砂巖中綠泥石包膜與巖石潤濕性及巖電參數(shù)的關(guān)系研究

張麗華,潘保芝,王云梅,郭宇航,李萬才,王 敏

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,吉林長春130026;2.中國石油化工股份有限公司東北油氣分公司,吉林長春130026)

碎屑巖儲集層中常常存在綠泥石包膜,如美國南德克薩斯第三系Oligocene儲集層、巴基斯坦Indus盆地白堊系Goru組下部儲集層、加拿大東部Scotian盆地下白堊統(tǒng)儲集層,國內(nèi)鄂爾多斯盆地延長組、準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系、四川盆地須家河組、蘇北盆地第三系、吐魯番—哈密盆地的侏羅系、南襄盆地古近系、松遼盆地第三系等地層中,均發(fā)現(xiàn)了綠泥石包膜的存在。自發(fā)現(xiàn)儲集層中發(fā)育綠泥石包膜[1-2]以來,專家學(xué)者一直在研究綠泥石包膜的形成和物質(zhì)來源[3-4],以及綠泥石包膜對石英次生加大的抑制和對儲集層物性的影響[5-7]。潤濕性是流體附著固體的性質(zhì),油藏的流體在巖石孔隙空間中的微觀分布由潤濕性決定,因此潤濕性對巖石電阻率的影響研究受到重視,早期研究以物理實驗為主,通過巖電實驗得到膠結(jié)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n這2個巖電參數(shù),但研究的重點多集中于飽和度指數(shù)n隨潤濕性改變的變化。1960年,SWEENEY等[8]通過實驗發(fā)現(xiàn)油潤濕巖心的飽和度指數(shù)n值遠大于水潤濕巖心的n值。后來,很多學(xué)者的研究也得到了相似的實驗結(jié)論[9-10]。

營城組是龍鳳山地區(qū)主要的產(chǎn)氣層段之一,地層巖性復(fù)雜多變,且不同程度地含礫,孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜,非均質(zhì)性強,束縛水含量很高,呈現(xiàn)低孔低滲特征[11-12]。對營城組砂巖樣品進行巖電實驗,發(fā)現(xiàn)部分樣品測得的n值遠大于正常砂巖的n值范圍。巖樣巖電參數(shù)的測量通常是在洗油洗鹽后進行的,此時巖樣應(yīng)表現(xiàn)為親水潤濕性,測得的n值約為2,符合正常范圍。龍鳳山營城組砂巖中廣泛發(fā)育綠泥石包膜,研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)存在綠泥石包膜時,巖石洗油后依然保持一定的親油性,使測得的n值偏大。得到準(zhǔn)確的n值對提高含水飽和度的計算精度有重要意義。

國內(nèi)外關(guān)于綠泥石對儲層物性的影響研究,目前還主要停留在定性評價上[13-17],很多問題尚待解決,如綠泥石包膜的形成機制、對儲集層物性的保護和破壞作用的爭議及影響機理等。從查閱的文獻看,關(guān)于綠泥石包膜含量與m、n值的關(guān)系,國內(nèi)外未見相關(guān)研究成果。本文建立了營城組7塊巖石的巖電參數(shù)與綠泥石含量的定量關(guān)系,為含綠泥石包膜的復(fù)雜潤濕性儲層的測井評價提供了一種新的思路。

1 綠泥石的分類及對巖電參數(shù)的影響機理

1.1 綠泥石的分類

綠泥石是巖石中常見的富含鐵、鎂及少量鉻的粘土礦物[14]。田建鋒等[18]按照綠泥石的產(chǎn)出狀態(tài),將砂巖中的自生綠泥石分為4種類型:顆粒包膜綠泥石、孔隙襯里綠泥石、孔隙充填綠泥石和蜂窩狀綠泥石。

顆粒包膜綠泥石分布在相互接觸的顆粒表面以及與孔隙接觸的顆粒表面,厚度很薄,一般小于1μm;孔隙襯里綠泥石是最常見的產(chǎn)出類型,只分布在顆粒與孔隙的接觸面上,較顆粒包膜綠泥石厚。綠泥石包膜指圍繞顆粒的綠泥石薄膜,又稱為綠泥石環(huán)邊或環(huán)邊綠泥石[19],包括顆粒包膜綠泥石和孔隙襯里綠泥石。這兩種綠泥石的微觀賦存狀態(tài)見圖1。綠泥石包膜具有雙層結(jié)構(gòu)[13],內(nèi)層為顆粒包膜綠泥石,像套膜一樣包裹在巖石顆粒表面,但由于厚度薄,含量少,所以對儲層物性的影響很小;外層以孔隙襯里綠泥石產(chǎn)出,呈針狀、竹葉狀分布于顆粒表面,但不一定完全包裹顆粒,當(dāng)孔隙襯里綠泥石完全覆蓋于顆粒表面時,對儲集空間將產(chǎn)生顯著影響。

