碎屑储集岩磁化率与含油性的关系

李学森，徐兴雨，王中蛟 （桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541004）

碎屑储集岩磁化率与含油性的关系

李学森，徐兴雨，王中蛟 （桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541004）

对采自渤海湾盆地济阳坳陷孤南洼陷9口探井的430块古近系碎屑储集岩标本进行了细致的体积磁化率、频率磁化率和非磁滞磁化率测试，研究了不同含油级别的储集岩磁化率响应规律。结果表明：岩性是控制磁化率信号强弱的首要地质因素，泥质含量指示磁化率十分灵敏。碎屑储集岩磁化率与含油性关系密切，以岩性为约束，除去泥质成分的影响，储集岩含油程度越高，磁化率越低，两者呈负相关；油浸碎屑岩中极有可能存在与烃类流体运移聚集作用密切相关的超顺磁 （SP）-单畴 （SD）-假单畴（PSD）粒级的自生磁铁矿。在常规地球物理测井基础上，针对有石油地质意义的层段开展磁化率测井，砂岩段中的磁化率低值区是可疑的油气层，泥岩段中的磁化率异常高值区可能是优质的烃源岩层。

磁化率；含油性；碎屑储集岩；孤南洼陷

含油气流体充注于储集岩后，烃类流体与储集岩固体颗粒之间 “水-岩”作用使储集岩磁性矿物容易发生溶解、相变、置换或新生［1～7］。Elmore等［1～4］对怀俄明州Phosporia组油浸白云岩及蒙大拿州南部Chugwater组红层中饱和烃岩石样品进行了详细的岩石磁性、有机地球化学、扫描电镜分析，发现了与烃运移相关的自生磁铁矿。孟小红等［8］对华北冀东油田古近系和新近系砂岩样品的磁性载体成分、成因、剩磁稳定性和特征剩磁方向进行了研究，探讨了烃类的化学吸附作用与岩石剩磁稳定性之间的关系，确认了烃类的化学吸附作用能够降低岩石的剩磁稳定性而产生次生剩磁。

磁化率是表征物质被磁化难易程度的物理量，其信号的强弱与岩石中磁性矿物的类型、含量及粒径密切相关。储集岩中磁性矿物的溶解、相变、置换或新生作用必然会使储集岩磁化率发生变化［9，10］。那么随着烃类流体侵位，储集岩磁化率究竟如何变化？其主要控制因素是什么？能否利用磁化率的变化特征进行岩性鉴定或油气层识别？鉴于上述问题，笔者选择了渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷孤南洼陷9口探井，对古近系不含油、荧光、油迹、油斑、油浸和饱含油的6类钻井岩心进行了系统采样和磁化率测试，研究了不同含油级别储集岩磁化率的响应规律，确定了碎屑储集岩磁化率与含油性的关系，为研制磁化率测录井方法奠定了基础。

1 地质概况及采样

孤南洼陷位于山东省东营市垦利县孤岛镇，黄河流入渤海形成的三角洲平原上，距东营市约70km。孤南洼陷是渤海湾盆地济阳坳陷沾化凹陷的一个次级构造单元，为一北断南超的箕状洼陷，面积220km2（图1）。钻井和三维地震资料解释表明，孤南洼陷古近系从下到上发育沙河街组 （Es）、东营组 （Ed）、馆陶组 （Ng）、明化镇组 （Nm）4套储集层，砾岩、砂岩、粉砂岩3类储集岩，具有 “满盆是砂”的特点［11］。孤南洼陷及其周缘现已探明孤岛、孤东、孤南、河滩、红柳、垦利等6大油田，以孤南洼陷为中心呈环带状分布，具有陆相油气生成、运移和聚集的典型特征。

图1 孤南洼陷地理位置及构造井位图

根据孤南洼陷油气具有环带状分布、复式聚集的特点，横向上从陡坡带、洼陷带到缓坡带，纵向上对沙河街组三段（Es3）、二段（Es2）、一段（Es1），Ed等主力含油层位进行了系统采样。对采集到的钻井岩心样品，按照如下流程进行了加工：首先将岩心直立，划出主参照线，以岩心柱面上主参照线的顶部为端点，在岩心横截面上划上统一标志线，建立样品坐标系；然后根据岩心的完整程度使用岩心切割机切取若干块标准古地磁样品，并标好每块样品的相对位置及标志线方向。优先选择GN138井、GN131井、GN137井、GN152井、GN154井、GN184井、FU117井、FU112井、Bo701井等9口井，取心62块，加工出430块2cm×2cm×2cm标准古地磁标本 （图2）。

