock^[27-28]

离子	H⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	SO₄ ^2-
a _i	9	5	5.5	5.4	5.4	5.0
b	/	0.165	0.2	0	0	-0.04

反应平衡态时的

a C a e q 2 +

可以根据一定温度下反应平衡常数及现今地层水溶液中的离子浓度求得。反应前后的水—方解石体系遵从质量守恒原则，溶液中Ca²⁺浓度的增减与碳酸总量的变化相等^［26-28］，即：

[C_T]-[C_Teq]=[Ca²⁺]-[Ca²⁺ _eq]（6）

溶液中碳酸总量C_T=

a C O 2

a H C O 3 -

a C O 3 2 -

（7）

将式（1）—（3）代入式（7）求得平衡时的碳酸总量，再根据碳酸总量即式（6）求得反应平衡态时Ca²⁺活度。将求得的

a C a 2 + 、 a C a e q 2 +

代入式（4）即可求得方解石溶解—沉淀反应的

Δ G

。

2.2.2　水—白云石

白云石电离方程及其平衡常数^［25］如下：

CaMg(CO₃)₂＝Ca²⁺ +Mg²⁺+ 2CO₃ ^2-

K c c = a C a 2 + a M g 2 + (a C O 3 2 -) 2

（8）

水—白云石体系模型的建立过程与水—方解石相互作用的热力学模型原理相同。不同的是，白云石是碳酸盐矿物中较为特殊的一种，其晶体离子的占位是影响活度的重要因素，在进行白云石活度计算时不可忽视晶体离子占位。白云石晶体中有序白云石组分（a _oD）和无序白云石组分（a _dD）的活度分别为^［29］：

a o D = X M 2 C a X M 1 M g = (1 + s) 2 / 4

（9）

a d D = 4 (X M 2 C a X M 2 M g X M 1 C a X M 1 M g) 0.5 = 1 - s 2

（10）

温度为接近理想成分的白云石晶体有序度s的主要决定因素。研究区寒武系地层温度在400 K左右，根据Goldsmith和Heard作出的0~1 200 ℃之间白云石有序度与温度的关系图^［30］，可得有序度s≈1，将有序度代入式（9）可得研究区白云石活度a _Dol=1。另外，反应前后整个水—白云石体系的质量守恒，溶液中Ca²⁺和Mg²⁺浓度的变化与碳酸总量的变化为一致的，即［C_T］-［C_Teq］=（［Ca²⁺］＋［Mg²⁺］）－（［Ca²⁺ _eq］＋［Mg²⁺ _eq］）^［28］。

2.3　石膏热力学计算模型

成岩作用中，对于石膏有如下电离方程^［28］：

CaSO₄·2H₂O⇋Ca²⁺+SO₄ ^2-+2H₂O

K_Gyp=[Ca² ⁺]·[SO₄ ^2-]（11）

在非标准状态下，上述电离反应的吉布斯自由能ΔG决定石膏溶解—沉淀反应的进行方向^{［28，31］}。

∆ G R = ∆ G R 0 + R T L n Q a

（12）

式中：

Q a

为活度商^［31］，表示为

Q a = ∏ B (a B) υ B

；B代表反应式中的任一物质；

a B

为反应溶液各物质的活度；

υ B

为该物质的化学计量数，生成物

υ B

取正值、反应物

υ B

取负值。因此反应中：

Q a = a C a 2 + a S O 4 2 - (a H 2 O) 2 a C a S O 4 · 2 H 2 O

（13）

任意温度、压力条件下反应的吉布斯自由能增量

∆ G R 0

可用下式计算^［31］：

∆ G R 0 = ∆ H R 0 - T ∆ S R 0 + ∫ 298.15 T ∆ C p d T - T ∫ 298.15 T ∆ C p T d T + ∫ 105 P ∆ V d P

