柴达木盆地台南气田低阻气藏成因机理及测井评价

罗水亮 许辉群 刘 洪 张江华 严焕德

1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室·长江大学 2.长江大学地球科学学院 3.重庆科技学院石油工程学院4.中国石化胜利油田分公司新春采油厂 5.中国石油青海油田公司勘探开发研究院

国内外的研究成果已表明，低阻气层的形成主要受地质因素以及工程因素的影响，目前大多数低阻油气田的成因都受地质因素的影响。由于其一般地质因素非常复杂，识别难度很大，基于此，笔者通过对柴达木盆地台南气田的低阻气层成因进行分析、总结，建立了一套有针对性的评价方法来解决低阻气层的测井识别难题［1－3］。

1 地质背景

柴达木盆地三湖坳陷是新生代晚期形成的一个大型沉积坳陷，台南气田位于三湖坳陷的中部，天然气储量主体是第四系生物气，其主力含气层系为第四系下更新统涩北组Q1＋2层，主力气层埋藏浅，井深介于800～1 800m，成岩作用差，储层疏松，物性条件好，沉积环境主要为滨浅湖和半深湖沉积，岩性以泥质砂岩沉积为主，砂岩粒度很细，主要为含泥粉砂岩和泥质粉砂岩，细砂岩较少发育，为滨浅湖砂坝、滩砂和席状砂沉积，厚度较薄而横向连续性较好。

2 低阻气层的地质成因

2.1 构造特征

气藏的气水分布现状是天然气在运移过程当中产生的驱动力和孔隙毛细管压力平衡的结果。低幅度气藏的毛管压力和含气气饱和度都比较低，容易形成低阻气层。台南构造为一个近东西向的完整潜伏背斜，构造形态落实，圈闭完整，无断层发育，构造长轴平均10.7 km，短轴平均4.6km，为一个短轴背斜，地层总体平缓。

台南气田气藏类型为层状边水构造气藏，每个气组有多套的气水系统，没有统一的气水边界，边水体积大，气水过渡带宽，含气幅度也比较低，为10～30m，同时根据密闭取心分析化验结果显示，储层的束缚水饱和度总体含量为20%～95%，气层的平均束缚水饱和度比较高，为55%。因此台南地层平缓、气层幅度低也是造成低阻气层的重要原因。

2.2 沉积特征

台南气田涩北组中上段处于坳陷湖盆扩张阶段，水体逐步变深，物源供应相对均衡，但碎屑岩粒级相对变细，以粉砂岩为主，且砂岩厚度逐步变薄、泥岩厚度逐步变厚，从粒度概率累积曲线特征来看，概率累积曲线具典型滨浅湖沉积的特点，粒度概率曲线多为两段式，以跳跃总体和悬浮总体为主，斜率中等，反映了水动力条件较弱的沉积环境。研究区主要发育滨浅湖环境下的砂坝、滩砂和泥坪沉积，砂坝发育，受沉积相带控制，岩性以粉砂岩和泥质粉砂岩为主，砂岩有效厚度薄、物性差，成为低阻气层发育的有利条件。

2.3 微观特征

微观孔隙的大小及其分布特征决定了束缚水饱和度的高低，同时，由于亲水性强的黏土矿物的填充进一步改造了粒间孔隙，造成微孔隙的增加，岩石内比面的增大，薄膜滞水增多，含水饱和度增加。台南气田储层孔隙类以原生孔隙为主，仅有少量的次生孔隙。原生孔隙主要为原生粒间孔，其次为杂基内微孔；次生孔隙主要为溶孔，有少量裂缝发育。通过台5－x3及台试x5井铸体薄片（图1）对孔隙类型的统计表明，发现孔隙结构中84.78%为粒间孔，13.04%为微裂缝；喉道类型以缩颈型喉道为主，少量微喉道，孔径分布一般在0.1～1μm之间，面孔率在1%～15%之间。分析表明，台试5井孔隙以粒间孔为主，孔隙半径比较细，微孔隙比较发育，发育少量微裂缝。

