南堡地区火山岩蚀变特征及储层测井评价

2020-07-20田晓冬刘得芳殷秋丽庄东志

世界地质 2020年2期

田晓冬，刘得芳，殷秋丽，庄东志

中国石油冀东油田分公司勘探开发研究院，河北唐山 063000

0 引言

与沉积岩储层相比，火山岩储层是一类 “特殊”的储层类型。自发现以来，人们对火山岩储层的形成、分布和测井评价十分关注[1]。几十年来，对火山岩储层控制因素的研究不断深入，但总体都是围绕酸性火山岩展开，随着国内众多中基性火山岩具有优良的油气藏储集性的发现，中基性火山岩储层测井评价受到越来越多的国内研究人员的关注[2-3]。火山岩储层岩石类型、孔隙结构复杂多样，学者们对火山岩储层做了大量的研究工作，包括岩性识别、物性评价及流体识别等，但研究对象多为未蚀变的火山岩，而对于蚀变火山岩的测井解释研究相对较少。王春燕等[4]利用岩性指数和蚀变指数建立火山岩蚀变判别方法，校正了蚀变后的电阻率曲线，根据校正后的电阻率与孔隙度建立了一种蚀变火山岩气水层识别的方法；朱学娟等[5]为提高储层储集性能评价的实际性，对蚀变玄武岩储层的有效性进行了分析；申波等[6]利用主成分分析(PCA)技术，通过连续提取岩石的变骨架参数计算了蚀变地层的孔隙度；张丽华等[7]建立了包含基质、裂缝和非连通孔洞的三重孔隙模型，构建了包含黏土影响火山岩储层的饱和度方程，但未给出黏土含量的计算方法；杨雪[8]研究了各类原岩能够发生的蚀变种类，构造了以单岩性骨架矿物、孔隙和黏土矿物三组分体积模型，结合变骨架中子-密度交会图，研究了不同岩性火山熔岩的孔隙度和蚀变黏土含量；孙茹雪[9]建立了考虑蚀变的中基性火山岩储层模型，利用五组分人工蜂群算法(ABC)对火山岩储层进行了评价计算；高衍武等[10]利用黏土蚀变程度指数对黏土化蚀变火山岩的黏土含量进行定量计算，利用体积模型对黏土化蚀变的火山岩孔隙度进行了计算。

前人关于蚀变火山岩孔隙度计算的研究较多[6-10]，而针对蚀变火山岩饱和度的研究则相对较少。南堡地区沙河街组中基性火山岩发育，由薄片分析资料发现，研究区A、B、C 3口井存在不同程度的蚀变现象。火山岩蚀变会直接影响到储层的孔隙结构，产生的黏土矿物对测井响应影响较大，如果忽视蚀变对储层的影响，将严重影响到储层测井解释的准确性，进而导致储层划分不准而造成一定的经济损失。因此，笔者通过研究蚀变作用对储层物性、测井响应特征等带来的影响，构建能够定性判别蚀变程度的指标因子，并根据自然伽马、深侧向电阻率、声波、密度和中子5条测井曲线拟合预测黏土含量，定量评价储层的蚀变程度。通过岩电实验发现火山岩蚀变前后阿尔奇公式中的饱和度指数发生变化，并对储层饱和度的评价产生了影响。该研究对增强火山岩储层的认知水平具有实际意义，对火山岩储层油气藏精细评价及后期勘探开发提供理论参考依据。

1 火山岩蚀变及产物

1.1 火山岩蚀变机理

岩石的蚀变作用，是指岩石在一定的环境下，经过一系列的化学和物理变化导致微观组成和结构构造发生改变的作用。火山岩发生蚀变可能由2种作用引起：①风化淋滤作用，②热液交代蚀变作用。

风化淋滤作用包括物理和化学风化作用，物理风化作用是指岩石只发生机械破碎而化学成分未改变的风化作用。物理风化的结果是使岩石破碎，形成各种碎屑物质。化学风化作用是岩石与矿物在一定的环境条件下(水、氧气和二氧化碳)，经过一系列的化学反应，发生分解或溶蚀，改变岩石的化学成分，形成次生孔隙和溶蚀孔洞等[11]。

