基于鉀含量校正的黏土礦物分析與低電阻率識別應(yīng)用

鄭煬, 崔云江, 陸云龍, 關(guān)葉欽

(中海石油(中國)有限公司天津分公司, 天津 300452)

0 引 言

黏土礦物普遍存在于沉積巖地層中,是砂泥巖儲集層的重要組成部分。黏土礦物對油田的沉積環(huán)境研究、成巖作用研究、儲層敏感性分析、儲層物性參數(shù)(孔、滲)研究以及低電阻率油層成因研究有一定的指示作用[1-7]。黏土礦物對放射性元素有著強(qiáng)烈的吸附作用,沉積巖自然放射性的強(qiáng)弱與黏土礦物的含量密切相關(guān)[8]。因此,可以利用自然伽馬能譜測井方法確定沉積巖黏土礦物的類型和含量。石強(qiáng)[9]運(yùn)用Th和K交會圖對計(jì)算地層中黏土礦物成分進(jìn)行了嘗試,但這種方法只能達(dá)到半定量的效果。孫建孟、黃茜等[10-11]通過篩選合適的變量,應(yīng)用多元回歸法實(shí)現(xiàn)了對黏土礦物含量定量的計(jì)算,但都沒有考慮到地層鉀長石等富鉀礦物對鉀含量曲線的影響。李召成等[12]提出了一種校正鉀長石等富鉀礦物的有效方法,校正的結(jié)果需要巖心實(shí)驗(yàn)進(jìn)行刻度。

研究區(qū)地層中普遍存在著鉀長石,導(dǎo)致鉀含量曲線無法準(zhǔn)確識別地層中的黏土礦物類型。針對該問題,在研究區(qū)開展了鉀含量的校正,進(jìn)而利用Th、K含量交會圖識別黏土礦物類型,并通過篩選自變量建立了黏土礦物成分定量計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果吻合度較好。在黏土礦物識別的基礎(chǔ)上,對研究區(qū)低電阻率油層的成因展開分析,認(rèn)為黏土附加導(dǎo)電性是低電阻率油層的成因之一。

1 黏土礦物的放射性特征

沉積巖不同黏土礦物U、Th、K的含量各不相同,地層中主要的黏土礦物有高嶺石、蒙脫石、伊利石、綠泥石和伊蒙混層。不同黏土礦物的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)各不相同,他們的各種地球物理測井響應(yīng)值各不相同,表1為幾種常見黏土礦物的鈾、釷、鉀及釷鉀比、密度等測井特征值[9]。

表1 常見黏土礦物測井特征值

不同黏土礦物U、Th、K的含量各不相同,尤其是高嶺石、蒙脫石和伊利石的VTh/VK差異較大,這種不同黏土礦物測井值的差異是自然伽馬能譜測井確定不同黏土礦物類型的理論基礎(chǔ)。

2 基于鉀含量校正的黏土礦物類型

2.1 鉀含量的校正方法

自然伽馬能譜測井識別黏土礦物最普遍的方法是使用斯倫貝謝公司經(jīng)典圖版Th、K含量交會圖[13],但在實(shí)際測量過程中,由于鉀長石的存在,K含量測井值偏大,Th、K含量交會圖無法正確指示地層中的黏土礦物類型。研究區(qū)CFD油田全巖分析數(shù)據(jù)表明,該油田部分井段鉀長石的含量在4%～21%之間,平均值為13.4%。因此,有必要對K含量進(jìn)行校正,以消除鉀長石對K含量值的影響。

K含量不僅受到黏土礦物的影響,還與鉀長石等富鉀礦物有關(guān),而Th含量與黏土礦物具有良好的相關(guān)性,所以K含量曲線的響應(yīng)特征為鉀長石和黏土礦物響應(yīng)的綜合,而Th含量曲線的響應(yīng)值主要是黏土礦物的貢獻(xiàn),因此兩者之差可以消除鉀長石對鉀含量曲線的影響[12]。根據(jù)上述原理可以實(shí)現(xiàn)對鉀含量曲線的校正。

(1) Th含量計(jì)算地層的黏土含量。Th含量與黏土礦物含量具有良好的相關(guān)性,根據(jù)CFD油田的巖心資料,擬合出了黏土含量和Th含量的關(guān)系式

