鄂爾多斯盆地X區(qū)鋁土巖儲(chǔ)層分析

劉可可，付 鑫，榮 偉，萬(wàn)吉慶，藺 佳，蔣云鵬

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司 遼河分公司，遼寧 盤(pán)錦 124010)

引 言

隨著油氣田勘探的不斷深入，非常規(guī)儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。學(xué)者[1-7]對(duì)鄂爾多斯盆地廣泛發(fā)育的本溪組鋁土巖作過(guò)研究，主要是針對(duì)其對(duì)下伏下古生界碳酸鹽巖風(fēng)化殼的封蓋能力和成藏關(guān)系，將鋁土巖作為儲(chǔ)層的研究成果卻鮮有報(bào)道[8]。而在鋁土礦的研究領(lǐng)域，針對(duì)鋁土巖的研究大都以其成因和礦床品質(zhì)為主[9-20]，同樣未見(jiàn)針對(duì)鋁土巖儲(chǔ)集油氣能力的研究報(bào)道。2020年，針對(duì)鄂爾多斯盆地西南部鋁土巖儲(chǔ)層進(jìn)行測(cè)試，獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，展現(xiàn)了鋁土巖作為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的巨大勘探潛力。鑒于此，筆者以測(cè)井資料為基礎(chǔ)，結(jié)合錄井和X衍射資料，從地質(zhì)成因和儲(chǔ)層品質(zhì)兩個(gè)角度對(duì)鋁土巖進(jìn)行評(píng)價(jià)，為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似儲(chǔ)層的勘探開(kāi)發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

X區(qū)位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡西南部，整體呈東高西低平緩分布樣式，區(qū)域內(nèi)發(fā)育多個(gè)以北東—南西走向?yàn)橹鞯男∫?guī)模正斷層。本溪組鋁土巖地層海拔深度在-2 200～-2 620 m，與下伏馬家溝組碳酸鹽巖風(fēng)化殼夾薄層泥巖為不整合接觸關(guān)系，鋁土巖地層之上的山西組灰黑色泥巖是馬家溝組風(fēng)化殼儲(chǔ)層和鋁土巖儲(chǔ)層的主要?dú)庠碵2,8]，與之為不整合接觸關(guān)系。目前在研究區(qū)馬家溝組共完鉆6口井，均鉆遇鋁土巖，其厚度在7.4～25.5 m。

2 巖性與儲(chǔ)層沉積環(huán)境

2.1 鋁土巖巖性

鋁土巖是由氫氧化物和氧化物組成，常見(jiàn)有三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石(硬水鋁石)。我國(guó)鋁土巖的成因可以分為4種：沉積型、堆積型、紅土型、巖漿型。研究區(qū)的鋁土巖屬于古風(fēng)化殼沉積型[20]。此類(lèi)鋁土巖的下伏基巖為碳酸鹽巖，其成因與碳酸鹽巖的巖溶紅土化古風(fēng)化殼相關(guān)，鋁土巖厚度變化大，分布廣泛。該類(lèi)鋁土巖發(fā)育在相對(duì)封閉的濱淺海環(huán)境，成分以硬水鋁石為主，中低鋁硅比，是硅鋁酸礦物在低洼區(qū)沉積，鋁凝膠老化結(jié)晶為硬水鋁石或地層中的高嶺石在還原性的弱堿性海水中脫硅為硬水鋁石，整個(gè)脫硅過(guò)程可貫穿整個(gè)同生作用時(shí)期和后期成巖作用時(shí)期，向下可過(guò)渡為高硅鋁比礦物。

為了研究X區(qū)鋁土巖礦物成分及含量，選取該區(qū)鋁土巖段10個(gè)巖屑樣品進(jìn)行X射線(xiàn)衍射全巖定量分析(表1)。結(jié)果顯示，鋁土巖段的硬水鋁石質(zhì)量占比非常穩(wěn)定，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)85.98%，其次為石英和黏土。與硬水鋁石伴生的礦物中以銳鈦礦最為穩(wěn)定，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.65%；也可見(jiàn)少量菱鐵礦和黃鐵礦，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.4%以下。

表1 鋁土巖巖屑X衍射全巖定量分析統(tǒng)計(jì)