热液交代蚀变作用是热液在开放或半封闭系统内运动过程中产生的，热液物质会以离子、分子(团)等形式运动，沿各种大小裂隙，包括粒间孔隙、毛细裂隙和矿物的节理等对原岩进行交代或物质置换。热液活动的存在，使岩石内部结构、构造和矿物共生关系变得非常复杂。在热液交代过程中，溶解和沉淀几乎是同时进行的，通常遵循等体积定律，即岩石体积一般不会发生改变[12]。在南堡研究区，中基性火山岩多发生热液交代蚀变作用。

1.2 火山岩蚀变类型及产物

火山岩热液交代蚀变主要分为黏土化和非黏土化蚀变两种(表1)。在水和气等热液作用下，火山岩中的橄榄石常蚀变为伊利石和方解石，斜长石蚀变为高岭石，辉石和角闪石蚀变为绿泥石，而绿泥石及方解石还可进一步蚀变为氧化铁等[4]。综合来看，火山岩的蚀变具有两面性：一方面可能有利于成储，另一方面可能会破坏储层孔隙的有效性。因此，对于蚀变火山岩储层分析时，要充分考虑这两种蚀变对储层造成的影响。

表1 火山岩蚀变类型

原岩发生蚀变作用的强度与范围主要取决于原岩和流体的物理化学性质。二者差异越大，蚀变作用越强烈，蚀变作用越广泛。常见的蚀变类型很多，根据蚀变作用产生的主要矿物进行分类，如绿泥石化、黑云母化、绿帘石化和绢云母化等；根据蚀变后的岩石分类，如云英岩化、矽卡岩化和青盘岩化等；以特征性的交代元素、化学组分或化合物分类，如钾化、钠化、硅化和碳酸盐化等[8]。研究区火山岩发生的大都是绿泥石化，蚀变的黏土产物多为绿泥石。绿泥石主要是由铁、镁硅酸盐矿物直接分解形成或由中、低温热液带入铁、镁组分发生交代蚀变而成。

2 火山岩蚀变层测井响应及评价

2.1 火山岩蚀变及储层空间特征

图1是研究区内3口井(井A、B、C)20块火山岩岩样(A井8块、B井7块、C井5块)的黏土含量直方图，图2是这些岩样的主要矿物含量直方图。从图1可以看出，A井岩样的黏土含量为3.4%～36.5%，平均为18.7%；B井为12%～36.4%，平均为20.3%；C井为14.4%～26%，平均为19.1%。由此可知这3口井火山岩的黏土化程度较高。由图2可知碳酸盐岩(方解石)含量，A井平均为4.1%，B井为9.1%～18.5%,平均为14.1%，C井13.1%～28.1%，平均为14.8%。可见研究区内火山岩黏土化明显，碳酸岩化并不是特别普遍。研究区内火山岩主要的矿物为斜长石、石英和辉石，蚀变产物以黏土矿物为主，并有一定量的方解石。

图1 研究区A、B、C井黏土含量直方图Fig.1 Histogram of clay content in wells A, B and C in study area

图2 矿物含量直方图Fig.2 Histogram of mineral content

表2为X-衍射黏土矿物相对含量分析数据表，可见除了B井含蒙脱石外，A井不含蒙脱石，C井含伊蒙混层。伊利石普遍较少，基本<15%。各井的绿泥石相对含量较多，尤其是C井绿泥石相对含量较高，达到28%～74%。

表2 X--衍射黏土矿物分析

表3为研究区8块岩样扫描电镜综合特征以及储集性能描述。由表3可见，A井的岩样较致密，且多见蚀变的绿泥石。B井孔隙发育，绿泥石和伊利石多见。C井的2块岩样，黏土矿物主要为绿泥石、蒙脱石和孔隙，均较为发育。3口井中均发育黏土矿物，多见绿泥石，绿泥石是黏土化蚀变常见的产物之一，由此也可验证研究区蚀变作用多以黏土化为主。

