大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層高阻水層成因機(jī)理

劉 闖

（1.中國(guó)石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司勘探開發(fā)研究院，上海 200120；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東青島 266580）

一般而言，水層的電阻率明顯低于油層. 當(dāng)水層電阻率明顯增高，與油層電阻率難以區(qū)分時(shí)，便形成高電阻率水層（簡(jiǎn)稱高阻水層）. 對(duì)應(yīng)地，當(dāng)油層電阻率明顯降低，與鄰近水層電阻率相差不大時(shí)，便形成低電阻率油層（簡(jiǎn)稱低阻油層）. 低電阻率油層的識(shí)別問(wèn)題已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，目前關(guān)于低電阻率油層的成因機(jī)制和識(shí)別方法的研究已有很多［1-5］. 眾多學(xué)者通過(guò)研究指出，低電阻率油層的形成與高礦化度地層水［6-8］、高束縛水飽和度［9-10］、黏土礦物的附加導(dǎo)電性［11-13］、黃鐵礦等導(dǎo)電礦物的富集［14-15］等因素有關(guān)，同時(shí)也受沉積相展布［16］、沉積物源及其演化史［17］、成巖作用［18］、低幅度構(gòu)造［19］等地質(zhì)因素的影響. 近年來(lái)，雖然已有一些學(xué)者［20-22］對(duì)高電阻率水層成因進(jìn)行研究，但目前關(guān)于高電阻率水層的研究報(bào)道還相對(duì)較少. 其實(shí)高電阻率水層和低電阻率油層都是一個(gè)相對(duì)的概念，且對(duì)于特定地區(qū)具有特定的界限. 因此，本研究擬參照低電阻率油層的研究思路和研究方法對(duì)高電阻率水層進(jìn)行研究，以期為更準(zhǔn)確地識(shí)別和區(qū)分油氣層、進(jìn)一步提高油氣勘探開發(fā)效率提供理論支撐.

大慶長(zhǎng)垣是松遼盆地中央坳陷區(qū)內(nèi)的二級(jí)構(gòu)造單元，總體展布呈北北東向，南部主要涉及葡萄花構(gòu)造的南部和敖包塔構(gòu)造，下白堊統(tǒng)泉頭組扶余油層位于泉頭組三、四段，屬于坳陷構(gòu)造層下部含油組合，以大型淺水三角洲沉積體系為主［23-24］. 近年來(lái)，大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)扶余油層的部分生產(chǎn)井逐步開始有水產(chǎn)出，這一現(xiàn)象制約了該區(qū)油氣產(chǎn)量的提升，因此分析大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)扶余油層高電阻率水層的成因機(jī)理，對(duì)提高該區(qū)域油氣產(chǎn)量有重要的意義.

鑒于此，本研究采用巖心觀察、鑄體薄片鑒定、物性分析、X射線衍射分析、掃描電鏡等方法，對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層高電阻率水層的成因機(jī)理進(jìn)行了分析，并探討了儲(chǔ)層致密化對(duì)高電阻率水層形成的影響，以期為大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層高電阻率水層的預(yù)測(cè)提供參考.

1 大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層的成因機(jī)理

水層的高電阻率現(xiàn)象是巖石骨架、孔隙和流體的綜合響應(yīng). 通過(guò)對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層和正常水層的多種特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，低礦化度的地層水、高含量的碳酸鹽巖礦物和低含量的黏土礦物對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層的形成具有較大的影響.

1.1 低礦化度的地層水

地層水以不同的形式賦存于地下巖石孔隙空間之中，它的形成及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與油氣的生成、運(yùn)聚及油氣藏的形成、保存和破壞有著十分密切的聯(lián)系，其組成包括原生水、同生水、成巖水、下滲大氣降水和下滲的海水等［25］. 沉積盆地地層水是盆地演化過(guò)程中水文地質(zhì)、流體-巖石相互作用、流體流動(dòng)及其混合作用等的綜合反映［26］，其成分變化與礦床的形成和油氣聚集緊密相關(guān)［27］. 水化學(xué)空間分布特征受流體動(dòng)力場(chǎng)的控制，盆地的邊緣和斷層嚴(yán)重裂隙化的部位為低鹽度地層水［28］. 影響地層水化學(xué)成分變化的主要機(jī)制包括溶解作用、蒸發(fā)濃縮作用、混合作用、陽(yáng)離子交替吸附作用、滲析作用、脫硫酸作用和水-巖相互作用等［29］. 礦化度對(duì)地層水的化學(xué)性質(zhì)起著主導(dǎo)作用，縱橫向的礦化度變化對(duì)于解決地質(zhì)問(wèn)題具有重要的意義［30］.

