大庆长垣南部扶余油层高阻水层成因机理

刘 闯

（1.中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司勘探开发研究院，上海 200120；2.中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，山东青岛 266580）

一般而言，水层的电阻率明显低于油层. 当水层电阻率明显增高，与油层电阻率难以区分时，便形成高电阻率水层（简称高阻水层）. 对应地，当油层电阻率明显降低，与邻近水层电阻率相差不大时，便形成低电阻率油层（简称低阻油层）. 低电阻率油层的识别问题已经得到国内外学者的关注，目前关于低电阻率油层的成因机制和识别方法的研究已有很多［1-5］. 众多学者通过研究指出，低电阻率油层的形成与高矿化度地层水［6-8］、高束缚水饱和度［9-10］、黏土矿物的附加导电性［11-13］、黄铁矿等导电矿物的富集［14-15］等因素有关，同时也受沉积相展布［16］、沉积物源及其演化史［17］、成岩作用［18］、低幅度构造［19］等地质因素的影响. 近年来，虽然已有一些学者［20-22］对高电阻率水层成因进行研究，但目前关于高电阻率水层的研究报道还相对较少. 其实高电阻率水层和低电阻率油层都是一个相对的概念，且对于特定地区具有特定的界限. 因此，本研究拟参照低电阻率油层的研究思路和研究方法对高电阻率水层进行研究，以期为更准确地识别和区分油气层、进一步提高油气勘探开发效率提供理论支撑.

大庆长垣是松辽盆地中央坳陷区内的二级构造单元，总体展布呈北北东向，南部主要涉及葡萄花构造的南部和敖包塔构造，下白垩统泉头组扶余油层位于泉头组三、四段，属于坳陷构造层下部含油组合，以大型浅水三角洲沉积体系为主［23-24］. 近年来，大庆长垣南部地区扶余油层的部分生产井逐步开始有水产出，这一现象制约了该区油气产量的提升，因此分析大庆长垣南部地区扶余油层高电阻率水层的成因机理，对提高该区域油气产量有重要的意义.

鉴于此，本研究采用岩心观察、铸体薄片鉴定、物性分析、X射线衍射分析、扫描电镜等方法，对大庆长垣南部扶余油层高电阻率水层的成因机理进行了分析，并探讨了储层致密化对高电阻率水层形成的影响，以期为大庆长垣南部扶余油层高电阻率水层的预测提供参考.

1 大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层的成因机理

水层的高电阻率现象是岩石骨架、孔隙和流体的综合响应. 通过对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层和正常水层的多种特征参数进行对比分析发现，低矿化度的地层水、高含量的碳酸盐岩矿物和低含量的黏土矿物对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层的形成具有较大的影响.

1.1 低矿化度的地层水

地层水以不同的形式赋存于地下岩石孔隙空间之中，它的形成及其运动规律与油气的生成、运聚及油气藏的形成、保存和破坏有着十分密切的联系，其组成包括原生水、同生水、成岩水、下渗大气降水和下渗的海水等［25］. 沉积盆地地层水是盆地演化过程中水文地质、流体-岩石相互作用、流体流动及其混合作用等的综合反映［26］，其成分变化与矿床的形成和油气聚集紧密相关［27］. 水化学空间分布特征受流体动力场的控制，盆地的边缘和断层严重裂隙化的部位为低盐度地层水［28］. 影响地层水化学成分变化的主要机制包括溶解作用、蒸发浓缩作用、混合作用、阳离子交替吸附作用、渗析作用、脱硫酸作用和水-岩相互作用等［29］. 矿化度对地层水的化学性质起着主导作用，纵横向的矿化度变化对于解决地质问题具有重要的意义［30］.

地层水矿化度的高低是一个相对的概念，对于不同研究区具有不同的衡量标准. 为了探究地层水矿化度对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层的形成是否有影响，分别对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层和正常水层中的地层水矿化度进行了对比分析. 由于水样分析资料的局限性，利用自然电位曲线计算等效地层水矿化度，同时将实测地层水矿化度转换为相应的等效矿化度，以便在同一标准下分析地层水矿化度对高电阻率水层形成的影响. 在等效矿化度的基础上，结合地表温度、地温梯度、地层深度、泥浆电阻率等参数，对地层水电阻率进行计算，以便分析大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层和正常水层中的地层水电阻率.