2.2 儲(chǔ)層沉積環(huán)境

沉積環(huán)境決定著鋁土巖的結(jié)構(gòu)，從而決定了其儲(chǔ)集空間的發(fā)育情況。根據(jù)水動(dòng)力條件的不同，將研究區(qū)的鋁土巖劃分為4種沉積環(huán)境(圖1)：過(guò)渡期、靜水期、強(qiáng)動(dòng)蕩期、弱動(dòng)蕩期。過(guò)渡期發(fā)育鋁土質(zhì)泥巖，是半封閉濱淺海向封閉濱淺海環(huán)境過(guò)渡期，高硅鋁比，孔隙不發(fā)育，難以形成儲(chǔ)層。靜水期發(fā)育致密鋁土巖，硅鋁酸礦物在安靜的水體環(huán)境下緩慢脫硅結(jié)晶為硬水鋁石，且未經(jīng)搬運(yùn)原地凝結(jié)沉積為鋁土巖。該類(lèi)鋁土巖具有硬水鋁石含量高、巖性純且致密的特點(diǎn)，孔隙不發(fā)育，難以形成儲(chǔ)層。強(qiáng)動(dòng)蕩期發(fā)育含礫鋁土巖與含泥礫鋁土巖。在強(qiáng)水動(dòng)力條件下，半凝結(jié)或已凝結(jié)的鋁土巖經(jīng)過(guò)水流、潮汐或風(fēng)暴作用，發(fā)生破碎、磨蝕、搬運(yùn)并堆積，形成含礫鋁土巖與含泥礫鋁土巖。該類(lèi)鋁土巖具有碎屑結(jié)構(gòu)，其礫石成分為硬水鋁石含量高的鋁土巖礫石或外部搬運(yùn)而來(lái)的泥礫，粒間孔隙發(fā)育，具備成為良好儲(chǔ)層的條件。弱動(dòng)蕩期發(fā)育鋁土巖，其成因是在弱水動(dòng)力條件下鋁土巖顆粒發(fā)生磨蝕、搬運(yùn)并堆積，與強(qiáng)動(dòng)蕩期的含礫鋁土巖互層出現(xiàn)。該類(lèi)鋁土巖與砂巖相似，具有碎屑結(jié)構(gòu)，礫石不發(fā)育，粒間孔隙發(fā)育，具備成為良好儲(chǔ)層的條件。

圖1 鋁土巖沉積環(huán)境

由此可見(jiàn)，動(dòng)蕩的水體環(huán)境下發(fā)育的具有碎屑結(jié)構(gòu)的鋁土巖發(fā)育良好的粒間孔隙，具備成為儲(chǔ)層的條件，是鋁土巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。因此，下文以V3井為例，重點(diǎn)論述動(dòng)蕩水體環(huán)境下發(fā)育的鋁土巖的特征。

3 測(cè)井響應(yīng)特征

V3井-2 370.5～-2 396 m發(fā)育鋁土巖(圖2)，該段使用的鉆頭直徑為24.13 cm，井徑曲線(xiàn)反映井眼直徑在24.80 cm左右，曲線(xiàn)上下數(shù)值變化不大，井眼規(guī)則。從圖2可以看出，鋁土巖呈現(xiàn)高伽馬、高密度、高中子、低電阻和低時(shí)差的三高兩低特征。自然伽馬異常高值分布在420～580 API，最高可達(dá)630 API。巖性密度與上部泥巖相比呈高值特征，密度集中在2.6～2.85 g·cm-3。補(bǔ)償中子異常高值，中子值主要集中在45%～70%。雙側(cè)向電阻率值較低，一般在20～40 Ω·m，表現(xiàn)為正差異，且差異值較大。聲波時(shí)差值相對(duì)于上部泥巖較低，在210 μs·m-1左右。此外，鋁土巖的自然電位異常幅度大，放射性能譜曲線(xiàn)呈現(xiàn)高鈾、高釷和低鉀的特征，鈾、釷、鉀的測(cè)井特征值分別在20×10-6、100×10-6和2×10-2左右。

圖2 V3井鋁土巖常規(guī)測(cè)井曲線(xiàn)