地層水礦化度的高低是一個(gè)相對(duì)的概念，對(duì)于不同研究區(qū)具有不同的衡量標(biāo)準(zhǔn). 為了探究地層水礦化度對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層的形成是否有影響，分別對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層和正常水層中的地層水礦化度進(jìn)行了對(duì)比分析. 由于水樣分析資料的局限性，利用自然電位曲線計(jì)算等效地層水礦化度，同時(shí)將實(shí)測(cè)地層水礦化度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的等效礦化度，以便在同一標(biāo)準(zhǔn)下分析地層水礦化度對(duì)高電阻率水層形成的影響. 在等效礦化度的基礎(chǔ)上，結(jié)合地表溫度、地溫梯度、地層深度、泥漿電阻率等參數(shù)，對(duì)地層水電阻率進(jìn)行計(jì)算，以便分析大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層和正常水層中的地層水電阻率.

根據(jù)蘇林地層水分類方法可知，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中的所有地層水均為NaHCO3型，主要陽(yáng)離子有K++Na+、Ca2+、Mg2+，其中K++Na+含量最高，Ca2+次之，Mg2+含量最低，并且三者含量相差較大；陰離子以Cl-和HCO3-為主，還有少量的SO42-和CO32-（表1）.

表1 大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中地層水的離子類型和含量Tab.1 Types and contents of ion in formation water in the Fuyu oil layer of southern Daqing Placanticline

從地層水等效礦化度與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖中可以看出（圖1），高電阻率水層中約有89.3%的地層水的等效礦化度小于4500 mg/L，正常水層中約有84.6%的地層水的等效礦化度大于4500 mg/L，即大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的高電阻率水層中絕大部分地層水的等效礦化度小于4500 mg/L，正常水層中絕大部分地層水的等效礦化度大于4500 mg/L. 另外，從圖1可以看出，深側(cè)向電阻率與地層水等效礦化度之間整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著地層水等效礦化度的增大，深側(cè)向電阻率逐漸減小. 在等效礦化度的基礎(chǔ)上，結(jié)合地層深度、地溫梯度、泥漿電阻率和泥漿密度等參數(shù)可以計(jì)算出高電阻率水層和正常水層中地層水的電阻率，進(jìn)而可繪制出地層水電阻率與深側(cè)向電阻率的交會(huì)圖（圖2）. 從圖2 可以看出，高電阻率水層中約有78.6%的地層水的電阻率大于0.51 Ω·m，正常水層中約有76.9%的地層水的電阻率小于0.51 Ω·m，即大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的高電阻率水層中絕大部分地層水的電阻率大于0.51 Ω·m，正常水層中絕大部分地層水的電阻率小于0.51 Ω·m. 從圖2還可以看出，深側(cè)向電阻率與地層水電阻率之間整體呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著地層水電阻率的增大，深側(cè)向電阻率逐漸增大. 因?yàn)楦唠娮杪仕畬又械貙铀刃УV化度低于正常水層，所以高電阻率水層中地層水的導(dǎo)電離子含量少，進(jìn)而導(dǎo)致高電阻率水層中地層水的電阻率高于正常水層.

圖1 高電阻率水層和正常水層的地層水等效礦化度與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖Fig.1 Cross plot of formation water equivalent salinity and deep lateral resistivity of high resistivity water layer and normal water layer

圖2 高電阻率水層和正常水層的地層水電阻率與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖Fig.2 Cross plot of formation water resistivity and deep lateral resistivity of high resistivity water layer and normal water layer

1.2 高含量的碳酸鹽巖礦物

分別采用巖心觀察、鑄體薄片鑒定、物性分析、掃描電鏡等方法對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)敖106井、葡363井、葡58井等20口井中位于扶余油層處的巖心進(jìn)行分析.圖3 為敖106 井1 726.13 m 處的巖心照片和葡363 井1 927.56 m處的巖心照片. 從圖3 可以看出，敖106井1 726.13 m處的巖心上有多組水平分布的碳酸鹽巖條帶和一條縱向展布的碳酸鹽巖脈充填于裂縫之中；葡363 井1 927.56 m處的巖心上則有兩組明顯的碳酸鹽巖團(tuán)塊. 通過(guò)分析可知，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層儲(chǔ)層以灰色、淺灰色粉砂巖為主，其中均含有不同含量的碳酸鹽巖礦物，且多以碳酸鹽巖條帶、結(jié)核或團(tuán)塊的形式賦存.圖4為敖106井1 740.6 m處的巖心鑄體薄片鏡下照片，結(jié)合其他19口井中位于扶余油層處的巖心鑄體薄片鏡下照片可知，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中的碎屑顆粒間含有大量的碳酸鹽膠結(jié)物. 碳酸鹽巖屬于高阻巖性，故儲(chǔ)層中含有碳酸鹽巖時(shí)可使其電阻率值明顯升高. 圖5為敖106井1 737.9 m處的巖心掃描電鏡照片，可以看出該巖心中含有鐵白云石.

