含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征及識(shí)別

曹志鋒,藺敬旗,甘仁忠,隆山,王先虎,王婷婷

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司新疆分公司,新疆克拉瑪依834000;2.中國石油新疆油田分公司勘探事業(yè)部,新疆克拉瑪依834000;3.中國石油集團(tuán)測井有限公司測井應(yīng)用研究院,陜西西安710077)

0 引 言

瑪湖凹陷是準(zhǔn)噶爾盆地中央坳陷的次一級負(fù)向構(gòu)造單元,位于中央坳陷的西部,分為瑪東斜坡區(qū)、瑪西斜坡區(qū)、瑪南斜坡區(qū)、瑪北斜坡區(qū)等4個(gè)勘探區(qū)域[1]。繼瑪北斜坡區(qū)、瑪西斜坡區(qū)、瑪南斜坡區(qū)發(fā)現(xiàn)多個(gè)億級儲(chǔ)量區(qū)塊后,瑪東斜坡區(qū)下烏爾禾組也被證實(shí)普遍存在瑪湖凹陷風(fēng)城組晚期形成的高熟油氣,具備整體成藏的物質(zhì)基礎(chǔ)[2],儲(chǔ)層巖性普遍含濁沸石礫巖。濁沸石是含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物質(zhì),是沸石族礦物的一種[3-11]。近年來,中國含濁沸石儲(chǔ)層頻繁顯露,四川盆地侏羅系、鄂爾多斯盆地三疊系、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系和三疊系許多砂巖儲(chǔ)層中均發(fā)現(xiàn)含有自生濁沸石礦物[4-10],而這些濁沸石礦物的析出、充填、溶解等一系列成巖作用對儲(chǔ)層的物性乃至含油性有一定影響[9-13]。前人對不同地區(qū)含濁沸石砂巖儲(chǔ)層展開了深入的研究,但僅停留于濁沸石的形成、分布及礦物學(xué)特征等地質(zhì)層面,缺乏對含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征及識(shí)別方面的研究。基于濁沸石有別于石英、長石等礦物的巖石礦物學(xué)特征,在測井解釋階段若忽略濁沸石礦物對儲(chǔ)層的影響,會(huì)造成含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井解釋精度偏低。因此,對含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征及測井識(shí)別方法展開研究具有重要的意義。本文采用巖心刻度測井方法開展含濁沸石礫巖儲(chǔ)層測井識(shí)別方法的研究工作,提出了密度與聲波時(shí)差視孔隙度重疊識(shí)別含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的方法,解決了此類儲(chǔ)層測井識(shí)別的難題。

1 濁沸石形成的條件及礦物學(xué)特征

據(jù)《瑪東斜坡區(qū)Yanbei4井區(qū)塊二疊系下烏爾禾組新增石油控制儲(chǔ)量》報(bào)告,瑪東斜坡區(qū)沉積相帶受古地貌控制,下烏爾禾組以扇三角洲前緣亞相為主,發(fā)育河口壩和水下分流河道等微相類型,坡折帶之上為扇三角洲平原沉積(見圖1)。含濁沸石礫巖儲(chǔ)層主要出現(xiàn)于三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道中。這與前人關(guān)于濁沸石形成、分布的沉積背景研究相吻合[10]。

圖1 瑪東斜坡區(qū)下烏爾河組烏4段沉積相圖

濁沸石作為一種含水架狀結(jié)構(gòu)的多孔硅鋁酸鹽礦物,其化學(xué)通式:(Na,K)x·(Ca,Sr,Ba,Mg)y·[Alx+2ySin-(x+2y)O2n]·mH2O。式中,x為堿金屬離子個(gè)數(shù);y為堿土金屬離子個(gè)數(shù);n為硅鋁離子個(gè)數(shù)之和;m為水分子數(shù)。濁沸石族礦物主要形成于低溫、低壓、堿性介質(zhì)以及堿金屬活動(dòng)較強(qiáng)的環(huán)境條件中[14-16]。濁沸石大多數(shù)是含玻璃質(zhì)較高的各種火山熔巖、凝灰?guī)r在堿性水介質(zhì)的作用下經(jīng)過水化、水解、反應(yīng)和結(jié)晶成巖生成。其成礦模式:由火山玻璃+水介質(zhì)演變?yōu)槊擅撌?濁沸石+二氧化硅+金屬離子(溶液)。

