TÌM KIẾM THĂM DÒ DẦU KHÍ TRONG CARBONATE

Đá carboante là một nhóm đá phổ biến trong các loại đá trầm tích, nhóm đá hoá học và sinh khoáng nói riêng, đƣợc hình thành từ sự kết tủa của các khoáng vật từ nƣớc trong suốt quá trình biến đổi về sinh học và hóa học của môi trƣờng. Có thành phần chủ yếu là các khoáng vật thuộc nhóm carbonate (anion− kết hợp với các cation kim loại khác).

Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Khoa kỹ thuật Địa chất và Dầu khí

Bộ môn Địa chất Dầu khí

TÌM KIẾM THĂM DÒ DẦU KHÍ TRONG CARBONATE

GVHD: PGS TS Trần Văn Xuân

5 Cấu tạo đá carbonate

6 Phân loại đá carbonate

7 Nguồn gốc đá carbonate

8 Quá trình thành đá và biến đổi

Thành tạo carbonate phần

Nam bể Sông Hồng

1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

2 Đặc điểm địa chất phần Nam bể Sông Hồng

3 Đặc điểm thành tạo carbonate

4 Mối tương quan địa chất phần Nam bể Sông Hồng và bể Phú Khánh

Tổng quan về đá

carbonate

1 Giới thiệu

 Đá carboante là một nhóm đá phổ biến trong các loại đá trầm tích, nhóm

đá hoá học và sinh khoáng nói riêng, được hình thành từ sự kết tủa của các khoáng vật từ nước trong suốt quá trình biến đổi về sinh học và hóa học của môi trường Có thành phần chủ yếu là các khoáng vật thuộc

nhóm carbonate (anion 𝐶𝑂32− kết hợp với các cation kim loại khác)

 Đá carbonate có thể được phân chia dựa trên thành phần cơ bản của khoáng vật thành hai nhóm chính là limestone (đá vôi) và dolomite (đá dolomite)

 Limestone có thành phần chính là khoáng vật calcite

 Dolomite có thành phần chính là khoáng vật dolomite

 Nghiên cứu đá carbonate có ý nghĩa quan trọng Đá vôi rất đa dạng về cấu tạo, kiến trúc và hóa thạch, nó mang lại những thông tin quan trọng về môi trường biển cổ, điều kiển cổ địa chất, hóa lý và sự tiến hóa của giới sinh vật, đặc biệt là sinh vật biển Trong hệ thống dầu khí, nó đóng vai trò là tầng chứa vừa là tầng sinh và cũng là tầng chắn

TỔNG QUAN VỀ ĐÁ CARBONATE

2 Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật

 Thành phần hóa học:

o Đá carbonate được thống trị bởi 3 ion : 𝐶𝑎2+, 𝑀𝑔2+, 𝐶𝑂32− 𝐶𝑎2+, 𝑀𝑔2+ hiện diện trong cả đá vôi và dolomit Trong đó 𝑀𝑔2+ là thành phần quan trọng đặc trưng trong đá dolomite

o Nguyên tố oxi cũng đóng vai trò quan trọng: 𝐶𝑂2, CaO, MgO chiếm 90% trong đá carbonate

o Một vài nguyên tố khác như Si, Al, K, Na, Fe… (trong các khoáng vật

silicate: quartz, feldspars, sét…)

o Những nguyên tố hiếm: Cl, Co, Cr, Cu, Ga, Li…(liên quan đến khoáng vật

và khung xương trong hóa thạch)

2 Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật

 Thành phần khoáng vật

1 Khoáng vật thuộc nhóm calcite

2 Khoáng vật thuộc nhóm dolomite

3 Khoáng vật thuộc nhóm arogonite

2 Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật

 Khoáng vật thuộc nhóm calcite

Calcite Mặt thoi 𝐶𝑎𝐶𝑂3Magnesite Mặtthoi 𝑀𝑔𝐶𝑂3

Rhodochrosite Mặt thoi 𝑀𝑛𝐶𝑂3

Siderite Mặt thoi 𝐹𝑒𝐶𝑂3Simithsonite Mặt thoi 𝑍𝑛𝐶𝑂3

2 Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật

 Khoáng vật thuộc nhóm dolomite

Dolomite Mặt thoi CaMg(𝐶𝑂3)2

Ankerite Mặt thoi Ca(Mg,Fe,Mn)(𝐶𝑂3)2

2 Thành phần hóa học và thành phần khoáng vật

 Khoáng vật thuộc nhóm aragonite

Aragonite Trực thoi 𝐶𝑎𝐶𝑂3Cerussite Trực thoi 𝑃𝑏𝐶𝑂3Strontionite Trực thoi 𝑆𝑟𝐶𝑂3

Witherite Trực thoi 𝐵𝑎𝐶𝑂3

3 Kiến trúc đá vôi (limestone)

 Các đá vôi cổ có thành phần chủ yếu là calcite Calcite có thể hiện diện trong đá ở ba dạng kiến trúc chính:

