黏土化蚀变作用定量分析方法在储层评价中的应用*
——以莱州湾凹陷沙四段砂砾岩为例

王培春 崔云江

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

随着渤海海域勘探开发程度的日益提高，古近系砂砾岩逐渐成为渤海油田增储上产的重要领域[1]。砂砾岩储层由于受构造背景、沉积环境和成岩作用等多因素的影响，岩石成分、结构复杂，非均质性强，且受火山碎屑岩影响，砂砾岩蚀变作用强，储层有效性评价面临较大挑战。针对这一难题，学者们针对油田实际情况提出了相应的解决办法[2-9]，如赵永强 等[7]通过“四性”精细研究开展有效储层评价，刘伟 等[8]基于电成像资料开展储层有效性研究等。由于中基性火山岩暗色矿物含量多，岩石矿物组分稳定性差，容易发生黏土蚀变作用，因此，国内外对蚀变作用的研究重点在火山岩，如高衍武 等[10]中拐凸起黏土化蚀变火山岩孔隙度评价方法，而针对蚀变作用对砂砾岩储层有效性的影响分析研究较少。

位于莱州湾凹陷斜坡带的垦利A油田古近系沙四段发育扇三角洲沉积，为大套富火山碎屑厚层砂砾岩，具有东、西向双物源，近源、快速堆积，多期扇体叠置的特征。受古地貌控制，纵、横向沉积厚度变化大，岩石结构和成分成熟度都很低，储层非均质性强。自然伽马、电阻率、中子孔隙度和密度等测井响应差异性较小，地层从上到下均表现为砂砾岩特征，后期测试却证实有油层、也有干层。如何根据现有资料准确判别储层有效性，为后期储量计算和油田开发奠定基础，这给测井研究人员提出了极大挑战。

针对上述难题，通过分析岩矿资料和测井响应特征，利用中子孔隙度和密度测井值计算视黏土含量变化，构建蚀变指数，将储层蚀变黏土化程度分为未蚀变、轻度蚀变、中度蚀变和重度蚀变四类。在此基础上，将蚀变指数与壁心或岩心全岩分析黏土含量建立关系，计算地层的黏土含量。将黏土含量与纵波时差联合构建储层品质因子，并通过蚀变指数、储层品质因子进行储层分类。该方法经油田资料验证，预测结果准确。

1 地质特征

莱州湾凹陷位于渤海海域南部，郯庐断裂带的东支和西支分别从其东、西两侧边缘通过，潍北凸起和莱北低凸起分别构成莱州湾凹陷的南、北边界[11-12]。垦利A油田位于莱州湾凹陷南部斜坡带，整体受反向控洼断裂和走滑断裂控制，紧邻莱州湾凹陷生烃中心，成藏条件优越。钻井揭示该构造中生界发育白垩系义县组和侏罗系蓝旗组，古近系发育沙河街组和东营组。其中沙四段发育扇三角洲沉积体系，物源主要为来自凸起区中生界火成岩和火山碎屑岩，岩石类型主要为富含火山碎屑的砂砾岩(图1a)。砂砾岩颗粒呈点接触，颗粒支撑，成分主要为酸性、中性喷出岩岩块(图1b)、凝灰岩岩块和花岗岩岩块，少量石英、长石，粒间填隙物主要见泥质、灰质以及凝灰质。岩心及壁心常规物性分析表明：孔隙度为15.5%～22.3%，平均值17.4%，渗透率为14.3～52.1 mD，平均值为32.1 mD，具有中孔、中—低渗储层特征。钻井证实，油藏类型以层状构造油藏为主，原油以中质油为主，地面密度0.861～0.889 t/m3。该区临近郯庐断裂，古近纪火山活动强烈，受深部热液和断裂活动影响，火山岩岩块(图1b、c)和长石(图1b、d)、黑云母(图1e)和方解石等矿物受到不同程度的溶蚀和蚀变，自生石英、蚀变高岭石、丝片状伊利石和针叶状绿泥石等较为发育(图1f)。

