黏土化蝕變作用定量分析方法在儲層評價中的應用*
——以萊州灣凹陷沙四段砂礫巖為例

王培春 崔云江

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

隨著渤海海域勘探開發(fā)程度的日益提高，古近系砂礫巖逐漸成為渤海油田增儲上產的重要領域[1]。砂礫巖儲層由于受構造背景、沉積環(huán)境和成巖作用等多因素的影響，巖石成分、結構復雜，非均質性強，且受火山碎屑巖影響，砂礫巖蝕變作用強，儲層有效性評價面臨較大挑戰(zhàn)。針對這一難題，學者們針對油田實際情況提出了相應的解決辦法[2-9]，如趙永強 等[7]通過“四性”精細研究開展有效儲層評價，劉偉 等[8]基于電成像資料開展儲層有效性研究等。由于中基性火山巖暗色礦物含量多，巖石礦物組分穩(wěn)定性差，容易發(fā)生黏土蝕變作用，因此，國內外對蝕變作用的研究重點在火山巖，如高衍武 等[10]中拐凸起黏土化蝕變火山巖孔隙度評價方法，而針對蝕變作用對砂礫巖儲層有效性的影響分析研究較少。

位于萊州灣凹陷斜坡帶的墾利A油田古近系沙四段發(fā)育扇三角洲沉積，為大套富火山碎屑厚層砂礫巖，具有東、西向雙物源，近源、快速堆積，多期扇體疊置的特征。受古地貌控制，縱、橫向沉積厚度變化大，巖石結構和成分成熟度都很低，儲層非均質性強。自然伽馬、電阻率、中子孔隙度和密度等測井響應差異性較小，地層從上到下均表現(xiàn)為砂礫巖特征，后期測試卻證實有油層、也有干層。如何根據(jù)現(xiàn)有資料準確判別儲層有效性，為后期儲量計算和油田開發(fā)奠定基礎，這給測井研究人員提出了極大挑戰(zhàn)。

針對上述難題，通過分析巖礦資料和測井響應特征，利用中子孔隙度和密度測井值計算視黏土含量變化，構建蝕變指數(shù)，將儲層蝕變黏土化程度分為未蝕變、輕度蝕變、中度蝕變和重度蝕變四類。在此基礎上，將蝕變指數(shù)與壁心或巖心全巖分析黏土含量建立關系，計算地層的黏土含量。將黏土含量與縱波時差聯(lián)合構建儲層品質因子，并通過蝕變指數(shù)、儲層品質因子進行儲層分類。該方法經油田資料驗證，預測結果準確。

1 地質特征

萊州灣凹陷位于渤海海域南部，郯廬斷裂帶的東支和西支分別從其東、西兩側邊緣通過，濰北凸起和萊北低凸起分別構成萊州灣凹陷的南、北邊界[11-12]。墾利A油田位于萊州灣凹陷南部斜坡帶，整體受反向控洼斷裂和走滑斷裂控制，緊鄰萊州灣凹陷生烴中心，成藏條件優(yōu)越。鉆井揭示該構造中生界發(fā)育白堊系義縣組和侏羅系藍旗組，古近系發(fā)育沙河街組和東營組。其中沙四段發(fā)育扇三角洲沉積體系，物源主要為來自凸起區(qū)中生界火成巖和火山碎屑巖，巖石類型主要為富含火山碎屑的砂礫巖(圖1a)。砂礫巖顆粒呈點接觸，顆粒支撐，成分主要為酸性、中性噴出巖巖塊(圖1b)、凝灰?guī)r巖塊和花崗巖巖塊，少量石英、長石，粒間填隙物主要見泥質、灰質以及凝灰質。巖心及壁心常規(guī)物性分析表明：孔隙度為15.5%～22.3%，平均值17.4%，滲透率為14.3～52.1 mD，平均值為32.1 mD，具有中孔、中—低滲儲層特征。鉆井證實，油藏類型以層狀構造油藏為主，原油以中質油為主，地面密度0.861～0.889 t/m3。該區(qū)臨近郯廬斷裂，古近紀火山活動強烈，受深部熱液和斷裂活動影響，火山巖巖塊(圖1b、c)和長石(圖1b、d)、黑云母(圖1e)和方解石等礦物受到不同程度的溶蝕和蝕變，自生石英、蝕變高嶺石、絲片狀伊利石和針葉狀綠泥石等較為發(fā)育(圖1f)。

