致密砂巖儲層電性特征分析

侯振學，陳 朕，牛全兵，宋光建，劉延斌

（1.中海油田服務股份有限公司油田技術事業部，河北廊坊 065201；2.中國石油新疆油田公司風城油田作業區，新疆克拉瑪依 834000；3.中國石油青海油田分公司勘探開發研究院，甘肅敦煌 736200；4.中國石油新疆油田公司準東采油廠，新疆阜康 831511）

0 引言

近年來，隨著各油氣田可開發的“甜點”類儲層資源量的日益減少以及開發工藝的進步，勘探開發的重點逐漸轉向原來認為的非“甜點”類儲層，即致密砂巖儲層［1］。致密砂巖儲層的電性特征與“甜點”類常規碎屑巖儲層明顯不同［2］，其復雜的礦物組分及孔隙結構導致其電性特征多樣，電阻率值從幾歐姆米到幾十歐姆米，侵入特征也呈現多樣化，給測井解釋工作帶來了極大的困擾。

對于致密砂巖儲層，尤其是低電阻率油氣層，其成因問題一直是測井解釋領域的一個挑戰與熱門課題。通過大量的文獻調研及分析，油氣層低電阻率的機理主要有以下幾方面：儲層中存在黃鐵礦等導電礦物、砂泥巖薄互層、物性好或者裂縫發育造成的鉆井液侵入、泥質含量高或黏土礦物分布等多重因素導致的高不動水（毛管水和束縛水）飽和度、復雜的孔隙結構、黏土礦物的附加導電作用等［3-5］。不同地區可能是由其中一種因素或者多重因素交織在一起造成的［6］。

以常規陣列感應測井資料為基礎，結合核磁測井資料以及巖心微觀分析資料，對致密砂巖儲層電阻率值的高低及侵入特征進行分析，找出產生不同特征的原因，以期探明研究區致密砂巖儲層的電性規律，為后期開發提供依據。

1 地質背景及儲層特征

研究區L 區塊位于鄂爾多斯盆地東北緣，上古生界為海陸過渡相沉積，儲層巖性主要為砂礫巖，但是受后期壓實、膠結等復雜成巖作用影響，儲層致密化［7-10］。經過近幾年的勘探與開發，在二疊系上石盒子組獲得了一定的產能，證明為含氣性較好的致密砂巖儲層。根據對200 余塊儲層巖心物性資料的統計，孔隙度主要為4%～10%，滲透率小于1 mD，整體上具有孔隙度與滲透率皆低的特征。組成儲層的礦物組分中骨架礦物（包含石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦、菱鐵礦）體積分數為75%，黏土礦物（包含高嶺石、綠泥石、伊利石、伊蒙混層）體積分數為25%，礦物組分非常復雜。

2 電性響應特征

鄂爾多斯盆地東北緣L 區塊復雜的礦物組分以及低孔隙度、低滲透率的儲層特征，對致密砂巖儲層的電性特征造成了很大的影響。根據測井及試氣資料，對研究區致密氣儲層的電性特征進行了統計。目前，L區塊二疊系上石盒子組共測試了23個物性顯示較好（孔隙度10%左右）的層位，其中產氣層10 層，干層13 層（測試后無氣液產出的儲層）。以30 Ω·m 為界限，其中4 個氣層為低電阻率負差異特征，4 個氣層為低電阻率無差異（或微負差異）特征，2 個氣層為中—高電阻率無差異特征；11 個干層為低電阻率無差異（或微負差異）特征，2 個干層呈中—高電阻率無差異特征（圖1）。

總體來看，氣層具有低電阻率負差異、低電阻率無差異（或微負差異）、中—高電阻率無差異的特征，干層則表現為低電阻率無差異（或微負差異）、中—高電阻率無差異特征，兩者的電性特征基本一致。根據以往的認識進行評價，測井解釋的符合率僅在50%左右。