硬水鋁石礦物自身放射性很低，一般自然伽馬小于5API，而該井的鋁土巖極高的自然伽馬值主要源于放射性元素U、Th在鋁土巖的強(qiáng)吸附作用下聚集[4,8,15]，且放射性元素U和Th的變化規(guī)律一致(圖2)，這也是造成鋁土巖高鈾、高釷、低鉀特征的主要原因。鋁土巖良好的滲透能力造成了雙側(cè)向大幅正差異和自然電位正異常。本區(qū)鋁土巖儲(chǔ)層發(fā)育豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)、鮞粒結(jié)構(gòu)和碎屑結(jié)構(gòu)[4,9]，這為鋁土巖提供了滲透性基礎(chǔ)。此外，與本區(qū)鋁土巖中硬水鋁石相伴生的礦物有銳鈦礦、黃鐵礦和菱鐵礦，其中的黃鐵礦和菱鐵礦在一定程度上影響鋁土巖的電阻率值。硬水鋁石礦物的密度在3.2～3.5 g·cm-3，這決定了鋁土巖的高密度特征，而該井密度約為2.65 g·cm-3的鋁土巖是由其良好的儲(chǔ)集空間造成的。導(dǎo)致鋁土巖高中子值特征的原因有多方面：一是硬水鋁石礦物HAlO2中所含的H元素使鋁土巖補(bǔ)償中子值升高；二是鋁土巖的孔隙流體中的H原子造成補(bǔ)償中子值升高；三是該鋁土巖形成于淺海環(huán)境。已有研究表明[12]，形成于海相咸水環(huán)境的鋁土巖中硼(B)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100×10-6，而B(niǎo)元素的微觀俘獲截面高達(dá)7 10b，約為H元素的2 130倍，因此，海相咸水環(huán)境的鋁土巖即使含有微量的B元素，也會(huì)使鋁土巖宏觀俘獲截面顯著增大，從而影響補(bǔ)償中子值的大小。

值得注意的是鋁土巖儲(chǔ)層并非均質(zhì)，在-2 370.5、-2 374、-2 376.8、-2 380.4和-2 382.4 m處巖性均有變化，其特征表現(xiàn)為較高電阻、較高密度、較低聲波時(shí)差的特征。在鋁土巖發(fā)育井段-2 392.5～-2 396 m巖性為鋁土質(zhì)泥巖，測(cè)井響應(yīng)特征為電性和密度有所增高、補(bǔ)償中子減小，鈾和釷含量減小，鉀含量增加。其原因是該段鋁土巖的硬水鋁石含量急劇降低，硅酸鹽礦物含量增加，這是由于鋁土巖在形成過(guò)程中經(jīng)歷脫硅階段，脫硅過(guò)程是硅酸鹽礦物隨海水向下淋慮進(jìn)行的，鋁土巖底部為泥巖與泥質(zhì)白云巖薄互層，滲透性差，造成含硅酸鹽礦物高的海水在此聚集，使其脫硅不充分而形成的。

4 儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

4.1 成像測(cè)井評(píng)價(jià)

由于井況的原因，核磁共振測(cè)量的鋁土巖井段為-2 370～-2 383 m(圖3)，未能將鋁土巖井段測(cè)全。本次測(cè)井的極化時(shí)間為10 s，從短回波間隔T2譜上可以看T2譜以單峰為主，T2時(shí)間譜在10～350 ms，譜峰在100 ms左右，表明鋁土巖發(fā)育穩(wěn)定的粒間孔或溶孔，平均有效孔隙度0.17，與常規(guī)求取的孔隙度大小和形態(tài)基本一致，具備成為良好儲(chǔ)層的條件。為了求取鋁土巖的滲透率，分別采用核磁共振測(cè)井資料和陣列聲波測(cè)井資料計(jì)算鋁土巖滲透率。利用斯通利波反演的滲透率在(30～300)×10-3μm2，平均值接近100×10-3μm2，比核磁共振測(cè)井求取的滲透率略低，但在同一數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn)，鋁土巖具有良好的孔滲能力。

圖3 鋁土巖核磁共振與陣列聲波測(cè)井評(píng)價(jià)