图1 台5－13井样品中的粒间孔

对样品进行压汞分析实验，统计发现台南气田储层粒度中值变化范围在0.1～1μm之间，平均为0.3 μm，当粒度中值小于1μm时，气层电阻率降低明显。这主要是由于岩性变细、颗粒比表面增大、孔隙结构变得更加复杂、微孔隙大量出现，导致储层束缚水含量增加、含气饱和度下降、气层电阻率迅速降低［4－6］。台南气田样品孔隙度、渗透率中等，分选性较差，渗透率在9.44～309mD 之间，平均为79.3mD，孔隙度在25.1%～35.0%之间，平均为28.8%，台南气田束缚水饱和度介于20%～95%。

2.4 黏土附加导电

黏土矿物中以蒙脱石、伊蒙混层矿物以及伊利石的附加导电作用最为显著，当吸附阳离子的数量（即岩石表面的阳离子交换容量）较大时，吸附阳离子的附加导电作用非常显著，可以使气层电阻率明显降低，甚至形成低阻气层［7－10］。根据扫描电镜资料（图2），台南气田储层中可分别识别出蒙脱石、伊—蒙混层、伊利石、高岭石、绿泥石以及少量绿—蒙混层等自生黏土矿物，它们分布于粒表或粒间。通过统计台5－x3、台6－x8、台试x5等3口井各层位的黏土矿物相对含量发现，台6－x8蒙皂石平均含量11.9%，伊利石43%，台试x5和台5－x3井不含蒙皂石，但伊利石和伊／蒙混层均比较高，台试x5井伊／蒙混层含量高达43.8%，伊／蒙混层和伊利石平均含量在54%以上，可能存在黏土附加导电作用。

图2 台5－x3井电镜扫描图片

Waxman和Smits根据大量泥质砂岩样品的实验室测量结果，得出的经验方程为：

式中Co、Cw、Ct分别为100%含水泥质、砂岩和地层水的电导率，（Ω·cm）－1；F＊为在Cw足够高时，泥质砂岩的地层因素；B为交换阳离子的当量电导率，S·cm3／（mmol·m）；Qv为泥质砂岩的阳离子交换容量，mmol·m；n＊为饱和度指数；Sw为含水饱和度［11］。

图3中虚斜线为纯水砂岩在25℃实验条件下的关系曲线，从图3中可以看出，在淡的平衡溶液部分（Cw在0～2.5之间），泥质砂岩的电导率（Co）将随溶液电导率（Cw）的增加急剧增大，Co增加的速度远大于Cw增加的速度，当溶液电导率（Cw）进一步增加的时候，泥质砂岩的电导率（Co）将随溶液电导率（Cw）的增加呈线性增加，即当溶液电导率（Cw）大于2.5（Ω·cm）－1时，此时Co—Cw的曲线呈线性关系。根据W＆S模型，在常温（25℃）下，当溶液矿化度超过一定浓度时，阳离子附加电导B值将趋于一个非常有限的极值。矿化度越高，水溶液电导率（Cw）就越大，附加电导分量（BQv）与溶液电导（Cw）相比对总的电导贡献就越小。因此当地层水矿化度很高时，黏土附加电导作用是完全可以忽略的。

图3 不同温度下Co与Cw关系图

2.5 地层水矿化度对储层电阻率的影响

而台南气田地层水类型以CaCl2为主，地层水的矿化度总体比较高，对研究区气水层的地层水矿化度进行了统计分析。结果表明，研究区的地层水矿化度差别比较大，地层水矿化度在50 000～200 000mg／L之间。

根据台南气田平均矿化度为170 000mg／L，利用经验公式：

式中Rw为25℃时的地层水电阻率，Ω·cm；Cw为25℃时的地层水电导率，（Ω·cm）－1；pw为25℃时的地层水矿化度，mg／L。

由式（3）得到25℃时的Cw为69.8（Ω·cm）－1，远大于2.5（Ω·cm）－1的界限，再次证明台南气田的黏土附加导电作用是可以忽略的。同时也说明，该地区地层水矿化度较高，是造成电阻率绝对值低的主要原因之一。

3 钻井液侵入低阻成因

台南气田具有中、高孔渗，并发育微裂缝，由于使用淡水钻井液钻井且长时间浸泡，导致钻井液滤液侵入到地层深部，使得气层的电阻率测井测量得到的气层视电阻率值低于气层的真电阻率值。同时，由于淡水钻井液对高矿化度水层的长时间浸泡，在离子扩散作用下，水层的矿化度下降，造成水层的电阻率上升。在这种情况下，就出现了气层低侵、水层高侵的现象，即气层的视电阻率下降、水层的视电阻率上升，最终形成与水层电阻率差别不大的低阻气层［9］。

