摘 要

摘　要：柴達(dá)木盆地臺(tái)南氣田第四系下更新統(tǒng)澀北組氣層普遍具有低電阻率特征，在高礦化度地層水環(huán)境下，復(fù)雜的地質(zhì)條件使得低阻氣層與中、高阻氣層的識(shí)別難度加大。為此，利用巖心分

摘　要：柴達(dá)木盆地臺(tái)南氣田第四系下更新統(tǒng)澀北組氣層普遍具有低電阻率特征，在高礦化度地層水環(huán)境下，復(fù)雜的地質(zhì)條件使得低阻氣層與中、高阻氣層的識(shí)別難度加大。為此，利用巖心分析化驗(yàn)、錄井、測(cè)井、構(gòu)造及試氣等資料，結(jié)合低阻氣層的測(cè)井響應(yīng)特征，從地質(zhì)及_T-程因素入手，對(duì)該區(qū)低阻氣層成因機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)深入的剖析。結(jié)果表明：澀北組低阻氣層的主要地質(zhì)成因是由于水動(dòng)力條件較弱的淺湖沉積環(huán)境下發(fā)育的巖性粒度細(xì)、黏土礦物含量高以及低幅度構(gòu)造背景下的高束縛水飽和度，而地層水礦化度高、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、極強(qiáng)的非均質(zhì)性和微裂縫發(fā)育進(jìn)一步降低了氣層電阻率；鉆井液侵入與地層浸泡時(shí)間對(duì)電阻率測(cè)井造成的影響是外部工程因素。在此基礎(chǔ)上所建立的變孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)m和飽和度指數(shù)n的方法，能有效地提高含水飽和度的計(jì)算精度，“侵入因子”與“鏡像反映”的交會(huì)圖以及電阻率—孔隙度—含氣飽和度交會(huì)圖能夠有效地識(shí)別氣水層。該方法為氣田的有效開發(fā)提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：柴達(dá)木盆地  臺(tái)南氣田  低電阻率氣層  成因  黏土礦物  束縛水飽和度  礦化度  孔隙結(jié)構(gòu)

Genetic mechanism and logging evaluation of low-resistivity gas reservoirs in the Tainan Gas Field．eastern Qaidam Basin

Abstract：The gas layers in the Quaternary Lower Pleistocene Sebei Fm in the Tainan Gas Field，eastern Qaidam Basin，are commonly low in resistivity and are difficult to differentiate from medium and high resistivity gas layers with high salinitv formation water and complex geologic conditions．In combination with the logging responses of low-resistivity gas layers，we systematicaily studlea the genetic mechanisms of the low-resistivity gas layers by integrating various data such as core，logging，structural and gas tesring data．Geologically，the major genesis of the low-resistivity gas layers in the study area are the fine grain size and high clav content of reservoir rocks deposited in shallow lakes with relatively low energy and the high irreducible water saturation formed in a low amplitude structural settin9．In addition，the high salinity of formation water，complex pore structure，  strong heterogeneity and highly-developed microfracture further lower the resistivity of gas layers．From the engineering point of view，drilling mud invasion and soaking time have significant influences on resistivity logging．The variable pore structure index(m)and saturation index(n) proposed based on the analysis can effectively improve the calculation aceuraey of water saturation．The cross plots of“invasion index”vs．“mirror image”and resistivity vs．porosity vs．gas saturation can be effectively used to identify gas and water layers．

Keywords：Qaidam Basin，Tainan Gas Field，low resistivity gas layer，genesis，clay mineral，irreducible water saturation,salinity,pore structure

國(guó)內(nèi)外的研究成果已表明，低阻氣層的形成主要受地質(zhì)因素以及工程因素的影響，目前大多數(shù)低阻油氣田的成因都受地質(zhì)因素的影響。由于其一般地質(zhì)因素非常復(fù)雜，識(shí)別難度很大，基于此，筆者通過對(duì)柴達(dá)木盆地臺(tái)南氣田的低阻氣層成因進(jìn)行分析、總結(jié)，建立了一套有針對(duì)性的評(píng)價(jià)方法來解決低阻氣層的測(cè)井識(shí)別難題^[1-3]。

