东海N气田低阻气层成因分析及饱和度定量评价

王 迪，戚家振，陈 现，唐 浩，杨科夫，吕 鹏

(1. 中国石化上海海洋油气分公司勘探开发研究院，上海 200120； 2. 川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司，四川 成都 610213；3. 中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

东海N气田低阻气层成因分析及饱和度定量评价

王 迪1，戚家振1，陈 现1，唐 浩2，杨科夫3，吕 鹏1

(1. 中国石化上海海洋油气分公司勘探开发研究院，上海 200120； 2. 川庆钻探工程有限公司地球物理勘探公司，四川 成都 610213；3. 中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000)

N气田H3c层上部发现了典型的低阻气层，且具有一定的储量规模。该低阻气层的电阻率接近水层的电阻率，且低阻成因认识不清，给测井解释模型的选择和饱和度准确计算带来了较大的难度。针对这些问题，采用微观分析和宏观分析相结合的思路，使用了X-衍射、压汞等岩心分析化验和随钻电阻率、电成像和核磁共振测井等资料，运用和相邻常规气层对比的方法，对H3c上部形成低阻气层的原因进行了分析，认为造成低阻的原因为高不动水饱和度和粘土附加导电作用，并在此基础上选用了可以定量体现出粘土附加导电作用的W-S饱和度模型对低阻气层进行测井评价，取得了良好的效果。

低阻气层 W-S饱和度模型 粘土矿物附加导电性 核磁共振测井

N气田位于东海盆地西湖凹陷Z背斜带中北部，钻井揭示地层自上而下依次为新生界第四系全-更新统东海群，上新统三潭组，新近系中新统龙井组、玉泉组、柳浪组，古近系渐新统花港组，其中主要的含气层位花港组是在始新世断陷作用之后向坳陷转变阶段沉积充填的产物，属于陆相背景下的浅水湖泊-三角洲沉积体系。始新世末期，太平洋板块进一步俯冲，东海陆架盆地由强烈断陷逐步向坳陷转变，海水退去，陆架外缘隆起，大量沉积物由隆起区直接进入湖泊，形成了花港组巨厚的粗碎屑建造。根据前人的研究成果和本地区的多种地质资料，认为花港组气藏主要属于辫状河-三角洲沉积体系，形成的砂体具有厚度大、岩性粗、河道多期叠加的特征。

花港组主要的目的层为花三段b砂组(H3b)、c砂组(H3c)和花四段b砂组(H4b)，N气田的低阻层段位于H3c顶部，钻遇H3c的三口探井的低阻层段平均厚度达17 m，具有一定的储量规模。然而，一方面，H3c低阻气层的电阻率接近甚至低于区域标准水层的电阻率，使得用常规方法难以准确计算含气饱和度，另一方面，H3c段岩心分析化验资料较少，且整个西湖凹陷缺乏对低阻气层评价的先例，这给测井定量解释模型的选取工作带来了较大困难。

1 储层特征

1.1 储层岩石学特征

N气田H3b和H3c段主要为三角洲平原-三角洲前缘亚相沉积，储层岩性以浅灰色细砂岩为主，部分为中砂岩和粉砂岩，局部含砾。从矿物组成看，H3b和H3c段以长石岩屑质石英砂岩、长石质岩屑砂岩为主，不稳定组分含量在35%～45%，反映了离物源较近的特征。磨圆度次棱—次圆，分选中等或中等—好，颗粒接触方式为点-线或线接触。表1为区域典型井N-2井三个层段——H3b、H3c上部低阻段和下部高阻段的岩心、壁心的矿物类型，三个层段的矿物类型较为接近(H3b中的纯气层均为高阻气层，因该层段岩心分析化验资料丰富，故用作与H3c的对比分析)。

表1 岩石骨架矿物成分含量统计

1.2 储层物性特征

从图1中可以看出，H3b储层孔隙度区间为7%～15%，渗透率区间为(0.5～50)×10-3μm2，为特低—低孔、特低—低—中渗储层，局部存在渗透率大于100×10-3μm2的中孔、高渗储层。H3c底部高阻气层段孔渗关系与H3b接近，主要为特低—低孔、特低—低渗储层，而H3c上部低阻气层段的孔渗关系和其他相邻层段存在明显差别，主要为低—中孔、特低—低渗储层，在相同的孔隙度条件下，渗透率明显偏低。