(a)1 431 m，砂礫巖標本照片；(b)1 695 m，酸性噴出巖巖塊不均一蝕變、長石沿節(jié)理溶蝕、方解石膠結，正交光，×50；(c)1 482.5 m，火山巖巖屑溶蝕殘余，單偏光，×100；(d)1 537 m，鉀長石沿解理溶蝕、并向高嶺石轉化，掃描電鏡，×4 000；(e)1 443 m，粒間孔和顆粒溶蝕孔發(fā)育、可見黑云母向綠泥石蝕變，單偏光，×50；(f)1 575 m，粒間孔隙內充填針葉狀綠泥石和蜂窩狀綠/蒙混層，掃描電鏡，×6 000。

原巖發(fā)生蝕變作用的強度與范圍主要取決于原巖本身和流體的物理化學性質，兩者物理化學性質差異越大，蝕變作用就越強烈。沙四段巖性主要為富火山碎屑砂礫巖，且離物源較近，保留了母巖的基本特征。取心、鑄體薄片和掃描電鏡等資料表明，沙四段砂礫巖儲層富含F(xiàn)e2+、Ca2+和Mg2+，易發(fā)生綠泥石化等作用。輕度的蝕變作用，可以改善儲層的儲集性能[13]；當蝕變較重時，顆粒間的孔隙被自生礦物充填，儲集空間大大降低。因此，如何確定富火山碎屑砂礫巖蝕變程度對儲層有效性評價有著重要意義。

2 黏土化蝕變作用測井響應特征及定量分析

2.1 測井響應特征分析

測井信息可以反映地層原貌特征，是巖石礦物組分、孔隙結構特征、滲流特征及流體性質的綜合反映。當?shù)貙拥V物組分、流體性質相近時，儲層的測井響應特征相近，而巖石礦物發(fā)生蝕變時，則會導致測井響應特征出現(xiàn)相應的變化[14]。

自然伽馬能譜測井可以表征巖石含有不同的放射性元素。萊州灣凹陷南部斜坡帶砂礫巖為近物源沉積，保留了火山碎屑及火成巖的放射性特征，母巖為酸性和中性噴出巖，鉀元素含量高，放射性強，自然伽馬值高。蝕變程度的差異，導致黏土含量的變化，而黏土對鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等元素具有較強的吸附能力。KL-A井1 462 m處壁心分析黏土含量(Vclay1)達到44%，1 437 m和1 456 m壁心分析黏土含量約10%，兩者黏土含量差異較大、蝕變程度差異明顯，但測量的鈾、釷、鉀含量沒有明顯變化(圖2)。自然伽馬、釷含量與壁心分析黏土含量相關性較差(圖3a、b)。當巖石骨架發(fā)生變化時，密度測井可以反映不同巖性的變化，富火山碎屑砂礫巖儲層由于受火山碎屑成分的變化，密度曲線響應呈現(xiàn)一定的“毛刺狀”特征，但是在蝕變程度較高的1 462 m等深度段密度測井沒有明顯響應(圖2)，密度測井與壁心分析黏土含量相關性也較差(圖3c)。

圖2 墾利A油田KL-A井沙四段富火山碎屑砂礫巖測井響應特征

基于自然伽馬能譜測井和密度測井結果，研究區(qū)砂礫巖儲層地層沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，與外界沒有發(fā)生物質的交換或變化，巖石的蝕變作用主要是地層內部的自生、次生轉換。由于中子孔隙度測井通過計量快中子源在地層中造成的熱中子計數(shù)率映地層的含氫量，其測量值是巖石骨架含氫量和巖石孔隙中含氫量之和。富火山碎屑砂礫巖蝕變作用，引起火山碎屑物質向綠泥石、伊蒙混層轉化，這些礦物中含有大量結合水。火山碎屑物質的蝕變作用越強，黏土含量越高，束縛水含量越高，中子孔隙度測井值越高(圖2)。另外，測井中子值與壁心分析黏土含量二者存在較好的相關性(圖3d)。