图2 样品加工示意图

2 磁化率测试结果及分析

测试工作是在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成的，使用AGICO KLY-4S卡帕桥磁化率仪测量标本体积磁化率。

2.1 体积磁化率测试结果及分析

磁化率是标本在弱磁场中的感应磁化强度 （M）与磁场强度 （H）的比值，其大小可以反映标本中亚铁磁性矿物的富集程度［12］。

430块标本的低场体积磁化率平均值为7.05×10－4，其中 （1～10）×10－5约为57%，（1～3）×10－4约为35%，两者合计约为92% （图3），仅比仪器的噪声水平高出1～2个数量级。Bo701井2282.2～2283.5m井段灰黑色富有机质泥岩的体积磁化率最大，9块标本的平均值为2.45×10－2。GN131井3290～3291.5m井段棕褐色饱含油长石质粗砂岩的体积磁化率最低，6块标本的平均值为1.32×10－5，极值相差约1200多倍。孤南洼陷古近系储集岩磁性矿物含量普遍较低，磁化能力总体偏弱，但变化幅度较大。

2.1.1 磁化率与岩性的关系

430块标本的体积磁化率 （升序排列）呈三段式 （见图4），低值A段134块标本岩性以粗砾岩为主；中值B段214块标本岩性以细砂岩为主；高值C段82块标本岩性以粉砂岩为主，其中13块泥岩标本体积磁化率比A、B段高出2～3数量级。由此可见，岩性是控制磁化率量值高低的首要地质因素。以岩性为制约，14块粗砂岩样品体积磁化率平均值为5.89×10－5，25块细砂岩样品平均值为12.48×10－5，9块粉砂岩样品平均值为18.45×10－5，说明随着碎屑颗粒变细，样品体积磁化率呈现逐渐升高趋势，即砾岩相对最低，泥岩相对最高 （图5）。无论是砾岩、粗砂岩，还是细砂岩、粉砂岩，泥质含量越高，磁化率越大，特别是从泥质粉砂岩到泥岩，磁化率显著增加，说明泥质含量指示磁化率十分灵敏。样品体积磁化率标准偏差呈波动变化 （图5），说明沉积构造、颜色、胶结物等沉积学特征及宏观含油性对磁化率亦具有一定影响。

图3 标本的体积磁化率直方图

图4 标本体积磁化率分布趋势图

图5 样品体积磁化率与岩性关系

2.1.2 磁化率与含油性的关系

总体来看，饱含油－油浸的碎屑岩磁化率平均值低于不含油碎屑岩 （图6），碎屑储集岩磁化率与含油性密切相关。

从细砂岩样品体积磁化率与含油性关系图 （图7）上可以看出，22块细砂岩样品中，11块不含油样品体积磁化率平均值为107.7×10－6，3块荧光显示样品体积磁化率平均值为73×10－6，6块油迹-油斑-油浸样品体积磁化率平均值为61.76×10－6，2块饱含油样品体积磁化率平均值为41.09×10－6。同一种岩性，除去泥质成分的影响，含油级别越高，磁化率越低，即碎屑储集岩磁化率与含油性呈负相关。值得一提的是，图7中未统计GN152井1907.25～1913.05m井段Ed的2块油浸细砂岩样品，其体积磁化率平均值分别为296.47×10－6和650.58×10－6，与磁化率和含油性呈负相关的结论相悖。这2块岩心呈灰黄色，细砂状结构，块状构造，砂粒分选较好，砂粒间为泥质胶结；含油不饱和，含油部分观察不出岩石本色，油脂感中等，可污手，原油味较浓，含油级别为油浸，说明尽管烃类物质的存在能抑制磁化率升高，但泥质胶结物对磁化率的贡献更重要，岩性对磁化率的控制作用比含油性更显著。

图6 样品体积磁化率－含油级别散点图

图7 细砂岩样品体积磁化率与含油性关系

2.2 频率磁化率测试结果及分析

岩石磁化率不仅与磁性矿物的类型和含量相关，还与磁性颗粒的粒径、测量的温度和频率相关［12］。观测频率不同，测得的磁化率结果是不相同的。通常，观测频率越大，磁化率越小。一般地，频率磁化率χfd定义为：