1　地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地三湖坳陷是新生代晚期形成的一個(gè)大型沉積坳陷，臺(tái)南氣田位于三湖坳陷的中部，天然氣儲(chǔ)量主體是第四系生物氣，其主力含氣層系為第四系下更新統(tǒng)澀北組Q1+2層，主力氣層埋藏淺，井深介于800～1800m，成巖作用差，儲(chǔ)層疏松，物性條件好，沉積環(huán)境主要為濱淺湖和半深湖沉積，巖性以泥質(zhì)砂巖沉積為主，砂巖粒度很細(xì)，主要為含泥粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖，細(xì)砂巖較少發(fā)育，為濱淺湖砂壩、灘砂和席狀砂沉積，厚度較薄而橫向連續(xù)性較好。

2　低阻氣層的地質(zhì)成因

2．1　構(gòu)造特征

氣藏的氣水分布現(xiàn)狀是天然氣在運(yùn)移過程當(dāng)中產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和孔隙毛細(xì)管壓力平衡的結(jié)果。低幅度氣藏的毛管壓力和含氣氣飽和度都比較低，容易形成低阻氣層。臺(tái)南構(gòu)造為一個(gè)近東西向的完整潛伏背斜，構(gòu)造形態(tài)落實(shí)，圈閉完整，無斷層發(fā)育，構(gòu)造長(zhǎng)軸平均10.7km，短軸平均4.6km，為一個(gè)短軸背斜，地層總體平緩。

臺(tái)南氣田氣藏類型為層狀邊水構(gòu)造氣藏，每個(gè)氣組有多套的氣水系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的氣水邊界，邊水體積大，氣水過渡帶寬，含氣幅度也比較低，為10～30m，同時(shí)根據(jù)密閉取心分析化驗(yàn)結(jié)果顯示，儲(chǔ)層的束縛水飽和度總體含量為20％～95％，氣層的平均束縛水飽和度比較高，為55％。因此臺(tái)南地層平緩、氣層幅度低也是造成低阻氣層的重要原因。

2．2　沉積特征

臺(tái)南氣田澀北組中上段處于坳陷湖盆擴(kuò)張階段，水體逐步變深，物源供應(yīng)相對(duì)均衡，但碎屑巖粒級(jí)相對(duì)變細(xì)，以粉砂巖為主，且砂巖厚度逐步變薄、泥巖厚度逐步變厚，從粒度概率累積曲線特征來看，概率累積曲線具典型濱淺湖沉積的特點(diǎn)，粒度概率曲線多為兩段式，以跳躍總體和懸浮總體為主，斜率中等，反映了水動(dòng)力條件較弱的沉積環(huán)境。研究區(qū)主要發(fā)育濱淺湖環(huán)境下的砂壩、灘砂和泥坪沉積，砂壩發(fā)育，受沉積相帶控制，巖性以粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，砂巖有效厚度薄、物性差，成為低阻氣層發(fā)育的有利條件。

2．3　微觀特征

微觀孔隙的大小及其分布特征決定了束縛水飽和度的高低，同時(shí)，由于親水性強(qiáng)的黏土礦物的填充進(jìn)一步改造了粒間孔隙，造成微孔隙的增加，巖石內(nèi)比面的增大，薄膜滯水增多，含水飽和度增加。臺(tái)南氣田儲(chǔ)層孔隙類以原生孔隙為主，僅有少量的次生孔隙。原生孔隙主要為原生粒間孔，其次為雜基內(nèi)微孔；次生孔隙主要為溶孔，有少量裂縫發(fā)育。通過臺(tái)5-x3及臺(tái)試x5井鑄體薄片(圖1)對(duì)孔隙類型的統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)中84.78％為粒間孔，13.04％為微裂縫；喉道類型以縮頸型喉道為主，少量微喉道，孔徑分布一般在0.1～1mm之間，面孔率在1％～15％之間。分析表明，臺(tái)試5井孔隙以粒間孔為主，孔隙半徑比較細(xì)，微孔隙比較發(fā)育，發(fā)育少量微裂縫。

