中東地區(qū)XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層低阻成因機(jī)理研究

司馬立強(qiáng)，席燕卿，張鳳生 （西南石油大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，四川 成都610500）

張慶紅，夏冬冬 （中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083）

低阻油氣層系是指同一油水系統(tǒng)內(nèi)油氣層與純水層的電阻率之比小于2，即油氣層的電阻率增大率小于2的油氣層；或者是與鄰近水層相比電阻率值相近甚至較低，造成應(yīng)用電性曲線劃分儲(chǔ)層困難，甚至不能判別流體性質(zhì)的油氣層[1～5]。一般常見(jiàn)低阻儲(chǔ)層是碎屑巖儲(chǔ)層[6～8]，國(guó)內(nèi)外研究的低阻碳酸鹽巖儲(chǔ)層很少，對(duì)于碳酸鹽巖低阻成因方面的研究也很少[9]。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)碳酸鹽巖儲(chǔ)層的油氣層電阻率一般為幾百到幾萬(wàn)歐姆米，如龍崗礁灘儲(chǔ)層長(zhǎng)興組灰?guī)r儲(chǔ)層的氣層電阻率一般在1000Ω·m以上[10]；塔河油田中下奧陶統(tǒng)縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的油層電阻率一般在100Ω·m以上[11]。中東地區(qū)XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層電阻率很低，油層與水層的電阻率普遍小于5Ω·m，屬于典型的低阻碳酸鹽巖儲(chǔ)層。XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層的電阻率與非儲(chǔ)層電阻率差別較小，油水層的電阻率相近，這使得流體性質(zhì)判別和儲(chǔ)層劃分變得困難。為此，筆者對(duì)該地區(qū)的低阻成因進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1 XT油田低阻儲(chǔ)層的電阻率特征

圖1 X24井 （a）和X13井 （b）測(cè)井曲線響應(yīng)圖

該區(qū)油水層電阻率普遍小于5Ω·m，一般在1～3Ω·m。如圖1所示，X24井油層的電阻率平均為1.48Ω·m，X13井水層電阻率平均1.52Ω·m。油水層的電阻率相近，有時(shí)油層電阻率甚至稍低，造成流體性質(zhì)判別和儲(chǔ)層劃分的困難。

2 工區(qū)碳酸鹽巖儲(chǔ)層低阻成因

低阻儲(chǔ)層的形成受多方面原因的影響，筆者通過(guò)對(duì)大量的巖心、錄井、試油、測(cè)井等資料分析，探討了泥質(zhì)含量、束縛水飽和度、地層水礦化度、導(dǎo)電礦物對(duì)低阻的影響。

2.1 泥質(zhì)含量

不同的黏土礦物具有不同的晶體構(gòu)造，導(dǎo)致黏土礦物的陽(yáng)離子交換容量 （CEC）有很大的差別 （表1），交換容量由大至小依次是：蒙脫石＞伊利石、綠泥石＞高嶺石，蒙脫石和伊利石均具有較高的比表面值[12，13]。

表1 常見(jiàn)的黏土礦物的陽(yáng)離子交換容量以及比表面

XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層的黏土體積分?jǐn)?shù)很低，通過(guò)X－衍射資料顯示，黏土體積分?jǐn)?shù)平均為7%，大多數(shù)在1%～4%。黏土類型主要是伊利石和伊－蒙混層，平均為47%，高嶺石、綠泥石含量較少。該地區(qū)儲(chǔ)層黏土礦物屬于CEC較高的伊利石和伊－蒙混層組成，黏土的附加導(dǎo)電性理論上較高。該區(qū)的地層水礦化度平均為20×104mg/L，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)從1%～7%變化時(shí)，儲(chǔ)層的電阻率由1.70Ω·m下降到1.57Ω·m，相對(duì)變化率為7.6%，變化幅度很小。因此，在XT油田高地層水礦化度的條件下，少量的泥質(zhì)的附加導(dǎo)電性可以忽略不計(jì)。