o Các hạt trong đá (Carbonate grains)

o Nền (Microcrystalline calcite)

o Xi măng (Sparry calcite)

Carbonate grains

 Folk (1959) đề nghị sử dụng allochems là tên gọi cho những hạt carbonate

mà nguồn gốc không phải là sự kết tủa hóa học

 Các hạt đó có kích thước tiêu chuẩn từ 0.02-0.2mm, những hạt lớn hơn

như là vỏ hóa thạch cũng có thể xuất hiện

 Các hạt carbonate đó có thể được chia thành bốn nhóm, mỗi nhóm được đặt trưng bởi sự khác nhau về hình dạng, cấu tạo bên trong, và nguồn gốc:

o carbonate clasts,

o Skeletal particles,

o ooids,

o peloids

Skeletal particles ( thuộc khung xương)

• Những mảnh vụn thuộc khung xương của các loài sinh vật xuất hiện trong

đá vôi như là vi hóa thạch (microfossils), hóa thạch lớn (large fossils) và

mảnh vỡ của những hóa thạch lớn (broken fragment of large fossils)

• Sự xuất hiện của hóa thạch trong đá vôi có ý nghĩa quan trọng, nó cho

phép xác định tuổi và cổ môi trường lắng đọng của đá vôi

Skeletal particles ( thuộc khung xương)

Foraminifera (trùng lỗ)

• Sống ở độ sau khác nhau từ trôi nổi (planktonic) đến bám đáy (benthonic)

• Tuổi: chủ yếu ở Đệ Tam

Trứng cá (ooids)

• Ooid (trứng cá) là tên của hạt carbonate có nhân là những mảnh vỡ thuộc

vỏ của các loài sinh vật, mảnh vụn cơ hoc…được bao quanh bởi một hay nhiều lớp mỏng tinh thể carbonate hay aragonite, những lớp đó thường có kiến trúc đồng tâm hay tỏa tia Kích thước từ 2-4mm

• Đá vôi có thành phần chủ yếu là trứng cá thì được gọi là đá vôi trứng cá

Trứng cá (ooids)

 Trứng cá được hình thành ở nơi khí hậu ấm áp, có dòng chảy đáy mạnh, nước luôn luôn chuyển động dưới tác dụng của sóng và nước biển quá bão hòa calcium bicarbonate

 Lớp vỏ của trứng cá hiện đại có thành phần là aragonite, trong khi những trứng cá cổ có thành phần chính là calcite

 Trong một số trường hợp lớp áo bên ngoài trứng cá chỉ là một hay hai lớp rất mỏng mà tổng bề dày nhỏ hơn rất nhiều so với nhân thì gọi là giả trứng

Viên phân (Peloids)

 Peloids là những hạt nhỏ trong đá vôi có thành phần chủ yếu là calcite hay aragonite nhưng không có kiến trúc bên trong khác biệt

 Peloids có kích thước nhỏ hơn trứng cá và nằm trong khoảng từ hạt bột cho tới cát (0.03-0.1mm)

 Được hình thành bởi các loài sinh vật biển tiêu hóa bùn carbonate và thải

ra những bùn không tiêu hóa được cũng có thành phần là carbonate

Các mảnh vụn carbonate (carbonate clasts)

 Carbonate clasts là những mảnh vỡ cũa những đá xuất phát từ sự sói mòn của những đá carbonat cổ hơn bị lộ ra trên mặt đất hay là sự sói mòn các trầm tích carbonate trong các bồn trầm tích

Các mảnh vụn caebonate (carbonate clasts)

 Nếu các mảnh vụn carbonate có nguồn gốc ngoài bồn trầm tích đó thì gọi

là extraclasts, và có nguồn gốc ngay tại bồn thì gọi là intraclasts

Nền (Microcrystalline calcite)

