L&TD

Tóm tắt :Trong các đá trầm tích thì Carbonat có vị trí thứ ba sau sét kết và cát kết. Lượng dầu khai thác trong đá Carbonat trên thế giới hiện nay chiếm hơn 50%. Tại Việt Nam gần đây cũng đã tìm ra một số vỉa dầu trong các đá trầm tích này. Nội dung bài viết đưa ra những kết quả nghiên cứu về đá Carbonat dựa trên tài liệu địa chất, địa vật lý giếng khoan.

I. Vai trò của đá carbonat trong các lĩnh vực nghiên cứu.

Nghiên cứu đá Carbonat có ý nghĩa quan trọng trong công tác địa chất dầu khí và khoa học địa chất (địa tầng, cổ kiến tạo…).
1. Nghiên cứu đá Carbonat trong công tác tìm kiếm thăm dò dầu khí

Đá Carbonat là những đá sinh dầu: Đá Carbonat được thành tạo trong môi trường biển nông, vũng biển và lục địa là nơi thuận lợi cho sự phát triển của giới sinh vật, những vật liệu hữu cơ này cùng lắng đọng với vật liệu trầm tích Carbonat trong những điều kiện thích hợp (môi trường khử và nhiệt độ áp suất thích hợp sẽ chuyển biến thành dầu, chính Carbonat thúc đẩy quá trình chuyển hoá ấy nhanh hơn và triệt để hơn.Có thể coi đá Carbonat (đặc biệt là Dolomit) là chất xúc tác quan trọng. Vì vậy, Carbonat cũng là đá sinh dầu. Những thành hệ đá sinh dầu quan trọng đã gặp như đá vôi Trenton (Mỹ), Spinletop (Mỹ) Asmari (Pecxic), đá vôi miền Cacpac (Rumani)… Đá Carbonat là những đá chứa dầu: Đá vôi và Dolomit là những đá chứa dầu quan trọng, có những mỏ dầu lớn chứa trong đá Carbonat như mỏ dầu trong đá vôi Onondago (Canada), Tứ Xuyên (Trung Quốc)…Đá Carbonat chứa dầu là những loại đá vôi ám tiêu, đá vôi Dolomit hoá hoặc đá vôi Dolomit phát triển các khe nứt. Đánh giá triển vọng dầu khí trong đá Carbonat về mặt thạch học chúng ta chú ý đến các yếu tố sau:

1.1. Độ rỗng trong đá Carbonat

Khi nghiên cứu độ rỗng đá Carbonat thường chia ra làm hai loại: Độ rỗng nguyên sinh và độ rỗng thứ sinh. Độ rỗng nguyên sinh của các đá Carbonat hạt mịn thường thấp (8-10%) và kích thước lỗ rỗng nhỏ, còn của các đá Carbonat vụn thì lớn hơn (15-25%) và kích thước, tiết diện lỗ rỗng cũng khá lớn. Đặc biệt độ rỗng thứ sinh của các đá Carbonat hữu cơ có thể lên tới 25-35%.

Độ rỗng thứ sinh được hình thành do sự hoà tan, do sự thay thế khoáng vật làm thu nhỏ thể tích, do các hoạt động kiến tạo có thể sinh ra đới hoặc miền khe nứt có tính khu vực. Kích thước của độ rỗng thứ sinh thường cao hơn độ rỗng nguyên sinh.

Độ rỗng nguyên sinh thường được tạo ra do quá trình dolomit hoá. Theo R. C Muray, 1960 cho rằng khi quá trình dolomit hoá hoàn toàn thì độ rỗng có thể tăng tới 30% so với độ rỗng nguyên thuỷ. Trong quá trình thay thế Ca bằng Mg xảy ra với sự giảm thể tích 12% nếu như xảy ra quá trình này mà không có vật liệu lẫn vào. Đá dolomit hoá nói chung có độ rỗng hiệu dụng cao (10-20%) và được coi là loại đá chứa quan trọng.