 

對(duì)樣品進(jìn)行壓汞分析實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)臺(tái)南氣田儲(chǔ)層粒度中值變化范圍在0.1～1mm之間，平均為0.3mm，當(dāng)粒度中值小于1mm時(shí)，氣層電阻率降低明顯。這主要是由于巖性變細(xì)、顆粒比表面增大、孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜、微孔隙大量出現(xiàn)，導(dǎo)致儲(chǔ)層束縛水含量增加、含氣飽和度下降、氣層電阻率迅速降低^[4-6]。臺(tái)南氣田樣品孔隙度、滲透率中等，分選性較差，滲透率在9.44～309mD之間，平均為79.3mD，孔隙度在25.1％～35.0％之間，平均為28.8％，臺(tái)南氣田束縛水飽和度介于20％～95％。

2．4　黏土附加導(dǎo)電

黏土礦物中以蒙脫石、伊蒙混層礦物以及伊利石的附加導(dǎo)電作用最為顯著，當(dāng)吸附陽離子的數(shù)量(即巖石表面的陽離子交換容量)較大時(shí)，吸附陽離子的附加導(dǎo)電作用非常顯著，可以使氣層電阻率明顯降低，甚至形成低阻氣層^[7-10]。根據(jù)掃描電鏡資料(圖2)，臺(tái)南氣田儲(chǔ)層中可分別識(shí)別出蒙脫石、伊一蒙混層、伊利石、高嶺石、綠泥石以及少量綠蒙混層等自生黏土礦物，它們分布于粒表或粒間。通過統(tǒng)計(jì)臺(tái)5-x3、臺(tái)6-x8、臺(tái)試x5等3口井各層位的黏土礦物相對(duì)含最發(fā)現(xiàn)，臺(tái)6-x8蒙皂石平均含量11.9％，伊利石43％，臺(tái)試x5和臺(tái)5-x3井不含蒙皂石，但伊利石和伊／蒙混層均比較高，臺(tái)試x5井伊／蒙混層含量高達(dá)43.8％，伊／蒙混層和伊利石平均含量在54％以上，可能存在黏土附加導(dǎo)電作用。

 

Waxman和Smits根據(jù)大量泥質(zhì)砂巖樣品的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果，得出的經(jīng)驗(yàn)方程為：

Co＝(Cw+BQv)／F^*              (1)

C＝Sw^n*(Cw+BQvSwt)／F^*         (2)

式中Co、Cw、Ct分別為100％含水泥質(zhì)、砂巖和地層水的電導(dǎo)率，(W·cm)^-1；F^*為在Cw足夠高時(shí)，泥質(zhì)砂巖的地層因素；B為交換陽離子的當(dāng)量電導(dǎo)率，S·cm³／(mmol·m)；Qv為泥質(zhì)砂巖的陽離子交換容量，mmol·m；n^*為飽和度指數(shù)；Sw為含水飽和度^[11]。

圖3中虛斜線為純水砂巖在25℃實(shí)驗(yàn)條件下的關(guān)系曲線，從圖3中可以看出，在淡的平衡溶液部分(Cw在0～2.5之間)，泥質(zhì)砂巖的電導(dǎo)率(Co)將隨溶液電導(dǎo)率(Cw)的增加急劇增大，Co增加的速度遠(yuǎn)大于Cw增加的速度，當(dāng)溶液電導(dǎo)率(Cw)進(jìn)一步增加的時(shí)候，泥質(zhì)砂巖的電導(dǎo)率(Co)將隨溶液電導(dǎo)率(Cw)的增加呈線性增加，即當(dāng)溶液電導(dǎo)率(Cw)大于2.5(W·cm)^-1時(shí)，此時(shí)Co—Cw的曲線呈線性關(guān)系。根據(jù)W&S模型，在常溫(25℃)下，當(dāng)溶液礦化度超過一定濃度時(shí)，陽離子附加電導(dǎo)B值將趨于一個(gè)非常有限的極值。礦化度越高，水溶液電導(dǎo)率(Cw)就越大，附加電導(dǎo)分量(BQv)與溶液電導(dǎo)(Cw)相比對(duì)總的電導(dǎo)貢獻(xiàn)就越小。因此當(dāng)?shù)貙铀V化度很高時(shí)，黏土附加電導(dǎo)作用是完全可以忽略的。

