利用显微红外光谱技术表征非均质油气储层裂缝特征
——以任丘潜山蓟县系雾迷山组碳酸盐岩储层为例

周汉国、郭建春、李 静、刘思萌、彭成乐、侯江朋

1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室、四川 成都 610500 2. 中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心、山东 东营 257000 3. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院、山东 青岛 266580 4. 中国石油天然气管道局、河北 廊坊 065000

利用显微红外光谱技术表征非均质油气储层裂缝特征
——以任丘潜山蓟县系雾迷山组碳酸盐岩储层为例

周汉国1，2、郭建春1、李 静3*、刘思萌4、彭成乐3、侯江朋3

1. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室、四川 成都 610500 2. 中国石化胜利油田分公司油气勘探管理中心、山东 东营 257000 3. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院、山东 青岛 266580 4. 中国石油天然气管道局、河北 廊坊 065000

油气储层裂缝既是重要的储油空间、又是油气运移的主要通道、因此、裂缝表征非常重要。然而储层岩石具有强烈的非均质性、如何精确表征非均质储层裂缝是需要亟待解决的问题。利用显微红外光谱技术可以对矿物分子的光谱曲线进行分析、得到不同的峰值特征、精确获得岩石介质成分、裂缝的大小、裂缝充填物特性等。以任丘潜山型碳酸盐岩非均质储层为例、基于显微红外光谱技术、通过分析岩心光片显微红外成像光谱图和不同特征区域的光谱曲线、获得了目标样品岩石介质的物化特性和空间分布特征、预测了裂缝可能发育的区域,并分析了裂缝的有效性。结果表明、岩心样品主要介质为白云岩； 储层裂缝中含有烃类有机物和盐水包裹体、它们主要赋存于白云岩介质中； 裂缝充填物中盐水包裹体所占比例为51.7%、烷烃有机物所占比例为26.0%、裂缝发育从岩心样品左上方区域延伸至右下方区域、表明该延伸区域可能是流体运移的通道； 盐水包裹体会阻碍油气的运移、导致裂缝的渗透率降低； 实验测得岩石裂缝宽度为1～1.5 mm、属于大裂缝、油气可以顺利通过、因此、裂缝的有效性好。研究表明利用显微红外光谱成像技术表征非均质储层裂缝特征是切实可行的、为非均质油气储层精确表征提供了一种新方法。

显微红外光谱； 非均质储层； 碳酸盐岩； 流体包裹体； 裂缝

引 言

多场耦合作用在引起大尺度地层结构变化的同时、也在显微尺度上对成岩及其演化过程中的非均质分布产生重要影响。显微红外光谱具有分析速度快、效率高、成本低、无损分析等点[1-2]、已成为应用最广的光谱分析技术、被称为分析的巨人[1，3]。根据不同有机物质具有相异的光谱图像和吸收波长的特点、显微红外光谱可以在微观尺度上表征物质特征。本工作以任丘潜山碳酸盐岩储层为例、在作者前期荧光显微镜观察、显微拉曼光谱研究[4]的基础上、应用显微红外光谱技术研究油气储层裂缝充填物中物质的组成成分和空间分布、对碳酸盐岩储层裂缝进行了微观尺度分析。

1 实验部分

因碳酸盐岩质地较脆且易于溶蚀、容易形成孔隙或裂缝、而裂缝充填物的组成成分以及充填程度、性质、产状等常常含有应力场信息、构造运动信息等[5]、能够反映储层的油气产出、对于裂缝的研究有着重要作用。流体包裹体反映了当时地质环境中的各种地质地球化学信息(压力、温度、酸碱度、成分、密度、盐度等)、据此可以了解各种地质体的形成条件和过程[6]。

1.1 岩心光片分析区域的选择

实验用岩心光片样品均来自任丘潜山任28井、层位属于蓟县系雾迷山组(Jxw)、位于雾迷山组的雾四段底层和雾三段顶层、井深为3 243.25 m、岩性为灰褐色白云岩。在荧光显微镜下分别进行白光透射和荧光观察并留存数字图像记录、共检测过14个流体包裹体样品(内含123个包裹体)、包裹体主要存在于方解石脉及次生石英基质岩心的裂缝中、分为无机盐水包裹体和有机烃包裹体两大类。

