黏土礦物對砂泥巖導電性影響

趙美麗，任曉娟，2，沈衛民

（1.西安石油大學石油工程學院，陜西西安 710065；2.西安石油大學西部低滲-特低滲油藏開發與治理教育部工程研究中心，陜西西安 710065；3.西安石油大學地球科學與工程學院，陜西西安 710065）

近年來，對于常規的中高孔滲儲層測井評價方法已趨于成熟，評價的重點轉為非常規的低孔低滲儲層。非常規油氣儲層中，砂泥巖儲層占有很大比例[1]。砂泥巖儲層的巖石顆粒細[2]，主要是在低能沉積環境中形成的粉砂巖、砂質泥巖和細砂巖，泥質含量高且一般都在15%～25%，是非常規儲層的主要巖石類型。大量的研究表明[3-10]，砂泥巖中的泥質對儲層巖石導電性具有很大的影響，導致油氣層識別困難。因此，本文針對黏土礦物類型、含量等因素對砂泥巖導電性的影響進行了分析和認識。

1 黏土礦物影響巖石導電性的原因及對油氣層識別的影響

黏土礦物由于其表面吸附負離子形成的雙電層離子導電[11]。較多黏土礦物存在一方面堵塞了孔隙喉道、增加了比表面積、降低了儲層巖石的滲透率；另一方面，亦容易形成束縛水，造成較高的束縛水飽和度，從而增強了油層的導電性。黏土礦物的表面通常是帶著不飽和的電荷，它會對陽離子進行吸附，并讓它一直保持著離子交換的狀態，所以使得巖石附加導電性增強，儲層巖石電阻率降低；同時，砂泥巖儲層在早期勘探中測井評價誤差較大，漏失油氣層，其主要原因在于砂泥巖儲層中黏土含量較高，其滲流能力受到較大影響，導致儲層水敏性變強，因此，對測井響應和測井識別含油性產生較大影響[12]。

2 黏土礦物類型及含量對砂泥巖導電性影響

2.1 黏土礦物類型對砂泥巖導電性影響

砂泥巖儲集層細顆粒含量高，泥質含量高，細微孔喉體積百分數高，造成儲集層束縛水飽和度高，增強了儲層的導電性能。泥質中的黏土礦物類型主要為蒙脫石、高嶺石、伊利石及綠泥石等，且通常以混合形式存在，由于不同類型的黏土礦物具有不同的陽離子交換能力，因此，對砂泥巖導電性影響也不同[13]（表1）。對比表1 可以看出，這幾種黏土礦物結構不同，對砂泥巖導電性的影響也有所不同。

表1 不同黏土礦物類型對砂泥巖導電性影響對比

文獻[5]表明當地層水礦化度較低（11 562 mg/L）時，巖石導電主要是由黏土附加導電決定的，其中含蒙脫石含量最高的巖石樣品具有最高電導率，含有伊利石的巖樣次之，含高嶺石的巖樣電導率最低；當地層水礦化度較高（186 294 mg/L）時，巖石導電主要由自由水決定，并且電導率隨著自由水含量的增加而增加，當巖樣中含有蒙脫石時，由于自由水最少，所以其電導率最低，而當巖樣中含有伊利石時，由于自由水最多，其電導率最高，而當巖樣中含有高嶺石時，其電導率則居中。

2.2 黏土礦物含量與礦化度對砂泥巖導電性影響

黏土礦物含量對儲層巖石導電規律的影響與礦化度有一定關系，當礦化度較低時，黏土礦物含量越大，巖樣中自由水越少，黏土的附加導電越強，巖樣的電導率就越大；當礦化度較高時，黏土的附加導電性對巖石電導率的影響變小，黏土礦物含量越高，自由水含量越少，巖樣的電導率就越小[14-15]。文獻[5]認為當地層水礦化度低（11 562 mg/L）時，陽離子交換量Qv值隨著黏土含量的增加而增大，此時黏土的附加導電性變小。文獻[16]利用非規整三維逾滲網絡模型研究認為在中低礦化度（5 000 mg/L）下，泥質對巖石導電整體上呈現減阻作用，隨著泥質含量的增加，電阻率降低的速度減慢；在中等礦化度（15 000 mg/L）下泥質的減阻效果明顯弱于低礦化度下的減阻效果；在高礦化度（150 000 mg/L）下泥質對巖石導電整體上呈現增阻作用。泥質起減阻、增阻作用的具體礦化度范圍取決于儲層的孔隙度、連通性以及地層溫度等特性[16]。

文獻[14]利用三維數字巖心研究認為（圖1），在黏土礦物導電的作用下，當地層水礦化度相同時，隨著黏土含量增加，巖石電阻率降低，同時地層含水飽和度與巖石電導率呈反比關系：當地層含水飽和度變高時，黏土對巖石電導率影響變小；當地層含水飽和度相同時，此時地層水的導電能力隨著地層水礦化度的增大而增強，導致地層電阻率降低（圖2）。