圖3 墾利A油田沙四段富火山碎屑砂礫巖測井曲線與壁心分析黏土含量關系

2.2 黏土化蝕變作用定量評價

目前，國內外對地層發(fā)生黏土蝕變作用的研究主要集中在火山巖或者凝灰?guī)r地層中，對砂礫巖蝕變黏土的研究較少[15-17]。根據(jù)上述分析，當砂礫巖儲層中火山碎屑發(fā)生蝕變作用時，中子孔隙度具有明顯增高趨勢，而密度則變化較小，因此，通過中子孔隙度、密度測井值計算黏土含量變化來反映地層的蝕變程度。

利用密度測井相對值計算視基質黏土含量方法為

(1)

式(1)中：ρ為地層實際測量密度，g/cm3；ρmin為密度最小值,g/cm3；ρmax為密度最大值，g/cm3；Vclay2為利用密度曲線計算的基質黏土含量，小數(shù)。

基于薄片、全巖分析研究，結果表明當黏土含量超過20%時，通過鑄體薄片明顯可見火山碎屑蝕變黏土化作用，因此，選取黏土含量低于20%的壁心全巖分析數(shù)據(jù)，確定ρmin為1.48 g/cm3，ρmax為2.50 g/cm3，通過式(1)可計算地層未發(fā)生蝕變作用時的基質黏土含量。

利用中子孔隙度測井相對值計算視黏土含量方法為

(2)

式(2)中：φ為地層實際測量中子孔隙度，小數(shù)；φmax為中子孔隙度最大值，小數(shù)；φmin為中子孔隙度最小值，小數(shù)；Vclay3為利用中子曲線計算的視黏土總含量，小數(shù)。

基于薄片、全巖分析研究，并結合常規(guī)測井曲線，通過選取未蝕變位置確定φmin為0.15；鑒于不同層段位置蝕變程度差異，難以選取φmax值，可以利用式(2)反推計算得出φmax為0.56，基于式(2)可計算地層視黏土總含量。

利用視黏土總含量和黏土基質含量來定義砂礫巖儲層蝕變黏土化程度，并進行等級劃分。將sh=Vclay3-Vclay2定義為蝕變指數(shù)，sh越大，代表地層蝕變黏土化程度越強；反之，則越弱(圖4)。將sh≤0時，定義為未發(fā)生蝕變；00.2時，定義為重度蝕變。通過鑄體薄片、掃描電鏡、物性分析等資料，當黏土含量超過20%時，儲層滲透性明顯變差，對應蝕變指數(shù)sh>0.1，即為中度蝕變儲層有效性較差。

將蝕變指數(shù)與壁心或巖心全巖分析黏土含量建立聯(lián)立關系，可以準確計算地層的黏土含量，其公式為

圖4 墾利A油田沙四段地層黏土含量與蝕變指數(shù)關系

Vclay=114.16sh+9.312 8

(3)

式(3)中：Vclay為地層黏土含量，%。

通過圖4可以看出，基于蝕變指數(shù)求取地層的黏土含量其較利用中子孔隙度曲線直接計算地層的黏土含量值，其相關性有了明顯提高，雙相關系數(shù)由原來的0.76(圖3d)提高到0.84。

3 儲層有效性分析及應用實例

3.1 儲層有效性分析

富火山碎屑砂礫巖儲層蝕變黏土化較弱時，電阻率值的變化受礫石含量、油氣響應雙重因素影響，因此，電阻率曲線難以反映儲層品質變化；而縱波時差曲線主要受物性影響，礫石含量高、縱波時差低，礫石含量低、物性變好、縱波時差高，因此，可以利用地層黏土含量與縱波時差聯(lián)合進行儲層有效性判別。

基于地層黏土含量與縱波時差曲線構建儲層品質因子

(4)

式(4)中：PI為儲層品質因子，無量綱；DT為縱波時差曲線，μs/ft；DTmin為經巖心、壁心刻度后對應致密層的縱波時差最小值，μs/ft；DTmax為經巖心、壁心刻度后儲層的縱波時差最大值，μs/ft；Vclaymin為地層黏土含量最小值，%；Vclaymax為地層黏土含量最大值，%。