显微红外光谱实验所用仪器为美国珀肯—艾尔默公司生产的Spotlight 400/400N型傅里叶变换红外/近红外成像系统、采用25 μm分辨率、在可见光黑白图像上选取12个分析区域如图1所示。

图1 25 μm像素分辨率下岩石光片黑白图像

1.2 研究区域岩石的显微红外成像光谱特征

为了解每个研究区域的概貌、综合考虑岩心光片及其片基的主要有机和无机化学成分的红外透射光谱和反射光谱特性、因固体色散特性使这两种方式的光谱完全不同、固体对一个频率光的吸收、透射光谱曲线表现为一个相当窄的光谱吸收峰(称为窄频域性)； 而反射光谱曲线表现为一个相当宽的反射光谱带(称为宽频域性)、在很长波长的光谱区、其光反射强度一直保持一定的值而不为零。因此、反射光谱曲线对于含多种成分的复杂物质的混合光谱进行解混是很困难的。故采用具有窄频域性的透射光谱、对图1中岩石光片上选取的各个研究区域进行显微红外光谱成像处理、用光谱积分范围(中心波长、光谱带宽)的方法来解决混合光谱解混的问题、形成具有不同吸光度的光谱图像。选取光谱波数范围为4 000～1 400 cm-1、这一波数段的红外光、既有利于探测烷烃有机物的灵敏度、同时又避免了岩心无机矿物基质的强吸收干扰过大的问题。B008(3)黑白图像中B3区域在4 000～1 400 cm-1波数范围内的显微红外成像光谱图如图2所示。

图2实际上是一个比包含烷烃吸收谱带(2 950～2 850 cm-1)更宽一些的光谱波段的吸光度光谱积分值(同时也包括对宿主矿物的一定吸收)、在样品平面上的二维(X,Y)空间分布图(强度以假彩色表示)、由此可进一步选择若干特征点作分析。

图2 B3区域的显微红外成像光谱图

2 结果与讨论

2.1 特征点分析

碳酸盐岩介质呈现强烈的非均质性、所含的复杂物质结构可能导致光谱曲线的偏移、影响实验结果的提取和判断。因此、需要对光谱吸光度成像图进行谱图预处理、本工作采用Savitzky-Golay卷积平滑法完成谱图运算、谱图经预处理后、在研究区域红外成像光谱图中根据吸光度不同选取特征点、图2中B3区域选定的5个特征点红外光谱曲线如图3所示。

图3 B3区域特征点红外光谱曲线图

根据图3可知、五条曲线均有明显的特征峰值、其中在3 650～3 200 cm-1处有峰值趋势、在3 450 cm-1处有较强峰、表明该岩心光片中普遍含有游离羟基。作者前期对该样品流体包裹体的荧光显微镜观察和显微深度剖析拉曼光谱研究已经表明该岩石裂缝中含有盐水包裹体[4]。裂缝中包裹体等充填物的物理化学变化影响着裂缝的成因、环境和流体运移情况[7]、无机充填物使裂缝渗透率降低、可能堵塞油气运移的通道、破坏裂缝的有效性。图3中Spectrum 1 与富含羟基的石灰岩光谱曲线相似[8]、由实验结果可知1点区域的岩石介质主要为石灰岩。

除Spectrum 1外、另外四条曲线在2 950～2 850 cm-1处有明显的峰值趋势、说明岩心样品中含有烷烃。在前述的图2中、任意一个位点(X0,Y0)都有一个相应的吸光度值(主要反映烷烃的吸收)、由图2右侧假彩色竖柱标尺表示。不同的位点有不同的假彩色、也就意味着有不同的吸光度值、即烷烃的含量空间分布不均匀。对其余选取区域进行特征点分析、也发现其中均含有明显的不均匀分布的烷烃、说明该岩石光片中含有有机化合物。含有烷烃的有机化合物是石油的重要组成部分、表明在该岩心光片中除1点区域外的其余部分均含有石油。

