玛湖凹陷致密砾岩低电阻率油层成因机理与识别方法

曹志锋，令狐松，王先虎，王振林，张玮，张艳丽

（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开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京 102249）

0 引 言

通常将电阻率增大率小于2的油层称为低电阻率油层[1]。低电阻率油层具有隐蔽性强的特征，常规测井资料很难准确识别油、水层。准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组发现大型低电阻率砾岩油气藏，低电阻率油气藏已经成为增储上产的重要领域。

前人大量研究表明，低电阻率油层与高束缚水饱和度、黏土附加导电性、骨架导电性、钻井液侵入等因素密切相关，形成电阻率校正法、核磁共振测井等低电阻率油层识别方法[2-6]。玛湖凹陷致密砾岩低电阻率油层的成因、岩石物理特征及对应的测井评价技术与砂岩低电阻率油层有着本质的不同。研究区致密砾岩低电阻率油层难以用阿尔奇公式进行计算，与常规油层的“四性”关系相反，具有电阻率低、物性差、录井油气显示弱或无显示的特征，但试油往往会获得高产油层。本文以玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组二段致密砾岩低电阻率油层为例，根据油藏地质、试油、岩石物理实验分析资料、测井资料，从储盖组合分析泥岩的黏土类型、泥岩压实性及储层黏土类型、含量对致密砾岩低电阻率油层的影响，进而探讨了储盖融合的致密砾岩低电阻率油层识别新方法，为此类油藏的发现及评价提供了新思路。

1 低电阻率油层特征

准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组二段油气藏主要分布在凹陷南斜坡，岩性主要为砂砾岩，含少量砾砂岩，优势岩性为砂砾岩。孔隙度为3.80%～14.60%，平均孔隙度为 8.23%，渗透率为0.31×10–3～156.00×10–3μm2，平均渗透率为 4.99×10–3μm2。油层孔隙度为6.20%～14.60%，平均孔隙度为 9.19%，渗透率为1.09×10–3～156.00×10–3μm2，平均渗透率为 6.79×10–3μm2，属于特低孔隙度低渗透率油层。

通过分析研究区上乌尔禾组二段试油段数据，结论表明：此类油层地层压力高，地层压力系数为1.30 ～1.86；单井产能高，日产量为13 ～128 t；油层电阻率为7.0 ～15.0 Ω・m，平均为9.3 Ω・m；水层电阻率为12.0 ～15.0 Ω・m，平均为13.0 Ω・m；含油层（干层）的电阻率为5.0 ～21.0 Ω・m，平均为10.0 Ω・m。油、水、干层孔隙度为5.50%～16.00%，常规孔隙度与电阻率图版无法有效识别油层。因此，玛湖凹陷致密砾岩低电阻率油层具有典型的隐蔽性油层的特征，与常规砂岩低电阻率油层有着本质不同。

2 低电阻率油层成因

低电阻率油层成因分为内因和外因。内因在宏观方面表现为地质控制因素，主要为构造、沉积环境、成岩作用；在微观方面表现为油层本身的岩性、结构、物性和地层水等因素。外因是指由人为引起的工程因素。

2.1 沉积环境

低电阻率油层的形成与沉积环境密切相关，大多数学者认为，其沉积环境主要为三角洲前缘亚相[7-10]。通过岩心、单井沉积序列和沉积相分析，结合地震相和测井相识别，玛湖凹陷二叠系上乌尔禾组为湖泊背景下粗粒的扇三角洲沉积体系。二叠系上乌尔禾组依据沉积旋回及岩性、电性自下而上可细分为3个岩性段，即乌一段（P3w1）、乌二段（P3w2）和乌三段（P3w3）。二叠系上乌尔禾组储层和油层主要分布在乌一段和乌二段，乌三段为泥岩盖层，进一步揭示退积型扇体砂体的分布规律。此类退积型扇体下砂上泥式沉积样式在纵向上形成了良好的储盖组合，并且在下部砂砾岩中由于粗碎屑储层存在非均质性强的特点，形成了“一砂一藏”，油气藏纵、横向上叠置的大面积成藏特征。岩性主要以粗碎屑沉积物为主，砾岩、砂砾岩等近物源碎屑明显比细砂岩、粉砂岩等远物源碎屑多，说明了近源沉积的特点。