圖1 綠泥石包膜在巖石中的賦存形式[13]

朱穎等[11]對營城組儲層綠泥石的形成機制進行了詳細分析,指出綠泥石包膜的形成與富鐵、鎂火山物質(zhì)的水解及其它粘土礦物的轉(zhuǎn)化有關(guān)。在掃描電鏡及鑄體薄片中,可以看出綠泥石包膜在研究層位中廣泛存在。圖2是掃描電鏡下部分綠泥石包膜的形態(tài)特征。

圖2 營城組砂巖在掃描電鏡下的綠泥石包膜特征a 孔隙內(nèi)綠泥石包膜特征; b 綠泥石包膜特征

1.2 綠泥石包膜對儲層物性的影響

綠泥石對儲層物性的影響,前人已有較多研究成果,但目前還沒有統(tǒng)一的觀點。大部分學(xué)者認為綠泥石包膜的存在對孔隙空間有很好的保護作用,具有一定厚度的綠泥石包膜能夠有效抑制石英的次生加大。馬鵬杰等[13]總結(jié)了綠泥石包膜對石英次生加大的4種抑制機理;少數(shù)學(xué)者[15,20-21]認為綠泥石包膜的存在會破壞儲層的孔隙空間,縮小孔隙和堵塞喉道,降低儲層的滲透率,使儲層物性變差。

1.3 巖石物性對巖電參數(shù)的影響

膠結(jié)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n中,m與巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)和成巖作用等有關(guān),一般認為m值是孔隙曲折性的度量,孔隙曲折度越高,m值越大;相反,當(dāng)孔隙為裂縫時,m=1[19]。n主要受孔隙結(jié)構(gòu)、含礫程度和潤濕性等影響。無論綠泥石包膜對儲層物性產(chǎn)生積極或消極的影響,它都改變了孔隙空間的結(jié)構(gòu),進而導(dǎo)致巖電參數(shù)發(fā)生變化?？梢?綠泥石包膜對儲層物性的影響間接改變了m,n值,綠泥石包膜與巖電參數(shù)之間存在對應(yīng)關(guān)系。

2 綠泥石包膜對巖石潤濕性的影響

潤濕性是指當(dāng)巖石孔隙中有多相流體同時存在時,某一種流體在固體表面的擴展或粘附的趨勢,在油氣儲集層中表現(xiàn)為油和水與儲層巖石之間的相互作用[10]。巖石的潤濕性與溫度、原油組成成分及礦物組成等許多因素有關(guān)。由于實驗室一般都是在對巖樣洗油洗鹽之后才進行測量,并且可以控制溫度,因此只考慮礦物組成對巖石潤濕性的影響。當(dāng)巖樣中含親水礦物較多時,孔隙水傾向于吸附在顆粒表面,使得巖樣具有親水特性;當(dāng)含親油礦物較多時,就會導(dǎo)致孔隙水遠離顆粒,巖樣的親油性增加。

TRANTHAM等[22]對強油濕的北伯班克儲層分析發(fā)現(xiàn)70%的石英顆粒表面覆蓋著一層鮞綠泥石膜,即使是洗油洗鹽后,仍然存在綠泥石膜,說明綠泥石包膜會使得巖樣即使在洗油洗鹽后潤濕性繼續(xù)保持原始的親油性質(zhì)。

馮程等[9]對鄂爾多斯盆地西部延長組的異常高電阻率和正常電阻率巖心樣品,測量了不同狀態(tài)下的T2譜,并進行了分析,發(fā)現(xiàn)異常高電阻率的巖樣洗油后還是不會完全親水,由于巖石顆粒表面形成了綠泥石包膜,會吸附孔隙中的原油,從而在巖石顆粒表面形成油膜,使得巖石表現(xiàn)為親油潤濕特性。這種潤濕性即使在巖樣經(jīng)過洗油洗鹽后仍然保持不變。

3 潤濕性對巖電參數(shù)的影響

阿爾奇公式是針對純砂巖提出的經(jīng)驗公式,到目前為止仍然是大多數(shù)測井解釋工作的理論基礎(chǔ)。巖石飽含水和含油氣時的阿爾奇公式表示如下:

(1)

(2)