根据苏林地层水分类方法可知，大庆长垣南部扶余油层中的所有地层水均为NaHCO3型，主要阳离子有K++Na+、Ca2+、Mg2+，其中K++Na+含量最高，Ca2+次之，Mg2+含量最低，并且三者含量相差较大；阴离子以Cl-和HCO3-为主，还有少量的SO42-和CO32-（表1）.

表1 大庆长垣南部扶余油层中地层水的离子类型和含量Tab.1 Types and contents of ion in formation water in the Fuyu oil layer of southern Daqing Placanticline

从地层水等效矿化度与深侧向电阻率交会图中可以看出（图1），高电阻率水层中约有89.3%的地层水的等效矿化度小于4500 mg/L，正常水层中约有84.6%的地层水的等效矿化度大于4500 mg/L，即大庆长垣南部扶余油层的高电阻率水层中绝大部分地层水的等效矿化度小于4500 mg/L，正常水层中绝大部分地层水的等效矿化度大于4500 mg/L. 另外，从图1可以看出，深侧向电阻率与地层水等效矿化度之间整体呈负相关关系，即随着地层水等效矿化度的增大，深侧向电阻率逐渐减小. 在等效矿化度的基础上，结合地层深度、地温梯度、泥浆电阻率和泥浆密度等参数可以计算出高电阻率水层和正常水层中地层水的电阻率，进而可绘制出地层水电阻率与深侧向电阻率的交会图（图2）. 从图2 可以看出，高电阻率水层中约有78.6%的地层水的电阻率大于0.51 Ω·m，正常水层中约有76.9%的地层水的电阻率小于0.51 Ω·m，即大庆长垣南部扶余油层的高电阻率水层中绝大部分地层水的电阻率大于0.51 Ω·m，正常水层中绝大部分地层水的电阻率小于0.51 Ω·m. 从图2还可以看出，深侧向电阻率与地层水电阻率之间整体呈正相关关系，即随着地层水电阻率的增大，深侧向电阻率逐渐增大. 因为高电阻率水层中地层水等效矿化度低于正常水层，所以高电阻率水层中地层水的导电离子含量少，进而导致高电阻率水层中地层水的电阻率高于正常水层.

图1 高电阻率水层和正常水层的地层水等效矿化度与深侧向电阻率交会图Fig.1 Cross plot of formation water equivalent salinity and deep lateral resistivity of high resistivity water layer and normal water layer

图2 高电阻率水层和正常水层的地层水电阻率与深侧向电阻率交会图Fig.2 Cross plot of formation water resistivity and deep lateral resistivity of high resistivity water layer and normal water layer

1.2 高含量的碳酸盐岩矿物

分别采用岩心观察、铸体薄片鉴定、物性分析、扫描电镜等方法对大庆长垣南部地区敖106井、葡363井、葡58井等20口井中位于扶余油层处的岩心进行分析.图3 为敖106 井1 726.13 m 处的岩心照片和葡363 井1 927.56 m处的岩心照片. 从图3 可以看出，敖106井1 726.13 m处的岩心上有多组水平分布的碳酸盐岩条带和一条纵向展布的碳酸盐岩脉充填于裂缝之中；葡363 井1 927.56 m处的岩心上则有两组明显的碳酸盐岩团块. 通过分析可知，大庆长垣南部扶余油层储层以灰色、浅灰色粉砂岩为主，其中均含有不同含量的碳酸盐岩矿物，且多以碳酸盐岩条带、结核或团块的形式赋存.图4为敖106井1 740.6 m处的岩心铸体薄片镜下照片，结合其他19口井中位于扶余油层处的岩心铸体薄片镜下照片可知，大庆长垣南部扶余油层中的碎屑颗粒间含有大量的碳酸盐胶结物. 碳酸盐岩属于高阻岩性，故储层中含有碳酸盐岩时可使其电阻率值明显升高. 图5为敖106井1 737.9 m处的岩心扫描电镜照片，可以看出该岩心中含有铁白云石.

