鄂尔多斯盆地铝土岩储集层测井评价

2022-05-25刘蝶张海涛杨小明赵太平寇小攀朱保定

新疆石油地质 2022年3期

刘蝶，张海涛，杨小明，赵太平，寇小攀，朱保定

（中国石油长庆油田分公司a.勘探开发研究院；b.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安 710018）

鄂尔多斯盆地包含西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、伊盟隆起和渭北隆起六大构造单元[1]，蕴含了大量油气资源。盆地石炭系—二叠系天然气勘探，前期主要集中在二叠系石盒子组和山西组[2]，一直将盆地东部石炭系本溪组、西南部二叠系太原组发育的铝土岩与暗色泥岩、碳质泥岩作为盖层[3-4]（图1）。陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部，属伊陕斜坡构造单元，该地区太原组沉积期受到强烈海侵影响，中央古隆起向南收缩，沉积环境主要为浅海陆棚、潟湖和潮坪，沉积了一套由铁铝土岩、泥岩、砂岩、石灰岩和煤层构成的地层[5-6]。2020 年，在陇东地区优选9 口太原组铝土岩段气测异常井试气，7 口井获得日产大于1.00×104m3的低产气流，证实铝土岩具有一定的含气性，可作为非常规储集层。2021 年8 月，在L47井太原组底部铝土岩试气，获得日产67.38×104m3的高产气流，进一步说明铝土岩属于一种比较少见的非常规储集层，具有巨大的勘探潜力，L47 井的突破开辟了天然气勘探的新领域[5]。

学者对本溪组和太原组含铝地层的研究，早期主要集中在铝土矿方面，如铝土矿的矿床地质特征、矿物组成、物源分析等[7-10]，将铝土岩作为储集层的研究相对较少。2015 年，在鄂尔多斯盆地东部S464 井本溪组铝土岩试气获0.184 9×104m³/d的低产气流，首次发现本溪组铝土岩气藏；同年，鄂尔多斯盆地大牛地气田D113 井、D42 井、D81 井、D66-172 井等多口井钻遇2.0～21.6 m 厚的本溪组铝土岩，其中D66-172 井铝土岩段试气日产气1.037 5×104m³，日产水2.9 m³，开启了铝土岩气藏的发现阶段[5]。在此期间，相关学者将该套铝土岩仍作为黏土岩或泥质岩进行测井评价，有学者发现该套铝土岩具有高自然伽马（一般为300 API，局部超过600 API）、高补偿中子（大于50%）、高密度（2.73 g/cm³）、低声波时差（203.7 μs/m）等不同于一般泥岩的测井响应特征，并认为铝土岩具有脆性大、溶蚀孔发育、高气测显示等特点，可作为潜在储集层[4]。陇东地区铝土岩天然气勘探获得突破后，有学者对其成藏条件进行系统研究，认为鄂尔多斯盆地本溪组铝土岩广泛发育，天然气勘探潜力巨大[5]。测井作为油气勘探的重要一环，如何利用测井资料快速有效识别铝土岩、精细评价铝土岩物性和含气性，以便进一步评价鄂尔多斯盆地铝土岩勘探潜力，需要开展相关研究。

本文在前人研究成果的基础上，首先基于X 射线衍射全岩矿物分析结果，明确了铝土岩的主要矿物为一水硬铝石，并根据一水硬铝石含量差异，将含铝岩细分为铝土岩、泥质铝土岩和铝土质泥岩。然后对照样品点的常规测井响应，找到能够直观反映一水硬铝石含量的测井曲线，形成声波时差—自然伽马含铝岩识别图版。同时，通过孔渗、岩电等岩石物理实验，建立了适用于铝土岩储集层物性和含气性评价模型。最后，借助微电阻率扫描成像和核磁共振测井资料，对陇东地区太原组铝土岩储集层的成像模式、内部孔隙结构特征进行系统总结，形成了一套适用于含铝岩储集层的识别标准和测井评价方法。该识别标准和测井评价方法已在长庆油田新钻探井和老井试气工作中进行推广应用，同时也为鄂尔多斯盆地下一步大规模评价开发该类非常规天然气资源提供参考依据。

