致密砂岩气藏地层水对含气性响应机理分析——以鄂尔多斯盆地杭锦旗地区下石盒子组气藏为例

徐思阳 刘 岩 李可赛

成都理工大学能源学院

0 引言

随着中国天然气勘探开发的逐渐深入，深层致密砂岩储层成为增储上产的重要目标，而致密砂岩储层普遍具有低阻气藏的特征。国内外研究表明低阻气藏的主要成因有束缚水饱和度过高、黏土附加导电作用大、高地层水矿化度、导电矿物孔隙结构复杂、气水分异作用、低阻钻井液侵入、砂泥岩薄互层测井仪器分辨率不足等[1]。杭锦旗地区上古生界气藏类型主要为岩性气藏和构造岩性复合气藏，气藏的分布受沉积相带控制明显，致密砂岩广泛分布于此，但水驱效率低，采收率低，气、水关系复杂[2]。受地层条件的影响，杭锦旗区块石盒子组1段储层在相同的电性特征条件下测试结果差异大，响应机理复杂、含气性评价存在多解性，流体性质判别难。彭真（2016年）等人研究表明，杭锦旗低阻气藏的成因主要为三个方面，黏土矿物含量，微孔隙发育和高地层水矿化度的影响[3]。常规的气水识别方法包括直观交会图法、测井曲线重叠法、气测综合分析法等，近年来又出现成像测井、核磁共振等新测井技术，但这些方法都是从储层的物理属性出发，根据储层气水结构引起的属性差异来进行气水层的识别与划分，准确率低且适应条件有限[4-5]。地层水的化学特征中蕴含很多和气藏相关的信息，包括气藏的形成、分布规律和保存条件[6]。基于以上调研本文将深入分析地层水矿化度对地层电阻率和含气饱和度的定量化影响，为该区含气饱和度的解释标准建立提供理论基础。

本次研究区域位于杭锦旗南部，储层类型以岩屑砂岩为主，岩屑石英砂岩、长石岩屑砂岩和石英砂岩次之[7]，矿物组成复杂、致密低渗且非均质性强，因此有效储层的识别具有一定难度。在低孔低渗储层中，复杂的孔隙结构降低了气水层的电阻率之间的差异，利用岩石电阻率难以准确计算含气饱和度，导致测井流体识别困难[8-9]。水驱开发过程中地层水矿化度复杂变化是引起储层电性参数变化的直接原因，地层温度还会对气层电学的参数产生影响，从而影响了阿尔奇公式确定的含水饱和度的计算精度[10]。笔者基于研究区的低阻成因，利用实验分析化验和测井资料，结合阿尔奇公式，综合地质因素对地层水电阻率和地层电阻率的影响进行分区讨论，建立测井解释地质边界，以此提高杭锦旗石盒子组1段气水识别的解释精度。

1 区域气藏特征

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北部，横跨伊盟隆起和伊陕斜坡2个一级构造单元，伊盟北部隆起南侧的泊尔江子断裂横穿整个区块，整体呈现北高南低、东高西低的特征，内部为向西倾斜的大单斜构造，是鄂尔多斯盆地北部长期继承性的古隆起区，也是天然气运移的有利指向区（图1）。研究区位于杭锦旗地区的南部,主要勘探层系为上古生界石炭系—二叠系，下石盒子组发育冲积平原背景下的辫状河沉积，河道砂体的物性与含气性具有良好的相关性，盒1段是河流相发育的鼎盛时期，水动力强且变化频繁，为主要含气层段[7、11]。砂岩储层孔隙类型主要为残余原生粒间孔、次生孔隙和高岭石晶间孔，裂缝不发育，孔隙结构可分为细喉微孔型、粗喉大孔型和细喉中孔型3类，其中以细喉中孔型为主[12]。研究层段石盒子组1段是以浅灰色细砂岩、粗砂岩、含砾粗砂岩为主的正粒序厚层砂岩，局部夹薄层棕褐色泥岩（图2）。

图1 杭锦旗研究区区域位置图

图2 杭锦旗地区上古生界综合柱状剖面图

通过对3个研究区（A井区、B井区、C井区）盒1段22口钻井测试层段产出的流体类型及对应的电阻率值进行统计，研究区气层、气水同层、水层电阻率值存在大范围重叠区，分区性差，流体性质判别困难（图3）。气层低阻特征、气水层和水层的高阻特征，无法进行精确的气水识别。综合以上所述，受地层环境的影响，研究区相同的电性特征与测试结果差异大，响应机理复杂、储层评价存在多解性，流体性质判别难。