2.2 蚀变火山岩储层测井响应特征

在前人研究的基础上[13-17]，结合南堡地区薄片及全岩分析资料，对研究区蚀变火山岩储层测井响应特征进行分析。测井响应能够反映出储层多方面性质，如储层岩性、孔隙结构和孔隙流体等。研究发现火山岩发生蚀变时，测井曲线特征发生变化。

电阻率测井特征一般来说，火山岩骨架为非导体，电阻率测井曲线能够指示储层孔隙结构及孔隙中流体类型。当火山岩储层发生黏土化蚀变时，某些骨架矿物蚀变生成一定量的黏土矿物，这些黏土矿物含水较多、导电性较强，对电阻率测井有附加影响[13]。此时电阻率测井值不仅反映了孔隙流体性质，还包括了蚀变黏土的导电性。由于影响储层导电性的因素复杂多样，仅靠电阻率测井很难直接反映蚀变的影响，就本研究区而言，蚀变层较未蚀变层电阻率测井值略有减小。

表3 扫描电镜综合特征描述

中子测井特征中子测井是地层含氢量的直接反映。常规储层中，含有氢核的油或水充填在储集空间中，因此储集层的含氢量多少反映了岩石孔隙度的大小。火山岩蚀变层段通常会出现中子测井值异常高的现象[14]，研究发现火山岩发生蚀变后产生的绿泥石、浊沸石和绢云母等矿物中存在大量的结晶水和结构水，这些水分的存在能够直接导致中子测井响应的高异常[15]。尤其是在发生特别严重的蚀变时，绿泥石化后引起中子测井值异常，使得中子测井值明显高于同类未发生蚀变的火山岩。本研究区火山岩层段，未蚀变层的中子测井平均值≈8%，蚀变层段的均值>16%。

密度、声波测井特征未蚀变的火山岩基质孔不发育，骨架密度大。发生蚀变以后，基质孔不断发育，长石及暗色矿物蚀变形成黏土，具有泥质岩类性质，与未蚀变的中基性火山岩比较，岩石密度降低、声波时差增大。随着蚀变程度的增大，储层黏土含量增加，储层物性、含气性均变差[16-17]。研究区未蚀变层的密度、声波测井均值分别为2.55 g/cm3、60 μs/ft，蚀变层为2.50 g/cm3、68 μs/ft。

ECS测井特征中基性火山岩发生蚀变会降低国际上通用的TAS模版识别火山岩岩性的可行性。根据经薄片证实的火山岩岩性所对应的TAS图，表明基性玄武岩发生绿泥石化时SiO2含量增大，导致在TAS图上数据点落到中性火山岩区域，混淆了火山岩的岩性，若不结合其他资料，则会把基性火山岩错误地判断为中性火山岩。研究区内的C井玄武岩在TAS图上表现为中性而不是基性，就是由于玄武岩蚀变导致SiO2含量增加引起的。

2.3 火山岩储层蚀变程度评价

火山岩蚀变过程复杂多样，蚀变后给储层评价带来的困难较大。笔者针对蚀变严重的A井，选取了蚀变段与未蚀变段进行对比评价。在前人研究[4]的基础上，提出了一个蚀变指数IA来反映蚀变作用的强弱程度：

(1)

式中：CNL为中子孔隙度(%)；RLLD是深侧向电阻率(Ω·m)。

蚀变作用发生时，产生的黏土矿物含有大量结晶水或结构水，使中子孔隙度增大，电阻率测井值减小，因此式(1)可以用来描述蚀变程度，蚀变指数IA越大，表明岩石蚀变程度越高；IA越小，蚀变程度越低。

