含濁沸石礫巖儲層的測井響應特征及識別

曹志鋒,藺敬旗,甘仁忠,隆山,王先虎,王婷婷

(1.中國石油集團測井有限公司新疆分公司,新疆克拉瑪依834000;2.中國石油新疆油田分公司勘探事業部,新疆克拉瑪依834000;3.中國石油集團測井有限公司測井應用研究院,陜西西安710077)

0 引 言

瑪湖凹陷是準噶爾盆地中央坳陷的次一級負向構造單元,位于中央坳陷的西部,分為瑪東斜坡區、瑪西斜坡區、瑪南斜坡區、瑪北斜坡區等4個勘探區域[1]。繼瑪北斜坡區、瑪西斜坡區、瑪南斜坡區發現多個億級儲量區塊后,瑪東斜坡區下烏爾禾組也被證實普遍存在瑪湖凹陷風城組晚期形成的高熟油氣,具備整體成藏的物質基礎[2],儲層巖性普遍含濁沸石礫巖。濁沸石是含水架狀結構的多孔硅鋁酸鹽礦物質,是沸石族礦物的一種[3-11]。近年來,中國含濁沸石儲層頻繁顯露,四川盆地侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系、準噶爾盆地二疊系和三疊系許多砂巖儲層中均發現含有自生濁沸石礦物[4-10],而這些濁沸石礦物的析出、充填、溶解等一系列成巖作用對儲層的物性乃至含油性有一定影響[9-13]。前人對不同地區含濁沸石砂巖儲層展開了深入的研究,但僅停留于濁沸石的形成、分布及礦物學特征等地質層面,缺乏對含濁沸石礫巖儲層的測井響應特征及識別方面的研究?；跐岱惺袆e于石英、長石等礦物的巖石礦物學特征,在測井解釋階段若忽略濁沸石礦物對儲層的影響,會造成含濁沸石礫巖儲層的測井解釋精度偏低。因此,對含濁沸石礫巖儲層的測井響應特征及測井識別方法展開研究具有重要的意義。本文采用巖心刻度測井方法開展含濁沸石礫巖儲層測井識別方法的研究工作,提出了密度與聲波時差視孔隙度重疊識別含濁沸石礫巖儲層的方法,解決了此類儲層測井識別的難題。

1 濁沸石形成的條件及礦物學特征

據《瑪東斜坡區Yanbei4井區塊二疊系下烏爾禾組新增石油控制儲量》報告,瑪東斜坡區沉積相帶受古地貌控制,下烏爾禾組以扇三角洲前緣亞相為主,發育河口壩和水下分流河道等微相類型,坡折帶之上為扇三角洲平原沉積(見圖1)。含濁沸石礫巖儲層主要出現于三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道中。這與前人關于濁沸石形成、分布的沉積背景研究相吻合[10]。

圖1 瑪東斜坡區下烏爾河組烏4段沉積相圖

濁沸石作為一種含水架狀結構的多孔硅鋁酸鹽礦物,其化學通式:(Na,K)x·(Ca,Sr,Ba,Mg)y·[Alx+2ySin-(x+2y)O2n]·mH2O。式中,x為堿金屬離子個數;y為堿土金屬離子個數;n為硅鋁離子個數之和;m為水分子數。濁沸石族礦物主要形成于低溫、低壓、堿性介質以及堿金屬活動較強的環境條件中[14-16]。濁沸石大多數是含玻璃質較高的各種火山熔巖、凝灰巖在堿性水介質的作用下經過水化、水解、反應和結晶成巖生成。其成礦模式:由火山玻璃+水介質演變為蒙脫石+濁沸石+二氧化硅+金屬離子(溶液)。

圖2(a)為Yanbei4井3 869.37 m巖石鑄體薄片,巖心分析資料顯示,含濁沸石砂質細礫巖,濁沸石膠結,孔隙類型主要為濁沸石溶孔,藍色鑄體,單偏光,×25;圖2(b)為Yanbei4井4 070.90 m巖石鑄體薄片,含濁沸石礫質中粗砂巖,濁沸石膠結,孔隙類型主要為濁沸石溶孔,藍色鑄體,單偏光,×25。研究區下烏爾禾組儲層巖性主要以灰色含礫砂巖、灰色砂質礫巖,礫石成分主要以火成巖巖塊為主,變質巖塊次之;砂粒成分以巖屑為主,石英、長石次之,這些都為濁沸石礦物的形成提供了豐富的物質基礎。這些疊置水下分流河道中的原生孔隙發育、堿性孔隙水易于流動,孔隙水與火山碎屑及斜長石離子交換能力強,易于形成濁沸石膠結。

圖2 瑪東斜坡區下烏爾禾組濁沸石膠結巖石鑄體薄片

2 含濁沸石礫巖儲層測井響應特征

2.1 含濁沸石礫巖儲層“兩低兩高”測井響應特征

根據研究區7口井15層巖心全巖礦物分析結果,將研究區內下烏爾禾組儲層分為含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層2大類。通過直方圖等方法分別對比二者之間的自然伽馬、密度、中子孔隙度、聲波時差、電阻率等測井響應特征差異,研究分析含濁沸石礫巖儲層的測井響應特征。

