X凹陷A構(gòu)造低阻氣層成因機(jī)理分析

程仁杰，孫建孟，劉建新，遲蓬，呂馨頔，胡文亮，付焱鑫，趙文兵

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580；2.中海石油(中國(guó))有限公司 上海分公司，上海 200335；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部,新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引言

X凹陷位于東海陸架盆地東北部，是在前古近系基底上經(jīng)歷了斷陷、拗陷與區(qū)域沉降3個(gè)大的演化階段發(fā)育而來(lái)的具有東斷西超特征的大型凹陷，是中國(guó)近海油氣資源豐富且具有較大勘探開(kāi)發(fā)潛力的新近系含油氣凹陷之一[1-3]。X凹陷整體呈NNE方向展布，具有東西分帶、南北分塊的特點(diǎn)，自西向東分為斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)帶、東次凹及東部斷階帶5個(gè)次級(jí)構(gòu)造帶。

A構(gòu)造位于中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶，H組為該氣田低滲致密砂巖天然氣勘探開(kāi)發(fā)的主要目的層，H組沉積期同時(shí)存在3個(gè)方向的物源供給，為一套中—大型辮狀河三角洲前緣沉積[4-5]。H組碎屑沉積物受搬運(yùn)距離的影響，縱向上,自下而上沉積碎屑成熟度逐漸降低。研究區(qū)主要產(chǎn)氣層段埋深均大于3 400 m，地層受到了強(qiáng)烈的壓實(shí)作用，加上成巖過(guò)程中兩次幕式抬升導(dǎo)致成巖環(huán)境的多次改變，儲(chǔ)層具有物性差、強(qiáng)非均質(zhì)性、壓力系統(tǒng)異常、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特征。在勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了諸多測(cè)井復(fù)雜響應(yīng)層段，如低阻氣層、層內(nèi)或相鄰層間相對(duì)低阻氣層、高阻干層等。A構(gòu)造3口井的同一地質(zhì)層系Q3c上部均發(fā)現(xiàn)了低阻氣層，針對(duì)A-2井的低阻氣層，多位學(xué)者開(kāi)展研究得到不同的結(jié)論[6-7]，有學(xué)者認(rèn)為導(dǎo)電礦物、粘土附加導(dǎo)電性和高礦化度泥漿侵入是氣層低阻的成因，另外有學(xué)者認(rèn)為粘土附加導(dǎo)電性和高不動(dòng)水飽和度導(dǎo)致了氣層的低阻響應(yīng)。針對(duì)相同沉積背景下研究區(qū)內(nèi)同一地質(zhì)層系出現(xiàn)的低阻氣層存在沉積背景不清楚、成因機(jī)理尚未明確、低阻氣層微觀成因機(jī)理以及導(dǎo)電機(jī)理認(rèn)識(shí)不足等問(wèn)題，本文以豐富的測(cè)井資料為基礎(chǔ)，結(jié)合大量的巖石物理實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)比分析研究區(qū)Q3c上部低阻氣層的成因機(jī)理，基于礦物掃描、CT掃描等可視化手段建立三維數(shù)字巖心對(duì)低阻氣層導(dǎo)電機(jī)理進(jìn)行定量化研究。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 研究區(qū)巖石學(xué)特征

研究區(qū)A構(gòu)造位于中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶中北部，其H組地層沉積期間來(lái)源于北部的母巖區(qū)碎屑物質(zhì)順著自北向南狹長(zhǎng)河道長(zhǎng)距離搬運(yùn)，形成了H組砂巖成熟度由淺到深逐漸增大的空間展布[8]。統(tǒng)計(jì)了A構(gòu)造3口井共計(jì)554顆巖心薄片鑒定資料(表 1)，研究區(qū)H組砂巖石英含量為63%～65%、長(zhǎng)石含量為15%～18%、巖屑含量為18%～20%，具有石英含量高、雜基和膠結(jié)物含量低的特征，按照傳統(tǒng)命名規(guī)則，研究區(qū)砂巖以長(zhǎng)石巖屑質(zhì)石英砂巖為主?？v向上Q6到Q3穩(wěn)定礦物組分含量逐漸降低，碎屑粒度呈現(xiàn)變粗的趨勢(shì)，分選和磨圓程度逐漸變差，反映隨著搬運(yùn)距離變短，碎屑物質(zhì)成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度逐漸降低。

表1 A構(gòu)造3口井薄片鑒定分析統(tǒng)計(jì)