圖2(a)為Yanbei4井3 869.37 m巖石鑄體薄片,巖心分析資料顯示,含濁沸石砂質(zhì)細(xì)礫巖,濁沸石膠結(jié),孔隙類型主要為濁沸石溶孔,藍(lán)色鑄體,單偏光,×25;圖2(b)為Yanbei4井4 070.90 m巖石鑄體薄片,含濁沸石礫質(zhì)中粗砂巖,濁沸石膠結(jié),孔隙類型主要為濁沸石溶孔,藍(lán)色鑄體,單偏光,×25。研究區(qū)下烏爾禾組儲(chǔ)層巖性主要以灰色含礫砂巖、灰色砂質(zhì)礫巖,礫石成分主要以火成巖巖塊為主,變質(zhì)巖塊次之;砂粒成分以巖屑為主,石英、長石次之,這些都為濁沸石礦物的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。這些疊置水下分流河道中的原生孔隙發(fā)育、堿性孔隙水易于流動(dòng),孔隙水與火山碎屑及斜長石離子交換能力強(qiáng),易于形成濁沸石膠結(jié)。

圖2 瑪東斜坡區(qū)下烏爾禾組濁沸石膠結(jié)巖石鑄體薄片

2 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層測井響應(yīng)特征

2.1 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層“兩低兩高”測井響應(yīng)特征

根據(jù)研究區(qū)7口井15層巖心全巖礦物分析結(jié)果,將研究區(qū)內(nèi)下烏爾禾組儲(chǔ)層分為含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層2大類。通過直方圖等方法分別對比二者之間的自然伽馬、密度、中子孔隙度、聲波時(shí)差、電阻率等測井響應(yīng)特征差異,研究分析含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征。

以Yanbei4井為例,上部3 860.0～3 874.5 m井段為典型的含濁沸石礫巖儲(chǔ)層,下部3 888.0～3 893.0 m井段為相鄰不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層。與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層相比,含濁沸石礫巖儲(chǔ)層具有低自然伽馬、低密度、高中子孔隙度和高電阻率的“兩低兩高”測井特征(見圖3)。

2.2 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的自然伽馬測井響應(yīng)特征

根據(jù)自然伽馬測井在含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的響應(yīng)值頻率直方圖[見圖4(a)],含濁沸石礫巖儲(chǔ)層自然伽馬值主要為44～52 API,頻率峰值對應(yīng)的自然伽馬值為46 API;不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層自然伽馬值范圍在48～60 API,頻率峰值對應(yīng)的自然伽馬值為56 API。兩者相差10 API,顯示含濁沸石礫巖儲(chǔ)層具有低自然伽馬特征。

圖4 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層測井響應(yīng)值頻率直方圖

火山玻璃物質(zhì)蝕變?yōu)闈岱惺?化學(xué)成分雖然在組分上沒有大的變化,但其含量上的變化很明顯。表現(xiàn)在濁沸石巖中的SiO2、Na2O,K2O的含量比原巖明顯減少,而CaO,MgO、Al2O3和H2O明顯增加。研究區(qū)的濁沸石以不含鉀離子的濁沸石為主(CaAl2Si2O124H2O)。

隨著鉀離子等放射礦物的減少,地層的自然伽馬亦隨之降低。統(tǒng)計(jì)分析研究區(qū)的含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的自然伽馬測井特征,可以看到:含濁沸石礫巖儲(chǔ)層自然伽馬值明顯較低,比不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的自然伽馬值低10 API左右。說明在風(fēng)化、水解作用下,沸石礦物中K+等其他具有放射性成分被交代、流失,沒有放射性的Na+、Ca2+等離子沉淀下來,降低了地層的自然伽馬值。

2.3 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的密度測井響應(yīng)特征

根據(jù)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的巖心分析結(jié)果,反算骨架密度得到其頻率直方圖[見圖4(e)]。含濁沸石礫巖儲(chǔ)層巖石骨架密度為2.45～2.55 g/cm3,不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的巖石骨架密度為2.55～2.65 g/cm3,說明含濁沸石礫巖儲(chǔ)層具有低密度特征。

