準噶爾盆地阜東斜坡區侏羅系頭屯河組低電阻率油層成因機理

王亮,孟凡,姚永君,王欣,宋林珂

(1.西南石油大學地球科學與技術學院,四川成都610500;2.中國石油大學地球物理與信息工程學院,北京102249；3.西南油氣田分公司川中油氣礦,四川遂寧629000;4.西南油氣田分公司重慶氣礦地質研究所,重慶400000)

0 引 言

近年來,阿根廷Chubut砂巖、印度尼西亞Meruap油田和蘇門答臘盆地B區塊等[1],中國準噶爾盆地、渤海灣盆地、鶯歌海盆地等相繼發現了大量的低電阻率油氣藏[2]。2011年在準噶爾盆地阜東斜坡區侏羅系頭屯河組取得了重大的油氣勘探突破,發現了大量的低電阻率油層。然而,由于研究區低電阻率油層成因的不確定性影響了低電阻率油層的測井評價工作,阻礙了油氣藏的勘探與開發。因此,對阜東斜坡區侏羅系頭屯河組低電阻率油層成因機理開展研究具有重大的現實意義。

低電阻率油層[3-6]的成因可以歸納為內因與外因2個方面。內因是指油氣層本身的巖性、結構、物性和地層水等因素,歸納起來有7個方面[7]:①含高礦化度地層水[8-9];②含較多的束縛水[10-11];③黏土附加導電性[12-13];④微孔隙發育[14];⑤巖性細,泥質含量高[15];⑥骨架導電[16];⑦巖石強親水[14]。根據巖石的導電特性,對巖石電阻率起到直接影響的內因可歸納為3種:①高束縛水飽和度;②黏土附加導電性;③骨架導電。外因是由人為因素造成的,即工程成因[17-19]。在鉆井過程中鉆井液柱壓力常大于地層壓力,鉆井液濾液會侵入滲透性地層。只要存在鉆井液濾液的侵入,不論鉆井液為鹽水鉆井液或淡水鉆井液均會造成油層電阻率降低。對于這類低電阻率油層,應當對鉆井液侵入造成的油層、水層電阻率變化進行校正。另外所選擇的測井系列不適合也可使測得的油氣層、水層視電阻率值差別減小,給油氣層的識別帶來困難。

通常低電阻率油層的成因不是單一的,而是多種成因共同作用的結果。不同地區低電阻率油氣層的成因往往又具有多樣性與特殊性的特點。本文以準噶爾盆地阜東斜坡區侏羅系頭屯河組低電阻率油層為研究對象,開展低電阻率油氣層成因機理研究工作。從低電阻率油層的巖石陽離子附加導電能力、束縛水飽和度、導電礦物、鉆井液侵入等4方面進行分析。

1 儲層基本特征

1.1 巖性特征

侏羅系頭屯河組儲層多以細砂巖為主,其次為細—中砂巖與粉砂巖,巖性以長石巖屑砂巖為主,其次為巖屑砂巖。巖石填隙物以泥質雜基為主,方解石次之,偶見菱鐵礦、方沸石。碎屑顆粒的磨圓度普遍較差,其形態多為次棱角狀,分選性較好。顆粒間以點—線接觸、線接觸為主。膠結類型以壓嵌型、孔隙—壓嵌型膠結為主。

1.2 物性特征

巖心孔隙度分布在8%～22%之間,平均值為14.3%。滲透率分布范圍較寬,在0.1～50 mD(1)非法定計量單位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同之間。儲層孔隙類型主要為原生粒間孔、剩余粒間孔及少量粒內溶孔。鑄體薄片觀察與孔隙類型統計,儲層孔隙類型為以原生粒間孔—剩余粒間孔和粒內溶孔2種孔隙的組合。

