王培春 崔云江

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

隨著渤海海域勘探開(kāi)發(fā)程度的日益提高，古近系砂礫巖逐漸成為渤海油田增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要領(lǐng)域[1]。砂礫巖儲(chǔ)層由于受構(gòu)造背景、沉積環(huán)境和成巖作用等多因素的影響，巖石成分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，非均質(zhì)性強(qiáng)，且受火山碎屑巖影響，砂礫巖蝕變作用強(qiáng)，儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)面臨較大挑戰(zhàn)。針對(duì)這一難題，學(xué)者們針對(duì)油田實(shí)際情況提出了相應(yīng)的解決辦法[2-9]，如趙永強(qiáng) 等[7]通過(guò)“四性”精細(xì)研究開(kāi)展有效儲(chǔ)層評(píng)價(jià)，劉偉 等[8]基于電成像資料開(kāi)展儲(chǔ)層有效性研究等。由于中基性火山巖暗色礦物含量多，巖石礦物組分穩(wěn)定性差，容易發(fā)生黏土蝕變作用，因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)蝕變作用的研究重點(diǎn)在火山巖，如高衍武 等[10]中拐凸起黏土化蝕變火山巖孔隙度評(píng)價(jià)方法，而針對(duì)蝕變作用對(duì)砂礫巖儲(chǔ)層有效性的影響分析研究較少。

位于萊州灣凹陷斜坡帶的墾利A油田古近系沙四段發(fā)育扇三角洲沉積，為大套富火山碎屑厚層砂礫巖，具有東、西向雙物源，近源、快速堆積，多期扇體疊置的特征。受古地貌控制，縱、橫向沉積厚度變化大，巖石結(jié)構(gòu)和成分成熟度都很低，儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)。自然伽馬、電阻率、中子孔隙度和密度等測(cè)井響應(yīng)差異性較小，地層從上到下均表現(xiàn)為砂礫巖特征，后期測(cè)試卻證實(shí)有油層、也有干層。如何根據(jù)現(xiàn)有資料準(zhǔn)確判別儲(chǔ)層有效性，為后期儲(chǔ)量計(jì)算和油田開(kāi)發(fā)奠定基礎(chǔ)，這給測(cè)井研究人員提出了極大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述難題，通過(guò)分析巖礦資料和測(cè)井響應(yīng)特征，利用中子孔隙度和密度測(cè)井值計(jì)算視黏土含量變化，構(gòu)建蝕變指數(shù)，將儲(chǔ)層蝕變黏土化程度分為未蝕變、輕度蝕變、中度蝕變和重度蝕變四類。在此基礎(chǔ)上，將蝕變指數(shù)與壁心或巖心全巖分析黏土含量建立關(guān)系，計(jì)算地層的黏土含量。將黏土含量與縱波時(shí)差聯(lián)合構(gòu)建儲(chǔ)層品質(zhì)因子，并通過(guò)蝕變指數(shù)、儲(chǔ)層品質(zhì)因子進(jìn)行儲(chǔ)層分類。該方法經(jīng)油田資料驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。

1 地質(zhì)特征

萊州灣凹陷位于渤海海域南部，郯廬斷裂帶的東支和西支分別從其東、西兩側(cè)邊緣通過(guò)，濰北凸起和萊北低凸起分別構(gòu)成萊州灣凹陷的南、北邊界[11-12]。墾利A油田位于萊州灣凹陷南部斜坡帶，整體受反向控洼斷裂和走滑斷裂控制，緊鄰萊州灣凹陷生烴中心，成藏條件優(yōu)越。鉆井揭示該構(gòu)造中生界發(fā)育白堊系義縣組和侏羅系藍(lán)旗組，古近系發(fā)育沙河街組和東營(yíng)組。其中沙四段發(fā)育扇三角洲沉積體系，物源主要為來(lái)自凸起區(qū)中生界火成巖和火山碎屑巖，巖石類型主要為富含火山碎屑的砂礫巖(圖1a)。砂礫巖顆粒呈點(diǎn)接觸，顆粒支撐，成分主要為酸性、中性噴出巖巖塊(圖1b)、凝灰?guī)r巖塊和花崗巖巖塊，少量石英、長(zhǎng)石，粒間填隙物主要見(jiàn)泥質(zhì)、灰質(zhì)以及凝灰質(zhì)。巖心及壁心常規(guī)物性分析表明：孔隙度為15.5%～22.3%，平均值17.4%，滲透率為14.3～52.1 mD，平均值為32.1 mD，具有中孔、中—低滲儲(chǔ)層特征。鉆井證實(shí)，油藏類型以層狀構(gòu)造油藏為主，原油以中質(zhì)油為主，地面密度0.861～0.889 t/m3。該區(qū)臨近郯廬斷裂，古近紀(jì)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，受深部熱液和斷裂活動(dòng)影響，火山巖巖塊(圖1b、c)和長(zhǎng)石(圖1b、d)、黑云母(圖1e)和方解石等礦物受到不同程度的溶蝕和蝕變，自生石英、蝕變高嶺石、絲片狀伊利石和針葉狀綠泥石等較為發(fā)育(圖1f)。

