碎屑儲集巖磁化率與含油性的關(guān)系

李學(xué)森，徐興雨，王中蛟 （桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004）

碎屑儲集巖磁化率與含油性的關(guān)系

李學(xué)森，徐興雨，王中蛟 （桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西桂林 541004）

對采自渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷孤南洼陷9口探井的430塊古近系碎屑儲集巖標(biāo)本進(jìn)行了細(xì)致的體積磁化率、頻率磁化率和非磁滯磁化率測試，研究了不同含油級別的儲集巖磁化率響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明：巖性是控制磁化率信號強(qiáng)弱的首要地質(zhì)因素，泥質(zhì)含量指示磁化率十分靈敏。碎屑儲集巖磁化率與含油性關(guān)系密切，以巖性為約束，除去泥質(zhì)成分的影響，儲集巖含油程度越高，磁化率越低，兩者呈負(fù)相關(guān)；油浸碎屑巖中極有可能存在與烴類流體運(yùn)移聚集作用密切相關(guān)的超順磁 （SP）-單疇 （SD）-假單疇（PSD）粒級的自生磁鐵礦。在常規(guī)地球物理測井基礎(chǔ)上，針對有石油地質(zhì)意義的層段開展磁化率測井，砂巖段中的磁化率低值區(qū)是可疑的油氣層，泥巖段中的磁化率異常高值區(qū)可能是優(yōu)質(zhì)的烴源巖層。

磁化率；含油性；碎屑儲集巖；孤南洼陷

含油氣流體充注于儲集巖后，烴類流體與儲集巖固體顆粒之間 “水-巖”作用使儲集巖磁性礦物容易發(fā)生溶解、相變、置換或新生［1～7］。Elmore等［1～4］對懷俄明州Phosporia組油浸白云巖及蒙大拿州南部Chugwater組紅層中飽和烴巖石樣品進(jìn)行了詳細(xì)的巖石磁性、有機(jī)地球化學(xué)、掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)了與烴運(yùn)移相關(guān)的自生磁鐵礦。孟小紅等［8］對華北冀東油田古近系和新近系砂巖樣品的磁性載體成分、成因、剩磁穩(wěn)定性和特征剩磁方向進(jìn)行了研究，探討了烴類的化學(xué)吸附作用與巖石剩磁穩(wěn)定性之間的關(guān)系，確認(rèn)了烴類的化學(xué)吸附作用能夠降低巖石的剩磁穩(wěn)定性而產(chǎn)生次生剩磁。

磁化率是表征物質(zhì)被磁化難易程度的物理量，其信號的強(qiáng)弱與巖石中磁性礦物的類型、含量及粒徑密切相關(guān)。儲集巖中磁性礦物的溶解、相變、置換或新生作用必然會使儲集巖磁化率發(fā)生變化［9，10］。那么隨著烴類流體侵位，儲集巖磁化率究竟如何變化？其主要控制因素是什么？能否利用磁化率的變化特征進(jìn)行巖性鑒定或油氣層識別？鑒于上述問題，筆者選擇了渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷孤南洼陷9口探井，對古近系不含油、熒光、油跡、油斑、油浸和飽含油的6類鉆井巖心進(jìn)行了系統(tǒng)采樣和磁化率測試，研究了不同含油級別儲集巖磁化率的響應(yīng)規(guī)律，確定了碎屑儲集巖磁化率與含油性的關(guān)系，為研制磁化率測錄井方法奠定了基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況及采樣

孤南洼陷位于山東省東營市墾利縣孤島鎮(zhèn)，黃河流入渤海形成的三角洲平原上，距東營市約70km。孤南洼陷是渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷沾化凹陷的一個次級構(gòu)造單元，為一北斷南超的箕狀洼陷，面積220km2（圖1）。鉆井和三維地震資料解釋表明，孤南洼陷古近系從下到上發(fā)育沙河街組 （Es）、東營組 （Ed）、館陶組 （Ng）、明化鎮(zhèn)組 （Nm）4套儲集層，礫巖、砂巖、粉砂巖3類儲集巖，具有 “滿盆是砂”的特點［11］。孤南洼陷及其周緣現(xiàn)已探明孤島、孤東、孤南、河灘、紅柳、墾利等6大油田，以孤南洼陷為中心呈環(huán)帶狀分布，具有陸相油氣生成、運(yùn)移和聚集的典型特征。

