准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系头屯河组低电阻率油层成因机理

王亮,孟凡,姚永君,王欣,宋林珂

(1.西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;2.中国石油大学地球物理与信息工程学院,北京102249；3.西南油气田分公司川中油气矿,四川遂宁629000;4.西南油气田分公司重庆气矿地质研究所,重庆400000)

0 引 言

近年来,阿根廷Chubut砂岩、印度尼西亚Meruap油田和苏门答腊盆地B区块等[1],中国准噶尔盆地、渤海湾盆地、莺歌海盆地等相继发现了大量的低电阻率油气藏[2]。2011年在准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系头屯河组取得了重大的油气勘探突破,发现了大量的低电阻率油层。然而,由于研究区低电阻率油层成因的不确定性影响了低电阻率油层的测井评价工作,阻碍了油气藏的勘探与开发。因此,对阜东斜坡区侏罗系头屯河组低电阻率油层成因机理开展研究具有重大的现实意义。

低电阻率油层[3-6]的成因可以归纳为内因与外因2个方面。内因是指油气层本身的岩性、结构、物性和地层水等因素,归纳起来有7个方面[7]:①含高矿化度地层水[8-9];②含较多的束缚水[10-11];③黏土附加导电性[12-13];④微孔隙发育[14];⑤岩性细,泥质含量高[15];⑥骨架导电[16];⑦岩石强亲水[14]。根据岩石的导电特性,对岩石电阻率起到直接影响的内因可归纳为3种:①高束缚水饱和度;②黏土附加导电性;③骨架导电。外因是由人为因素造成的,即工程成因[17-19]。在钻井过程中钻井液柱压力常大于地层压力,钻井液滤液会侵入渗透性地层。只要存在钻井液滤液的侵入,不论钻井液为盐水钻井液或淡水钻井液均会造成油层电阻率降低。对于这类低电阻率油层,应当对钻井液侵入造成的油层、水层电阻率变化进行校正。另外所选择的测井系列不适合也可使测得的油气层、水层视电阻率值差别减小,给油气层的识别带来困难。

通常低电阻率油层的成因不是单一的,而是多种成因共同作用的结果。不同地区低电阻率油气层的成因往往又具有多样性与特殊性的特点。本文以准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系头屯河组低电阻率油层为研究对象,开展低电阻率油气层成因机理研究工作。从低电阻率油层的岩石阳离子附加导电能力、束缚水饱和度、导电矿物、钻井液侵入等4方面进行分析。

1 储层基本特征

1.1 岩性特征

侏罗系头屯河组储层多以细砂岩为主,其次为细—中砂岩与粉砂岩,岩性以长石岩屑砂岩为主,其次为岩屑砂岩。岩石填隙物以泥质杂基为主,方解石次之,偶见菱铁矿、方沸石。碎屑颗粒的磨圆度普遍较差,其形态多为次棱角状,分选性较好。颗粒间以点—线接触、线接触为主。胶结类型以压嵌型、孔隙—压嵌型胶结为主。

1.2 物性特征

岩心孔隙度分布在8%～22%之间,平均值为14.3%。渗透率分布范围较宽,在0.1～50 mD(1)非法定计量单位,1 mD=9.87×10-4 μm2,下同之间。储层孔隙类型主要为原生粒间孔、剩余粒间孔及少量粒内溶孔。铸体薄片观察与孔隙类型统计,储层孔隙类型为以原生粒间孔—剩余粒间孔和粒内溶孔2种孔隙的组合。