1 太原组铝土岩储集层特征

1.1 岩石矿物组分分析

前人在研究中将太原组含铝岩定名为铝土质泥岩，区别于一般泥岩[11]，认为其主要矿物为一水硬铝石、一水软铝石和三水铝石，但缺乏相关化验分析资料验证。从陇东地区L58井、C3井和HT2井太原组X射线衍射全岩矿物分析结果及样品对应深度测井响应可知，含铝岩的主要矿物为一水硬铝石，含量最高达到96.90%，平均为67.13%；其次为黏土矿物、石英等陆源碎屑矿物及方解石、赤铁矿等化学沉积矿物，在黄铁矿、锐钛矿等重矿物中，锐钛矿的平均含量为3.06%，最高为6.30%，矿物组成复杂多样（表1）。一水硬铝石又称为硬水铝矿，由三水铝石转化而来，硬度为6～7，密度为3.30～3.50 g/cm³，性脆，主要分布于铝土矿矿床中[10-11]，不同一水硬铝石含量的含铝岩的脆性、硬度、密度和可塑性均不同。为了精细评价含铝岩储集层，借鉴砂泥岩中砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的划分界限，将一水硬铝石含量超过75%的含铝岩定名为铝土岩，一水硬铝石含量为50%～75%的含铝岩定名为泥质铝土岩，一水硬铝石含量为25%～50%的含铝岩定名为铝土质泥岩。对于铝土岩来说，较高的一水硬铝石含量导致其硬度大、密度高、岩性较脆，可塑性差。因此，在长期风化和淋滤作用下，容易形成微裂缝和溶蚀孔[11-12]，为天然气提供渗流通道和储集空间。

表1 陇东地区太原组含铝岩X射线衍射全岩矿物分析结果与测井响应Table 1.Whole-rock mineral analysis results from X-ray diffraction and well logging responses of aluminous rocks in Taiyuan formation in Longdong area

1.2 储集空间类型

通过岩心、铸体薄片及扫描电镜分析发现，研究区太原组含铝岩发育多种类型的孔隙，主要包括粒内溶蚀孔洞、微裂缝和晶间溶孔（图2）。

（1）粒间溶蚀孔洞主要由豆鲕状一水硬铝石溶蚀形成，孔径可达200 μm，面孔率为1.5%，岩心上可以看到明显的蜂窝状溶蚀孔洞，整体连通性好（图2a—图2c），可为天然气富集提供储集空间，该类孔隙常发育在铝土岩中。

（2）微裂缝多分布于泥质铝土岩中，以层间缝为主，在地层条件下多为半闭合状态（图2d、图2e）。

（3）晶间溶孔在太原组底部的铝土质泥岩中，由于化学风化沉积形成大量豆粒和鲕粒，在鲕粒内部由于豆鲕状铝土岩颗粒间隐晶质铝土矿发生重结晶作用，析出自形微晶一水硬铝石晶体，松散状堆积，形成晶间溶蚀孔隙（图2f）。

1.3 测井响应特征

从测井响应上看（图3a），陇东地区太原组含铝岩自然伽马异常偏高，局部超过600.0 API，平均为493.8 API，补偿中子超过50%，密度大于2.65 g/cm3，声波时差为200～250 μs/m，整体特征与大牛地气田本溪组铝土岩测井响应特征一致[4]。不同产状和发育程度的裂缝在双侧向电阻率测井曲线上具有不同的响应特征，裂缝的张开度越大，角度越高，在双侧向电阻率测井曲线的正差异幅度越大[13]。陇东地区太原组含铝岩中—下部的双侧向电阻率测井曲线正差异明显，且电阻率很低，总体为25～150 Ω·m（图3a），表明风化和淋滤作用加之铝土岩自身较强的脆性，使得含铝岩中—下部微裂缝或溶蚀孔发育。含铝岩密度随着一水硬铝石含量的增高而增大，在不发育大孔隙的高含一水硬铝石层段，声波时差会降低。由于风化和淋滤作用，钾、钠等元素流失，奥陶纪鄂尔多斯盆地处于海侵高潮，太原组沉积期地壳继续下沉，海侵范围进一步扩大，碳酸盐溶液富足，使得海水中的铀溶解度加大，铀、钍等元素得到充分析出后被运移和富集；加之含铝岩具有强吸附性[14-16]，在含铝岩层段出现高铀、高钍和低钾的现象。富集的铀、钍等高放射性元素导致自然伽马异常偏高。因此，典型铝土岩具有“四高两低”的测井响应特征，即超高自然伽马、高补偿中子、高铀含量、高钍含量、低声波时差和低钾含量。其中，自然伽马与一水硬铝石含量呈正相关（图4），当一水硬铝石含量超过75%时，自然伽马大于450.0 API，因此，自然伽马可作为识别铝土岩最关键的测井参数。