3 電阻率值高低

對于L 區塊低電阻率氣層的成因機理，彭真等［11］通過大量研究排除了導電礦物、黏土的附加導電、砂泥巖薄互層等成因。因為研究區目前沒有進行密閉取心以及時間推移測井，不動水飽和度以及鉆井液侵入對儲層的影響無法判斷，導致低電阻率原因在高不動水飽和度與鉆井液侵入之間一直未形成統一的觀點［12-13］。以電性資料為基礎，結合核磁測井資料、巖心微觀分析資料進行分析，認為含氣性并不是電阻率高低的主要控制因素，造成氣層電阻率高的主要原因為孤立孔隙之間無法導電，而造成氣層電阻率降低的主要原因是孔喉邊緣黏土礦物吸附的束縛水與可連通孔隙的喉道內的毛管水構成導電網絡共同造成的，2 種因素缺一不可，但儲層侵入帶深度內及部分物性好儲層的電性受到鉆井液侵入的影響。

3.1 測試情況分析

儲層出水一般有可動水、不動水、凝析水以及壓裂液殘余4 個原因。一般來講，可動水及壓裂液殘余產水量較高，凝析水與不動水產水量較低，但凝析水礦化度遠低于不動水礦化度［14-15］。從研究區測試情況上看，壓裂測試直接產水的層較少，多為測試后期產水，日產液小于5 m3/d，對應的礦化度在10 000～100 000 mg/L，說明儲層產水以不動水為主。根據電測資料，出水產層對應的電阻率均小于30 Ω·m，說明電阻率受其中的不動水影響。對于致密砂巖不動水如何產出的問題，葉禮友等［16］認為產出水主要來自于氣藏開發過程中隨著儲層壓力逐步下降，壓降傳導到孔隙內的氣體，氣體迅速膨脹，對孔隙表面束縛水進行擠壓，并對毛管水進行推動，從而運移成為可動水。

3.2 陣列感應特征分析

研究區所用泥漿主要為淡水，礦化度低。對于低飽和度氣層，在侵入范圍內淡水驅替氣并與高礦化度的地層不動水發生離子交換，經實驗模擬，會導致侵入帶電阻率升高［17］。從氣層陣列感應電阻率特征上看，大多數存在侵入特征的低電阻率層的6 條陣列感應電阻率（M2R1，M2R2，M2R3，M2R6，M2R9，M2RX）均呈“兩段式”特征，即M2R1，M2R2，M2R3 均呈現明顯的線性關系，下降趨勢明顯，斜率較大，而M2R6，M2R9，M2RX 均呈明顯的線性關系，但變化不大，斜率較小［圖2（a）］。這說明電阻率在152.4 cm 探測深度內，由于侵入的影響，變化較大，在152.4 cm 探測深度之外由于侵入微弱，電阻率變化較小。根據M2R1，M2R2，M2R3 可以回歸一條線性方程，M2R6，M2R9，M2RX 可以回歸一條線性方程，2 條線性方程的交點即侵入深度，M2RX 代表原狀地層電阻率，M2RX 較低的原因與侵入無關，受不動水導電的影響。個別物性較好的儲層，其6 條陣列感應呈“一段式”，從淺到深下降趨勢明顯［圖2（b）］，離井眼越近電阻率越高，說明電阻率探測范圍內整體受到侵入影響，且泥漿侵入導致電阻率升高，這樣的儲層真實的電阻率比深感應數值要小，但這種特征的儲層較少。

圖2 L 區塊致密砂巖儲層陣列感應特征Fig.2 Array induction characteristics of tight sandstone reservoir in L block

3.3 核磁測井資料分析

L 區塊L4 井上石盒子組物性相似的同一套砂體內，出現了低電阻率與高電阻率2 種情況，且該套儲層的測井資料、巖心分析資料較為完整，為研究低電阻率成因提供了豐富的證據。根據核磁測井資料，高電阻率處（圖3 中綠色箭頭所示）對應的核磁T2譜上束縛水及毛管水信號微弱，以可動孔隙為主，而低電阻率處（圖3 中藍色箭頭所示）對應的核磁T2譜上束縛水及毛管水信號較強，從而也可以證明不動水是導致電阻率下降的主要原因。緊鄰該套儲層的1 560～1 575 m 井段砂體物性也較好，對應核磁顯示幾乎全部為不動水，對應的電阻率卻較高（圖3 中紅色箭頭所示），可見不動水并不是造成電阻率降低的唯一原因。