(a)1 431 m，砂砾岩标本照片；(b)1 695 m，酸性喷出岩岩块不均一蚀变、长石沿节理溶蚀、方解石胶结，正交光，×50；(c)1 482.5 m，火山岩岩屑溶蚀残余，单偏光，×100；(d)1 537 m，钾长石沿解理溶蚀、并向高岭石转化，扫描电镜，×4 000；(e)1 443 m，粒间孔和颗粒溶蚀孔发育、可见黑云母向绿泥石蚀变，单偏光，×50；(f)1 575 m，粒间孔隙内充填针叶状绿泥石和蜂窝状绿/蒙混层，扫描电镜，×6 000。

原岩发生蚀变作用的强度与范围主要取决于原岩本身和流体的物理化学性质，两者物理化学性质差异越大，蚀变作用就越强烈。沙四段岩性主要为富火山碎屑砂砾岩，且离物源较近，保留了母岩的基本特征。取心、铸体薄片和扫描电镜等资料表明，沙四段砂砾岩储层富含Fe2+、Ca2+和Mg2+，易发生绿泥石化等作用。轻度的蚀变作用，可以改善储层的储集性能[13]；当蚀变较重时，颗粒间的孔隙被自生矿物充填，储集空间大大降低。因此，如何确定富火山碎屑砂砾岩蚀变程度对储层有效性评价有着重要意义。

2 黏土化蚀变作用测井响应特征及定量分析

2.1 测井响应特征分析

测井信息可以反映地层原貌特征，是岩石矿物组分、孔隙结构特征、渗流特征及流体性质的综合反映。当地层矿物组分、流体性质相近时，储层的测井响应特征相近，而岩石矿物发生蚀变时，则会导致测井响应特征出现相应的变化[14]。

自然伽马能谱测井可以表征岩石含有不同的放射性元素。莱州湾凹陷南部斜坡带砂砾岩为近物源沉积，保留了火山碎屑及火成岩的放射性特征，母岩为酸性和中性喷出岩，钾元素含量高，放射性强，自然伽马值高。蚀变程度的差异，导致黏土含量的变化，而黏土对铀(U)、钍(Th)、钾(K)等元素具有较强的吸附能力。KL-A井1 462 m处壁心分析黏土含量(Vclay1)达到44%，1 437 m和1 456 m壁心分析黏土含量约10%，两者黏土含量差异较大、蚀变程度差异明显，但测量的铀、钍、钾含量没有明显变化(图2)。自然伽马、钍含量与壁心分析黏土含量相关性较差(图3a、b)。当岩石骨架发生变化时，密度测井可以反映不同岩性的变化，富火山碎屑砂砾岩储层由于受火山碎屑成分的变化，密度曲线响应呈现一定的“毛刺状”特征，但是在蚀变程度较高的1 462 m等深度段密度测井没有明显响应(图2)，密度测井与壁心分析黏土含量相关性也较差(图3c)。

图2 垦利A油田KL-A井沙四段富火山碎屑砂砾岩测井响应特征

基于自然伽马能谱测井和密度测井结果，研究区砂砾岩储层地层沉积环境较为稳定，与外界没有发生物质的交换或变化，岩石的蚀变作用主要是地层内部的自生、次生转换。由于中子孔隙度测井通过计量快中子源在地层中造成的热中子计数率映地层的含氢量，其测量值是岩石骨架含氢量和岩石孔隙中含氢量之和。富火山碎屑砂砾岩蚀变作用，引起火山碎屑物质向绿泥石、伊蒙混层转化，这些矿物中含有大量结合水。火山碎屑物质的蚀变作用越强，黏土含量越高，束缚水含量越高，中子孔隙度测井值越高(图2)。另外，测井中子值与壁心分析黏土含量二者存在较好的相关性(图3d)。

