烏石油田流三段含礫砂巖油層低阻成因分析*

張恒榮 何勝林 丁 磊 譚 偉 楊 毅

(中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057)

南海西部海域存在大量的低對(duì)比度油層，其中北部灣盆地烏石油田流三段含礫砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，壓汞曲線呈多平臺(tái)段特征，核磁共振測井T2譜表現(xiàn)為高束縛孔的多峰分布特征，導(dǎo)致油層電阻率變化規(guī)律非常復(fù)雜，甚至出現(xiàn)局部“高孔低阻、低孔高阻”的現(xiàn)象，使得常規(guī)的阿爾奇導(dǎo)電理論已不再適用，給測井解釋工作帶來很大難度，極有可能將油層解釋為水層，從而造成探明儲(chǔ)量的損失。

針對(duì)低對(duì)比度油層成因及識(shí)別方法，國內(nèi)外研究學(xué)者做了大量的研究工作，認(rèn)為地層中陽離子賦予黏土礦物的附加導(dǎo)電性造成油層電阻率的降低，同樣導(dǎo)電礦物自身的導(dǎo)電特性也會(huì)增強(qiáng)巖心骨架的導(dǎo)電性[1-5]；孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，會(huì)影響束縛水含量，造成其含量過高而導(dǎo)致油層電阻率過低[6]；儲(chǔ)層電阻率與巖石粒度具有正相關(guān)的關(guān)系，巖石粒度越小，由于其比表面積的增加，束縛水會(huì)隨之變大，使得儲(chǔ)層電阻率降低[7]；地層水礦化度越高，油層電阻率越低[8-9]。研究表明，三角洲相容易產(chǎn)生低阻油藏，因?yàn)槠渌畡?dòng)力環(huán)境不強(qiáng)，導(dǎo)致泥質(zhì)含量高，繼而造成束縛水含量增大[10-13]；由于經(jīng)過壓實(shí)、膠結(jié)和溶蝕等成巖作用，儲(chǔ)層物性不好，進(jìn)而形成低阻油藏[14-16]；對(duì)于構(gòu)造油藏來說，驅(qū)替力很弱的低幅度油層，其含油飽和度一般較低[17]。當(dāng)然，還有一些其他因素，如測井儀器分辨率低、薄互層、鉆井液侵入等[18-19]，也會(huì)造成油層電阻率的降低。

本文以數(shù)字巖石物理技術(shù)為依托，對(duì)北部灣盆地烏石油田流三段含礫砂巖低阻油層導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行了“可視化”精細(xì)刻畫，并結(jié)合多種常規(guī)巖石物理實(shí)驗(yàn)手段及分析技術(shù)，揭示了黏土礦物架橋于大孔隙導(dǎo)致微孔隙發(fā)育是該類儲(chǔ)層形成低阻油層的根本原因，從而建立了一套基于數(shù)字巖石物理技術(shù)的低對(duì)比度油層成因分析技術(shù)。

1 宏觀地質(zhì)因素

油氣儲(chǔ)層在形成過程中大都經(jīng)歷了沉積、構(gòu)造和成巖作用，烏石油田流三段含礫砂巖低對(duì)比度油層的形成與這三者也密不可分。研究表明，低對(duì)比度油層也會(huì)分布在一些低幅圈閉的油藏中，油層距自由水平面越高，毛管壓力越大，對(duì)應(yīng)的含油飽和度越大，油層電阻率越大；相反，則容易形成低阻油藏。烏石油田流三段高阻區(qū)和低阻區(qū)均有斷塊油藏分布，目的層含油高度平均值分別為120 m和140 m，因此構(gòu)造幅度的影響較小。