从任28井岩心剖面上先后采集晶洞原油样品两个(层位均为Jxw、井深分别为3 214.4～3 367.13 m； 3 265.02～3 268.35 m、岩性分别为褐灰白云岩和深灰斑状白云岩)、外观观察含油小晶洞与外部不连通。荧光薄片镜下观察全呈亮黄色、其正构烷烃主峰是C25(与上一地层的双洞铁岭组油苗的发光特征相同)、而与第三系原油的发光特征有明显差别。晶洞原油同本层白云岩抽提物的甾、萜烷分布特征十分相似。其主要特点是：5α-C27<5α-C29,5α-C28<5α-C29、γ-蜡烷

由于烷烃有机化合物的存在、岩心光片上存在较大范围的白云岩介质。对所选区域方位坐标进行中值计算、描述其在光片中的区域位置、其方位分布图如图4所示。

图4 选择区域中值点分布图(μm)

根据图4可知、含有有机化合物的区域集中分布在第二、第四象限中、由此可知该岩心样品白云岩介质可能存在于左上至右下方延伸区域、而白云岩介质中存在有机化合物和流体包裹体、说明该区域可能是流体运移的通道、是岩石裂缝可能形成的区域。

2.2 储层裂缝的有效性分析

前人研究认为[9-11]、白云岩储层中孔隙和裂缝是油气运移的主要通道、分析裂缝的有效性非常重要。根据红外光谱实验进一步分析研究区域裂缝中盐水包裹体与烷烃的空间分布、据此判断裂缝的有效性。

根据图2所示的B3区域特征点红外光谱曲线可以得出、在3 650～3 200 cm-1处有峰值趋势、在3 450 cm-1处有较强吸收峰、说明岩石裂缝中普遍存在游离羟基、因此、选取3 650～3 200 cm-1作为游离羟基的吸收带、利用该波段吸收峰的面积分进行游离羟基的假彩色成像、得出盐水包裹体在岩石裂缝中的空间分布、如图5(a)所示。同理、选取2 950～2 850 cm-1的烷烃的吸收带提取图像、利用该波段吸收峰的面积分进行烷烃的假彩色成像、得出烷烃在岩石裂缝中的空间分布、如图5(b)所示。用不同颜色表示像素点处吸光度等物理量强度的大小、假彩色条柱从红色到紫色表示吸光度从大到小、即红色最强、紫色最弱。

由于3 650～3 200 cm-1波段主要是羟基的振动吸收带、图5(a)表示岩心光片对这一波段红外光的吸收程度、其中、绿色到红色区域表示盐水包裹体存在的区域； 同理、2 950～2 850 cm-1波段主要是烷烃中甲基和亚甲基对称与不对称的振动吸收带、图5(b)中绿色到红色区域表示烷烃富集区域。由图5可知、裂缝宽度为1～1.5 mm、根据裂缝级别划分标准[12]可知该岩石裂缝属于大裂缝。

图5 红外光谱特征值图像

为了更加清晰地观察烷烃在岩石裂缝中的空间分布、对红外光谱特征值图像进行谱图分析、同时对烷烃进行化学成分标定显示。由上述可知、该岩石裂缝主要由岩石介质、盐水包裹体、有机包裹体组成、利用2 520～2 530、3 250～3 550、3 650～3 200和2 950～2 850 cm-1波段对这三者进行单独提取、利用软件SpectrumIMAGE将这三者的光谱图进行组合叠加、并用Savitzky-Golay卷积平滑处理排除噪声物质的干扰。经过组合、弱化岩石介质和盐水包裹体光谱图像显示、同时强化有机包裹体光谱图像、单独表示出了烷烃的空间分布区域、结果如图6所示。

图6 烷烃化学成分标定图

根据图6所得结果、红色区域代表岩石介质和羟基比较集中的区域； 蓝色区域代表岩石裂缝中除烷烃有机物和盐水包裹体以外的其他物质所在区域； 绿色区域代表裂缝中烷烃比较集中的区域、使用软件SpectrumIMAGE分别统计出该区域中盐水包裹体与烷烃有机物占裂缝区域的面积百分比：烷烃有机物为26.0%、盐水包裹体为51.7%。盐水包裹体在裂缝中会阻碍油气的运移、导致裂缝的渗透率降低； 实验测得岩石裂缝宽度为1～1.5 mm、属于大裂缝、油气可以顺利通过、说明该岩石裂缝的有效性好。