圖1 黏土含量對電阻率的影響

圖2 地層水礦化度對巖石電阻率的影響

3 其他因素的影響

砂泥巖導電性與巖石膠結程度也有關系。致密砂巖儲集層的特征是物性差、孔滲低，儲層的導電特性由巖石孔隙空間中流體及孔隙結構形態決定[17]。致密砂巖儲層按照電阻率特征可以分為低電阻率負差異、低電阻率無差異、中高電阻率無差異。造成電阻率的高低主要與束縛水、毛細管水飽和度及喉道發育情況有關，而針對電阻率差異性主要與喉道毛細管阻力是否能夠阻擋鉆井液侵入有關[18-19]。而疏松砂泥巖則具有孔隙度較高，中-低滲透率的特點[20]。這類儲層呈低阻主要原因有：（1）埋藏淺、巖性疏松、儲層孔隙度高；（2）巖性細、黏土含量高；（3）鹽湖背景下的高礦化度特征；（4）特殊礦物導電因素。因此，不同的巖石膠結程度導致巖石導電性存在差異。文獻[21]認為巖石的孔隙度越高，膠結程度越差，巖石電阻率越低，反之亦然。

砂泥巖中常常含有一些導電礦物，如（黃/磁）鐵礦等。這些礦物大多都分布在非儲層，少部分存在于砂體內，一般鐵礦發育的區域電阻率都低且地層密度大，鐵礦物這種特殊的導電特性導致儲層電阻率下降幅度大或跳躍畸變。有研究表明含（黃/磁）鐵礦質的砂泥儲層有超過30%的砂體會受到其較大影響，由于局部區域（黃/磁）鐵礦含量相對低且在層內分布較為零散，因此，受到的影響較大，電阻率呈現整體下降[20]。

4 黏土礦物對導電模型的影響

目前，國內外的測井解釋技術主要采用電阻率-飽和度模型來定量評價油藏流體飽和度，然而，砂泥巖儲層泥質含量高、微孔隙發育、束縛水飽和度高，其導電機理復雜，極易形成低阻油氣藏，導致油藏電阻率與含水飽和度之間的相關性不明確，制約了油藏流體特性的準確測定和定量評價。正是因為這個導電機理的復雜性，再加上不同儲層的巖性、孔隙結構存在區域差異，因此，在解決地層飽和度求解的問題上，測井解釋學者們相繼提出了許多種導電模型。本文根據不同骨架導電對應電阻率模型不同的特點，將這些模型分成了四類，見表2。

表2 泥質影響的導電模型分類

這些電阻率模型主要分為以下幾種類型：（1）GCRMM 模型[22-24，27]，這個模型引進了巖石骨架導電與自由流體孔隙導電具有相似的導電特性，可以用來描述骨架導電巖石的導電特性這一概念。然而，在模型中，并沒有給出骨架導電隨導電顆粒體積含量變化以及電阻率變化而變化的表示方法，所以，該模型并不能用來描述導電顆粒體積含量在變化的情況下的純巖石骨架導電規律。（2）低電阻率油層的等效電導率模型[25-26]，本模型由HB 方程、有效介質導電理論和孔隙結合導電理論聯合建立，考慮了導電礦物導致巖石骨架導電作用，但是由于骨架顆粒導電與不導電的劃分標準還未完善，因此，只適合用在骨架顆粒完全導電條件下，不適合用在對骨架中既含有導電礦物又含有不導電礦物的純巖石導電規律的描述。（3）含黃鐵礦的泥質砂巖導電模型[28]，這一模式適用于含黃鐵礦的泥質砂巖的導電模式，其導電性表現為：黃鐵礦先與泥質砂串聯導電，然后與純砂巖并聯導電；但是在儲層不含泥質時，導電特性就變為黃鐵礦與純砂巖并聯導電。在這種特殊條件下，該模型就不適合描述含分散狀黃鐵礦的純巖石導電特性。（4）經典的導電模型[29-33]，這類模型認為泥質附加導電性由泥質含量決定。

可以看出，每種模型都有自己的特點及針對性，其中，Indonesia 公式和Doll 公式是目前常用的。有研究認為[27]計算結果與數值模擬結果相關性較好。該文獻[27]使用有限元方法，對巖心飽和水時的電導率Co進行模擬，通過將模擬值Co與經典的模型計算值Co對比，分析確定各種導電模型的適用情況。結果表明：當地層條件為孔隙度大、黏土含量較低時，Doll 公式和Indonesia公式所得到的Co值與數值模擬值相吻合，因此，可用于各種孔隙度、黏土含量、陽離子交換量不同的條件下。

5 結論

（1）黏土礦物類型、含量、礦化度、膠結程度對砂泥巖導電性均有較大程度影響。

（2）由于砂泥巖儲層的復雜性，泥質影響的導電模型較多，并且一直在不斷地發展完善中。