（14）

由于石膏溶解反应有流体相H₂O参与，属于固体—液体相反应，将式（15）中的压力积分项分为固体和流体相处理^［31］，即：

∫ 105 P ∆ V d P = ∆ V 0 P - 105 + ϑ B ∫ 105 P ∆ V m d P

（15）

将式（13）、式（14）、式（15）代入式（12）可得

∆ G R

的基本计算方程^［31］：

∆ G R = ∆ H R 0 - T ∆ S R 0 + ∫ 298.15 T ∆ C p d T - T ∫ 298.15 T ∆ C p T d T + ∆ V 0 P - 105 + ϑ B ∫ 105 P ∆ V m d P

+ R T L n a C a 2 + a S O 4 2 - (a H 2 O) 2 a C a S O 4 · 2 H 2 O

（16）

式中：

∆ H R 0

为标准状态下化学反应的焓变，可根据查得的各物质的标准摩尔生成热

∆ H f, m 0

进行计算^［31］，即：

∆ H R 0 = ∆ H f, C a 2 + 0 + ∆ H f, S O 4 2 - 0 + 2 ∆ H f, H 2 O 0 - ∆ H f, C a S O 4 · 2 H 2 O 0

（17）

∆ S R 0

为标准状态下化学反应的熵变，可根据查得的各物质的标准摩尔生成热

∆ S f, m 0

进行计算^［31］，即：

∆ S R 0 = ∆ S f, C a 2 + 0 + ∆ S f, S O 4 2 - 0 + 2 ∆ S f, H 2 O 0 - ∆ S f, C a S O 4 · 2 H 2 O 0

（18）

∫ 298.15 T ∆ C p d T - T ∫ 298.15 T ∆ C p T d T

是温度为T时反应进度为1 mol时的热容变化，根据热容系数a、b、c，计算公式^［31］如下：

C p = a + b T + c T - 2

（19）

∆ V 0 P - 105

为压力为P状态下固体相体积变化对吉布斯自由能的贡献，包括固体物质和金属离子，计算公式^［31］如下：

∆ V 0 P - 105 = ∆ V C a 2 + 0 + ∆ V S O 4 2 - 0 - ∆ V C a S O 4 · 2 H 2 O 0 P - 105

（20）

ϑ B ∫ 105 P ∆ V m d P

为压力为P的状态下流体相（本反应中涉及的流体为H₂O）体积变化对吉布斯自由能的贡献，计算公式^［31］如下：

ϑ B ∫ 105 P ∆ V m d P = ϑ B P V m - 1 b a r V m 0 - R T L n V m - b V m 0 - b - a b T L n V m 0 V m + b V m V m 0 + b

(21)

式中：

V m 0

为纯流体相B在温度T和压力P=0.1 MPa状态下的摩尔体积，利用Redlich-Kwong状态方程可以对

V m 0

进行计算^［32］：

P = R T V m - b - a V m V m + b T

（22）

式中：T、P为任意温度、压力，K、MPa；R为摩尔气体常数；a=0.427 48T _C ^2.5R²/P _C，b=0.086 64RT _C/P _C（T _C、P _C分别为流体的临界温度和临界压力）^［31-32］。

反应中各离子的活度系数仍可由Tresdell-Jones公式［式（5）］求出。根据相关热力学数据（表4），上述步骤逐步计算，即可得到石膏溶解—沉淀反应的吉布斯自由能ΔG。

表4 石膏溶解沉淀反应相关物质热力学数据^[31,33-34]

Table 4 The list of thermodynamic data for gypsum dissolution and precipitation reactions^[31,33-34]

	H/（kJ/mol）	S/［J/（mol·K）］	V/（cm³/mol）	Cp=a+bT－cT ^-2［J/（mol·K）］
	H/（kJ/mol）	S/［J/（mol·K）］	V/（cm³/mol）	a	b	c
CaSO₄·H₂O	-2 022.628	194.138	74.69	91.379	0.317 98	0
Ca²⁺	-542.83	-53.1	-18.06	0	0.002 92	0
SO₄ ^2-	-909.27	20	13.88	0	-1.004 16	0
H₂O	-285.83	69.95	18.069	29.99	0.010 71	33 500