2.2 束縛水飽和度

一般情況下束縛水由兩部分組成：①巖石顆粒表面被吸附的薄膜滯水；②毛細(xì)管孔隙中的毛細(xì)管滯水[14]。薄膜滯水由巖石顆粒表面的水膜產(chǎn)生，受水膜厚度的影響，在生產(chǎn)過(guò)程中由于受壓力大小、巖石潤(rùn)濕性改變也會(huì)有所改變；毛細(xì)管滯水能否流動(dòng)取決于作用在毛細(xì)管兩端的壓力差和毛細(xì)管滯留力的平衡狀態(tài)，當(dāng)壓力差不能克服毛細(xì)管滯留力時(shí)毛細(xì)管滯水不可流動(dòng)，此時(shí)的毛細(xì)管滯水與薄膜滯水一起組成束縛水；當(dāng)壓力差能夠克服毛細(xì)管滯留力時(shí)毛細(xì)管滯水將與以游離狀存在于孔隙和喉道內(nèi)的自由水一起組成可動(dòng)水。該次研究中的束縛水是指在一定的生產(chǎn)壓差下儲(chǔ)層孔隙中不可流動(dòng)的水。

對(duì)3口取心井11個(gè)巖樣進(jìn)行核磁共振分析，得到束縛水飽和度的統(tǒng)計(jì)表 （表2）。表2顯示，巖樣的孔隙度平均為22.02%，滲透率為0.29mD，表現(xiàn)為高孔低滲的特征，束縛水飽和度平均為79.6%。相滲資料顯示，油層的束縛水體積分?jǐn)?shù)為69.56%；根據(jù)潤(rùn)濕性試驗(yàn)分析，該區(qū)巖樣的接觸角分布為34～76.61°，平均47.35°，巖石潤(rùn)濕性大多表現(xiàn)為親水性，偶見(jiàn)中性巖石。

通過(guò)巖樣壓汞試驗(yàn)數(shù)據(jù) （表3）表明，平均孔喉半徑在0.0086～0.0627μm，微細(xì)孔喉結(jié)構(gòu)占孔喉總體積的大部分，為微小孔喉結(jié)構(gòu)發(fā)育?？缀戆霃皆叫?，彎曲度大，毛細(xì)管的排替壓力越大，反之亦然。

表2 取心井束縛水飽和度統(tǒng)計(jì)表

表3 取心井平均孔喉半徑統(tǒng)計(jì)表

鑄體薄片分析結(jié)果表明，XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層的顆粒以泥晶灰?guī)r為主，伴隨有生物碎屑、泥質(zhì)等。顆粒都較細(xì)，一般粒徑小于0.1mm，少數(shù)粒徑為0.3mm左右，巖石顆粒的比表面積變大，吸附能力增強(qiáng)。

綜上，巖石顆粒較細(xì)，微小孔隙發(fā)育，孔喉半徑小，孔隙結(jié)構(gòu)差，導(dǎo)致儲(chǔ)層的吸水性變強(qiáng)，束縛水飽和度增高，增強(qiáng)了巖石的導(dǎo)電性，儲(chǔ)層的電阻率降低。

2.3 地層水礦化度

儲(chǔ)層的地層水中存在大量游離的離子，這些離子以一定的方式組合，影響著地層水的礦化度。當(dāng)?shù)V化度增大時(shí)，油水層的電阻率界限會(huì)變模糊，將較大程度地影響地層的電阻率，使得地層的電阻率降低，形成低阻油層。

水分析化驗(yàn)結(jié)果表明，XT油田各個(gè)儲(chǔ)層段縱向上各層位產(chǎn)出水的氯離子含量差異不大，氯離子平均礦化度為11.5×104mg/L。整體上的氯離子相對(duì)含量較高，經(jīng)過(guò)公式換算得到地層水總礦化度達(dá)20×104mg/L以上，即地層水礦化度很高，明顯增強(qiáng)了地層的導(dǎo)電性，從而降低了儲(chǔ)層的電阻率。