式中:R0,Rt分別為飽含水和含油氣時的巖石電阻率;F為地層因素;Rw為地層水電阻率;φ為孔隙度;I為電阻增大率;Sw為含水飽和度;a和b為巖性系數(shù)。

綜合(1)式和(2)式得到:

(3)

由(3)式可知,m,n都會對Sw的計算結(jié)果產(chǎn)生影響?？紫读黧w的分布主要受巖石的潤濕性影響,而孔隙中的流體對巖石的導(dǎo)電起著主導(dǎo)作用,所以潤濕性與巖石電阻率密切相關(guān)。當(dāng)巖石中含有油氣,存在多相流體時,潤濕性對巖石電阻率的影響會更明顯,即潤濕性對n值影響顯著,而對m的影響較小。

KELLER[23]最早提出潤濕性會對巖石的導(dǎo)電性有影響。n值隨著巖石的親油增加而增加。一般來講,中性潤濕巖石的n值大約等于2,親水性巖石的n值小于2,親油性巖石的n值大于2[24]。在含綠泥石膜的強油濕儲層中,TRANTHAM等[22]得出2口井不同深度的樣品n值結(jié)果為3.1,即使洗油洗鹽后,測量得到的n值仍然很大。

SUMAN等[25]建立了孔隙網(wǎng)絡(luò)模型來研究潤濕性和孔隙結(jié)構(gòu)對巖石電阻率的影響,得到的結(jié)果是潤濕性對于部分含水砂巖電阻增大率與飽和度指數(shù)的關(guān)系影響明顯,如果巖石具有相同孔隙結(jié)構(gòu),油濕巖石比水濕巖石的n值要大。從孔隙結(jié)構(gòu)上來看,油濕巖石中孔隙分布對巖石電阻率的影響也很明顯,但潤濕性對巖石電阻率的影響更大,孔隙分布的影響相對于潤濕性的影響要小得多,基本可以忽略。

對油潤濕巖石進行測量時發(fā)現(xiàn),如果不改變巖石的原始潤濕性,得到的n值會明顯大于親水性巖石的n值。巖電實驗結(jié)果表明,在含水飽和度為50%時,油潤濕和水潤濕巖石的電阻增大系數(shù)明顯不同,分別為30.62和2.89[26],據(jù)此求得的n值分別為4.94和1.53,數(shù)值相差3倍。

從前人的研究結(jié)果來看,潤濕性與n值的關(guān)系最為密切。營城組砂巖的親油性質(zhì)主要由綠泥石包膜引起,因此討論營城組砂巖潤濕性對巖電參數(shù)的影響,也就是研究綠泥石包膜與巖電參數(shù)的關(guān)系。

4 實驗及結(jié)果分析

4.1 巖電實驗確定m和n值

龍鳳山地區(qū)營城組砂巖大多數(shù)為巖屑砂巖[27],砂巖中巖屑、長石、石英的平均比值為67∶19∶14,巖屑主要以火山巖巖屑為主,占巖屑含量的63.4%,其次為變質(zhì)巖巖屑,平均含量為12.1%。綠泥石分布廣泛,主要以顆粒包殼的形式產(chǎn)出,厚度在不同區(qū)域差別較大,多數(shù)在5μm左右,最厚可達10μm[11]。對營城組的7塊砂巖巖樣(分別表示為A,B,C1,C2,D1,D2,E1),采用離心法進行巖電實驗,測量得到樣品的m,n值見表1。實驗步驟如下:①將巖樣洗油、洗鹽、烘干后,飽和地層水,然后把巖樣裝入膠套中,放入巖心夾持器;②依據(jù)實驗要求施加圍壓,上下端充滿實驗流體后,施加等效于實際儲層的有效圍壓和孔隙壓力;③打開加熱裝置,將溫度設(shè)定為實驗溫度,開始加溫直至巖心夾持器內(nèi)的溫度傳感器達到實驗溫度,記錄此時的電阻和巖樣的質(zhì)量;④取出巖樣,用離心機離心,完成后把巖樣裝入膠套中,放入巖心夾持器;⑤重復(fù)步驟②～步驟④直到離心后巖樣的質(zhì)量與上一次離心后的質(zhì)量無變化為止。實驗數(shù)據(jù)見圖3,可以看出,7塊巖樣的電阻增大率I和含水飽和度Sw關(guān)系是不同的。