1.2. Khe nứt trong đá Carbonat

Các đá trầm tích Carbonat thường phát triển các khe nứt, hoặc còn trống hoặc được lấp đầy bằng những vật liệu khác nhau, sinh thành do nhiều nguyên nhân khác nhau và tạo thành ở nhiều giai đoạn khác nhau. Nghiên cứu khe nứt của các đá Carbonat hết sức cần thiết khi đánh giá triển vọng dầu khí. Độ thấm của đá Carbonat phát triển lỗ hổng thường không lớn, ít vượt quá 1mD, trong khi đó độ thấm kiểu khe nứt thường khoảng từ 4-20mD.

Dựa trên nghiên cứu thạch học địa chất dầu khí được phân ra làm hai loại: Khe nứt và khe nứt nhỏ. Khe nứt có thể đo được ngay trên thực địa còn khe nứt nhỏ phải nghiên cứu dưới kính hoặc chi tiết trong phòng thí nghiệm. Việc phân loại khe nứt đá carbonat có nhiều nguyên tắc: Hoặc theo điều kiện thành tạo (khe nứt thành đá, khe nứt kiến tạo) hoặc theo thời gian thành tạo (thế hệ I, II, pha…) hoặc theo thành phần lấp đầy (Caxit, sét, bitum hay không có gì). Những yếu tố ảnh hưởng đến độ rỗng, thấm của khe nứt là mật độ và độ mở của khe nứt.

Mật độ (D) được tính bằng tỷ số giữa chiều dài (L) và diện tích (S):  D = L/S Độ mở của khe nứt trong đá Carbonat thường được tính bằng giá trị trung bình của giá trị đo lặp trên khe nứt: Tính độ hổng của khe nứt theo công thức của E.S Romin: Pf = D.b Trong đó Pf tính theo %, D theo m/m2 và b theo cm. Độ thấm trong Carbonat được tính theo công thức: Kf = 8,45.106.Pf (Kf tính bằng Daxy) Khe nứt nhỏ được phân loại theo nhiều dạng khác nhau có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá collector.

Theo đặc điểm chia ra: Khe nứt thành đá, kiến tạo, nhiệt dịch. Theo hình thái: Khe nứt thẳng, hình sin; Theo thời gian thành tạo chia ra: Thế hệ I, II; Theo quan hệ với măt tầng chia ra: Song song, thẳng góc với mặt tầng. Theo độ mở chia ra ba cấp: Rộng (> 0,05mm), vừa (0,01- 0,05mm) và hẹp (< 0,01mm). Theo vật liệu lấp đầy chia ra làm khe nứt hiệu dụng hoặc không hiệu dụng. Khi nghiên cứu xem xét phải quan sát, xác định rõ: Vật liệu và kiến trúc của vật liệu lấp đầy khe nứt, quan hệ của khe nứt và hạt vụn, quan hệ của khe nứt với tầng, thứ tự sinh thành khe nứt.

1.3. Các quá trình sinh thành khe nứt hang hốc và độ rỗng thấm trong đá carbonat Dolomit nguyên sinh và thứ sinh

Dolomit nguyên sinh là kết quả của quá trình biến đổi bùn vôi do tác dụng của quá trình thành đá, nơi có dự trữ đủ kiềm và hàm lượng Mg đủ lớn. Dolomit là loại đá tương đối phổ biến, thường đi kèm với đá vôi, giữa đá vôi và Dolomit có sự chuyển tiếp: Đá vôi-Dolomit vôi-Dolomit. Quan sát mẫu vụn, mẫu lõi lấy từ giếng khoan, Dolomit thường có màu trắng xám, vàng nhạt, nâu xám. Khi chứa nhiều di tích hữu cơ, Dolomit có màu xám, chứa nhiều Bitum có màu nâu

Dolomit thứ sinh được thành tạo do Dolomit  hoá các đá vôi, thường có dạng lớp hay thấu kính. Kiến trúc nguyên sinh của đá vôi bị phá huỷ do tái kết tinh nên tinh thể Dolomit thứ sinh thường lớn có cấu tạo đới trạng. Các khe nứt trong đá vôi tuần hoàn nước ngầm giàu Mg sẽ làm tăng tác dụng trao đổi thúc đẩy mạnh mẽ quá trình Dolomit hoá tạo nên các tầng Dolomit hoá dày từ vài chục mét đến hàng ngàn mét. Đặc biệt các hoạt động của dòng nước ngầm có thể tạo ra các hang hốc, phát triển mạnh trong thành hệ đá vôi (Hình 1). Dolomit thứ sinh thường có đặc điểm sau:

- Có độ rỗng thứ sinh cao, tinh thể tự hình, ranh giới rõ rệt và trong suốt;
- Có kiến trúc tàn dư (Hình 2):

Trong quá trình Dolomit hoá, hạt trứng cá vẫn giữ nguyên dạng. Độ rỗng thứ sinh có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong địa chất dầu khí. Quá trình Dolomit hoá làm giảm thể tích từ 12-13% sinh thành lỗ hổng. Những lỗ hổng này phát triển vừa có số lượng nhiều và kích thước lớn và thường liên thông nhau thuận lợi cho việc chứa và dịch chuyển dầu khí.
Quan sát nhiều vỉa Carbonat chứa dầu chúng ta thấy quá trình Dolomit hoá xảy ra khá mạnh đối với các loại đá vôi sinh vật, đặc biệt là đá vôi ám tiêu san hô và đá vôi vụn.

Biến đổi thứ sinh rõ rệt nhất của Dolomit và đá vôi Dolomit hoá, khử Dolomit là hình thành vụn Dolomit:
Khử Dolomit xảy ra theo phản ứng sau:
CaCO2 + MgCO2 + CaSO4 -—   2CaCO3 + MgSO4

Quá trình khử Dolomit dẫn đến thành tạo lỗ hổng và khe nứt thứ sinh.  Dolomit hoá có thể phá vụn đá vôi, Dolomit nguyên sinh thành cuội hoặc cát Dolomit bở rời có thành phần hoá học giống như Dolomit (Hình 3). Dolomit hoá còn có dạng tạo ra các Caxit hạt lớn. Dolomit hoá là hiện tượng phổ biến nhất trong đá vôi, xảy ra theo cả phương thẳng đứng và nằm ngang tạo nên kiểu đá vôi dạng da báo (Hình 4). Cường độ Dolomit hoá có khi lên tới 90-95% thay thế trong đá vôi. Quá trình Dolomit hoá có thể làm tăng độ rỗng của đá lên 12-15%. Hai quá trình Dolomit hoá và khử Dolomit có ý nghĩa rất lớn trong công tác tìm kiếm và thăm dò dầu khí.

Ngoài hai quá trình quan trọng trên, việc tạo ra các khe nứt, đới nứt nẻ còn có sự đóng góp của dòng thuỷ nhiệt có tác dụng hoà tan và rửa trôi Carbonat để tạo mở ra các khe nứt (quá trình thuỷ phân-biến đổi thứ sinh). Quá trình này cũng tương tự như hoạt động thuỷ phân tạo khe nứt, hang hốc trong đá móng để tạo ra các đới nứt nẻ chứa dầu.

2. Phương pháp xác định đá vôi Canxit và Dolomit ngoài thực địa giàn khoan

2.1. Phương pháp Canximetry

Cơ sở của phương pháp này là đo hàm lượng Carbonat trong mẫu dựa trên việc dùng máy Canximeter đo áp suất khí CO2 thoát ra từ phản ứng của mẫu với axit HCL 50%. Kết quả cho thấy, đá Canxit và Dolomit tác dụng nhanh và mạnh với HCl loãng, giải phóng ra rất nhiều CO2. Trong khi đó Dolomit tác dụng chậm và lâu. Dựa trên áp suất khí CO2 được giải phóng ra từ đó suy ra lượng CO2 và so sánh với biểu đồ chuẩn ta có thể nhận dạng các loại đá Carbonat. Hình 5 là các biểu đồ chuẩn mà máy canximetry đưa ra để nhận dạng đá vôi.

Từ phương pháp này sẽ cho ta các biểu đồ mà theo các dạng chuẩn (Geoservices) ta có thể nhận dạng: Đá vôi sạch, đá chứa  vôi, đá có tính vôi, đá vôi chứa dầu ngoài ra các biểu đồ còn cho ta nhận dạng các đá Dolomit sạch, đá Dolomit, đá có tính Dolomit, đá Dolomit có tính vôi, đá vôi có tính Dolomit… Kết hợp với các phương pháp khác (khắc Axit, đỏ Ananezin, phát quang) ta có thể phân biệt được Dolomit nguyên sinh hay thứ sinh.