2.4 導(dǎo)電礦物

當(dāng)儲(chǔ)層的礦物組分中包含有一定量的黃鐵礦，并且黃鐵礦是以團(tuán)塊狀、結(jié)核狀、侵染狀和分散狀等形式分布時(shí)，黃鐵礦對(duì)于儲(chǔ)層的導(dǎo)電性作用不容忽視。黃鐵礦具有導(dǎo)電性，在含有一定量黃鐵礦的儲(chǔ)層中，儲(chǔ)層的電阻率會(huì)因較高的導(dǎo)電性而降低，形成低阻油層。綜合所有的X－衍射分析及鑄體薄片的巖樣發(fā)現(xiàn)，61個(gè)巖心樣品中含有黃鐵礦，黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)平均占所有礦物成分的0.6%，呈斑點(diǎn)狀零星分布，含量很少。地層水礦化度為20×104mg/L，黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)由0%～0.6%變化時(shí)，儲(chǔ)層的電阻率由1.25Ω·m降到1.16Ω·m，降幅小，因此在XT油田高地層水礦化度的前提下，少量的導(dǎo)電礦物的影響可忽略不計(jì)。

3 儲(chǔ)層低阻數(shù)值模擬研究

3.1 泥質(zhì)含量、地層水礦化度、含水飽和度綜合數(shù)值模擬

前面討論了束縛水飽和度、泥質(zhì)含量和地層水礦化度對(duì)于儲(chǔ)層電阻率的影響，它們與電阻率有一定的聯(lián)系。因此，建立了數(shù)值模擬模型來(lái)綜合討論其對(duì)于儲(chǔ)層電阻率的影響，見(jiàn)圖2（模型為通用模型，儲(chǔ)層為油層時(shí)，烴取代了自由水部分，只含束縛水；水層時(shí)則不含烴部分）。該模型采用三水模型理論[15～18]，將巖石的總電導(dǎo)率視為自由水、微孔隙水、黏土水3部分的電導(dǎo)率并聯(lián)結(jié)果，同時(shí)考慮微孔隙水和黏土水是不能流動(dòng)的，烴只能進(jìn)入自由水孔隙中。

通過(guò)推導(dǎo)，地層的電阻率應(yīng)該滿足關(guān)系式：

圖2 含水泥質(zhì)灰?guī)r模型

式中：ρt、ρw、ρcw分別為地層、地層水、黏土水的電阻率，Ω·m；φf(shuō)、φi、φcw分別為自由水、微孔隙水、黏土水的孔隙度，1；mf、mi、mcw分別為自由水、微孔隙水、黏土水的膠結(jié)指數(shù)，1；af、ai、acw分別為自由水、微孔隙水、黏土水的巖性指數(shù)，1；Swf為自由流體孔隙空間的含水飽和度，1。

Swf與測(cè)井解釋出來(lái)的含水飽和度（Sw）之間的關(guān)系表示為：

式中：φf(shuō)w為自由流體孔隙度，1；φt為巖石總孔隙度，1。

束縛水孔隙度（φbw）為毛細(xì)管束縛水和黏土束縛水（黏土水）孔隙的綜合，與泥質(zhì)含量密切相關(guān)。φbw的計(jì)算公式為：

黏土水孔隙度（φcw）的計(jì)算公式為：

自由水孔隙度φf(shuō)的計(jì)算公式為：

微孔隙水孔隙度φi的計(jì)算公式為：

式中：Sbw為束縛水含水飽和度，1；φ（sh）為黏土的體積分?jǐn)?shù)，1；φsh為濕黏土的孔隙度，1。

研究時(shí)，地表溫度控制在25℃，地溫梯度0.026℃/m，黏土水電阻率通過(guò)公式計(jì)算ρcw＝0.150278 Ω·m，地層水電阻率根據(jù)氯離子礦化度換算得出?？偪紫抖葹?2%，孔隙度下限為20%，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，擬合出的ai和mi分別為3.9168和1.3768；af和mf分別為1.5786和1.839；ac和mc取理論值1和2。假設(shè)濕黏土的孔隙度為10%。

