Orinoco重油帶沖刷帶測井響應(yīng)特征及形成過程

陳和平，陳皓，李長文，王玉生，李劍平，黃瑞，田蔥蔥，侯秋元

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石油測井有限公司國際事業(yè)部，北京 102200；3.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司，北京 100034）

0 引言

委內(nèi)瑞拉奧里諾科（Orinoco）重油帶原始地質(zhì)儲量為2 000× 108t，可采儲量高達460×108t[1]，主要目的層是新近系和古近系的大套河流-三角洲相砂巖，油藏埋深為100～1 500 m，厚度為5～100 m[1]。重油帶某些井生產(chǎn)出水嚴重，出水層的巖性、物性、電性與油層類似，只是試油油層與試油水層的微球電阻率與深側(cè)向電阻率曲線特征明顯不同：試油油層的微球電阻率與深側(cè)向電阻率曲線數(shù)值相差較大，有明顯的鉆井液侵入特征；試油出水層微球電阻率與深側(cè)向電阻率曲線數(shù)值差異較小，有時微球電阻率數(shù)值比深側(cè)向電阻率數(shù)值還大。石油工作者將重油帶中這種高電阻率、微球與深側(cè)向電阻率差異較小，生產(chǎn)出水嚴重的地層稱為沖刷帶[2-6]。

2007年 MARCOS J等人在研究了重油帶 Sincor區(qū)塊沖刷帶水分析資料的基礎(chǔ)上，認為該區(qū)受到大氣降水的影響，原始地層水為高礦化度[7]。侯君、戴國汗等在研究委內(nèi)瑞拉奧里諾科重油帶油藏特征及開發(fā)潛力時提到，重油帶的西部和南部區(qū)域受到淡水侵入影響[8]；陳惠等人認為地表淡水對儲集層原生水有改造作用[9]；劉亞明等人認為在晚白堊世到新近紀時期，安第斯造山運動破壞了早期油藏，外來水大量進入Orinoco重油帶，原油遭受了不同程度的生物降解、氧化作用和原油稠化作用[10]。

但是，上述研究中關(guān)于油藏中存在地表淡水的證據(jù)及原油稠化的直接證據(jù)不足、沖刷帶缺少準確的定義、沖刷帶測井響應(yīng)機理不清、沖刷帶形成過程不明確。為了明確沖刷帶地層資源品質(zhì)，助力重油帶開發(fā)，為重油帶資源量準確計算提供支持，本文分析了研究區(qū)地表淡水和原油稠化存在的證據(jù)，明確了沖刷帶測井響應(yīng)機理及沖刷帶形成過程，初步恢復(fù)了多期次沖刷的歷史，定義了沖刷帶。

1 淡水侵入油藏的證據(jù)

圖1中測試道所示的井段為研究區(qū)SDXX井試油井段綜合測井曲線，第1次測試（342.9～356.6 m）累計測試19 d，日產(chǎn)油1.91 t，含水率為0.1%，試油結(jié)論為油層；第2次測試（468.20～487.68 m）累計測試20 d，含水率為 100%，試油結(jié)論為水層；第 3次測試（521.2～533.4 m），累計測試16 d，日產(chǎn)油0.64 t，含水率99%，試油結(jié)論為水層。其中第2次測試井段為典型的沖刷帶特征。

圖1 SDXX井綜合測井曲線圖

在砂泥巖剖面中，當RwRmf時，砂巖層段出現(xiàn)自然電位正異常。利用自然電位曲線結(jié)合鉆井液礦化度數(shù)據(jù)可以判斷地層水礦化度的大致范圍。

圖2a所示1E井自然電位正異常，說明該井附近地層水礦化度小于鉆井液礦化度。表1中該井目的層井段測井顯示鉆井液電阻率為1.13 ?·m，礦化度為5 000 mg/L，說明該井附近地層水礦化度小于5 000 mg/L；圖2b所示6E井自然電位負異常，說明該井附近地層水礦化度大于鉆井液礦化度。表 1顯示該井目的層井段鉆井液電阻率為0.48 ?·m，礦化度為14 000 mg/L，說明該井附近地層水礦化度大于14 000 mg/L。

圖3為重油帶發(fā)育沖刷帶區(qū)域部分井的產(chǎn)水數(shù)據(jù),圖中 4個區(qū)塊產(chǎn)水礦化度范圍為 2 956.6～3 4845.5 mg/L。由上述分析可見，研究區(qū)重油帶油藏存在兩種不同礦化度的地層水。