图3 不同流体类型孔隙度对应地层电阻率交会图

经生产资料和勘探结果证实，杭锦旗盒1段具有低阻气藏特征[3]，但低阻条件下的流体产出类型可能不同。相同电性特征下测试结果差异大，导致储层评价存在多解性，流体性质判别难：例如X62井盒1段与X123井盒1段测井解释孔隙度和泥质含量值接近，但测试结论不同（表1）：X62井试气结论为气水同层，产气量1 793 m3/d，产水量0.98 m3/d；X123井试气结论为低产气层，产气量227.1 m3/d，可动水为 0（图4、5）。

表1 单井岩石学特征对比表

图4 X62井石盒子组1段气水层测井解释成果图

2 地层水的特征

鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界地层水总矿化度范围为13.831～89.445 g/L，属于盐水和卤水的范畴，pH值在4.37～7.3，在强酸性和弱碱性之间[13]，地层水水型基本为CaCl2型水，其他水型极少，水文地质条件较稳定，利于气藏后期的保存。受构造和沉积相带的共同作用，杭锦旗地区地层水总矿化度呈现出东西分区、南北分带的特征[14]，研究区地层水矿化度从主断裂带向南、向北降低，断裂带北部矿化度值大部分20～40 g/L，其中A井区矿化度值变化较大，主要范围为30～80g/L，B井区矿化度值主要40～60 g/L，C区矿化度主要范围在20～40 g/L（图6）。地层水矿化度数值范围大，47%数据集中在20～40 g/L范围内，呈现弱主峰优势（图7），40 g/L以上数据分布较平均（8%～10%）。高矿化度区域主要分布在3条主断裂附近及少数构造高点、小型断裂附近及河道侧翼,与Mg2+离子富集区对应，说明高矿化度多数可能来自深部流体的进入。

图7 杭锦旗地区石盒子组1段的地层水矿化度统计图

地层水特征系数可以反映一定的水文地质环境，以便进一步分析气藏聚集与保存以及识别气水层[14-15]（表2）。地层水特征系数表明，研究区石盒子组1段地层水整体封闭性较好，气藏的保存条件较好，但是不同地区的封闭性存在不同。钠氯系数( rNa+/ rCl-)是表征地层水浓缩变质程度的重要参数，rNa+/ rCl-值越低，说明受渗入水的影响较小，对烃类的保存越有利[13、16]。研究区钠氯系数在0.173～0.762之间，整体上呈比较还原的水体环境，地层水属于封闭的状态，利于形成气藏储存的空间；地层水变质系数［( rCl－－rNa+) /rMg2+］的大小指示地层水运移过程中离子的置换程度，水岩作用越强，变质系数越大[14]。研究区变质系数较大，一般大于45，意味着成岩过程中离子交换的程度持久和彻底，地层水的变质程度越深，有利于气藏的聚集和保存；地层水脱硫系数(100 rSO42－/rCl－)表征地层水脱硫作用的强弱，脱硫系数就越小，说明地层封闭程度越好[13、17]，研究区脱硫系数整体上处于0～1之间,说明该区地层水还原彻底，储存层保护条件好，属于原生气藏封闭性氯化钙水体；碱交换系数IBE＝[（Cl--（Na+＋K＋）]/Cl-由Schoeller与1955年提出，反映水中阳离子与岩石颗粒表面吸附的阳离子发生交换的情况[17]。研究区所有样品点碱交换指数均高于0.129，分布在0.238～0.923之间，可知该区地层水一般为来自古沉积水的油田水。

