中东地区XT油田碳酸盐岩储层低阻成因机理研究

司马立强，席燕卿，张凤生 （西南石油大学资源与环境学院，四川 成都610500）

张庆红，夏冬冬 （中国石化石油勘探开发研究院，北京100083）

低阻油气层系是指同一油水系统内油气层与纯水层的电阻率之比小于2，即油气层的电阻率增大率小于2的油气层；或者是与邻近水层相比电阻率值相近甚至较低，造成应用电性曲线划分储层困难，甚至不能判别流体性质的油气层[1～5]。一般常见低阻储层是碎屑岩储层[6～8]，国内外研究的低阻碳酸盐岩储层很少，对于碳酸盐岩低阻成因方面的研究也很少[9]。国内外常见碳酸盐岩储层的油气层电阻率一般为几百到几万欧姆米，如龙岗礁滩储层长兴组灰岩储层的气层电阻率一般在1000Ω·m以上[10]；塔河油田中下奥陶统缝洞型碳酸盐岩储集层的油层电阻率一般在100Ω·m以上[11]。中东地区XT油田碳酸盐岩储层电阻率很低，油层与水层的电阻率普遍小于5Ω·m，属于典型的低阻碳酸盐岩储层。XT油田碳酸盐岩储层的电阻率与非储层电阻率差别较小，油水层的电阻率相近，这使得流体性质判别和储层划分变得困难。为此，笔者对该地区的低阻成因进行了详细分析。

1 XT油田低阻储层的电阻率特征

图1 X24井 （a）和X13井 （b）测井曲线响应图

该区油水层电阻率普遍小于5Ω·m，一般在1～3Ω·m。如图1所示，X24井油层的电阻率平均为1.48Ω·m，X13井水层电阻率平均1.52Ω·m。油水层的电阻率相近，有时油层电阻率甚至稍低，造成流体性质判别和储层划分的困难。

2 工区碳酸盐岩储层低阻成因

低阻储层的形成受多方面原因的影响，笔者通过对大量的岩心、录井、试油、测井等资料分析，探讨了泥质含量、束缚水饱和度、地层水矿化度、导电矿物对低阻的影响。

2.1 泥质含量

不同的黏土矿物具有不同的晶体构造，导致黏土矿物的阳离子交换容量 （CEC）有很大的差别 （表1），交换容量由大至小依次是：蒙脱石＞伊利石、绿泥石＞高岭石，蒙脱石和伊利石均具有较高的比表面值[12，13]。

表1 常见的黏土矿物的阳离子交换容量以及比表面

XT油田碳酸盐岩储层的黏土体积分数很低，通过X－衍射资料显示，黏土体积分数平均为7%，大多数在1%～4%。黏土类型主要是伊利石和伊－蒙混层，平均为47%，高岭石、绿泥石含量较少。该地区储层黏土矿物属于CEC较高的伊利石和伊－蒙混层组成，黏土的附加导电性理论上较高。该区的地层水矿化度平均为20×104mg/L，根据统计，当泥质体积分数从1%～7%变化时，储层的电阻率由1.70Ω·m下降到1.57Ω·m，相对变化率为7.6%，变化幅度很小。因此，在XT油田高地层水矿化度的条件下，少量的泥质的附加导电性可以忽略不计。

2.2 束缚水饱和度

一般情况下束缚水由两部分组成：①岩石颗粒表面被吸附的薄膜滞水；②毛细管孔隙中的毛细管滞水[14]。薄膜滞水由岩石颗粒表面的水膜产生，受水膜厚度的影响，在生产过程中由于受压力大小、岩石润湿性改变也会有所改变；毛细管滞水能否流动取决于作用在毛细管两端的压力差和毛细管滞留力的平衡状态，当压力差不能克服毛细管滞留力时毛细管滞水不可流动，此时的毛细管滞水与薄膜滞水一起组成束缚水；当压力差能够克服毛细管滞留力时毛细管滞水将与以游离状存在于孔隙和喉道内的自由水一起组成可动水。该次研究中的束缚水是指在一定的生产压差下储层孔隙中不可流动的水。

对3口取心井11个岩样进行核磁共振分析，得到束缚水饱和度的统计表 （表2）。表2显示，岩样的孔隙度平均为22.02%，渗透率为0.29mD，表现为高孔低渗的特征，束缚水饱和度平均为79.6%。相渗资料显示，油层的束缚水体积分数为69.56%；根据润湿性试验分析，该区岩样的接触角分布为34～76.61°，平均47.35°，岩石润湿性大多表现为亲水性，偶见中性岩石。

通过岩样压汞试验数据 （表3）表明，平均孔喉半径在0.0086～0.0627μm，微细孔喉结构占孔喉总体积的大部分，为微小孔喉结构发育。孔喉半径越小，弯曲度大，毛细管的排替压力越大，反之亦然。