濁沸石骨架結(jié)構(gòu)中的基本單元是由4個(gè)氧原子和1個(gè)硅(鋁)原子堆砌而成的硅(鋁)氧四面體。硅氧四面體和鋁氧四面體再逐級組成單元環(huán)、雙元環(huán)、籠(結(jié)晶多面體)構(gòu)成三維空間的架狀結(jié)構(gòu)濁沸石晶體。作為次級單位的各種環(huán)聯(lián)合起來形成各種濁沸石的空洞和孔道(或稱孔穴和通道)。濁沸石具有空曠的晶體骨架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)中具有大量均勻的微孔,孔徑大多在1 nm以下,晶穴體積約為總體積的40%～50%。微孔結(jié)構(gòu)的存在決定了濁沸石礦物的密度,與同類型架狀硅酸鹽礦物(例如石英、長石)相比,其具有較低的密度。

2.4 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層中子孔隙度測井響應(yīng)特征

對研究區(qū)目的層段中子孔隙度測井進(jìn)行泥質(zhì)校正和孔隙度校正后,統(tǒng)計(jì)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的中子孔隙度測井值頻率分布范圍,發(fā)現(xiàn)二者存在明顯差異。如圖4(b)所示,不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層校正后的中子孔隙度測井值為6%～10%,平均值為8.8%,含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的中子孔隙度測井值為11%～19%,平均值14.6%。可知,含濁沸石礫巖儲(chǔ)層中子孔隙度測井值明顯高,具有高中子孔隙度測井特征。

天然濁沸石具有大量微孔隙空腔和結(jié)晶水,濁沸石礦物中結(jié)晶水的存在,必然對中子測井所測量的氫核有貢獻(xiàn),導(dǎo)致濁沸石具有高中子孔隙度的響應(yīng)特征。

2.5 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的聲波時(shí)差測井響應(yīng)特征

在泥質(zhì)校正和孔隙度校正的基礎(chǔ)上,對含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層聲波時(shí)差測井值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖4(c)所示。不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層聲波時(shí)差值為52～56 μs/ft,平均值為54.1 μs/ft;含濁沸石礫巖儲(chǔ)層聲波時(shí)差值為52～54 μs/ft,平均值為52.3 μs/ft。兩者聲波時(shí)差測井值僅相差2 μs/ft,初步認(rèn)為濁沸石礦物聲波時(shí)差值與巖石骨架礦物中石英、長石相近。

含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的聲波時(shí)差特征基本相同,推測可能由于濁沸石在晶體結(jié)構(gòu)上與石英、長石類礦物相似,屬于架狀結(jié)構(gòu)。基于聲波時(shí)差沿最短的路徑傳播的原理,盡管濁沸石中微孔很多,但是聲波時(shí)差在濁沸石礦物中傳播時(shí),沿晶體骨架傳播而不通過晶體空穴,分析認(rèn)為濁沸石聲波時(shí)差傳播時(shí)間與長石、石英礦物基本相同。此特征需要巖石實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

2.6 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的電阻率測井響應(yīng)特征

根據(jù)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層段深電阻率值分布范圍分析[見圖4(d)],含濁沸石礫巖儲(chǔ)層電阻率值為30～90 Ω·m,平均值為47.8 Ω·m;不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層電阻率值為5～20 Ω·m,平均值為12.5 Ω·m。含濁沸石礫巖儲(chǔ)層電阻率明顯高于不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層,具有高電阻率特征。

對含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的高電阻率特征,需要排除含油性的影響。因此,選擇不含油礫巖儲(chǔ)層段分析含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層電阻率差異,以Yanbei2井(見圖5)為例,在4 601.0～4 603.5 m井段,巖石薄片鑒定證實(shí)儲(chǔ)層含濁沸石,電阻率值79 Ω·m;4 627.0～4 630.0 m井段儲(chǔ)層不含濁沸石,電阻率值21 Ω·m。對比兩者差異顯示含濁沸石礫巖儲(chǔ)層具有更高的電阻率。

圖5 Yanbei2井含濁沸石與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層電阻率對比

濁沸石結(jié)構(gòu)帶負(fù)電,具有很高的陽離子交換量,由于其晶體結(jié)構(gòu)是架狀結(jié)構(gòu),當(dāng)濁沸石被電解質(zhì)溶液飽和時(shí),水化離子很難穿過這種孔隙網(wǎng)絡(luò)遷移而導(dǎo)電。同時(shí),濁沸石晶體是孔隙中流體與巖石顆粒在堿性富鈣條件下交代生成,濁沸石顆粒堵塞孔隙空間,阻礙了電流流動(dòng),導(dǎo)致巖石電阻率升高。