分析認(rèn)為，烏石油田流三段沉積環(huán)境是水進(jìn)型扇三角洲，主要是扇三角洲前緣沉積，可劃分為內(nèi)前緣、外前緣近端和外前緣遠(yuǎn)端(圖1)。W4、W6、W7、W8、W10等井主要位于扇三角洲外前緣，水動(dòng)力較強(qiáng)，巖性以中砂巖和砂礫巖為主，分選磨圓較好，巖屑含量和泥質(zhì)含量被帶走較多，孔隙連通性雖有一定程度改善，但微孔隙不發(fā)育，因此表現(xiàn)為高阻特征；而W1、W2、W3、W9、W11等井主要位于扇三角洲內(nèi)前緣，巖性以砂礫巖為主，測井上表現(xiàn)為大套箱狀砂體，巖心上表現(xiàn)為砂泥巖混雜堆積、分選差、巖屑和雜基含量較多，壓實(shí)作用和溶解作用會(huì)間接導(dǎo)致微孔隙較發(fā)育，因此表現(xiàn)為低阻特征[20]。

圖1 烏石油田流三段沉積分布Fig .1 Sedimentary distribution of Liu-3 Member in Wushi oilfield

2 巖石導(dǎo)電與工程因素

沉積、構(gòu)造、成巖作用等宏觀地質(zhì)因素是烏石油田流三段含礫砂巖低對(duì)比度油層形成的背景，但即使是相同的沉積、構(gòu)造環(huán)境和壓實(shí)條件，也會(huì)出現(xiàn)不同的儲(chǔ)層條件，這是因?yàn)榇嬖谝恍┕こ掏庖蚝蛶r石導(dǎo)電內(nèi)因。根據(jù)國內(nèi)外大量低阻油氣藏開發(fā)研究的經(jīng)驗(yàn)，工程外因主要?dú)w結(jié)為鉆井液侵入、薄互層以及測井儀器縱向分辨率的影響等3種；巖石導(dǎo)電內(nèi)因主要?dú)w結(jié)為骨架導(dǎo)電、黏土礦物附加導(dǎo)電、地層水礦化度、巖石粒度、孔隙結(jié)構(gòu)以及潤濕性的影響等6種。

首先，從工程外因方面進(jìn)行成因分析。烏石油田流三段地層水礦化度為15 000～20 000 mg/L，鉆井過程中均采用海水鉆井液，鉆井液濃度超過40 000 mg/L，由于鉆井液濃度與地層水礦化度差異很大，如果采用鉆后電纜方式進(jìn)行測量，勢必導(dǎo)致鉆井液侵入嚴(yán)重，造成低侵現(xiàn)象而形成低阻油層；而該靶區(qū)在鉆井過程中廣泛采用LWD隨鉆測井系列進(jìn)行測量，鉆井液浸泡時(shí)間短，測井曲線受侵入影響小。同時(shí)，根據(jù)該區(qū)實(shí)際測井曲線剖面，低阻區(qū)(如W2井)油層段并未出現(xiàn)自然電位曲線異常幅度降低、隨鉆電磁波電阻率測井中不同探測深度電阻率曲線存在分異等鉆井液侵入特征現(xiàn)象，并且電成像測井顯示該井低阻油層段主要發(fā)育箱狀砂礫巖儲(chǔ)層，不發(fā)育薄互層儲(chǔ)層(圖2)。因此，工程外因不是導(dǎo)致該區(qū)油層低阻的主要原因。

圖2 烏石油田W2井流三段測井曲線剖面Fig .2 Log curve profile of Liu-3 Member in Well W2，Wushi oilfield

