马遵敬，刘彦成，李 辉，曹鹏飞

(1.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津 300452；2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 3.中联煤层气有限责任公司 研发中心，北京 100037)

引 言

低阻气层和水层的测井响应特征极其相似，仅仅通过测井手段难以识别，关于气层低阻成因机理的分析和研究可追溯至20世纪80年代，但主要聚焦于粒度较细、泥质含量相对较高的低阻(油)气层[1-2]，且获得了统一认识，普遍认为岩石粒度较细、泥质含量相对较高、复杂孔隙结构等导致的高束缚水饱和度以及颗粒表面附着的易导电矿物是低阻(油)气层形成的主要原因[3-8]。

近几年，在鄂尔多斯盆地东缘的盒4段也发现了低阻气层，但是与众不同的是，研究区盒4段的低阻气层粒度相对较粗、泥质含量较低。这种粗粒少泥的气层电阻率较低且成因机理尚未明确，识别难度大，严重影响该区盒4段的产能评价和预测。笔者在岩心实验分析、地层水矿化度分析、测井及试气资料综合研究的基础上，横向对比中粒与粗粒低阻气层岩石学特征、物性特征及孔隙结构特征的差异，从宏观和微观角度对盒4段的低阻气层成因进行分析，以期为后期高效开发提供理论依据和技术支撑，助力该地区的天然气增储上产。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯盆地东北缘，横跨伊陕斜坡和晋西挠褶带[9-11]。地层自下而上发育马家沟组、本溪组，太原组、山西组、下石盒子组、上石盒子组、石千峰组、刘家沟组、尚沟组、纸坊组、延长组以及新近系地层。低阻气层主要发育层位是上石盒子组盒4段，属于辫状河三角洲沉积体系的三角洲前缘微相。盒4段储层单层砂体厚度普遍超过2 m，岩石类型主要以岩屑砂岩及长石岩屑砂岩为主，粒度为中-粗。碎屑颗粒磨圆度一般为次棱角—次圆状，点-线接触，分选中等—好。填隙物含量较低，平均12.87%，其中以泥质为主，体积分数平均7.08%，占填隙物的一半以上。

1.1 岩石学特征

盒4段低阻气层岩石类型主要以长石岩屑砂岩和岩屑砂岩为主，粒度偏大，主要以中、粗砂岩为主，占比接近80%(图1)，细砂岩只有极少的一部分形成低阻储层。低阻储层砂体厚度一般相对较大，普遍在2 m以上。

图1 盒4段低阻储层岩石学特征

1.2 物性及孔隙结构特征

研究区盒4段低阻储层物性普遍较好(图2)，孔隙度主要集中在8.0%～16.0%，区间占比80%；渗透率主要集中在(0.5～5.0)×10-3μm2，区间占比可达70%，低阻储层物性整体优于常规储层。低阻气层孔隙类型以残余粒间孔和溶蚀粒间孔为主，偶见溶蚀颗粒孔和胶结物溶孔(图3(a))。低阻气层的孔隙结构普遍较好，整体具有排驱压力低、孔喉半径大的优质储层孔隙结构特点。

图2 盒4段低阻气层孔隙度与渗透率分布直方图

图3 鄂尔多斯盆地东缘盒4段储层微观特征

排驱压力范围在(0.01～2.01)MPa，平均0.55 MPa。最大孔喉半径在0.37～73.50 μm，平均8.40 μm。最大进汞饱和度34.9%～89.2%，平均68.3%；退汞效率在12.3%～49.0%，平均34.8%(图4)。

低阻气层的排驱压力主要集中在1.2 MPa以下(图4)。低阻储层最大进汞饱和度普遍在60%以上，属于强高进汞饱和度水平，而退汞效率一般都在20%以上，平均34.8%，也高于盒4段的退汞效率均值。盒4段低阻气层整体具有偏粗歪度、压汞曲线较平滑的特点，而且孔喉频率图上都具有明显的“双峰型”特征，即在孔喉结构上主要分为大孔和小孔两个范围，大孔半径在0.80～1.00 μm，小孔半径在0.05～0.06 μm。

图4 盒4段低阻储层孔喉中值半径和排驱压力交会图

2 宏观成因分析

气层的低阻现象通常是由多种地质因素综合作用所致，低阻气层的宏观控制因素控制着低阻气层的形成规律和分布特点[12-15]。气层低阻的宏观主控因素主要是沉积成因和成岩作用。