图1 岩心、壁心孔-渗关系

1.3 储层测井响应特征

图2显示，储层段砂岩的自然伽马值为55～80 gAPI，密度值为2.31～2.52 g/cm3，而电阻率值上下呈现出明显的差异，顶部气层气测全烃值饱满，但电阻率仅为7～9 Ω·m，而下部电阻率普遍大于30 Ω·m，物性好、天然气充注饱满处(如X634 m，密度2.31 g/cm3，压降流度490.6×10-3m2/cP)电阻率最高可达79 Ω·m，呈现出典型的“上部低阻，下部高阻”的特征。

1.4 流体性质特征

N-2井H3c在X606.5 m(低阻段)进行了MDT泵抽取样，泵抽时气体很快突破且气体纯度很高，烃类气体中C1占92.3%，泵抽后期水段塞电阻率无明显升高，故证实了H3c上部为低阻气层。

2 形成气层低阻的原因分析

2.1 低阻成因概论

通过资料的调研，总结得到造成油气层低阻的原因主要有以下几种[1-4]：

高不动水饱和度：不动水主要包括岩性细导致的不动水、泥质重引起的不动水、复杂孔隙结构形成的不动水等，而高饱和度不动水会明显改善岩石导电网络，造成油气层低阻；

粘土附加导电作用：不同的粘土矿物，附加导电能力存在明显的差异，若油气层中存在阳离子交换能力较强的粘土矿物时，可能会导致油气层低阻；

钻井液侵入：当使用盐水钻井液钻井时，泥浆滤液侵入储层，会造成冲洗带、侵入带电阻率明显降低，若钻进时过平衡明显或浸泡时间长，可能会导致原状地层电阻率降低；

油气层与水层地层水矿化度不同：由于成岩作用或构造运动等原因导致油气层的地层水(不动水)矿化度明显高于水层自由水矿化度时，会导致低对比度油气层的形成；

砂泥岩薄互层：由于电阻率测井仪器存在一定的纵向分辨率(如深浅双侧向的纵向分辨率约0.6 m，深、中感应、阵列感应深电阻率的纵向分辨率≥1 m)[1]，当砂泥互层频繁时，会导致储层电阻率受泥岩或泥质夹层的影响，导致低阻特征的形成；

导电矿物存在：当储层中导电矿物(如黄铁矿)富集时，会导致电阻率降低。

图2 N-2井H3c测井综合数据

2.2 低阻原因分析

如上一节所述，造成储层低阻主要有以上6大类原因，下面通过排除法来确定造成N气田H3c顶部气层低阻的原因。

N-2井使用了随钻测井仪器测量储层电阻率，仪器零长约3.5 m(即钻头至电阻率仪器的距离)。从图2中可以看出，低阻层钻进时钻速约为8～17 m/h，即地层从揭开到被电阻率仪器测量，时间仅为12～25 min(钻井液密度1.2 g/cm3)，在如此短的时间内，认为泥浆滤液的侵入作用并不显著，同时深、中、浅随钻电阻率曲线几乎不存在差异也可证实这一点。并且，H3c下部物性较好的几个层段，钻速为4～9 m/h，在浸泡时间比上部长的情况下，电阻率仍明显高于上部，故认为钻井液侵入并不是造成储层低阻的原因。

由于海上钻井成本昂贵，对时效要求较高，故N气田几口探井均未对H3c水层作DST测试，而且泵抽亦未获得纯净地层水(含泥浆滤液)，因此无法直接判断H3c上部低阻层是否由地层水矿化度变化导致。

图2显示，H3c上部和下部并无明显隔层，上下地层水可以进行离子交换，由此推测，认为上下地层水矿化度不同并不是导致H3c顶部形成低阻气层的主要原因。

N-2井H3c未进行钻井取心，因此无法通过岩心描述分析是否存在明显的砂泥互层现象。图3a、3b、3c分别为H3c上部低阻段(X603.5～X606.5 m，GR约60 gAPI)及下部高阻段(X631～X634 m，GR约62 gAPI，X657～X660 m，GR约53 gAPI)的电成像动态图像，三个组段虽然局部泥质偏重，但无明显的砂泥频繁互层现象。有模拟实验结果表明，当单砂体厚度超过0.5 m时，由砂泥互层造成的低阻特征已不明显[1]，故认为H3c顶部低阻并不是由于泥质夹层或砂泥互层造成的。