其次，從巖石導(dǎo)電內(nèi)因方面進(jìn)行成因分析。對(duì)該區(qū)各井儲(chǔ)層巖心進(jìn)行了多項(xiàng)巖石物理實(shí)驗(yàn)及高精度掃描實(shí)驗(yàn)，用于判斷導(dǎo)致該區(qū)油層低阻的成因機(jī)理。通過對(duì)鑄體薄片實(shí)驗(yàn)、全巖X衍射實(shí)驗(yàn)、相滲實(shí)驗(yàn)等資料進(jìn)行分析，得到了該區(qū)各井巖石骨架導(dǎo)電礦物含量、黏土礦物組分含量、粒度分布、潤濕性等數(shù)據(jù)，排除了巖石骨架礦物導(dǎo)電與潤濕性導(dǎo)致該區(qū)油層低阻的可能。在此基礎(chǔ)上，又對(duì)巖石礫石大小進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果表明低阻區(qū)礫石直徑主要分布在10～20 mm，而高阻區(qū)礫石直徑主要分布在10～25 mm，但粒度中值基本均分布在0.5～1.6 mm，屬于粗砂、極粗砂級(jí)別的顆粒；而且薄片定性分析面孔率主要受小粒度顆粒的影響，因此排除了礫石大小造成該靶區(qū)油層低阻的可能，但是粒度組分復(fù)雜以及配置關(guān)系復(fù)雜引起的非均質(zhì)性可能進(jìn)一步導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。

黏土礦物含量及類型是很多低阻油層形成的主要原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該區(qū)儲(chǔ)層巖石石英含量超過80%，黏土礦物含量少于10%，蒙脫石、伊利石、高嶺石以及綠泥石含量均沒有明顯變化；高阻區(qū)及低阻區(qū)黏土礦物含量均較少(5%～7%)，不同區(qū)黏土礦物類型基本一致，以陽離子交換中等的伊利石為主，因此在高礦化度背景下陽離子交換引起的黏土礦物附加導(dǎo)電不是導(dǎo)致該靶區(qū)油層低阻的主要因素。

通過煮水導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)及多尺度孔隙結(jié)構(gòu)組合分析實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為地層水礦化度以及孔隙結(jié)構(gòu)的差異分別是導(dǎo)致烏石油田流三段含礫砂巖油層呈現(xiàn)低對(duì)比度的次要原因和主要原因。由于無論是蒸發(fā)還是干燥，都不能將巖心孔隙內(nèi)部的導(dǎo)電礦物離子排除掉，為了準(zhǔn)確測量地層水礦化度大小，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了干巖樣煮水導(dǎo)電測量實(shí)驗(yàn)，將一定體積的去離子水與巖心混合后進(jìn)行充分加熱，再根據(jù)煮出水的礦化度來推算原始地層水的礦化度。假設(shè)煮水后剩余水體積為V1、測得的剩余水礦化度為C，則地層水礦化度Cm表示為

(1)

式(1)中：Vφ為巖心孔隙體積，cm3；Sw為原生水飽和度，無量綱。

實(shí)驗(yàn)測量表明烏石油田流三段高阻區(qū)地層水礦化度為11 000 mg/L，低阻區(qū)地層水礦化度為18 000 mg/L，低阻區(qū)地層水礦化度高于高阻區(qū)地層水礦化度，故認(rèn)為地層水礦化度的差異是導(dǎo)致該區(qū)油層低阻的次要原因。

3 儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征

在導(dǎo)致油層低阻的諸多內(nèi)因中，高束縛水一般是主要因素，但是造成高束縛水的原因很多，而烏石油田流三段含礫砂巖儲(chǔ)層的孔隙結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且微孔隙非常發(fā)育。

對(duì)烏石油田4口取心井流三段巖心孔隙度和滲透率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示高阻區(qū)和低阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙度相差不大，但低阻區(qū)儲(chǔ)層滲透率較低，說明低阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。為進(jìn)一步分析高阻區(qū)和低阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的區(qū)別，設(shè)計(jì)了鑄體薄片實(shí)驗(yàn)、壓汞實(shí)驗(yàn)、CT掃描實(shí)驗(yàn)、Qemscan礦物掃描實(shí)驗(yàn)、核磁共振實(shí)驗(yàn)以及超大面積掃描電鏡實(shí)驗(yàn)，從多種尺度進(jìn)行分析。