1.2 研究區(qū)物性特征

研究區(qū)Q3、Q4層段為凝析氣勘探開(kāi)發(fā)主要目的層段，對(duì)A-2井Q3、Q4層段的巖心物性分析資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表 2)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明目的層段物性整體較差，屬于低孔、低滲—特低滲儲(chǔ)層。Q3c層間物性差異較大，Q3c上部地層孔隙度均值比下部大3.5%、滲透率均值比下部大0.9 mD。觀察Q3層段巖心鑄體薄片(圖 1)，發(fā)現(xiàn)Q3層段碎屑顆粒之間多呈線—點(diǎn)接觸關(guān)系，反映成巖過(guò)程中較強(qiáng)的壓實(shí)作用，地層原生粒間孔隙在上覆地層強(qiáng)壓實(shí)作用下大大減少，孔隙類型以溶蝕粒間孔和粒內(nèi)溶孔為主，Q3c上部3 607 m外的薄片仍觀察到一定量的原生粒間孔隙。有學(xué)者統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，H組儲(chǔ)層次生溶孔對(duì)總孔隙度的貢獻(xiàn)達(dá)到甚至超過(guò)50%[9]。長(zhǎng)石及易溶巖屑等礦物組分在酸性成巖環(huán)境下易發(fā)生蝕變，溶蝕產(chǎn)生的溶蝕粒間孔、粒內(nèi)溶孔和鑄模孔對(duì)儲(chǔ)層物性起到積極的改造作用。

表2 A-2井巖心物性分析資料統(tǒng)計(jì)

圖1a、b兩塊鑄體薄片取自Q3c上部低阻氣層，對(duì)比圖1c下部3 634 m高阻氣層的鑄體薄片，發(fā)現(xiàn)低阻氣層薄片整體更“臟”，泥質(zhì)填隙物更多，且以條帶狀和結(jié)核狀富集于巖石顆粒之間，且通過(guò)圖1b觀察到低阻氣層局部保留了一定量的原生粒間孔，說(shuō)明Q3c上部低阻氣層的巖性和孔隙結(jié)構(gòu)與下部高阻氣層存在較大差異。

a—A-2井Q3c上部3 600 m；b—A-2井Q3c上部3 607 m；c—A-2井Q3c下部3 634 m

1.3 常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征

研究區(qū)A構(gòu)造3口井的連井剖面顯示Q3c層段為一大套連續(xù)砂體沉積，GR曲線整體呈箱型、近似鐘型，大套砂體內(nèi)夾有多個(gè)泥質(zhì)薄層，底部為一套厚泥巖沉積(圖 2)。圖中每口井第1道為巖性測(cè)井曲線道、第2道為孔隙度測(cè)井曲線道、第3道為深度道、第4道為地層層系道、第5道為氣測(cè)錄井道、第6道為電阻率測(cè)井曲線道，A-2井第7道為隨鉆電阻率曲線道。3口井的深、中、淺3條電阻率曲線在儲(chǔ)層段均呈現(xiàn)明顯的侵入特征，且在Q3c上部?jī)?chǔ)層段出現(xiàn)異常的低阻響應(yīng)，深側(cè)向電阻率僅為6～8 Ω·m，而下部?jī)?chǔ)層電阻率達(dá)到30～70 Ω·m，上部?jī)?chǔ)層段電阻率遠(yuǎn)低于下部?jī)?chǔ)層電阻率，甚至低于泥巖段的電阻率(泥巖段電阻率為20～25 Ω·m)。Q3c儲(chǔ)層段三孔隙度曲線反映良好的物性特征，補(bǔ)償中子曲線(CNCF)與補(bǔ)償密度曲線(ZDEN)反向刻度顯示明顯的氣層響應(yīng)特征。氣測(cè)錄井顯示全層段含氣性好，部分深度段全烴含量達(dá)到10%，C1含量占全烴含量90%以上。A-2井Q3c上部3 606.5 m深度點(diǎn)進(jìn)行了MDT取樣，取樣流體中C1含量高達(dá)93.2%，勘探及開(kāi)發(fā)均證實(shí)研究區(qū)A構(gòu)造Q3c上部發(fā)育有大量具有潛在商業(yè)價(jià)值的低阻氣層。

圖2 A構(gòu)造3口井連井剖面

2 低阻成因機(jī)理分析

2.1 低阻成因概述

低阻油氣層由于低電阻率特征，在測(cè)井解釋流程中很容易將其與水層混淆，解釋含水飽和度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地層真實(shí)含水飽和度，導(dǎo)致流體性質(zhì)的判斷錯(cuò)誤。低阻油氣層在全球各大油田均被大量發(fā)現(xiàn)，隨著相關(guān)學(xué)者對(duì)低阻油氣層難題的攻關(guān)，目前已經(jīng)建立起完整的低阻油氣層成因機(jī)理理論體系。國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者將低阻油氣層成因機(jī)理分為內(nèi)因和外因兩部分[10]。內(nèi)因包括：巖性細(xì)、泥質(zhì)含量重、粘土附加導(dǎo)電性以及復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)等；外因則包括：泥漿侵入、砂泥巖薄互層、地層水礦化度差異、導(dǎo)電礦物等。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)大量低阻油氣層成因并非單一因素，而是歸結(jié)于多種成因的共同作用?；谝呀⒌牡妥璩梢蚶碚擉w系，結(jié)合測(cè)井資料和巖石物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，開(kāi)展A構(gòu)造Q3c上部低阻氣層成因機(jī)理的研究。