Việc xác định đá vôi có thể chính xác hơn nhờ việc quan sát đặc điểm thạch học của mẫu vụn dưới kính. Hình 6 là biểu đồ phân tích Canximeter của thành hệ Carbonat sinh hoá tại giếng khoan Xx.  Xác định hàm lượng CaCO3 trong mẫu mùn khoan bằng phương pháp Calcimetry sử dụng HCl 50% cũng để xác nhận đá vôi phân biệt với các loại đá khác: 

0%-35% CaCO3 : Sét.
35%-65% CaCO3 : Sét vôi-vôi sét.
> 65%      CaCO3 : Đá vôi.

Nếu trong khi làm thí nghiệm, mẫu được lấy một cách ngẫu nhiên thì hàm lượng CaCO3 chỉ cần đạt từ 50% trở lên là có thể đảm bảo rằng đó là đá vôi.

2.2. Thí nghiệm với axit

Sử dụng HCl 10% phân biệt được đá vôi ám tiêu với các loại đá khác:

Đá vôi tác dụng với HCl 10% mạnh và nhanh, đồng thời để lại dung dịch trong suốt. Dolostone chỉ tác dụng một phần với HCl 10% đun nóng (giống như khoáng vật siderit) và để lại dung dịch hơi trắng đục. Trên bề mặt Dolostone cũng bị thay đổi màu so với trước.

Tất cả các mảnh mẫu vụn trong khoảng 2.295-2.310m-Giếng khoan Xx, chúng tôi cho là mảnh đá vôi ám tiêu đều tác dụng nhanh, mạnh với HCl 10% và tan hết. Thường Canxit phản ứng ngay lập tức còn Dolomit chậm hơn, tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào hình dáng của mảnh đá, độ rỗng, độ thấm và tạp chất. Đá vôi bị nhiễm dầu có phản ứng chậm do màng dầu bao phủ, chỉ ngang với Dolomit. Đá Carbonat sạch tan hoàn toàn, còn chất cặn thường là: Chert, Anhydrit, sét, bột, cát và các khoáng vật phụ khác. Khi phản ứng với Axit dầu trong đá sẽ tạo nên các bong bóng lớn quanh các mảnh đá, nếu mạnh có thể nâng hẳn các mảnh đá lên trên bọt sủi.

Khắc Axít:  Nhúng đá vào Axít, đá có thành phần Carbonat sẽ có bề mặt như bị đánh bóng, các đá khác kể cả Dolomit vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu.

2.3. Phương pháp nhuộm

Dùng thuốc nhuộm Alizarin (Alizarin red), nhuộm các mảnh mẫu mùn khoan để phân biệt đá vôi với các loại đá khác, nhất là Dolostone dựa trên cơ sở là Calcite (CaCO3) bị nhuộm sang màu đỏ còn các loại khoáng vật khác không bị nhuộm. Làm thí nghiệm thực tế cho bài này chúng tôi đã nhuộm phần lớn các mảnh mẫu vụn nghi là Dolostone và một số mảnh hoá thạch trong khoảng chiều sâu nói trên. Kết quả chúng đều bị nhuộm đỏ. Chỉ có khoảng 1-2 mảnh quá nhỏ không bị nhuộm đỏ hoặc cho kết quả không rõ ràng, có thể là khoáng vật Dolomite.

2.4. Dựa trên tài liệu Carota điện và khí

Độ rỗng và độ thấm có thể tính toán được dựa trên tài liệu Carota điện (Hình 7). Qua tài liệu Carota khí (Hình 8), chúng ta có thể đánh giá được vỉa về mặt định tính, cũng trong tài liệu Carota khí qua việc phân tích chi tiết mẫu vụn, mẫu lõi qua kính và các thí nghiệm hoá lý chi tiết ta có thể tính toán độ rỗng, thấm của khe nứt nhỏ được tính theo các thông số sau: Diện tích lát mỏng S, chiều dài khe nứt  l, độ mở của khe nứt b mật độ khe nứt d: Trên tài liệu Carota khí một dấu hiệu hết sức quan trọng là thành hệ Carbonat có biểu hiện khí CO2, tầng Carbonat chứa sản phẩm có hàm lượng khí và CO2 cao (Hình 8).