研究区二叠系上乌尔禾组乌二段整体属扇三角洲沉积环境，扇三角洲分布较广，依据沉积旋回特征细分为乌二段一砂组和乌二段二砂组2个砂体，岩性以灰色砂砾岩为主，夹含砾砂岩、含砾泥质细砂岩、薄层泥岩，砂体横向分布稳定，其中乌二段二砂组为乌二段主力油层，油层分布不稳定。二叠系上乌尔禾组乌二段沉积时期构造较为平缓、水体上升缓慢、以近物源粗碎屑扇三角洲沉积为主，自下而上岩性变细，湖侵退积特征明显。根据沉积作用和沉积特征将上乌尔禾组乌二段扇三角洲相划分为扇三角洲平原、扇三角洲前缘2个亚相。上乌尔禾组乌二段二砂组油层主要发育在水下分流河道，岩石粒度偏细，物性变差，易形成低电阻率油层。

2.2 黏土含量

黏土类型和含量、黏土的阳离子交换能力等对电阻率影响较大。形成于低能沉积环境的储层，其黏土含量会更高。造成这一现象的主要原因是黏土矿物有良好附加导电作用，该作用具有改善储层导电性的能力，是油层低电阻率的重要成因之一[11]。

储层中黏土类型不同，其颗粒比表面积也不同，这决定了黏土颗粒的吸附能力。黏土类型是影响储层中黏土束缚水大小的因素之一，油层中高含量的黏土束缚水可形成离子导电网络，增强导电能力，造成油层电阻率降低。因此，储层中高含量的黏土束缚水是形成低电阻率油层的主要因素之一。

研究区乌二段岩心全岩分析资料表明，储层的伊蒙混层黏土含量为2.5%～23.0%，平均含量为12.6%，储层电阻率随黏土含量的增加而增大。研究区上乌尔禾组用黏土含量来划分储层类型，以黏土含量小于3%、黏土含量介于3%～8%、黏土含量大于8%为界限，将储层划分为贫泥、含泥和富泥3类。乌二段总体偏向于富泥储层，伊蒙混层黏土含量高是形成该区低电阻率油层的主要因素之一（见图1）。

图1 伊蒙混层含量与电阻率的关系图

2.3 黏土类型

通常晶格内类质同象替代的黏土矿物越多，其阳离子交换容量越大[12]。由于不同类型的黏土矿物其晶体构造不同，阳离子的交换容量也不同。表1为不同黏土类型的阳离子交换容量，蒙脱石的阳离子交换容量最高，伊利石、绿泥石、高岭石由于比表面积小，阳离子交换容量就低。因此，当储层黏土矿物的伊蒙混层含量较高时阳离子交换容量大，其附加导电性强，造成油层电阻率降低。黏土类型也是形成低电阻率油层的主要因素之一。

表1 主要黏土矿物的阳离子交换容量和比表面积

通过研究区X射线衍射黏土矿物分析，乌二段储层黏土类型主要为伊蒙混层，其含量为69.4%；其次为蒙皂石，其含量为20.2%；含少量其他黏土矿物（自生绿泥石6.9%、伊利石2.7%、高岭石0.9%）。研究区储层中的伊蒙混层、蒙皂石等阳离子交换容量大的黏土矿物，其颗粒表面吸附大量地层水中的阳离子，阳离子具有较强的附加导电性，有利于低电阻率油层的形成。

对乌二段不同黏土类型油层电阻率进行统计分析，含伊蒙混层的致密砾岩油层的电阻率为7 ～12 Ω・m，含绿泥石的致密砾岩油层的电阻率为11 ～15 Ω・m，黏土矿物对储层电阻率影响显著。据此可知，黏土类型为伊蒙混层的油层电阻率明显小于含绿泥石的油层电阻率。当储层中黏土类型为伊蒙混层时，储层电阻率显著降低，其原因在于蒙脱石比表面积大、阳离子交换容量高，具有较强的导电性，使储层的电阻率随含量的增加而降低。而绿泥石、高岭石比表面积小，阳离子交换容量低，导电能力弱。

通过分析研究区不同类型黏土矿物核磁共振T2谱黏土束缚峰特征发现，不同的黏土矿物其核磁共振T2谱黏土束缚峰不同[13]（见图2）。伊蒙混层含量高的层段，T2谱黏土束缚峰靠左，分布范围较窄，显示以快弛豫为主；绿泥石含量高的层段，T2谱黏土束缚峰靠右，分布范围较宽。进一步分析，伊蒙混层的含氢指数高，黏土束缚水孔隙大，导电性好；绿泥石的含氢指数低，黏土束缚孔隙小，导电性差。因此，伊蒙混层黏土矿物含量高的储层容易形成低电阻率油层。