圖3 L 區塊L4 井電性與核磁測井響應特征Fig.3 Electricity and NMR logging response characteristics of well L4 in L block

3.4 微觀資料分析

從掃描電鏡資料上發現致密砂巖儲層的粒間孔隙和喉道表面均發育有大量的綠泥石、伊利石以及高嶺石等黏土礦物［圖4（a）—（c）］，黏土礦物表面積大，可大量吸附束縛水，束縛水導電導致電阻率降低，但是實際上，電阻率測井僅反映連通的且由導電水占據的孔隙空間［18］，儲層中存在著大量不參與導電的孤立孔隙以及不導電區，富含毛管水的喉道是導致電阻率降低的另一關鍵因素（圖5）。

L4 井低電阻率處對應的薄片顯示，孔隙發育，孔隙結構較好，孔隙邊緣的束縛水及喉道的毛管水相互溝通導電造成電阻率降低［圖4（d）］，而高電阻率處雖然有一定的大孔隙發育，但孔隙之間缺少可連通的喉道，電阻率沒有明顯下降［圖4（e）］，同理1 560～1 575 m 井段儲層內孔隙之間的溝通性更差，電阻率較高［圖4（f）］。

以上研究表明，致密砂巖氣儲層孔隙之間連通性越好，儲層電阻率反而降低，而孤立孔隙發育儲層電阻率則升高。因此，在實際測井解釋中，僅根據電阻率值的降低將其判斷為水層，很容易錯失優質氣層，而根據電阻率值較高就判斷其為氣層，則可能出現壓裂后為干層的情況。

圖4 致密砂巖儲層微觀特征（a）孔隙邊緣發育玫瑰花狀綠泥石，1 552.51 m，L4 井；（b）孔隙邊緣發育毛發狀伊利石，1 552.51 m，L4 井；（c）孔隙邊緣發育書頁狀高嶺石，1 552.51 m，L4 井；（d）粒間孔隙發育，喉道發育，1 552.51 m，L4 井；（e）粒間孔隙發育，喉道不發育，1 550.50 m，L4 井；（f）孤立粒間孔隙，喉道不發育，1 569.5 m，L4 井Fig.4 Microscopic characteristics of tight sandstone reservoir

圖5 導電模型圖中黃色為氣，藍色為水，紅色箭頭為電流Fig.5 Conductive model

4 陣列感應差異

在鉆井過程中，由于鉆井液柱的壓力大于孔隙流體的壓力，在壓力差作用下鉆井液侵入到滲透性地層中，從而使井筒附近儲層內的流體性質及分布發生變化，致使井筒附近儲層徑向電阻率分布不均勻，反映在陣列感應曲線上就出現不同幅度的差異［19］。對于影響電阻率差異大小的原因，一般認為主要與侵入時間、物性、含氣性有關［20］。將電阻率差異定量化，將M2R2 與M2RX 的比值定義為電阻率差異系數（DR），表征電阻率差異的大小，結合電阻率值高低建立交會圖（圖6），可以看出測試為干層（藍色點）的陣列感應曲線DR 小于1.4，而40%的產氣層（紅色點）DR 大于1.4，說明儲層含氣性是造成電阻率差異的主要原因之一，但是仍有60%的產氣層存在無差異的情況，分析認為喉道的發育情況是造成電阻率差異的另一個主要原因。結合上述電阻率值的高低，侵入帶特征主要有以下3 種情況。

圖6 陣列感應深感應電阻率與差異系數交會圖Fig.6 Crossplot of deep induction resistivity and array induction difference coefficient

4.1 低電阻率負差異

該類儲層主要表現為電阻率較低，一般小于30 Ω·m，M2R1 等6 條陣列感應曲線的差異性較明顯，儲層經壓裂后產氣量較高，部分儲層具有自然產能（圖7）；從鑄體薄片上看，該類儲層粒間孔隙多呈連通狀態，且以點狀喉道相連，由于氣層具有明顯的可壓性，且點狀喉道毛管阻力小，鉆井液易于侵入，導致井筒附近電阻率徑向上分布不均勻，出現明顯差異，造成陣列感應呈現低電阻率負差異特征。