2.2 低阻氣層成因機(jī)理研究

2.2.1 低阻外部因素排除

A-2井采用隨鉆測(cè)井儀器測(cè)得Q3c上部?jī)?chǔ)層電阻率為6～8 Ω·m，不同垂向探測(cè)深度的隨鉆測(cè)井電阻率曲線侵入特征不明顯，且隨鉆測(cè)井電阻率測(cè)量值與電纜測(cè)井深側(cè)向電阻率值一致，因此深探測(cè)電阻率測(cè)井曲線反映地層真實(shí)電阻率，排除泥漿侵入導(dǎo)致低阻這一外因。

圖3為A-2井Q3c層段高、低阻兩個(gè)井段的FMI成像圖像，其中左道為靜態(tài)成像圖，右道為動(dòng)態(tài)成像圖。FMI成像圖像顯示Q3c層段地層巖性以細(xì)砂巖為主，偶見(jiàn)礫石和泥質(zhì)薄層發(fā)育，具有強(qiáng)非均質(zhì)性特征。Q3c上部3 596～3 602 m低阻氣層的FMI動(dòng)態(tài)圖像顯示存在多個(gè)泥質(zhì)薄層，不存在明顯的砂泥巖交互。由常規(guī)測(cè)井可知Q3c純泥巖段電阻率值高達(dá)20～25 Ω·m，而Q3c上部低阻層段電阻率甚至低于純泥巖段電阻率，故排除砂泥巖薄互層導(dǎo)致低阻這一外因。

a—3 596～3 602 m低阻氣層段FMI成像； b—3 606～3 612 m高阻氣層段FMI成像

連井剖面顯示3口井Q3c上部低阻氣層和下部高阻氣層之間不存在明顯隔層，A-2井3 606～3 612 m的FMI動(dòng)態(tài)圖像顯示上部低阻氣層和下部高阻氣層之間偶見(jiàn)泥質(zhì)薄層發(fā)育，Q3c層段縱向連通性整體較好，上部低阻氣層和下部高阻氣層為同一套氣水系統(tǒng)，故排除由于層間地層水礦化度差異導(dǎo)致低阻這一外因。

統(tǒng)計(jì)研究區(qū)Q3層段共計(jì)183塊薄片鑒定資料并未發(fā)現(xiàn)黃鐵礦等導(dǎo)電礦物存在，故排除導(dǎo)電礦物存在導(dǎo)致低阻這一外因。

2.2.2 高粘土含量及粘土附加導(dǎo)電性

研究區(qū)H組地層為一套中—大型辮狀河三角洲前緣沉積，Q3段主要發(fā)育水下分流河道和分流間灣兩類沉積微相。FMI動(dòng)態(tài)圖像觀察到Q3c砂體交錯(cuò)層理非常發(fā)育，且在砂體底部可觀察到明顯的沖刷面，反映Q3c砂體為一套沉積水動(dòng)力整體較強(qiáng)的水下分流河道沉積微相。在砂巖沉積間歇期，由于水動(dòng)力環(huán)境弱，細(xì)粒沉積物及粘土物質(zhì)大量沉積發(fā)育分流間灣沉積微相，如Q3c底部以及Q3b底部均發(fā)育以灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主的分流間灣沉積微相。圖2這3口井的連井剖面顯示Q3c砂巖段的GR曲線整體呈“箱型”或“鐘型”特征，Q3c上部低阻氣層的GR值有變大的趨勢(shì)，反映沉積水動(dòng)力環(huán)境逐漸變?nèi)?，沉積微相類型由水下分流河道向分流間灣逐漸過(guò)渡。由于沉積水動(dòng)力環(huán)境較弱，Q3c上部低阻氣層砂體相較于下部高阻氣層段泥質(zhì)薄層更發(fā)育、粘土礦物含量更高。

通過(guò)圖1薄片鑒定資料發(fā)現(xiàn)，Q3c上部低阻氣層巖心鑄體薄片相較于下部高阻氣層巖心整體更“臟”，部分泥質(zhì)呈顆粒狀富集在孔隙中。對(duì)比Q3c上部低阻氣層和下部高阻氣層各3顆X衍射—全巖實(shí)驗(yàn)資料(表3)，低阻氣層的粘土含量高于高阻氣層近10%，石英和鉀長(zhǎng)石含量低于高阻氣層近5%，其他礦物含量無(wú)明顯差異。X衍射—粘土實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)高、低阻巖心粘土礦物類型也存在明顯差異(圖 4)。低阻氣層粘土礦物類型以伊蒙混層和綠泥石為主，伊蒙混層含量占粘土礦物總量43%，綠泥石含量占粘土礦物總量31.3%，伊蒙混層中蒙脫石含量?jī)H為16.7%；高阻氣層粘土礦物以綠泥石和伊利石為主，分別占粘土礦物總量46%和27.7%。通過(guò)掃描電鏡觀察高、低阻氣層巖心微觀特征(圖 5)，高阻氣層巖心顆粒表面及粒間孔內(nèi)分布大量葉片狀綠泥石，低阻氣層巖心粒間孔之間中發(fā)育大量的絮狀、搭橋狀伊利石，顆粒表面還分布一定量的葉片狀綠泥石。