表2 研究区地层水化学特征参数统计表

3 地层温度变化特征

气藏往往在一定的温度区间内聚集，地温梯度对气藏的运移有控制作用[18-19]。地层温度为气藏提供能量，改变油气的运移速度与规模，影响气藏的生成、运移、聚集以及保存，制约成藏要素和成藏规模，已经在多个勘探盆地上得到证实[19-20]。杭锦旗地区现今地温梯度变化在2.27～2.90 ℃／hm，泊尔江海子断裂带以北地温梯度范围为2.27～2.36 ℃／hm，断裂以南为2.42～2.70℃／hm，断裂带附近表现为2.72～2.90℃／hm[13]，可见在泊尔江海子断裂带的地温梯度是最高的。结合杭锦旗地区地层水和地层温度的分布特征，发现断裂带地温梯度最高，对应的地层水矿化度越高。全区来看，盒1段的地层温度范围为73～110℃，具有明显分区性，对A井区、B井区、C井区盒1段底部的温度进行统计，C井区（2.74 ℃/hm）的地温梯度最大，A井区（2.70℃/hm）次之，B井区（2.63 ℃/hm）最小（图8）。其中A井区因为埋深深度大，地层温度主要集中在101～110℃，B井区地层温度主要集中在91～95 ℃，C井区埋深浅，地层温度主要集中在73 ～ 93 ℃。

图8 研究区地层温度—地温梯度平面分布图

4 地层水矿化度-温度对含气性影响分析

4.1 矿化度与电阻率的实际关系

4.1.1 矿化度与地层水电阻率关系

地层水电阻率的大小取决于地层水的矿物成分、矿化度的大小以及埋藏深度,不同的矿物成分、相同含量的不同矿物都造成导电性不同，从而地层水电阻率不同。一般来讲地层水电阻率随矿化度的增加而降低，矿化度越高，导电能力越强，埋藏越深[21]。对于研究区盒1段41口钻井地层水矿化度和地层水电阻率统计发现Cw=40 g/L （Rw=0.063 Ω m），是地层水电阻率变化差异性的重要界限（图9），小于该界限时，地层水电阻率变化较大，变化范围在0.06～0.18 Ω m之间；大于该界限时，地层水电阻率变化小，变化范围在0.03～0.06 Ω m之间，地层水电阻率发生量级变化。

图9 研究区矿化度—地层水电阻率关系图

4.1.2 地层水矿化度与地层电阻率关系

地层电阻率是确定地层原始含烃饱和度的基本参量，测井结果受井径、侵入带电阻率、上下围岩、矿化度及电极距等因素的影响。在水驱油过程中，由于较淡的注入水稀释高矿化度的原始地层水，导致地层混合液电阻率不断升高，使地层电阻率有增大的趋势[22-23]。高矿化度地层水条件下，地层电阻率响应差异较大，存在低阻气层、气水层现象，对后续流体识别工作开展影响较大。通过统计研究区60余口样品数据，发现地层水矿化度和流体性质关系密切（图10），可以利用阿尔齐公式分析研究区储层地层水矿化度的高低对地层电阻率的影响，阿尔奇公式如下：

图10 不同流体类型矿化度-地层电阻率关系图

式中Rw表示地层水电阻率， Ω m；q表示孔隙度；Rt表示地层电阻率，Ω m；a、b表示岩石系数；m表示胶结指数；n表示饱和度指数（表3所示）。

表3 研究区盒1段岩电参数表

根据研究区37口井及补充的22块样品的岩电报告，不同研究区盒1段的岩性系数a、b、m、n的取值选取如表3所示。

伴随着地层水矿化度的增大，以Cw=40 g/L为分界限，Cw＜40 g/L地层中水层上限为15 Ω m，气层下限为62 Ω m。Cw＞40 g/L地层中气层下限降低，水层上限升高，分别为7 Ω m、30 Ω m，含水饱和度升高，气层逐渐过渡成气水层，即高矿化度条件气层下限降低。Cw＞40 g/L时部分水层点及气水层点落入建立的气层下限以上，与气层点重叠，可见相同的电性特征条件下测试结果差异大，导致研究区的储层评价存在多解性，流体性质判别难，因此需要进行分区讨论。

4.2 地层水矿化度—地层温度对电阻率的理论影响分析

4.2.1 对地层水电阻率的影响

为了弄清致密砂岩储层中地层水矿化度、地层温度与地层水电阻率之间的关系，基于体积模型理论，根据岩石骨架、孔隙流体（气、水）和地层背景值并联得到固定背景值，其中砂体以中/粗砂岩为主，骨架以石英/长石为主，孔隙度范围主要集中在9.6%～14%，地层水水型以CaCl2为主，不同研究区系数选取存在差异。结合地层水测试数据拟合公式为：