从陇东地区太原组整体上看，在含铝岩之上还有碳质泥岩沉积，其测井响应特征与含铝岩明显不同，主要表现为高电阻率、高声波时差、低—中自然伽马、双侧向电阻率微弱幅度差的特点（图3b）。碳质泥岩上部的泥岩电阻率介于含铝岩与碳质泥岩之间，表现为低—中电阻率、低自然伽马（图3c）。依据泥岩、碳质泥岩和含铝岩在测井响应上的差异，用40 口井97个采样点，建立声波时差—自然伽马含铝岩识别图版（图5），识别含铝岩、碳质泥岩和泥岩。将已经试气的7口井的10个数据点投在图版上，发现气层主要落在铝土岩区域，气水同层在泥质铝土岩区域，这也验证了一水硬铝石铝土岩含量较高、泥质铝土岩储集层的储集性能更好。

1.4 含铝岩储集层识别标准

微电阻率扫描成像测井具有分辨率高，能够直观、连续地显示垂向上宏观构造和微观上细微结构的优势[17-20]。因此，选取铝土岩测井响应明显，同时有核磁共振和成像测井资料的优势储集层对铝土岩的内部结构和成像模式进行分析。陇东地区L18 井3 874—3 881 m 井段自然伽马超过500 API（图6），为一水硬铝石含量较高的铝土岩，P 型核磁共振仪双等待时间单回波间隔观测模式下的T2谱呈明显的双峰，且在长等待时间下，上半部分T2谱属于双峰大孔型，下半部分T2谱比较靠前，属于双峰小孔型，整体孔隙比较发育，表明铝土岩具备很好的储集空间。与之相比，在3 881—3 890 m 自然伽马为200～300 API 的铝土质泥岩段，T2谱也呈双峰，但T2谱分布较窄，表明大孔隙不发育；在等待时间短的情况下，T2谱峰整体左移，且峰值变大，表明储集层含烃，信号未被完全极化。在铝土岩层段气测峰值达到14.3%，基值为0.6%，表明一水硬铝石含量与含气性有良好的对应性。

从成像测井图像上可以看到，铝土岩段上部整体均质性较好，大溶蚀孔发育，与核磁共振测井显示孔隙结构特征一致，以暗斑状为主，有较大的比表面积，可以吸附大量天然气；底部略显层理，与3 882—3 883 m井段泥质条带有明显不同。在铝土质泥岩段，整体更为致密，暗斑状减少，下部基本为泥质条带，有高导微裂缝显示，为良好的油气渗流通道和储集空间。

利用陇东地区太原组核磁共振和成像测井资料，对铝土岩的孔隙结构和成像模式进行了系统总结，结合含铝岩的常规测井响应特征，形成了含铝岩储集层分类识别标准（图7）。从常规测井响应上看，铝土岩具有明显“四高两低”的特征，易于识别；从成像测井图像看，铝土岩主要表现为块状、层状、弱层状和粒状沉积结构，其中，块状较为致密，常发育在铝土岩上部，铝土岩中—下部呈层状、弱层状或粒状结构，溶蚀孔发育；核磁共振T2谱多表现为宽双峰，指示储集层整体物性较好，属于Ⅰ类储集层。泥质铝土岩自然伽马一般为300～450 API，常规测井响应表现为“四中等”；成像测井图像显示弱层状沉积结构；核磁共振指示中—小孔隙发育，属于Ⅱ类储集层。铝土质泥岩自然伽马一般为200～300 API，电阻率大于100 Ω·m，整体呈“两高两低”特征；成像测井图像上显示泥质条带发育；核磁共振显示发育微—小孔隙，整体致密，属于Ⅲ类储集层。

2 储集层参数表征方法

储集层参数是气水关系识别、储集层评价及储量计算的基础，在X 射线衍射全岩矿物分析、岩石物性测量、扫描电镜、铸体薄片等资料的基础上，建立储集层参数解释模型。不同一水硬铝石含量的储集层具有不同的测井响应，因此，在定量计算矿物组分的基础上建立测井解释模型。