2.4　碳酸盐矿物动力学计算模型

动力学计算中经常使用来源于过渡态理论（TST）的速率方程进行矿物溶解—沉淀速率的模拟^［35-36］：

r m = k m A m a H + n 1 - e x p ∆ G m R T μ ϑ

（23）

式中：m为矿物种属；r _m为该种矿物的反应速率，mol/（L·a）；k _m为矿物的速率常数，mol/（cm²·s）；A _m为矿物比表面积，cm²/g；n为溶液中关于H⁺催化的反应级数；

a H +

为氢离子活度，mol/L；

∆ G m

为反应的吉布斯自由能，kJ/mol；R为热力学反应常数，8.314 J/（mol·K）；T为水样所在深度的温度，K；参数μ、ν为2个无量纲的经验常数，根据HELLEVANG等^［37］提出的模型使用μ=1、ν=2。

任意温度下的反应速率常数可以用Arrhenius方程计算^［38］：

k = k 25 e x p - E a R 1 T - 1 298.15

（24）

k ₂₅是在25 ℃条件下的反应速率常数，mol/（cm²·s）；

E a

是反应活化能，kJ/mol；R=8.314 J/（mol·K），为理想气体常数。

表5 碳酸盐矿物溶解沉淀反应相关物质动力学数据^[39-40]

Table 5 The list of kinetic data of the substances related to the dissolution and precipitation reaction of carbonate minerals^[39-40]

矿物	A _m/（cm²/g）	k _m/［mol/（cm²·s）］	E _a（kJ/mol）	n（H⁺）
方解石	9.8	5.01×10^-1	14.4	1
白云石	9.8	6.46×10^-4	36.1	0.5

2.5　模型适用条件

本文中方解石、白云石及石膏溶解沉淀的热力学模型均以已知温度的封闭系统作为平衡体系，不考虑系统的流体迁移及热量的进出，本质为计算恒定温压条件下各矿物与含CO₂的地层水发生化学反应过程中吉布斯自由能的变化。模型中反应平衡常数K主要随温度的变化而变化，大量实验证明压力对其也有一定影响。因此，应用模型的系统需要为恒温恒压的封闭体系，且温度、压力可求。

3 计算结果

塔北地区钻探程度较高，地层水资料丰富，且塔北地区寒武系碳酸盐岩—膏岩盐储层在区域内埋深较大。深埋条件的环境可看作一个封闭体系，流体运移缓慢，在一定时间段内特定深度区域内的温度和压力基本保持不变，且地层的温压条件可根据钻井资料求出。因此，塔北地区寒武系储层符合本文热力学、动力学模型的应用条件。

3.1　热力学参数吉布斯自由能（ΔG）

塔北地区的地层水数据及热力学计算结果见表1，根据计算出的吉布斯自由能与pH的关系如图3所示。图3中的实线代表ΔG=0，分别代表平衡方程式（1）、式（8）、式（11）达到平衡时的状态；实线下方表示ΔG<0，即碳酸盐矿物及石膏正发生溶解；实线上方表示ΔG>0，即碳酸盐矿物及石膏正发生沉淀。

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图3 塔北隆起寒武系储层碳酸盐矿物、石膏溶解—沉淀反应热力学吉布斯自由能

Fig. 3 Thermodynamic Gibbs free energy for carbonate mineral and gypsum dissolution-precipitation reaction of Cambrian reservoir in Tabei Uplift

计算结果表明方解石ΔG位于-0.02~0.7 kJ/mol之间，大部分发生沉淀（50个，90.9%），发生溶解或处于平衡状态的水样数据只有5个；白云石与方解石相反，ΔG位于-5.6~0.5 kJ/mol之间，大多发生溶解（54个，98.2%），只有少数水样数据计算得到的结果是发生沉淀或近平衡状态（1个）。石膏的吉布斯自由能更加偏负，ΔG位于-12.5~1.5 kJ/mol之间，绝大部分发生溶解（52个，94.5%），只有3个水样数据计算得到石膏发生沉淀。