图3 H3c部分井段电成像动态图像

通过薄片分析、X-衍射实验，并未发现H3c上部储层含有黄铁矿等导电矿物，故认为H3c顶部低阻并不是由于导电矿物造成。

为分析高不动水饱和度是否为造成H3c上部低阻原因之一，分别作H3b、H3c上部低阻气层、H3c下部高阻气层孔隙度与平均孔隙直径(铸体薄片分析结果)、平均喉道半径(压汞分析结果)、束缚水饱和度(压汞分析结果)的关系图，如图4a、4b、4c。其中，束缚水饱和度可以直接体现不动水含量，而平均孔隙直径和平均喉道半径参数也与不动水含量密切相关。

为排除其他因素(如压实作用强弱)影响，选取的H3b岩心数据点来自N-3井，该井H3b取心段的垂深与X-2井H3c垂深接近。

图4 H3c不同深度段参数关系

图4中，平均孔隙直径、平均喉道半径及束缚水饱和度与孔隙度的关系，H3c下部与H3b均十分接近，而H3c上部与其他两个层位相比均有明显的差异。在相同的孔隙度条件下，H3c上部储层平均孔隙直径、平均喉道半径明显偏小，而束缚水饱和度明显偏大。

核磁共振测井可以反映不同大小的孔隙分布，从而体现出储层中不动水含量[5-6]从图5中可以看出，上部低阻段储层T2谱频带较宽且多峰特征明显，落在T2截止值左侧的面积较大，说明束缚水饱和度相对较高，且物性非均质性较差。而下部高阻段中大孔隙特征明显，T2谱峰大多落在截止值右侧，且均质性相对较好。因此，H3c上部气层低阻与不动水饱和度密切相关。

a.H3c上部 b.H3c下部

图5 H3c核磁共振T2谱图

图6 伊蒙混层与绿泥石含量交会

为分析低阻与粘土附加导电作用强弱是否相关，分别统计了上述三个层段岩心粘土矿物中伊-蒙混层、伊利石、高岭石和绿泥石含量，发现H3c低阻段伊-蒙混层含量高，达40%以上，H3b伊-蒙混层含量很低，大都低于15%，而绿泥石含量很高(图6)。H3c下部高阻段伊-蒙混层含量高于H3b，而绿泥石明显偏低，说明H3c的沉积环境与H3b已存在明显不同，但H3c上下部分的粘土矿物成分仍存在明显差异，下部伊-蒙混层含量明显低于上部低阻段。需要说明的是，为排除其他因素(如不同成岩阶段)的影响，选取的H3b岩心数据点来自N-3井，该井H3b取心段的垂深与X-2井H3c垂深接近。H3c井壁心数据点来自N-2、N-4两口井。

粘土矿物中，蒙脱石的CEC(阳离子交换能力，指单位质量岩样中可交换阳离子的数量，可定量表征粘土附加导电作用强弱)最高，而绿泥石最低，高岭石和伊利石居于两者之间[7]。由于伊-蒙混层中含有蒙脱石成分，故H3c顶部低阻段的粘土附加导电能力明显高于其它层段。为定量比较三个层段粘土附加导电能力强弱，需获取岩心CEC值，但由于N气田无岩心CEC分析化验实验，故只能根据每种粘土矿物CEC理论值[7](如表2)，结合其比例关系，估算出每个层段岩心粘土矿物的阳离子交换能力CEC值。其中伊蒙混层的CEC值根据伊利石、蒙脱石以及其混层比进行估算。

表2 不同类型粘土矿物CEC理论值及计算取值

图7 伊-蒙混层与粘土CEC交会

图7中粘土CEC值受伊-蒙混层含量影响较大。H3b层岩心粘土CEC值平均仅约0.08 mmol/g，H3c下部平均约为0.17 mmol/g，而H3c上部低阻段平均约为0.26 mmol/g，即假设在粘土含量相同、其他因素相近的条件下，H3c上部低阻段的粘土附加导电能力比H3c下部和H3b分别高出53%和225%，故证实粘土附加导电能力也是导致H3c上部气层低阻的原因。

