含浊沸石砾岩储层的测井响应特征及识别

2021-09-29曹志锋蔺敬旗甘仁忠隆山王先虎王婷婷

测井技术 2021年3期

曹志锋,蔺敬旗,甘仁忠,隆山,王先虎,王婷婷

(1.中国石油集团测井有限公司新疆分公司,新疆克拉玛依834000;2.中国石油新疆油田分公司勘探事业部,新疆克拉玛依834000;3.中国石油集团测井有限公司测井应用研究院,陕西西安710077)

0 引言

玛湖凹陷是准噶尔盆地中央坳陷的次一级负向构造单元,位于中央坳陷的西部,分为玛东斜坡区、玛西斜坡区、玛南斜坡区、玛北斜坡区等4个勘探区域[1]。继玛北斜坡区、玛西斜坡区、玛南斜坡区发现多个亿级储量区块后,玛东斜坡区下乌尔禾组也被证实普遍存在玛湖凹陷风城组晚期形成的高熟油气,具备整体成藏的物质基础[2],储层岩性普遍含浊沸石砾岩。浊沸石是含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物质,是沸石族矿物的一种[3-11]。近年来,中国含浊沸石储层频繁显露,四川盆地侏罗系、鄂尔多斯盆地三叠系、准噶尔盆地二叠系和三叠系许多砂岩储层中均发现含有自生浊沸石矿物[4-10],而这些浊沸石矿物的析出、充填、溶解等一系列成岩作用对储层的物性乃至含油性有一定影响[9-13]。前人对不同地区含浊沸石砂岩储层展开了深入的研究,但仅停留于浊沸石的形成、分布及矿物学特征等地质层面,缺乏对含浊沸石砾岩储层的测井响应特征及识别方面的研究。基于浊沸石有别于石英、长石等矿物的岩石矿物学特征,在测井解释阶段若忽略浊沸石矿物对储层的影响,会造成含浊沸石砾岩储层的测井解释精度偏低。因此,对含浊沸石砾岩储层的测井响应特征及测井识别方法展开研究具有重要的意义。本文采用岩心刻度测井方法开展含浊沸石砾岩储层测井识别方法的研究工作,提出了密度与声波时差视孔隙度重叠识别含浊沸石砾岩储层的方法,解决了此类储层测井识别的难题。

1 浊沸石形成的条件及矿物学特征

据《玛东斜坡区Yanbei4井区块二叠系下乌尔禾组新增石油控制储量》报告,玛东斜坡区沉积相带受古地貌控制,下乌尔禾组以扇三角洲前缘亚相为主,发育河口坝和水下分流河道等微相类型,坡折带之上为扇三角洲平原沉积(见图1)。含浊沸石砾岩储层主要出现于三角洲前缘亚相多期叠置的水下分流河道中。这与前人关于浊沸石形成、分布的沉积背景研究相吻合[10]。

图1 玛东斜坡区下乌尔河组乌4段沉积相图

浊沸石作为一种含水架状结构的多孔硅铝酸盐矿物,其化学通式:(Na,K)x·(Ca,Sr,Ba,Mg)y·[Alx+2ySin-(x+2y)O2n]·mH2O。式中,x为碱金属离子个数;y为碱土金属离子个数;n为硅铝离子个数之和;m为水分子数。浊沸石族矿物主要形成于低温、低压、碱性介质以及碱金属活动较强的环境条件中[14-16]。浊沸石大多数是含玻璃质较高的各种火山熔岩、凝灰岩在碱性水介质的作用下经过水化、水解、反应和结晶成岩生成。其成矿模式:由火山玻璃+水介质演变为蒙脱石+浊沸石+二氧化硅+金属离子(溶液)。

图2(a)为Yanbei4井3 869.37 m岩石铸体薄片,岩心分析资料显示,含浊沸石砂质细砾岩,浊沸石胶结,孔隙类型主要为浊沸石溶孔,蓝色铸体,单偏光,×25;图2(b)为Yanbei4井4 070.90 m岩石铸体薄片,含浊沸石砾质中粗砂岩,浊沸石胶结,孔隙类型主要为浊沸石溶孔,蓝色铸体,单偏光,×25。研究区下乌尔禾组储层岩性主要以灰色含砾砂岩、灰色砂质砾岩,砾石成分主要以火成岩岩块为主,变质岩块次之;砂粒成分以岩屑为主,石英、长石次之,这些都为浊沸石矿物的形成提供了丰富的物质基础。这些叠置水下分流河道中的原生孔隙发育、碱性孔隙水易于流动,孔隙水与火山碎屑及斜长石离子交换能力强,易于形成浊沸石胶结。