 

2．5　地層水礦化度對(duì)儲(chǔ)層電阻率的影響

而臺(tái)南氣田地層水類型以CaCl2為主，地層水的礦化度總體比較高，對(duì)研究區(qū)氣水層的地層水礦化度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，研究區(qū)的地層水礦化度差別比較大，地層水礦化度在50000～200000mg／L之間。

根據(jù)臺(tái)南氣田平均礦化度為170000mg／L，利用經(jīng)驗(yàn)公式：

Rw＝1／Cw≈0.0123+367.54／pw^0.995           (3)

式中Rw為25℃時(shí)的地層水電阻率，W·cm；Cw為25℃時(shí)的地層水電導(dǎo)率，(W·cm)^-1；pw為25℃時(shí)的地層水礦化度，mg／L。

由式(3)得到25℃時(shí)的Cw為69.8(W·cm)^-1，遠(yuǎn)大于2.5(W·cm)^-1的界限，再次證明臺(tái)南氣田的黏土附加導(dǎo)電作用是可以忽略的。同時(shí)也說明，該地區(qū)地層水礦化度較高，是造成電阻率絕對(duì)值低的主要原因之一。

3　鉆井液侵入低阻成因

臺(tái)南氣田具有中、高孔滲，并發(fā)育微裂縫，由于使用淡水鉆井液鉆井且長(zhǎng)時(shí)間浸泡，導(dǎo)致鉆井液濾液侵入到地層深部，使得氣層的電阻率測(cè)井測(cè)量得到的氣層視電阻率值低于氣層的真電阻率值。同時(shí)，由于淡水鉆井液對(duì)高礦化度水層的長(zhǎng)時(shí)間浸泡，在離子擴(kuò)散作用下，水層的礦化度下降，造成水層的電阻率上升。在這種情況下，就出現(xiàn)了氣層低侵、水層高侵的現(xiàn)象，即氣層的視電阻率下降、水層的視電阻率上升，最終形成與水層電阻率差別不大的低阻氣層^[9]。

4　低阻氣層識(shí)別方法

天然氣傳播速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于油和水，因此聲波時(shí)差在存在天然氣的地層中急劇增大，會(huì)產(chǎn)生“周波跳躍”現(xiàn)象，天然氣含氫指數(shù)很低，中子測(cè)井會(huì)產(chǎn)生一種“挖掘”效應(yīng)，儲(chǔ)層含氣時(shí)會(huì)引起補(bǔ)償中子的視孔隙jN值降低。因此，巖性較純的氣層段，當(dāng)把中子測(cè)井孔隙度和聲波測(cè)井孔度在水層段重疊時(shí)，在氣層段兩孔隙段將會(huì)有明顯的差值，即呈現(xiàn)明顯的“鏡像反映”特征^[11-13]。

在鉆井液侵入規(guī)律認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，建立基于鉆井液侵入原理的氣水識(shí)別方法，對(duì)研究區(qū)2口取心井(臺(tái)5-x3、臺(tái)6-x8)的830對(duì)數(shù)據(jù)回歸分析表明，孔隙度與聲波時(shí)差和補(bǔ)償中子的有良好的線性關(guān)系。因此視聲波孔隙度(jac)及補(bǔ)償中子的視孔隙(jN)，可以通過分別擬合孔隙度與聲波時(shí)差和補(bǔ)償中子來求取，并擬合以下公式：

jac＝0.0589Dt+7.6599　　　　    (4)

jn＝0.4573CNL+14.632            (5)

結(jié)合基于淡水鉆井液侵入特征分析以及聲波孔隙度和中子孔隙度的“鏡像反映”特征。通過引入“侵入因子”[(Rxo-Rt)／Rt]，其中Rxo、Rt分別為中、深感應(yīng)測(cè)井值，建立“侵入因子”與“鏡像反映”(jac-jN)的交會(huì)圖，可以有效地識(shí)別氣水層(圖4)。