式中a、b分别表示经验参数；Cw表示地层水矿化度，g/L；T、t0分别表示温度、初始温度，℃。

模拟地层水矿化度、温度变化对地层水电阻率响应（图11，表4）。理论模拟结果表明：从数值上分析，地层水矿化度和地层温度对地层水电阻率的影响相当，变化幅度相差不大。低矿化度（＜40 g/L）时，受温度影响Rw降低幅度较高，高矿化度条件（＞40 g/L）受温度影响Rw降低幅度较低，相同矿化度不同温度（90～10 ℃）的Rw变化为0.006～0.02 Ω m。地层水电阻率随着地层水矿化度升高而降低，初期降低幅度较大，逐渐减缓，最后趋于稳定，当地层水矿化度较低时，不同矿化度条件下的关系曲线分开明显，随着矿化度的升高，即当Cw>40 g/L，Rw值变化较小，100 ℃不同矿化度条件下的Rw变化为0.005～0.032 Ω m。

图11 不同矿化度条件下地层温度与地层水电阻率的关系图

表4 矿化度与地层温度变化对地层水电阻率响应的差值表 单位：Ω m

4.2.2 对地层电阻率和含气饱和度的影响

通过上述理论模拟还发现，在研究区主要矿化度和温度分布范围内（图12、表5、表6），含气饱和度越高，地层矿化度和地层温度对地层电阻率影响越大。同一矿化度的条件下，地层温度对地层电阻率影响：高含气饱和度的状态大于低含气饱和度的状态，伴随着含气饱和度的降低，电阻率响应的差异逐渐减小。高含气饱和度（Sg=60%）状态下理论响应差值在6.72～2.3 Ω m，低含气饱和度（Sg=20%）状态下为3.35～1.15 Ω m，变化幅度较小（3.37～1.16 Ω m）；地层电阻率变化受矿化度影响大于受地层温度影响，同一温度下，含气饱和度越高，地层水矿化度对地层电阻率造成的影响越大。高含气饱和度（Sg=60%）状态下理论响应差值在13.16～11.54 Ω m，含气饱和度（Sg=20%）状态下为6.58～5.76 Ω m，变化幅度较大（6.58～5.78 Ω m）。综上所述，地层水矿化度对地层电阻率的影响大于地层温度的影响，含气饱和度越高，影响越大。

图12 不同含气饱和度条件下矿化度变化对电阻率响应的理论影响图

表5 地层温度85℃与100℃情况下的电阻率响应差值表

表6 矿化度40 g/L与80 g/L情况下电阻率响应差值表

5 应用及效果

通过测试数据与原状地层电阻率关系明确了受矿化度高低的影响，地层水电阻率的选取基于地层水性质建立的测井解释地质边界，以矿化度大于40 g/L地层水条件下，气层的下限较低，小于40 g/L时，气层的下限较高，因此下石盒子组以40 g/L为矿化度分区界限，从而保证地层水电阻率计算的准确性。对C井区的X72井盒1段（表7，图13），地层水电阻率为0.051 Ω m，无阻流量10 457 m3/d，校正前深侧向电阻率值为31.254 Ω m，校正后为36.417 Ω m。地层水总矿化度为68.417 g/L，测井解释孔隙度为10.36%，Rt＞Rxo，符合高矿化度具有低阻气层。初始解释结论为气水层，射孔结论为气层，经过双侧向测井进行环境校正后，结合阵列感应测井曲线反映的侵入关系，二次解释结论应为致密低产含水气层，预测结果与测录井及试气结果基本一致。

图13 X72井盒1段侵入校正后测井解释成果图

表7 X72井测井解释校正前后对比表

6 结论

1）研究区盒1段的地层水整体封闭性、气藏的保存条件较好。低矿化度区间内电阻率变化大，主温度区间内电阻率响应机理复杂，含气性越高电阻率受矿化度和温度影响越大：地层温度和地层水矿化度对地层水电阻率的影响相当，地层水矿化度对地层电阻率的影响大于地层温度的影响。高矿化度地层水特征是造成低阻气藏的关键因素之一。

2）通过测试数据与原状地层电阻率关系明确了受矿化度高低的影响，气层、气水同层、水层的测井响应值存在差异；Cw=40 g/L 是地层水电阻率变化差异性的重要界限，流体性质与矿化度密切相关，Cw=40 g/L可以作为测井解释的地质边界，建立不同地层水矿化度的背景值，研究地层电阻率与气水关系。