 Bùn carbonate có thành phần là những tinh thể

calcite hạt mịn

 Trong môi trường hiện đại thì bùn carbonate có thể

là những tinh thể aragonite hình kim có chiều dài

 Bùn carbonate được phân biệt với carbonate

grains và sparry calcite bởi kích thước vô cùng

nhỏ

Xi măng (Sparry calcite)

 Nhiều đá vôi chứa đựng những tinh thể calcite lớn,

thông thường có kích thước từ 0.02-0.1mm Những

tinh thể như vậy thì được gọi là sparry calcite

 Nó được phân biệt với micrite bởi kích thước hạt

lớn hơn và được phân biệt với carbonate grains

bởi sự thiếu kiến trúc bên trong Sparry calcite lấp

đầy khoảng trống giữa các hạt carbonate hoặc là

các lổ hổng hòa tan như là xi măng (cement)

 Trong các đá vôi cổ, sparry calcite có thể được

hình thành bởi sự tái kết tinh của những hạt lắng

đọng ban đầu (primary depositional grains) và

micrite trong suốt quá trình tạo đá

 Trên nền tảng về hình dạng tinh thể, hai kiểu dolomite đƣợc công nhận:

o Planar dolomite: bao gồm những tinh thể dolomite hình thoi, tự hình đến th hình

o Nonplanar dolomite: gồm những tinh thể không có dạng thoi, tha hình

Dolomite textures

6 Phân loại đá carboante

 Có 2 hệ thống phân loại đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay là:

 Phân loại theo Folk (1959): phân loại dựa trên hàm lƣợng xuất hiện các thành phần: hạt carbonate, nền và xi măng calcite

 Phân loại theo Dunham (1962): phân loại dựa trên tỷ số giữa hạt và nền và

sự rang buộc khi lắng đọng của các hạt

Phân loại theo Folk

 Phân loại dựa trên thành phần hạt

Phân loại theo Folk

Phân loại theo kiến trúc

Phân loại theo Dunham

7 Nguồn gốc đá carbonate

1 Nguồn gốc đá vôi: sinh vật và hóa học

2 Nguồn gốc đá dolomite

Nguồn gốc hóa học của đá vôi

 Sự hòa tan và kết tủa của kháng vật calcite (𝐶𝑎𝐶𝑂3) và aragonite được điều khiển trước nhất bởi pH, được gây ra bởi sự hòa tan của khí 𝐶𝑂2 trong nước Khi đó, chuỗi phản ứng sau sẽ xảy ra:

𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 < − > 𝐻2𝐶𝑂3 (axit carbonic)

𝐻2𝐶𝑂3 < − > 𝐻+ + 𝐻𝐶𝑂3− (ion bicarbonate) 𝐻𝐶𝑂3− < − > 𝐻+ + 𝐶𝑂32− (ion carbonate)

 Nếu tinh thể calcite hay aragonite tác dụng với dung dịch axit carbonic thì

nó sẽ bị hòa tan theo phản ứng sau:

𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3 < − > 𝐶𝑎2+ + 2𝐻𝐶𝑂3−

 Bảng dưới đây là những nhân tố gây nên sự kết tủa

 Sự hình thành của trừng cá là minh chứng cho thấy khoáng vật carbonate được kết tủa thông qua phương trình:

𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3 < − > 𝐶𝑎2+ + 2𝐻𝐶𝑂3−

 Trứng cá được hình thành trong điệu kiện năng lượng cao, nước luôn dao động dưới tác dụng của sóng và dòng chảy, nước biển ấm Từ đó gây nên thoát khí carbonic ra khỏi nước biển, làm cho dung dịch bicarbonate

chuyển thành carbonate mà kết tủa lại xung quanh một nhân (xương sinh vật, vỏ của loài giáp sát, vụn cơ học… )

Điêu kiện

nước

Hướng thay dổi

Ảnh hưởng trực tiếp

Ảnh hưởng độ hòa tan 𝐶𝑎𝐶𝑂3

Loại 𝐶𝑎𝐶𝑂3kết tủa

Nhiệt độ

Áp suất

Độ muối

Tăng Giảm Giảm

Mất 𝐶𝑂2, tăng pH Mất 𝐶𝑂2, tăng pH Giảm hoạt động của các ion bên ngoài ( foreign ion)

Giảm Giảm Giảm

Micrite or ooids Micrite or ooids Micrite or ooids

Nguồn gốc hóa học của đá vôi

 Các dữ liệu thu thập được cho thấy rằng nước biển gần bề mặt trong đại dương hiện đại thì quá bão calcite (gấp 6 lần) và aragonite (gấp 4 lần) Do quá bão hòa cho nên nó sẽ miễn cưỡng kết tủa