2 低电阻率油层成因机理分析

2.1 岩石阳离子附加导电

目前,通常认为岩石的阳离子附加导电由黏土矿物引起[7,20-25]。然而,阜东斜坡区侏罗系头屯河组低电阻率油层岩心实验测量结果表明,黏土矿物的阳离子交换能力小于岩心测量阳离子交换能力。因此,岩石中除黏土矿物外,其他物质也具有与黏土矿物类似的阳离子附加导电特性。Toshinobu等[26]对日本北部的凝灰岩地层研究发现凝灰岩与黏土矿物在扫描电镜下具有相似的特征,认为凝灰物质具有与黏土矿物类似的性质。张晓峰等[27]对海拉尔盆地凝灰岩分析,也认为凝灰岩具有导电特性。董磊等[28]利用岩石薄片、扫描电镜、X衍射分析、电子探针分析认为凝灰岩的附加导电主要由小于0.125 mm的粉粒级玻屑引起。于振锋[29]进一步揭示,与骨架级玻屑相比,粉粒级玻屑比表面积更大,与水接触的能力更强,使得导电性更强。岩石薄片分析显示,研究区储层具有大量的中酸性火山岩岩屑,以凝灰岩岩屑为主。因此,认为研究区储层岩石的阳离子附加导电是黏土矿物与凝灰岩岩屑2者阳离子附加导电共同作用的结果。

(1)黏土矿物的阳离子附加导电。黏土矿物是颗粒极细的含水层状结晶的硅酸盐矿物。黏土矿物通过结构中的类质同象替代、边缘与外表面的破键、伴生羟基组分的分解等方式使得黏土矿物具有阳离子附加导电的能力[30]。黏土矿物阳离子附加导电作用的强弱受黏土矿物含量、类型、分布形式等特征的影响。X衍射分析表明:头屯河组储层黏土矿物类型以无序伊/蒙混层为主,次为绿泥石与高岭石。伊/蒙混层黏土矿物混层比为82.19%。与其他黏土矿物相比,蒙脱石矿物构造内广泛发育类质同象替代,使得其阳离子交换能力较其他黏土矿物大(见表1)。

表1 黏土矿物阳离子交换交换能力表[30]

岩石薄片显示岩石颗粒边缘普遍发育伊/蒙混层黏土包膜[见图1(a)]。扫描电镜证实伊/蒙混层黏土矿物呈似蜂巢状与不规则状[见图1(b)];高岭石呈蠕虫状充填粒间[见图1(c)],见有少量丝管状伊利石;粒间与粒表常见叶片状的绿泥石[见图1(d)]。全岩分析表明,储层黏土矿物绝对含量较低,一般小于7%,平均值为3.47%(见表2)。

表2 阜东头屯河组全岩分析黏土矿物含量

图1 岩石薄片及扫面电镜下的黏土矿物

(2)凝灰岩岩屑的阳离子附加导电。岩石中酸性火山岩岩屑中含有大量的凝灰岩(见图2),凝灰岩岩屑中存在大量的火山玻璃。火山玻璃形成于岩浆喷出后,是迅速凝固的过冷产物,为一种非晶态固体。根据火山玻璃的拉曼光谱特征,火山玻璃相分子团结构由无序的链状、层状、架状及纯架状网络体组成[31]。与黏土矿物相似,火山玻璃在碱性地层水条件下也具有阳离子附加导电能力。对于粉粒级的火山玻璃,由于比表面积大,与水接触的能力强,其阳离子附加导电能力尤为突出。

图2 F2井3 825.14 m处凝灰质特征

根据玻璃无规则网络结构学说的观点,按阳离子元素与氧结合的单键能大小和能否生成玻璃,将阳离子的氧化物分为3类:网络体生成氧化物、网络外体氧化物和中间体氧化物。而阳离子也因此分为网络生成离子、网络外离子和中间体离子。SiO2为网络体生成氧化物的代表,能单独生成玻璃。F—O键(F为网络生成离子)为共价、离子混合键,单键能较大。网络外体氧化物以K2O、Na2O与CaO为代表,网络外体氧化物不能单独生成玻璃。M—O键(M为网络外离子)以离子键为主,单能键较小。中间体氧化物以Al2O3、MgO为代表,一般不能单独生成玻璃。I—O键(I为中间体离子)以离子键为主,具有一定的共价键,单键介于F—O与M—O键能之间[32]。

玻璃表面可以产生电荷。玻璃表面原子的排列和内部是有区别的,当玻璃从高温成形冷却到室温,或断裂出现表面时,表面就存在不饱和键,即断键[32]。下面分别以二氧化硅玻璃与碱硅酸盐玻璃为例,说明玻璃表面的结构与电荷产生的原因。

