南堡地區(qū)火山巖蝕變特征及儲層測井評價

田曉冬，劉得芳，殷秋麗，莊東志

中國石油冀東油田分公司 勘探開發(fā)研究院，河北 唐山 063000

0 引言

與沉積巖儲層相比，火山巖儲層是一類 “特殊”的儲層類型。自發(fā)現(xiàn)以來，人們對火山巖儲層的形成、分布和測井評價十分關(guān)注[1]。幾十年來，對火山巖儲層控制因素的研究不斷深入，但總體都是圍繞酸性火山巖展開，隨著國內(nèi)眾多中基性火山巖具有優(yōu)良的油氣藏儲集性的發(fā)現(xiàn)，中基性火山巖儲層測井評價受到越來越多的國內(nèi)研究人員的關(guān)注[2-3]。火山巖儲層巖石類型、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，學(xué)者們對火山巖儲層做了大量的研究工作，包括巖性識別、物性評價及流體識別等，但研究對象多為未蝕變的火山巖，而對于蝕變火山巖的測井解釋研究相對較少。王春燕等[4]利用巖性指數(shù)和蝕變指數(shù)建立火山巖蝕變判別方法，校正了蝕變后的電阻率曲線，根據(jù)校正后的電阻率與孔隙度建立了一種蝕變火山巖氣水層識別的方法；朱學(xué)娟等[5]為提高儲層儲集性能評價的實際性，對蝕變玄武巖儲層的有效性進行了分析；申波等[6]利用主成分分析(PCA)技術(shù)，通過連續(xù)提取巖石的變骨架參數(shù)計算了蝕變地層的孔隙度；張麗華等[7]建立了包含基質(zhì)、裂縫和非連通孔洞的三重孔隙模型，構(gòu)建了包含黏土影響火山巖儲層的飽和度方程，但未給出黏土含量的計算方法；楊雪[8]研究了各類原巖能夠發(fā)生的蝕變種類，構(gòu)造了以單巖性骨架礦物、孔隙和黏土礦物三組分體積模型，結(jié)合變骨架中子-密度交會圖，研究了不同巖性火山熔巖的孔隙度和蝕變黏土含量；孫茹雪[9]建立了考慮蝕變的中基性火山巖儲層模型，利用五組分人工蜂群算法(ABC)對火山巖儲層進行了評價計算；高衍武等[10]利用黏土蝕變程度指數(shù)對黏土化蝕變火山巖的黏土含量進行定量計算，利用體積模型對黏土化蝕變的火山巖孔隙度進行了計算。

前人關(guān)于蝕變火山巖孔隙度計算的研究較多[6-10]，而針對蝕變火山巖飽和度的研究則相對較少。南堡地區(qū)沙河街組中基性火山巖發(fā)育，由薄片分析資料發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)A、B、C 3口井存在不同程度的蝕變現(xiàn)象?；鹕綆r蝕變會直接影響到儲層的孔隙結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的黏土礦物對測井響應(yīng)影響較大，如果忽視蝕變對儲層的影響，將嚴重影響到儲層測井解釋的準確性，進而導(dǎo)致儲層劃分不準而造成一定的經(jīng)濟損失。因此，筆者通過研究蝕變作用對儲層物性、測井響應(yīng)特征等帶來的影響，構(gòu)建能夠定性判別蝕變程度的指標因子，并根據(jù)自然伽馬、深側(cè)向電阻率、聲波、密度和中子5條測井曲線擬合預(yù)測黏土含量，定量評價儲層的蝕變程度。通過巖電實驗發(fā)現(xiàn)火山巖蝕變前后阿爾奇公式中的飽和度指數(shù)發(fā)生變化，并對儲層飽和度的評價產(chǎn)生了影響。該研究對增強火山巖儲層的認知水平具有實際意義，對火山巖儲層油氣藏精細評價及后期勘探開發(fā)提供理論參考依據(jù)。

1 火山巖蝕變及產(chǎn)物

1.1 火山巖蝕變機理

巖石的蝕變作用，是指巖石在一定的環(huán)境下，經(jīng)過一系列的化學(xué)和物理變化導(dǎo)致微觀組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變的作用?；鹕綆r發(fā)生蝕變可能由2種作用引起：①風化淋濾作用，②熱液交代蝕變作用。

風化淋濾作用包括物理和化學(xué)風化作用，物理風化作用是指巖石只發(fā)生機械破碎而化學(xué)成分未改變的風化作用。物理風化的結(jié)果是使巖石破碎，形成各種碎屑物質(zhì)?；瘜W(xué)風化作用是巖石與礦物在一定的環(huán)境條件下(水、氧氣和二氧化碳)，經(jīng)過一系列的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生分解或溶蝕，改變巖石的化學(xué)成分，形成次生孔隙和溶蝕孔洞等[11]。