 

Waxman-Smits指出阿爾奇公式是基于孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的中高孔滲儲(chǔ)層的實(shí)驗(yàn)提出的，阿爾奇公式對(duì)泥質(zhì)含量比較低時(shí)比較實(shí)用，而對(duì)于泥質(zhì)含量比較高又有一定裂縫發(fā)育的儲(chǔ)層適應(yīng)性就要差一點(diǎn)。因此在建立系統(tǒng)深入的巖電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探究不同孔隙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層的巖電參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)阿爾奇公式的孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(m)和飽和度指數(shù)(n)進(jìn)行修正，從而進(jìn)一步能提高含水飽和度(Sw)計(jì)算精度。

研究區(qū)膠結(jié)指數(shù)與孔滲綜合指數(shù)相關(guān)性較好，隨著孔滲綜合指數(shù)增大，膠結(jié)指數(shù)增大，反映隨著儲(chǔ)層的物性逐漸變好，膠結(jié)指數(shù)也逐漸接近理想砂巖。通過實(shí)際巖電資料的分析，建立了膠結(jié)指數(shù)與孔滲綜合指數(shù)之間的關(guān)系式：

m＝0.08931n(K／por)^1/2+1.6252　　　    (6)

n＝0.0038Swb+1.4106 　　　　　　　　　(7)

式中K／por為孔滲綜合指數(shù)；Swb為束縛水飽和度。

式(6)、(7)分別為孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(m)和飽和度指數(shù)(n)的計(jì)算公式，利用修正的阿爾奇公式計(jì)算Sw，并建立電阻率孔隙度  含氣飽和度交會(huì)圖，能夠較好地識(shí)別氣水層(圖5)。

 

5　應(yīng)用效果

利用變孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(m)和飽和度指數(shù)(n)的方法，能夠有效地克服由于儲(chǔ)層復(fù)雜多變而對(duì)含水飽和度解釋造成的影響，同時(shí)結(jié)合交會(huì)圖法可以很好地識(shí)別氣水層，如臺(tái)5-x5井1318.6～1320.5m井段4號(hào)層，原來計(jì)算的含水飽和度為57％，為氣層，通過采用變m和n的方法，計(jì)算的含水飽和度為66％，較常規(guī)飽和度計(jì)算模型提高了9％，解釋為水層，同時(shí)結(jié)合交會(huì)圖分析方法，認(rèn)為聲波孔隙度相對(duì)較小、補(bǔ)償中子孔隙度大，沒有產(chǎn)生明顯的“鏡像反映”，對(duì)比深一中感應(yīng)發(fā)現(xiàn)存在明顯的高侵現(xiàn)象，認(rèn)為是高阻水層，后對(duì)該井段試氣，不含氣，日產(chǎn)水3.2m³，證實(shí)是水層。

6　結(jié)論

造成臺(tái)南氣田澀北組低阻氣層的主要原因是由于水動(dòng)力條件較弱的淺湖沉積環(huán)境下發(fā)育的巖性粒度細(xì)、黏土礦物含量高以及低幅度構(gòu)造背景下的高束縛水飽和度，而地層水礦化度高、復(fù)雜的孔隙結(jié)構(gòu)、極強(qiáng)的非均質(zhì)性和微裂縫發(fā)育進(jìn)一步降低了氣層電阻率。此外，鉆井液侵入與地層浸泡時(shí)間對(duì)電阻率測(cè)井造成的影響是低阻不可忽視的一個(gè)重要外因?；谂_(tái)南氣田低阻成因分析，建立變孔隙結(jié)構(gòu)指數(shù)(m)和飽和度指數(shù)(n)的方法能有效地控制含水飽和度的計(jì)算精度。實(shí)例證明，“侵入因子”與“鏡像反映”的交會(huì)圖以及電阻率—孔隙度—含氣飽和度交會(huì)圖能夠有效地識(shí)別氣水層。

 

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本文作者：羅水亮  許輝群  劉洪  張江華  嚴(yán)煥德

作者單位：油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·長(zhǎng)江大學(xué)

  長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院

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