表2 取心井束缚水饱和度统计表

表3 取心井平均孔喉半径统计表

铸体薄片分析结果表明，XT油田碳酸盐岩储层的颗粒以泥晶灰岩为主，伴随有生物碎屑、泥质等。颗粒都较细，一般粒径小于0.1mm，少数粒径为0.3mm左右，岩石颗粒的比表面积变大，吸附能力增强。

综上，岩石颗粒较细，微小孔隙发育，孔喉半径小，孔隙结构差，导致储层的吸水性变强，束缚水饱和度增高，增强了岩石的导电性，储层的电阻率降低。

2.3 地层水矿化度

储层的地层水中存在大量游离的离子，这些离子以一定的方式组合，影响着地层水的矿化度。当矿化度增大时，油水层的电阻率界限会变模糊，将较大程度地影响地层的电阻率，使得地层的电阻率降低，形成低阻油层。

水分析化验结果表明，XT油田各个储层段纵向上各层位产出水的氯离子含量差异不大，氯离子平均矿化度为11.5×104mg/L。整体上的氯离子相对含量较高，经过公式换算得到地层水总矿化度达20×104mg/L以上，即地层水矿化度很高，明显增强了地层的导电性，从而降低了储层的电阻率。

2.4 导电矿物

当储层的矿物组分中包含有一定量的黄铁矿，并且黄铁矿是以团块状、结核状、侵染状和分散状等形式分布时，黄铁矿对于储层的导电性作用不容忽视。黄铁矿具有导电性，在含有一定量黄铁矿的储层中，储层的电阻率会因较高的导电性而降低，形成低阻油层。综合所有的X－衍射分析及铸体薄片的岩样发现，61个岩心样品中含有黄铁矿，黄铁矿体积分数平均占所有矿物成分的0.6%，呈斑点状零星分布，含量很少。地层水矿化度为20×104mg/L，黄铁矿体积分数由0%～0.6%变化时，储层的电阻率由1.25Ω·m降到1.16Ω·m，降幅小，因此在XT油田高地层水矿化度的前提下，少量的导电矿物的影响可忽略不计。

3 储层低阻数值模拟研究

3.1 泥质含量、地层水矿化度、含水饱和度综合数值模拟

前面讨论了束缚水饱和度、泥质含量和地层水矿化度对于储层电阻率的影响，它们与电阻率有一定的联系。因此，建立了数值模拟模型来综合讨论其对于储层电阻率的影响，见图2（模型为通用模型，储层为油层时，烃取代了自由水部分，只含束缚水；水层时则不含烃部分）。该模型采用三水模型理论[15～18]，将岩石的总电导率视为自由水、微孔隙水、黏土水3部分的电导率并联结果，同时考虑微孔隙水和黏土水是不能流动的，烃只能进入自由水孔隙中。

通过推导，地层的电阻率应该满足关系式：

图2 含水泥质灰岩模型

式中：ρt、ρw、ρcw分别为地层、地层水、黏土水的电阻率，Ω·m；φf、φi、φcw分别为自由水、微孔隙水、黏土水的孔隙度，1；mf、mi、mcw分别为自由水、微孔隙水、黏土水的胶结指数，1；af、ai、acw分别为自由水、微孔隙水、黏土水的岩性指数，1；Swf为自由流体孔隙空间的含水饱和度，1。

Swf与测井解释出来的含水饱和度（Sw）之间的关系表示为：

式中：φfw为自由流体孔隙度，1；φt为岩石总孔隙度，1。

束缚水孔隙度（φbw）为毛细管束缚水和黏土束缚水（黏土水）孔隙的综合，与泥质含量密切相关。φbw的计算公式为：

黏土水孔隙度（φcw）的计算公式为：

自由水孔隙度φf的计算公式为：

微孔隙水孔隙度φi的计算公式为：

式中：Sbw为束缚水含水饱和度，1；φ（sh）为黏土的体积分数，1；φsh为湿黏土的孔隙度，1。

研究时，地表温度控制在25℃，地温梯度0.026℃/m，黏土水电阻率通过公式计算ρcw＝0.150278 Ω·m，地层水电阻率根据氯离子矿化度换算得出。总孔隙度为22%，孔隙度下限为20%，在双对数坐标下，拟合出的ai和mi分别为3.9168和1.3768；af和mf分别为1.5786和1.839；ac和mc取理论值1和2。假设湿黏土的孔隙度为10%。

根据该区的情况，研究泥质体积分数φ（sh）、氯离子矿化度、含水饱和度与地层电阻率之间的关系（见图3）。随着氯离子矿化度的增加，地层的电阻率减小；在高矿化度的地层水前提下，泥质体积分数增加，3条曲线几乎重叠，泥质体积分数对于电阻率的影响很小 （图3（a））；同一氯离子矿化度，含水饱和度在40%以下变化较平缓，当大于40%，含水饱和度越高，地层的电阻率越低；随着地层水矿化度的增加，地层电阻率随之下降 （图3（b））；地层电阻率随着地层水饱和度和氯离子矿化度的增加而呈降低趋势。