3.1 孔隙結(jié)構(gòu)分布特征

通過對(duì)該區(qū)流三段巖心鑄體薄片資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高阻區(qū)及低阻區(qū)儲(chǔ)層視孔隙度差異較大(圖3)，高阻區(qū)總視孔隙度為11.25%，低阻區(qū)總視孔隙度為6.3%，高阻井總視孔隙度遠(yuǎn)高于低阻井。同時(shí)，高阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙分布比較均勻，低阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙分布各向異性較強(qiáng)；高阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙連通性明顯好于低阻區(qū)，高阻區(qū)雜基較少，而低阻區(qū)雜基明顯增多。

壓汞法可以有效測定巖心的孔徑分布情況。從圖4可以看出，高阻區(qū)巖心壓汞曲線呈現(xiàn)明顯單平臺(tái)型孔喉分布，跨越汞飽和度區(qū)間0～50%，以大孔喉為主，啟動(dòng)壓力以0.02 MPa為主；而低阻區(qū)巖心孔喉結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，呈現(xiàn)雙平臺(tái)型孔喉分布，跨越汞飽和度區(qū)間0～80%，微孔喉較發(fā)育，啟動(dòng)壓力以0.1 MPa為主。另外，高阻區(qū)巖心毛管壓力曲線相對(duì)集中，反映儲(chǔ)層非均質(zhì)性弱；而低阻區(qū)巖心毛管壓力曲線較發(fā)散，反映儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。

圖3 烏石油田流三段高阻區(qū)(左)及低阻區(qū)巖心(右)鑄體薄片F(xiàn)ig .3 Cast slice image of Liu-3 Member in high(left) and low(right) resistivity well，Wushi oilfield

圖4 烏石油田流三段高阻區(qū)(左)及低阻區(qū)(右)巖心壓汞曲線Fig .4 Mercury-injection curves of Liu-3 Member in high(left) and low(right) resistivity well，Wushi oilfield

對(duì)該區(qū)流三段巖心進(jìn)行核磁共振實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明低阻區(qū)和高阻區(qū)呈現(xiàn)完全不一致的孔隙特征(圖5)，高阻區(qū)為高產(chǎn)高孔滲井，其核磁共振T2譜主要集中在中孔隙和大孔隙位置，即100 ms和1 000 ms位置；而低阻區(qū)儲(chǔ)層孔隙分布較為復(fù)雜，各種尺寸的孔隙雖然均有發(fā)育，但是小孔隙占比較多，且同一儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)存在很大差異。另外，該靶區(qū)流三段儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)分布和產(chǎn)能特征完全吻合，微孔隙和小孔隙發(fā)育井電阻率呈現(xiàn)低阻特征，從而導(dǎo)致束縛水飽和度高，出現(xiàn)低阻低產(chǎn)。結(jié)合壓汞曲線以及核磁共振T2譜的波峰和波谷位置，認(rèn)為該區(qū)流三段微孔主峰發(fā)育在0.68 μm，小于3.18 μm的孔隙定義為微孔。

圖5 烏石油田流三段高阻區(qū)(左)及低阻區(qū)(右)巖心核磁共振實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig .5 NMR results of cores in Liu-3 Member of high(left) and low(right) resistivity well，Wushi oilfield

3.2 微孔隙發(fā)育成因

采用多級(jí)CT掃描對(duì)烏石油田流三段巖心進(jìn)行了分析。圖6、7分別為9-2號(hào)低阻區(qū)巖心和6-2號(hào)高阻區(qū)巖心多級(jí)CT掃描圖像，其中左圖為2.5 cm 直徑柱塞巖心CT 掃描切片圖(掃描分辨率為25 μm)，右圖是從柱塞巖心鉆取的4 mm 直徑子樣品掃描結(jié)果(掃描分辨率為4 μm)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低阻區(qū)巖心同時(shí)存在大孔隙和小孔隙，而高阻區(qū)巖心以大孔隙為主，證實(shí)了由于微孔喉較發(fā)育造成低阻井束縛水飽和度較高，形成了以束縛水為主要成分的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致油層低阻[14]。