2.1 沉积成因

鄂尔多斯盆地东缘上石盒子组为砂泥岩互层，盒4段厚200～260 m，储层砂体以中砂岩和粗砂岩为主，属辫状河三角洲前缘沉积亚相(图5)，砂体发育相带主要为水下分流河道和水下分流河道间2种微相，二者的测井响应特征有一定差异[10]。水下分流河道砂体气层的电阻率较高，偶见发育低阻气层，而水下分流河道间的气层与水层粒度均比较细，电阻率非常接近，为低阻气层主要发育相带。原因在于，水下分流河道间的沉积物颗粒相对更细，泥质含量更高，物性相对较差，导致气层和水层的电阻率差别很小。由此可以说明，砂体的粒度及泥质含量对气层电阻率的影响很大，宏观上的沉积相带属于影响因素之一。

图5 鄂尔多斯盆地东缘盒4段综合柱状图

2.2 成岩成因

盒4段低阻气层埋深约1 600 m，进入中成岩阶段A期，盒4段泥质砂岩或泥岩处于成熟阶段，有机质分解产生大量有机酸，不稳定矿物组成的碎屑颗粒被有机酸经溶蚀，形成高岭石微晶[11]。部分残留在溶蚀孔内部的高岭石微晶将对孔隙进行分割，残留在孔喉中的高岭石微晶有可能阻塞喉道，使储层微孔发育、孔隙结构复杂化，从而导致高束缚水饱和度的形成。

3 微观成因

从岩石导电机理方面分析，气层低阻的微观成因分为地质因素主导的内因和工程因素主导的外因两大类。内因是指储层特征及储层内流体的地质因素，如：储层岩性、吸水性、粒度、歪度、黏土含量、胶结类型、物性以及孔隙结构等，细粒、高泥质含量、微孔隙发育、骨架导电、地层水矿化度高、岩石强亲水等均可引起气层低阻[16-18]。外因是指在钻井或开发过程中由于外在因素变化而引起的低阻，如：泥浆侵入、生产过程中的注入影响等均有可能引起对孔隙的改造作用，造成孔隙结构和导电矿物物理或化学性质的改变，导致低阻现象的产生[19]。

3.1 颗粒粒度及孔隙结构

碎屑颗粒的粒度对孔隙结构特征起决定性作用。细粒砂体的粒间孔隙相对较小、比表面积大，导致岩石束缚水比例高，储层的电阻率低。细粒砂岩的孔隙结构复杂、孔隙曲度大，使砂岩的排驱压力大、孔隙中的滞水多[20-22]，但研究区的盒4段气层多以中-粗砂岩为主，也大量发育了低阻气层。低阻气层以L-B井为例，正常气层以L-A井为例。通过测井及储层岩心研究发现，L-A井盒4段气层以浅灰色含砾粗砂岩为主，可动水比例较大，束缚水比例均低于40.0%，5/6的样品低于30.0%；孔喉半径分布均匀，且大于1 μm的孔喉比例超过50.0%；排驱压力低于0.1 MPa，盒4段气层电阻率30.0 Ω·m(图6)。L-B井低阻气层以灰色粗砂岩为主，可动水比例较小，束缚水比例均高于40%；孔喉半径分布不均，主要以小孔喉为主，比例超过80.0%；排驱压力较高，约1.0 MPa，气层电阻率约20.0 Ω·m(图7)。因此，由于粒度降低，孔隙结构复杂，束缚水饱和度升高，提供了发达的导电网络，从而导致气层电阻率下降。