圖3 敖106井1 726.13 m處的巖心照片和葡363井1 927.56 m處的巖心照片F(xiàn)ig.3 Photos of core at 1 726.13 m in Well Ao 106 and core at 1 927.56 m in Well Pu 363

圖4 敖106井1 740.6 m處的巖心鑄體薄片鏡下照片F(xiàn)ig.4 Microscopic photograph of core casting thin slice at 1 740.6 m in Well Ao 106

圖5 敖106井1 737.9 m處的巖心掃描電鏡照片F(xiàn)ig.5 SEM photograph of core at 1 737.9 m in Well Ao 106

已有研究表明，不同礦物的電阻率不同，黏土的電阻率一般在1～10 Ω·m 之間，砂巖的電阻率一般在10～1000 Ω·m 之間，碳酸鹽巖的電阻率一般在1000～100 000 Ω·m之間，也就是說(shuō)，碳酸鹽巖的電阻率最高，砂巖次之，黏土最低. 因此，當(dāng)儲(chǔ)層中含有碳酸鹽巖礦物時(shí)，其電阻率會(huì)明顯升高. 為了探究碳酸鹽巖礦物對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層的形成是否有影響，分別對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的高電阻率水層和正常水層中的碳酸鹽巖礦物含量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖6所示. 從圖6可以看出，高電阻率水層中77.4%的碳酸鹽巖礦物的體積分?jǐn)?shù)大于9%，而正常水層中90.9%的碳酸鹽巖礦物的體積分?jǐn)?shù)小于9%，說(shuō)明高電阻率水層中的碳酸鹽巖礦物含量整體要高于正常水層，所以碳酸鹽巖礦物含量高是大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層形成的一個(gè)重要因素. 另外，從整體上來(lái)看，碳酸鹽礦物含量與深側(cè)向電阻率呈正相關(guān)關(guān)系（圖6），即隨著碳酸鹽巖礦物含量的增加，深側(cè)向電阻率逐漸增大.

圖6 高電阻率水層和正常水層的碳酸鹽巖礦物體積分?jǐn)?shù)與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖Fig.6 Cross plot of carbonate mineral volume fraction and deep lateral resistivity in high resistivity water layer and normal water layer

1.3 低含量的黏土礦物

體積一定的情況下，巖石中含有的低電阻率黏土礦物越少，就意味著其中含有的電阻率相對(duì)較高的砂巖和碳酸鹽巖越多，則巖石的電阻率越高. 分別對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中的巖石進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果表明，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中的伊利石含量最多，綠泥石次之，高嶺石和伊蒙混層礦物的含量相對(duì)較少，且未發(fā)現(xiàn)蒙脫石. 其中，伊利石呈葉片狀貼附于巖石顆粒表面或充填于巖石顆粒間孔隙內(nèi)，綠泥石以薄膜狀附著于巖石顆粒之上.

為探究黏土礦物對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層的形成是否有影響，分別對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的高電阻率水層和正常水層中的黏土礦物含量進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示. 從圖7可以看出，高電阻率水層中黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)均小于11%，正常水層中72%的黏土礦物的體積分?jǐn)?shù)大于11%，即高電阻率水層的黏土礦物含量整體要低于正常水層. 從圖7 還可以看出，黏土礦物含量與深側(cè)向電阻率之間整體呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著黏土礦物含量的增加，深側(cè)向電阻率逐漸減小，這也體現(xiàn)了黏土礦物的附加導(dǎo)電性. 由此可知，黏土礦物含量低也是大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層形成的一個(gè)重要因素.

圖7 高電阻率水層和正常水層的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)與深側(cè)向電阻率交會(huì)圖Fig.7 Cross plot of clay mineral volume fraction and deep lateral resistivity in high resistivity water layer and normal water layer

2 儲(chǔ)層致密化對(duì)高電阻率水層的影響

2.1 儲(chǔ)層致密化

通過(guò)對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部地區(qū)敖106 井、茂401 井等20 口井扶余油層處的巖心進(jìn)行物性測(cè)試可知：北部葡南地區(qū)巖心樣品的孔隙度為7%～16%，平均孔隙度為12.3%，滲透率為0.1～5.0 mD，平均滲透率為1.61 mD；南部敖包塔地區(qū)巖心樣品的孔隙度為6%～12%，平均孔隙度為8.9%，滲透率為0.1～5.0 mD，平均滲透率為1.69 mD. 以上結(jié)果表明，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層整體為致密儲(chǔ)層.