熱液交代蝕變作用是熱液在開放或半封閉系統(tǒng)內(nèi)運動過程中產(chǎn)生的，熱液物質(zhì)會以離子、分子(團)等形式運動，沿各種大小裂隙，包括粒間孔隙、毛細裂隙和礦物的節(jié)理等對原巖進行交代或物質(zhì)置換。熱液活動的存在，使巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和礦物共生關(guān)系變得非常復(fù)雜。在熱液交代過程中，溶解和沉淀幾乎是同時進行的，通常遵循等體積定律，即巖石體積一般不會發(fā)生改變[12]。在南堡研究區(qū)，中基性火山巖多發(fā)生熱液交代蝕變作用。

1.2 火山巖蝕變類型及產(chǎn)物

火山巖熱液交代蝕變主要分為黏土化和非黏土化蝕變兩種(表1)。在水和氣等熱液作用下，火山巖中的橄欖石常蝕變?yōu)橐晾头浇馐?，斜長石蝕變?yōu)楦邘X石，輝石和角閃石蝕變?yōu)榫G泥石，而綠泥石及方解石還可進一步蝕變?yōu)檠趸F等[4]。綜合來看，火山巖的蝕變具有兩面性：一方面可能有利于成儲，另一方面可能會破壞儲層孔隙的有效性。因此，對于蝕變火山巖儲層分析時，要充分考慮這兩種蝕變對儲層造成的影響。

表1 火山巖蝕變類型

原巖發(fā)生蝕變作用的強度與范圍主要取決于原巖和流體的物理化學(xué)性質(zhì)。二者差異越大，蝕變作用越強烈，蝕變作用越廣泛。常見的蝕變類型很多，根據(jù)蝕變作用產(chǎn)生的主要礦物進行分類，如綠泥石化、黑云母化、綠簾石化和絹云母化等；根據(jù)蝕變后的巖石分類，如云英巖化、矽卡巖化和青盤巖化等；以特征性的交代元素、化學(xué)組分或化合物分類，如鉀化、鈉化、硅化和碳酸鹽化等[8]。研究區(qū)火山巖發(fā)生的大都是綠泥石化，蝕變的黏土產(chǎn)物多為綠泥石。綠泥石主要是由鐵、鎂硅酸鹽礦物直接分解形成或由中、低溫熱液帶入鐵、鎂組分發(fā)生交代蝕變而成。

2 火山巖蝕變層測井響應(yīng)及評價

2.1 火山巖蝕變及儲層空間特征

圖1是研究區(qū)內(nèi)3口井(井A、B、C)20塊火山巖巖樣(A井8塊、B井7塊、C井5塊)的黏土含量直方圖，圖2是這些巖樣的主要礦物含量直方圖。從圖1可以看出，A井巖樣的黏土含量為3.4%～36.5%，平均為18.7%；B井為12%～36.4%，平均為20.3%；C井為14.4%～26%，平均為19.1%。由此可知這3口井火山巖的黏土化程度較高。由圖2可知碳酸鹽巖(方解石)含量，A井平均為4.1%，B井為9.1%～18.5%,平均為14.1%，C井13.1%～28.1%，平均為14.8%。可見研究區(qū)內(nèi)火山巖黏土化明顯，碳酸巖化并不是特別普遍。研究區(qū)內(nèi)火山巖主要的礦物為斜長石、石英和輝石，蝕變產(chǎn)物以黏土礦物為主，并有一定量的方解石。

圖1 研究區(qū)A、B、C井黏土含量直方圖Fig.1 Histogram of clay content in wells A, B and C in study area

圖2 礦物含量直方圖Fig.2 Histogram of mineral content

表2為X-衍射黏土礦物相對含量分析數(shù)據(jù)表，可見除了B井含蒙脫石外，A井不含蒙脫石，C井含伊蒙混層。伊利石普遍較少，基本<15%。各井的綠泥石相對含量較多，尤其是C井綠泥石相對含量較高，達到28%～74%。

表2 X--衍射黏土礦物分析

表3為研究區(qū)8塊巖樣掃描電鏡綜合特征以及儲集性能描述。由表3可見，A井的巖樣較致密，且多見蝕變的綠泥石。B井孔隙發(fā)育，綠泥石和伊利石多見。C井的2塊巖樣，黏土礦物主要為綠泥石、蒙脫石和孔隙，均較為發(fā)育。3口井中均發(fā)育黏土礦物，多見綠泥石，綠泥石是黏土化蝕變常見的產(chǎn)物之一，由此也可驗證研究區(qū)蝕變作用多以黏土化為主。