3 低阻气层饱和度计算

3.1计算模型的选择

通过上述分析，证实粘土类型的不同是导致H3c上部形成低阻的重要原因。因此，为准确进行低阻气层饱和度计算，需要使用能够体现不同成分粘土的附加导电能力不同的测井解释模型来计算饱和度[7-9]。为此，采用了基于阳离子交换能力的W-S模型[10]。W-S模型的基本形式如式(1)：

(1)

其中，Ct为泥质砂岩电导率，(Ω·m)-1；Cw为地层水电导率，(Ω·m)-1；Sw为含水饱和度，v/v；F*为纯砂岩的地层因素，或认为是Cw足够高时泥质砂岩的地层因素；I*为纯砂岩的电阻率增大系数；B为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/cm3。

其中，Qv可由CEC计算得到，如式(2)：

(2)

其中，CEC为阳离子交换能力，mmol/g岩样；φt为总孔隙度，v/v；ρv为岩石颗粒密度，g/cm3；Qv为阳离子交换能力，mmol/cm3。

若需要对低阻气层进行饱和度精确计算，B值和Qv值需要通过实验测定，但由于本地区无该两项目的岩心分析化验资料，故可使用理论值或借鉴经验公式进行计算。对于Qv，使用表2中的数据，计算出各岩样的CEC和Qv值，然后选取各层段岩心的Qv平均值，作为该层段计算饱和度时所使用的Qv的特征值。

B值受温度影响较大，使用不同温度下的B值计算出的饱和度会存在一定差异。周灿灿等人以W-S模型为理论基础进行实验，得到了不同温度条件下B值的大小[11]。关系式如式(3)～(6)：

(3)

Bmax=4.51+0.101 8T+2.85×10-5T2

(4)

WA=4.17+0.097T+6.57×10-5T2

(5)

γ=1.07+0.017T+4.55×10-5T2

(6)

一方面，上述实验是对W-S公式中的基础参数进行的温度关系实验，另一方面，该组公式已在60余口井获得良好的应用效果，因此具有一定的普适性。故针对N气田的低阻气层饱和度研究，使用了上述公式计算B值。经对比，25℃条件下，运用上式计算出来的B值为6.8，而140℃条件下B值为13.3，增大近1倍，说明其对温度敏感性强，从而证明了使用上述方法计算随温度变化的B值的必要性。

从式(1)中可以看出，BQv(B参数与岩样Qv的乘积)是W-S模型与传统阿尔奇公式的最重要的差异，它与Cw的比值反映了地层水导电能力与粘土阳离子交换作用导电能力的相对大小。为定量衡量使用W-S模型进行低阻校正的效果，取Cw=5，地层温度T=140℃，运用式(2)和式(3)～(6)计算出H3c顶部低阻气层的BQv值为7.4，与Cw的比值为1.48，即该层段粘土附加导电能力强于地层水导电能力，说明对于H3c低阻气层段，粘土附加导电能力对地层导电性能的贡献更大，从而证实了使用W-S饱和度模型的必要性。

3.2 应用效果

图8为N-2井H3c测井解释成果图。其中第6道为使用W-S模型计算的含水饱和度和使用阿尔奇公式计算的含水饱和度的对比，第5道为使用W-S模型计算的含水饱和度和使用核磁共振资料计算的束缚流体饱和度(T2截止值法)的对比。从图中可以看出，使用W-S模型计算出的含水饱和度，与CMR束缚流体饱和度接近，尤其是在上部低阻气层段，两条曲线吻合度很高，说明使用W-S模型计算低阻气层饱和度具有较高的精度。同时，分别使用W-S模型与阿尔奇公式，在H3c下部高阻气层计算出来饱和度较为接近，说明对于常规气层，两种模型都有较高的适用性，但是在上部低阻气层，阿尔奇公式计算出的含水饱和度高达97%(1、3号层)和81%(4号层)，说明对于由粘土附加导电能力变化导致的低阻气层，使用W-S模型计算饱和度的必要性。需要注意的是，运用CMR资料得出H3c上部低阻层的束缚水饱和度可达55%～65%，而下部相近孔隙度条件下的层段，束缚水饱和度仅有35%～40%，故从测井角度上证实了不动水饱和度高也是导致H3c上部形成低阻气层的重要原因。