圖1 孤南洼陷地理位置及構(gòu)造井位圖

根據(jù)孤南洼陷油氣具有環(huán)帶狀分布、復(fù)式聚集的特點，橫向上從陡坡帶、洼陷帶到緩坡帶，縱向上對沙河街組三段（Es3）、二段（Es2）、一段（Es1），Ed等主力含油層位進(jìn)行了系統(tǒng)采樣。對采集到的鉆井巖心樣品，按照如下流程進(jìn)行了加工：首先將巖心直立，劃出主參照線，以巖心柱面上主參照線的頂部為端點，在巖心橫截面上劃上統(tǒng)一標(biāo)志線，建立樣品坐標(biāo)系；然后根據(jù)巖心的完整程度使用巖心切割機(jī)切取若干塊標(biāo)準(zhǔn)古地磁樣品，并標(biāo)好每塊樣品的相對位置及標(biāo)志線方向。優(yōu)先選擇GN138井、GN131井、GN137井、GN152井、GN154井、GN184井、FU117井、FU112井、Bo701井等9口井，取心62塊，加工出430塊2cm×2cm×2cm標(biāo)準(zhǔn)古地磁標(biāo)本 （圖2）。

圖2 樣品加工示意圖

2 磁化率測試結(jié)果及分析

測試工作是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實驗室完成的，使用AGICO KLY-4S卡帕橋磁化率儀測量標(biāo)本體積磁化率。

2.1 體積磁化率測試結(jié)果及分析

磁化率是標(biāo)本在弱磁場中的感應(yīng)磁化強(qiáng)度 （M）與磁場強(qiáng)度 （H）的比值，其大小可以反映標(biāo)本中亞鐵磁性礦物的富集程度［12］。

430塊標(biāo)本的低場體積磁化率平均值為7.05×10－4，其中 （1～10）×10－5約為57%，（1～3）×10－4約為35%，兩者合計約為92% （圖3），僅比儀器的噪聲水平高出1～2個數(shù)量級。Bo701井2282.2～2283.5m井段灰黑色富有機(jī)質(zhì)泥巖的體積磁化率最大，9塊標(biāo)本的平均值為2.45×10－2。GN131井3290～3291.5m井段棕褐色飽含油長石質(zhì)粗砂巖的體積磁化率最低，6塊標(biāo)本的平均值為1.32×10－5，極值相差約1200多倍。孤南洼陷古近系儲集巖磁性礦物含量普遍較低，磁化能力總體偏弱，但變化幅度較大。

2.1.1 磁化率與巖性的關(guān)系

430塊標(biāo)本的體積磁化率 （升序排列）呈三段式 （見圖4），低值A(chǔ)段134塊標(biāo)本巖性以粗礫巖為主；中值B段214塊標(biāo)本巖性以細(xì)砂巖為主；高值C段82塊標(biāo)本巖性以粉砂巖為主，其中13塊泥巖標(biāo)本體積磁化率比A、B段高出2～3數(shù)量級。由此可見，巖性是控制磁化率量值高低的首要地質(zhì)因素。以巖性為制約，14塊粗砂巖樣品體積磁化率平均值為5.89×10－5，25塊細(xì)砂巖樣品平均值為12.48×10－5，9塊粉砂巖樣品平均值為18.45×10－5，說明隨著碎屑顆粒變細(xì)，樣品體積磁化率呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，即礫巖相對最低，泥巖相對最高 （圖5）。無論是礫巖、粗砂巖，還是細(xì)砂巖、粉砂巖，泥質(zhì)含量越高，磁化率越大，特別是從泥質(zhì)粉砂巖到泥巖，磁化率顯著增加，說明泥質(zhì)含量指示磁化率十分靈敏。樣品體積磁化率標(biāo)準(zhǔn)偏差呈波動變化 （圖5），說明沉積構(gòu)造、顏色、膠結(jié)物等沉積學(xué)特征及宏觀含油性對磁化率亦具有一定影響。

圖3 標(biāo)本的體積磁化率直方圖

圖4 標(biāo)本體積磁化率分布趨勢圖

圖5 樣品體積磁化率與巖性關(guān)系

2.1.2 磁化率與含油性的關(guān)系

總體來看，飽含油－油浸的碎屑巖磁化率平均值低于不含油碎屑巖 （圖6），碎屑儲集巖磁化率與含油性密切相關(guān)。

從細(xì)砂巖樣品體積磁化率與含油性關(guān)系圖 （圖7）上可以看出，22塊細(xì)砂巖樣品中，11塊不含油樣品體積磁化率平均值為107.7×10－6，3塊熒光顯示樣品體積磁化率平均值為73×10－6，6塊油跡-油斑-油浸樣品體積磁化率平均值為61.76×10－6，2塊飽含油樣品體積磁化率平均值為41.09×10－6。同一種巖性，除去泥質(zhì)成分的影響，含油級別越高，磁化率越低，即碎屑儲集巖磁化率與含油性呈負(fù)相關(guān)。值得一提的是，圖7中未統(tǒng)計GN152井1907.25～1913.05m井段Ed的2塊油浸細(xì)砂巖樣品，其體積磁化率平均值分別為296.47×10－6和650.58×10－6，與磁化率和含油性呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論相悖。這2塊巖心呈灰黃色，細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，砂粒分選較好，砂粒間為泥質(zhì)膠結(jié)；含油不飽和，含油部分觀察不出巖石本色，油脂感中等，可污手，原油味較濃，含油級別為油浸，說明盡管烴類物質(zhì)的存在能抑制磁化率升高，但泥質(zhì)膠結(jié)物對磁化率的貢獻(xiàn)更重要，巖性對磁化率的控制作用比含油性更顯著。

圖6 樣品體積磁化率－含油級別散點圖

圖7 細(xì)砂巖樣品體積磁化率與含油性關(guān)系

2.2 頻率磁化率測試結(jié)果及分析

巖石磁化率不僅與磁性礦物的類型和含量相關(guān)，還與磁性顆粒的粒徑、測量的溫度和頻率相關(guān)［12］。觀測頻率不同，測得的磁化率結(jié)果是不相同的。通常，觀測頻率越大，磁化率越小。一般地，頻率磁化率χfd定義為：

式中：χfd為頻率磁化率的絕對值；χlf和χhf分別為低頻磁化率和高頻磁化率；χfd，p為頻率磁化率的相對值，%。

頻率磁化率只對處于超順磁 （SP）-單疇 （SD）臨界點附近的顆粒影響最大，對其他粒徑的顆粒不靈敏［12］。Elmore［1，2］、McCabe等［3，4］在儲集巖中發(fā)現(xiàn)了與烴類流體運(yùn)移侵位密切相關(guān)的自生磁鐵礦，微形貌呈球粒狀，直徑一般小于50μm，SP-SD粒級 （掃描透射電鏡無法分辨）存在的可能性很大。為此，選擇了18塊不同含油級別的標(biāo)本，使用Agico MFK磁化率儀測量了低頻 （976Hz）和高頻（15616Hz）的磁化率，進(jìn)行頻率磁化率計算分析，以驗證孤南洼陷古近系碎屑儲集巖中是否存在與烴類流體運(yùn)移侵位密切相關(guān)的SP-SD自生磁鐵礦。

11塊不含油標(biāo)本頻率磁化率絕對值的平均值為4.11×10－6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.82；7塊油斑－油浸-飽含油標(biāo)本頻率磁化率絕對值的平均值為4.34×10－6，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.13。兩者相差不大，均無明顯分布規(guī)律 （圖8）。與χfd相比，χfd，p則存在一定規(guī)律性：7塊油斑－油浸－飽含油標(biāo)本χfd，p整體上高于11塊不含油標(biāo)本 （見圖9）。說明烴類流體充注后，頻率磁化率有所增大，相比不含油標(biāo)本，油浸標(biāo)本中的SPSD粒級的磁性礦物更為富集。孤南洼陷古近系碎屑儲集巖中可能存在與烴類流體運(yùn)移侵位密切相關(guān)的SP-SD自生磁鐵礦。

2.3 非磁滯磁化率測試結(jié)果及分析

為了進(jìn)一步證實含油巖心中可能存在的與烴類聚集有關(guān)的SP-SD自生磁鐵礦顆粒，該次研究另選擇了10塊含油級別不同的標(biāo)本進(jìn)行了非磁滯磁化率測量。首先將標(biāo)本置于D-2000交變退磁儀上，在峰值為100mT的交變磁場中，疊加一個與該交變磁場平行的0.05mT直流場，獲得非磁滯剩磁 （MARM）；然后，在2G-755（R）超導(dǎo)磁力儀上測量剩磁，用獲得的MARM除以施加的直流場即可獲得該標(biāo)本在此直流場下的非磁滯磁化率χARM［12］。GN131-6-1標(biāo)本在100mT的交變磁場和0.05mT的恒定直流場中獲得的MARM為5.85×10－5A／m，則該標(biāo)本的χARM＝ （5.85×10－5×4π×10－3）／ （0.05×10）＝1.30×10－6。

Maher［13］對比了已知粒徑的純磁鐵礦粉χARM，結(jié)果表明，細(xì)粒磁鐵礦χARM較大，隨著粒徑增大，磁鐵礦χARM逐漸減小。χARM可以用來指示樣品中細(xì)粒磁性礦物的含量，它對SD和準(zhǔn)單疇 （PSD）顆粒的存在特別敏感。體積磁化率χ主要用于反映磁性礦物的含量，對較粗的磁顆粒相對敏感，所以χARM／χ可以用來指示磁性顆粒的大小，χARM／χ斜率越小，磁性顆粒相對越大［14］。

圖8 頻率磁化率絕對值與含油性關(guān)系

圖9 χfd，p與含油性關(guān)系

4塊油斑－油浸－飽含油標(biāo)本的χARM／χ呈單調(diào)線性變化，6塊不含油標(biāo)本χARM／χ則較為離散，含油標(biāo)本的χARM／χ?jǐn)M合斜率為0.038，不含油標(biāo)本χARM／χ?jǐn)M合斜率為0.014（見圖10）。說明相比不含油標(biāo)本，油斑－油浸－飽含油標(biāo)本中的SD-PSD粒級的磁性礦物可能更為富集。必須指出的是，該次研究僅測試了11塊標(biāo)本，且假定標(biāo)本中的載磁礦物以磁鐵礦為主，油浸和不含油標(biāo)本的χARM／χ變化規(guī)律是隨機(jī)事件，還是理論必然，尚需更多證據(jù)。

圖10 非磁滯磁化率與體積磁化率關(guān)系

3 討論

頻率磁化率、非磁滯磁化率測試結(jié)果表明，烴類流體充注于儲集巖后，流體與儲集巖固體顆粒之間“水－巖”作用極有可能在儲集巖中生成SP-SD粒級的細(xì)粒磁鐵礦。通常認(rèn)為，含油程度越高，“水－巖”作用的空間域越廣泛，細(xì)粒磁鐵礦富集程度應(yīng)越顯著，體積磁化率值應(yīng)越大；然而事實卻恰恰相反。體積磁化率測量結(jié)果表明，同一種巖性，扣除泥質(zhì)成分的影響，儲集巖含油程度越高，磁化率則越低，兩者呈負(fù)相關(guān)。筆者注意到，原油的磁化率多為負(fù)值［15］，屬于抗磁性物質(zhì)，烴類流體侵位占據(jù)了碎屑儲集巖的有效孔隙和滲流通道，外來抗磁性物質(zhì)充注抵消了與烴類流體聚集作用相關(guān)的自生細(xì)粒磁性礦物對巖石磁化率的貢獻(xiàn)，這可能是油浸碎屑巖磁化率反常變化的根本原因。

孤南洼陷古近系儲集巖磁化率波動幅度較大，巖性是控制磁化率信號強(qiáng)弱的首要地質(zhì)因素，巖石標(biāo)本的體積磁化率與碎屑顆粒粒度呈負(fù)相關(guān)，即礫巖磁化率相對最低，泥巖相對最高，泥質(zhì)含量越高，磁化率信號越強(qiáng)，泥質(zhì)含量指示磁化率十分靈敏。這是運(yùn)用體積磁化率進(jìn)行巖性鑒定的理論依據(jù)。在現(xiàn)場觀察孤南洼陷Es3鉆井取心時，憑肉眼從宏觀巖石學(xué)特征區(qū)別灰黑色粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖是非常困難的，但是依據(jù)磁化率量值則很容易辨別上述2種巖性。使用便攜式磁化率儀可以快速測定標(biāo)本的磁化率，高磁化率的是粉砂質(zhì)泥巖，低磁化率的則是粉砂巖。