 Trong đại dương hiện đại, khoáng vật calcite có lẽ sẽ không kết tủa theo phương trình sau:

𝐶𝑂2 + 𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎𝐶𝑂3 < − > 𝐶𝑎2+ + 2𝐻𝐶𝑂3−

vì tồn tại ít nhất hai lý do sau đây:

 Thứ nhất, cường độ thay đổi pH trong đại dương mở có được lả nhờ vào sự thất thoát của khí carbonic thì rất nhỏ và giá trị pH đó hiếm khi nằm ngoài giá trị từ 7.8-8.3 (Bathurst, 1975)

 Thứ hai, sự hiện diện của ion 𝑀𝑔2+ trong nước biển ngăn cản sự kết tủa của calcite

Nguồn gốc hóa học của đá vôi

Era Period Khoáng vật ưu thế Cenozoic Neogene-Quat

Calcite thấp Mg

Paleozoic Permian

Pennsylvanian Mississippian Devonian Silurian Ordovician Cambrian

Aragonite và Calcite cao Mg

Calcite thấp Mg

Nguồn gốc sinh vật của đá vôi

 Đá vôi sinh vật được hình thành trực tiếp do vỏ xương cửa sinh vật có thành phần 𝐶𝑎𝐶𝑂3

 Vai trò của sinh vật trong sự kết tủa khoáng vật carbonate

 Lấy 𝐶𝑎𝐶𝑂3 từ nước biển để tạo nên khung xương

 Lấy 𝐶𝑂2 từ nước biển thông qua quá trình quang hợp

 Sự phân hủy của xác vi sinh vật

 Hình thành viên phân

Nguồn gốc đá dolomite

 Dolomite nguyên sinh: là loại đá hóa học thuần túy, hình thành do sự kết hợp các ion trong nước tạo thành khoáng vật dolomit tuân theo phương trình sau:

𝐶𝑎2+(aq)+𝑀𝑔2+(aq)+2𝐶𝑂32−<-> CaMg(𝐶𝑂3)2 (solid) Tuy nhiên trong đại dương hiện tại đã quá bão hòa dolomite nhưng nó vẫn không kết tủa Người ta cho rằng là do nhân tố tạo nhân và tang trưởng cấu tạo dolomite là cấu trúc nguyên tử có trật tự cao

 Dolomite thứ sinh hình thành bởi sự thay thế calcite hay aragonite bởi dolomite (quá trình dolomite hóa), tuân theo phương trình sau:

𝐶𝑎𝐶𝑂3(solid)+𝑀𝑔2+(aq) <-> CaMg(𝐶𝑂3)2 (solid)+2𝐶𝑎2+(aq) Đây là quá trình chủ yếu hình thành dolomite

8 Các quá trình thành đá và biến đổi

 Sau khi trầm tích carbonate được lắng đọng, nó sẽ trải qua quá trình chôn vùi trong điều kiện nhiệt độ cao, áp suất cao và thay đổi chất lưu trong lỗ rỗng Với diều kiện đó, trầm tích carbonate trải qua các tiến trình ép chặc vật lý, hóa học, sự thay đổi thành phần hóa học và khoáng vật, sự hòa tan,

xi măng hóa, aragonite chuyển thành calcite và sự thay thế calcite bởi các khóng vật khác như là dolomite

Sự thay đổi do sinh vật

 Sinh vật trong môi trường lắng đọng carbonate tác động bởi khoan, đào bới vào tiêu hóa trầm tích Những hoạt động đó có lẽ làm phá hủy kiến trúc trầm tích ban đầu và để lại những vết đốm và vất hằn sinh vật

 Thêm vào đó, các loài sinh vật nhỏ hơn như là fungi, vi khuẩn, và tảo, tạo nên những vi lổ rỗng trong các hạt carbonate và sau đó được lấp đầy bởi micrite có thành phần là

aragonite hay là calcite cao Mg Nếu như chúng đào bới diễn ra mạnh mẽ hơn và sau

đó cũng được lấp đầy bởi micrite thì lượng hạt carbonate ngày càng giảm dần và

lượng micrite trong đá ngày càng tăng thì ta gọi đó là quá trình micrite hóa

 Nếu quá trình đó diễn ra kém mạnh mẻ thì nó chỉ tạo ra những viền micrite hoặc là vỏ bọc micrite xung quanh hạt