3 结 论

(1)研究区域碳酸盐岩储层岩石中含有烃类有机物和盐水包裹体、烃类有机物主要赋存于白云岩介质中、盐水包裹体和烷烃有机物所在区域中值点位于岩心样品的第二、第四象限中、表明该岩心样品自左上方至右下方延伸区域可能是流体运移的通道、是岩石裂缝可能形成的区域。

(2)通过红外光谱分析可知、研究区域储层裂缝主要存在于白云岩介质中、裂缝充填物中盐水包裹体所占比例较大为51.7%、烷烃有机物的含量较小为26.0%、岩石裂缝宽度为1～1.5 mm、属于大裂缝、裂缝的有效性好。

利用显微红外光谱成像技术精确表征非均质油气储层裂缝特征、为探寻优质储层、提高油气藏的勘探开发效果提供了一定的科学依据。

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[11] ZHOU Ying-jie(周英杰). Fractured Buried Hill Reservoir Characterization and Prediction(裂缝性潜山油藏表征与预测). Beijing: Petroleum Industry Press(北京: 石油工业出版社),2006.

*Corresponding author

Characterizing Fracture Characteristics of Heterogeneous Oil and Gas Reservoir by Using Microscopic Infrared Spectroscopy Technique——Taking Carbonate Reservoir of the Wumishan Formation of Jixian System in Renqiu Burried Hill as an Example

ZHOU Han-guo1,2,GUO Jian-chun1、LI Jing3*,LIU Si-meng4,PENG Cheng-le3、HOU Jiang-peng3

1. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation、Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China 2. Manage Center of Oil and Gas Exploration of SINOPEC Shengli Oilfield Company、Dongying 257000,China 3. College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China 4. China Petrolum Pipeline Bureau、Langfang 065000,China

Oil and gas reservoir fracture is not only the important reservoir space,but also the main passage of the oil and gas migration. Therefore,the characterization of fracture is of great importance. However,reservoir rocks have strong heterogeneity,how to characterize heterogeneous reservoir fracture accurately is an urgent problem to be solved. Microscopic infrared spectroscopy imaging technique can be used to analyze spectral curve of the mineral molecules,different peak characteristics were got,and rock medium composition,the size of the rock fracture,and fracture filler properties and other characteristics were obtained accurately. In this work,carbonate heterogeneous reservoir of Renqiu buried hill was taken as an example,based on the microscopic infrared spectroscopy imaging technique,by the analysis of core sample infrared imaging spectrogram and spectral curves of different characteristic regions,the physicochemical characteristics of the target sample and spatial distribution of the rock medium were obtained,the regions where rock fracture maybe occurred were predicted and the effectiveness of the fractures was analyzed. The results show that the main medium of rock sample is dolomite. The rock fractures contain hydrocarbon organic and salt-water inclusion、which mainly exist in dolomite medium. The proportion of salt-water inclusion is 51.7%,and that of alkane organic matter is 26.0% in the fracture filler. The fracutres extend from the upper left region of core sample to the lower right region,which shows that the extended region of the core sample may be the passage of fluid migration. The salt-water inclusions can impede the migration of oil and gas,resulting in the decrease of fractures permeability. The experimental results show that the width of fractures is 1～1.5 mm,which belongs to large fracture,oil and gas can pass the fractures smoothly,therefore,the effectiveness of the fracture is good. The results showed that it is feasible to characterize the fracture of heterogeneous reservoir by means of microscopic infrared spectroscopy imaging technique,and it provides a new method for the accurate characterization of the fracture of heterogeneous reservoir.

Microscopic infrared imaging spectroscopy; Heterogeneous reservoir; Carbonate rocks; Fluid inclusions; Fractures

Sep. 14,2015; accepted Jan. 15,2016)

2015-09-14、

2016-01-15

国家自然科学基金面上项目(41272141)、国家科技重大专项(2016ZX05002-002)资助

周汉国、1969年生、西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室博士研究生 e-mail：zhouhanguoupc@163.com *通讯联系人 e-mail: lijing0681@163.com

TE122.2

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-3926-05