二氧化硅玻璃中当[SiO4]四面体组成的网络断裂出现新鲜表面时,可形成过剩氧单元,即E基团。此时,Si4+不仅与四面体中的3个氧离子键合,还与1个未同其他阳离子键合的氧离子相连,造成该基团氧过剩,带负电荷,即[Si4+(O2-/2)3O2-]-。E基团中的不饱和键将与水分子反应,形成各种羟基团(OH-)。这些表面羟基既能作为酸,也能作为碱,式(1)或式(2)进一步与H+或OH-作用

(1)

(2)

由这些表面反应形成的净电荷可以是正电荷,也可以是负电荷,这主要取决于溶液的pH值,在相对低的pH值(酸性)条件下,样品具有阴离子交换能力,在相对高的pH值(碱性)条件下,样品具有阳离子交换能力[30]。

对碱硅酸盐玻璃,水分子中的氢离子(H+)会与玻璃表面上的钠(钾)离子发生离子交换,生成氢氧化钠(钾)溶液[见式(3)]。生成的氢氧化钠(钾)溶液将吸附在玻璃的表面形成溶液膜。溶液膜中的钠(钾)离子具有较高的迁移能力,与黏土表面吸附的扩散层相似,这些阳离子与外面的水溶液可进行离子交换,因而具有较高的阳离子交换能力。

(3)

为证实由火山玻璃所引起的凝灰岩具有阳离子交换能力,选取了FD5井低电阻率油层5块岩心样品同时开展X衍射、全岩分析以及阳离子交换能力测量实验(见表3)。根据X衍射结果、伊/蒙混层比、全岩分析结果可以计算出岩石中蒙脱石、伊利石、高岭石以及绿泥石的含量。将各类型黏土矿物含量乘以表1中各黏土矿物对应的CEC最大值,如蒙脱石CEC取最大值150 meq/100 g,可得到总黏土矿物的CEC理论最大值。黏土矿物含量与黏土矿物CEC最大理论值、岩石测量CEC交会图显示:随着黏土矿物含量的增加,黏土矿物CEC理论最大值与岩石测量CEC值均增大,即黏土矿物对岩石CEC具有贡献(见图3和图4)。然而,对比黏土矿物CEC理论最大值与岩石实测CEC值可知,岩石实测CEC值远远大于黏土矿物CEC最大理论值。因此,认为岩石实测CEC值与黏土矿物CEC理论最大值之间的差值由凝灰岩岩屑的阳离子交换能力引起。在凝灰岩岩屑含量较高的砂岩中,不能忽视凝灰岩岩屑的阳离子附加导电作用。而传统认为岩石阳离子附加导电完全由黏土矿物引起的观点或认识,在凝灰岩岩屑含量较高的砂岩中存在局限性。

表3 低电阻率油层岩石阳离子交换容量与总黏土矿物阳离子交换容量对比

图3 黏土含量与CEC最大理论值交会图

图4 黏土矿物与岩石CEC测量值交会图

上述分析表明,侏罗系头屯河组低电阻率油层岩石的阳离子附加导电作用由凝灰岩岩屑与黏土矿物共同引起。为了进一步明确岩石阳离子附加导电能力的大小,分析岩石阳离子附加导电对低电阻率油层的影响。选取大量具有代表性的岩心开展阳离子交换能力实验测量。实验测量结果显示,头屯河组储层岩石CEC与阳离子交换容量(QV)值均较大,岩石附加导电能力较强(见图5和图6)。

图5 阜东头屯河组阳离子交换能力

将实验测量QV与准噶尔盆地陆梁油田白垩系低电阻率油层QV值对比表明:阜东斜坡区侏罗系头屯河组低电阻率油层QV为0.4～0.9 mmol/mL,远远高于陆梁油田白垩系低电阻率油层阳离子交换容量(见图6)。研究区岩心阳离子交换能力实验结果与邻区低电阻率油层的对比表明:阜东斜坡区侏罗系头屯河组岩石的附加导电能力强,岩石的高附加导电能力是油层低电阻率的重要成因。