图2 不同类型黏土矿物核磁共振T2谱束缚峰特征

2.4 地层超压

前人对玛湖凹陷超压成因机理进行研究，取得丰硕成果[14-17]。学者们指出超压带中泥岩具有电阻率低、声波时差大的特点，因为超压带中的欠压实泥岩孔隙度高、岩石密度低、地层水含量高。同时，由于地层超压会使泥岩产生丰富的微裂隙，通过沟通超压泥岩中的束缚水，增强超压地层的导电能力，从而使电阻率与声波速度降低而声波时差增大。

玛湖凹陷三叠系、二叠系广泛发育超压砾岩低电阻率油层，泥岩欠压实和流体膨胀是玛湖凹陷超压油层形成的主要因素[17]。为了进一步验证地层超压对地层电性的影响，提出了不同孔隙压力下的地层电阻率实验测量分析，观测不同孔隙压力下不同岩样电阻率的变化特征及规律（见图3）。研究区共有7颗岩样，其中有3颗泥岩岩样、4颗砾岩岩样，将岩样分别洗油后饱和盐水。实验设置围压为50 MPa，孔隙压力依次为21、26、31、39、44 MPa，测量不同岩样的电阻率。实验结果表明，超压会同时引起泥岩、砾岩电阻率降低，但是泥岩受超压影响更明显，原因是超压形成大量的微裂隙，增加了超压泥岩中束缚水的相互联系致使电阻率降低；而超压作用下，砾岩储层容易形成砾面孔缝，储层的结构发生变化，改变了导电机理，增强了导电能力，这使砾岩油层电阻率降低。实验结果进一步验证地层超压会使岩石的电阻率降低，地层超压越强，就越容易形成低电阻率油层。

图3 不同孔隙压力对不同岩样电阻率的影响

3 低电阻率油层识别方法

前人利用常规测井资料对储层流体的识别进行大量研究，形成一系列储层流体识别方法，根据其原理可归纳为曲线重叠法、交会图法、数学统计法、电阻率校正法等，这些方法均不适用于致密砾岩低电阻率油层的识别。

本研究的主要目的是识别低电阻率油层。基于低电阻率成因及储盖测井响应特征机理，明确研究区低电阻率油层形成的主控因素是地层超压、黏土含量及类型，提出电阻率消减率方法，用来消除不同黏土类型对电阻率的影响。同时，基于地层超压会改善储层孔隙结构的认识，提出超压物性指数表征储层物性的方法。通过构建超压物性指数与电阻率消减率交会图识别致密砾岩低电阻率油层。

3.1 电阻率消减率模型

储层中的黏土含量比较低会导致常规测井响应特征不明显，很难用常规测井方法来判别储层中的黏土类型。储层与相邻泥岩层经历了相同的地质历史过程，储盖组合在地层沉积时，往往具有沉积继承性，因而可以通过泥岩层的黏土类型来判别相邻储层黏土类型。伊蒙混层的含量对地层电阻率影响最大，即伊蒙混层含量越高，电阻率值越低（见图1）；而自生绿泥石主要以颗粒包膜式、孔隙衬里式和孔隙充填式赋存[18]，绿泥石颗粒的比表面积小，阳离子交换能力弱，储层中的绿泥石含量增加会导致电阻率增高。据此，提出基于储盖组合的电阻率消减率[见式 （1） ]。其原理是排除不同黏土类型及地层超压对电阻率的影响，突出岩石骨架、储层流体对电阻率的响应，电阻率消减率越大，储层的含油气性越好。

式中，RI为电阻率消减率；RT为地层电阻率，Ω・m；Rsh为相邻泥岩电阻率，Ω・m。

依据研究区46口井的试油资料，构建孔隙度与电阻率消减率交会图（见图4）。从图4中分析得到油层识别符合率为89.1%，其中，有41层符合油层标准，5层不符合油层标准，进一步表明黏土类型是该区低电阻率油层形成的主控因素之一。

图4 孔隙度与电阻率消减率交会图

3.2 超压物性指数模型

基于泥岩欠压实超压成因机理提出超压物性指数。超压物性指数既反映地层超压程度，也反映储层品质。构建超压物性指数见式 （2）。表现为地层的超压越强、地层压力越高，储层的物性和含油性就越好。