式中：χfd为频率磁化率的绝对值；χlf和χhf分别为低频磁化率和高频磁化率；χfd，p为频率磁化率的相对值，%。

频率磁化率只对处于超顺磁 （SP）-单畴 （SD）临界点附近的颗粒影响最大，对其他粒径的颗粒不灵敏［12］。Elmore［1，2］、McCabe等［3，4］在储集岩中发现了与烃类流体运移侵位密切相关的自生磁铁矿，微形貌呈球粒状，直径一般小于50μm，SP-SD粒级 （扫描透射电镜无法分辨）存在的可能性很大。为此，选择了18块不同含油级别的标本，使用Agico MFK磁化率仪测量了低频 （976Hz）和高频（15616Hz）的磁化率，进行频率磁化率计算分析，以验证孤南洼陷古近系碎屑储集岩中是否存在与烃类流体运移侵位密切相关的SP-SD自生磁铁矿。

11块不含油标本频率磁化率绝对值的平均值为4.11×10－6，标准偏差为2.82；7块油斑－油浸-饱含油标本频率磁化率绝对值的平均值为4.34×10－6，标准偏差为2.13。两者相差不大，均无明显分布规律 （图8）。与χfd相比，χfd，p则存在一定规律性：7块油斑－油浸－饱含油标本χfd，p整体上高于11块不含油标本 （见图9）。说明烃类流体充注后，频率磁化率有所增大，相比不含油标本，油浸标本中的SPSD粒级的磁性矿物更为富集。孤南洼陷古近系碎屑储集岩中可能存在与烃类流体运移侵位密切相关的SP-SD自生磁铁矿。

2.3 非磁滞磁化率测试结果及分析

为了进一步证实含油岩心中可能存在的与烃类聚集有关的SP-SD自生磁铁矿颗粒，该次研究另选择了10块含油级别不同的标本进行了非磁滞磁化率测量。首先将标本置于D-2000交变退磁仪上，在峰值为100mT的交变磁场中，叠加一个与该交变磁场平行的0.05mT直流场，获得非磁滞剩磁 （MARM）；然后，在2G-755（R）超导磁力仪上测量剩磁，用获得的MARM除以施加的直流场即可获得该标本在此直流场下的非磁滞磁化率χARM［12］。GN131-6-1标本在100mT的交变磁场和0.05mT的恒定直流场中获得的MARM为5.85×10－5A／m，则该标本的χARM＝ （5.85×10－5×4π×10－3）／ （0.05×10）＝1.30×10－6。

Maher［13］对比了已知粒径的纯磁铁矿粉χARM，结果表明，细粒磁铁矿χARM较大，随着粒径增大，磁铁矿χARM逐渐减小。χARM可以用来指示样品中细粒磁性矿物的含量，它对SD和准单畴 （PSD）颗粒的存在特别敏感。体积磁化率χ主要用于反映磁性矿物的含量，对较粗的磁颗粒相对敏感，所以χARM／χ可以用来指示磁性颗粒的大小，χARM／χ斜率越小，磁性颗粒相对越大［14］。

图8 频率磁化率绝对值与含油性关系

图9 χfd，p与含油性关系

4块油斑－油浸－饱含油标本的χARM／χ呈单调线性变化，6块不含油标本χARM／χ则较为离散，含油标本的χARM／χ拟合斜率为0.038，不含油标本χARM／χ拟合斜率为0.014（见图10）。说明相比不含油标本，油斑－油浸－饱含油标本中的SD-PSD粒级的磁性矿物可能更为富集。必须指出的是，该次研究仅测试了11块标本，且假定标本中的载磁矿物以磁铁矿为主，油浸和不含油标本的χARM／χ变化规律是随机事件，还是理论必然，尚需更多证据。

图10 非磁滞磁化率与体积磁化率关系

3 讨论

频率磁化率、非磁滞磁化率测试结果表明，烃类流体充注于储集岩后，流体与储集岩固体颗粒之间“水－岩”作用极有可能在储集岩中生成SP-SD粒级的细粒磁铁矿。通常认为，含油程度越高，“水－岩”作用的空间域越广泛，细粒磁铁矿富集程度应越显著，体积磁化率值应越大；然而事实却恰恰相反。体积磁化率测量结果表明，同一种岩性，扣除泥质成分的影响，储集岩含油程度越高，磁化率则越低，两者呈负相关。笔者注意到，原油的磁化率多为负值［15］，属于抗磁性物质，烃类流体侵位占据了碎屑储集岩的有效孔隙和渗流通道，外来抗磁性物质充注抵消了与烃类流体聚集作用相关的自生细粒磁性矿物对岩石磁化率的贡献，这可能是油浸碎屑岩磁化率反常变化的根本原因。