通過巖心、壁心鑄體薄片、掃描電鏡、物性分析等資料研究表明，當?shù)貙羽ね梁吭黾樱g變程度等級超過中級時，即使儲層存在較好的儲集空間，巖心分析的滲透率也普遍偏差，儲層有效性較差；當?shù)貙羽ね梁枯^少，儲層蝕變程度等級以未發(fā)生蝕變、輕度蝕變?yōu)橹鲿r，儲層品質因子PI越高，代表地層有效性越好。利用研究區(qū)內的地層測試、取樣數(shù)據(jù)以及結合核磁共振測井、電成像測井、常規(guī)測井等資料，基于儲層品質因子和蝕變指數(shù)，將儲層類型分為三類儲層(圖5)，即當PI≥0.2且sh≤0.00時，為I類儲層；當PI<0.1或sh>0.10時，為III類儲層；介于I類、III類儲層之間的為II類儲層。III類儲層經測試或取樣證實為干層或致密層，為無效儲層；I類儲層和II類儲層均為有效儲層，當儲層蝕變作用較弱，儲層品質高時定義為I類儲層，I類儲層和II類儲層的界限可能隨著認識的不同存在相應的變化。

圖5 墾利A油田沙四段砂礫巖儲層分類結果

3.2 應用實例分析

利用上述研究成果，在萊州灣凹陷斜坡帶的墾利A油田古近系沙四段進行了廣泛應用，準確識別出有效儲層，指導了地層測壓、取樣及地層測試工作，為儲量研究奠定堅實基礎。圖6為墾利油田A井儲層分類結果，圖中Vclay為利用式(3)計算的黏土含量，Vclay3為利用式(2)計算的視黏土總含量，Vclay1為壁心全巖分析的黏土含量，sh為蝕變指數(shù)，PI為儲層品質因子。通過巖心、壁心、電成像測井及常規(guī)測井等資料，A井儲層孔隙度介于10.0%～25.0%，滲透率2.5～94.7 mD，為中低孔中低滲儲層；巖屑錄井巖性以砂礫巖為主，熒光直照暗黃色，含油面積5%～40%，D-C級，壁心描述含油性以油斑為主；根據(jù)電成像測井資料，全井未見裂縫存在，儲層類型以孔隙型儲層為主。

圖6 墾利A油田KL-A井儲層分類

從圖6可以看出，利用式(2)和式(3)計算的黏土含量結果，在黏土含量大于20%時，二者相近；當黏土含量較低時，尤其是在儲層物性較好的層段，例如1 435.0～1 445.0 m，二者相差較大，其原因主要是在蝕變程度較低、物性較好時，中子孔隙度值會明顯增大，其計算的黏土含量較實際結果有一定誤差，利用公式(3)計算的結果和壁心全巖分析的黏土含量更加吻合。另外，在該井1 429.0～1 432.2 m、1 436.6～1 447.0 m段，其識別蝕變指數(shù)介于-0.076～0.043，儲層品質因子介于0.041～0.416，應用該分類方法，識別I類儲層9.4 m、II類儲層2.9 m，儲層有效性好，測試日產油達到49.66 m3，證實儲層品質高；而1 532.4～1 535.5 m、1 537.7～1 540.5 m、1 543.3～1 545.2 m、1 546.3～1 548.1 m、1 550.0～1 564.0 m常規(guī)測井響應雖然與1 429.0～1 432.2 m、14 236.6～1 447.0 m相似，但蝕變指數(shù)介于-0.044～0.086，儲層品質因子介于-0.024～0.251，應用該分類方法，識別I類儲層1.8 m、III類儲層21.4 m，儲層有效性整體較差，后在該層段嘗試測試并經酸化作業(yè)，累計產油0.47 m3，未獲得工業(yè)油流，進一步驗證了該方法進行儲層劃分的可靠性。

4 結論

1) 墾利A油田富火山碎屑砂礫巖由于受母巖成分的影響，容易發(fā)生不同程度的蝕變，輕度的蝕變有利于溶蝕、次生孔隙的發(fā)育，但蝕變程度較重時，巖石黏土化嚴重，不利于有效儲層的形成。中子孔隙度和密度相對值法計算的黏土含量差異可以反映地層的蝕變程度，將砂礫巖儲層蝕變黏土化程度級別劃分為未蝕變、輕度蝕變、中度蝕變和重度蝕變四類。

2) 利用縱波時差、黏土含量構建的儲層品質因子，以及蝕變指數(shù)實現(xiàn)了墾利A油田砂礫巖體的儲層有效性判別。經實際資料證實，較好地解決了墾利A油田砂礫巖儲層評價難題，也為今后類似砂礫巖及中基性火山巖儲層有效性評價提供了可借鑒的方法。