3. Đá Carbonat trong nghiên cứu môi trường trầm tích-Tướng đá-Cổ địa lý

3.1. Xác định đường bờ của môi trường trầm tích cổ

Việc xác định đường bờ khá chính xác là dựa vào tài liệu Carota khí, điện và địa chấn. Trên việc phân tích mẫu của tài liệu Carota khí, đường bờ được xác định là các thành hệ đá vôi, đá vôi trứng cá thành tạo trong điều kiện khô nóng (Hình 9).

Theo lát cắt địa chất giếng khoan điểm giao gặp giữa vát nhọn tầng Carbonat lục địa và biển nông là đường bờ (có kết hạch Silite: Hình 9A). Ngoài ra, trong địa tầng Carbonat càng gần bờ hàm lượng sét, sét kết hay vật liệu vụn và vật chất không tan của đá Carbonat tăng lên. Do đó ta lập được hàm lượng vật chất không tan của đá Carbonat theo lát cắt giếng khoan, có thể suy đoán được đường bờ cổ. Trên tài liệu Materlog theo lát cắt giếng khoan, khi hàm lượng Dolomit thay thế dần cho Carbonat thì càng tiến vào gần bờ ngoài ra cũng theo tài liệu này có sự xuất hiện của đá vôi lá tre, đá vôi vụn, cuội kết vôi… Ở địa hình phân cắt mạnh điểm vát nhọn của tầng trầm tích Carbonat biển nông có thể coi là đường bờ.

Trên tài liệu Carota điện và địa chấn (Hình 10, 11) và tài liệu Carota khí (Hình 12) của tầng trầm tích Carbonat biển nông so sánh liên kết với tài liệu địa chấn ta có thể tìm được ranh giới đường bờ.

3.2. Xác định vùng xâm thực
Có thể sử dụng tài liệu phân tích hoá-lý Carbonat để xác định tỷ lệ Ca/Mg, dựa vào giá trị này để xác định khoảng cách xa bờ của trầm tích Carbonat (Hình 13 A).

3.3. Xác định tướng
Dựa trên tài liệu phân tích chi tiết trong phòng cho ta biết Carbonat thuộc thành hệ biển hay lục địa (Aragonite biển chứa 0,1-1% Sr; Caxit biển 0,01% Sr còn Caxit nước ngọt không quá 0,001% Sr); Đá vôi tảo, đá vôi trứng cá đặc trưng cho vùng nước nông gần bờ; Đá vôi đảo san hô thành tạo ở vùng nước sâu xa bờ.

 3.4. Xác định hoàn cảnh cổ khí hậu

Ngoài ra đá vôi hoá học đặc trưng cho vùng khí hậu nóng ẩm, còn Dolomit nguyên sinh đặc trưng cho vùng khí hậu khô nóng. Xác định nhiệt độ môi trường trầm tích cổ trên cơ sở tài liệu thành phần đồng vị của Oxy trong đá Carbonat.

Trong tự nhiên Oxy có ba loại đồng vị có khả năng tồn tại trong nước và không khí. Loại đồng vị O18 và O19 thường có trong quá trình kết tinh từ dung dịch. Nhiệt độ khác nhau khi thành tạo sẽ cho các kết tủa Carbonat với thành phần đồng vị Oxy khác nhau (nước biển chứa O18 khoảng trên dưới 1%0). Do có sự thay đổi thành phần đồng vị Oxy trong khoáng vật, xác định được nhiệt độ thành tạo để xác định giá trị thành phần đồng vị, sử dụng mẫu chuẩn, đó là thành phần đồng vị Oxy trong Caxit sạch của một số đá hoa, với các mẫu chuẩn này: dO18=0. Hình 13 cho kết quả phân tích nhiệt độ thành tạo Canxít trên cơ sở thành phần đồng vị Oxy của một số hoá đá thường gặp (vỏ có thành phần Carbonat và lắng đọng vào thành hệ Carbonat nghiên cứu).