图6 L-A井孔隙结构与气层测井影响关系

图7 L-B井孔隙结构与气层测井影响关系

3.2 黏土矿物及金属矿物

储层中黏土矿物对低阻气层的影响可分为直接影响和间接影响。直接影响主要表现为黏土矿物的导电性，即阳离子交换能力[23]。黏土矿物的阳离子交换能力是指黏土矿物在pH值为7的条件下能够吸附交换阳离子的数量，反映黏土矿物能携带负电荷的能力，携带负电荷数量越大，导电能力越强[24]。不同类型黏土矿物的晶型结构差异很大，导致其导电性也有很大区别。蒙脱石的阳离子交换量为0.78～1.45 mmol/g，绿泥石和伊利石的阳离子交换量为0.16～0.32 mmol/g，高岭石的阳离子交换量为3.00～5.00 mmol/g[25]。间接影响主要表现在黏土矿物含量、类型及黏土赋存状态，在颗粒表面形成的束缚水膜厚度及产状间接影响颗粒粒度及孔隙结构特征[26-27](图8)。盒4段低阻气层普遍发育绿泥石膜，绿泥石的赋存状态对于低阻气层的形成至关重要。绿泥石膜的赋存状态可分为环边型和填孔型(图3(b)—图3(d))。其中，前者主要是绿泥石呈栉齿状垂直生长在矿物颗粒表面，而后者是绿泥石膜以填隙物的形式充填于颗粒孔隙之间。低阻气层中绿泥石矿物主要以环边状态包覆于颗粒表面，这样形成一个彼此连接的导电网络，使储层的导电效率大大提高，进而使储层的电阻率下降，导致低阻储层的形成[28]。

图8 鄂尔多斯盆地东缘盒4段砂岩绿泥石膜的生长模式

储层中金属矿物往往能够电离产生阳离子，使储层的导电性增强，电阻率降低[29]。储层中常见金属矿物以铁质矿物为主，主要包括黄铁矿、菱铁矿、铁方解石、铁白云石和磁铁矿等，铁质矿物含量高会使储层产生低阻现象。盒4段低阻储层铁质矿物体积分数均值为3%，L-C井1 425.75 m处黄铁矿体积分数为3%，铁方解石体积分数为3%。常规储层电阻率为24 Ω·m，而同一井位的1 496.5 m样品富含黄铁矿，铁方解石体积分数4%，电阻率为11 Ω·m，属于相对低阻储层。因此，铁质矿物含量是该气田盒4段低阻储层的主控因素之一。

3.3 地层水矿化度

地层水矿化度对电阻率有直接影响。地层水矿化度越高，单位体积水溶液中的含盐量越大，电阻率就越低[30]。盒4段低阻地层水矿化度分布在30～70 g/L，平均约45 g/L，属于中低矿化度地层水(小于50 g/L)。地层水电阻率与地层水矿化度具有较明显的负相关关系(图9)，当地层水矿化度大于150 g/L时，地层水电阻率特别低。

图9 盒4段储层电阻率与地层水矿化度交会图

3.4 泥浆侵入

钻井过程中，微裂缝较为发育或物性较好的储层容易发生泥浆侵入，这样会给储层带来额外的水，在地层条件下，矿物离子浓度增加，储层的导电性增加，从而产生低阻[27，31-34]。为证实钻井液侵入对储层电阻率的影响，选取L-C井、L-A井盒4段共31块砂岩样品开展自吸水-核磁共振实验。研究发现，L-C井发育微裂缝(图10)，而L-A井无明显的裂缝发育。L-A井由于裂缝发育较少，泥浆侵入量到达100%时，电阻率依然高达40 Ω·m，而L-C井盒4段由于裂缝普遍发育，随着泥浆侵入量的不断增加，电阻率明显下降，当泥浆侵入量大于60%时，电阻率将低于20 Ω·m(图11)。微裂缝较为发育或物性较好的储层泥浆侵入过深或侵入时间过长，深、浅电阻率的差异将被弱化，往往出现“多电阻合一”的电性特征，通过电阻率测井区分水层和气层难度将增大。

图10 L-C井样品铸体薄片(1 650.27 m，微裂缝，-25X)

图11 L气田盒4段电阻率与泥浆侵入量的关系

3.5 砂泥岩薄互层

在国内外多个低阻储层研究区块都曾发现砂泥岩薄互层气层低阻， 这主要是由于测井仪器无法对薄层的砂岩-泥岩频繁互层进行区分，造成砂岩电阻率与泥岩电阻率叠加成一条区分度不大的曲线，呈现层段电阻率偏低的假象[35]。盒4段常见低阻储层多是以厚度在2 m以上的中、粗砂岩组成的层段，依靠常规测井曲线完全可以识别，其低阻原因并非因砂泥岩薄互层所致，因此，砂泥岩薄互层不是本区盒4段的低阻主要影响因素。

4 结 论

盒4段气层低阻的原因宏观上主要由沉积作用和成岩作用综合控制，微观方面主要是由复杂的孔隙结构引起的高束缚水饱和度、环边型绿泥石膜及金属矿物直接或间接增加导电性，此外，高矿化度地层水或泥浆侵入以及砂泥岩薄互层均属于次要因素，可辅助降低气层电阻率。