3 含濁沸石礫巖儲(chǔ)層測井識(shí)別方法

根據(jù)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的測井響應(yīng)特征分析結(jié)果,含濁沸石礫巖儲(chǔ)層與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層相比,具有低密度、聲波時(shí)差影響小或不受影響的特點(diǎn)。取純礫巖的骨架密度為2.67 g/cm3、聲波時(shí)差為57 μs/ft;地層水的密度為1 g/cm3、聲波時(shí)差為189 μs/ft。密度視孔隙度、聲波時(shí)差視孔隙度為

(1)

(2)

式中,φden為密度視孔隙度,小數(shù);DEN為密度測井值,g/cm3;φac為聲波時(shí)差視孔隙度,小數(shù);AC為聲波時(shí)差測井值,μs/ft。

對于不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層,通過聲波時(shí)差與密度測井值計(jì)算得到的孔隙度結(jié)果相近;對于含濁沸石礫巖儲(chǔ)層,由于含有濁沸石礦物會(huì)導(dǎo)致骨架密度偏低,通過密度測井值計(jì)算的視孔隙度比聲波時(shí)差計(jì)算的視孔隙度大,即密度視孔隙度大于聲波時(shí)差視孔隙度。因此,采用密度與聲波時(shí)差計(jì)算的孔隙度重疊法可以識(shí)別含濁沸石礫巖儲(chǔ)層。

圖6 Yanbei4井密度-聲波時(shí)差視孔隙度重疊法判別含濁沸石礫巖儲(chǔ)層

4 應(yīng)用實(shí)例

如圖6所示,Yanbei4井3 903.5～3 917.0 m井段儲(chǔ)層密度視孔隙度大于聲波時(shí)差視孔隙度,全巖分析結(jié)果顯示該段含有10%～18%的濁沸石;3 933.5～3 944.0 m井段儲(chǔ)層密度視孔隙度與聲波時(shí)差視孔隙度相近,全巖分析結(jié)果顯示該段不含濁沸石。用該方法對研究區(qū)5口井的15個(gè)層段進(jìn)行連續(xù)處理,與全巖礦物分析結(jié)果符合率達(dá)80%。

此外,利用密度與聲波時(shí)差視孔隙度重疊法對研究區(qū)12口井的儲(chǔ)層進(jìn)行了判別,根據(jù)密度與聲波時(shí)差視孔隙度重疊法劃分了含濁沸石礫巖儲(chǔ)層,并統(tǒng)計(jì)了每口井含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的厚度。由下烏爾禾組含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度等值線圖可知(見圖7),位于三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道微相的濁沸石礫層厚度為44.8～62.2 m。如沿著水道方向的Ma201井含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度為26.6 m,Ma202井含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度為30.0 m,Yanbei4井含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度為44.8 m,Ma217井含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度為62.2 m,含濁沸石砂層厚度逐漸增大;位于水道邊部薄的礫巖儲(chǔ)層濁沸石不發(fā)育,如沿著Ma213井→Ma211井→Ma214井,含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度低于10 m或不發(fā)育。即越靠近物源區(qū)、越靠近扇體主河道,濁沸石膠結(jié)越發(fā)育。這與前人對于濁沸石形成及沉積背景研究結(jié)論一致,證實(shí)了該判別方法的有效性。

圖7 Yanbei4井區(qū)下烏爾禾組含濁沸石礫巖儲(chǔ)層厚度等值線圖

5 結(jié) 論

(1)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層具有低自然伽馬、低密度、高中子孔隙度、高電阻率的“兩低兩高”測井響應(yīng)特征,其聲波時(shí)差與不含濁沸石的礫巖儲(chǔ)層相近。

(2)基于含濁沸石礫巖儲(chǔ)層的密度測井、聲波時(shí)差測井響應(yīng)特征,采用密度-聲波時(shí)差視孔隙度重疊法可以識(shí)別含濁沸石礫巖儲(chǔ)層,評價(jià)結(jié)果與全巖礦物分析及井壁取心等分析資料一致。

(3)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層受物源和沉積微相的控制,研究區(qū)含濁沸石礫巖儲(chǔ)層多發(fā)育于靠近東北物源方向的三角洲前緣亞相多期疊置的水下分流河道微相,即越靠近物源區(qū)、越靠近扇體主河道,儲(chǔ)層中的濁沸石含量越高。