(a)1 431 m，砂礫巖標(biāo)本照片；(b)1 695 m，酸性噴出巖巖塊不均一蝕變、長(zhǎng)石沿節(jié)理溶蝕、方解石膠結(jié)，正交光，×50；(c)1 482.5 m，火山巖巖屑溶蝕殘余，單偏光，×100；(d)1 537 m，鉀長(zhǎng)石沿解理溶蝕、并向高嶺石轉(zhuǎn)化，掃描電鏡，×4 000；(e)1 443 m，粒間孔和顆粒溶蝕孔發(fā)育、可見(jiàn)黑云母向綠泥石蝕變，單偏光，×50；(f)1 575 m，粒間孔隙內(nèi)充填針葉狀綠泥石和蜂窩狀綠/蒙混層，掃描電鏡，×6 000。

原巖發(fā)生蝕變作用的強(qiáng)度與范圍主要取決于原巖本身和流體的物理化學(xué)性質(zhì)，兩者物理化學(xué)性質(zhì)差異越大，蝕變作用就越強(qiáng)烈。沙四段巖性主要為富火山碎屑砂礫巖，且離物源較近，保留了母巖的基本特征。取心、鑄體薄片和掃描電鏡等資料表明，沙四段砂礫巖儲(chǔ)層富含F(xiàn)e2+、Ca2+和Mg2+，易發(fā)生綠泥石化等作用。輕度的蝕變作用，可以改善儲(chǔ)層的儲(chǔ)集性能[13]；當(dāng)蝕變較重時(shí)，顆粒間的孔隙被自生礦物充填，儲(chǔ)集空間大大降低。因此，如何確定富火山碎屑砂礫巖蝕變程度對(duì)儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)有著重要意義。

2 黏土化蝕變作用測(cè)井響應(yīng)特征及定量分析

2.1 測(cè)井響應(yīng)特征分析

測(cè)井信息可以反映地層原貌特征，是巖石礦物組分、孔隙結(jié)構(gòu)特征、滲流特征及流體性質(zhì)的綜合反映。當(dāng)?shù)貙拥V物組分、流體性質(zhì)相近時(shí)，儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征相近，而巖石礦物發(fā)生蝕變時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)井響應(yīng)特征出現(xiàn)相應(yīng)的變化[14]。

自然伽馬能譜測(cè)井可以表征巖石含有不同的放射性元素。萊州灣凹陷南部斜坡帶砂礫巖為近物源沉積，保留了火山碎屑及火成巖的放射性特征，母巖為酸性和中性噴出巖，鉀元素含量高，放射性強(qiáng)，自然伽馬值高。蝕變程度的差異，導(dǎo)致黏土含量的變化，而黏土對(duì)鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)等元素具有較強(qiáng)的吸附能力。KL-A井1 462 m處壁心分析黏土含量(Vclay1)達(dá)到44%，1 437 m和1 456 m壁心分析黏土含量約10%，兩者黏土含量差異較大、蝕變程度差異明顯，但測(cè)量的鈾、釷、鉀含量沒(méi)有明顯變化(圖2)。自然伽馬、釷含量與壁心分析黏土含量相關(guān)性較差(圖3a、b)。當(dāng)巖石骨架發(fā)生變化時(shí)，密度測(cè)井可以反映不同巖性的變化，富火山碎屑砂礫巖儲(chǔ)層由于受火山碎屑成分的變化，密度曲線響應(yīng)呈現(xiàn)一定的“毛刺狀”特征，但是在蝕變程度較高的1 462 m等深度段密度測(cè)井沒(méi)有明顯響應(yīng)(圖2)，密度測(cè)井與壁心分析黏土含量相關(guān)性也較差(圖3c)。