圖4 高、低阻氣層各類型粘土礦物相對(duì)含量直方圖

a—A-2井高阻氣層掃描電鏡；b—A-2井低阻氣層掃描電鏡；c—A-2井低阻氣層掃描電鏡

表3 X衍射—全巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

不同類型粘土礦物具有不同陽(yáng)離子交換能力，通常用陽(yáng)離子交換容量CEC進(jìn)行表征，各類型粘土礦物的陽(yáng)離子交換容量見(jiàn)表 4，其中蒙脫石具有最大的陽(yáng)離子交換容量，綠泥石的CEC幾乎接近于0。Q3c上部低阻氣層粘土礦物含量高，且粘土礦物類型以伊蒙混層為主，伊蒙混層陽(yáng)離子交換容量大，粘土礦物附加導(dǎo)電性大大降低地層電阻率。

表4 各類型粘土礦物陽(yáng)離子交換容量

考慮在相同總孔隙度和骨架密度地層條件下，由粘土礦物總量以及粘土礦物類型導(dǎo)致的導(dǎo)電效率差異。根據(jù)X衍射實(shí)驗(yàn)得到的Q3c上部低阻氣層和下部高阻氣層粘土礦物總量以及各類型粘土礦物相對(duì)含量，結(jié)合式(1)計(jì)算得到Q3c上部低阻氣層陽(yáng)離子交換容量Qv為0.292 mmol/g，下部高阻氣層Qv為0.082 mmol/g?？紤]溫度差異不大，地層水礦化度一致的情況下交換陽(yáng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率B為定值，通過(guò)式(2)對(duì)比上部低阻氣層和下部高阻氣層粘土礦物的導(dǎo)電效率，結(jié)果表明低阻氣層的粘土導(dǎo)電效率是高阻氣層的3.56倍。因此，高粘土含量以及粘土附加導(dǎo)電性是形成Q3c上部低阻氣層的重要成因。

，

(1)

，

(2)

式中：Rclay為粘土礦物電阻率，Ω·m；B為交換陽(yáng)離子的當(dāng)量電導(dǎo)率，S·cm3/(mmol·m)；Qv為巖石的陽(yáng)離子交換容量，mmol/cm3；φt為巖石總孔隙度，式中取值為0.25；CEC為陽(yáng)離子交換容量，mmol/g；ρG為骨架密度，g/cm3，式中取值為2.65。

2.2.3 高壓異常及復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)

統(tǒng)計(jì)A-2井共計(jì)34個(gè)深度點(diǎn)的MDT測(cè)壓值，Q3c下部3 633～3 634 m高阻氣層3個(gè)有效測(cè)試點(diǎn)的地層壓力均值為5 157 psi，而Q3c上部3 606.5～3 607.5 m低阻氣層5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的地層壓力均值為5 297 psi，比下部高阻氣層高140 psi，壓力最高達(dá)到5 460 psi，壓力系數(shù)達(dá)到1.064 5。根據(jù)前人的分類標(biāo)準(zhǔn)[11]，壓力系數(shù)在1.06～1.38之間的地層歸類為高壓異常地層，壓力系數(shù)大于1.38為異常高壓地層，地層壓力趨勢(shì)圖表明Q3c上部低阻氣層存在高壓異常(圖6)。

圖6 地層壓力趨勢(shì)

近年來(lái)，針對(duì)不同巖性地層的超壓成因研究取得了重要進(jìn)展，國(guó)內(nèi)有學(xué)者將超壓成因分為5種成因類型[12]：不均衡壓實(shí)、流體膨脹、成巖作用、構(gòu)造擠壓、壓力傳遞。砂巖等滲透性巖層的超壓成因在之前大多研究中僅歸結(jié)于壓力傳遞，認(rèn)為其異常壓力來(lái)源于鄰近泥質(zhì)巖層或者遠(yuǎn)距離超壓源的壓力傳遞[13]。隨著泥質(zhì)巖層中生烴作用以及成巖作用等超壓成因的重要性和普遍性逐漸被認(rèn)知和證實(shí)，滲透性砂巖層中的超壓成因應(yīng)當(dāng)被進(jìn)一步認(rèn)知。

鑒于H組泥巖總體為非烴源巖，且埋深大于3 400 m，不存在機(jī)械壓實(shí)不均衡的因素。通過(guò)上述沉積相帶以及X衍射資料的分析證實(shí)Q3c上部低阻氣層相較于下部高阻氣層具有更高的粘土礦物含量，因此本文重點(diǎn)研究成巖作用中蒙脫石—伊利石轉(zhuǎn)化對(duì)Q3c上部低阻氣層高壓異?，F(xiàn)象的影響。

