砂岩中绿泥石包膜与岩石润湿性及岩电参数的关系研究

张丽华,潘保芝,王云梅,郭宇航,李万才,王 敏

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,吉林长春130026;2.中国石油化工股份有限公司东北油气分公司,吉林长春130026)

碎屑岩储集层中常常存在绿泥石包膜,如美国南德克萨斯第三系Oligocene储集层、巴基斯坦Indus盆地白垩系Goru组下部储集层、加拿大东部Scotian盆地下白垩统储集层,国内鄂尔多斯盆地延长组、准噶尔盆地侏罗系、四川盆地须家河组、苏北盆地第三系、吐鲁番—哈密盆地的侏罗系、南襄盆地古近系、松辽盆地第三系等地层中,均发现了绿泥石包膜的存在。自发现储集层中发育绿泥石包膜[1-2]以来,专家学者一直在研究绿泥石包膜的形成和物质来源[3-4],以及绿泥石包膜对石英次生加大的抑制和对储集层物性的影响[5-7]。润湿性是流体附着固体的性质,油藏的流体在岩石孔隙空间中的微观分布由润湿性决定,因此润湿性对岩石电阻率的影响研究受到重视,早期研究以物理实验为主,通过岩电实验得到胶结指数m和饱和度指数n这2个岩电参数,但研究的重点多集中于饱和度指数n随润湿性改变的变化。1960年,SWEENEY等[8]通过实验发现油润湿岩心的饱和度指数n值远大于水润湿岩心的n值。后来,很多学者的研究也得到了相似的实验结论[9-10]。

营城组是龙凤山地区主要的产气层段之一,地层岩性复杂多变,且不同程度地含砾,孔隙结构复杂,非均质性强,束缚水含量很高,呈现低孔低渗特征[11-12]。对营城组砂岩样品进行岩电实验,发现部分样品测得的n值远大于正常砂岩的n值范围。岩样岩电参数的测量通常是在洗油洗盐后进行的,此时岩样应表现为亲水润湿性,测得的n值约为2,符合正常范围。龙凤山营城组砂岩中广泛发育绿泥石包膜,研究发现当存在绿泥石包膜时,岩石洗油后依然保持一定的亲油性,使测得的n值偏大。得到准确的n值对提高含水饱和度的计算精度有重要意义。

国内外关于绿泥石对储层物性的影响研究,目前还主要停留在定性评价上[13-17],很多问题尚待解决,如绿泥石包膜的形成机制、对储集层物性的保护和破坏作用的争议及影响机理等。从查阅的文献看,关于绿泥石包膜含量与m、n值的关系,国内外未见相关研究成果。本文建立了营城组7块岩石的岩电参数与绿泥石含量的定量关系,为含绿泥石包膜的复杂润湿性储层的测井评价提供了一种新的思路。

1 绿泥石的分类及对岩电参数的影响机理

1.1 绿泥石的分类

绿泥石是岩石中常见的富含铁、镁及少量铬的粘土矿物[14]。田建锋等[18]按照绿泥石的产出状态,将砂岩中的自生绿泥石分为4种类型:颗粒包膜绿泥石、孔隙衬里绿泥石、孔隙充填绿泥石和蜂窝状绿泥石。

颗粒包膜绿泥石分布在相互接触的颗粒表面以及与孔隙接触的颗粒表面,厚度很薄,一般小于1μm;孔隙衬里绿泥石是最常见的产出类型,只分布在颗粒与孔隙的接触面上,较颗粒包膜绿泥石厚。绿泥石包膜指围绕颗粒的绿泥石薄膜,又称为绿泥石环边或环边绿泥石[19],包括颗粒包膜绿泥石和孔隙衬里绿泥石。这两种绿泥石的微观赋存状态见图1。绿泥石包膜具有双层结构[13],内层为颗粒包膜绿泥石,像套膜一样包裹在岩石颗粒表面,但由于厚度薄,含量少,所以对储层物性的影响很小;外层以孔隙衬里绿泥石产出,呈针状、竹叶状分布于颗粒表面,但不一定完全包裹颗粒,当孔隙衬里绿泥石完全覆盖于颗粒表面时,对储集空间将产生显著影响。

图1 绿泥石包膜在岩石中的赋存形式[13]

朱颖等[11]对营城组储层绿泥石的形成机制进行了详细分析,指出绿泥石包膜的形成与富铁、镁火山物质的水解及其它粘土矿物的转化有关。在扫描电镜及铸体薄片中,可以看出绿泥石包膜在研究层位中广泛存在。图2是扫描电镜下部分绿泥石包膜的形态特征。

图2 营城组砂岩在扫描电镜下的绿泥石包膜特征a 孔隙内绿泥石包膜特征; b 绿泥石包膜特征

1.2 绿泥石包膜对储层物性的影响

绿泥石对储层物性的影响,前人已有较多研究成果,但目前还没有统一的观点。大部分学者认为绿泥石包膜的存在对孔隙空间有很好的保护作用,具有一定厚度的绿泥石包膜能够有效抑制石英的次生加大。马鹏杰等[13]总结了绿泥石包膜对石英次生加大的4种抑制机理;少数学者[15,20-21]认为绿泥石包膜的存在会破坏储层的孔隙空间,缩小孔隙和堵塞喉道,降低储层的渗透率,使储层物性变差。