圖2 墾利A油田KL-A井沙四段富火山碎屑砂礫巖測(cè)井響應(yīng)特征

基于自然伽馬能譜測(cè)井和密度測(cè)井結(jié)果，研究區(qū)砂礫巖儲(chǔ)層地層沉積環(huán)境較為穩(wěn)定，與外界沒(méi)有發(fā)生物質(zhì)的交換或變化，巖石的蝕變作用主要是地層內(nèi)部的自生、次生轉(zhuǎn)換。由于中子孔隙度測(cè)井通過(guò)計(jì)量快中子源在地層中造成的熱中子計(jì)數(shù)率映地層的含氫量，其測(cè)量值是巖石骨架含氫量和巖石孔隙中含氫量之和。富火山碎屑砂礫巖蝕變作用，引起火山碎屑物質(zhì)向綠泥石、伊蒙混層轉(zhuǎn)化，這些礦物中含有大量結(jié)合水。火山碎屑物質(zhì)的蝕變作用越強(qiáng)，黏土含量越高，束縛水含量越高，中子孔隙度測(cè)井值越高(圖2)。另外，測(cè)井中子值與壁心分析黏土含量二者存在較好的相關(guān)性(圖3d)。

圖3 墾利A油田沙四段富火山碎屑砂礫巖測(cè)井曲線與壁心分析黏土含量關(guān)系

2.2 黏土化蝕變作用定量評(píng)價(jià)

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)地層發(fā)生黏土蝕變作用的研究主要集中在火山巖或者凝灰?guī)r地層中，對(duì)砂礫巖蝕變黏土的研究較少[15-17]。根據(jù)上述分析，當(dāng)砂礫巖儲(chǔ)層中火山碎屑發(fā)生蝕變作用時(shí)，中子孔隙度具有明顯增高趨勢(shì)，而密度則變化較小，因此，通過(guò)中子孔隙度、密度測(cè)井值計(jì)算黏土含量變化來(lái)反映地層的蝕變程度。

利用密度測(cè)井相對(duì)值計(jì)算視基質(zhì)黏土含量方法為

(1)

式(1)中：ρ為地層實(shí)際測(cè)量密度，g/cm3；ρmin為密度最小值,g/cm3；ρmax為密度最大值，g/cm3；Vclay2為利用密度曲線計(jì)算的基質(zhì)黏土含量，小數(shù)。

基于薄片、全巖分析研究，結(jié)果表明當(dāng)黏土含量超過(guò)20%時(shí)，通過(guò)鑄體薄片明顯可見(jiàn)火山碎屑蝕變黏土化作用，因此，選取黏土含量低于20%的壁心全巖分析數(shù)據(jù)，確定ρmin為1.48 g/cm3，ρmax為2.50 g/cm3，通過(guò)式(1)可計(jì)算地層未發(fā)生蝕變作用時(shí)的基質(zhì)黏土含量。

利用中子孔隙度測(cè)井相對(duì)值計(jì)算視黏土含量方法為

(2)

式(2)中：φ為地層實(shí)際測(cè)量中子孔隙度，小數(shù)；φmax為中子孔隙度最大值，小數(shù)；φmin為中子孔隙度最小值，小數(shù)；Vclay3為利用中子曲線計(jì)算的視黏土總含量，小數(shù)。

基于薄片、全巖分析研究，并結(jié)合常規(guī)測(cè)井曲線，通過(guò)選取未蝕變位置確定φmin為0.15；鑒于不同層段位置蝕變程度差異，難以選取φmax值，可以利用式(2)反推計(jì)算得出φmax為0.56，基于式(2)可計(jì)算地層視黏土總含量。

利用視黏土總含量和黏土基質(zhì)含量來(lái)定義砂礫巖儲(chǔ)層蝕變黏土化程度，并進(jìn)行等級(jí)劃分。將sh=Vclay3-Vclay2定義為蝕變指數(shù)，sh越大，代表地層蝕變黏土化程度越強(qiáng)；反之，則越弱(圖4)。將sh≤0時(shí)，定義為未發(fā)生蝕變；00.2時(shí)，定義為重度蝕變。通過(guò)鑄體薄片、掃描電鏡、物性分析等資料，當(dāng)黏土含量超過(guò)20%時(shí)，儲(chǔ)層滲透性明顯變差，對(duì)應(yīng)蝕變指數(shù)sh>0.1，即為中度蝕變儲(chǔ)層有效性較差。

