馬遵敬，劉彥成，李 輝，曹鵬飛

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452；2.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 3.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司 研發(fā)中心，北京 100037)

引 言

低阻氣層和水層的測井響應(yīng)特征極其相似，僅僅通過測井手段難以識別，關(guān)于氣層低阻成因機理的分析和研究可追溯至20世紀(jì)80年代，但主要聚焦于粒度較細、泥質(zhì)含量相對較高的低阻(油)氣層[1-2]，且獲得了統(tǒng)一認識，普遍認為巖石粒度較細、泥質(zhì)含量相對較高、復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)等導(dǎo)致的高束縛水飽和度以及顆粒表面附著的易導(dǎo)電礦物是低阻(油)氣層形成的主要原因[3-8]。

近幾年，在鄂爾多斯盆地東緣的盒4段也發(fā)現(xiàn)了低阻氣層，但是與眾不同的是，研究區(qū)盒4段的低阻氣層粒度相對較粗、泥質(zhì)含量較低。這種粗粒少泥的氣層電阻率較低且成因機理尚未明確，識別難度大，嚴(yán)重影響該區(qū)盒4段的產(chǎn)能評價和預(yù)測。筆者在巖心實驗分析、地層水礦化度分析、測井及試氣資料綜合研究的基礎(chǔ)上，橫向?qū)Ρ戎辛Ｅc粗粒低阻氣層巖石學(xué)特征、物性特征及孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異，從宏觀和微觀角度對盒4段的低阻氣層成因進行分析，以期為后期高效開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，助力該地區(qū)的天然氣增儲上產(chǎn)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地東北緣，橫跨伊陜斜坡和晉西撓褶帶[9-11]。地層自下而上發(fā)育馬家溝組、本溪組，太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組、石千峰組、劉家溝組、尚溝組、紙坊組、延長組以及新近系地層。低阻氣層主要發(fā)育層位是上石盒子組盒4段，屬于辮狀河三角洲沉積體系的三角洲前緣微相。盒4段儲層單層砂體厚度普遍超過2 m，巖石類型主要以巖屑砂巖及長石巖屑砂巖為主，粒度為中-粗。碎屑顆粒磨圓度一般為次棱角—次圓狀，點-線接觸，分選中等—好。填隙物含量較低，平均12.87%，其中以泥質(zhì)為主，體積分?jǐn)?shù)平均7.08%，占填隙物的一半以上。

1.1 巖石學(xué)特征

盒4段低阻氣層巖石類型主要以長石巖屑砂巖和巖屑砂巖為主，粒度偏大，主要以中、粗砂巖為主，占比接近80%(圖1)，細砂巖只有極少的一部分形成低阻儲層。低阻儲層砂體厚度一般相對較大，普遍在2 m以上。

圖1 盒4段低阻儲層巖石學(xué)特征

1.2 物性及孔隙結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)盒4段低阻儲層物性普遍較好(圖2)，孔隙度主要集中在8.0%～16.0%，區(qū)間占比80%；滲透率主要集中在(0.5～5.0)×10-3μm2，區(qū)間占比可達70%，低阻儲層物性整體優(yōu)于常規(guī)儲層。低阻氣層孔隙類型以殘余粒間孔和溶蝕粒間孔為主，偶見溶蝕顆?？缀湍z結(jié)物溶孔(圖3(a))。低阻氣層的孔隙結(jié)構(gòu)普遍較好，整體具有排驅(qū)壓力低、孔喉半徑大的優(yōu)質(zhì)儲層孔隙結(jié)構(gòu)特點。

圖2 盒4段低阻氣層孔隙度與滲透率分布直方圖

圖3 鄂爾多斯盆地東緣盒4段儲層微觀特征

排驅(qū)壓力范圍在(0.01～2.01)MPa，平均0.55 MPa。最大孔喉半徑在0.37～73.50 μm，平均8.40 μm。最大進汞飽和度34.9%～89.2%，平均68.3%；退汞效率在12.3%～49.0%，平均34.8%(圖4)。