通過(guò)對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層處的巖心樣品進(jìn)行鑄體薄片觀察和掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的成巖作用強(qiáng)烈，且對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層儲(chǔ)層致密化具有顯著影響的成巖作用有壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用等. 壓實(shí)作用主要為機(jī)械壓實(shí)，即塑性顆粒發(fā)生明顯形變，局部凹凸接觸. 膠結(jié)作用以碳酸鹽巖膠結(jié)和黏土礦物膠結(jié)為主. 同時(shí)還可以看到該儲(chǔ)層的巖心樣品中有少量長(zhǎng)石溶蝕現(xiàn)象，說(shuō)明該儲(chǔ)層的溶蝕作用相對(duì)較少.

2.2 儲(chǔ)層致密化對(duì)電阻率的影響

壓實(shí)作用過(guò)程中泥巖會(huì)發(fā)生脫水，從而會(huì)導(dǎo)致大量孔隙流體排出，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致孔隙流體的總礦化度降低［28］. 總礦化度表征了流體中溶解組分的總量，總礦化度越低，流體中導(dǎo)電離子的含量就越低，則流體的導(dǎo)電性越差、電阻率越高. 因此，壓實(shí)作用在影響儲(chǔ)層致密化的同時(shí)也間接影響了儲(chǔ)層的電阻率，從而會(huì)導(dǎo)致高電阻率水層的形成.

一定體積的巖石中含有的高電阻率的碳酸鹽巖越多，則其含有的相對(duì)低電阻率的砂巖、黏土礦物和地層水就越少. 通過(guò)2.1小節(jié)的分析可知，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的碳酸鹽巖膠結(jié)作用強(qiáng)烈，故整個(gè)儲(chǔ)層的電阻率相對(duì)較高，從而會(huì)導(dǎo)致高電阻率水層的形成.

孔隙結(jié)構(gòu)是除孔隙度之外另一個(gè)影響巖石導(dǎo)電性的重要因素. 由于壓實(shí)作用、膠結(jié)作用、溶蝕作用等因素的影響，大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中的巖石顆粒會(huì)發(fā)生形變，粒間孔、粒內(nèi)溶孔等孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)變復(fù)雜，且孔隙中會(huì)產(chǎn)生部分對(duì)巖石導(dǎo)電性無(wú)貢獻(xiàn)或貢獻(xiàn)微弱的“死”孔隙. 如圖8 所示，一端封閉的孔隙、對(duì)稱封閉的孔隙和孤立的孔隙中均無(wú)電流通過(guò)［31-33］. 在巖石孔隙度大小相同的情況下，此類“死”孔隙越多，則電流可通過(guò)的路徑就越少，于是巖石的導(dǎo)電能力就越差，相應(yīng)地巖石的電阻率就越高.

圖8 巖石儲(chǔ)集空間導(dǎo)電機(jī)理示意圖Fig.8 Diagram of conductivity mechanism in rock reservoir space

3 結(jié)論

1）大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中高電阻率水層和正常水層的地層水等效礦化度和地層水電阻率均存在差異，地層水等效礦化度的閾值為4500 mg/L，地層水電阻率的閾值為0.51 Ω·m，高電阻率水層中等效礦化度低、電阻率高的地層水含量相對(duì)較高.

2）大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層中發(fā)育有碳酸鹽巖礦物，其高電阻率的特征決定了其對(duì)地層水電阻率的影響，高電阻率水層中多數(shù)的碳酸鹽巖礦物的體積分?jǐn)?shù)大于9%，正常水層中多數(shù)的碳酸鹽巖礦物的體積分?jǐn)?shù)小于9%.

3）大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的高電阻率水層中含有的低電阻率的黏土礦物體積分?jǐn)?shù)均低于11%，黏土礦物的導(dǎo)電性在高電阻率水層中的作用微弱.

4）壓實(shí)作用和膠結(jié)作用對(duì)大慶長(zhǎng)垣南部扶余油層的儲(chǔ)層致密化起到了關(guān)鍵性的作用，且壓實(shí)作用過(guò)程中的泥巖脫水和膠結(jié)作用過(guò)程中的碳酸鹽巖礦物富集均有利于高電阻率水層的形成.

5）儲(chǔ)層致密化導(dǎo)致儲(chǔ)層中巖石顆粒的孔隙結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，從而改變了電流在巖石中的導(dǎo)電路徑，其中一端封閉的孔隙、對(duì)稱封閉的孔隙和孤立的孔隙對(duì)導(dǎo)電性不起任何作用.