劉文超，張國(guó)坤，李 強(qiáng)，郭 維，柳佳期，呂世聰

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 渤海石油研究院，天津 300459)

引 言

低阻油層是指深側(cè)向電阻率接近或者低于相鄰水層的電阻率、無(wú)法用深側(cè)向電阻率測(cè)井將其與水層分開(kāi)的油層[1-2]。渤海新近系低電阻率油層可以分成2類(lèi)：一類(lèi)為絕對(duì)低電阻率油層，一類(lèi)為相對(duì)低電阻率油層[3]。環(huán)渤中西洼館陶組低阻油層深側(cè)向電阻率≤8 Ω·m，與常規(guī)砂巖段的水層差別不大，屬于絕對(duì)低電阻率油層。

相比常規(guī)油層，低阻油層識(shí)別難度較大，成因多樣。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)低阻油層形成的微觀成因有較為統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，大部分認(rèn)為巖石顆粒細(xì)、泥質(zhì)含量偏高、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致高不動(dòng)水飽和度[1-13]。另外，地層水礦化度高、油藏構(gòu)造幅度低導(dǎo)致油水分異作用差也屬于微觀成因[1,5]。而從控制因素來(lái)看，國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為低阻油層的形成受沉積背景、沉積相帶、成巖作用、成藏動(dòng)力和地層水等因素控制[14-19]。目前對(duì)渤海新近系低阻油層研究較少，前人雖然闡述了其形成的微觀成因[3]，卻未解釋其形成的控制因素。

環(huán)渤中西洼館陶組不僅發(fā)育了常規(guī)高電阻率油層，而且發(fā)育了區(qū)域穩(wěn)定分布的低阻油層段，其沉積砂體成為油氣勘探開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。目前，對(duì)常規(guī)高電阻率油層的地質(zhì)特征和油藏類(lèi)型的認(rèn)識(shí)較為明確，但對(duì)低阻油層的研究相對(duì)欠缺。本文基于鉆井、測(cè)井、取芯、分析化驗(yàn)等資料，與常規(guī)砂巖段對(duì)比，研究其微觀成因，從沉積作用、古氣候、母巖類(lèi)型和成巖作用等角度研究其形成的主控因素，以期對(duì)油田評(píng)價(jià)、資料錄取和后期開(kāi)發(fā)提供參考。

1 地質(zhì)概況

環(huán)渤中西洼位于渤海西部海域，區(qū)域包括渤中凹陷西洼、沙壘田凸起以及石臼坨凸起的南斜坡帶，斷裂系統(tǒng)發(fā)育，為復(fù)雜斷塊構(gòu)造[20-21]。以往沉積相研究認(rèn)為，該區(qū)館陶組為典型的辮狀河沉積[22-23]，然而，其地層在縱向上呈現(xiàn)出“三層式”結(jié)構(gòu)：上部和下部為大套含礫砂巖夾泥巖的巖性組合，中部則為砂泥巖互層或泥巖夾砂巖的巖性組合(圖1)。上部和下部地層發(fā)育常規(guī)高電阻率油層，中部地層則主要發(fā)育低阻油層。該套低阻油層段也同館陶組上部和下部地層一樣在區(qū)域上穩(wěn)定分布，油藏埋深1 300～1 920 m。

圖1 CFD23d井和CFD13d井館陶組測(cè)井響應(yīng)特征Fig.1 Logging response of Guantao formation of the wells CFD23d and CFD13d

該區(qū)常規(guī)油層的深側(cè)向電阻率一般在10 Ω·m以上，而低阻油層深側(cè)向電阻率一般介于2～8 Ω·m，且難以與館陶組上部和下部常規(guī)砂巖段的水層區(qū)分。取樣和測(cè)試證實(shí)，低阻油層不僅獲得了油樣，而且測(cè)試也獲得了較高的產(chǎn)能。比如CFD23d井1 822 m取樣點(diǎn)，取得油體積200 mL，深側(cè)向電阻率為2.6 Ω·m；再如CFD13d井1 720～1 742 m測(cè)試段，壓差1.4 MPa，產(chǎn)油了82 m3/d，深側(cè)向電阻率介于2.8～3 Ω·m。從常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征來(lái)看，與常規(guī)砂巖段相比，低阻油層具有較高自然伽馬(GR)、低自然電位(SP)、高沖洗帶電阻率(RSMF)和高密度(ZDEN)的測(cè)井響應(yīng)特征(圖1)。從儲(chǔ)層物性來(lái)看，低阻油層孔隙度與常規(guī)油層差別不大，但滲透率存在較大的差異。取芯資料證實(shí)，館陶組孔隙度在16.4%～34.4%，平均29.8%；館陶組低阻油層的滲透率為(6.8～4 976.2)×10-3μm2，平均1 139.3×10-3μm2，而常規(guī)油層的滲透率范圍為(15.0～5 934.3)×10-3μm2，平均3 044.1×10-3μm2。