圖7 致密砂巖儲層電性特征分析Fig.7 Electrical characteristic analysis of tight sandstone reservoir

4.2 低電阻率無差異

該類儲層主要表現為電阻率較低，一般小于30 Ω·m，6 條陣列感應電阻率曲線無明顯差異，一般不具有自然產能，但壓后產氣量上升（圖7）。從鑄體薄片上看，儲層粒間孔隙發育，且粒間孔隙多以片狀喉道相互溝通，而片狀喉道相對于點狀喉道形態狹長，毛管阻力較大，且其中吸附的黏土礦物對鉆井液更造成阻礙，導致鉆井液不易侵入，而其中存在的不動水卻可以導電，從而造成低電阻率無差異特征。

4.3 中—高電阻率無差異

該類儲層主要表現為電阻率較高，多在30～100 Ω·m，6 條陣列感應電阻率曲線無明顯差異，一般不具有自然產能，但壓后產氣量上升（圖7）。從鑄體薄片上看，儲層粒間孔隙多呈孤立狀態，無喉道相互溝通，導致鉆井液無法侵入，電流也無法通過，造成中—高電阻率無差異特征。

5 原因分析

5.1 沉積、成巖階段影響

L 區塊上石盒子組為海陸過渡三角洲沉積環境，儲層巖性主要為長石砂巖、長石巖屑砂巖，巖屑主要包括火山巖巖屑及變質巖巖屑等［21-22］。從物源方向攜帶的陸源黏土類礦物造成儲層本身含黏土礦物，最重要的是在成巖階段，長石類礦物轉變為黏土類礦物，從而使儲集空間邊緣有足夠多的黏土礦物可以吸附大量的不動水。壓實作用是一種破壞性成巖作用，部分儲層受壓實作用影響，顆粒由點接觸變為線接觸，點狀喉道轉變為片狀喉道。膠結作用也是一種破壞性成巖作用，硅質膠結在儲層中主要以石英次生加大的形式存在，且石英次生加大將喉道完全堵塞，形成孤立孔隙或者孤立孔隙發育區［23-25］。

5.2 成藏階段影響

研究區致密砂巖氣的烴源巖為下部石炭系本溪組及二疊系太原組的煤層［26］。儲層沉積后，儲集空間內主要充填地層水，受成巖作用影響，儲層致密化。成藏階段，來自下部的煤成氣驅逐地層水，但是由于上石盒子組距離烴源巖垂向距離大，加上地層平緩，浮力和水動力等驅動力不足以克服毛管阻力，天然氣難以長距離搬運，使氣層充注差，僅對儲集空間內的可動水進行了驅替，而對孔隙邊緣及喉道內的不動水未完全驅替（圖8）。受沉積、成巖以及成藏作用的影響，儲層呈現不同的電性特征。

圖8 研究區致密氣成藏特征圖中黃色為氣，藍色為水，黑色為煤層Fig.8 Sketch of tight gas reservoir accumulation in the study area

6 結論

（1）L 區塊致密砂巖氣層的主要響應特征有：低電阻率負差異、低電阻率無差異（或微負差異）、中—高電阻率無差異，后2 個電性特征與干層基本一致。造成電阻率值差異性的關鍵原因在于喉道的連通性，電阻率值高是因為孔隙之間缺乏喉道連通，而電阻率值低是孔喉邊緣黏土礦物吸附的束縛水與可連通孔隙的喉道內的毛管水構成導電網絡共同造成的；造成陣列感應差異性的關鍵原因在于喉道的連通性與類型，低電阻率負差異為好的含氣性與優質儲層的指示，片狀喉道導致氣層出現低電阻率無差異特征，高電阻率無差異為孤立孔隙的指示。

（2）對于低電阻率儲層，不能簡單根據電阻率判斷為含水層，而對于高電阻率儲層，也并不是含氣性好的指示，而有可能是其孔隙結構較差的反映。對于徑向電阻率無差異的儲層，須結合多種資料分析是由于喉道導致的還是含氣性差導致的。

（3）電性特征復雜化主要受沉積、成巖階段及成藏階段的影響。