以Yanbei4井為例,上部3 860.0～3 874.5 m井段為典型的含濁沸石礫巖儲層,下部3 888.0～3 893.0 m井段為相鄰不含濁沸石的礫巖儲層。與不含濁沸石的礫巖儲層相比,含濁沸石礫巖儲層具有低自然伽馬、低密度、高中子孔隙度和高電阻率的“兩低兩高”測井特征(見圖3)。

2.2 含濁沸石礫巖儲層的自然伽馬測井響應特征

根據自然伽馬測井在含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層的響應值頻率直方圖[見圖4(a)],含濁沸石礫巖儲層自然伽馬值主要為44～52 API,頻率峰值對應的自然伽馬值為46 API;不含濁沸石的礫巖儲層自然伽馬值范圍在48～60 API,頻率峰值對應的自然伽馬值為56 API。兩者相差10 API,顯示含濁沸石礫巖儲層具有低自然伽馬特征。

圖4 含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層測井響應值頻率直方圖

火山玻璃物質蝕變為濁沸石,化學成分雖然在組分上沒有大的變化,但其含量上的變化很明顯。表現在濁沸石巖中的SiO2、Na2O,K2O的含量比原巖明顯減少,而CaO,MgO、Al2O3和H2O明顯增加。研究區的濁沸石以不含鉀離子的濁沸石為主(CaAl2Si2O124H2O)。

隨著鉀離子等放射礦物的減少,地層的自然伽馬亦隨之降低。統計分析研究區的含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層的自然伽馬測井特征,可以看到:含濁沸石礫巖儲層自然伽馬值明顯較低,比不含濁沸石礫巖儲層的自然伽馬值低10 API左右。說明在風化、水解作用下,沸石礦物中K+等其他具有放射性成分被交代、流失,沒有放射性的Na+、Ca2+等離子沉淀下來,降低了地層的自然伽馬值。

2.3 含濁沸石礫巖儲層的密度測井響應特征

根據含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層的巖心分析結果,反算骨架密度得到其頻率直方圖[見圖4(e)]。含濁沸石礫巖儲層巖石骨架密度為2.45～2.55 g/cm3,不含濁沸石礫巖儲層的巖石骨架密度為2.55～2.65 g/cm3,說明含濁沸石礫巖儲層具有低密度特征。

濁沸石骨架結構中的基本單元是由4個氧原子和1個硅(鋁)原子堆砌而成的硅(鋁)氧四面體。硅氧四面體和鋁氧四面體再逐級組成單元環、雙元環、籠(結晶多面體)構成三維空間的架狀結構濁沸石晶體。作為次級單位的各種環聯合起來形成各種濁沸石的空洞和孔道(或稱孔穴和通道)。濁沸石具有空曠的晶體骨架結構,結構中具有大量均勻的微孔,孔徑大多在1 nm以下,晶穴體積約為總體積的40%～50%。微孔結構的存在決定了濁沸石礦物的密度,與同類型架狀硅酸鹽礦物(例如石英、長石)相比,其具有較低的密度。

2.4 含濁沸石礫巖儲層中子孔隙度測井響應特征

對研究區目的層段中子孔隙度測井進行泥質校正和孔隙度校正后,統計含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層的中子孔隙度測井值頻率分布范圍,發現二者存在明顯差異。如圖4(b)所示,不含濁沸石礫巖儲層校正后的中子孔隙度測井值為6%～10%,平均值為8.8%,含濁沸石礫巖儲層的中子孔隙度測井值為11%～19%,平均值14.6%?？芍?含濁沸石礫巖儲層中子孔隙度測井值明顯高,具有高中子孔隙度測井特征。

天然濁沸石具有大量微孔隙空腔和結晶水,濁沸石礦物中結晶水的存在,必然對中子測井所測量的氫核有貢獻,導致濁沸石具有高中子孔隙度的響應特征。

2.5 含濁沸石礫巖儲層的聲波時差測井響應特征

在泥質校正和孔隙度校正的基礎上,對含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲層聲波時差測井值進行統計分析,如圖4(c)所示。不含濁沸石的礫巖儲層聲波時差值為52～56 μs/ft,平均值為54.1 μs/ft;含濁沸石礫巖儲層聲波時差值為52～54 μs/ft,平均值為52.3 μs/ft。兩者聲波時差測井值僅相差2 μs/ft,初步認為濁沸石礦物聲波時差值與巖石骨架礦物中石英、長石相近。

含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石礫巖儲層的聲波時差特征基本相同,推測可能由于濁沸石在晶體結構上與石英、長石類礦物相似,屬于架狀結構?；诼暡〞r差沿最短的路徑傳播的原理,盡管濁沸石中微孔很多,但是聲波時差在濁沸石礦物中傳播時,沿晶體骨架傳播而不通過晶體空穴,分析認為濁沸石聲波時差傳播時間與長石、石英礦物基本相同。此特征需要巖石實驗證實。