根據(jù)該區(qū)的情況，研究泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)φ（sh）、氯離子礦化度、含水飽和度與地層電阻率之間的關(guān)系（見(jiàn)圖3）。隨著氯離子礦化度的增加，地層的電阻率減??；在高礦化度的地層水前提下，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)增加，3條曲線幾乎重疊，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)對(duì)于電阻率的影響很小 （圖3（a））；同一氯離子礦化度，含水飽和度在40%以下變化較平緩，當(dāng)大于40%，含水飽和度越高，地層的電阻率越低；隨著地層水礦化度的增加，地層電阻率隨之下降 （圖3（b））；地層電阻率隨著地層水飽和度和氯離子礦化度的增加而呈降低趨勢(shì)。

圖3 氯離子礦化度和束縛水飽和度與地層電阻率之間的關(guān)系曲線圖

3.2 導(dǎo)電礦物數(shù)值模擬

根據(jù)黃鐵礦的導(dǎo)電原理，建立巖石的體積物理模型[19，20]來(lái)分析該區(qū)域的黃鐵礦對(duì)于地層電阻率的影響。該模型設(shè)定了幾點(diǎn)初始條件：①泥質(zhì)為層狀，即模型為層狀泥質(zhì)灰?guī)r模型，由純灰?guī)r和層狀泥質(zhì)組成，且層狀泥質(zhì)與鄰近泥巖具有相同的電阻率；②各個(gè)組分并聯(lián)導(dǎo)電。根據(jù)并聯(lián)導(dǎo)電原理，得出：

式中：R、Rsh、Rma、Rp分別為地層、泥質(zhì)、骨架和黃鐵礦的電阻，Ω。

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)，最終得出地層的電阻率：

式中：ρsh、ρp分別為泥質(zhì)、黃鐵礦的電阻率，Ω·m；φe為巖石有效孔隙度，1；φ（sh）、φ（p）分別為泥質(zhì)、黃鐵礦的體積分?jǐn)?shù)，1；a為巖性指數(shù)，此處取值1；Sw此處取值80%。

根據(jù)區(qū)塊情況，黃鐵礦的電阻率低，此處ρp取值為0.1 Ω·m；ρsh＝5Ω·m，地表溫度控制在25℃，氯離子礦化度平均值11.5×104mg/L，換算得到的地層水電阻率為0.04227Ω·m，巖石有效孔隙度為22%，泥質(zhì)體積分?jǐn)?shù)為7%。根據(jù)式 （8）研究了黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)變化與地層電阻率之間的關(guān)系 （見(jiàn)表4），在高礦化度地層水的前提下，地層的電阻率隨著黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)的增加變化幅度不大，相對(duì)變化率小于1.5%。

3 結(jié) 論

表4 黃鐵礦體積與地層電阻率變化關(guān)系表

1）中東地區(qū)XT油田碳酸鹽巖儲(chǔ)層具有高束縛水飽和度﹑高地層水礦化度，以及含有少量泥質(zhì)和導(dǎo)電礦物的特點(diǎn)，研究區(qū)泥質(zhì)和導(dǎo)電礦物含量很少，對(duì)于儲(chǔ)層電阻率的影響很小，可以忽略不計(jì)。

2）中東地區(qū)XT油田儲(chǔ)層低阻的主要成因是高束縛水飽和度和高地層水礦化度。束縛水飽和度越高，地層水礦化度越高，儲(chǔ)層的導(dǎo)電性就越強(qiáng)，從而儲(chǔ)層的電阻率就越低。

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