電成像測(cè)量井段覆蓋了整個(gè)鋁土巖發(fā)育段，從電成像圖(圖4)中可以看出，鋁土巖井段不發(fā)育裂縫。從電成像求取的孔隙度譜可以看出，總孔隙度均值在0.17附近，大部分井段的孔隙度譜表現(xiàn)為單峰特征，雙峰譜特征不明顯，證實(shí)鋁土巖以原生粒間孔隙為主，次生溶蝕孔隙不發(fā)育。

圖4 V3井鋁土巖電成像測(cè)井孔隙度譜圖

從電成像圖中還可看出，-2 370～-2 392.5 m段的鋁土巖中發(fā)育礫石，是鋁土巖碎屑結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，以-2 374 m為界限，下部發(fā)育高阻礫石，上部發(fā)育低阻泥礫，高阻礫石含量較少。在上文提到的鋁土巖內(nèi)部-2 370.5、-2 374、-2 376.8、-2 380.4和-2 382.4 m的位置發(fā)育均質(zhì)鋁土巖，未見(jiàn)礫石。含(泥)礫鋁土巖與薄層均質(zhì)鋁土巖多期互層發(fā)育，表明其沉積環(huán)境為強(qiáng)動(dòng)蕩期水體環(huán)境背景下的多次短期弱動(dòng)蕩期水體環(huán)境。在-2 392.5 m之下的鋁土質(zhì)泥巖為高阻致密層，礫石不發(fā)育，其沉積環(huán)境為過(guò)渡期。

4.2 含氣性評(píng)價(jià)

研究區(qū)本溪組鋁土巖之上發(fā)育的山西組深灰色泥巖夾煤層為儲(chǔ)層的主要烴源巖，厚度在55～95 m，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.60%～6.05%，母質(zhì)類(lèi)型以腐殖型為主，Ro>2.0%，已達(dá)過(guò)成熟演化階段，早白堊世進(jìn)入生排氣高峰期。錄井氣測(cè)資料顯示，鋁土巖段儲(chǔ)層全烴和輕烴組分C1的平均體積分?jǐn)?shù)分別高達(dá)65%和63%，重?zé)N組分中除C2體積分?jǐn)?shù)在1%～2%外，其余組分體積分?jǐn)?shù)均在0.3%以下(圖5)，含氣特征明顯。鋁土巖儲(chǔ)層巖性及物性特征證明了對(duì)鋁土巖儲(chǔ)層求產(chǎn)的可能性。因此，選取-2 370～-2 392 m井段儲(chǔ)層進(jìn)行普通射孔試氣作業(yè)，結(jié)果顯示產(chǎn)氣20×104m3/d。由此可見(jiàn)，鋁土巖作為特殊的非常規(guī)儲(chǔ)層，具備工業(yè)開(kāi)采的條件。而鋁土巖的沉積環(huán)境決定了其區(qū)域發(fā)育的穩(wěn)定性，研究區(qū)內(nèi)6口井均鉆遇一定厚度的鋁土巖，可以判斷鋁土巖具有全區(qū)連續(xù)穩(wěn)定發(fā)育的特征，具備作為良好儲(chǔ)層長(zhǎng)期開(kāi)發(fā)的條件。

圖5 V3井鋁土巖錄井氣測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié) 論

(1)X區(qū)發(fā)育本溪組鋁土巖，硬水鋁石礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在80%以上，發(fā)育在封閉的濱淺海環(huán)境，可分為過(guò)渡期、靜水期、強(qiáng)動(dòng)蕩期和弱動(dòng)蕩期4種不同的沉積期次。其中強(qiáng)動(dòng)蕩期和弱動(dòng)蕩期發(fā)育的鋁土巖可以作為儲(chǔ)層。

(2)鋁土巖儲(chǔ)層具有三高兩低測(cè)井響應(yīng)特征，即高伽馬、高密度、高中子、低電阻和低時(shí)差，具有碎屑結(jié)構(gòu)，發(fā)育良好的原生粒間孔隙網(wǎng)絡(luò)。

(3)本區(qū)鋁土巖儲(chǔ)層具有良好的含氣性，可作為特殊儲(chǔ)層，具備工業(yè)開(kāi)采價(jià)值。