重油帶油藏埋深較淺，埋深最淺處僅有100 m左右，另外，奧里諾科河及其支流流經(jīng)重油帶胡寧區(qū)地表，從流量來說，奧里諾科河是世界第 3大河，為地表淡水的入侵提供了豐富的水源。另外，MARCOS J等人認為研究區(qū)鄰區(qū)原始地層水礦化度大于 10 000 mg/L[7]，綜合以上分析可知，沖刷帶油藏確實存在淡水入侵油藏。

2 地表淡水對油藏的改造

地表淡水對油藏改造主要可以分為地表淡水對巖石骨架的改造及其對地層流體的改造兩個方面：對巖石骨架的改造主要是對孔隙結(jié)構(gòu)和孔喉大小的改造；對地層流體的改造主要是改變氣體的濕度、組分和壓力，改變石油的黏度、組分等，改變地層水的礦化度、礦物成分。

2.1 地表淡水對巖石骨架的改造

各向異性油藏分為沉積各向異性油藏和裂縫各向異性油藏。沉積各向異性油藏又分為層間各向異性油藏和層內(nèi)各向異性油藏。層間各向異性油藏是指宏觀上薄層間的非均質(zhì)性，它降低了巖石垂直方向的滲透率，使巖石在垂直方向和水平方向呈現(xiàn)不同的滲透率，即一般情況下，垂直方向的滲透率要小于水平方向的滲透率。但是在研究區(qū)中ZZ2井的巖心分析數(shù)據(jù)顯示，地層垂向滲透率與水平滲透率接近。圖4為ZZ2井的巖心綜合測井曲線圖，圖中第 4道滲透率曲線表示地層滲透率，KCOR代表巖心分析滲透率，第 5道φCOR代表巖心分析孔隙度，巖心分析孔滲數(shù)據(jù)與測井曲線對應(yīng)良好，說明巖心分析歸位準確。第6道KH/V曲線代表巖心分析水平滲透率與巖心分析垂直滲透率的比值，儲集層段巖心分析垂直滲透率與巖心分析水平滲透率比值基本在 1附近，說明垂直滲透率與水平滲透率差別不大。第7道KH-V曲線代表巖心分析水平滲透率與巖心分析垂直滲透率的差值，研究區(qū)地層垂直滲透率與水平滲透率相當，分析認為造成這種現(xiàn)象的主要原因是地表淡水的淋濾與沖刷，地表淡水進入油藏，主要沿著侵入點向外擴散，向下流動，在這個過程中，垂直方向上小的孔喉被改造，地層的垂直滲透率逐漸變大，地層層間各向異性變小[12]。

圖2 1E井（a）及6E井（b）測井綜合曲線圖

表1 重油帶發(fā)育沖刷帶區(qū)域部分井鉆井液信息統(tǒng)計表[11]

圖3 沖刷帶區(qū)域地層水分析數(shù)據(jù)

2.2 地表淡水對儲集層流體的改造

研究區(qū)內(nèi)地表淡水對儲集層流體的改造主要是改變原油組分。主要作用有輕質(zhì)油氣的?逸和外來水引起的原油稠化作用[13]。

原油黏度是指原油中任一點上單位面積的剪應(yīng)力與速度梯度的比值，原油黏度的高低表明原油流動的難易，是原油稠化作用的一個重要指標。Vinegar通過實驗認為橫向弛豫時間T2與原油黏度η有較好的相關(guān)性，其經(jīng)驗公式如下：

圖4 ZZ2井巖心綜合測井曲線圖

圖5是XXV井巖心分析測井綜合測井曲線圖，圖中第 6道中η曲線是利用核磁測量結(jié)果計算的地層流體黏度，R5000曲線是巖心充分飽和 5 000 mg/L的NaCl溶液后測量的電阻率。巖心在飽和NaCl溶液時，沒有進行洗油和其他處理。第8道是核磁共振測井T2譜。第6道的R5000數(shù)據(jù)點雖然較少，但是數(shù)據(jù)點整體分布形態(tài)與核磁共振計算黏度數(shù)據(jù)一致性較高。

地表水侵入油藏之前，研究區(qū)油氣呈泡沫油狀態(tài)。泡沫油現(xiàn)象是在20世紀60年代被觀察到的，Smith[2]等人最早使用了“多相流”、“混合流”來描述重油中包含微小氣泡并隨重油一起流動的現(xiàn)象。Sarma等人最早引入“泡沫油”的術(shù)語[3]。1999年SHENG J J等人研究了泡沫油氣驅(qū)的機理[4]。2012年吳永彬等人通過實驗定量描述了泡沫油穩(wěn)定性的影響因素，認為存在泡沫油流的油藏不宜過早進入熱采開發(fā)[5-6]。巖心從井底到地面的過程中，巖心所受的圍壓變小，觸發(fā)泡點，油氣從泡沫油相逐漸變化為油氣兩相，氣相與輕質(zhì)油外泄，原油黏度變大，巖心電阻率值變大。圖5中第6曲線道飽和 NaCl溶液后的巖心電阻率數(shù)據(jù)與核磁共振計算黏度數(shù)據(jù)一致性較高，說明核磁共振計算黏度數(shù)據(jù)準確性較高[14]。