图3 敖106井1 726.13 m处的岩心照片和葡363井1 927.56 m处的岩心照片Fig.3 Photos of core at 1 726.13 m in Well Ao 106 and core at 1 927.56 m in Well Pu 363

图4 敖106井1 740.6 m处的岩心铸体薄片镜下照片Fig.4 Microscopic photograph of core casting thin slice at 1 740.6 m in Well Ao 106

图5 敖106井1 737.9 m处的岩心扫描电镜照片Fig.5 SEM photograph of core at 1 737.9 m in Well Ao 106

已有研究表明，不同矿物的电阻率不同，黏土的电阻率一般在1～10 Ω·m 之间，砂岩的电阻率一般在10～1000 Ω·m 之间，碳酸盐岩的电阻率一般在1000～100 000 Ω·m之间，也就是说，碳酸盐岩的电阻率最高，砂岩次之，黏土最低. 因此，当储层中含有碳酸盐岩矿物时，其电阻率会明显升高. 为了探究碳酸盐岩矿物对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层的形成是否有影响，分别对大庆长垣南部扶余油层的高电阻率水层和正常水层中的碳酸盐岩矿物含量进行对比分析，结果如图6所示. 从图6可以看出，高电阻率水层中77.4%的碳酸盐岩矿物的体积分数大于9%，而正常水层中90.9%的碳酸盐岩矿物的体积分数小于9%，说明高电阻率水层中的碳酸盐岩矿物含量整体要高于正常水层，所以碳酸盐岩矿物含量高是大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层形成的一个重要因素. 另外，从整体上来看，碳酸盐矿物含量与深侧向电阻率呈正相关关系（图6），即随着碳酸盐岩矿物含量的增加，深侧向电阻率逐渐增大.

图6 高电阻率水层和正常水层的碳酸盐岩矿物体积分数与深侧向电阻率交会图Fig.6 Cross plot of carbonate mineral volume fraction and deep lateral resistivity in high resistivity water layer and normal water layer

1.3 低含量的黏土矿物

体积一定的情况下，岩石中含有的低电阻率黏土矿物越少，就意味着其中含有的电阻率相对较高的砂岩和碳酸盐岩越多，则岩石的电阻率越高. 分别对大庆长垣南部扶余油层中的岩石进行X射线衍射分析，结果表明，大庆长垣南部扶余油层中的伊利石含量最多，绿泥石次之，高岭石和伊蒙混层矿物的含量相对较少，且未发现蒙脱石. 其中，伊利石呈叶片状贴附于岩石颗粒表面或充填于岩石颗粒间孔隙内，绿泥石以薄膜状附着于岩石颗粒之上.

为探究黏土矿物对大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层的形成是否有影响，分别对大庆长垣南部扶余油层的高电阻率水层和正常水层中的黏土矿物含量进行对比分析，结果如图7所示. 从图7可以看出，高电阻率水层中黏土矿物的体积分数均小于11%，正常水层中72%的黏土矿物的体积分数大于11%，即高电阻率水层的黏土矿物含量整体要低于正常水层. 从图7 还可以看出，黏土矿物含量与深侧向电阻率之间整体呈负相关关系，即随着黏土矿物含量的增加，深侧向电阻率逐渐减小，这也体现了黏土矿物的附加导电性. 由此可知，黏土矿物含量低也是大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层形成的一个重要因素.