2 低阻油層的微觀成因

低阻油層有著復(fù)雜的微觀成因。本文通過(guò)鑄體薄片、掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)資料分析，認(rèn)為該區(qū)低阻的微觀成因表現(xiàn)在以下方面：巖性細(xì)、泥質(zhì)含量高，黏土礦物的附加導(dǎo)電性，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及混合成因。

2.1 巖性

環(huán)渤中西洼館陶組低阻油層段砂巖類(lèi)型是以含泥質(zhì)中、細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖為主，巖石顆粒中巖屑體積分?jǐn)?shù)平均為33%，顆粒大小不一，成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度均較常規(guī)砂層段低(表1)。低阻油層和常規(guī)砂層段砂巖粒度概率曲線(xiàn)均為兩段式，但低阻油層段跳躍總體和懸浮總體的交截點(diǎn)約為0.1 mm，粒度較常規(guī)砂層段細(xì)。不僅如此，低阻油層段泥質(zhì)含量也比常規(guī)砂巖段高，鑄體薄片顯示低阻油層段砂巖雜基以泥質(zhì)為主， 泥質(zhì)雜基體積分?jǐn)?shù)10%～28%，而常規(guī)砂層段僅為8%～14%。沉積水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱是形成上述現(xiàn)象的主要原因。沉積相研究表明(具體見(jiàn)3.1)，館陶組中段的低阻油層段為一套洪泛沉積，沉積水動(dòng)力強(qiáng)度比館陶組上、下常規(guī)砂巖小，形成偏細(xì)的粒度和較多的泥質(zhì)，從而增加了巖石顆粒的比表面，吸附水分子的能力增強(qiáng)，束縛水增加，降低了巖石的電阻率[4-5]。

2.2 黏土礦物的附加導(dǎo)電性

黏土礦物的電荷是其具有一系列電化學(xué)性質(zhì)的基本原因[1]。沉積巖常見(jiàn)黏土礦物的類(lèi)型有高嶺石、伊利石、蒙皂石、綠泥石和伊蒙混層等，其中蒙皂石類(lèi)礦物構(gòu)造內(nèi)廣泛發(fā)育類(lèi)質(zhì)同象替代，陽(yáng)離子交換容量較大，導(dǎo)電能力強(qiáng)[6]。

表1 低阻油層段與常規(guī)砂巖段儲(chǔ)層特征對(duì)比Tab.1 Comparison of characteristics between low resistivity oil reservoir and conventional sandstone reservoir

環(huán)渤中西洼館陶組黏土礦物以伊蒙混層為主，平均體積分?jǐn)?shù)高達(dá)66%～82%，且伊蒙混層中以蒙皂石為主。從縱向上看，低阻油層段伊蒙混層中蒙皂石的體積分?jǐn)?shù)尤其高(圖2)。另外，低阻油層段伊蒙混層多呈絲片狀、搭橋狀和薄膜狀存在(圖3)，此類(lèi)現(xiàn)象大概占到70%，伊蒙混層顆粒均勻分布在砂巖骨架顆粒表面，構(gòu)成一完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，極大改善儲(chǔ)層的導(dǎo)電性而降低電阻率[10]。而常規(guī)砂巖段不僅蒙皂石的含量低，而且絲片狀、搭橋狀和薄膜狀等現(xiàn)象只占到20%左右，黏土礦物的附加導(dǎo)電作用明顯偏弱。

圖2 CFD6井館陶組伊蒙混層中蒙皂石層和伊利石層含量與深度的關(guān)系Fig.2 Relationship between content of smectite layer and illite layer in I/S mixedlayer of Guantao formation of well CFD6and depth

圖3 低阻油層段和常規(guī)油層段砂巖掃描電鏡特征Fig.3 Electron microscope characteristics of low-resistivity reservoir and conventional sandstone reservoir

