柴達木盆地臺南氣田低阻氣藏成因機理及測井評價

羅水亮 許輝群 劉 洪 張江華 嚴煥德

1.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室·長江大學 2.長江大學地球科學學院 3.重慶科技學院石油工程學院4.中國石化勝利油田分公司新春采油廠 5.中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院

國內外的研究成果已表明，低阻氣層的形成主要受地質因素以及工程因素的影響，目前大多數低阻油氣田的成因都受地質因素的影響。由于其一般地質因素非常復雜，識別難度很大，基于此，筆者通過對柴達木盆地臺南氣田的低阻氣層成因進行分析、總結，建立了一套有針對性的評價方法來解決低阻氣層的測井識別難題［1－3］。

1 地質背景

柴達木盆地三湖坳陷是新生代晚期形成的一個大型沉積坳陷，臺南氣田位于三湖坳陷的中部，天然氣儲量主體是第四系生物氣，其主力含氣層系為第四系下更新統澀北組Q1＋2層，主力氣層埋藏淺，井深介于800～1 800m，成巖作用差，儲層疏松，物性條件好，沉積環(huán)境主要為濱淺湖和半深湖沉積，巖性以泥質砂巖沉積為主，砂巖粒度很細，主要為含泥粉砂巖和泥質粉砂巖，細砂巖較少發(fā)育，為濱淺湖砂壩、灘砂和席狀砂沉積，厚度較薄而橫向連續(xù)性較好。

2 低阻氣層的地質成因

2.1 構造特征

氣藏的氣水分布現狀是天然氣在運移過程當中產生的驅動力和孔隙毛細管壓力平衡的結果。低幅度氣藏的毛管壓力和含氣氣飽和度都比較低，容易形成低阻氣層。臺南構造為一個近東西向的完整潛伏背斜，構造形態(tài)落實，圈閉完整，無斷層發(fā)育，構造長軸平均10.7 km，短軸平均4.6km，為一個短軸背斜，地層總體平緩。

臺南氣田氣藏類型為層狀邊水構造氣藏，每個氣組有多套的氣水系統，沒有統一的氣水邊界，邊水體積大，氣水過渡帶寬，含氣幅度也比較低，為10～30m，同時根據密閉取心分析化驗結果顯示，儲層的束縛水飽和度總體含量為20%～95%，氣層的平均束縛水飽和度比較高，為55%。因此臺南地層平緩、氣層幅度低也是造成低阻氣層的重要原因。

2.2 沉積特征

臺南氣田澀北組中上段處于坳陷湖盆擴張階段，水體逐步變深，物源供應相對均衡，但碎屑巖粒級相對變細，以粉砂巖為主，且砂巖厚度逐步變薄、泥巖厚度逐步變厚，從粒度概率累積曲線特征來看，概率累積曲線具典型濱淺湖沉積的特點，粒度概率曲線多為兩段式，以跳躍總體和懸浮總體為主，斜率中等，反映了水動力條件較弱的沉積環(huán)境。研究區(qū)主要發(fā)育濱淺湖環(huán)境下的砂壩、灘砂和泥坪沉積，砂壩發(fā)育，受沉積相帶控制，巖性以粉砂巖和泥質粉砂巖為主，砂巖有效厚度薄、物性差，成為低阻氣層發(fā)育的有利條件。

2.3 微觀特征

微觀孔隙的大小及其分布特征決定了束縛水飽和度的高低，同時，由于親水性強的黏土礦物的填充進一步改造了粒間孔隙，造成微孔隙的增加，巖石內比面的增大，薄膜滯水增多，含水飽和度增加。臺南氣田儲層孔隙類以原生孔隙為主，僅有少量的次生孔隙。原生孔隙主要為原生粒間孔，其次為雜基內微孔；次生孔隙主要為溶孔，有少量裂縫發(fā)育。通過臺5－x3及臺試x5井鑄體薄片（圖1）對孔隙類型的統計表明，發(fā)現孔隙結構中84.78%為粒間孔，13.04%為微裂縫；喉道類型以縮頸型喉道為主，少量微喉道，孔徑分布一般在0.1～1μm之間，面孔率在1%～15%之間。分析表明，臺試5井孔隙以粒間孔為主，孔隙半徑比較細，微孔隙比較發(fā)育，發(fā)育少量微裂縫。

圖1 臺5－13井樣品中的粒間孔

對樣品進行壓汞分析實驗，統計發(fā)現臺南氣田儲層粒度中值變化范圍在0.1～1μm之間，平均為0.3 μm，當粒度中值小于1μm時，氣層電阻率降低明顯。這主要是由于巖性變細、顆粒比表面增大、孔隙結構變得更加復雜、微孔隙大量出現，導致儲層束縛水含量增加、含氣飽和度下降、氣層電阻率迅速降低［4－6］。臺南氣田樣品孔隙度、滲透率中等，分選性較差，滲透率在9.44～309mD 之間，平均為79.3mD，孔隙度在25.1%～35.0%之間，平均為28.8%，臺南氣田束縛水飽和度介于20%～95%。

2.4 黏土附加導電

黏土礦物中以蒙脫石、伊蒙混層礦物以及伊利石的附加導電作用最為顯著，當吸附陽離子的數量（即巖石表面的陽離子交換容量）較大時，吸附陽離子的附加導電作用非常顯著，可以使氣層電阻率明顯降低，甚至形成低阻氣層［7－10］。根據掃描電鏡資料（圖2），臺南氣田儲層中可分別識別出蒙脫石、伊—蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石以及少量綠—蒙混層等自生黏土礦物，它們分布于粒表或粒間。通過統計臺5－x3、臺6－x8、臺試x5等3口井各層位的黏土礦物相對含量發(fā)現，臺6－x8蒙皂石平均含量11.9%，伊利石43%，臺試x5和臺5－x3井不含蒙皂石，但伊利石和伊／蒙混層均比較高，臺試x5井伊／蒙混層含量高達43.8%，伊／蒙混層和伊利石平均含量在54%以上，可能存在黏土附加導電作用。

圖2 臺5－x3井電鏡掃描圖片

Waxman和Smits根據大量泥質砂巖樣品的實驗室測量結果，得出的經驗方程為：

式中Co、Cw、Ct分別為100%含水泥質、砂巖和地層水的電導率，（Ω·cm）－1；F＊為在Cw足夠高時，泥質砂巖的地層因素；B為交換陽離子的當量電導率，S·cm3／（mmol·m）；Qv為泥質砂巖的陽離子交換容量，mmol·m；n＊為飽和度指數；Sw為含水飽和度［11］。

圖3中虛斜線為純水砂巖在25℃實驗條件下的關系曲線，從圖3中可以看出，在淡的平衡溶液部分（Cw在0～2.5之間），泥質砂巖的電導率（Co）將隨溶液電導率（Cw）的增加急劇增大，Co增加的速度遠大于Cw增加的速度，當溶液電導率（Cw）進一步增加的時候，泥質砂巖的電導率（Co）將隨溶液電導率（Cw）的增加呈線性增加，即當溶液電導率（Cw）大于2.5（Ω·cm）－1時，此時Co—Cw的曲線呈線性關系。根據W＆S模型，在常溫（25℃）下，當溶液礦化度超過一定濃度時，陽離子附加電導B值將趨于一個非常有限的極值。礦化度越高，水溶液電導率（Cw）就越大，附加電導分量（BQv）與溶液電導（Cw）相比對總的電導貢獻就越小。因此當地層水礦化度很高時，黏土附加電導作用是完全可以忽略的。

圖3 不同溫度下Co與Cw關系圖

2.5 地層水礦化度對儲層電阻率的影響

而臺南氣田地層水類型以CaCl2為主，地層水的礦化度總體比較高，對研究區(qū)氣水層的地層水礦化度進行了統計分析。結果表明，研究區(qū)的地層水礦化度差別比較大，地層水礦化度在50 000～200 000mg／L之間。

根據臺南氣田平均礦化度為170 000mg／L，利用經驗公式：

式中Rw為25℃時的地層水電阻率，Ω·cm；Cw為25℃時的地層水電導率，（Ω·cm）－1；pw為25℃時的地層水礦化度，mg／L。

由式（3）得到25℃時的Cw為69.8（Ω·cm）－1，遠大于2.5（Ω·cm）－1的界限，再次證明臺南氣田的黏土附加導電作用是可以忽略的。同時也說明，該地區(qū)地層水礦化度較高，是造成電阻率絕對值低的主要原因之一。

3 鉆井液侵入低阻成因

臺南氣田具有中、高孔滲，并發(fā)育微裂縫，由于使用淡水鉆井液鉆井且長時間浸泡，導致鉆井液濾液侵入到地層深部，使得氣層的電阻率測井測量得到的氣層視電阻率值低于氣層的真電阻率值。同時，由于淡水鉆井液對高礦化度水層的長時間浸泡，在離子擴散作用下，水層的礦化度下降，造成水層的電阻率上升。在這種情況下，就出現了氣層低侵、水層高侵的現象，即氣層的視電阻率下降、水層的視電阻率上升，最終形成與水層電阻率差別不大的低阻氣層［9］。

4 低阻氣層識別方法

天然氣傳播速度要遠遠小于油和水，因此聲波時差在存在天然氣的地層中急劇增大，會產生“周波跳躍”現象，天然氣含氫指數很低，中子測井會產生一種“挖掘”效應，儲層含氣時會引起補償中子的視孔隙φN值降低。因此，巖性較純的氣層段，當把中子測井孔隙度和聲波測井孔度在水層段重疊時，在氣層段兩孔隙段將會有明顯的差值，即呈現明顯的“鏡像反映”特征［11－13］。

在鉆井液侵入規(guī)律認識的基礎上，建立基于鉆井液侵入原理的氣水識別方法，對研究區(qū)2口取心井（臺5－x3、臺6－x8）的830對數據回歸分析表明，孔隙度與聲波時差和補償中子的有良好的線性關系。因此視聲波孔隙度（φac）及補償中子的視孔隙（φN），可以通過分別擬合孔隙度與聲波時差和補償中子來求取，并擬合以下公式：

結合基于淡水鉆井液侵入特征分析以及聲波孔隙度和中子孔隙度的“鏡像反映”特征。通過引入“侵入因子”［（Rxo－Rt）／Rt］，其中Rxo、Rt分別為中、深感應測井值，建立“侵入因子”與 “鏡像反映”（φac－φN）的交會圖，可以有效地識別氣水層（圖4）。

圖4 “侵入因子”與 “鏡像反映”交會圖

Waxman－Smits指出阿爾奇公式是基于孔隙結構相對簡單的中高孔滲儲層的實驗提出的，阿爾奇公式對泥質含量比較低時比較實用，而對于泥質含量比較高又有一定裂縫發(fā)育的儲層適應性就要差一點。因此在建立系統深入的巖電實驗的基礎上，探究不同孔隙結構儲層的巖電參數變化規(guī)律，對阿爾奇公式的孔隙結構指數（m）和飽和度指數（n）進行修正，從而進一步能提高含水飽和度（Sw）計算精度。

研究區(qū)膠結指數與孔滲綜合指數相關性較好，隨著孔滲綜合指數增大，膠結指數增大，反映隨著儲層的物性逐漸變好，膠結指數也逐漸接近理想砂巖。通過實際巖電資料的分析，建立了膠結指數與孔滲綜合指數之間的關系式：

式中K／por為孔滲綜合指數；Swb為束縛水飽和度。

式（6）、（7）分別為孔隙結構指數（m）和飽和度指數（n）的計算公式，利用修正的阿爾奇公式計算Sw，并建立電阻率—孔隙度—含氣飽和度交會圖，能夠較好地識別氣水層（圖5）。

圖5 電阻率—孔隙度—含氣飽和度交會圖

5 應用效果

利用變孔隙結構指數（m）和飽和度指數（n）的方法，能夠有效地克服由于儲層復雜多變而對含水飽和度解釋造成的影響，同時結合交會圖法可以很好地識別氣水層，如臺5－x5井1 318.6～1 320.5m 井段4號層，原來計算的含水飽和度為57%，為氣層，通過采用變m和n的方法，計算的含水飽和度為66%，較常規(guī)飽和度計算模型提高了9%，解釋為水層，同時結合交會圖分析方法，認為聲波孔隙度相對較小、補償中子孔隙度大，沒有產生明顯的“鏡像反映”，對比深—中感應發(fā)現存在明顯的高侵現象，認為是高阻水層，后對該井段試氣，不含氣，日產水3.2m3，證實是水層。

6 結論

造成臺南氣田澀北組低阻氣層的主要原因是由于水動力條件較弱的淺湖沉積環(huán)境下發(fā)育的巖性粒度細、黏土礦物含量高以及低幅度構造背景下的高束縛水飽和度，而地層水礦化度高、復雜的孔隙結構、極強的非均質性和微裂縫發(fā)育進一步降低了氣層電阻率。此外，鉆井液侵入與地層浸泡時間對電阻率測井造成的影響是低阻不可忽視的一個重要外因。基于臺南氣田低阻成因分析，建立變孔隙結構指數（m）和飽和度指數（n）的方法能有效地控制含水飽和度的計算精度。實例證明，“侵入因子”與 “鏡像反映”的交會圖以及電阻率—孔隙度—含氣飽和度交會圖能夠有效地識別氣水層。

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