X地区低阻油层成因机理研究
李兆平
摘 ? ? ?要：随着勘探开发的深入，X地区发现大量低阻油层，流体性质识别困难，给油田的开发带来一定的困难。在岩心毛管压力实验、岩电实验、阳离子交换容量实验的基础上结合测井数据，对X地区低阻油层的成因机理进行研究，发现X地区低阻油层形成的主要原因是岩性细导致储层高束缚水含量并且降低了储层的胶结指数m和电阻率指数n，以及储层油藏幅度低导致油水的分异作用弱，次要原因是黏土矿物的附加导电性。
关 ?键 ?词：低阻油层;阿尔奇公式;孔隙结构
中图分类号：TE122 ? ? ? 文献标识码： A ? ? ? 文章编号： 1671-0460（2020）02-0428-05
Abstract： ?With the exploration and development， a large number of low resistivity oil layers are found in X area， it is difficult to identify the fluid properties of the low resistivity oil layers， which brings certain difficulties to the development of oil fields. On the basis of core capillary pressure experiment， rock electricity experiment and cation exchange capacity experiment， combined with logging data， the formation mechanism of low resistivity reservoir in X area was studied. It was found that the main reason for the formation of low resistivity reservoir in X area was that the fine lithology resulted in the high bound water content and the decrease of the cementation index m and resistivity index n of the reservoir， and the low amplitude of the reservoir resulted in weak separation of oil and water; The secondary cause was the additional conductivity of clay minerals.
Key words： low resistivity oil layers; Archie's formulas; pore structure
随着勘探开发的深入，各类非常规油气渐渐成为学者们研究的重点。低阻油藏在国内外广泛发育，主要发育于砂泥岩常规储层，在美国德克萨斯州的 Silva和Spooner层，委内瑞拉的Lagunillas层、阿根廷Chubut砂岩、滨里海盆地等均发现低阻油层，国内东北松辽盆地、新疆准噶尔盆地、塔里木盆地以及吐哈盆地、四川盆地等也又发现，且储量巨大，成为国内油田增储上产的重要组成部分[1]。
低阻油层系指电阻率与同一油水系统内的纯水层相比小于3的油层，即电阻增大率小于3的油层[1]。电阻率曲线是判断一个储层是否为油气层的一个重要依据，当一个油层与其同一油水系统内的纯水层电阻率的差别不大，即电阻增大率较低时，不论该油层电阻率的绝对值是大还是小，都会给油层的识别带来极大的困难。
