近年来, 随着各油气田可开发的"甜点"类储层资源量的日益减少以及开发工艺的进步, 勘探开发的重点逐渐转向原来认为的非"甜点"类储层, 即致密砂岩储层^[1]。致密砂岩储层的电性特征与"甜点"类常规碎屑岩储层明显不同^[2], 其复杂的矿物组分及孔隙结构导致其电性特征多样, 电阻率值从几欧姆米到几十欧姆米, 侵入特征也呈现多样化, 给测井解释工作带来了极大的困扰。

对于致密砂岩储层, 尤其是低电阻率油气层, 其成因问题一直是测井解释领域的一个挑战与热门课题。通过大量的文献调研及分析, 油气层低电阻率的机理主要有以下几方面:储层中存在黄铁矿等导电矿物、砂泥岩薄互层、物性好或者裂缝发育造成的钻井液侵入、泥质含量高或黏土矿物分布等多重因素导致的高不动水(指毛管水和束缚水)饱和度、复杂的孔隙结构、黏土矿物的附加导电作用等^[3-5]。不同地区可能是由其中一种因素或者多重因素交织在一起造成的^[6]。

以常规阵列感应测井资料为基础, 结合核磁测井资料以及岩心微观分析资料, 对致密砂岩储层电阻率值的高低及侵入特征进行分析, 找出产生不同特征的原因, 以期探明研究区致密砂岩储层的电性规律, 为后期开发提供依据。

研究区L区块位于鄂尔多斯盆地东北缘, 上古生界为海陆过渡相沉积, 储层岩性主要为砂砾岩, 但是受后期压实、胶结等复杂成岩作用影响, 储层致密化^[7-10]。经过近几年的勘探与开发, 在二叠系上石盒子组获得了一定的产能, 证明为含气性较好的致密砂岩储层。根据对200余块储层岩心物性资料的统计, 孔隙度主要为4%~10%, 渗透率小于1 mD, 整体上具有孔隙度与渗透率皆低的特征。组成储层的矿物组分中骨架矿物(包含石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿、菱铁矿)体积分数为75%, 黏土矿物(包含高岭石、绿泥石、伊利石、伊蒙混层)体积分数为25%, 矿物组分非常复杂。

鄂尔多斯盆地东北缘L区块复杂的矿物组分以及低孔隙度、低渗透率的储层特征, 对致密砂岩储层的电性特征造成了很大的影响。根据测井及试气资料, 对研究区致密气储层的电性特征进行了统计。目前, L区块二叠系上石盒子组共测试了23个物性显示较好(孔隙度10%左右)的层位, 其中产气层10层, 干层13层(测试后无气液产出的储层)。以30 Ω·m为界限, 其中4个气层为低电阻率负差异特征, 4个气层为低电阻率无差异(或微负差异)特征, 2个气层为中-高电阻率无差异特征; 11个干层为低电阻率无差异(或微负差异)特征, 2个干层呈中-高电阻率无差异特征(图 1)。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 致密砂岩储层电性特征 Fig. 1 Electrical characteristics of tight sandstone reservoirs

总体来看, 气层具有低电阻率负差异、低电阻率无差异(或微负差异)、中-高电阻率无差异的特征, 干层则表现为低电阻率无差异(或微负差异)、中-高电阻率无差异特征, 两者的电性特征基本一致。根据以往的认识进行评价, 测井解释的符合率仅在50%左右。

对于L区块低电阻率气层的成因机理, 彭真等^[11]通过大量研究排除了导电矿物、黏土的附加导电、砂泥岩薄互层等成因。因为研究区目前没有进行密闭取心以及时间推移测井, 不动水饱和度以及钻井液侵入对储层的影响无法判断, 导致低电阻率原因在高不动水饱和度与钻井液侵入之间一直未形成统一的观点^[12-13]。以电性资料为基础, 结合核磁测井资料、岩心微观分析资料进行分析, 认为含气性并不是电阻率高低的主要控制因素, 造成气层电阻率高的主要原因为孤立孔隙之间无法导电, 而造成气层电阻率降低的主要原因是孔喉边缘黏土矿物吸附的束缚水与可连通孔隙的喉道内的毛管水构成导电网络共同造成的, 2种因素缺一不可, 但储层侵入带深度内及部分物性好储层的电性受到钻井液侵入的影响。