Quá trình xi măng hóa

 Xi măng hóa là tiến trình quan trọng trong tất cả các giai đoạn của quá trình tạo đá, quá trình xi măng hóa xảy ra trong khoảng không giữa các hạt hay các hổng hốc, các kết tủa carbonate tạo nên những tinh thể lớn liên kết các hạt hoặc lấp đầy lỗ rỗng

 kiến trúc của xi măng cũng đa dạng đƣợc thể hiện trong hình sau:

Quá trình xi măng hóa

 Các yếu tố tác động làm cho quá trình xi măng hóa xảy ra thuận lợi hơn đó là:

 sự có mặt của các khoáng vật không bển (chẳng hạn nhƣ aragonite và calcite cao Mg bị tan ra và tái kết tủa lại thành xi măng calcite),

 trong lỗ rổng quá bão hòa calcium carbonate,

 độ rỗng và độ thấm cao (cho phép dòng chất lỏng chảy qua với tốc độ cao),

 tăng nhiệt độ

 và giảm áp suất riêng phần của khí carbonic

Quá trình hòa tan

 Quá trình hòa tan của khoáng vật carbonate yêu cầu điều kiện trái ngược hoàn toàn với quá trình xi măng hóa Quá trình hòa tan xảy ra thuận lợi là nhờ vào:

 sự có mặt của khoáng vật không bền vững (aragonite và calcite cao Mg),

 nhiệt độ thấp,

 nước trong lỗ rỗng có môi trường axit chưa bão hòa carbonate

Sự tạo hình thể mới (Neomorphism)

 Neomorphism là thuật ngữ được Folk(1956) sử dụng ám chỉ những quá trình đảo ngược (từ aragonite chuyển thành calcite) và sự tái kết tinh

 Khi sự chuyển hóa aragonite thành calcite xảy ra với sự có mặt của nước, thì lúc đó những phần aragonite không bền vững bị hòa tan đồng thời với

sự kết tủa của calcite bền vững Nhiều nhà địa chất cho rằng quá trình đó như là quá trình calcite hóa Trong suốt quá trình tạo đá, hầu hết aragonite

bị chuyển hóa thành calcite

 Sự tái kết tinh chỉ ra sự thây đổi về kích thước hoặc hình dáng tinh thể, với

sụ thay đổi nhỏ hay không có thay đổi về thành phần hóa học và khoáng vật

Quá trình thay thế

 Quá trình thay thế bao gồm sự hòa tan của một khoáng vật và ngay lúc đó có sự kết tủa của khoáng vật khác ngay tại vị trí đó

 Sự thay thế của khoáng vật calcite bởi khoáng vật khác

là một quá trình tạo đá phổ biến

 Dolomite hóa là một dạng của quá trình thay thế

 Thêm vào đó, nhiều khoáng vật phi carbonate khác cũng có thể thay thế khoáng vật carbonate trong suốt quá trình tạo đá nhƣ: thạch anh, prrite, hematite,

apatite, anhydrite

giảm lổ rỗng và vát mỏng các lớp tại độ sâu nông

 Với độ sâu chôn vùi khoảng 1000ft (305m) với áp suất địa tĩnh cao thì sẽ làm méo mó các hạt với các nức nẻ, gãy vỡ đôi khi chuyển sang trại thái deo hay chảy dẻo Theo nghiên cứu của Shinn và Robbin (1983), trầm tích

carbonate có thể giảm một nữa chiều dày và mất đi khoảng 50-60% độ

rỗng ban đầu

Quá trình ép chặc vật lý và hóa học

 Khi độ sâu chôn vùi khoảng từ 200-1500m, sự ép chặc hóa học của trầm tích carbonate được bắt đẩu Áp lục hòa tan xuất hiện tại ranh giới tiếp xúc giũa hạt với hạt làm cho khu vực đó bị hòa tan và sau đó được lấp đầy bởi các khoáng vật hạt mịn phi carbonate khác Quá trình này tạo nên cấu tạo đường khâu (Stylolite) trong đá carbonate

THÀNH TẠO CARBONATE PHẦN NAM BỂ SÔNG HỒNG

 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

 Đặc điểm địa chất phần Nam bể Sông Hồng

 Đặc điểm thành tạo carbonate

 Mối tương quan địa chất phần Nam bể Sông Hồng và bể Phú Khánh