以瀝青的化學(xué)元素組成來看，油渣瀝青的含碳量大于 85%，煤焦油瀝青的含碳量大于 92%；瀝青的密度比水稍大，煤焦油瀝青的密度為1.15～1.25 g/cm3。所以相比常規(guī)的油氣，在地層的巖性、物性、含油飽和度變化不大的情況下，超重油和瀝青的中子測井曲線值變小，密度變化不大。圖5中450～458 m井段密度測井曲線變化不大，但補償中子測井曲線值明顯變小，正是原油黏度變大所致。從測井曲線的響應(yīng)及核磁共振計算的黏度曲線來看，油藏中原油黏度明顯變大，說明油藏中原油發(fā)生了稠化。

地表淡水進入油藏后，攜帶了大量的微生物，微生物對原油進行降解，生物降解作用使飽和烴的含量明顯降低，瀝青質(zhì)、非烴含量和芳香烴含量增加，原油密度和黏度升高。生物降解過程先降解正構(gòu)烷烴，然后消耗支鏈烷烴，環(huán)狀烴類物質(zhì)一般較為穩(wěn)定[13]。圖 6是不同油區(qū)的原油組分分析數(shù)據(jù)，從原油組分分析結(jié)果來看，委內(nèi)瑞拉胡寧地區(qū)不同井的原油組分差別較大，其中HN11X井、HNCUPBJ井的原油成分與國內(nèi)超重油的組分較為接近，飽和烴含量高，芳香烴與膠質(zhì)成分含量相對較高，瀝青質(zhì)含量最少；而HN2X井、HN9X井、HN16X井、HN8X井的原油組分中芳香烴與膠質(zhì)含量較多，瀝青質(zhì)較少，飽和烴含量??；相比HN11X井、HNCUPBJ井原油，這4口井的原油為經(jīng)過微生物降解后的原油。

圖5 XXV井巖心分析測井綜合曲線圖

圖6 國內(nèi)外不同油田重油原油成分分析柱狀圖

研究區(qū)重油帶分布于東委內(nèi)瑞拉盆地南部斜坡帶的最高邊緣部位，來自盆地北部的油氣在經(jīng)歷了數(shù)十千米長距離側(cè)向運移后，大規(guī)模充注到盆地邊緣的上白堊統(tǒng)—中新統(tǒng)河流-三角洲相未固結(jié)砂巖中[8]，研究區(qū)目的層構(gòu)造北低南高。重油帶上的原油相對密度變化東西向大體一致，自北向南原油相對密度逐漸增加，由JUNIN北部的0.934以上增加到南部的1.029，原油黏度也自北向南由 2 000 mPa·s增加到 5 000 mPa·s以上[1]。從原油運移的角度分析，輕質(zhì)原油的分子小，擴散能力更強，更適合長距離的運移，而研究區(qū)相比距離油源更近的南部區(qū)域油氣黏度更大，說明研究區(qū)確實發(fā)生了原油稠化現(xiàn)象。

3 沖刷帶形成過程

地表淡水通過露頭或斷層進入油藏，油藏發(fā)生原油稠化后形成的超重油地層就是沖刷帶。沖刷帶在生產(chǎn)時通常含水較高，但是并非所有沖刷帶地層都含自由水。沖刷帶多存在于泡沫油流油藏中，除去微球電阻率測井響應(yīng)外，泡沫油流油藏與普通重油油藏的測井響應(yīng)差別不大。