低阻氣層的排驅(qū)壓力主要集中在1.2 MPa以下(圖4)。低阻儲層最大進汞飽和度普遍在60%以上，屬于強高進汞飽和度水平，而退汞效率一般都在20%以上，平均34.8%，也高于盒4段的退汞效率均值。盒4段低阻氣層整體具有偏粗歪度、壓汞曲線較平滑的特點，而且孔喉頻率圖上都具有明顯的“雙峰型”特征，即在孔喉結(jié)構(gòu)上主要分為大孔和小孔兩個范圍，大孔半徑在0.80～1.00 μm，小孔半徑在0.05～0.06 μm。

圖4 盒4段低阻儲層孔喉中值半徑和排驅(qū)壓力交會圖

2 宏觀成因分析

氣層的低阻現(xiàn)象通常是由多種地質(zhì)因素綜合作用所致，低阻氣層的宏觀控制因素控制著低阻氣層的形成規(guī)律和分布特點[12-15]。氣層低阻的宏觀主控因素主要是沉積成因和成巖作用。

2.1 沉積成因

鄂爾多斯盆地東緣上石盒子組為砂泥巖互層，盒4段厚200～260 m，儲層砂體以中砂巖和粗砂巖為主，屬辮狀河三角洲前緣沉積亞相(圖5)，砂體發(fā)育相帶主要為水下分流河道和水下分流河道間2種微相，二者的測井響應(yīng)特征有一定差異[10]。水下分流河道砂體氣層的電阻率較高，偶見發(fā)育低阻氣層，而水下分流河道間的氣層與水層粒度均比較細，電阻率非常接近，為低阻氣層主要發(fā)育相帶。原因在于，水下分流河道間的沉積物顆粒相對更細，泥質(zhì)含量更高，物性相對較差，導(dǎo)致氣層和水層的電阻率差別很小。由此可以說明，砂體的粒度及泥質(zhì)含量對氣層電阻率的影響很大，宏觀上的沉積相帶屬于影響因素之一。

圖5 鄂爾多斯盆地東緣盒4段綜合柱狀圖

2.2 成巖成因

盒4段低阻氣層埋深約1 600 m，進入中成巖階段A期，盒4段泥質(zhì)砂巖或泥巖處于成熟階段，有機質(zhì)分解產(chǎn)生大量有機酸，不穩(wěn)定礦物組成的碎屑顆粒被有機酸經(jīng)溶蝕，形成高嶺石微晶[11]。部分殘留在溶蝕孔內(nèi)部的高嶺石微晶將對孔隙進行分割，殘留在孔喉中的高嶺石微晶有可能阻塞喉道，使儲層微孔發(fā)育、孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，從而導(dǎo)致高束縛水飽和度的形成。

3 微觀成因

從巖石導(dǎo)電機理方面分析，氣層低阻的微觀成因分為地質(zhì)因素主導(dǎo)的內(nèi)因和工程因素主導(dǎo)的外因兩大類。內(nèi)因是指儲層特征及儲層內(nèi)流體的地質(zhì)因素，如：儲層巖性、吸水性、粒度、歪度、黏土含量、膠結(jié)類型、物性以及孔隙結(jié)構(gòu)等，細粒、高泥質(zhì)含量、微孔隙發(fā)育、骨架導(dǎo)電、地層水礦化度高、巖石強親水等均可引起氣層低阻[16-18]。外因是指在鉆井或開發(fā)過程中由于外在因素變化而引起的低阻，如：泥漿侵入、生產(chǎn)過程中的注入影響等均有可能引起對孔隙的改造作用，造成孔隙結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電礦物物理或化學(xué)性質(zhì)的改變，導(dǎo)致低阻現(xiàn)象的產(chǎn)生[19]。

3.1 顆粒粒度及孔隙結(jié)構(gòu)