不同的地区，因地质背景不同、构造结构不一，沉积特点有别，以及复杂的孔隙结构、高泥质含量，富含导电矿物和高导电的地层水等因素，致使低电阻率油藏成因各有差异[2-9]。本文在前人的研究基础上研究X地区低阻油层的成因。最后发现X地区低阻油层形成的主要原因是岩性细导致储层高束缚水含量并且降低了储层的胶结指数m和电阻率指数n，以及储层油藏幅度低导致油水的分异作用弱，次要原因为黏土矿物的附加导电性。
1 ?地区概况
研究区位于南海北部，珠江口盆地（东部）珠一坳陷最西端，整体为北东-南西走向，西接阳江凹陷，东北与西江凹陷连接，东南接番禺低隆起，总面积超过5 000 km2 ?[10-12]。平面上以三角洲外前缘相带沉积为主，岩性多为粉细砂岩、含泥质粉细砂岩夹泥岩。泥质与细粉砂质含量高、粒度偏细、孔隙结构与连通性差造成束缚水饱和度高是低阻油层的微观成因，同时从含油层段沉积相、沉积环境等因素探讨低阻油层宏观成因，认为三角洲外前缘水动力弱、能量低的沉积环境是高束缚水饱和度岩层形成的主要控制因素[13]。
2 ?X地区低阻油层成因机理
2.1 ?岩石颗粒粗细对油层电阻率的影响
取X地区XX1井纯油层41块岩心的粒度分析资料和测井资料，绘制平均粒径与油层的地层电阻率的交会图。如图1所示，纯油层的平均粒度与地层电阻率具有一定的相关性，平均粒径小的油层电阻率通常较低。
从阿尔奇公式可以看出，若不考虑泥质含量，地层电阻率的影响因素有：
①地层水电阻率，对不同地区，地层水矿化度的不同，导致地层水导电能力的强弱不同，从而影响地层电阻率;
②孔隙度，岩石的导电能力主要来自孔隙中流體，固体骨架（部分导电矿物除外）一般导电性差，所以孔隙度越大，导电流体越多，地层的导电性越好，地层电阻率也越低;
③含水饱和度，由于水的导电性远远大于油，所以通常含水饱和度越大的地层，地层电阻率越小;
④孔隙结构，在物性及含油性相同的情况下，孔隙结构决定了水在储层中的连接方式，连接方式不同其导电能力也不同，而储层的孔隙结构主要体现在胶结指数m值与饱和度指数n值上，阿尔奇公式中的a值和b值通常接近于1。
对于本研究区，从图1可看到油层的电阻率明显与岩石颗粒粗细有关，而通常岩石颗粒粗细会从两方面影响油层的电阻率的大小：①岩石颗粒的粗细会影响束缚水含量的多少，从而影响油层电阻率，束缚水含量越高，油层电阻率越低;②岩石颗粒的粗细会影响岩石的孔隙与吼道结构，进一步影响岩石的岩电参数胶结指数m值和电阻率指数n值，从而影响油层电阻率，m值和n值越小，油层电阻率值越低。
2.1.1 ?岩石颗粒粗细对束缚水含量的影响
从研究区正常油层和低阻油层的岩心半渗透隔板毛管压力曲线（图2和图3）中可以看出，正常油层的毛管压力曲线陡峭，呈“L”型，而低阻油层的毛管压力曲线相对平缓。若取毛管压力为0.689 5 MPa（100PSI）时，对应的含水饱和度为束缚水饱和度，则正常油层的束缚水饱和度约为18%～32%，而低阻油层束缚水饱和度约为44%～85%。低阻油层束缚水饱和度明显高于正常油层。纯油层的含油饱和度等于1减去束缚水饱和度，即低阻油层的含油饱和度会低于正常油层，这是其电阻率低的一个重要成因。
2.1.2 ?岩石颗粒粗细对岩电参数的的影响
取X地区21块岩心（其中9块来自正常油层，12块来自低阻油层）的岩电实验结果绘制胶结指数m（令a=1）和电阻率指数n值的交会图。如图4所示，低阻油层的m值与n值明显小于正常油层。
为分析正常油层与低阻油层m值与n值存在差异的原因，绘制了不同颗粒粗细的岩石孔隙与吼道分布示意图，如图5所示。
储层的吼道大小主要取决于岩石形成时的压实作用和胶结作用，压实作用和胶结作用越强则吼道大小越小。而对研究区的正常油层和低阻油层，其形成时的压实作用和胶结作用是一样的，故两种储层的吼道大小没有明显差别。但从图5中可以看到在吼道的大小接近的情况下，岩粒越小，孔隙与吼道的差别越小，即m值越小;在油层中，通常油占据大的孔隙空间，水占据吼道和岩粒表面（即毛管束缚水和表面束缚水），这导致颗粒细的岩石导电网络更发达，水的导电效应更大，即n值小。