2 低電阻率油層成因機理分析

2.1 巖石陽離子附加導電

目前,通常認為巖石的陽離子附加導電由黏土礦物引起[7,20-25]。然而,阜東斜坡區侏羅系頭屯河組低電阻率油層巖心實驗測量結果表明,黏土礦物的陽離子交換能力小于巖心測量陽離子交換能力。因此,巖石中除黏土礦物外,其他物質也具有與黏土礦物類似的陽離子附加導電特性。Toshinobu等[26]對日本北部的凝灰巖地層研究發現凝灰巖與黏土礦物在掃描電鏡下具有相似的特征,認為凝灰物質具有與黏土礦物類似的性質。張曉峰等[27]對海拉爾盆地凝灰巖分析,也認為凝灰巖具有導電特性。董磊等[28]利用巖石薄片、掃描電鏡、X衍射分析、電子探針分析認為凝灰巖的附加導電主要由小于0.125 mm的粉粒級玻屑引起。于振鋒[29]進一步揭示,與骨架級玻屑相比,粉粒級玻屑比表面積更大,與水接觸的能力更強,使得導電性更強。巖石薄片分析顯示,研究區儲層具有大量的中酸性火山巖巖屑,以凝灰巖巖屑為主。因此,認為研究區儲層巖石的陽離子附加導電是黏土礦物與凝灰巖巖屑2者陽離子附加導電共同作用的結果。

(1)黏土礦物的陽離子附加導電。黏土礦物是顆粒極細的含水層狀結晶的硅酸鹽礦物。黏土礦物通過結構中的類質同象替代、邊緣與外表面的破鍵、伴生羥基組分的分解等方式使得黏土礦物具有陽離子附加導電的能力[30]。黏土礦物陽離子附加導電作用的強弱受黏土礦物含量、類型、分布形式等特征的影響。X衍射分析表明:頭屯河組儲層黏土礦物類型以無序伊/蒙混層為主,次為綠泥石與高嶺石。伊/蒙混層黏土礦物混層比為82.19%。與其他黏土礦物相比,蒙脫石礦物構造內廣泛發育類質同象替代,使得其陽離子交換能力較其他黏土礦物大(見表1)。

表1 黏土礦物陽離子交換交換能力表[30]

巖石薄片顯示巖石顆粒邊緣普遍發育伊/蒙混層黏土包膜[見圖1(a)]。掃描電鏡證實伊/蒙混層黏土礦物呈似蜂巢狀與不規則狀[見圖1(b)];高嶺石呈蠕蟲狀充填粒間[見圖1(c)],見有少量絲管狀伊利石;粒間與粒表常見葉片狀的綠泥石[見圖1(d)]。全巖分析表明,儲層黏土礦物絕對含量較低,一般小于7%,平均值為3.47%(見表2)。

表2 阜東頭屯河組全巖分析黏土礦物含量

圖1 巖石薄片及掃面電鏡下的黏土礦物

(2)凝灰巖巖屑的陽離子附加導電。巖石中酸性火山巖巖屑中含有大量的凝灰巖(見圖2),凝灰巖巖屑中存在大量的火山玻璃。火山玻璃形成于巖漿噴出后,是迅速凝固的過冷產物,為一種非晶態固體。根據火山玻璃的拉曼光譜特征,火山玻璃相分子團結構由無序的鏈狀、層狀、架狀及純架狀網絡體組成[31]。與黏土礦物相似,火山玻璃在堿性地層水條件下也具有陽離子附加導電能力。對于粉粒級的火山玻璃,由于比表面積大,與水接觸的能力強,其陽離子附加導電能力尤為突出。

圖2 F2井3 825.14 m處凝灰質特征

根據玻璃無規則網絡結構學說的觀點,按陽離子元素與氧結合的單鍵能大小和能否生成玻璃,將陽離子的氧化物分為3類:網絡體生成氧化物、網絡外體氧化物和中間體氧化物。而陽離子也因此分為網絡生成離子、網絡外離子和中間體離子。SiO2為網絡體生成氧化物的代表,能單獨生成玻璃。F—O鍵(F為網絡生成離子)為共價、離子混合鍵,單鍵能較大。網絡外體氧化物以K2O、Na2O與CaO為代表,網絡外體氧化物不能單獨生成玻璃。M—O鍵(M為網絡外離子)以離子鍵為主,單能鍵較小。中間體氧化物以Al2O3、MgO為代表,一般不能單獨生成玻璃。I—O鍵(I為中間體離子)以離子鍵為主,具有一定的共價鍵,單鍵介于F—O與M—O鍵能之間[32]。

玻璃表面可以產生電荷。玻璃表面原子的排列和內部是有區別的,當玻璃從高溫成形冷卻到室溫,或斷裂出現表面時,表面就存在不飽和鍵,即斷鍵[32]。下面分別以二氧化硅玻璃與堿硅酸鹽玻璃為例,說明玻璃表面的結構與電荷產生的原因。