3.1 沖刷帶測井響應(yīng)與分類

微球電阻率反映沖洗帶電阻率，深側(cè)向電阻率反映原狀地層電阻率。沖洗帶是指由于井筒內(nèi)泥漿的侵入作用，地層中可動流體完全被鉆井液驅(qū)替后形成的一個繞井筒的環(huán)狀條帶。沖洗帶電阻率與原狀地層電阻率差異不大，這可能有兩種情況，即鉆井液等阻侵入或者沒有鉆井液侵入。14PV井鉆井液的電阻率在26.7 ℃時為1.39 ?·m，上部油層呈現(xiàn)明顯的減阻侵入特征，在與油層鄰近的沖刷帶中等阻侵入的可能較小；另外地層電阻率變化較大，而微球電阻率形態(tài)與隨原狀地層電阻率形態(tài)相似，說明目的層測井曲線特征與鉆井液侵入關(guān)系不大。表 1所示研究區(qū)鉆井液礦化度變化較大，如1E井與6E井的鉆井液等效NaCl礦化度分別為5 000 mg/L和14 000 mg/L，但是圖2a所示434.0～449.6 m井段、圖2b所示480.0～495.3 m井段，微球電阻率與深側(cè)向電阻率形態(tài)相似，數(shù)值相近。據(jù)以上3點可以得出，研究區(qū)沖刷帶的特殊測井響應(yīng)與鉆井液關(guān)系較小，應(yīng)為地層流體引起的。

研究區(qū)沖刷帶的特殊測井響應(yīng)是由于瀝青薄膜造成的。該區(qū)的巖心潤濕性分析結(jié)果認為，該區(qū)為油潤濕—中性潤濕，在油水共存地層，原油與地層充分接觸。當?shù)乇淼M入油藏后，帶來了大量的氧氣和細菌。經(jīng)過細菌的稠化作用，最終形成了瀝青薄膜。薄膜阻礙了鉆井液進入地層中，最終導(dǎo)致微球與深探測電阻率相近。

從測井響應(yīng)來看，沖刷帶可以分為兩類：①高電阻率沖刷帶，電阻率較油層變化較小，自然電位異常較油層稍有變小，僅憑地層電阻率數(shù)值大小較難甄別油層與沖刷帶地層，如圖7的478.5～513.5 m井段。高電阻沖刷帶地層含油飽和度很高，部分高阻沖刷帶不含自由水，但是由于地層黏度特別大，原油不易流動，導(dǎo)致生產(chǎn)時經(jīng)常高含水。②低電阻率沖刷帶，即地層電阻率較油層明顯變小，微球電阻率與深側(cè)向電阻率數(shù)值相當，自然電位異常較油層變小，如圖 7的518.2～554.7 m井段，低電阻沖刷帶地層明顯含水。

地層模型中的電阻率是地層骨架、油氣水電阻并聯(lián)的結(jié)果。沖刷帶地層中，地層水被瀝青薄膜包裹，常規(guī)的并聯(lián)支路中地層水的支路變成了瀝青-水-瀝青組成的串聯(lián)支路。高電阻率沖刷帶中，含水較少或者不含自由水，瀝青薄膜的存在導(dǎo)致高電阻率沖刷帶中電測曲線的水信號變?nèi)酰鐖D 7的 14PV井 493.8～513.6 m井段，核磁共振T2譜反映地層含水響應(yīng)，但是深側(cè)向電阻率值仍然較高。低電阻率沖刷帶中，如圖7的521.2～548.6 m井段，孔隙空間大部分被水填充，但是孔隙空間中較小孔喉位置還是被薄膜阻隔，這就形成了一個較大的連續(xù)含水空間，外部被高電阻率薄膜包裹，在電阻率測井時，地層電阻率相對油層變低。

圖7 14PV井測井綜合曲線圖

3.2 沖刷帶的形成

Orinoco重油帶超重油主要以泡沫油流形式存在，泡沫油是溶解氣驅(qū)油藏的一種特殊流體流動形式。隨著油藏封閉性被破壞，泡沫油順著通道流出，地表淡水侵入油藏。地表淡水的侵入帶來了大量的氧和細菌，給原油稠化帶來了充足的條件，剩余油在地表淡水的作用下，黏度逐漸增加，直至形成瀝青薄膜，包裹住了自由水，逐漸在油藏低部位形成了低電阻率沖刷帶。

隨著外來水持續(xù)進入油藏，地層壓力降到泡點附近時，含有溶解氣的原始均質(zhì)流體處于過飽和狀態(tài)，經(jīng)歷了過飽和泡沫油流、氣泡形成、氣泡遷移合并，最終形成連續(xù)的氣相[15-17]。氣相及部分輕質(zhì)油沿通道散逸后，剩下原油黏度很大，流動性很弱，最終留在油藏中，形成高電阻率沖刷帶[18-22]。

3.3 地表水沿斷層侵入的沖刷

隨著地表淡水沿通道流入地層，地表淡水和高礦化度原生地層水發(fā)生離子交換、混合，混合水的礦化度較原始地層水變小，而且距離水源越近，混合水的礦化度越低；距離水源越遠，混合水的礦化度越高。