1.3 岩石物性对岩电参数的影响

胶结指数m和饱和度指数n中,m与岩性、物性、孔隙结构和成岩作用等有关,一般认为m值是孔隙曲折性的度量,孔隙曲折度越高,m值越大;相反,当孔隙为裂缝时,m=1[19]。n主要受孔隙结构、含砾程度和润湿性等影响。无论绿泥石包膜对储层物性产生积极或消极的影响,它都改变了孔隙空间的结构,进而导致岩电参数发生变化。可见,绿泥石包膜对储层物性的影响间接改变了m,n值,绿泥石包膜与岩电参数之间存在对应关系。

2 绿泥石包膜对岩石润湿性的影响

润湿性是指当岩石孔隙中有多相流体同时存在时,某一种流体在固体表面的扩展或粘附的趋势,在油气储集层中表现为油和水与储层岩石之间的相互作用[10]。岩石的润湿性与温度、原油组成成分及矿物组成等许多因素有关。由于实验室一般都是在对岩样洗油洗盐之后才进行测量,并且可以控制温度,因此只考虑矿物组成对岩石润湿性的影响。当岩样中含亲水矿物较多时,孔隙水倾向于吸附在颗粒表面,使得岩样具有亲水特性;当含亲油矿物较多时,就会导致孔隙水远离颗粒,岩样的亲油性增加。

TRANTHAM等[22]对强油湿的北伯班克储层分析发现70%的石英颗粒表面覆盖着一层鲕绿泥石膜,即使是洗油洗盐后,仍然存在绿泥石膜,说明绿泥石包膜会使得岩样即使在洗油洗盐后润湿性继续保持原始的亲油性质。

冯程等[9]对鄂尔多斯盆地西部延长组的异常高电阻率和正常电阻率岩心样品,测量了不同状态下的T2谱,并进行了分析,发现异常高电阻率的岩样洗油后还是不会完全亲水,由于岩石颗粒表面形成了绿泥石包膜,会吸附孔隙中的原油,从而在岩石颗粒表面形成油膜,使得岩石表现为亲油润湿特性。这种润湿性即使在岩样经过洗油洗盐后仍然保持不变。

3 润湿性对岩电参数的影响

阿尔奇公式是针对纯砂岩提出的经验公式,到目前为止仍然是大多数测井解释工作的理论基础。岩石饱含水和含油气时的阿尔奇公式表示如下:

(1)

(2)

式中:R0,Rt分别为饱含水和含油气时的岩石电阻率;F为地层因素;Rw为地层水电阻率;φ为孔隙度;I为电阻增大率;Sw为含水饱和度;a和b为岩性系数。

综合(1)式和(2)式得到:

(3)

由(3)式可知,m,n都会对Sw的计算结果产生影响。孔隙流体的分布主要受岩石的润湿性影响,而孔隙中的流体对岩石的导电起着主导作用,所以润湿性与岩石电阻率密切相关。当岩石中含有油气,存在多相流体时,润湿性对岩石电阻率的影响会更明显,即润湿性对n值影响显著,而对m的影响较小。

KELLER[23]最早提出润湿性会对岩石的导电性有影响。n值随着岩石的亲油增加而增加。一般来讲,中性润湿岩石的n值大约等于2,亲水性岩石的n值小于2,亲油性岩石的n值大于2[24]。在含绿泥石膜的强油湿储层中,TRANTHAM等[22]得出2口井不同深度的样品n值结果为3.1,即使洗油洗盐后,测量得到的n值仍然很大。

SUMAN等[25]建立了孔隙网络模型来研究润湿性和孔隙结构对岩石电阻率的影响,得到的结果是润湿性对于部分含水砂岩电阻增大率与饱和度指数的关系影响明显,如果岩石具有相同孔隙结构,油湿岩石比水湿岩石的n值要大。从孔隙结构上来看,油湿岩石中孔隙分布对岩石电阻率的影响也很明显,但润湿性对岩石电阻率的影响更大,孔隙分布的影响相对于润湿性的影响要小得多,基本可以忽略。

对油润湿岩石进行测量时发现,如果不改变岩石的原始润湿性,得到的n值会明显大于亲水性岩石的n值。岩电实验结果表明,在含水饱和度为50%时,油润湿和水润湿岩石的电阻增大系数明显不同,分别为30.62和2.89[26],据此求得的n值分别为4.94和1.53,数值相差3倍。

从前人的研究结果来看,润湿性与n值的关系最为密切。营城组砂岩的亲油性质主要由绿泥石包膜引起,因此讨论营城组砂岩润湿性对岩电参数的影响,也就是研究绿泥石包膜与岩电参数的关系。