據(jù)相關(guān)學(xué)者研究[14-16]，成巖作用中蒙脫石—伊利石轉(zhuǎn)化過(guò)程主要受隨埋深和溫度增加導(dǎo)致的礦物組分變化控制。粘土轉(zhuǎn)化過(guò)程中的增壓效應(yīng)主要包括4個(gè)方面：轉(zhuǎn)化過(guò)程使得粘土顆粒定向性得到增強(qiáng)，壓實(shí)系數(shù)增大促進(jìn)超壓的形成;轉(zhuǎn)化過(guò)程中蒙脫石層間吸附水和礦物轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的水大量脫出，致使地層產(chǎn)生附加的孔隙流體壓力;轉(zhuǎn)化過(guò)程中鉀長(zhǎng)石、云母等礦物遭到破壞和溶解，發(fā)生骨架弱化，上覆地層應(yīng)力轉(zhuǎn)移到孔隙流體系統(tǒng)產(chǎn)生附加的孔隙流體壓力;伊利石礦物以及自生礦物的沉淀增強(qiáng)體系封閉性，保證了地層壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定。普遍認(rèn)為，當(dāng)溫度略高于60 ℃時(shí)，蒙脫石開(kāi)始向伊利石轉(zhuǎn)化。MDT測(cè)試Q3c地層溫度在132.1～135.2 ℃，且Q3c上部地層中蒙脫石含量?jī)H占粘土總量的7%，伊利石含量占比則達(dá)到56%，證實(shí)地層成巖作用處于蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化末期，粘土礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程中地層處于高壓異常，在高壓孔隙流體的保護(hù)下地層受到上覆地層的壓實(shí)減輕，地層原生孔隙得到很好的保護(hù)。

通過(guò)圖 1鑄體薄片對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Q3c下部3 634 m高阻氣層孔隙類型以小孔徑的溶蝕粒間孔為主；上部3 607 m低阻氣層各尺寸孔隙均有發(fā)育，孔隙類型以原生粒間孔和溶蝕粒間孔為主。A-2井核磁共振測(cè)井顯示3 618～3 636 m高阻氣層核磁T2譜主要分布在200 ms以內(nèi)，譜峰相對(duì)較低，而3 592～3 608 m低阻氣層T2譜譜峰則較飽滿，T2譜分布范圍更廣(圖 7)。在高壓異常地層條件下，鑄體薄片、物性實(shí)驗(yàn)以及核磁共振測(cè)井均顯示Q3c上部低阻氣層孔隙更加發(fā)育，相較于Q3c下部高阻氣層較差的物性，上部低阻氣層較好的孔隙條件為優(yōu)良導(dǎo)電路徑的形成提供了很好的基礎(chǔ)。

圖7 A-2井Q3c層段核磁共振測(cè)井響應(yīng)

通過(guò)對(duì)比Q3c上部低阻氣層和下部高阻氣層的巖心壓汞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及核磁共振孔徑分布，分析高、低阻地層孔隙結(jié)構(gòu)差異(圖 8)。高、低阻4顆巖心壓汞實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩塊低阻巖心的比表面積均值達(dá)到3 500 m2/g、體面積比均值達(dá)到7 871 m2/cm3，比兩塊高阻巖心的比表面積和體面積比均值分別大1 200 m2/g、43 861 m2/cm3；低阻氣層段兩顆巖心壓汞曲線呈現(xiàn)明顯的雙平臺(tái)特征，說(shuō)明低阻巖心內(nèi)部至少存在兩種不同尺寸的孔隙分布。通過(guò)對(duì)核磁T2譜劃定截止值區(qū)間分別得到低阻氣層和高阻氣層各尺寸孔喉分布，低阻氣層各尺寸孔隙均有發(fā)育，孔隙類型以小孔隙為主，還存在一定量的中—大孔隙；高阻氣層的各尺寸孔隙占比直方圖近似呈正態(tài)分布，孔隙類型以小孔隙為主。通過(guò)核磁共振測(cè)井和壓汞實(shí)驗(yàn)資料綜合分析，相較于下部高阻氣層，上部低阻氣層更加復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，大量小孔隙與一定量的大孔隙組成復(fù)雜的雙孔隙系統(tǒng)，這類地層具有更大的比表面積和體面積比。當(dāng)氣體充注入地層時(shí)，大尺寸孔隙內(nèi)的地層水被優(yōu)先驅(qū)替，隨著氣驅(qū)水過(guò)程的持續(xù)，充注動(dòng)力不足導(dǎo)致微—小孔隙內(nèi)部、細(xì)小喉道內(nèi)以及碎屑顆粒表面仍保留大量束縛水。

a—高、低阻各兩塊巖心壓汞曲線對(duì)比；b—低阻氣層中各尺寸孔隙占比；c—高阻氣層中各尺寸孔隙占比

Q3c上部低阻氣層在高壓異常條件的保護(hù)下仍具有較好的物性條件，為上部低阻氣層提供了很好的導(dǎo)電路徑。相較于下部高阻氣層單一的孔隙結(jié)構(gòu)，Q3c上部低阻氣層由于復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積和體面積比，從而導(dǎo)致更高的束縛水飽和度。在較好的物性基礎(chǔ)上，復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致更高的束縛水飽和度為Q3c上部低阻氣層提供了更好的導(dǎo)電路徑。因此，地層具有較好的物性基礎(chǔ)上發(fā)育復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)是Q3c上部低阻氣層的又一重要成因。