2.2 蝕變火山巖儲層測井響應(yīng)特征

在前人研究的基礎(chǔ)上[13-17]，結(jié)合南堡地區(qū)薄片及全巖分析資料，對研究區(qū)蝕變火山巖儲層測井響應(yīng)特征進行分析。測井響應(yīng)能夠反映出儲層多方面性質(zhì)，如儲層巖性、孔隙結(jié)構(gòu)和孔隙流體等。研究發(fā)現(xiàn)火山巖發(fā)生蝕變時，測井曲線特征發(fā)生變化。

電阻率測井特征一般來說，火山巖骨架為非導(dǎo)體，電阻率測井曲線能夠指示儲層孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙中流體類型。當火山巖儲層發(fā)生黏土化蝕變時，某些骨架礦物蝕變生成一定量的黏土礦物，這些黏土礦物含水較多、導(dǎo)電性較強，對電阻率測井有附加影響[13]。此時電阻率測井值不僅反映了孔隙流體性質(zhì)，還包括了蝕變黏土的導(dǎo)電性。由于影響儲層導(dǎo)電性的因素復(fù)雜多樣，僅靠電阻率測井很難直接反映蝕變的影響，就本研究區(qū)而言，蝕變層較未蝕變層電阻率測井值略有減小。

表3 掃描電鏡綜合特征描述

中子測井特征中子測井是地層含氫量的直接反映。常規(guī)儲層中，含有氫核的油或水充填在儲集空間中，因此儲集層的含氫量多少反映了巖石孔隙度的大小?；鹕綆r蝕變層段通常會出現(xiàn)中子測井值異常高的現(xiàn)象[14]，研究發(fā)現(xiàn)火山巖發(fā)生蝕變后產(chǎn)生的綠泥石、濁沸石和絹云母等礦物中存在大量的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，這些水分的存在能夠直接導(dǎo)致中子測井響應(yīng)的高異常[15]。尤其是在發(fā)生特別嚴重的蝕變時，綠泥石化后引起中子測井值異常，使得中子測井值明顯高于同類未發(fā)生蝕變的火山巖。本研究區(qū)火山巖層段，未蝕變層的中子測井平均值≈8%，蝕變層段的均值>16%。

密度、聲波測井特征未蝕變的火山巖基質(zhì)孔不發(fā)育，骨架密度大。發(fā)生蝕變以后，基質(zhì)孔不斷發(fā)育，長石及暗色礦物蝕變形成黏土，具有泥質(zhì)巖類性質(zhì)，與未蝕變的中基性火山巖比較，巖石密度降低、聲波時差增大。隨著蝕變程度的增大，儲層黏土含量增加，儲層物性、含氣性均變差[16-17]。研究區(qū)未蝕變層的密度、聲波測井均值分別為2.55 g/cm3、60 μs/ft，蝕變層為2.50 g/cm3、68 μs/ft。

ECS測井特征中基性火山巖發(fā)生蝕變會降低國際上通用的TAS模版識別火山巖巖性的可行性。根據(jù)經(jīng)薄片證實的火山巖巖性所對應(yīng)的TAS圖，表明基性玄武巖發(fā)生綠泥石化時SiO2含量增大，導(dǎo)致在TAS圖上數(shù)據(jù)點落到中性火山巖區(qū)域，混淆了火山巖的巖性，若不結(jié)合其他資料，則會把基性火山巖錯誤地判斷為中性火山巖。研究區(qū)內(nèi)的C井玄武巖在TAS圖上表現(xiàn)為中性而不是基性，就是由于玄武巖蝕變導(dǎo)致SiO2含量增加引起的。

2.3 火山巖儲層蝕變程度評價

火山巖蝕變過程復(fù)雜多樣，蝕變后給儲層評價帶來的困難較大。筆者針對蝕變嚴重的A井，選取了蝕變段與未蝕變段進行對比評價。在前人研究[4]的基礎(chǔ)上，提出了一個蝕變指數(shù)IA來反映蝕變作用的強弱程度：

(1)

式中：CNL為中子孔隙度(%)；RLLD是深側(cè)向電阻率(Ω·m)。

蝕變作用發(fā)生時，產(chǎn)生的黏土礦物含有大量結(jié)晶水或結(jié)構(gòu)水，使中子孔隙度增大，電阻率測井值減小，因此式(1)可以用來描述蝕變程度，蝕變指數(shù)IA越大，表明巖石蝕變程度越高；IA越小，蝕變程度越低。