為進(jìn)一步揭示微孔隙發(fā)育成因，通過Qemscan礦物組分定量分析成像實(shí)驗(yàn)，對(duì)該靶區(qū)樣品礦物物質(zhì)組成、巖石特征、成分定量、礦物分布特征、礦物粒級(jí)分布、礦物解離度等重要參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)定量分析，進(jìn)而探討孔隙內(nèi)礦物組分分布與孔隙結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。圖8、9分別為高阻區(qū)6-3號(hào)巖心和低阻區(qū)9-13A巖心的CT掃描圖像及其對(duì)應(yīng)的Qemscan礦物掃描圖像。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，高阻區(qū)巖心孔隙主要以粒間孔為主，微孔隙發(fā)育較少；而低阻區(qū)巖心伊利石等泥質(zhì)組分含量較高，且存在填充大孔隙以及長石沿節(jié)理分布的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致微孔隙發(fā)育。

圖6 烏石油田流三段9-2號(hào)低阻區(qū)巖心低分辨率(左)和高分辨率(右)CT掃描圖像Fig .6 Low-res(left) and high-res(right) CT image of No. 9-2 core in Liu-3 Member of low resistivity well，Wushi oilfield

圖7 烏石油田流三段6-2號(hào)高阻區(qū)巖心低分辨率(左)和高分辨率(右)CT掃描圖像Fig .7 Low-res(left) and high-res(right) CT image of No.6-2 core in Liu-3 Member of high resistivity well，Wushi oilfield

圖8 烏石油田流三段高阻區(qū)6-3號(hào)巖心CT圖像(左)與Qemscan礦物掃描圖像(右)Fig .8 CT(left) and Qemscan mineral distribution map(right) of No.6-3 core in Liu-3 Member of high resistivity well，Wushi oilfield

圖9 烏石油田流三段低阻區(qū)9-13A號(hào)巖心CT圖像(左)與Qemscan礦物掃描圖像(右)Fig .9 CT(left) and Qemscan mineral distribution map(right) of No.9-13A core in Liu-3 Member of low resistivity well，Wushi oilfield

由此可見，大孔一般反映高阻特征，低阻特征則更多受微孔控制；常規(guī)巖心分析手段主要側(cè)重于孔隙宏觀結(jié)構(gòu)分析，對(duì)微小孔往往只是定性評(píng)價(jià)，而數(shù)字巖石物理技術(shù)具有微觀化、可視化等特點(diǎn)。針對(duì)烏石油田流三段含礫砂巖儲(chǔ)層，在CT掃描和Qemscan礦物掃描的過程中，首次以納米級(jí)分辨率明確了泥質(zhì)充填大孔隙和長石沿節(jié)理分布形成微孔隙的特征，這種分布最容易形成高束縛水，是形成低阻油層的主要原因。因此，黏土礦物架橋于大孔隙導(dǎo)致微孔隙發(fā)育是該類儲(chǔ)層形成低阻油層的根本原因。

4 結(jié)論

烏石油田流三段含礫砂巖油層電阻率變化復(fù)雜，呈現(xiàn)低滲、低阻及低對(duì)比度特征，本文從宏觀地質(zhì)因素、巖石導(dǎo)電與工程因素和儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征等方面進(jìn)行了油層低阻成因分析。結(jié)果表明：壓實(shí)作用和溶解作用的存在會(huì)間接導(dǎo)致油層低阻，地層水礦化度差異是導(dǎo)致油層低阻的次要原因；該區(qū)儲(chǔ)層伊利石等泥質(zhì)組分含量較高，且存在填充大孔隙和長石沿節(jié)理分布的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致微孔隙發(fā)育，易形成高束縛水，這是形成低阻油層的主要原因。因此，黏土礦物架橋于大孔隙導(dǎo)致微孔隙發(fā)育是該類儲(chǔ)層形成低阻油層的根本原因。