將蝕變指數(shù)與壁心或巖心全巖分析黏土含量建立聯(lián)立關(guān)系，可以準(zhǔn)確計(jì)算地層的黏土含量，其公式為

圖4 墾利A油田沙四段地層黏土含量與蝕變指數(shù)關(guān)系

Vclay=114.16sh+9.312 8

(3)

式(3)中：Vclay為地層黏土含量，%。

通過(guò)圖4可以看出，基于蝕變指數(shù)求取地層的黏土含量其較利用中子孔隙度曲線直接計(jì)算地層的黏土含量值，其相關(guān)性有了明顯提高，雙相關(guān)系數(shù)由原來(lái)的0.76(圖3d)提高到0.84。

3 儲(chǔ)層有效性分析及應(yīng)用實(shí)例

3.1 儲(chǔ)層有效性分析

富火山碎屑砂礫巖儲(chǔ)層蝕變黏土化較弱時(shí)，電阻率值的變化受礫石含量、油氣響應(yīng)雙重因素影響，因此，電阻率曲線難以反映儲(chǔ)層品質(zhì)變化；而縱波時(shí)差曲線主要受物性影響，礫石含量高、縱波時(shí)差低，礫石含量低、物性變好、縱波時(shí)差高，因此，可以利用地層黏土含量與縱波時(shí)差聯(lián)合進(jìn)行儲(chǔ)層有效性判別。

基于地層黏土含量與縱波時(shí)差曲線構(gòu)建儲(chǔ)層品質(zhì)因子

(4)

式(4)中：PI為儲(chǔ)層品質(zhì)因子，無(wú)量綱；DT為縱波時(shí)差曲線，μs/ft；DTmin為經(jīng)巖心、壁心刻度后對(duì)應(yīng)致密層的縱波時(shí)差最小值，μs/ft；DTmax為經(jīng)巖心、壁心刻度后儲(chǔ)層的縱波時(shí)差最大值，μs/ft；Vclaymin為地層黏土含量最小值，%；Vclaymax為地層黏土含量最大值，%。

通過(guò)巖心、壁心鑄體薄片、掃描電鏡、物性分析等資料研究表明，當(dāng)?shù)貙羽ね梁吭黾?，蝕變程度等級(jí)超過(guò)中級(jí)時(shí)，即使儲(chǔ)層存在較好的儲(chǔ)集空間，巖心分析的滲透率也普遍偏差，儲(chǔ)層有效性較差；當(dāng)?shù)貙羽ね梁枯^少，儲(chǔ)層蝕變程度等級(jí)以未發(fā)生蝕變、輕度蝕變?yōu)橹鲿r(shí)，儲(chǔ)層品質(zhì)因子PI越高，代表地層有效性越好。利用研究區(qū)內(nèi)的地層測(cè)試、取樣數(shù)據(jù)以及結(jié)合核磁共振測(cè)井、電成像測(cè)井、常規(guī)測(cè)井等資料，基于儲(chǔ)層品質(zhì)因子和蝕變指數(shù)，將儲(chǔ)層類型分為三類儲(chǔ)層(圖5)，即當(dāng)PI≥0.2且sh≤0.00時(shí)，為I類儲(chǔ)層；當(dāng)PI<0.1或sh>0.10時(shí)，為III類儲(chǔ)層；介于I類、III類儲(chǔ)層之間的為II類儲(chǔ)層。III類儲(chǔ)層經(jīng)測(cè)試或取樣證實(shí)為干層或致密層，為無(wú)效儲(chǔ)層；I類儲(chǔ)層和II類儲(chǔ)層均為有效儲(chǔ)層，當(dāng)儲(chǔ)層蝕變作用較弱，儲(chǔ)層品質(zhì)高時(shí)定義為I類儲(chǔ)層，I類儲(chǔ)層和II類儲(chǔ)層的界限可能隨著認(rèn)識(shí)的不同存在相應(yīng)的變化。