由式(1)計算出A井全井段的IA值，圖3為蝕變層段與未蝕變層巖樣對IA大小的柱狀圖。通過蝕變指數(shù)的大小，可初步估計火山巖儲層的蝕變情況。

圖3 蝕變與未蝕變層IA柱狀圖Fig.3 Histogram of IA from altered and unaltered layers

巖芯歸位后，薄片鑒定發(fā)現(xiàn)A、B、C 3口井均存在蝕變現(xiàn)象，根據(jù)測井曲線與全巖黏土礦物含量對比分析發(fā)現(xiàn)，A井多為綠泥石化，B井和C井中碳酸鹽化與黏土化交織存在，這二者對測井曲線的影響是相反的，難以區(qū)分，因此本文提取A、B、C井中出現(xiàn)蝕變的部分巖樣的測井數(shù)據(jù)，將自然伽馬、電阻率、聲波、密度和中子5條曲線與實際的黏土礦物總量做多元回歸計算，定量計算出黏土含量：

Vcl=f(GR,RLLD,AC,DEN,CNL)

(2)

根據(jù)式(2)，可以在已知測井數(shù)據(jù)的情況下計算出黏土礦物總量。作出預(yù)測值與實際黏土分析值交會圖(圖4)，相關(guān)系數(shù)>90%，表明回歸效果良好。

圖4 預(yù)測黏土礦物Fig.4 Prediction of clay mineral content

由式(2)計算A、B、C 3口井全井段的預(yù)測黏土含量，通過預(yù)測黏土含量的高低，可以初步判斷發(fā)生蝕變的層段。計算研究區(qū)全部巖樣的IA，根據(jù)IA的大小與計算得到的預(yù)測黏土含量，再與巖芯薄片和掃描電鏡等資料結(jié)合，更準確地劃分出研究儲層的蝕變層段。

3 研究區(qū)蝕變火山巖儲層飽和度評價

采用阿爾奇公式計算飽和度:

(3)

式中：SW為含水飽和度；RW為地層水電阻率；Rt為地層電阻率；φ為孔隙度；a為巖性參數(shù)；m為膠結(jié)指數(shù)；n為飽和度指數(shù)。

孔隙度采用聲波測井數(shù)據(jù)計算得到:

(4)

式中：AC、ACma、ACf、ACsh分別為目的層聲波時差測井值、巖石骨架聲波時差、地層流體聲波時差和黏土聲波時差；Vcl為黏土含量，由式(2)計算得到。

阿爾奇參數(shù)a、m均采用巖電實驗測量結(jié)果。在確定飽和度指數(shù)n時，由于研究區(qū)火山巖蝕變多為黏土化蝕變，產(chǎn)生的蝕變礦物如綠泥石、伊利石等潤濕性為油濕，而油濕礦物的存在，會導(dǎo)致儲層的飽和度指數(shù)n增大。因此，在計算飽和度時，蝕變區(qū)與未蝕變區(qū)的n取值不同。

根據(jù)巖電實驗數(shù)據(jù)，做含水飽和度SW與電阻率增大系數(shù)I的交會圖(圖5)，擬合后得到蝕變層段(a)的飽和度指數(shù)n=2.936，未蝕變層段(b)的n=1.623。根據(jù)式(3)，分別計算得到蝕變層段與未蝕變層段的含水飽和度。

圖5 蝕變(a)與未蝕變(b)層段n值確定Fig.5 Determination of n in altered (a) and unaltered(b) layers

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)存在火山巖蝕變的現(xiàn)象。蝕變后的火山巖對測井響應(yīng)有著明顯的影響?；鹕綆r蝕變產(chǎn)生的綠泥石和伊利石等黏土礦物內(nèi)部有大量結(jié)晶水存在，導(dǎo)致中子孔隙度增大，聲波時差增大，電阻率減小，密度減小。

(2)通過自然伽馬、電阻率、聲波、密度和中子5條曲線與實際的黏土礦物總量做回歸計算預(yù)測蝕變黏土含量，得到的預(yù)測黏土含量與實際含量相關(guān)性>90%。通過分析蝕變作用對測井資料的影響，定義了蝕變指數(shù)IA，該指數(shù)能判斷蝕變程度的大小，蝕變指數(shù)IA越大，表明蝕變程度越高，黏土含量越高；蝕變指數(shù)IA越小，則說明儲層蝕變程度越低，黏土含量越低。

(3)蝕變后的儲層飽和度指數(shù)n>未發(fā)生蝕變時的n，這是由于火山巖儲層發(fā)生蝕變時生成了濕潤性為油濕的蝕變產(chǎn)物，導(dǎo)致n值增大。通過巖石物理數(shù)據(jù)得到蝕變與未蝕變時的n值，利用阿爾奇公式評價研究區(qū)儲層的飽和度，通過對比飽和度曲線發(fā)現(xiàn)，將蝕變對n值的影響考慮到計算飽和度中是十分必要的，若忽略其影響，所獲得的飽和度誤差較大。

圖6 A井未蝕變層段測井解釋圖Fig.6 Logging interpretation of unaltered layer in Well A

圖7 A井蝕變層段測井解釋圖Fig.7 Logging interpretation of alteration layer in Well A