平面上，對(duì)于館陶組低阻油層段，北部石臼坨凸起斜坡帶的伊蒙混層含量最高，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到82%，伊蒙混層中蒙皂石的體積分?jǐn)?shù)為70%，中部渤中凹陷區(qū)和南部沙壘田凸起區(qū)伊蒙混層體積分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，為78%，伊蒙混層中蒙皂石的體積分?jǐn)?shù)為66%，因此，北部石臼坨凸起斜坡帶因黏土礦物附加導(dǎo)電作用而引起的低阻油層成因更為明顯。

2.3 孔隙結(jié)構(gòu)

巖石顆粒的分選性和儲(chǔ)層埋藏之后的成巖作用是孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的原因[11](具體見(jiàn)3.3)。

低阻油層砂巖的毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)與常規(guī)砂巖段明顯不同。低阻油層砂巖毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)呈現(xiàn)中-細(xì)歪度特征，排驅(qū)壓力(0.37～20.3)×10-2MPa，平均孔喉半徑1.040～5.694 μm，而常規(guī)油層段砂巖毛細(xì)管壓力曲線(xiàn)則呈粗歪度特征，排驅(qū)壓力(0.2～0.9)×10-3MPa，孔喉半徑平均26.339～34.357 μm(圖4)，顯示低阻油層段具有更復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)，與低阻油層段更差的儲(chǔ)層物性形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖4 低阻油層段和常規(guī)油層段毛管壓力曲線(xiàn)Fig.4 Capillary pressure curves of low-resistivity reservoirs and conventional sandstone reservoirs

鑄體薄片顯示：低阻油層段砂巖的顆粒大小不一，分選性明顯差于常規(guī)砂巖段；低阻油層段的泥質(zhì)雜基不僅含量比常規(guī)砂巖段高，而且多以條帶狀、纖維狀、鱗片狀存在；顆粒表面可見(jiàn)石英次生加大、菱鐵礦膠結(jié)等現(xiàn)象(圖5)。掃描電鏡也同樣顯示，長(zhǎng)石溶蝕孔呈蜂窩狀。這就產(chǎn)生了大量微孔隙和微喉道，使滯留在油層微孔隙和微喉道中的水不能被油氣排出，成為不可動(dòng)水，降低了電阻率[12-13]。

圖5 低阻油層段和常規(guī)油層段砂巖鑄體薄片F(xiàn)ig.5 Casting sheet images of low-resistivity reservoirs and conventional sandstone reservoir

巖性細(xì)，泥質(zhì)含量高，黏土礦物的附加導(dǎo)電性，以及復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)等多因素作用的結(jié)果是巖石骨架相對(duì)親水[1]。潤(rùn)濕性實(shí)驗(yàn)表明，環(huán)渤中西洼南部沙壘田凸起區(qū)館陶組低阻油層砂巖骨架USBM法潤(rùn)濕指數(shù)約為0.2，潤(rùn)濕性表現(xiàn)為水濕，而常規(guī)油層段砂巖則表現(xiàn)為弱水濕和弱油濕的特征。巖石親水，水分子附著在顆粒表面，低阻油層段水分子繞顆粒表面成環(huán)狀分布，水環(huán)既不能相互接觸，又不能彼此連通，極易形成束縛水，導(dǎo)致束縛水增多，使得電阻率降低[5]。

3 低阻油層形成的主控因素

渤海新生代構(gòu)造演化具有多旋回疊加特征，經(jīng)歷了古近紀(jì)的裂陷演化期和新近紀(jì)—第四紀(jì)的裂后熱沉降演化期[22,24]。進(jìn)入到新近紀(jì)，在經(jīng)歷了東營(yíng)組末期大范圍的剝蝕以后，構(gòu)造活動(dòng)不再劇烈，地層坡度變緩，坡度2°～3°。館陶組初期盆地西半環(huán)水系較為發(fā)育，剝蝕速率高，物源供給能力充足，水動(dòng)力強(qiáng)度大，為發(fā)育辮狀河沉積提供了條件。