3 基于數(shù)字巖心微觀可視化的定量研究

3.1 三維數(shù)字巖心模型建立

選取高、低阻氣層兩塊巖心開(kāi)展X射線CT掃描實(shí)驗(yàn)，掃描分辨率為1 μm，將CT掃描獲取的灰度圖像進(jìn)行分割處理，構(gòu)建了兩塊三維數(shù)字巖心模型。對(duì)高、低阻兩塊數(shù)字巖心進(jìn)行組分劃分得到巖石各組分分布形態(tài)以及相對(duì)含量，模型尺寸為500 μm×500 μm×500 μm，其中白色為石英、紅色為長(zhǎng)石、藍(lán)色為伊利石、綠色為綠泥石、黑色為孔隙(圖 9)。通過(guò)數(shù)值模擬得到兩塊數(shù)字巖心的孔、滲參數(shù)與巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性(表 5)。

表5 高、低阻兩塊數(shù)字巖心各礦物組分含量及物性參數(shù)

a—低阻巖心全貌；b—低阻巖心長(zhǎng)石組分；c—低阻巖心伊利石組分；d—低阻巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型；e—高阻巖心全貌；f—高阻巖心長(zhǎng)石組分；g—高阻巖心伊利石組分；h—高阻巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型

3.2 導(dǎo)電機(jī)理及電性模擬

通過(guò)高、低阻氣層兩塊數(shù)字巖心模型，給定固定巖石礦物組分、孔隙內(nèi)地層水和氣體相應(yīng)的電導(dǎo)率張量，采用有限元方法計(jì)算多組分三維數(shù)字巖心的電阻率[17-18]。根據(jù)實(shí)際地層測(cè)試資料，設(shè)定地層水電阻率為0.1 Ω·m進(jìn)行電性模擬，各粘土礦物組分的電阻率取值參考表4中的陽(yáng)離子交換容量CEC均值，結(jié)合式(1)、式(2)計(jì)算得到，其余巖石礦物和流體組分的電導(dǎo)率設(shè)為0 S/m。模擬得到高、低阻巖心在不同含水飽和度條件下的微觀多組分分布和導(dǎo)電效率差異如圖 10,圖中灰色為石英、紅色為長(zhǎng)石、綠色為綠泥石、黃色為伊利石、藍(lán)色為地層水、粉色為氣體。

a—飽含水高阻巖心各組分分布；b—高阻巖心飽含水情況下的電流分布；c—飽含水低阻巖心的組分分布；d—低阻巖心飽含水情況下的電流分布；e—含水飽和度為40%時(shí)高阻巖心各組分分布；f—高阻巖心40%含水飽和度條件下的電流分布；g—含水飽和度為40%時(shí)低阻巖心各組分分布；h—低阻巖心40%含水飽和度條件下的電流分布

飽含水條件下高阻巖心的粒間溶孔和長(zhǎng)石粒內(nèi)溶孔被地層水占據(jù)，孔隙內(nèi)的地層水為主要的導(dǎo)電路徑，模擬電阻率為8.87 Ω·m；40%含水飽和度條件下，氣體占據(jù)了巖心內(nèi)的中—小孔隙，微孔隙、角隅及吼道內(nèi)仍保留束縛地層水，碎屑顆粒表面由于潤(rùn)濕性保留了一層水膜。高阻巖心電流密度分布顯示，低含水飽和度情況下水膜、角隅以及微孔隙內(nèi)的地層水構(gòu)成其主要的導(dǎo)電路徑，導(dǎo)電路徑連通性較差，電流密度低，模擬電阻率高達(dá)46.05 Ω·m。

低阻巖心的伊利石含量明顯高于高阻巖心，并且低阻巖心的長(zhǎng)石組分相較于高阻巖心呈現(xiàn)更明顯的分散狀，孔隙網(wǎng)絡(luò)模型顯示低阻巖心內(nèi)存在大量的微小孔隙，且發(fā)育一定量的中—大孔隙，表明低阻巖心孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在飽含水條件下，低阻巖心孔隙內(nèi)的地層水和伊利石粘土礦物構(gòu)成了良好的導(dǎo)電路徑，模擬電阻率僅為2.67 Ω·m；40%含水飽和度條件下，氣體聚集在大尺寸孔隙內(nèi)，連通性不好的中—小孔隙內(nèi)仍保留大量的束縛水，加之高陽(yáng)離子交換容量的伊利石礦物大量存在，在低含水飽和度時(shí)仍然構(gòu)成了很好的導(dǎo)電路徑。模擬40%含水飽和度時(shí)低阻巖心的電阻率僅為10.46 Ω·m。