3.2　动力学反应速率

动力学研究反应物通过化学反应转化为产物的速率判断反应速度和程度^［8］。当反应速率等于0 mol/（L·a）或非常小时，反应进行程度很低；相反，反应速率越大，反应进行越充分。

碳酸盐矿物溶解—沉淀速率结果见表1，反应速率与吉布斯自由能之间的关系如图4所示。白云石的溶解速率总体上随着吉布斯自由能的减小而呈指数型增大，最初溶解速率几乎为0 mol/（L·a），但在ΔG<-1.8 kJ/mol之后，溶解速率明显加快［图4（a）］。因此，以ΔG=-1.8 kJ/mol为界线，可以判断白云石溶蚀反应程度；当-1.8 kJ/mol≤ΔG<0 kJ/mol时，反应速率几乎为0 mol/（L·a），溶蚀速率极小，白云石溶蚀作用微弱；当ΔG<-1.8 kJ/mol时，反应速率v大于0 mol/（L·a），白云石溶解反应较强，有可能形成次生孔隙；随着ΔG减小，反应速率显著增加，溶解反应进行的更加彻底。白云石沉淀数据点相对较少，但仍能观察到呈指数关系，白云石的沉淀速率随着吉布斯自由能的增加而增大，在起始阶段沉淀速率较慢，但在ΔG>0.05 kJ/mol之后，沉淀速率开始显加快［图4（b）］。

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图4 塔北隆起寒武系储层碳酸盐矿物溶解—沉淀速率与吉布斯自由能之间的关系

Fig.4 Relationship between dissolution and precipitation rate of carbonate minerals and Gibbs free energy in Cambrian reservoir in Tabei Uplift

由于所取的塔北寒武系储层地层水中方解石溶解数据仅有2个，难以得到方解石溶解速率与ΔG之间的关系［图4（c）］；方解石的沉淀速率与吉布斯自由能呈较好的指数关系，ΔG>0.34 kJ/mol时沉淀速率明显加快［图4（d）］。

4 寒武系储层预测及验证

4.1　矿物的溶解—沉淀

由热力学和动力学模型可知碳酸盐矿物和石膏的溶解—沉淀明显受到温度和地层水中离子的活度（H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2-）的控制，压力的影响相对较小。动力学的计算必须以热力学的结果为前提条件，利用化学热力学平衡理论，定量判断储层中碳酸盐矿物及石膏的溶解—沉淀趋势，当ΔG≠0 kJ/mol，即反应为不平衡状态时，运用动力学模型进一步讨论溶解—沉淀反应进行的程度。

4.1.1　方解石溶解—沉淀

根据研究区内不同井点地层水—方解石反应的热力学计算结果可知，方解石在本区大多具有沉淀趋势，仅在轮探1井区域具溶解趋势（图5）。而由吉布斯自由能和方解石溶解速率之间的关系可知，当ΔG>0.34 kJ/mol时方解石沉淀速率明显加快，即为方解石的有效沉淀区［图4（d）］；方解石溶解速率普遍偏低，小于0.013 mol/（L·a），难以进行有效溶解［图4（c）］。因此，牙哈地区ΔG较大，为方解石有效沉淀区，对孔隙的破坏作用相对显著，局部地区可能发生方解石充填；而英买地区ΔG较小，方解石沉淀反应程度极弱，对孔隙破坏作用较弱。轮探为方解石溶解地区，但其溶解速率缓慢，有利于原始孔隙的保存。

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图5 塔北隆起寒武系方解石ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

Fig.5 The map of the ΔG isoline and dissolution-precipitation of calcite of Cambrian in Tabei Uplift