(1)

式中,Vsh為黏土含量,%;VTh為釷含量曲線值。

(2)

式中,VK、VK,max、VK,min分別為實(shí)測、純泥巖、純砂巖的K含量曲線值。

(3) 獲得鉀長石的含量VPOTA

(3)

式中,a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),需利用巖心刻度。利用該方法處理得到了CFD-A井的鉀長石含量,通過與巖心分析數(shù)據(jù)對比(見表2),認(rèn)為研究區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a=1.5比較合適。

表2 鉀長石計(jì)算含量與巖心含量對比

(4) 對K含量測井值進(jìn)行校正

ΔVK=VPOTA(VK,max-VK,min)+VK,min

(4)

圖2 Th、K含量交會圖識別CFD-A井黏土礦物類型

根據(jù)上述原理,對CFD-A井K含量曲線進(jìn)行了校正。從圖1中第7道可以看出,校正過程中得到的鉀長石含量曲線與巖心的鉀長石含量吻合度較高,說明該方法的校正結(jié)果可靠。

圖1 CFD-A井鉀含量曲線校正成果圖*非法定計(jì)量單位,1 in=2.54 cm,下同

2.2 基于鉀含量校正的黏土礦物類型識別

根據(jù)研究區(qū)巖心X射線衍射資料可知,CFD油田地層黏土礦物類型以伊蒙混層為主,含量為68.3%～73.4%;其次是高嶺石,含量為11.3%～17.4%;伊利石的含量為5%～14.1%;綠泥石的含量最少,為4%～7.8%。在校正K含量曲線之前,利用Th、K含量交會圖對CFD-A井的黏土礦物類型進(jìn)行了識別,識別結(jié)果為伊利石、云母、海綠石[見圖2(a)],與巖心分析結(jié)果不符。在K含量曲線校正之后,再利用Th、K含量交會圖對CFD-A井的黏土礦物類型進(jìn)行了識別,識別結(jié)果顯示該井的黏土礦物以伊蒙混層、高嶺石、伊利石為主,其中伊蒙混層最多[見圖2(b)]。顯然,校正后的Th、K含量交會圖識別結(jié)果與該井的巖心分析結(jié)果一致性較好。

2.3 多元回歸法計(jì)算黏土礦物相對含量

大量的測井和分析資料顯示鈾、釷、鉀含量及VTh/VK值與黏土礦物及含量存在密切的關(guān)系,由回歸關(guān)系分析可建立黏土礦物含量的定量解釋模型。在交會圖和K含量曲線校正的基礎(chǔ)上,根據(jù)被預(yù)測層系的黏土類型變化規(guī)律,采用了分段統(tǒng)計(jì)建模、分段統(tǒng)計(jì)預(yù)測的辦法。

CFD油田鉆遇了明化鎮(zhèn)組、館陶組、東營組3個(gè)層系,利用U、Th、K含量和VTh/VK這4個(gè)參數(shù),結(jié)合該油田巖心X衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別回歸出明化鎮(zhèn)組、館陶組和東營組的高嶺石、伊利石、伊蒙混層以及綠泥石相對含量的計(jì)算模型。

高嶺石相對含量計(jì)算模型:

明化鎮(zhèn)組

WG=-50.11-0.712VTh+2.626VU+

0.635VTh/VK+16.318VKR2=0.611

(5)

館陶組

WG=-58.08-0.609VTh+1.686VU-

1.523VTh/VK+10.064VKR2=0.904

(6)

東營組

WG=53.62+3.841VTh+0.0549VU+

0.0549VTh/VK-25.19VKR2=0.844

(7)

伊利石相對含量計(jì)算模型:

明化鎮(zhèn)組

WY=25.75+0.169VTh-0.0637VU+

0.337VTh/VK-4.322VKR2=0.532

(8)

館陶組

WY=144.096-1.156VTh+4.016VU-

4.73VTh/VK+23.281VKR2=0.933

(9)

東營組

WY=-49.67-7.181VTh+8.701VU+

6.187VTh/VK+57.162VKR2=0.977

(10)

伊蒙混層相對含量計(jì)算模型:

明化鎮(zhèn)組

WYM=199.3+5.959VTh+1.685VU-

23.4491VTh/VK-23.276VKR2=0.584

(11)

館陶組

WYM=-54.96+1.821VTh-4.762VU+

3.539VTh/VK+21.232VKR2=0.746

(12)

東營組

WYM=25.827+26.619VTh-4.802VU-

8.197VTh/VK+6.103VKR2=0.854

(13)

由于地層的黏土礦物只含有高嶺石、伊利石、伊蒙混層和綠泥石,因此這四者相對含量之合為1,因此,綠泥石的相對含量為

WL=100-WG-WY-WYM

(14)

式中,WG、WY、WYM、WL分別為高嶺石、伊利石、伊蒙混層、綠泥石相對含量,%。

從黏土礦物45°線驗(yàn)證圖可以看出,該方法計(jì)算的黏土礦物相對含量與實(shí)驗(yàn)室測量值之間的誤差較小,說明多元回歸模型計(jì)算的結(jié)果可靠(見圖3)。上述公式計(jì)算的結(jié)果為黏土礦物類型的相對含量,再乘以泥質(zhì)含量可以得到相應(yīng)的體積含量,即在巖石中所占的體積。

圖3 計(jì)算模型45°線驗(yàn)證圖

3 基于黏土礦物分析低電阻率油層成因研究

研究表明,不同黏土礦物具有不同的陽離子交換容量和比表面積(見表3)[14]。陽離子交換容量越高,黏土的導(dǎo)電性越強(qiáng);比表面積越高,黏土的親水性越高。從表3可以看出,蒙脫石的導(dǎo)電性最強(qiáng),其次是伊利石和綠泥石,高嶺石導(dǎo)電性最差。黏土礦物類型的不同往往也是低電阻率油層形成的原因。

表3 主要黏土礦物的陽離子交換容量和比表面積[14]

CFD-B井館陶組1 479.1～1 483.9 m段是經(jīng)取樣證實(shí)的一套低電阻率油層,電阻率在3 Ω·m以下,測井響應(yīng)特征與水層相似。同時(shí),該井在904.5～911.5 m段存在1套經(jīng)DST測試證實(shí)的典型油層,油層電阻率較高(見圖4)。利用Th、K含量交會圖對典型油層、低電阻率油層和水層的黏土礦物類型進(jìn)行識別(見圖5)。

從圖5可看出,904.5～911.5 m段典型油層和1 489.4～1 495.5 m段水層的高嶺石含量要明顯高于1 479.1～1 483.9 m段低電阻率油層;而低電阻率油層的伊蒙混層和伊利石含量要高于典型油層和水層,圖版分析結(jié)果與巖心分析數(shù)據(jù)一致(見表4)。由于低電阻率油層的伊利石和伊蒙混層含量更高,高嶺石含量較低,因此低電阻率油層的黏土束縛水更高、黏土附加導(dǎo)電性更強(qiáng),從而導(dǎo)致該段油層的電阻率較低。相對于巖心分析,圖版法具有分析速度快、成本低的優(yōu)點(diǎn),這為低電阻率油層的識別提供了一種簡單實(shí)用的方法。

表4 CFD-B井X衍射黏土礦物含量分析

圖4 CFDB井測井響應(yīng)特征

圖5 CFDB井低電阻率油層的黏土礦物類型

4 結(jié) 論

(1) 首次將鉀含量的校正用于渤海油田的自然伽馬能譜測井分析中,有效地消除了鉀長石對鉀含量曲線的影響,并基于斯倫貝謝公司經(jīng)典圖版,準(zhǔn)確識別了黏土礦物類型。

(2) 通過優(yōu)選合適的自變量,采用多元回歸法得到了地層黏土礦物相對含量的計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)果與巖心分析結(jié)果吻合度較高,通過對其他10多口井的應(yīng)用進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

(3) 通過對CFD油田低電阻率油層、典型油層和水層黏土礦物類型的分析,認(rèn)為黏土礦物的附加導(dǎo)電性是研究區(qū)低電阻率油層形成的原因之一,這為低電阻率油層的識別提供了一個(gè)有理的證據(jù)。

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