根据阿尔奇公式，在其余条件相同的情况下，m值和n值越小地层的电阻率值越小。故m值与n值小也是本区低阻油层形成的一个重要原因。
2.2 ?油藏幅度对油层电阻率的影响
对于一个完整的油藏，油藏的顶部为纯油层，含油饱和度高;底部水层或边部水层;在纯油层与水层之间可能存在油水同层。之所以存在这种垂向的流体分层性，其主要原因是流体密度存在差异导致油气水在同一油气藏中所承受的纵向驱替力不同，即存在油气水分异作用。
如果油气水的分异作用较弱，就不能形成高饱和度纯油气层而成为低阻油层或油水同层。在研究区有些层系油气藏中存在着大量的油水同层，之所以出现这种情况，其主要原因是低油藏高度。
图6是研究区油柱高度与电阻率的关系，由图可见，油柱高度较大的地层，含油比较饱满，地层电阻率明显较大。但是本工区大部分储层油柱高度小于7 m。这说明研究区大部分储层油藏幅度不高，油水驱替力浮力小，不足以克服更小的毛细管压力进入更小的孔隙，导致油层毛管束缚水含量高，降低了油层电阻率。这是本研究区低阻油层形成的一个重要原因。
2.3 ?黏土礦物的附加导电性对电阻率的影响
2.3.1 ?黏土矿物在水溶液中的特性
黏土中主要三种矿物蒙脱石、高岭石和伊利石都呈片状结构。黏土矿物晶体表面带负电荷，形成的负电荷的原因有两方面：一方面是由于低价阳离子取代了黏土晶格中的高价阳离子，使晶体结构中出现过剩的负电荷;另一方面是由于晶体裸露在外面的氢氧根中的氢会被解离，从而使黏土矿物晶体带负电。
当黏土颗粒处于地层水中时，其表面的负电荷会吸引地层水中的阳离子。这些被吸引的阳离子将会呈扩散状分布，即具有一定的厚度，且越远离黏土颗粒表面数量越少。黏土矿物表面的负电荷及这些呈扩散状分布的阳离子一同构成了双电层。
通常，被黏土颗粒表面负电荷吸附的阳离子是难以自由运动的。但当外电场的作用强于负电荷对阳离子的吸附作用时，双电层外的阳离子通过外电场的加速作用能置换掉双电层内的阳离子，迫使结合水中的一部分阳离子产生运动，由此形成电流。这种双电层外的阳离子交换双电层内的阳离子的能力称为阳离子交换能力，这种由阳离子交换作用形成的导电性被称为黏土的附加导电性[14]。
阳离子交换特性与黏土颗粒的分散度以及黏土矿物类型有关。在常见黏土矿物中蒙脱石的阳离子交换能力最强，每100 g蒙脱石的交换容量CEC能高达80～150 mg;高岭石最弱，每100 g高岭石的交换容量CEC仅3～15 mg; 伊利石交换容量CEC介于蒙脱石和高岭石之间，每100 g利石的交换容量CEC约为10～40 mg。通常颗粒的分散程度也会影响阳离子交换容量，颗粒的分散度大，阳离子交换容量也越大。
2.3.2 ?黏土的附加导电性对电阻率的影响
地层中如蒙脱石、伊利石、绿泥石等黏土矿物成分的存在会产生黏土矿物附加导电性，增加岩石的导电能力，从而降低地层电阻率，导致油层低阻。
黏土矿物的附加导电性的大小与地层水矿化度关系较大，在中低矿化度的地层水条件下，泥质的附加导电性相对于地层水的导电性无法忽略，而在高矿化度情况下，泥质的附加导电性作用相对溶液的导电性可以忽略不计。
3 ?结论
（1）岩石颗粒细会从两方面影响油层电阻率：①岩石颗粒细的油层束缚水含量高，导致油层的含油饱和度低，从而降低油层电阻率;②岩石颗粒细的储层胶结指数m和电阻率指数n都小，其孔隙结构更利于水的导电，从而降低储层电阻率。
（2）X地区低阻油层形成的主要原因是岩性细导致储层高束缚水含量并且降低了储层的胶结指数m和电阻率指数n，以及储层油藏幅度低导致油水的分异作用差。
（3）黏土矿物的附加导电性相对于X地区低阻油层中束缚水的导电性来说不显著，但也不能忽略不计。黏土矿物的附加导电性仅仅是X地区低阻油层形成的一个次要原因。
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