图7 高电阻率水层和正常水层的黏土矿物体积分数与深侧向电阻率交会图Fig.7 Cross plot of clay mineral volume fraction and deep lateral resistivity in high resistivity water layer and normal water layer

2 储层致密化对高电阻率水层的影响

2.1 储层致密化

通过对大庆长垣南部地区敖106 井、茂401 井等20 口井扶余油层处的岩心进行物性测试可知：北部葡南地区岩心样品的孔隙度为7%～16%，平均孔隙度为12.3%，渗透率为0.1～5.0 mD，平均渗透率为1.61 mD；南部敖包塔地区岩心样品的孔隙度为6%～12%，平均孔隙度为8.9%，渗透率为0.1～5.0 mD，平均渗透率为1.69 mD. 以上结果表明，大庆长垣南部扶余油层整体为致密储层.

通过对大庆长垣南部扶余油层处的岩心样品进行铸体薄片观察和扫描电镜观察发现，大庆长垣南部扶余油层的成岩作用强烈，且对大庆长垣南部扶余油层储层致密化具有显著影响的成岩作用有压实作用、胶结作用、溶蚀作用等. 压实作用主要为机械压实，即塑性颗粒发生明显形变，局部凹凸接触. 胶结作用以碳酸盐岩胶结和黏土矿物胶结为主. 同时还可以看到该储层的岩心样品中有少量长石溶蚀现象，说明该储层的溶蚀作用相对较少.

2.2 储层致密化对电阻率的影响

压实作用过程中泥岩会发生脱水，从而会导致大量孔隙流体排出，进而会导致孔隙流体的总矿化度降低［28］. 总矿化度表征了流体中溶解组分的总量，总矿化度越低，流体中导电离子的含量就越低，则流体的导电性越差、电阻率越高. 因此，压实作用在影响储层致密化的同时也间接影响了储层的电阻率，从而会导致高电阻率水层的形成.

一定体积的岩石中含有的高电阻率的碳酸盐岩越多，则其含有的相对低电阻率的砂岩、黏土矿物和地层水就越少. 通过2.1小节的分析可知，大庆长垣南部扶余油层的碳酸盐岩胶结作用强烈，故整个储层的电阻率相对较高，从而会导致高电阻率水层的形成.

孔隙结构是除孔隙度之外另一个影响岩石导电性的重要因素. 由于压实作用、胶结作用、溶蚀作用等因素的影响，大庆长垣南部扶余油层中的岩石颗粒会发生形变，粒间孔、粒内溶孔等孔隙结构会变复杂，且孔隙中会产生部分对岩石导电性无贡献或贡献微弱的“死”孔隙. 如图8 所示，一端封闭的孔隙、对称封闭的孔隙和孤立的孔隙中均无电流通过［31-33］. 在岩石孔隙度大小相同的情况下，此类“死”孔隙越多，则电流可通过的路径就越少，于是岩石的导电能力就越差，相应地岩石的电阻率就越高.

图8 岩石储集空间导电机理示意图Fig.8 Diagram of conductivity mechanism in rock reservoir space

3 结论

1）大庆长垣南部扶余油层中高电阻率水层和正常水层的地层水等效矿化度和地层水电阻率均存在差异，地层水等效矿化度的阈值为4500 mg/L，地层水电阻率的阈值为0.51 Ω·m，高电阻率水层中等效矿化度低、电阻率高的地层水含量相对较高.

2）大庆长垣南部扶余油层中发育有碳酸盐岩矿物，其高电阻率的特征决定了其对地层水电阻率的影响，高电阻率水层中多数的碳酸盐岩矿物的体积分数大于9%，正常水层中多数的碳酸盐岩矿物的体积分数小于9%.

3）大庆长垣南部扶余油层的高电阻率水层中含有的低电阻率的黏土矿物体积分数均低于11%，黏土矿物的导电性在高电阻率水层中的作用微弱.

4）压实作用和胶结作用对大庆长垣南部扶余油层的储层致密化起到了关键性的作用，且压实作用过程中的泥岩脱水和胶结作用过程中的碳酸盐岩矿物富集均有利于高电阻率水层的形成.

5）储层致密化导致储层中岩石颗粒的孔隙结构变得复杂，从而改变了电流在岩石中的导电路径，其中一端封闭的孔隙、对称封闭的孔隙和孤立的孔隙对导电性不起任何作用.