图2 玛东斜坡区下乌尔禾组浊沸石胶结岩石铸体薄片

2 含浊沸石砾岩储层测井响应特征

2.1 含浊沸石砾岩储层“两低两高”测井响应特征

根据研究区7口井15层岩心全岩矿物分析结果,将研究区内下乌尔禾组储层分为含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层2大类。通过直方图等方法分别对比二者之间的自然伽马、密度、中子孔隙度、声波时差、电阻率等测井响应特征差异,研究分析含浊沸石砾岩储层的测井响应特征。

以Yanbei4井为例,上部3 860.0～3 874.5 m井段为典型的含浊沸石砾岩储层,下部3 888.0～3 893.0 m井段为相邻不含浊沸石的砾岩储层。与不含浊沸石的砾岩储层相比,含浊沸石砾岩储层具有低自然伽马、低密度、高中子孔隙度和高电阻率的“两低两高”测井特征(见图3)。

2.2 含浊沸石砾岩储层的自然伽马测井响应特征

根据自然伽马测井在含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层的响应值频率直方图[见图4(a)],含浊沸石砾岩储层自然伽马值主要为44～52 API,频率峰值对应的自然伽马值为46 API;不含浊沸石的砾岩储层自然伽马值范围在48～60 API,频率峰值对应的自然伽马值为56 API。两者相差10 API,显示含浊沸石砾岩储层具有低自然伽马特征。

图4 含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层测井响应值频率直方图

火山玻璃物质蚀变为浊沸石,化学成分虽然在组分上没有大的变化,但其含量上的变化很明显。表现在浊沸石岩中的SiO2、Na2O,K2O的含量比原岩明显减少,而CaO,MgO、Al2O3和H2O明显增加。研究区的浊沸石以不含钾离子的浊沸石为主(CaAl2Si2O124H2O)。

随着钾离子等放射矿物的减少,地层的自然伽马亦随之降低。统计分析研究区的含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层的自然伽马测井特征,可以看到:含浊沸石砾岩储层自然伽马值明显较低,比不含浊沸石砾岩储层的自然伽马值低10 API左右。说明在风化、水解作用下,沸石矿物中K+等其他具有放射性成分被交代、流失,没有放射性的Na+、Ca2+等离子沉淀下来,降低了地层的自然伽马值。

2.3 含浊沸石砾岩储层的密度测井响应特征

根据含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层的岩心分析结果,反算骨架密度得到其频率直方图[见图4(e)]。含浊沸石砾岩储层岩石骨架密度为2.45～2.55 g/cm3,不含浊沸石砾岩储层的岩石骨架密度为2.55～2.65 g/cm3,说明含浊沸石砾岩储层具有低密度特征。

浊沸石骨架结构中的基本单元是由4个氧原子和1个硅(铝)原子堆砌而成的硅(铝)氧四面体。硅氧四面体和铝氧四面体再逐级组成单元环、双元环、笼(结晶多面体)构成三维空间的架状结构浊沸石晶体。作为次级单位的各种环联合起来形成各种浊沸石的空洞和孔道(或称孔穴和通道)。浊沸石具有空旷的晶体骨架结构,结构中具有大量均匀的微孔,孔径大多在1 nm以下,晶穴体积约为总体积的40%～50%。微孔结构的存在决定了浊沸石矿物的密度,与同类型架状硅酸盐矿物(例如石英、长石)相比,其具有较低的密度。

2.4 含浊沸石砾岩储层中子孔隙度测井响应特征

对研究区目的层段中子孔隙度测井进行泥质校正和孔隙度校正后,统计含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层的中子孔隙度测井值频率分布范围,发现二者存在明显差异。如图4(b)所示,不含浊沸石砾岩储层校正后的中子孔隙度测井值为6%～10%,平均值为8.8%,含浊沸石砾岩储层的中子孔隙度测井值为11%～19%,平均值14.6%。可知,含浊沸石砾岩储层中子孔隙度测井值明显高,具有高中子孔隙度测井特征。

天然浊沸石具有大量微孔隙空腔和结晶水,浊沸石矿物中结晶水的存在,必然对中子测井所测量的氢核有贡献,导致浊沸石具有高中子孔隙度的响应特征。

2.5 含浊沸石砾岩储层的声波时差测井响应特征

在泥质校正和孔隙度校正的基础上,对含浊沸石与不含浊沸石的砾岩储层声波时差测井值进行统计分析,如图4(c)所示。不含浊沸石的砾岩储层声波时差值为52～56 μs/ft,平均值为54.1 μs/ft;含浊沸石砾岩储层声波时差值为52～54 μs/ft,平均值为52.3 μs/ft。两者声波时差测井值仅相差2 μs/ft,初步认为浊沸石矿物声波时差值与岩石骨架矿物中石英、长石相近。