式中，Pi为超压物性指数；△t为储层声波时差值，μs/ft** 非法定计量单位，1 ft =12 in = 0.304 8 m，下同。

依据研究区46口井的试油资料，构建超压物性指数与电阻率交会图（见图5）。从图5中分析得到油层的电阻率随地层超压物性指数的增大而降低，证明地层超压形成的微细裂缝对电阻率影响明显，因此，地层超压是形成致密砾岩低电阻率油层的因素之一。分析研究区构建的超压物性指数与电阻率交会的油层识别图版，其油层识别符合率为93.5%，有43层符合，3层不符合，究其原因是未考虑储层黏土类型。

图5 超压物性指数与电阻率交会图

3.3 超压物性指数与电阻率消减率交会图版法

对于纯砂岩储层通常将地层有效孔隙度与地层真电阻率的交会图作为油层定性识别方法，这种方法是阿尔奇公式的一种图解形式。而研究区构建的孔隙度与电阻率交会图很难有效区分油层、含油水层、含油层和干层[见图6 （a） ]。

图6 玛湖凹陷超压致密砾岩低电阻率油层不同识别方法对比图

基于研究区黏土类型、地层超压是低电阻率油层成因的主控因素的认识，通过研究区46 口井的试油资料，依据上述电性、物性的表征方法，构建超压物性指数与电阻率消减率交会图[见图6 （b） ]。从图6 （b）中分析得到改进的电性图版上油层、含油水层、含油层和干层能够进行区分，油层识别符合率100%，解决了超压致密砾岩低电阻率油层识别的难题。

4 应用效果

以研究区二叠系上乌尔禾组二段的MH×探井为例（见图7），用2种方法进行测井解释评价。

方法一：基于常规阿尔奇公式，用孔隙度与地层真电阻率的交会图不能有效识别低电阻率油层[见图6 （a） ]。同时，对该区储量参数进行处理，见图7第7道红色充填部分。图6 （a） 中，第①层含油饱和度平均在50%以上，按照该区油层标准含油饱和度42%解释为油层，该层试油结论为含油层，测井解释不符合；第②层、第③层处理的含油饱和度平均小于30%，解释结论为差油层，但第③层试油结论定为油层，产能较高，测井解释漏失油层。

方法二：应用本文研究的新方法，通过储盖组合分析，第②层、第③层上部泥岩层电阻率低、声波时差大，为泥岩欠压实形成的超压地层，而第①层上部泥岩电阻率高、声波时差小，为正常压实地层。应用超压物性指数与电阻率消减率曲线进行叠置，见图7第5道红色充填部分，第①层超压物性指数与电阻率消减率曲线无包络面积，油气特征不明显，第②层、第③层具有明显的包络面积，油气显示特征明显；同时，应用超压物性指数与电阻率消减率交会图[见图6 （b） ]，第①层位于油层区域外侧，测井解释差油层，第②层、第③层位于油层区域内，测井解释为油层。该井完井试油结果分析，第③层试油井段为3 563.0 ～3 568.5 m，日产油19.00 t，试油结论为高产油层。第①层试油井段为3 631.0 ～3 656.5 m，日产油2.34 t，试油结论为含油层。新方法解释结论与试油结论一致，验证了新方法是适用的。

5 结 论

（1）地层超压、黏土矿物含量及黏土类型对玛湖凹陷致密砾岩低电阻率油层影响较大，岩性致密、钻井液侵入对地层的影响小。

（2）不同孔隙压力下的地层电阻率实验测量结果表明，地层超压会同时引起泥岩、砾岩电阻率降低，但是泥岩受超压影响更明显，原因是超压形成大量的微裂隙，从而增加了超压泥岩中束缚水的相互联系，导致电阻率降低；砾岩储层在超压作用下，砾岩颗粒表面张开形成砾面缝隙，储层的孔隙结构变好，改进了导电机理，使导电性变好，地层超压易形成低电阻率砾岩油层。

（3）储盖组合的研究对储层电性、物性的评价具有十分重要的意义。基于储盖组合构建的电阻率消减率与超压物性指数反映了地层电性属性，适用于此类低电阻率油层的识别。

（4）研究成果为试油选层、储量计算、油藏评价、老井复查等方面提供了技术支撑，测井解释符合率、油气发现率大幅提高，助力油田发现了多个低电阻率砾岩油藏，应用效果显著。