2.1 储集层矿物组分评价

在储集层评价中，岩石矿物组分的准确评价对骨架参数的获取、岩石脆性程度的表征、压裂层段的优选和压裂参数的优化都至关重要[21]，本文采用基于岩心刻度的多矿物模型来刻画含铝岩岩石矿物组分的分布。依据经典岩石体积模型将含铝岩分为由砂质、黏土矿物、重矿物、一水硬铝石4 类矿物和孔隙流体组成的集合体，一水硬铝石含量、重矿物含量和泥质含量根据X 射线衍射全岩矿物分析结果，利用自然伽马和密度拟合得到，依据岩石体积模型，将剩余部分归为砂质，在砂质含量束缚条件下，通过X 射线衍射全岩矿物分析结果（表1）进行标定，根据最优化算法，求得近似解计算矿物含量。

2.2 物性评价

确定储集层矿物成分之后，依据岩石体积模型，采用变声波时差骨架孔隙度来评价储集层。目前，确定岩石骨架参数的方法有很多种，主要包括实验室分析结果求取骨架参数、岩心分析孔隙度与测井资料回归求取骨架参数、岩石薄片分析确定骨架参数、岩心分析孔隙度与测井资料反算骨架参数等[22]。为了尽可能地去除其他矿物组分对铝土岩骨架声波时差的影响，得到相对准确的铝土岩储集层骨架参数，本文选取一水硬铝石含量超过75%的铝土岩样品，利用岩心分析孔隙度与声波时差交会，确定铝土岩骨架参数（图8），当岩心分析孔隙度趋于0时，所对应的横坐标就为铝土岩骨架的声波时差。重矿物、泥质和砂质的骨架声波时差均采用经验值，分别为194 μs/m、250 μs/m和182 μs/m。

岩心分析结果表明，岩心分析渗透率与岩心分析孔隙度有很好的相关关系（图9），因此，可以利用孔隙度计算储集层渗透率。

2.3 含水饱和度评价

目前计算储集层含水饱和度的模型主要为阿尔奇模型[23]，利用阿尔奇模型可得到用于定量评价储集层含气性的含水饱和度：

岩电参数的选取根据实验测量的数据确定，在以粒间孔隙为主的纯砂岩中，a、b取值在1 附近，m、n默认值为2[23]。分析陇东地区含铝岩储集层的实测岩电参数发现，a、b分别为1.00、1.03，与理论值相差不大。含铝岩与砂泥岩的m、n值相差较大，其中，n为1.63，m由于裂缝、微孔隙及导电矿物对储集层渗透率和导电性的影响，在不同样品上取值不同：当孔隙度小于3.0%时，m小于1.60；当遇到大孔隙、裂缝发育的储集层，孔隙度为17.0%时，m大于1.90；部分样品孔隙度达到25.3%，m达到1.96。因此，针对含铝岩这种复杂岩性储集层，不能采用单一胶结指数评价储集层饱和度，采用随孔隙度变化的胶结指数，更能反映地层的真实情况（图10）。

2.4 应用实例

对L47井进行铝土岩测井评价（图11），在4 100.0—4 109.0 m 和4 112.0—4 120.0 m 井段，常规测井响应表现为超高自然伽马、高补偿中子、高密度、中—低声波时差、低钾含量、高铀含量、高钍含量等典型铝土岩特征，同时声波时差与自然伽马包络面积较大，说明这2 个井段铝土岩发育，与岩石矿物组分计算结果匹配。L47 井4 099.8—4 109.0 m、4 112.7—4 115.4 m和4 116.8—4 120.1 m井段测井解释为气层，4 115.4—4 116.8 m 井段为差气层，整体孔渗发育，最上部气层平均孔隙度为10.06%，平均渗透率为0.23 mD，计算含气饱和度为84.74%。核磁共振T2谱显示，4 101.0—4 108.0 m、4 112.0—4 118.0 m井段为双峰大孔型，T2谱分布较宽，与计算孔隙度较吻合，为优势层段。从成像测井图像可以看到，4 103.0—4 106.0 m、4 113.0—4 115.0 m 井段铝土岩为层状、豆鲕状沉积，溶蚀孔洞发育，具有很好的储集空间，属于Ⅰ类储集层。因此，在这2 个井段射孔，试气获无阻流量67.38×104m3/d，证实本文所提出的含铝岩储集层分类识别标准及物性、含气性评价方法在评价鄂尔多斯盆地陇东地区铝土岩储集层上具有良好的实用性。