碎屑顆粒的粒度對孔隙結(jié)構(gòu)特征起決定性作用。細粒砂體的粒間孔隙相對較小、比表面積大，導(dǎo)致巖石束縛水比例高，儲層的電阻率低。細粒砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜、孔隙曲度大，使砂巖的排驅(qū)壓力大、孔隙中的滯水多[20-22]，但研究區(qū)的盒4段氣層多以中-粗砂巖為主，也大量發(fā)育了低阻氣層。低阻氣層以L-B井為例，正常氣層以L-A井為例。通過測井及儲層巖心研究發(fā)現(xiàn)，L-A井盒4段氣層以淺灰色含礫粗砂巖為主，可動水比例較大，束縛水比例均低于40.0%，5/6的樣品低于30.0%；孔喉半徑分布均勻，且大于1 μm的孔喉比例超過50.0%；排驅(qū)壓力低于0.1 MPa，盒4段氣層電阻率30.0 Ω·m(圖6)。L-B井低阻氣層以灰色粗砂巖為主，可動水比例較小，束縛水比例均高于40%；孔喉半徑分布不均，主要以小孔喉為主，比例超過80.0%；排驅(qū)壓力較高，約1.0 MPa，氣層電阻率約20.0 Ω·m(圖7)。因此，由于粒度降低，孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，束縛水飽和度升高，提供了發(fā)達的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致氣層電阻率下降。

圖6 L-A井孔隙結(jié)構(gòu)與氣層測井影響關(guān)系

圖7 L-B井孔隙結(jié)構(gòu)與氣層測井影響關(guān)系

3.2 黏土礦物及金屬礦物

儲層中黏土礦物對低阻氣層的影響可分為直接影響和間接影響。直接影響主要表現(xiàn)為黏土礦物的導(dǎo)電性，即陽離子交換能力[23]。黏土礦物的陽離子交換能力是指黏土礦物在pH值為7的條件下能夠吸附交換陽離子的數(shù)量，反映黏土礦物能攜帶負電荷的能力，攜帶負電荷數(shù)量越大，導(dǎo)電能力越強[24]。不同類型黏土礦物的晶型結(jié)構(gòu)差異很大，導(dǎo)致其導(dǎo)電性也有很大區(qū)別。蒙脫石的陽離子交換量為0.78～1.45 mmol/g，綠泥石和伊利石的陽離子交換量為0.16～0.32 mmol/g，高嶺石的陽離子交換量為3.00～5.00 mmol/g[25]。間接影響主要表現(xiàn)在黏土礦物含量、類型及黏土賦存狀態(tài)，在顆粒表面形成的束縛水膜厚度及產(chǎn)狀間接影響顆粒粒度及孔隙結(jié)構(gòu)特征[26-27](圖8)。盒4段低阻氣層普遍發(fā)育綠泥石膜，綠泥石的賦存狀態(tài)對于低阻氣層的形成至關(guān)重要。綠泥石膜的賦存狀態(tài)可分為環(huán)邊型和填孔型(圖3(b)—圖3(d))。其中，前者主要是綠泥石呈櫛齒狀垂直生長在礦物顆粒表面，而后者是綠泥石膜以填隙物的形式充填于顆粒孔隙之間。低阻氣層中綠泥石礦物主要以環(huán)邊狀態(tài)包覆于顆粒表面，這樣形成一個彼此連接的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，使儲層的導(dǎo)電效率大大提高，進而使儲層的電阻率下降，導(dǎo)致低阻儲層的形成[28]。