表2統(tǒng)計了研究區(qū)所有正自然電位異常井的鉆井液信息，結(jié)合自然電位異常情況與鉆井液礦化度與地層水礦化度的關(guān)系可知，這些井的地層水等效NaCl礦化度都小于5 300 mg/L，顯示地層受到了沖刷，淡水改造了地層水。圖8是胡寧4區(qū)及其附近區(qū)域沖刷帶厚度圖，井名顯示為藍色的井自然電位均為正異常，目前所有自然電位正異常且有鉆井液電阻率信息的井都顯示地層水等效NaCl礦化度小于5 300 mg/L（見表2），沖刷比較嚴重。這些井都處于斷層附近，說明水源與斷層關(guān)系密切。

表2 部分正自然電位異常井鉆井液信息表

圖 8所示區(qū)域目的層整體構(gòu)造南高北低，將圖 8中兩個斷層分布較為集中的區(qū)域分別稱為東部和西部，西部區(qū)域中沖刷帶分布與斷層形態(tài)與分布關(guān)系密切,由斷層向北，沖刷帶厚度逐漸變大。沖刷帶厚度等值線與斷層走向基本一致，該區(qū)目的層構(gòu)造南高北低，外來水從斷層進入逐步向北流動。斷層是沖刷帶水體的重要運移通道。但在東部區(qū)域，只有最北面的 1條斷層與其附近的沖刷帶分布有一定關(guān)聯(lián)，其他斷層與沖刷帶的分布關(guān)系不明確。另外XX042井處于構(gòu)造高部位，其位置比所有斷層的位置都高，但是該井也發(fā)現(xiàn)了沖刷帶，說明除了圖示斷層之外，可能還存在別的地表水侵入通道。

3.4 沖刷帶的多期沖刷歷史

圖9 2E井綜合測井圖

圖9是2E井綜合測井圖，圖中井段自然電位正異常，結(jié)合表2中所示地層水信息，顯示有外來水的侵入，但是該井段微球曲線與深電阻率曲線差異明顯，核磁共振信號中輕質(zhì)油氣信號比較強，無明顯水信號，顯示油藏成藏之后，油藏封閉性沒有受到破壞。研究認為沖刷應(yīng)該是在油藏成藏之前。表2中所有井都能得出上述結(jié)論。

而根據(jù)前面的分析，研究區(qū)沖刷帶是油藏成藏之后，地表淡水侵入油藏形成的，所以說，研究區(qū)油藏在成藏前和成藏后，均受到外來水沖刷。

4 結(jié)論

研究區(qū)重油帶發(fā)育沖刷帶。沖刷帶的主要水源是地表淡水，其通過露頭或斷層進入油藏，促進了原油稠化作用的發(fā)生。沖刷帶分為高電阻率沖刷帶和低電阻率沖刷帶兩類，高電阻率沖刷帶富含油，但是原油黏度大，不易流動，生產(chǎn)時含水較高；低電阻率沖刷帶明顯含自由水。研究區(qū)沖刷帶地表水沖刷呈現(xiàn)多期次、多水源的特點，地表淡水在油藏成藏之前就對地層進行了沖刷，油藏成藏之后油藏也經(jīng)歷了淡水沖刷，沖刷帶形成于油藏成藏之后。

符號注釋：

C1——經(jīng)驗常數(shù)，與原油是否含有自由氧及其多少有關(guān)，無因次；dh——井徑，cm；K——測井計算滲透率，10-3μm2；KCOR——巖心分析滲透率，10-3μm2；KH/V——巖心分析水平滲透率與巖心分析垂直滲透率的比值，無因次；KH-V——巖心分析水平滲透率與巖心分析垂直滲透率的差值，10-3μm2；GR——自然伽馬，API；Pwe——地層水等效 NaCl礦化度，利用NaCl溶液電阻率與其含鹽量及溫度轉(zhuǎn)換圖版查得[11]，mg/L；R5000——巖心飽和5 000 mg/L的NaCl溶液后測量的電阻率，?·m；RLLD——深側(cè)向電阻率，?·m；RLLS——淺側(cè)向電阻率，?·m；Rm——泥漿濾液電阻率，?·m；Rmf——鉆井液電阻率，?·m；RMSFL——微球電阻率，?·m；Rw——地層水電阻率，?·m；SP——自然電位，mV；T2——核磁共振橫向弛豫時間，ms；TK——Kelvin絕對溫度，K；ρr——補償密度，g/cm3；φCOR——巖心分析孔隙度，%；φCNL——補償中子孔隙度，%；η——原油黏度，mPa·s。