图6 阜东斜坡区头屯河组与陆梁油田白垩系阳离子交换容量对比

2.2 束缚水饱和度

束缚水包括岩石中非黏土颗粒表面由润湿性引起的吸附水、黏土颗粒吸附水和毛细管滞留水。

岩石中非黏土颗粒表面吸附水的含量主要取决于岩石的比表面积。岩石的比表面积愈大,吸附水的体积也愈大。由于岩石的比表面积主要受颗粒粒度控制,且头屯河组储层岩性以比表面积较大的细砂岩、粉砂岩为主,因此,可以推断储层非黏土岩石颗粒表面的吸附水含量较高。

图7 核磁共振实验岩心特征与核磁束缚水确定结果

2.3 骨架导电矿物分析

当储层中含有黄铁矿、菱铁矿时,因黄铁矿或菱铁矿的导电能力较强,使得储层电阻率会大幅度的降低。黄铁矿、菱铁矿对低频电流的侧向测井影响相对较小,而对中频的感应测井影响较大[34]。全岩分析显示,储层岩石偶见菱铁矿,且含量较低,为0.9%～1.12%(见表2)。因此,认为矿物导电不是研究区油层低电阻率的主要成因。

2.4 盐水钻井液侵入分析

研究区钻井时常采用盐水钻井液钻井,为了避免钻井液侵入对油层电阻率的影响,现场均采用了及时测井。图8中FD8井与FD081井为邻井,这两口井油层位于同一套砂体。FD8井与FD081井分别使用盐水钻井液与油基钻井液钻井。如果钻井液侵入较深,FD8井因盐水钻井液的侵入会使得油层电阻率降低,而FD081井因采用油基钻井液钻井,油基钻井液的侵入对油层电阻率影响不大,此时FD8井油层电阻率应远远小于FD081井油层电阻率。然而测井结果显示:采用油基钻井液钻井的FD081井与采用盐水钻井液钻井的FD8井,这两口井油层电阻率值无明显差异。因此,因采用及时测井,钻井液侵入较浅,对油层电阻率的影响不大。钻井液滤液侵入不是研究区头屯河组低电阻率油层形成的主要原因。

图8 FD8与FD081井低电阻率油层测井响应特征(储层伽马异常由铀元素异常富聚引起)*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

图9 储层电阻率与电阻率增大系数特征

为了进一步分析岩石的高阳离子交换容量与高束缚水饱和度对低电阻率油层的影响,基于W-S模型与研究区储层岩电参数,模拟了储层电阻率、电阻率增大系数与阳离子交换容量、含水饱和度之间的关系(见图9)。模拟结果显示,储层电阻率与电阻率增大系数均随阳离子交换容量的增大而减小。当储层含水饱和度大于55%时,电阻率值小于8 Ω·m,电阻率增大系数小于2,低电阻率油层特征明显。

3 结 论

(1)阜东斜坡区侏罗系头屯河组储层以细砂岩为主,岩石岩屑组分中主要含有中酸性凝灰岩岩屑。储层岩心孔隙度主要分布在8%～22%之间,孔隙度平均值为14.3%。渗透率分布在0.1～50 mD之间。储层孔隙类型主要为原生粒间孔、剩余粒间孔及少量粒内溶孔,储层孔隙以原生粒间孔—剩余粒间孔、粒内溶孔为主的2种孔隙组合类型。

(2)头屯河组储层黏土矿物类型以无序伊/蒙混层为主,次为绿泥石与高岭石;储层岩石阳离子交换容量在0.4～0.9 mmol/mL之间;束缚水饱和度主要分布在40%～80%之间;储层岩石偶见菱铁矿,且含量较低。

(3)岩石的高阳离子交换容量与高束缚水饱和度是阜东斜坡区侏罗系头屯河组油层低电阻率的主要成因,钻井液侵入与骨架矿物导电的影响较小。

(4)准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系头屯河组储层中的凝灰岩岩屑在特定成岩作用背景下,会产生较高的阳离子附加导电能力,岩石的高阳离子交换容量来源于黏土矿物与凝灰岩岩屑。