Cacbon trong thiên nhiên có hai đồng vị tương đối bền là C12 và C13. Giữa hai loại này chủ yếu là C12 chiếm 99,982% còn C13 không quá 1,118%. Những nghiên cứu gần đây của Rankama cho thấy thành phần C13 tíchtụ chủ yếu theo con đường vô cơ, còn C12 thành tạo theo con đường hữu cơ. Trong vật liệu vô cơ tỷ lệ C12/13 thay đổi 87,9-90,2%, còn vật liệu hữu cơ ít nhất là 90%, thường là 90,3-93,1%.

Khi kết hợp hai chỉ số phân tích đồng vị Cacbon và Oxy sẽ cho ta biết nguồn gốc đá vôi. Đây cũng là một dấu hiệu quan trọng trong công tác tìm kiếm thăm dò dầu khí, phát hiện ra đá vôi nguyên sinh, đá vôi thứ sinh hay đá vôi vụn và đá vôi sinh vật. Hình 14 thể hiện sự thay đổi của dO18 và dC13 có nguồn gốc khác nhau (đá vôi biển, lục địa, mạch Canxit và đá vôi bị biến chất).

Kết luận và kiến nghị  Một điều đáng quan tâm là lượng dầu chứa trong đá Carbonat trên thế giới rất lớn nhưng ở Việt Nam, mỏ dầu trong đá Carbonat còn hiếm hay nói đúng hơn là mỏ dầu dạng này chưa phổ biến. Để nghiên cứu sâu hơn về khả năng chứa của đá Carbonat cũng như các tính chất khác của đá Carbonat phục vụ cho công tác nghiên cứu về địa tầng, môi trường trầm tích, hoàn cảnh cổ địa lý, cổ khí hậu cần dựa trên các tài liệu địa chất, địa vật lý giếng khoan.

Chúng tôi rất mong các độc giả, những người quan tâm đến lĩnh vực này cùng cộng tác nghiên cứu để có những công trình nghiên cứu chi tiết, sâu thêm về đá Carbonat.

Tài liệu tham khảo
1. Nguyễn Hồng Nam và tập thể  đội Carota khí. The Mud Logging File tranning #11 Geoservices Company. Paris. Dịch và biên soạn lại. Tài liệu lưu trữ đội Carota khí 01/2001.

2.Nguyễn Tuấn Anh. Nhận diện và phát hiện đới phong hoá, nứt nẻ móng và  đánh giá khả năng chứa của móng dựa trên tài liệu Carota khí. Tạp chí Dầu khí Số 02/2002.

3. Tài liệu địa vật lý tổng hợp, tài liệu Materlog các giếng khoan 69, 818, 924,1116, và một số giếng khác trên mỏ Bạch Hổ và Rồng. Thư viện Xí nghiệp Địa vật lý.

4. Nguyễn Văn Phơn. Quá trình hình thành và khả năng thấm chứa của đá móng nứt nẻ mỏ Rồng - Tạp chí Dầu khí Số 08/2004.

5. Nguyễn Địch Dỹ, Trần Nghị và nnk. Điều kiện lắng đọng trầm tích-cổ địa lý các tầng chứa dầu khí trong trầm tích Oligoxen hạ mỏ Bạch Hổ thuộc bồn trũng Cửu Long. Báo cáo tổng kết Tổng công ty Dầu khí.

6. Larsen G and Chilingas G.V,1967. Diagenesis in Sedments elsevier- Publishing Company. Newyork.

7. Phan Huy Tiến, Trịnh Ích,1985. Thạch học trầm tích Tập I, II. Nhà xuất bản Bộ Đại học và Trung học chuyên nghiệp 1984. Hà Nội.

8.  Nguyễn Tuấn Anh, Đỗ Trọng Hiển. Kế hoạch nâng cấp phần cứng và mềm trạm Geoservices - AIC. Tài liệu lưu trữ đội Carota khí, 06/2001.

9. Nguyễn Công Khắc, Đỗ Quang Tiến, Xí nghiệp Địa vật lý Vietsovpetro. Quy trình xử lý mẫu địa chất ngoài thực địa, những kinh nghiệm thực tế trong công tác thu hồi và xử lý mẫu mùn khoan. PETROVIETNAM

(Tạp chí dầu khí số 2-2010                                                                    NTA - VDB                                                                                                              Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro )