利用顯微紅外光譜技術(shù)表征非均質(zhì)油氣儲(chǔ)層裂縫特征
——以任丘潛山薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例

周漢國(guó)、郭建春、李 靜、劉思萌、彭成樂(lè)、侯江朋

1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川 成都 610500 2. 中國(guó)石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心、山東 東營(yíng) 257000 3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院、山東 青島 266580 4. 中國(guó)石油天然氣管道局、河北 廊坊 065000

利用顯微紅外光譜技術(shù)表征非均質(zhì)油氣儲(chǔ)層裂縫特征
——以任丘潛山薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例

周漢國(guó)1，2、郭建春1、李 靜3*、劉思萌4、彭成樂(lè)3、侯江朋3

1. 西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、四川 成都 610500 2. 中國(guó)石化勝利油田分公司油氣勘探管理中心、山東 東營(yíng) 257000 3. 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院、山東 青島 266580 4. 中國(guó)石油天然氣管道局、河北 廊坊 065000

油氣儲(chǔ)層裂縫既是重要的儲(chǔ)油空間、又是油氣運(yùn)移的主要通道、因此、裂縫表征非常重要。然而儲(chǔ)層巖石具有強(qiáng)烈的非均質(zhì)性、如何精確表征非均質(zhì)儲(chǔ)層裂縫是需要亟待解決的問(wèn)題。利用顯微紅外光譜技術(shù)可以對(duì)礦物分子的光譜曲線進(jìn)行分析、得到不同的峰值特征、精確獲得巖石介質(zhì)成分、裂縫的大小、裂縫充填物特性等。以任丘潛山型碳酸鹽巖非均質(zhì)儲(chǔ)層為例、基于顯微紅外光譜技術(shù)、通過(guò)分析巖心光片顯微紅外成像光譜圖和不同特征區(qū)域的光譜曲線、獲得了目標(biāo)樣品巖石介質(zhì)的物化特性和空間分布特征、預(yù)測(cè)了裂縫可能發(fā)育的區(qū)域,并分析了裂縫的有效性。結(jié)果表明、巖心樣品主要介質(zhì)為白云巖； 儲(chǔ)層裂縫中含有烴類有機(jī)物和鹽水包裹體、它們主要賦存于白云巖介質(zhì)中； 裂縫充填物中鹽水包裹體所占比例為51.7%、烷烴有機(jī)物所占比例為26.0%、裂縫發(fā)育從巖心樣品左上方區(qū)域延伸至右下方區(qū)域、表明該延伸區(qū)域可能是流體運(yùn)移的通道； 鹽水包裹體會(huì)阻礙油氣的運(yùn)移、導(dǎo)致裂縫的滲透率降低； 實(shí)驗(yàn)測(cè)得巖石裂縫寬度為1～1.5 mm、屬于大裂縫、油氣可以順利通過(guò)、因此、裂縫的有效性好。研究表明利用顯微紅外光譜成像技術(shù)表征非均質(zhì)儲(chǔ)層裂縫特征是切實(shí)可行的、為非均質(zhì)油氣儲(chǔ)層精確表征提供了一種新方法。

顯微紅外光譜； 非均質(zhì)儲(chǔ)層； 碳酸鹽巖； 流體包裹體； 裂縫

引 言

多場(chǎng)耦合作用在引起大尺度地層結(jié)構(gòu)變化的同時(shí)、也在顯微尺度上對(duì)成巖及其演化過(guò)程中的非均質(zhì)分布產(chǎn)生重要影響。顯微紅外光譜具有分析速度快、效率高、成本低、無(wú)損分析等點(diǎn)[1-2]、已成為應(yīng)用最廣的光譜分析技術(shù)、被稱為分析的巨人[1，3]。根據(jù)不同有機(jī)物質(zhì)具有相異的光譜圖像和吸收波長(zhǎng)的特點(diǎn)、顯微紅外光譜可以在微觀尺度上表征物質(zhì)特征。本工作以任丘潛山碳酸鹽巖儲(chǔ)層為例、在作者前期熒光顯微鏡觀察、顯微拉曼光譜研究[4]的基礎(chǔ)上、應(yīng)用顯微紅外光譜技術(shù)研究油氣儲(chǔ)層裂縫充填物中物質(zhì)的組成成分和空間分布、對(duì)碳酸鹽巖儲(chǔ)層裂縫進(jìn)行了微觀尺度分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

因碳酸鹽巖質(zhì)地較脆且易于溶蝕、容易形成孔隙或裂縫、而裂縫充填物的組成成分以及充填程度、性質(zhì)、產(chǎn)狀等常常含有應(yīng)力場(chǎng)信息、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)信息等[5]、能夠反映儲(chǔ)層的油氣產(chǎn)出、對(duì)于裂縫的研究有著重要作用。流體包裹體反映了當(dāng)時(shí)地質(zhì)環(huán)境中的各種地質(zhì)地球化學(xué)信息(壓力、溫度、酸堿度、成分、密度、鹽度等)、據(jù)此可以了解各種地質(zhì)體的形成條件和過(guò)程[6]。

1.1 巖心光片分析區(qū)域的選擇

實(shí)驗(yàn)用巖心光片樣品均來(lái)自任丘潛山任28井、層位屬于薊縣系霧迷山組(Jxw)、位于霧迷山組的霧四段底層和霧三段頂層、井深為3 243.25 m、巖性為灰褐色白云巖。在熒光顯微鏡下分別進(jìn)行白光透射和熒光觀察并留存數(shù)字圖像記錄、共檢測(cè)過(guò)14個(gè)流體包裹體樣品(內(nèi)含123個(gè)包裹體)、包裹體主要存在于方解石脈及次生石英基質(zhì)巖心的裂縫中、分為無(wú)機(jī)鹽水包裹體和有機(jī)烴包裹體兩大類。

顯微紅外光譜實(shí)驗(yàn)所用儀器為美國(guó)珀肯—艾爾默公司生產(chǎn)的Spotlight 400/400N型傅里葉變換紅外/近紅外成像系統(tǒng)、采用25 μm分辨率、在可見光黑白圖像上選取12個(gè)分析區(qū)域如圖1所示。

圖1 25 μm像素分辨率下巖石光片黑白圖像

1.2 研究區(qū)域巖石的顯微紅外成像光譜特征

為了解每個(gè)研究區(qū)域的概貌、綜合考慮巖心光片及其片基的主要有機(jī)和無(wú)機(jī)化學(xué)成分的紅外透射光譜和反射光譜特性、因固體色散特性使這兩種方式的光譜完全不同、固體對(duì)一個(gè)頻率光的吸收、透射光譜曲線表現(xiàn)為一個(gè)相當(dāng)窄的光譜吸收峰(稱為窄頻域性)； 而反射光譜曲線表現(xiàn)為一個(gè)相當(dāng)寬的反射光譜帶(稱為寬頻域性)、在很長(zhǎng)波長(zhǎng)的光譜區(qū)、其光反射強(qiáng)度一直保持一定的值而不為零。因此、反射光譜曲線對(duì)于含多種成分的復(fù)雜物質(zhì)的混合光譜進(jìn)行解混是很困難的。故采用具有窄頻域性的透射光譜、對(duì)圖1中巖石光片上選取的各個(gè)研究區(qū)域進(jìn)行顯微紅外光譜成像處理、用光譜積分范圍(中心波長(zhǎng)、光譜帶寬)的方法來(lái)解決混合光譜解混的問(wèn)題、形成具有不同吸光度的光譜圖像。選取光譜波數(shù)范圍為4 000～1 400 cm-1、這一波數(shù)段的紅外光、既有利于探測(cè)烷烴有機(jī)物的靈敏度、同時(shí)又避免了巖心無(wú)機(jī)礦物基質(zhì)的強(qiáng)吸收干擾過(guò)大的問(wèn)題。B008(3)黑白圖像中B3區(qū)域在4 000～1 400 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)的顯微紅外成像光譜圖如圖2所示。

圖2實(shí)際上是一個(gè)比包含烷烴吸收譜帶(2 950～2 850 cm-1)更寬一些的光譜波段的吸光度光譜積分值(同時(shí)也包括對(duì)宿主礦物的一定吸收)、在樣品平面上的二維(X,Y)空間分布圖(強(qiáng)度以假彩色表示)、由此可進(jìn)一步選擇若干特征點(diǎn)作分析。

圖2 B3區(qū)域的顯微紅外成像光譜圖

2 結(jié)果與討論

2.1 特征點(diǎn)分析

碳酸鹽巖介質(zhì)呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非均質(zhì)性、所含的復(fù)雜物質(zhì)結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致光譜曲線的偏移、影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的提取和判斷。因此、需要對(duì)光譜吸光度成像圖進(jìn)行譜圖預(yù)處理、本工作采用Savitzky-Golay卷積平滑法完成譜圖運(yùn)算、譜圖經(jīng)預(yù)處理后、在研究區(qū)域紅外成像光譜圖中根據(jù)吸光度不同選取特征點(diǎn)、圖2中B3區(qū)域選定的5個(gè)特征點(diǎn)紅外光譜曲線如圖3所示。

圖3 B3區(qū)域特征點(diǎn)紅外光譜曲線圖

根據(jù)圖3可知、五條曲線均有明顯的特征峰值、其中在3 650～3 200 cm-1處有峰值趨勢(shì)、在3 450 cm-1處有較強(qiáng)峰、表明該巖心光片中普遍含有游離羥基。作者前期對(duì)該樣品流體包裹體的熒光顯微鏡觀察和顯微深度剖析拉曼光譜研究已經(jīng)表明該巖石裂縫中含有鹽水包裹體[4]。裂縫中包裹體等充填物的物理化學(xué)變化影響著裂縫的成因、環(huán)境和流體運(yùn)移情況[7]、無(wú)機(jī)充填物使裂縫滲透率降低、可能堵塞油氣運(yùn)移的通道、破壞裂縫的有效性。圖3中Spectrum 1 與富含羥基的石灰?guī)r光譜曲線相似[8]、由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知1點(diǎn)區(qū)域的巖石介質(zhì)主要為石灰?guī)r。

除Spectrum 1外、另外四條曲線在2 950～2 850 cm-1處有明顯的峰值趨勢(shì)、說(shuō)明巖心樣品中含有烷烴。在前述的圖2中、任意一個(gè)位點(diǎn)(X0,Y0)都有一個(gè)相應(yīng)的吸光度值(主要反映烷烴的吸收)、由圖2右側(cè)假彩色豎柱標(biāo)尺表示。不同的位點(diǎn)有不同的假彩色、也就意味著有不同的吸光度值、即烷烴的含量空間分布不均勻。對(duì)其余選取區(qū)域進(jìn)行特征點(diǎn)分析、也發(fā)現(xiàn)其中均含有明顯的不均勻分布的烷烴、說(shuō)明該巖石光片中含有有機(jī)化合物。含有烷烴的有機(jī)化合物是石油的重要組成部分、表明在該巖心光片中除1點(diǎn)區(qū)域外的其余部分均含有石油。

從任28井巖心剖面上先后采集晶洞原油樣品兩個(gè)(層位均為Jxw、井深分別為3 214.4～3 367.13 m； 3 265.02～3 268.35 m、巖性分別為褐灰白云巖和深灰斑狀白云巖)、外觀觀察含油小晶洞與外部不連通。熒光薄片鏡下觀察全呈亮黃色、其正構(gòu)烷烴主峰是C25(與上一地層的雙洞鐵嶺組油苗的發(fā)光特征相同)、而與第三系原油的發(fā)光特征有明顯差別。晶洞原油同本層白云巖抽提物的甾、萜烷分布特征十分相似。其主要特點(diǎn)是：5α-C27<5α-C29,5α-C28<5α-C29、γ-蠟烷

由于烷烴有機(jī)化合物的存在、巖心光片上存在較大范圍的白云巖介質(zhì)。對(duì)所選區(qū)域方位坐標(biāo)進(jìn)行中值計(jì)算、描述其在光片中的區(qū)域位置、其方位分布圖如圖4所示。

圖4 選擇區(qū)域中值點(diǎn)分布圖(μm)

根據(jù)圖4可知、含有有機(jī)化合物的區(qū)域集中分布在第二、第四象限中、由此可知該巖心樣品白云巖介質(zhì)可能存在于左上至右下方延伸區(qū)域、而白云巖介質(zhì)中存在有機(jī)化合物和流體包裹體、說(shuō)明該區(qū)域可能是流體運(yùn)移的通道、是巖石裂縫可能形成的區(qū)域。

2.2 儲(chǔ)層裂縫的有效性分析

前人研究認(rèn)為[9-11]、白云巖儲(chǔ)層中孔隙和裂縫是油氣運(yùn)移的主要通道、分析裂縫的有效性非常重要。根據(jù)紅外光譜實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步分析研究區(qū)域裂縫中鹽水包裹體與烷烴的空間分布、據(jù)此判斷裂縫的有效性。

根據(jù)圖2所示的B3區(qū)域特征點(diǎn)紅外光譜曲線可以得出、在3 650～3 200 cm-1處有峰值趨勢(shì)、在3 450 cm-1處有較強(qiáng)吸收峰、說(shuō)明巖石裂縫中普遍存在游離羥基、因此、選取3 650～3 200 cm-1作為游離羥基的吸收帶、利用該波段吸收峰的面積分進(jìn)行游離羥基的假彩色成像、得出鹽水包裹體在巖石裂縫中的空間分布、如圖5(a)所示。同理、選取2 950～2 850 cm-1的烷烴的吸收帶提取圖像、利用該波段吸收峰的面積分進(jìn)行烷烴的假彩色成像、得出烷烴在巖石裂縫中的空間分布、如圖5(b)所示。用不同顏色表示像素點(diǎn)處吸光度等物理量強(qiáng)度的大小、假彩色條柱從紅色到紫色表示吸光度從大到小、即紅色最強(qiáng)、紫色最弱。

由于3 650～3 200 cm-1波段主要是羥基的振動(dòng)吸收帶、圖5(a)表示巖心光片對(duì)這一波段紅外光的吸收程度、其中、綠色到紅色區(qū)域表示鹽水包裹體存在的區(qū)域； 同理、2 950～2 850 cm-1波段主要是烷烴中甲基和亞甲基對(duì)稱與不對(duì)稱的振動(dòng)吸收帶、圖5(b)中綠色到紅色區(qū)域表示烷烴富集區(qū)域。由圖5可知、裂縫寬度為1～1.5 mm、根據(jù)裂縫級(jí)別劃分標(biāo)準(zhǔn)[12]可知該巖石裂縫屬于大裂縫。

圖5 紅外光譜特征值圖像

為了更加清晰地觀察烷烴在巖石裂縫中的空間分布、對(duì)紅外光譜特征值圖像進(jìn)行譜圖分析、同時(shí)對(duì)烷烴進(jìn)行化學(xué)成分標(biāo)定顯示。由上述可知、該巖石裂縫主要由巖石介質(zhì)、鹽水包裹體、有機(jī)包裹體組成、利用2 520～2 530、3 250～3 550、3 650～3 200和2 950～2 850 cm-1波段對(duì)這三者進(jìn)行單獨(dú)提取、利用軟件SpectrumIMAGE將這三者的光譜圖進(jìn)行組合疊加、并用Savitzky-Golay卷積平滑處理排除噪聲物質(zhì)的干擾。經(jīng)過(guò)組合、弱化巖石介質(zhì)和鹽水包裹體光譜圖像顯示、同時(shí)強(qiáng)化有機(jī)包裹體光譜圖像、單獨(dú)表示出了烷烴的空間分布區(qū)域、結(jié)果如圖6所示。

圖6 烷烴化學(xué)成分標(biāo)定圖

根據(jù)圖6所得結(jié)果、紅色區(qū)域代表巖石介質(zhì)和羥基比較集中的區(qū)域； 藍(lán)色區(qū)域代表巖石裂縫中除烷烴有機(jī)物和鹽水包裹體以外的其他物質(zhì)所在區(qū)域； 綠色區(qū)域代表裂縫中烷烴比較集中的區(qū)域、使用軟件SpectrumIMAGE分別統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域中鹽水包裹體與烷烴有機(jī)物占裂縫區(qū)域的面積百分比：烷烴有機(jī)物為26.0%、鹽水包裹體為51.7%。鹽水包裹體在裂縫中會(huì)阻礙油氣的運(yùn)移、導(dǎo)致裂縫的滲透率降低； 實(shí)驗(yàn)測(cè)得巖石裂縫寬度為1～1.5 mm、屬于大裂縫、油氣可以順利通過(guò)、說(shuō)明該巖石裂縫的有效性好。