高、低阻兩塊數(shù)字巖心電性模擬結(jié)果見(jiàn)圖 11。兩塊巖心電阻率隨含水飽和度變化差異明顯，高阻巖心含水飽和度由100%減小到40%時(shí)，電阻率由8.87 Ω·m增大到46.05 Ω·m；低阻巖心含水飽和度由100%減小到40%時(shí)，電阻率由2.67 Ω·m增大到10.46 Ω·m。高、低阻兩塊巖心的飽和度指數(shù)分別為1.818、1.505，低阻巖心的飽和度指數(shù)明顯低于高阻巖心。在三維數(shù)字巖心可視化基礎(chǔ)上進(jìn)行多組分導(dǎo)電模擬研究高、低阻氣層導(dǎo)電機(jī)理和導(dǎo)電效率，研究發(fā)現(xiàn)基于數(shù)字巖心的多組分導(dǎo)電模擬結(jié)果與測(cè)井電性特征一致，證實(shí)研究區(qū)Q3c上部低阻氣層由粘土附加導(dǎo)電性和復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)共同作用導(dǎo)致。

a—高、低阻兩塊巖心不同含水飽和度下電阻率的變化；b—高、低阻兩塊巖心電阻增大率RI與含水飽和度的擬合

3.3 基于數(shù)字巖心的低阻各因素貢獻(xiàn)定量分析

以上述2類數(shù)字巖心為基礎(chǔ)，采用過(guò)程法分別建立相同物性條件下，陽(yáng)離子交換容量不同的2塊數(shù)字巖心，采用有限元算法計(jì)算4塊數(shù)字巖心在不同含水飽和度條件下的電阻率。以實(shí)際地層條件下高阻氣層巖心的電阻率為標(biāo)準(zhǔn)，研究不同孔隙度、陽(yáng)離子交換容量和束縛水飽和度導(dǎo)致的電阻率變化。通過(guò)對(duì)比相同物性條件下，陽(yáng)離子交換容量變化導(dǎo)致的電阻率差異來(lái)定量分析粘土附加導(dǎo)電性對(duì)低阻的貢獻(xiàn)；通過(guò)對(duì)比相同陽(yáng)離子交換容量條件下，不同物性基礎(chǔ)上由束縛水飽和度差異導(dǎo)致的電阻率變化來(lái)定量研究物性差異下復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻的貢獻(xiàn)。根據(jù)測(cè)試及水分析資料，模擬得到4塊數(shù)字巖心在130 ℃地層溫度、0.1 Ω·m地層水電阻率條件下電阻率隨含水飽和度的變化如圖 12。圖中4塊巖心電阻率隨含水飽和度的變化均呈冪函數(shù)關(guān)系。

以核磁共振測(cè)井計(jì)算得到的束縛水飽和度為參考，認(rèn)為高、低阻巖心束縛水飽和度分別為0.4、0.6時(shí)的電阻率為實(shí)際地層條件下的電阻率，模擬得到實(shí)際高、低阻氣層電阻率分別為39.41 Ω·m、5.82 Ω·m，電阻率差異為33.59 Ω·m。

模擬相同物性條件下由于陽(yáng)離子交換容量差異導(dǎo)致的電阻率變化研究粘土附加導(dǎo)電性對(duì)低阻的貢獻(xiàn)。由圖12可知，孔隙度為8.42%巖心的陽(yáng)離子交換容量由0.082 mmol/cm3增加到0.292 mmol/cm3時(shí)，模擬得到不同含水飽和度情況的電阻率均大幅降低。當(dāng)含水飽和度為0.4時(shí)，電阻率由39.41 Ω·m降低為22.59 Ω·m，電阻率下降16.82 Ω·m。

由圖12可知，當(dāng)含水飽和度為0.4時(shí)，孔隙度為8.42%的巖心陽(yáng)離子交換容量由0.082 mmol/cm3增加到0.292 mmol/cm3時(shí)，電阻率由39.41 Ω·m降低為22.59 Ω·m，電阻率下降16.82 Ω·m。

圖12 4塊巖心電阻率隨含水飽和度的變化

考慮相同陽(yáng)離子交換容量條件下物性差異和孔隙結(jié)構(gòu)差異對(duì)電阻率降低的貢獻(xiàn)。由上文可知，孔隙結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致束縛水飽和度存在明顯差異，通過(guò)模擬相同物性條件下，不同束縛水飽和度條件下的電阻率變化研究孔隙結(jié)構(gòu)差異對(duì)低阻的影響。模擬結(jié)果顯示當(dāng)孔隙度為8.42%、陽(yáng)離子交換容量為0.082 mmol/cm3的巖心束縛水飽和度由0.4提高到0.6時(shí)，電阻率由46.05 Ω·m降低到23.52 Ω·m，電阻率下降22.53 Ω·m；當(dāng)孔隙度為12.58%，陽(yáng)離子交換容量為0.082 mmol/cm3的巖心束縛水飽和度由0.4提高到0.6時(shí)，電阻率由18.24 Ω·m降低到9.02 Ω·m，電阻率下降9.22 Ω·m。相較于Q3c下部高阻氣層，上部低阻氣層發(fā)育更好的物性和復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，模擬孔隙度由8.41%增加到12.58%、束縛水飽和度由0.4提高到0.6時(shí)巖心電阻率的變化，研究在實(shí)際地層條件下物性和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)電阻率的影響。模擬結(jié)果顯示電阻率由39.41 Ω·m下降為9.02 Ω·m，電阻率下降30.40 Ω·m。對(duì)比前兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：對(duì)于物性越差的地層，孔隙結(jié)構(gòu)差異對(duì)其電阻率的影響更大；對(duì)比第三組實(shí)驗(yàn)和前兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在更好的物性條件前提下，復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)電阻率的影響遠(yuǎn)大于單一復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)電阻率的影響。因此，在考慮復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻油氣藏的影響時(shí)，需重點(diǎn)考慮地層物性條件是否存在差異這一前提，而非將低阻成因直接歸因于單一復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)。