3.1 沉積作用對(duì)低阻油層形成的控制

沉積作用對(duì)于低阻油層的形成起著至關(guān)重要的作用，控制低阻油層的形成與分布[1,14-16]。

綜合鉆井、錄井及取芯資料，將環(huán)渤中西洼地區(qū)館陶組沉積環(huán)境大體劃分為3期。早期和晚期對(duì)應(yīng)于上、下常規(guī)砂層段，巖性組合以大套含礫中、細(xì)砂巖為主，砂地比71%～90%，單砂層厚度5～30 m，砂體疊置連片，發(fā)育程度好，沉積構(gòu)造以槽狀交錯(cuò)層理和楔狀交錯(cuò)層理含礫砂巖為主(圖6(a))，反映為辮狀河心灘沉積，水動(dòng)力強(qiáng)度大；中期對(duì)應(yīng)于低阻油層段，巖性組合為泥巖夾砂巖或不等厚互層，砂地比38%～54%，單砂層厚度2～10 m，砂層發(fā)育程度相對(duì)差，沉積構(gòu)造以正旋回為主，具有明顯的“二元結(jié)構(gòu)”特征，底部發(fā)育塊狀層理含礫細(xì)砂巖，頂部發(fā)育水平層理泥質(zhì)粉砂巖(圖6(b))，說(shuō)明該時(shí)期發(fā)生洪泛作用，加之以較弱的物源供給，發(fā)育了區(qū)域穩(wěn)定分布的邊灘和河漫灘，水動(dòng)力條件明顯變?nèi)酢?/p>

圖6 常規(guī)油層段和低阻油層段巖芯照片F(xiàn)ig.6 Core photos of low-resistivity reservoir and conventional sandstone reservoir

以上證據(jù)均表明，在館陶組中段沉積期，環(huán)渤中西洼整體水動(dòng)力強(qiáng)度偏小，沉積低能，沉積了較多細(xì)粒物質(zhì)，泥質(zhì)多，是發(fā)育區(qū)域穩(wěn)定分布低阻油層段的主要控制因素。邊灘砂巖是低阻油層的載體，巖性主要為細(xì)砂巖、含礫細(xì)砂巖，河漫灘巖性則以泥巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，巖性細(xì)，作為低阻油層的封蓋層。而館陶組上、下辮狀河心灘砂巖段沉積水動(dòng)力強(qiáng)度大，泥質(zhì)少，較少發(fā)育低阻油層。

平面上，環(huán)渤中西洼館陶組中段的低阻油層段表現(xiàn)為自南向北水動(dòng)力強(qiáng)度依次變小的趨勢(shì)。區(qū)域鉆井揭示：北部石臼坨凸起斜坡帶多為厚層含礫砂巖夾泥巖的巖性組合，含礫砂巖單層厚度平均14 m，泥巖單層厚度平均2 m；中部渤中凹陷區(qū)多為含礫砂巖與泥巖互層的巖性組合，含礫砂巖單層厚度平均6 m，泥巖單層厚度平均7 m；南部沙壘田凸起區(qū)多為厚層泥巖夾砂巖的巖性組合，砂巖單層厚度平均4 m，泥巖單層厚度平均9 m。受沉積作用的控制，中部渤中凹陷區(qū)和南部沙壘田凸起區(qū)粒度更細(xì)，泥質(zhì)更多，孔隙結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，從而降低了巖石的電阻率。

3.2 古氣候和母巖類(lèi)型對(duì)高含量蒙皂石型低阻油層形成的控制

控制黏土礦物形成和轉(zhuǎn)化的因素有很多種，最重要的是氣候條件。在寒冷干燥的氣候條件下，更易形成蒙脫石、伊蒙混層類(lèi)黏土礦物[25-27]。古氣候研究表明，館陶組古氣候經(jīng)歷了相對(duì)濕潤(rùn)-相對(duì)干冷-相對(duì)濕潤(rùn)的過(guò)程，早期和晚期古氣候相對(duì)濕潤(rùn)，中期古氣候相對(duì)干冷(圖7)。環(huán)渤中西洼北部的石臼坨凸起斜坡帶蒙脫石含量垂向演化趨勢(shì)與古氣候演化趨勢(shì)大體一致(圖2)，氣候干冷更有利于低阻油層段蒙皂石的形成。

另外，母巖類(lèi)型也是影響?zhàn)ね恋V物類(lèi)型的因素之一。其中，中酸性火山物質(zhì)在堿性介質(zhì)中很容易形成蒙脫石[25,27]。環(huán)渤中西洼北部的石臼坨凸起斜坡帶館陶組的砂巖巖屑類(lèi)型主要為火成巖巖塊(圖8)，火成巖巖塊又以酸性噴出巖為主，說(shuō)明物源區(qū)可能經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的火山噴發(fā)，產(chǎn)生了較多凝灰質(zhì)，在搬運(yùn)過(guò)程中凝灰物質(zhì)逐漸水解，為蒙脫石的形成提供了豐富的成礦母質(zhì)。