2.6 含濁沸石礫巖儲層的電阻率測井響應特征

根據含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石的礫巖儲層段深電阻率值分布范圍分析[見圖4(d)],含濁沸石礫巖儲層電阻率值為30～90 Ω·m,平均值為47.8 Ω·m;不含濁沸石的礫巖儲層電阻率值為5～20 Ω·m,平均值為12.5 Ω·m。含濁沸石礫巖儲層電阻率明顯高于不含濁沸石的礫巖儲層,具有高電阻率特征。

對含濁沸石礫巖儲層的高電阻率特征,需要排除含油性的影響。因此,選擇不含油礫巖儲層段分析含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲層電阻率差異,以Yanbei2井(見圖5)為例,在4 601.0～4 603.5 m井段,巖石薄片鑒定證實儲層含濁沸石,電阻率值79 Ω·m;4 627.0～4 630.0 m井段儲層不含濁沸石,電阻率值21 Ω·m。對比兩者差異顯示含濁沸石礫巖儲層具有更高的電阻率。

圖5 Yanbei2井含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲層電阻率對比

濁沸石結構帶負電,具有很高的陽離子交換量,由于其晶體結構是架狀結構,當濁沸石被電解質溶液飽和時,水化離子很難穿過這種孔隙網絡遷移而導電。同時,濁沸石晶體是孔隙中流體與巖石顆粒在堿性富鈣條件下交代生成,濁沸石顆粒堵塞孔隙空間,阻礙了電流流動,導致巖石電阻率升高。

3 含濁沸石礫巖儲層測井識別方法

根據含濁沸石礫巖儲層的測井響應特征分析結果,含濁沸石礫巖儲層與不含濁沸石的礫巖儲層相比,具有低密度、聲波時差影響小或不受影響的特點。取純礫巖的骨架密度為2.67 g/cm3、聲波時差為57 μs/ft;地層水的密度為1 g/cm3、聲波時差為189 μs/ft。密度視孔隙度、聲波時差視孔隙度為

(1)

(2)

式中,φden為密度視孔隙度,小數;DEN為密度測井值,g/cm3;φac為聲波時差視孔隙度,小數;AC為聲波時差測井值,μs/ft。

對于不含濁沸石的礫巖儲層,通過聲波時差與密度測井值計算得到的孔隙度結果相近;對于含濁沸石礫巖儲層,由于含有濁沸石礦物會導致骨架密度偏低,通過密度測井值計算的視孔隙度比聲波時差計算的視孔隙度大,即密度視孔隙度大于聲波時差視孔隙度。因此,采用密度與聲波時差計算的孔隙度重疊法可以識別含濁沸石礫巖儲層。

圖6 Yanbei4井密度-聲波時差視孔隙度重疊法判別含濁沸石礫巖儲層

4 應用實例

如圖6所示,Yanbei4井3 903.5～3 917.0 m井段儲層密度視孔隙度大于聲波時差視孔隙度,全巖分析結果顯示該段含有10%～18%的濁沸石;3 933.5～3 944.0 m井段儲層密度視孔隙度與聲波時差視孔隙度相近,全巖分析結果顯示該段不含濁沸石。用該方法對研究區5口井的15個層段進行連續處理,與全巖礦物分析結果符合率達80%。

此外,利用密度與聲波時差視孔隙度重疊法對研究區12口井的儲層進行了判別,根據密度與聲波時差視孔隙度重疊法劃分了含濁沸石礫巖儲層,并統計了每口井含濁沸石礫巖儲層的厚度。由下烏爾禾組含濁沸石礫巖儲層厚度等值線圖可知(見圖7),位于三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道微相的濁沸石礫層厚度為44.8～62.2 m。如沿著水道方向的Ma201井含濁沸石礫巖儲層厚度為26.6 m,Ma202井含濁沸石礫巖儲層厚度為30.0 m,Yanbei4井含濁沸石礫巖儲層厚度為44.8 m,Ma217井含濁沸石礫巖儲層厚度為62.2 m,含濁沸石砂層厚度逐漸增大;位于水道邊部薄的礫巖儲層濁沸石不發育,如沿著Ma213井→Ma211井→Ma214井,含濁沸石礫巖儲層厚度低于10 m或不發育。即越靠近物源區、越靠近扇體主河道,濁沸石膠結越發育。這與前人對于濁沸石形成及沉積背景研究結論一致,證實了該判別方法的有效性。

圖7 Yanbei4井區下烏爾禾組含濁沸石礫巖儲層厚度等值線圖

5 結 論

(1)含濁沸石礫巖儲層具有低自然伽馬、低密度、高中子孔隙度、高電阻率的“兩低兩高”測井響應特征,其聲波時差與不含濁沸石的礫巖儲層相近。

(2)基于含濁沸石礫巖儲層的密度測井、聲波時差測井響應特征,采用密度-聲波時差視孔隙度重疊法可以識別含濁沸石礫巖儲層,評價結果與全巖礦物分析及井壁取心等分析資料一致。

(3)含濁沸石礫巖儲層受物源和沉積微相的控制,研究區含濁沸石礫巖儲層多發育于靠近東北物源方向的三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道微相,即越靠近物源區、越靠近扇體主河道,儲層中的濁沸石含量越高。