4.1.2　白云石溶解—沉淀

根据研究区内不同井点地层水—白云石反应的热力学计算结果可知，白云石在该区大多具有溶解趋势（图6）。而动力学结果显示，当ΔG<-1.8 kJ/mol 时，白云石溶解速率大于30 mol/（L·a），溶蚀作用强烈，为白云石的有效溶解区［图4（a）］；白云石沉淀速率普遍偏低，最高小于0.8 mol/（L·a），难以进行有效沉淀［图4（b）］。因此，在白云石溶解的区域，英买地区ΔG更小，为白云石有效溶解区，有利于形成次生孔隙；而牙哈西部地区ΔG相对较大，白云石溶解反应程度极弱，难以形成次生孔隙，但有利于原始孔隙的保存。牙哈东部及轮探为白云石沉淀地区，但其沉淀速率缓慢远小于溶解速率，沉淀反应程度极弱，对孔隙破坏作用较弱。

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图6 塔北隆起寒武系白云石ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

Fig.6 The map of the ΔG isoline and dissolution-precipitation of dolomite of Cambrian in Tabei Uplift

4.1.3　石膏溶解—沉淀

根据碳酸盐矿物热力学和动力学计算结果之间的关系可知，碳酸盐矿物的溶解速率与其吉布斯自由能呈较好的指数关系，溶解速率随着ΔG的减小而增大，而沉淀速率随着ΔG的增大而增大（图4）。根据动力学模型计算原理，石膏溶解—沉淀速率与吉布斯自由能也遵循该规律。

研究区内不同井点地层水—石膏反应的热力学计算结果显示，石膏在该区内全部发生溶解（图7）。牙哈地区石膏溶解—沉淀ΔG最小，由牙哈地区向英买及轮探地区逐渐增大，英买地区ΔG总体上小于轮探地区。因此，牙哈地区石膏溶解速率最大，为石膏溶解作用最显著区域，有利于形成次生孔隙，而英买地区次生孔隙的形成弱于牙哈地区。轮探地区石膏溶解速率相对较低，故而形成次生孔隙可能性较小，但有利于原始孔隙的保存。

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图7 塔北隆起寒武系石膏ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

Fig.7 The map of the ΔG isoline and dissolution-precipitation of gypsum of Cambrian in Tabei Uplift

4.2　碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层岩溶趋势预测及验证

在深埋条件下，影响优质碳酸盐岩储层发育的主要因素是岩溶作用^［41］，本文主要讨论碳酸盐矿物及石膏的溶解—沉淀对储层岩溶的影响。塔北地区寒武系以白云岩和膏盐岩为主，白云石与石膏的溶解可以形成次生孔洞，有利于储层发育，而方解石的沉淀会破坏原始孔隙或裂隙。综合考虑方解石、白云石、石膏的溶解—沉淀情况，塔北隆起寒武系各井地层水的ΔG值均小于0 kJ/mol，表明塔北地区的地层水条件总体上有利于埋藏条件下碳酸盐矿物及石膏的溶解，不同地区的溶解趋势存在差异，存在强岩溶、弱岩溶分区。英买35井等所在的英买地区西北部方解石难以有效沉淀、白云石强烈溶蚀、石膏处于弱溶蚀状态，区域矿物综合ΔG值小于-2.2 kJ/mol，岩溶趋势相对较强，有利于次生孔隙的保存和发育。在牙哈10井所在的牙哈地区西北部，方解石有效沉淀、白云石难以有效溶解但不沉淀、石膏强烈溶蚀，区域矿物综合ΔG值小于-2.2 kJ/mol，同样具有强岩溶趋势，有利于次生孔隙的形成。而轮探1井所在的塔北隆起东南部地区，方解石处于平衡态附近，难以有效溶解与沉淀，白云石与石膏均为弱溶蚀状态，区域矿物综合ΔG值位于-2.2~-0.4 kJ/mol之间，岩溶趋势较弱，难以形成次生孔隙，但有利于原始孔隙的保存。