孤南洼陷古近系储集岩磁化率波动幅度较大，岩性是控制磁化率信号强弱的首要地质因素，岩石标本的体积磁化率与碎屑颗粒粒度呈负相关，即砾岩磁化率相对最低，泥岩相对最高，泥质含量越高，磁化率信号越强，泥质含量指示磁化率十分灵敏。这是运用体积磁化率进行岩性鉴定的理论依据。在现场观察孤南洼陷Es3钻井取心时，凭肉眼从宏观岩石学特征区别灰黑色粉砂岩和粉砂质泥岩是非常困难的，但是依据磁化率量值则很容易辨别上述2种岩性。使用便携式磁化率仪可以快速测定标本的磁化率，高磁化率的是粉砂质泥岩，低磁化率的则是粉砂岩。

使用常规地球物理测井资料如自然电位、声波时差、电阻率、自然伽马等，能在井剖面上快速、准确地识别出渗透层 （砂岩段）和非渗透层 （泥岩段），但是要在砂岩段上准确定位油气层，在泥岩段找到优质烃源岩层还需要做大量的定量解释工作。该次研究证实，碎屑储集岩磁化率与含油性关系密切，以岩性为约束，除去泥质成分的影响，储集岩含油程度越高，磁化率则越低，两者呈负相关，灰黑色富含有机质的油泥岩磁化率异常高，这可能与沉积物中的铁有助于有机质的保存有关［16］。首先利用常规地球物理测井资料在井剖面上划分出砂岩段和泥岩段，然后针对有石油地质意义的层段开展磁化率测井，砂岩段中的磁化率低值区就是可疑的油气层，泥岩段中的磁化率异常高值区可能就是优质的烃源岩层。

4 主要结论

1）孤南洼陷古近系储集岩磁性矿物含量低，磁化能力弱，可能存在与烃类流体－储集岩固体颗粒“水－岩”作用密切相关的超顺磁 （SP）-单畴 （SD）-假单畴 （PSD）细粒自生磁铁矿。

2）岩性是控制磁化率信号强弱的首要地质因素，体积磁化率与碎屑颗粒粒度呈负相关，泥质含量越高，磁化率信号越强，泥质含量指示磁化率十分灵敏。

3）碎屑储集岩磁化率与含油性关系密切，以岩性为约束，扣除泥质成分的影响，储集岩含油程度越高，磁化率越低，两者呈负相关。

4）在常规地球物理测井基础上，针对有石油地质意义的层段开展磁化率测井，砂岩段中的磁化率低值区就是可疑的油气层，泥岩段中的磁化率异常高值区可能就是优质的烃源岩层。

岩心样品采集得到了中石化胜利油田孤岛采油厂朱之锦、吏峰兵同志的帮助。孤岛采油厂杨晓敏博士在测试数据处理与解释过程中给予了热情指导。在此一并致谢。

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［编辑］ 龚丹

Relationship between Susceptibility and Oil-bearing Property of the Clastic Reservoir Rocks

LI Xuesen，XU Xingyu，WANG Zhongjiao （First Author' s Address：School of Earth Sciences，Guilin University of Technology，Guilin541004，Guangxi，China）

A total of 430specimens were collected from the Cenozoic clastic reservoir rocks in Gunan Sag for testing volumetric susceptibility and frequency susceptibility and non-magnetic susceptibility.The magnetic response rules of different clastic reservoir rocks were studied.The result showed that the lithologic property was the first geologic factor controlling the strong or weak of signals.Clay content indicating susceptibility was very sensitive.The susceptibility of clastic reservoir rocks was closely related with oil-bearing property.Constrained by lithologic property，after the effect of clay content was deducted，the higher the oil content of reservoir rocks was，the lower the susceptibility would be，its oil-bearing property and susceptibility are negatively correlated.There possibly existed SP-SD-PSD authigene magnetite in the oil-immersed clastic rocks induced by migration and accumulation of hydrocarbon fluid.Based on the conventional geophysical well logging，a susceptibility logging is carried out on the special stratigraphic units with the petroleum geological significance.The low-magnitude area of the magnetic susceptibility in the sandstone sections is probably suspected oil and gas layers.The high-magnitude area of the susceptibility in the mudstone sections is probably the high-quality source rocks.

magnetic susceptibility；oil-bearing property；clastic reservoir rock；Gunan Sag

P631.84

A

1000-9752（2014）04-0075-06

2013-06-20

国家自然科学基金项目 （41072097）。

李学森 （1970-），男，1993年大学毕业，博士，教授级高级工程师，现主要从事地球物理与构造地质研究工作。