储层出水一般有可动水、不动水、凝析水以及压裂液残余4个原因。一般来讲, 可动水及压裂液残余产水量较高, 凝析水与不动水产水量较低, 但凝析水矿化度远低于不动水矿化度^[14-15]。从研究区测试情况上看, 压裂测试直接产水的层较少, 多为测试后期产水, 日产液小于5 m³ /d, 对应的矿化度在1000 0~1000 00 mg/L, 说明储层产水以不动水为主。根据电测资料, 出水产层对应的电阻率均小于30 Ω·m, 说明电阻率受其中的不动水影响。对于致密砂岩不动水如何产出的问题, 叶礼友等^[16]认为产出水主要来自于气藏开发过程中随着储层压力逐步下降, 压降传导到孔隙内的气体, 气体迅速膨胀, 对孔隙表面束缚水进行挤压, 并对毛管水进行推动, 从而运移成为可动水。

研究区所用泥浆主要为淡水, 矿化度低。对于低饱和度气层, 在侵入范围内淡水驱替气并与高矿化度的地层不动水发生离子交换, 经实验模拟, 会导致侵入带电阻率升高^[17]。从气层阵列感应电阻率特征上看, 大多数存在侵入特征的低电阻率层的6条阵列感应电阻率(M2 R1, M2 R2, M2 R3, M2 R6, M2 R9, M2 RX)均呈"两段式"特征, 即M2 R1, M2 R2, M2 R3均呈现明显的线性关系, 下降趋势明显, 斜率较大, 而M2 R6, M2 R9, M2 RX均呈明显的线性关系, 但变化不大, 斜率较小[图 2(a)]。这说明电阻率在152.4 cm探测深度内, 由于侵入的影响, 变化较大, 在152.4 cm探测深度之外由于侵入微弱, 电阻率变化较小。根据M2 R1, M2 R2, M2 R3可以回归一条线性方程, M2 R6, M2 R9, M2 RX可以回归一条线性方程, 2条线性方程的交点即侵入深度, M2 RX代表原状地层电阻率, M2 RX较低的原因与侵入无关, 受不动水导电的影响。个别物性较好的储层, 其6条阵列感应呈"一段式", 从浅到深下降趋势明显[图 2(b)], 离井眼越近电阻率越高, 说明电阻率探测范围内整体受到侵入影响, 且泥浆侵入导致电阻率升高, 这样的储层真实的电阻率比深感应数值要小, 但这种特征的储层较少。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 L区块致密砂岩储层阵列感应特征 Fig. 2 Array induction characteristics of tight sandstone reservoir in L block

L区块L4井上石盒子组物性相似的同一套砂体内, 出现了低电阻率与高电阻率2种情况, 且该套储层的测井资料、岩心分析资料较为完整, 为研究低电阻率成因提供了丰富的证据。根据核磁测井资料, 高电阻率处(图 3中绿色箭头所示)对应的核磁T2谱上束缚水及毛管水信号微弱, 以可动孔隙为主, 而低电阻率处(图 3中蓝色箭头所示)对应的核磁T2谱上束缚水及毛管水信号较强, 从而也可以证明不动水是导致电阻率下降的主要原因。紧邻该套储层的1 560~1 575 m井段砂体物性也较好, 对应核磁显示几乎全部为不动水, 对应的电阻率却较高(图 3中红色箭头所示), 可见不动水并不是造成电阻率降低的唯一原因。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 L区块L4井电性与核磁测井响应特征 Fig. 3 Electricity and NMR logging response characteristics of well L4 in L block