塔北隆起为古生代克拉通残余古隆起，经历加里东期的继承性发展及海西早期的强烈隆升，在海西晚期基本定型，中生代保持隆起状态。白垩纪开始，库车前陆盆地向南扩展，塔北隆起逐渐演变成北倾的低缓斜坡^［18-20］。塔北寒武系储层现今埋深存在差异，英买及牙哈地区埋深为5 000~6 000 m，而轮探1井所在的轮南地区埋深达到8 000 m。深埋条件下，一定时间段内特定的深度区域之间其温度及压力基本保持不变，埋深深度决定储层所处环境的温压条件，埋深浅则温度、压力均相应减小^［27］。温压条件对于矿物的溶蚀能力具有重要影响，彭军等^［42］通过模拟实验得出随着温压的增加，碳酸盐岩的溶蚀能力先增强后减弱，存在最佳溶蚀温压范围，最佳温度为70~100 ℃。

地层水取样地层主要地温集中在112.2~130.4 ℃之间，此温压范围内，碳酸盐矿物的溶解能力随着温压的升高而减小。因此，深度较浅的英买及牙哈地区为强岩溶区，深度较深的轮南地区为弱岩溶区。

从孔隙度平面分布图可知：储层孔隙度发育较好的地区（孔隙度≥4.5%），对应矿物综合ΔG<-2.2 kJ/mol的地区，并且在孔隙度发育越好的区域其矿物溶解—沉淀吉布斯自由能越小。单井孔隙度资料也与ΔG对应较好，英买33-H4井平均孔隙度为6.18%，ΔG为-1.4 kJ/mol；牙哈10井平均孔隙度为8.14%，ΔG为-3.6 kJ/mol；牙哈7-3H井平均孔隙度为1.65%，ΔG为-0.5 kJ/mol（图8，表1）。

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图8 塔北隆起寒武系储层孔隙度平面分布（a）及英买33井（b）、牙哈10井（c）、牙哈7井（d）孔隙度

Fig.8 The porosity plane diagram（a） of Cambrian reservoir in Tabei Uplift and the porosity of Wells YM 33（b）， YH 10（c） and YH 7（d）

储集层段岩石中溶蚀孔洞及裂缝发育（图9）。白云石晶体总体表面比较明亮，白云石以自形—半自形晶为主，具雾心亮边特征，常具环带状构造，发育晶间孔、晶间溶孔及裂缝，部分中晶白云岩严重存在溶孔被硅质充填现象［图9（f）］。在强岩溶趋势区中的英买35井、牙哈10井中存在明显的白云石晶间孔、晶间溶孔和裂缝［图9（c），图（e）］，英买32井中可观察到残留的缝合线构造及沿缝合线发育的扩大次生溶孔［图9（d）］，说明储层孔洞保持情况较好，并未被后期沉淀矿物所充填。综上所述，研究区寒武系储层的矿物的溶解—沉淀趋势及储层孔缝保存情况与孔隙度及薄片具有较好的一致性，即计算结果与实际资料吻合性较好。

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图9 塔北隆起寒武系储层典型岩心及岩性显微特征

（a）岩心溶蚀孔洞发育，英买32井；（b）中粗晶白云岩，自形晶，具环带状构造，英买35井，5 335.5 m，单偏光；（c）细中晶白云岩，半自形—自形晶，发育裂缝及白云石晶间孔，英买35井，5 685 m，单偏光；（d）细晶白云岩，残留缝合线构造及沿缝合线发育的扩大次生溶孔，英买32井，5 709 m，单偏光；（e）细中晶白云岩，晶间孔，牙哈10井，6 168 m，单偏光；（f）中晶白云岩，硅质充填晶间孔或晶间溶孔，牙哈701井，5 875 m，单偏光

Fig.9 Typical features of core and microscopic lithology of Cambrian in Tabei Uplift