含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石砾岩储层的声波时差特征基本相同,推测可能由于浊沸石在晶体结构上与石英、长石类矿物相似,属于架状结构。基于声波时差沿最短的路径传播的原理,尽管浊沸石中微孔很多,但是声波时差在浊沸石矿物中传播时,沿晶体骨架传播而不通过晶体空穴,分析认为浊沸石声波时差传播时间与长石、石英矿物基本相同。此特征需要岩石实验证实。

2.6 含浊沸石砾岩储层的电阻率测井响应特征

根据含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石的砾岩储层段深电阻率值分布范围分析[见图4(d)],含浊沸石砾岩储层电阻率值为30～90 Ω·m,平均值为47.8 Ω·m;不含浊沸石的砾岩储层电阻率值为5～20 Ω·m,平均值为12.5 Ω·m。含浊沸石砾岩储层电阻率明显高于不含浊沸石的砾岩储层,具有高电阻率特征。

对含浊沸石砾岩储层的高电阻率特征,需要排除含油性的影响。因此,选择不含油砾岩储层段分析含浊沸石与不含浊沸石的砾岩储层电阻率差异,以Yanbei2井(见图5)为例,在4 601.0～4 603.5 m井段,岩石薄片鉴定证实储层含浊沸石,电阻率值79 Ω·m;4 627.0～4 630.0 m井段储层不含浊沸石,电阻率值21 Ω·m。对比两者差异显示含浊沸石砾岩储层具有更高的电阻率。

图5 Yanbei2井含浊沸石与不含浊沸石的砾岩储层电阻率对比

浊沸石结构带负电,具有很高的阳离子交换量,由于其晶体结构是架状结构,当浊沸石被电解质溶液饱和时,水化离子很难穿过这种孔隙网络迁移而导电。同时,浊沸石晶体是孔隙中流体与岩石颗粒在碱性富钙条件下交代生成,浊沸石颗粒堵塞孔隙空间,阻碍了电流流动,导致岩石电阻率升高。

3 含浊沸石砾岩储层测井识别方法

根据含浊沸石砾岩储层的测井响应特征分析结果,含浊沸石砾岩储层与不含浊沸石的砾岩储层相比,具有低密度、声波时差影响小或不受影响的特点。取纯砾岩的骨架密度为2.67 g/cm3、声波时差为57 μs/ft;地层水的密度为1 g/cm3、声波时差为189 μs/ft。密度视孔隙度、声波时差视孔隙度为

(1)

(2)

式中,φden为密度视孔隙度,小数;DEN为密度测井值,g/cm3;φac为声波时差视孔隙度,小数;AC为声波时差测井值,μs/ft。

对于不含浊沸石的砾岩储层,通过声波时差与密度测井值计算得到的孔隙度结果相近;对于含浊沸石砾岩储层,由于含有浊沸石矿物会导致骨架密度偏低,通过密度测井值计算的视孔隙度比声波时差计算的视孔隙度大,即密度视孔隙度大于声波时差视孔隙度。因此,采用密度与声波时差计算的孔隙度重叠法可以识别含浊沸石砾岩储层。

图6 Yanbei4井密度-声波时差视孔隙度重叠法判别含浊沸石砾岩储层

4 应用实例

如图6所示,Yanbei4井3 903.5～3 917.0 m井段储层密度视孔隙度大于声波时差视孔隙度,全岩分析结果显示该段含有10%～18%的浊沸石;3 933.5～3 944.0 m井段储层密度视孔隙度与声波时差视孔隙度相近,全岩分析结果显示该段不含浊沸石。用该方法对研究区5口井的15个层段进行连续处理,与全岩矿物分析结果符合率达80%。

此外,利用密度与声波时差视孔隙度重叠法对研究区12口井的储层进行了判别,根据密度与声波时差视孔隙度重叠法划分了含浊沸石砾岩储层,并统计了每口井含浊沸石砾岩储层的厚度。由下乌尔禾组含浊沸石砾岩储层厚度等值线图可知(见图7),位于三角洲前缘亚相多期叠置的水下分流河道微相的浊沸石砾层厚度为44.8～62.2 m。如沿着水道方向的Ma201井含浊沸石砾岩储层厚度为26.6 m,Ma202井含浊沸石砾岩储层厚度为30.0 m,Yanbei4井含浊沸石砾岩储层厚度为44.8 m,Ma217井含浊沸石砾岩储层厚度为62.2 m,含浊沸石砂层厚度逐渐增大;位于水道边部薄的砾岩储层浊沸石不发育,如沿着Ma213井→Ma211井→Ma214井,含浊沸石砾岩储层厚度低于10 m或不发育。即越靠近物源区、越靠近扇体主河道,浊沸石胶结越发育。这与前人对于浊沸石形成及沉积背景研究结论一致,证实了该判别方法的有效性。