从扫描电镜资料上发现致密砂岩储层的粒间孔隙和喉道表面均发育有大量的绿泥石、伊利石以及高岭石等黏土矿物[图 4(a)-(c)], 黏土矿物表面积大, 可大量吸附束缚水, 束缚水导电导致电阻率降低, 但是实际上, 电阻率测井仅反映连通的且由导电水占据的孔隙空间^[18], 储层中存在着大量不参与导电的孤立孔隙以及不导电区, 富含毛管水的喉道是导致电阻率降低的另一关键因素(图 5)。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 致密砂岩储层微观特征 （a）孔隙边缘发育玫瑰花状绿泥石，1 552.51 m，L4井；（b）孔隙边缘发育毛发状伊利石，1 552.51 m，L4井；（c）孔隙边缘发育书页状高岭石，1 552.51 m，L4井；（d）粒间孔隙发育，喉道发育，1 552.51 m，L4井；（e）粒间孔隙发育，喉道不发育，1 550.50 m，L4井；（f）孤立粒间孔隙，喉道不发育，1 569.5 m，L4井 Fig. 4 Microscopic characteristics of tight sandstone reservoir

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 导电模型 图中黄色为气，蓝色为水，红色箭头为电流 Fig. 5 Conductive model

L4井低电阻率处对应的薄片显示, 孔隙发育, 孔隙结构较好, 孔隙边缘的束缚水及喉道的毛管水相互沟通导电造成电阻率降低[图 4(d)], 而高电阻率处虽然有一定的大孔隙发育, 但孔隙之间缺少可连通的喉道, 电阻率没有明显下降[图 4(e)], 同理1 560~1 575 m井段储层内孔隙之间的沟通性更差, 电阻率较高[图 4(f)]。

以上研究表明, 致密砂岩气储层孔隙之间连通性越好, 储层电阻率反而降低, 而孤立孔隙发育储层电阻率则升高。因此, 在实际测井解释中, 仅根据电阻率值的降低将其判断为水层, 很容易错失优质气层, 而根据电阻率值较高就判断其为气层, 则可能出现压裂后为干层的情况。

在钻井过程中, 由于钻井液柱的压力大于孔隙流体的压力, 在压力差作用下钻井液侵入到渗透性地层中, 从而使井筒附近储层内的流体性质及分布发生变化, 致使井筒附近储层径向电阻率分布不均匀, 反映在阵列感应曲线上就出现不同幅度的差异^[19]。对于影响电阻率差异大小的原因, 一般认为主要与侵入时间、物性、含气性有关^[20]。将电阻率差异定量化, 将M2 R2与M2 RX的比值定义为电阻率差异系数(DR), 表征电阻率差异的大小, 结合电阻率值高低建立交会图(图 6), 可以看出测试为干层(蓝色点)的阵列感应曲线DR小于1.4, 而40%的产气层(红色点)DR大于1.4, 说明储层含气性是造成电阻率差异的主要原因之一, 但是仍有60%的产气层存在无差异的情况, 分析认为喉道的发育情况是造成电阻率差异的另一个主要原因。结合上述电阻率值的高低, 侵入带特征主要有以下3种情况。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 阵列感应深感应电阻率与差异系数交会图 Fig. 6 Crossplot of deep induction resistivity and array induction difference coefficient

该类储层主要表现为电阻率较低, 一般小于30 Ω·m, M2R1等6条阵列感应曲线的差异性较明显, 储层经压裂后产气量较高, 部分储层具有自然产能(图 7); 从铸体薄片上看, 该类储层粒间孔隙多呈连通状态, 且以点状喉道相连, 由于气层具有明显的可压性, 且点状喉道毛管阻力小, 钻井液易于侵入, 导致井筒附近电阻率径向上分布不均匀, 出现明显差异, 造成阵列感应呈现低电阻率负差异特征。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 致密砂岩储层电性特征分析 Fig. 7 Electrical characteristic analysis of tight sandstone reservoir