因此，館陶組中期相對(duì)干冷的古氣候和酸性噴出巖的母巖類(lèi)型使環(huán)渤中西洼北部的石臼坨斜坡帶低阻油層段具有更多蒙皂石類(lèi)黏土礦物，從而控制了高含量蒙皂石型低阻油層的形成。

3.3 成巖作用對(duì)低阻油層形成的影響

環(huán)渤中西洼館陶組低阻油藏凸起區(qū)油藏埋深1 300～1 500 m，凹陷區(qū)油藏埋深1 640～1 860 m，斜坡區(qū)油藏埋深1 800～1 920 m，整體處于早期成巖階段B期。有機(jī)質(zhì)處于未成熟—低成熟期，鏡質(zhì)體反射率0.3%～0.45%。壓實(shí)作用中等偏弱，顆粒呈游離-點(diǎn)狀接觸。膠結(jié)作用較為普遍，可見(jiàn)石英次生加大、泥質(zhì)膠結(jié)、黏土礦物膠結(jié)等現(xiàn)象。粒間充填物見(jiàn)少量米粒狀高嶺石集合體、片狀黑云母和菱鐵礦。孔隙類(lèi)型以粒間孔為主，也可見(jiàn)溶蝕粒間孔、溶蝕顆粒孔和膠結(jié)物溶孔，溶蝕作用中等偏弱。

成巖作用對(duì)環(huán)渤中西洼館陶組低阻油層的影響最大，主要體現(xiàn)在對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的控制[1,16-19]。其中：泥質(zhì)膠結(jié)使得泥質(zhì)以條帶狀、纖維狀、鱗片狀存在于粒間孔隙，為膠結(jié)作用的主要類(lèi)型；硅質(zhì)膠結(jié)使得顆粒表面產(chǎn)生石英次生加大；黏土礦物膠結(jié)使得黏土礦物以絲片狀、搭橋狀和薄膜狀存在；碳酸鹽巖膠結(jié)產(chǎn)生了少量菱鐵礦和云母顆粒等導(dǎo)電礦物充填粒間孔隙。眾多膠結(jié)物不僅吸附了大量束縛水，而且占據(jù)有效孔隙，產(chǎn)生了大量微孔隙和微喉道，使得孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，束縛水更加難以排出，導(dǎo)致束縛水飽和度更高，加之導(dǎo)電礦物的存在，更加降低了巖石電阻率，油氣充注之后形成低阻油層。

圖7 CFD2井館陶組古生物、黏土礦物與沉積相Fig.7 Palaeontology, clay minerals and sedimentary facies of Guantao Formation in well CFD2

圖8 館陶組砂巖顆粒中不同礦物類(lèi)型含量Fig.8 Volume fraction of different minerals in Guantao formation sandstone

平面上，中部渤中凹陷區(qū)和南部沙壘田凸起區(qū)低阻油層段沉積水動(dòng)力強(qiáng)度小，泥質(zhì)多，泥質(zhì)膠結(jié)作用普遍，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這是高束縛水型低阻油層的成因。黏土礦物膠結(jié)使得北部石臼坨凸起斜坡帶低阻油層段的伊蒙混層絲片狀、搭橋狀和薄膜狀所占比例高，對(duì)低阻油層的形成不可忽視。

4 結(jié) 論

(1)巖性細(xì)、泥質(zhì)多，黏土礦物的附加導(dǎo)電性、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜是環(huán)渤中西洼館陶組低阻油層的微觀成因，其中，巖性細(xì)、泥質(zhì)多是主因。

(2)在館陶組中段沉積期，環(huán)渤中西洼整體水動(dòng)力強(qiáng)度小，沉積低能，泥質(zhì)多，是穩(wěn)定分布低阻油層段的主要控制因素。

(3)館陶組中期相對(duì)干冷的古氣候和酸性噴出巖的母巖類(lèi)型使得環(huán)渤中西洼北部的石臼坨斜坡帶低阻油層段具有大量蒙皂石類(lèi)黏土礦物，從而控制了高含量蒙皂石型低阻油層的形成。

(4)中部渤中凹陷區(qū)和南部沙壘田凸起區(qū)低阻油層段沉積水動(dòng)力強(qiáng)度小，泥質(zhì)多，泥質(zhì)膠結(jié)作用普遍，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這是高束縛水型低阻油層的成因。