4 实验及结果分析

4.1 岩电实验确定m和n值

龙凤山地区营城组砂岩大多数为岩屑砂岩[27],砂岩中岩屑、长石、石英的平均比值为67∶19∶14,岩屑主要以火山岩岩屑为主,占岩屑含量的63.4%,其次为变质岩岩屑,平均含量为12.1%。绿泥石分布广泛,主要以颗粒包壳的形式产出,厚度在不同区域差别较大,多数在5μm左右,最厚可达10μm[11]。对营城组的7块砂岩岩样(分别表示为A,B,C1,C2,D1,D2,E1),采用离心法进行岩电实验,测量得到样品的m,n值见表1。实验步骤如下:①将岩样洗油、洗盐、烘干后,饱和地层水,然后把岩样装入胶套中,放入岩心夹持器;②依据实验要求施加围压,上下端充满实验流体后,施加等效于实际储层的有效围压和孔隙压力;③打开加热装置,将温度设定为实验温度,开始加温直至岩心夹持器内的温度传感器达到实验温度,记录此时的电阻和岩样的质量;④取出岩样,用离心机离心,完成后把岩样装入胶套中,放入岩心夹持器;⑤重复步骤②～步骤④直到离心后岩样的质量与上一次离心后的质量无变化为止。实验数据见图3,可以看出,7块岩样的电阻增大率I和含水饱和度Sw关系是不同的。

图3 7块岩样的I-Sw关系

由表1可见,大多数测量岩样的n值在4以上,最高达到14.57,远远超出了正常砂岩的范围,而这些高n值岩样的m值均低于2。对7块岩样的m、n值做交会分析(图4)发现两者之间存在较好的线性相关性。当m值较低(m<1.5)时,n值偏高,且偏离正常值较多;m值较高时,n值随之降低,并逐渐接近正常范围。

表1 营城组7块砂岩岩样的岩电测量结果

图4 营城组7块砂岩岩样的m-n交会结果

4.2 X射线衍射分析粘土矿物含量

为了定量分析绿泥石含量对m,n值的影响,对7块岩样进行X射线衍射分析,得到了各种粘土矿物的相对含量(表2)。通过计算可以得到7块岩样绿泥石的绝对含量(表3)及m,n值。

表2 营城组7块砂岩岩样粘土及全岩分析结果

表3 营城组7块砂岩岩样的绿泥石含量与m,n值

将7块岩样的孔隙度φ与绿泥石的含量Vcl进行交会(图5),发现岩样的孔隙度随绿泥石含量的增加呈现下降趋势,如图中趋势线所示。然后将绿泥石的含量Vcl分别与m,n测量结果进行交会,分别得到图6 和图7。

图5 岩样的孔隙度与绿泥石含量的关系

图6和图7中的趋势线是绿泥石含量与m和n值的关系。绿泥石包膜发育的营城组砂岩岩样的绿泥石含量与n值之间的线性关系最好,相关系数达到0.88,与m值的关系不明显,相关系数只有0.73。并非所有的绿泥石都对储层物性起作用,只有构成绿泥石包膜的颗粒包膜绿泥石和孔隙衬里绿泥石会影响岩石的润湿性,从而影响n值的测量结果。而X射线衍射分析得到的绿泥石含量包含所有的绿泥石类型,只是近似认为都属于绿泥石包膜,同时测量岩样受到含砾等因素的影响,使n值的影响因素增多,因此建立的n值与绿泥石含量的线性关系存在一定的误差,需要进一步建立考虑多种因素共同影响的n值与绿泥石含量的关系模型,从而更加准确地进行含水饱和度的计算和评价。

图6 岩样的m值与绿泥石含量的关系

图7 岩样的n值与绿泥石含量的关系

5 m,n值与绿泥石含量的平面分布

按照物源的差异将物源区分为变质岩物源区、中性及基性岩浆岩物源区和酸性岩浆岩物源区,其中中基性岩浆岩铁镁矿物含量高,蚀变程度较强,产生的粘土矿物也较多。在每口井中分别取岩样的m,n值与绿泥石含量的平均值,按照井位分布做m,n值与绿泥石含量的平面分布(图8和图9),图中括号中的数字是绿泥石含量的平均值,括号前的数字是m,n的平均值。从平面分布上来看,除北2井以外,m值较小、n值较大的岩样均分布在中基性岩浆岩物源区,同时绿泥石含量也相对较高,进一步说明绿泥石包膜的存在会引起m的减小和n的增大。

图8 营城组砂岩m值与绿泥石含量平面分布

图9 营城组砂岩n值与绿泥石含量平面分布

6 结论

经过研究分析,得到如下结论:

1) 营城组砂岩中绿泥石包膜的发育使岩样在洗油洗盐后仍然表现为亲油润湿性,导致岩电实验测量得到的胶结指数m变小,饱和度指数n变大;

2) 绿泥石含量与m,n值在平面分布上具有较好的相关性,在中基性岩浆岩物源区绿泥石含量和n值均较高,m值较低;

3) 根据岩电实验和矿物分析结果,发现绿泥石含量与n值之间有较明显的线性关系,但由于绿泥石包膜含量是近似得到的,同时n值还受含砾等其它因素的影响,因此建立的n值与绿泥石含量的线性关系存在一定的误差,还无法将其应用于复杂润湿性储层中含水饱和度的计算。