使用常規(guī)地球物理測井資料如自然電位、聲波時差、電阻率、自然伽馬等，能在井剖面上快速、準(zhǔn)確地識別出滲透層 （砂巖段）和非滲透層 （泥巖段），但是要在砂巖段上準(zhǔn)確定位油氣層，在泥巖段找到優(yōu)質(zhì)烴源巖層還需要做大量的定量解釋工作。該次研究證實，碎屑儲集巖磁化率與含油性關(guān)系密切，以巖性為約束，除去泥質(zhì)成分的影響，儲集巖含油程度越高，磁化率則越低，兩者呈負(fù)相關(guān)，灰黑色富含有機(jī)質(zhì)的油泥巖磁化率異常高，這可能與沉積物中的鐵有助于有機(jī)質(zhì)的保存有關(guān)［16］。首先利用常規(guī)地球物理測井資料在井剖面上劃分出砂巖段和泥巖段，然后針對有石油地質(zhì)意義的層段開展磁化率測井，砂巖段中的磁化率低值區(qū)就是可疑的油氣層，泥巖段中的磁化率異常高值區(qū)可能就是優(yōu)質(zhì)的烴源巖層。

4 主要結(jié)論

1）孤南洼陷古近系儲集巖磁性礦物含量低，磁化能力弱，可能存在與烴類流體－儲集巖固體顆粒“水－巖”作用密切相關(guān)的超順磁 （SP）-單疇 （SD）-假單疇 （PSD）細(xì)粒自生磁鐵礦。

2）巖性是控制磁化率信號強(qiáng)弱的首要地質(zhì)因素，體積磁化率與碎屑顆粒粒度呈負(fù)相關(guān)，泥質(zhì)含量越高，磁化率信號越強(qiáng)，泥質(zhì)含量指示磁化率十分靈敏。

3）碎屑儲集巖磁化率與含油性關(guān)系密切，以巖性為約束，扣除泥質(zhì)成分的影響，儲集巖含油程度越高，磁化率越低，兩者呈負(fù)相關(guān)。

4）在常規(guī)地球物理測井基礎(chǔ)上，針對有石油地質(zhì)意義的層段開展磁化率測井，砂巖段中的磁化率低值區(qū)就是可疑的油氣層，泥巖段中的磁化率異常高值區(qū)可能就是優(yōu)質(zhì)的烴源巖層。

巖心樣品采集得到了中石化勝利油田孤島采油廠朱之錦、吏峰兵同志的幫助。孤島采油廠楊曉敏博士在測試數(shù)據(jù)處理與解釋過程中給予了熱情指導(dǎo)。在此一并致謝。

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［編輯］ 龔丹

Relationship between Susceptibility and Oil-bearing Property of the Clastic Reservoir Rocks

LI Xuesen，XU Xingyu，WANG Zhongjiao （First Author' s Address：School of Earth Sciences，Guilin University of Technology，Guilin541004，Guangxi，China）

A total of 430specimens were collected from the Cenozoic clastic reservoir rocks in Gunan Sag for testing volumetric susceptibility and frequency susceptibility and non-magnetic susceptibility.The magnetic response rules of different clastic reservoir rocks were studied.The result showed that the lithologic property was the first geologic factor controlling the strong or weak of signals.Clay content indicating susceptibility was very sensitive.The susceptibility of clastic reservoir rocks was closely related with oil-bearing property.Constrained by lithologic property，after the effect of clay content was deducted，the higher the oil content of reservoir rocks was，the lower the susceptibility would be，its oil-bearing property and susceptibility are negatively correlated.There possibly existed SP-SD-PSD authigene magnetite in the oil-immersed clastic rocks induced by migration and accumulation of hydrocarbon fluid.Based on the conventional geophysical well logging，a susceptibility logging is carried out on the special stratigraphic units with the petroleum geological significance.The low-magnitude area of the magnetic susceptibility in the sandstone sections is probably suspected oil and gas layers.The high-magnitude area of the susceptibility in the mudstone sections is probably the high-quality source rocks.

magnetic susceptibility；oil-bearing property；clastic reservoir rock；Gunan Sag

P631.84

A

1000-9752（2014）04-0075-06

2013-06-20

國家自然科學(xué)基金項目 （41072097）。

李學(xué)森 （1970-），男，1993年大學(xué)畢業(yè)，博士，教授級高級工程師，現(xiàn)主要從事地球物理與構(gòu)造地質(zhì)研究工作。