圖3 7塊巖樣的I-Sw關(guān)系

由表1可見,大多數(shù)測量巖樣的n值在4以上,最高達到14.57,遠遠超出了正常砂巖的范圍,而這些高n值巖樣的m值均低于2。對7塊巖樣的m、n值做交會分析(圖4)發(fā)現(xiàn)兩者之間存在較好的線性相關(guān)性。當(dāng)m值較低(m<1.5)時,n值偏高,且偏離正常值較多;m值較高時,n值隨之降低,并逐漸接近正常范圍。

表1 營城組7塊砂巖巖樣的巖電測量結(jié)果

圖4 營城組7塊砂巖巖樣的m-n交會結(jié)果

4.2 X射線衍射分析粘土礦物含量

為了定量分析綠泥石含量對m,n值的影響,對7塊巖樣進行X射線衍射分析,得到了各種粘土礦物的相對含量(表2)。通過計算可以得到7塊巖樣綠泥石的絕對含量(表3)及m,n值。

表2 營城組7塊砂巖巖樣粘土及全巖分析結(jié)果

表3 營城組7塊砂巖巖樣的綠泥石含量與m,n值

將7塊巖樣的孔隙度φ與綠泥石的含量Vcl進行交會(圖5),發(fā)現(xiàn)巖樣的孔隙度隨綠泥石含量的增加呈現(xiàn)下降趨勢,如圖中趨勢線所示。然后將綠泥石的含量Vcl分別與m,n測量結(jié)果進行交會,分別得到圖6 和圖7。

圖5 巖樣的孔隙度與綠泥石含量的關(guān)系

圖6和圖7中的趨勢線是綠泥石含量與m和n值的關(guān)系。綠泥石包膜發(fā)育的營城組砂巖巖樣的綠泥石含量與n值之間的線性關(guān)系最好,相關(guān)系數(shù)達到0.88,與m值的關(guān)系不明顯,相關(guān)系數(shù)只有0.73。并非所有的綠泥石都對儲層物性起作用,只有構(gòu)成綠泥石包膜的顆粒包膜綠泥石和孔隙襯里綠泥石會影響巖石的潤濕性,從而影響n值的測量結(jié)果。而X射線衍射分析得到的綠泥石含量包含所有的綠泥石類型,只是近似認為都屬于綠泥石包膜,同時測量巖樣受到含礫等因素的影響,使n值的影響因素增多,因此建立的n值與綠泥石含量的線性關(guān)系存在一定的誤差,需要進一步建立考慮多種因素共同影響的n值與綠泥石含量的關(guān)系模型,從而更加準(zhǔn)確地進行含水飽和度的計算和評價。

圖6 巖樣的m值與綠泥石含量的關(guān)系

圖7 巖樣的n值與綠泥石含量的關(guān)系

5 m,n值與綠泥石含量的平面分布

按照物源的差異將物源區(qū)分為變質(zhì)巖物源區(qū)、中性及基性巖漿巖物源區(qū)和酸性巖漿巖物源區(qū),其中中基性巖漿巖鐵鎂礦物含量高,蝕變程度較強,產(chǎn)生的粘土礦物也較多。在每口井中分別取巖樣的m,n值與綠泥石含量的平均值,按照井位分布做m,n值與綠泥石含量的平面分布(圖8和圖9),圖中括號中的數(shù)字是綠泥石含量的平均值,括號前的數(shù)字是m,n的平均值。從平面分布上來看,除北2井以外,m值較小、n值較大的巖樣均分布在中基性巖漿巖物源區(qū),同時綠泥石含量也相對較高,進一步說明綠泥石包膜的存在會引起m的減小和n的增大。

圖8 營城組砂巖m值與綠泥石含量平面分布

圖9 營城組砂巖n值與綠泥石含量平面分布

6 結(jié)論

經(jīng)過研究分析,得到如下結(jié)論:

1) 營城組砂巖中綠泥石包膜的發(fā)育使巖樣在洗油洗鹽后仍然表現(xiàn)為親油潤濕性,導(dǎo)致巖電實驗測量得到的膠結(jié)指數(shù)m變小,飽和度指數(shù)n變大;

2) 綠泥石含量與m,n值在平面分布上具有較好的相關(guān)性,在中基性巖漿巖物源區(qū)綠泥石含量和n值均較高,m值較低;

3) 根據(jù)巖電實驗和礦物分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)綠泥石含量與n值之間有較明顯的線性關(guān)系,但由于綠泥石包膜含量是近似得到的,同時n值還受含礫等其它因素的影響,因此建立的n值與綠泥石含量的線性關(guān)系存在一定的誤差,還無法將其應(yīng)用于復(fù)雜潤濕性儲層中含水飽和度的計算。