3 結(jié) 論

(1)研究區(qū)域碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖石中含有烴類有機(jī)物和鹽水包裹體、烴類有機(jī)物主要賦存于白云巖介質(zhì)中、鹽水包裹體和烷烴有機(jī)物所在區(qū)域中值點(diǎn)位于巖心樣品的第二、第四象限中、表明該巖心樣品自左上方至右下方延伸區(qū)域可能是流體運(yùn)移的通道、是巖石裂縫可能形成的區(qū)域。

(2)通過(guò)紅外光譜分析可知、研究區(qū)域儲(chǔ)層裂縫主要存在于白云巖介質(zhì)中、裂縫充填物中鹽水包裹體所占比例較大為51.7%、烷烴有機(jī)物的含量較小為26.0%、巖石裂縫寬度為1～1.5 mm、屬于大裂縫、裂縫的有效性好。

利用顯微紅外光譜成像技術(shù)精確表征非均質(zhì)油氣儲(chǔ)層裂縫特征、為探尋優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層、提高油氣藏的勘探開發(fā)效果提供了一定的科學(xué)依據(jù)。

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*Corresponding author

Characterizing Fracture Characteristics of Heterogeneous Oil and Gas Reservoir by Using Microscopic Infrared Spectroscopy Technique——Taking Carbonate Reservoir of the Wumishan Formation of Jixian System in Renqiu Burried Hill as an Example

ZHOU Han-guo1,2,GUO Jian-chun1、LI Jing3*,LIU Si-meng4,PENG Cheng-le3、HOU Jiang-peng3

1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation、Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China 2. Manage Center of Oil and Gas Exploration of SINOPEC Shengli Oilfield Company、Dongying 257000,China 3. College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China 4. China Petrolum Pipeline Bureau、Langfang 065000,China

Oil and gas reservoir fracture is not only the important reservoir space,but also the main passage of the oil and gas migration. Therefore,the characterization of fracture is of great importance. However,reservoir rocks have strong heterogeneity,how to characterize heterogeneous reservoir fracture accurately is an urgent problem to be solved. Microscopic infrared spectroscopy imaging technique can be used to analyze spectral curve of the mineral molecules,different peak characteristics were got,and rock medium composition,the size of the rock fracture,and fracture filler properties and other characteristics were obtained accurately. In this work,carbonate heterogeneous reservoir of Renqiu buried hill was taken as an example,based on the microscopic infrared spectroscopy imaging technique,by the analysis of core sample infrared imaging spectrogram and spectral curves of different characteristic regions,the physicochemical characteristics of the target sample and spatial distribution of the rock medium were obtained,the regions where rock fracture maybe occurred were predicted and the effectiveness of the fractures was analyzed. The results show that the main medium of rock sample is dolomite. The rock fractures contain hydrocarbon organic and salt-water inclusion、which mainly exist in dolomite medium. The proportion of salt-water inclusion is 51.7%,and that of alkane organic matter is 26.0% in the fracture filler. The fracutres extend from the upper left region of core sample to the lower right region,which shows that the extended region of the core sample may be the passage of fluid migration. The salt-water inclusions can impede the migration of oil and gas,resulting in the decrease of fractures permeability. The experimental results show that the width of fractures is 1～1.5 mm,which belongs to large fracture,oil and gas can pass the fractures smoothly,therefore,the effectiveness of the fracture is good. The results showed that it is feasible to characterize the fracture of heterogeneous reservoir by means of microscopic infrared spectroscopy imaging technique,and it provides a new method for the accurate characterization of the fracture of heterogeneous reservoir.

Microscopic infrared imaging spectroscopy; Heterogeneous reservoir; Carbonate rocks; Fluid inclusions; Fractures

Sep. 14,2015; accepted Jan. 15,2016)

2015-09-14、

2016-01-15

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41272141)、國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05002-002)資助

周漢國(guó)、1969年生、西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生 e-mail：zhouhanguoupc@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: lijing0681@163.com

TE122.2

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3926-05