二氧化硅玻璃中當[SiO4]四面體組成的網絡斷裂出現新鮮表面時,可形成過剩氧單元,即E基團。此時,Si4+不僅與四面體中的3個氧離子鍵合,還與1個未同其他陽離子鍵合的氧離子相連,造成該基團氧過剩,帶負電荷,即[Si4+(O2-/2)3O2-]-。E基團中的不飽和鍵將與水分子反應,形成各種羥基團(OH-)。這些表面羥基既能作為酸,也能作為堿,式(1)或式(2)進一步與H+或OH-作用

(1)

(2)

由這些表面反應形成的凈電荷可以是正電荷,也可以是負電荷,這主要取決于溶液的pH值,在相對低的pH值(酸性)條件下,樣品具有陰離子交換能力,在相對高的pH值(堿性)條件下,樣品具有陽離子交換能力[30]。

對堿硅酸鹽玻璃,水分子中的氫離子(H+)會與玻璃表面上的鈉(鉀)離子發生離子交換,生成氫氧化鈉(鉀)溶液[見式(3)]。生成的氫氧化鈉(鉀)溶液將吸附在玻璃的表面形成溶液膜。溶液膜中的鈉(鉀)離子具有較高的遷移能力,與黏土表面吸附的擴散層相似,這些陽離子與外面的水溶液可進行離子交換,因而具有較高的陽離子交換能力。

(3)

為證實由火山玻璃所引起的凝灰巖具有陽離子交換能力,選取了FD5井低電阻率油層5塊巖心樣品同時開展X衍射、全巖分析以及陽離子交換能力測量實驗(見表3)。根據X衍射結果、伊/蒙混層比、全巖分析結果可以計算出巖石中蒙脫石、伊利石、高嶺石以及綠泥石的含量。將各類型黏土礦物含量乘以表1中各黏土礦物對應的CEC最大值,如蒙脫石CEC取最大值150 meq/100 g,可得到總黏土礦物的CEC理論最大值。黏土礦物含量與黏土礦物CEC最大理論值、巖石測量CEC交會圖顯示:隨著黏土礦物含量的增加,黏土礦物CEC理論最大值與巖石測量CEC值均增大,即黏土礦物對巖石CEC具有貢獻(見圖3和圖4)。然而,對比黏土礦物CEC理論最大值與巖石實測CEC值可知,巖石實測CEC值遠遠大于黏土礦物CEC最大理論值。因此,認為巖石實測CEC值與黏土礦物CEC理論最大值之間的差值由凝灰巖巖屑的陽離子交換能力引起。在凝灰巖巖屑含量較高的砂巖中,不能忽視凝灰巖巖屑的陽離子附加導電作用。而傳統認為巖石陽離子附加導電完全由黏土礦物引起的觀點或認識,在凝灰巖巖屑含量較高的砂巖中存在局限性。

表3 低電阻率油層巖石陽離子交換容量與總黏土礦物陽離子交換容量對比

圖3 黏土含量與CEC最大理論值交會圖

圖4 黏土礦物與巖石CEC測量值交會圖

上述分析表明,侏羅系頭屯河組低電阻率油層巖石的陽離子附加導電作用由凝灰巖巖屑與黏土礦物共同引起。為了進一步明確巖石陽離子附加導電能力的大小,分析巖石陽離子附加導電對低電阻率油層的影響。選取大量具有代表性的巖心開展陽離子交換能力實驗測量。實驗測量結果顯示,頭屯河組儲層巖石CEC與陽離子交換容量(QV)值均較大,巖石附加導電能力較強(見圖5和圖6)。

圖5 阜東頭屯河組陽離子交換能力

將實驗測量QV與準噶爾盆地陸梁油田白堊系低電阻率油層QV值對比表明:阜東斜坡區侏羅系頭屯河組低電阻率油層QV為0.4～0.9 mmol/mL,遠遠高于陸梁油田白堊系低電阻率油層陽離子交換容量(見圖6)。研究區巖心陽離子交換能力實驗結果與鄰區低電阻率油層的對比表明:阜東斜坡區侏羅系頭屯河組巖石的附加導電能力強,巖石的高附加導電能力是油層低電阻率的重要成因。