通過(guò)有限元方法計(jì)算得到高、低阻氣層電阻率差異為33.59 Ω·m，粘土附加導(dǎo)電性導(dǎo)致電阻率降低16.82 Ω·m，物性差異條件下復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電阻率下降30.40 Ω·m，上述實(shí)驗(yàn)各參數(shù)取值及各低阻因素導(dǎo)致的電阻率下降量見(jiàn)表 6。將兩個(gè)低阻成因?qū)е码娮杪氏陆档闹颠M(jìn)行歸一化處理，得到各個(gè)成因?qū)ρ芯繀^(qū)Q3c上部氣層低阻響應(yīng)的貢獻(xiàn)。研究結(jié)果表明粘土附加導(dǎo)電性對(duì)低阻響應(yīng)的貢獻(xiàn)為35.63%，良好物性條件下復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻響應(yīng)的貢獻(xiàn)高達(dá)64.37%。

表6 各低阻成因電阻率下降量分析及參數(shù)選取

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1)通過(guò)測(cè)井資料、氣測(cè)錄井和生產(chǎn)測(cè)試資料證實(shí)A構(gòu)造3口井同一地質(zhì)層位Q3c上部均出現(xiàn)低阻氣層。以豐富的測(cè)井資料和大量巖石物理實(shí)驗(yàn)資料為研究依據(jù)，分別研究了外因和內(nèi)因?qū)Φ貙与娮杪实挠绊懀M(jìn)而確定低阻成因。研究發(fā)現(xiàn)低阻氣層粘土含量高，粘土礦物類型以高陽(yáng)離子交換容量的伊蒙混層為主，定量分析發(fā)現(xiàn)低阻氣層粘土礦物導(dǎo)電效率是高阻氣層的3.7倍。高粘土含量以及粘土附加導(dǎo)電性是形成Q3c上部低阻氣層的重要成因。

2)研究區(qū)Q3c上部低阻氣層中的粘土礦物處于成巖作用轉(zhuǎn)化末期，蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化過(guò)程中地層保持高壓異常，有利于地層原生粒間孔隙的保存，為上部低阻氣層優(yōu)良導(dǎo)電路徑的形成提供了很好的物性基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，低阻氣層內(nèi)部發(fā)育的大量中—小孔隙與一定量的原生粒間大孔隙組成的雙孔隙系統(tǒng)大大提高了地層孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，低阻地層具有更高的束縛水飽和度，這是形成Q3c上部低阻氣層的另一重要成因。

3)建立了高、低阻氣層兩塊數(shù)字巖心，在三維數(shù)字巖心可視化基礎(chǔ)上進(jìn)行多組分導(dǎo)電模擬。對(duì)低阻氣層的導(dǎo)電機(jī)理和導(dǎo)電效率開(kāi)展研究發(fā)現(xiàn)：低阻巖心在高含氣飽和度時(shí)，水膜、角隅和微孔隙內(nèi)殘余的束縛水構(gòu)成其主要導(dǎo)電路徑，導(dǎo)電效率低；低阻巖心內(nèi)部存在大量的伊利石粘土礦物，且由于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連通性較差的中—小孔隙內(nèi)仍保留大量束縛水，在高含氣飽和度情況下，中小孔內(nèi)的束縛水和高陽(yáng)離子交換容量的伊利石礦物構(gòu)建了優(yōu)良的導(dǎo)電路徑，模擬結(jié)果與測(cè)井電性特征吻合，證實(shí)了粘土附加導(dǎo)電性和復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致研究區(qū)Q3c上部氣層低阻的主要原因。

4)模擬物性、陽(yáng)離子交換容量存在差異的4塊數(shù)字巖心在不同含水飽和度條件下的電阻率變化，定量分析粘土附加導(dǎo)電性和物性差異下復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻的貢獻(xiàn)。模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于研究區(qū)這類低孔、低滲—特低滲地層，物性條件越差，單一孔隙結(jié)構(gòu)差異對(duì)其電阻率的影響越明顯；而對(duì)于物性基礎(chǔ)更好的地層，復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其電阻率的影響遠(yuǎn)大于單一復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其電阻率的影響，因此，在考慮復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻油氣藏的影響時(shí)，需重點(diǎn)考慮地層物性條件是否存在差異這一前提，而非將低阻成因直接歸因于單一復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)果顯示粘土附加導(dǎo)電性對(duì)研究區(qū)Q3c上部氣層低阻響應(yīng)的貢獻(xiàn)為35.63%，良好物性條件下復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)低阻響應(yīng)的貢獻(xiàn)高達(dá)64.37%。