圖5 墾利A油田沙四段砂礫巖儲(chǔ)層分類結(jié)果

3.2 應(yīng)用實(shí)例分析

利用上述研究成果，在萊州灣凹陷斜坡帶的墾利A油田古近系沙四段進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)確識(shí)別出有效儲(chǔ)層，指導(dǎo)了地層測(cè)壓、取樣及地層測(cè)試工作，為儲(chǔ)量研究奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。圖6為墾利油田A井儲(chǔ)層分類結(jié)果，圖中Vclay為利用式(3)計(jì)算的黏土含量，Vclay3為利用式(2)計(jì)算的視黏土總含量，Vclay1為壁心全巖分析的黏土含量，sh為蝕變指數(shù)，PI為儲(chǔ)層品質(zhì)因子。通過(guò)巖心、壁心、電成像測(cè)井及常規(guī)測(cè)井等資料，A井儲(chǔ)層孔隙度介于10.0%～25.0%，滲透率2.5～94.7 mD，為中低孔中低滲儲(chǔ)層；巖屑錄井巖性以砂礫巖為主，熒光直照暗黃色，含油面積5%～40%，D-C級(jí)，壁心描述含油性以油斑為主；根據(jù)電成像測(cè)井資料，全井未見(jiàn)裂縫存在，儲(chǔ)層類型以孔隙型儲(chǔ)層為主。

圖6 墾利A油田KL-A井儲(chǔ)層分類

從圖6可以看出，利用式(2)和式(3)計(jì)算的黏土含量結(jié)果，在黏土含量大于20%時(shí)，二者相近；當(dāng)黏土含量較低時(shí)，尤其是在儲(chǔ)層物性較好的層段，例如1 435.0～1 445.0 m，二者相差較大，其原因主要是在蝕變程度較低、物性較好時(shí)，中子孔隙度值會(huì)明顯增大，其計(jì)算的黏土含量較實(shí)際結(jié)果有一定誤差，利用公式(3)計(jì)算的結(jié)果和壁心全巖分析的黏土含量更加吻合。另外，在該井1 429.0～1 432.2 m、1 436.6～1 447.0 m段，其識(shí)別蝕變指數(shù)介于-0.076～0.043，儲(chǔ)層品質(zhì)因子介于0.041～0.416，應(yīng)用該分類方法，識(shí)別I類儲(chǔ)層9.4 m、II類儲(chǔ)層2.9 m，儲(chǔ)層有效性好，測(cè)試日產(chǎn)油達(dá)到49.66 m3，證實(shí)儲(chǔ)層品質(zhì)高；而1 532.4～1 535.5 m、1 537.7～1 540.5 m、1 543.3～1 545.2 m、1 546.3～1 548.1 m、1 550.0～1 564.0 m常規(guī)測(cè)井響應(yīng)雖然與1 429.0～1 432.2 m、14 236.6～1 447.0 m相似，但蝕變指數(shù)介于-0.044～0.086，儲(chǔ)層品質(zhì)因子介于-0.024～0.251，應(yīng)用該分類方法，識(shí)別I類儲(chǔ)層1.8 m、III類儲(chǔ)層21.4 m，儲(chǔ)層有效性整體較差，后在該層段嘗試測(cè)試并經(jīng)酸化作業(yè)，累計(jì)產(chǎn)油0.47 m3，未獲得工業(yè)油流，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法進(jìn)行儲(chǔ)層劃分的可靠性。

4 結(jié)論

1) 墾利A油田富火山碎屑砂礫巖由于受母巖成分的影響，容易發(fā)生不同程度的蝕變，輕度的蝕變有利于溶蝕、次生孔隙的發(fā)育，但蝕變程度較重時(shí)，巖石黏土化嚴(yán)重，不利于有效儲(chǔ)層的形成。中子孔隙度和密度相對(duì)值法計(jì)算的黏土含量差異可以反映地層的蝕變程度，將砂礫巖儲(chǔ)層蝕變黏土化程度級(jí)別劃分為未蝕變、輕度蝕變、中度蝕變和重度蝕變四類。

2) 利用縱波時(shí)差、黏土含量構(gòu)建的儲(chǔ)層品質(zhì)因子，以及蝕變指數(shù)實(shí)現(xiàn)了墾利A油田砂礫巖體的儲(chǔ)層有效性判別。經(jīng)實(shí)際資料證實(shí)，較好地解決了墾利A油田砂礫巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)難題，也為今后類似砂礫巖及中基性火山巖儲(chǔ)層有效性評(píng)價(jià)提供了可借鑒的方法。