圖6 阜東斜坡區頭屯河組與陸梁油田白堊系陽離子交換容量對比

2.2 束縛水飽和度

束縛水包括巖石中非黏土顆粒表面由潤濕性引起的吸附水、黏土顆粒吸附水和毛細管滯留水。

巖石中非黏土顆粒表面吸附水的含量主要取決于巖石的比表面積。巖石的比表面積愈大,吸附水的體積也愈大。由于巖石的比表面積主要受顆粒粒度控制,且頭屯河組儲層巖性以比表面積較大的細砂巖、粉砂巖為主,因此,可以推斷儲層非黏土巖石顆粒表面的吸附水含量較高。

圖7 核磁共振實驗巖心特征與核磁束縛水確定結果

2.3 骨架導電礦物分析

當儲層中含有黃鐵礦、菱鐵礦時,因黃鐵礦或菱鐵礦的導電能力較強,使得儲層電阻率會大幅度的降低。黃鐵礦、菱鐵礦對低頻電流的側向測井影響相對較小,而對中頻的感應測井影響較大[34]。全巖分析顯示,儲層巖石偶見菱鐵礦,且含量較低,為0.9%～1.12%(見表2)。因此,認為礦物導電不是研究區油層低電阻率的主要成因。

2.4 鹽水鉆井液侵入分析

研究區鉆井時常采用鹽水鉆井液鉆井,為了避免鉆井液侵入對油層電阻率的影響,現場均采用了及時測井。圖8中FD8井與FD081井為鄰井,這兩口井油層位于同一套砂體。FD8井與FD081井分別使用鹽水鉆井液與油基鉆井液鉆井。如果鉆井液侵入較深,FD8井因鹽水鉆井液的侵入會使得油層電阻率降低,而FD081井因采用油基鉆井液鉆井,油基鉆井液的侵入對油層電阻率影響不大,此時FD8井油層電阻率應遠遠小于FD081井油層電阻率。然而測井結果顯示:采用油基鉆井液鉆井的FD081井與采用鹽水鉆井液鉆井的FD8井,這兩口井油層電阻率值無明顯差異。因此,因采用及時測井,鉆井液侵入較淺,對油層電阻率的影響不大。鉆井液濾液侵入不是研究區頭屯河組低電阻率油層形成的主要原因。

圖8 FD8與FD081井低電阻率油層測井響應特征(儲層伽馬異常由鈾元素異常富聚引起)*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

圖9 儲層電阻率與電阻率增大系數特征

為了進一步分析巖石的高陽離子交換容量與高束縛水飽和度對低電阻率油層的影響,基于W-S模型與研究區儲層巖電參數,模擬了儲層電阻率、電阻率增大系數與陽離子交換容量、含水飽和度之間的關系(見圖9)。模擬結果顯示,儲層電阻率與電阻率增大系數均隨陽離子交換容量的增大而減小。當儲層含水飽和度大于55%時,電阻率值小于8 Ω·m,電阻率增大系數小于2,低電阻率油層特征明顯。

3 結 論

(1)阜東斜坡區侏羅系頭屯河組儲層以細砂巖為主,巖石巖屑組分中主要含有中酸性凝灰巖巖屑。儲層巖心孔隙度主要分布在8%～22%之間,孔隙度平均值為14.3%。滲透率分布在0.1～50 mD之間。儲層孔隙類型主要為原生粒間孔、剩余粒間孔及少量粒內溶孔,儲層孔隙以原生粒間孔—剩余粒間孔、粒內溶孔為主的2種孔隙組合類型。

(2)頭屯河組儲層黏土礦物類型以無序伊/蒙混層為主,次為綠泥石與高嶺石;儲層巖石陽離子交換容量在0.4～0.9 mmol/mL之間;束縛水飽和度主要分布在40%～80%之間;儲層巖石偶見菱鐵礦,且含量較低。

(3)巖石的高陽離子交換容量與高束縛水飽和度是阜東斜坡區侏羅系頭屯河組油層低電阻率的主要成因,鉆井液侵入與骨架礦物導電的影響較小。

(4)準噶爾盆地阜東斜坡區侏羅系頭屯河組儲層中的凝灰巖巖屑在特定成巖作用背景下,會產生較高的陽離子附加導電能力,巖石的高陽離子交換容量來源于黏土礦物與凝灰巖巖屑。