该类储层主要表现为电阻率较低，一般小于30 Ω·m，6条阵列感应电阻率曲线无明显差异，一般不具有自然产能，但压后产气量上升（参见图 7）。从铸体薄片上看，储层粒间孔隙发育，且粒间孔隙多以片状喉道相互沟通，而片状喉道相对于点状喉道形态狭长，毛管阻力较大，且其中吸附的黏土矿物对钻井液更造成阻碍，导致钻井液不易侵入，而其中存在的不动水却可以导电，从而造成低电阻率无差异特征。

该类储层主要表现为电阻率较高, 多在30~ 100 Ω·m, 6条阵列感应电阻率曲线无明显差异, 一般不具有自然产能, 但压后产气量上升(参见图 7)。从铸体薄片上看, 储层粒间孔隙多呈孤立状态, 无喉道相互沟通, 导致钻井液无法侵入, 电流也无法通过, 造成中-高电阻率无差异特征。

L区块上石盒子组为海陆过渡三角洲沉积环境, 储层岩性主要为长石砂岩、长石岩屑砂岩, 岩屑主要包括火山岩岩屑及变质岩岩屑等^[21-22]。从物源方向携带的陆源黏土类矿物造成储层本身含黏土矿物, 最重要的是在成岩阶段, 长石类矿物转变为黏土类矿物, 从而使储集空间边缘有足够多的黏土矿物可以吸附大量的不动水。压实作用是一种破坏性成岩作用, 部分储层受压实作用影响, 颗粒由点接触变为线接触, 点状喉道转变为片状喉道。胶结作用也是一种破坏性成岩作用, 硅质胶结在储层中主要以石英次生加大的形式存在, 且石英次生加大将喉道完全堵塞, 形成孤立孔隙或者孤立孔隙发育区^[23-25]。

研究区致密砂岩气的烃源岩为下部石炭系本溪组及二叠系太原组的煤层^[26]。储层沉积后, 储集空间内主要充填地层水, 受成岩作用影响, 储层致密化。成藏阶段, 来自下部的煤成气驱逐地层水, 但是由于上石盒子组距离烃源岩垂向距离大, 加上地层平缓, 浮力和水动力等驱动力不足以克服毛管阻力, 天然气难以长距离搬运, 使气层充注差, 仅对储集空间内的可动水进行了驱替, 而对孔隙边缘及喉道内的不动水未完全驱替(图 8)。受沉积、成岩以及成藏作用的影响, 储层呈现不同的电性特征。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 研究区致密气成藏特征 图中黄色为气，蓝色为水，黑色为煤层 Fig. 8 Sketch of tight gas reservoir accumulation in the study area

(1) L区块致密砂岩气层的主要响应特征有:低电阻率负差异、低电阻率无差异(或微负差异)、中-高电阻率无差异, 后2个电性特征与干层基本一致。造成电阻率值差异性的关键原因在于喉道的沟通性, 电阻率值高是因为孔隙之间缺乏喉道沟通, 而电阻率值低是孔喉边缘黏土矿物吸附的束缚水与可连通孔隙的喉道内的毛管水构成导电网络共同造成的; 造成阵列感应差异性的关键原因在于喉道的沟通性与类型, 低电阻率负差异为好的含气性与优质储层的指示, 片状喉道导致气层出现低电阻率无差异特征, 高电阻率无差异为孤立孔隙的指示。

(2) 对于低电阻率储层, 不能简单根据电阻率判断为含水层, 而对于高电阻率储层, 也并不是含气性好的指示, 而有可能是其孔隙结构较差的反映。对于径向电阻率无差异的储层, 须结合多种资料分析是由于喉道导致的还是含气性差导致的。

(3) 电性特征复杂化主要受沉积、成岩阶段及成藏阶段的影响。