图8 N-2井H3c层饱和度解释成果

4 结论

(1)岩心压汞、薄片、X-衍射、成像测井、核磁共振测井资料和电缆测压取样资料在低阻气层的验证和成因分析方面有非常重要的作用，运用上述岩心和测井资料，经分析得到高不动水饱和度和粘土附加导电能力的变化是使H3c上部形成低阻气层的重要原因；

(2)使用可以体现粘土附加导电能力差异的W-S模型计算低阻气层饱和度，取得了良好的效果，同时从测井角度验证了高不动水饱和度是形成低阻气层的原因之一。

[1] 中国石油勘探与生产分公司.低阻油气藏测井评价技术及应用[M].北京：石油工业出版社，2009：1-17.

[2] 王辉.姬塬地区高束缚水成因低阻油层测井识别方法研究[D].北京：中国地质大学，2005.

[3] 申怡博.定边东韩油区低阻油层测井识别综合研究[D].西安：西北大学，2010.

[4] 王博，赵军，王淼，等.断块低阻油层测井识别与评价[J].岩性油气藏，2012，24(6)：110-114.

[5] 罗兴平，苏东旭，王振林，等.核磁共振测井在低阻油层评价中的应用——以准噶尔盆地阜东斜坡头屯河组为例[J].新疆石油地质，2017,38(4)：470-476.

[6] 楚泽涵，高杰，黄隆基，等.地球物理测井方法与原理[M].北京：石油工业出版社，2007：249-270.

[7] 雍世和，张超谟.测井数据处理与综合解释[M].东营：石油大学出版社，1996：184-195.

[8] 斯扬，王楠，刘博彪.C油田低阻油层形成机理及测井含水饱和度的计算[J].石化技术，2015(2)：171-174.

[9] 张磊.渤海低阻油层测井评价研究[D].东营：中国石油大学，2010.

[10] WAXNAB M H，SMITS L J M.Electrical Conductivities in Oil-Bearing Shaly Sands[J].Spe Journal，1968，8(8)：107-122.

[11] 周灿灿，程相志，周凤鸣，等.W-S模型中B参数的确定方法[J].测井技术，2000，24(3)：179-182.

Formingreasonanalysisandsaturationquantitativeevaluationoflow-resistivitygaslayerinNGasfieldofDonghaiSea

WANG Di1, QI Jiazhen1, CHEN Xian1, TANG Hao2, YANG Kefu3, LYU Peng1,

(1.InstituteofExplorationandDevelopment,ShanghaiOffshoreOil&GasCompany,SINOPEC,Shanghai200120,China;2.GeophysicalProspectingCompany,CCDC,Chengdu, 610213,China;3.ResearchInstituteofExplorationandDevelopment,TarimOilfieldCompany,PetroChina,Korla841000,China)

Typical low-resistivity gas layers were found in the upper H3c layer of N Gasfield, which has a considerable reserve scale. The resistivities of these layers are very close to those of aqueous layer. In addition, the forming reason is confused. As a result, it is very hard to choose a suitable logging interpretation model and calculate the saturation of gas layer. In order to solve these problems, based on the thinking of combining microcosmic analysis with macrocosmic analysis, with the use of core analysis such as X-ray diffraction, mercury injection, and so on, and logging data just like LWD resistivity, imaging and magnetic resonance, the forming reason of low-resistivity gas layers in the top of H3c was analyzed by comparing with adjacent conventional gas layers. It is considered that the low resistivity is caused by high irreducible water saturation and the additional conductivity of clay. On the basis of above analyses, the W-S saturation interpretation model, which can reflect the additional conductivity of clay quantitatively, was used to evaluate the low-resistivity gas layer. So a good effect was acquired.

low-resistivity gas layer；W-S saturation model；additional conductivity of clay mineral； magnetic resonance logging

TE133

A

10.16181/j.cnki.fzyqc.2017.04.002

2017-09-25；改回日期2107-10-09。

王迪(1989—)，硕士，工程师，主要从事油气地质及测井综合解释工作。E-mail:wangdi.shhy@sinopec.com。

中国石化上海海洋油气分公司科研项目“N气田可动用储量及气藏工程概念方案研究”(编号：34000002-15-ZC0613-0001)资助。

(编辑 杨芝文)