由式(1)计算出A井全井段的IA值，图3为蚀变层段与未蚀变层岩样对IA大小的柱状图。通过蚀变指数的大小，可初步估计火山岩储层的蚀变情况。

图3 蚀变与未蚀变层IA柱状图Fig.3 Histogram of IA from altered and unaltered layers

岩芯归位后，薄片鉴定发现A、B、C 3口井均存在蚀变现象，根据测井曲线与全岩黏土矿物含量对比分析发现，A井多为绿泥石化，B井和C井中碳酸盐化与黏土化交织存在，这二者对测井曲线的影响是相反的，难以区分，因此本文提取A、B、C井中出现蚀变的部分岩样的测井数据，将自然伽马、电阻率、声波、密度和中子5条曲线与实际的黏土矿物总量做多元回归计算，定量计算出黏土含量：

Vcl=f(GR,RLLD,AC,DEN,CNL)

(2)

根据式(2)，可以在已知测井数据的情况下计算出黏土矿物总量。作出预测值与实际黏土分析值交会图(图4)，相关系数>90%，表明回归效果良好。

图4 预测黏土矿物Fig.4 Prediction of clay mineral content

由式(2)计算A、B、C 3口井全井段的预测黏土含量，通过预测黏土含量的高低，可以初步判断发生蚀变的层段。计算研究区全部岩样的IA，根据IA的大小与计算得到的预测黏土含量，再与岩芯薄片和扫描电镜等资料结合，更准确地划分出研究储层的蚀变层段。

3 研究区蚀变火山岩储层饱和度评价

采用阿尔奇公式计算饱和度:

(3)

式中：SW为含水饱和度；RW为地层水电阻率；Rt为地层电阻率；φ为孔隙度；a为岩性参数；m为胶结指数；n为饱和度指数。

孔隙度采用声波测井数据计算得到:

(4)

式中：AC、ACma、ACf、ACsh分别为目的层声波时差测井值、岩石骨架声波时差、地层流体声波时差和黏土声波时差；Vcl为黏土含量，由式(2)计算得到。

阿尔奇参数a、m均采用岩电实验测量结果。在确定饱和度指数n时，由于研究区火山岩蚀变多为黏土化蚀变，产生的蚀变矿物如绿泥石、伊利石等润湿性为油湿，而油湿矿物的存在，会导致储层的饱和度指数n增大。因此，在计算饱和度时，蚀变区与未蚀变区的n取值不同。

根据岩电实验数据，做含水饱和度SW与电阻率增大系数I的交会图(图5)，拟合后得到蚀变层段(a)的饱和度指数n=2.936，未蚀变层段(b)的n=1.623。根据式(3)，分别计算得到蚀变层段与未蚀变层段的含水饱和度。

图5 蚀变(a)与未蚀变(b)层段n值确定Fig.5 Determination of n in altered (a) and unaltered(b) layers

4 结论

(1)研究区存在火山岩蚀变的现象。蚀变后的火山岩对测井响应有着明显的影响。火山岩蚀变产生的绿泥石和伊利石等黏土矿物内部有大量结晶水存在，导致中子孔隙度增大，声波时差增大，电阻率减小，密度减小。

(2)通过自然伽马、电阻率、声波、密度和中子5条曲线与实际的黏土矿物总量做回归计算预测蚀变黏土含量，得到的预测黏土含量与实际含量相关性>90%。通过分析蚀变作用对测井资料的影响，定义了蚀变指数IA，该指数能判断蚀变程度的大小，蚀变指数IA越大，表明蚀变程度越高，黏土含量越高；蚀变指数IA越小，则说明储层蚀变程度越低，黏土含量越低。

(3)蚀变后的储层饱和度指数n>未发生蚀变时的n，这是由于火山岩储层发生蚀变时生成了湿润性为油湿的蚀变产物，导致n值增大。通过岩石物理数据得到蚀变与未蚀变时的n值，利用阿尔奇公式评价研究区储层的饱和度，通过对比饱和度曲线发现，将蚀变对n值的影响考虑到计算饱和度中是十分必要的，若忽略其影响，所获得的饱和度误差较大。