圖8 鄂爾多斯盆地東緣盒4段砂巖綠泥石膜的生長模式

儲層中金屬礦物往往能夠電離產(chǎn)生陽離子，使儲層的導(dǎo)電性增強，電阻率降低[29]。儲層中常見金屬礦物以鐵質(zhì)礦物為主，主要包括黃鐵礦、菱鐵礦、鐵方解石、鐵白云石和磁鐵礦等，鐵質(zhì)礦物含量高會使儲層產(chǎn)生低阻現(xiàn)象。盒4段低阻儲層鐵質(zhì)礦物體積分?jǐn)?shù)均值為3%，L-C井1 425.75 m處黃鐵礦體積分?jǐn)?shù)為3%，鐵方解石體積分?jǐn)?shù)為3%。常規(guī)儲層電阻率為24 Ω·m，而同一井位的1 496.5 m樣品富含黃鐵礦，鐵方解石體積分?jǐn)?shù)4%，電阻率為11 Ω·m，屬于相對低阻儲層。因此，鐵質(zhì)礦物含量是該氣田盒4段低阻儲層的主控因素之一。

3.3 地層水礦化度

地層水礦化度對電阻率有直接影響。地層水礦化度越高，單位體積水溶液中的含鹽量越大，電阻率就越低[30]。盒4段低阻地層水礦化度分布在30～70 g/L，平均約45 g/L，屬于中低礦化度地層水(小于50 g/L)。地層水電阻率與地層水礦化度具有較明顯的負相關(guān)關(guān)系(圖9)，當(dāng)?shù)貙铀V化度大于150 g/L時，地層水電阻率特別低。

圖9 盒4段儲層電阻率與地層水礦化度交會圖

3.4 泥漿侵入

鉆井過程中，微裂縫較為發(fā)育或物性較好的儲層容易發(fā)生泥漿侵入，這樣會給儲層帶來額外的水，在地層條件下，礦物離子濃度增加，儲層的導(dǎo)電性增加，從而產(chǎn)生低阻[27，31-34]。為證實鉆井液侵入對儲層電阻率的影響，選取L-C井、L-A井盒4段共31塊砂巖樣品開展自吸水-核磁共振實驗。研究發(fā)現(xiàn)，L-C井發(fā)育微裂縫(圖10)，而L-A井無明顯的裂縫發(fā)育。L-A井由于裂縫發(fā)育較少，泥漿侵入量到達100%時，電阻率依然高達40 Ω·m，而L-C井盒4段由于裂縫普遍發(fā)育，隨著泥漿侵入量的不斷增加，電阻率明顯下降，當(dāng)泥漿侵入量大于60%時，電阻率將低于20 Ω·m(圖11)。微裂縫較為發(fā)育或物性較好的儲層泥漿侵入過深或侵入時間過長，深、淺電阻率的差異將被弱化，往往出現(xiàn)“多電阻合一”的電性特征，通過電阻率測井區(qū)分水層和氣層難度將增大。

圖10 L-C井樣品鑄體薄片(1 650.27 m，微裂縫，-25X)

圖11 L氣田盒4段電阻率與泥漿侵入量的關(guān)系

3.5 砂泥巖薄互層

在國內(nèi)外多個低阻儲層研究區(qū)塊都曾發(fā)現(xiàn)砂泥巖薄互層氣層低阻， 這主要是由于測井儀器無法對薄層的砂巖-泥巖頻繁互層進行區(qū)分，造成砂巖電阻率與泥巖電阻率疊加成一條區(qū)分度不大的曲線，呈現(xiàn)層段電阻率偏低的假象[35]。盒4段常見低阻儲層多是以厚度在2 m以上的中、粗砂巖組成的層段，依靠常規(guī)測井曲線完全可以識別，其低阻原因并非因砂泥巖薄互層所致，因此，砂泥巖薄互層不是本區(qū)盒4段的低阻主要影響因素。

4 結(jié) 論

盒4段氣層低阻的原因宏觀上主要由沉積作用和成巖作用綜合控制，微觀方面主要是由復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)引起的高束縛水飽和度、環(huán)邊型綠泥石膜及金屬礦物直接或間接增加導(dǎo)電性，此外，高礦化度地層水或泥漿侵入以及砂泥巖薄互層均屬于次要因素，可輔助降低氣層電阻率。