5 结论

（1）碳酸盐矿物和石膏的溶解—沉淀主要受温度和地层水中离子的活度（H⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄ ^2-）的控制，压力的影响相对较小。同时矿物的溶解—沉淀反应速率与其ΔG呈较好的指数关系，溶解速率随着ΔG的减小而增大，而沉淀速率随着ΔG的增大而增大。

（2）塔北隆起寒武系埋藏环境总体上有利于碳酸盐矿物—石膏组合的溶解，有利于储层原始孔渗性的保存。但不同地区的岩溶趋势存在差异，塔北东南部为弱岩溶区，仅能保持原始溶孔及裂缝；而西北部地区为强岩溶区，在保持原始溶孔的基础上，可进一步发生岩溶，形成新的溶孔，促进储层孔渗性的改善。

（3）热力学与动力学模型计算在预测塔北地区碳酸盐岩—膏盐岩组合储层原始孔渗性保存及次生孔隙发育中与实际材料相吻合，说明矿物溶解—沉淀的热力学和动力学模型可作为碳酸盐岩—膏盐岩组合储层岩溶趋势预测的一种重要且有效的方法。

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0 引言

1 地质背景

图1 塔北隆起区域构造位置及井位分布（据文献［21］修改）

图2 塔北隆起寒武系综合地层柱状简图（据文献［22］修改）

2 数据及研究模型

2.1 地层水及环境数据

表1 塔北地区寒武系地层水相关参数及热力学、动力学计算结果

2.2 碳酸盐矿物热力学计算模型

2.2.1 水—方解石

表1 塔北地区寒武系地层水相关参数及热力学、动力学计算结果(续表)

表2 不同温压条件下反应的平衡常数[26-28]

表3 碳酸盐岩地层水中相关离子的活度系数参数[27-28]

2.2.2 水—白云石

2.3 石膏热力学计算模型

表4 石膏溶解沉淀反应相关物质热力学数据[31,33-34]

2.4 碳酸盐矿物动力学计算模型

表5 碳酸盐矿物溶解沉淀反应相关物质动力学数据[39-40]

2.5 模型适用条件

3 计算结果

3.1 热力学参数吉布斯自由能（ΔG）

图3 塔北隆起寒武系储层碳酸盐矿物、石膏溶解—沉淀反应热力学吉布斯自由能

3.2 动力学反应速率

图4 塔北隆起寒武系储层碳酸盐矿物溶解—沉淀速率与吉布斯自由能之间的关系

4 寒武系储层预测及验证

4.1 矿物的溶解—沉淀

4.1.1 方解石溶解—沉淀

图5 塔北隆起寒武系方解石ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

4.1.2 白云石溶解—沉淀

图6 塔北隆起寒武系白云石ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

4.1.3 石膏溶解—沉淀

图7 塔北隆起寒武系石膏ΔG等值线和溶解—沉淀平面图

4.2 碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层岩溶趋势预测及验证

图8 塔北隆起寒武系储层孔隙度平面分布（a）及英买33井（b）、牙哈10井（c）、牙哈7井（d）孔隙度

图9 塔北隆起寒武系储层典型岩心及岩性显微特征

5 结论

References

2.1　地层水及环境数据

2.2　碳酸盐矿物热力学计算模型

2.2.1　水—方解石

表2 不同温压条件下反应的平衡常数^[26-28]

表3 碳酸盐岩地层水中相关离子的活度系数参数^[27-28]

2.2.2　水—白云石

2.3　石膏热力学计算模型

表4 石膏溶解沉淀反应相关物质热力学数据^[31,33-34]

2.4　碳酸盐矿物动力学计算模型

表5 碳酸盐矿物溶解沉淀反应相关物质动力学数据^[39-40]

2.5　模型适用条件

3.1　热力学参数吉布斯自由能（ΔG）

3.2　动力学反应速率

4.1　矿物的溶解—沉淀

4.1.1　方解石溶解—沉淀

4.1.2　白云石溶解—沉淀

4.1.3　石膏溶解—沉淀

4.2　碳酸盐岩—膏盐岩组合型储层岩溶趋势预测及验证