4 低阻气层识别方法

天然气传播速度要远远小于油和水，因此声波时差在存在天然气的地层中急剧增大，会产生“周波跳跃”现象，天然气含氢指数很低，中子测井会产生一种“挖掘”效应，储层含气时会引起补偿中子的视孔隙φN值降低。因此，岩性较纯的气层段，当把中子测井孔隙度和声波测井孔度在水层段重叠时，在气层段两孔隙段将会有明显的差值，即呈现明显的“镜像反映”特征［11－13］。

在钻井液侵入规律认识的基础上，建立基于钻井液侵入原理的气水识别方法，对研究区2口取心井（台5－x3、台6－x8）的830对数据回归分析表明，孔隙度与声波时差和补偿中子的有良好的线性关系。因此视声波孔隙度（φac）及补偿中子的视孔隙（φN），可以通过分别拟合孔隙度与声波时差和补偿中子来求取，并拟合以下公式：

结合基于淡水钻井液侵入特征分析以及声波孔隙度和中子孔隙度的“镜像反映”特征。通过引入“侵入因子”［（Rxo－Rt）／Rt］，其中Rxo、Rt分别为中、深感应测井值，建立“侵入因子”与 “镜像反映”（φac－φN）的交会图，可以有效地识别气水层（图4）。

图4 “侵入因子”与 “镜像反映”交会图

Waxman－Smits指出阿尔奇公式是基于孔隙结构相对简单的中高孔渗储层的实验提出的，阿尔奇公式对泥质含量比较低时比较实用，而对于泥质含量比较高又有一定裂缝发育的储层适应性就要差一点。因此在建立系统深入的岩电实验的基础上，探究不同孔隙结构储层的岩电参数变化规律，对阿尔奇公式的孔隙结构指数（m）和饱和度指数（n）进行修正，从而进一步能提高含水饱和度（Sw）计算精度。

研究区胶结指数与孔渗综合指数相关性较好，随着孔渗综合指数增大，胶结指数增大，反映随着储层的物性逐渐变好，胶结指数也逐渐接近理想砂岩。通过实际岩电资料的分析，建立了胶结指数与孔渗综合指数之间的关系式：

式中K／por为孔渗综合指数；Swb为束缚水饱和度。

式（6）、（7）分别为孔隙结构指数（m）和饱和度指数（n）的计算公式，利用修正的阿尔奇公式计算Sw，并建立电阻率—孔隙度—含气饱和度交会图，能够较好地识别气水层（图5）。

图5 电阻率—孔隙度—含气饱和度交会图

5 应用效果

利用变孔隙结构指数（m）和饱和度指数（n）的方法，能够有效地克服由于储层复杂多变而对含水饱和度解释造成的影响，同时结合交会图法可以很好地识别气水层，如台5－x5井1 318.6～1 320.5m 井段4号层，原来计算的含水饱和度为57%，为气层，通过采用变m和n的方法，计算的含水饱和度为66%，较常规饱和度计算模型提高了9%，解释为水层，同时结合交会图分析方法，认为声波孔隙度相对较小、补偿中子孔隙度大，没有产生明显的“镜像反映”，对比深—中感应发现存在明显的高侵现象，认为是高阻水层，后对该井段试气，不含气，日产水3.2m3，证实是水层。

6 结论

造成台南气田涩北组低阻气层的主要原因是由于水动力条件较弱的浅湖沉积环境下发育的岩性粒度细、黏土矿物含量高以及低幅度构造背景下的高束缚水饱和度，而地层水矿化度高、复杂的孔隙结构、极强的非均质性和微裂缝发育进一步降低了气层电阻率。此外，钻井液侵入与地层浸泡时间对电阻率测井造成的影响是低阻不可忽视的一个重要外因。基于台南气田低阻成因分析，建立变孔隙结构指数（m）和饱和度指数（n）的方法能有效地控制含水饱和度的计算精度。实例证明，“侵入因子”与 “镜像反映”的交会图以及电阻率—孔隙度—含气饱和度交会图能够有效地识别气水层。

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