图3 氯离子矿化度和束缚水饱和度与地层电阻率之间的关系曲线图

3.2 导电矿物数值模拟

根据黄铁矿的导电原理，建立岩石的体积物理模型[19，20]来分析该区域的黄铁矿对于地层电阻率的影响。该模型设定了几点初始条件：①泥质为层状，即模型为层状泥质灰岩模型，由纯灰岩和层状泥质组成，且层状泥质与邻近泥岩具有相同的电阻率；②各个组分并联导电。根据并联导电原理，得出：

式中：R、Rsh、Rma、Rp分别为地层、泥质、骨架和黄铁矿的电阻，Ω。

经过推导，最终得出地层的电阻率：

式中：ρsh、ρp分别为泥质、黄铁矿的电阻率，Ω·m；φe为岩石有效孔隙度，1；φ（sh）、φ（p）分别为泥质、黄铁矿的体积分数，1；a为岩性指数，此处取值1；Sw此处取值80%。

根据区块情况，黄铁矿的电阻率低，此处ρp取值为0.1 Ω·m；ρsh＝5Ω·m，地表温度控制在25℃，氯离子矿化度平均值11.5×104mg/L，换算得到的地层水电阻率为0.04227Ω·m，岩石有效孔隙度为22%，泥质体积分数为7%。根据式 （8）研究了黄铁矿体积分数变化与地层电阻率之间的关系 （见表4），在高矿化度地层水的前提下，地层的电阻率随着黄铁矿体积分数的增加变化幅度不大，相对变化率小于1.5%。

3 结 论

表4 黄铁矿体积与地层电阻率变化关系表

1）中东地区XT油田碳酸盐岩储层具有高束缚水饱和度﹑高地层水矿化度，以及含有少量泥质和导电矿物的特点，研究区泥质和导电矿物含量很少，对于储层电阻率的影响很小，可以忽略不计。

2）中东地区XT油田储层低阻的主要成因是高束缚水饱和度和高地层水矿化度。束缚水饱和度越高，地层水矿化度越高，储层的导电性就越强，从而储层的电阻率就越低。

[1]蒋宏娜 .大庆古龙北低阻储层测井评价方法研究 [D].北京：中国石油大学，2009.

[2]郝晓君 .低阻油层成因与测井解释 [J].中国石油与化工标准与质量，2011，31（3）：63.

[3]周海民 .断陷盆地精细勘探－渤海湾盆地南堡凹陷精细勘探实践与认识 [M].北京：石油工业出版社，2004.

[4]刘佳庆 .吴起胜利山油区长6油组低阻油层成因分析及测井识别 [D].西安：西北大学，2009.

[5]淡申磊 .双河油田低阻油层的识别研究与应用 [J].石油天然气学报 （江汉石油学院学报），2008，30（5）：270～272.

[6]李厚义，黄文革，马一平，等 .“低阻油层”的识别与认识 [J].中国石油勘探，2008，13（1）：68～75.

[7]中国石油勘探与生产公司 .低阻油气藏测井识别评价方法与技术 [M].北京：石油工业出版社，2006.

[8]郑亚斌，任志刚，郭广吉 .国内低阻油层解释方法研究进展 [J].油气井测试，2003，12（5）：14～16.

[9]Fleury M.Resitivity in carbonates：new insights [J].SPE77719－MS，2002.

[10]陈永生 .龙岗地区礁滩储层测井评价 [J].国外测井技术，2011，32（5）：38～40.

[11]樊政军，漆立新，柳建华，等 .塔河油田缝洞型储集层油水层测井识别技术 [J].新疆石油地质，2011，32（1）：74～76.

[12]于庆洲 .低阻油层的主要成因机理研究 [D].北京：中国地质大学，2005.

[13]闫磊 .北大港地区低阻储层成因分析及测井综合评价方法 [D].长春：吉林大学，2008.

[14]王辉 .姬塬地区高束缚水成因低阻油层测井识别方法研究 [D].北京：中国地质大学，2005.

[15]雍世和，张超谟 .测井数据处理与综合解释 [M].东营：中国石油大学出版社，2007.

[16]莫修文，贺铎华，李舟波，等 .三水导电模型及其在低阻储层解释中的应用 [J].长春科技大学学报，2001，31（1）：92～95.

[17]张奉东，潘保芝 .三水模型在腰英台油田储层测井解释中的应用 [J].世界地质，2009，28（2）：226～231.

[18]张丽华，潘保芝，李舟波，等 .新三水导电模型及其在低孔低渗储层评价中的应用 [J].石油地球物理勘探，2010，45（3）：431～435.

[19]唐晓敏 .低阻油层通用有效介质电阻率模型研究 [D].大庆：大庆石油学院，2007.

[20]宋延杰 .混含泥质砂岩通用电阻率模型解释综合研究 [D].大庆：大庆石油学院，2006.