图3 垦利A油田沙四段富火山碎屑砂砾岩测井曲线与壁心分析黏土含量关系

2.2 黏土化蚀变作用定量评价

目前，国内外对地层发生黏土蚀变作用的研究主要集中在火山岩或者凝灰岩地层中，对砂砾岩蚀变黏土的研究较少[15-17]。根据上述分析，当砂砾岩储层中火山碎屑发生蚀变作用时，中子孔隙度具有明显增高趋势，而密度则变化较小，因此，通过中子孔隙度、密度测井值计算黏土含量变化来反映地层的蚀变程度。

利用密度测井相对值计算视基质黏土含量方法为

(1)

式(1)中：ρ为地层实际测量密度，g/cm3；ρmin为密度最小值,g/cm3；ρmax为密度最大值，g/cm3；Vclay2为利用密度曲线计算的基质黏土含量，小数。

基于薄片、全岩分析研究，结果表明当黏土含量超过20%时，通过铸体薄片明显可见火山碎屑蚀变黏土化作用，因此，选取黏土含量低于20%的壁心全岩分析数据，确定ρmin为1.48 g/cm3，ρmax为2.50 g/cm3，通过式(1)可计算地层未发生蚀变作用时的基质黏土含量。

利用中子孔隙度测井相对值计算视黏土含量方法为

(2)

式(2)中：φ为地层实际测量中子孔隙度，小数；φmax为中子孔隙度最大值，小数；φmin为中子孔隙度最小值，小数；Vclay3为利用中子曲线计算的视黏土总含量，小数。

基于薄片、全岩分析研究，并结合常规测井曲线，通过选取未蚀变位置确定φmin为0.15；鉴于不同层段位置蚀变程度差异，难以选取φmax值，可以利用式(2)反推计算得出φmax为0.56，基于式(2)可计算地层视黏土总含量。

利用视黏土总含量和黏土基质含量来定义砂砾岩储层蚀变黏土化程度，并进行等级划分。将sh=Vclay3-Vclay2定义为蚀变指数，sh越大，代表地层蚀变黏土化程度越强；反之，则越弱(图4)。将sh≤0时，定义为未发生蚀变；00.2时，定义为重度蚀变。通过铸体薄片、扫描电镜、物性分析等资料，当黏土含量超过20%时，储层渗透性明显变差，对应蚀变指数sh>0.1，即为中度蚀变储层有效性较差。

将蚀变指数与壁心或岩心全岩分析黏土含量建立联立关系，可以准确计算地层的黏土含量，其公式为

图4 垦利A油田沙四段地层黏土含量与蚀变指数关系

Vclay=114.16sh+9.312 8

(3)

式(3)中：Vclay为地层黏土含量，%。

通过图4可以看出，基于蚀变指数求取地层的黏土含量其较利用中子孔隙度曲线直接计算地层的黏土含量值，其相关性有了明显提高，双相关系数由原来的0.76(图3d)提高到0.84。

3 储层有效性分析及应用实例

3.1 储层有效性分析

富火山碎屑砂砾岩储层蚀变黏土化较弱时，电阻率值的变化受砾石含量、油气响应双重因素影响，因此，电阻率曲线难以反映储层品质变化；而纵波时差曲线主要受物性影响，砾石含量高、纵波时差低，砾石含量低、物性变好、纵波时差高，因此，可以利用地层黏土含量与纵波时差联合进行储层有效性判别。

基于地层黏土含量与纵波时差曲线构建储层品质因子

(4)

式(4)中：PI为储层品质因子，无量纲；DT为纵波时差曲线，μs/ft；DTmin为经岩心、壁心刻度后对应致密层的纵波时差最小值，μs/ft；DTmax为经岩心、壁心刻度后储层的纵波时差最大值，μs/ft；Vclaymin为地层黏土含量最小值，%；Vclaymax为地层黏土含量最大值，%。

通过岩心、壁心铸体薄片、扫描电镜、物性分析等资料研究表明，当地层黏土含量增加，蚀变程度等级超过中级时，即使储层存在较好的储集空间，岩心分析的渗透率也普遍偏差，储层有效性较差；当地层黏土含量较少，储层蚀变程度等级以未发生蚀变、轻度蚀变为主时，储层品质因子PI越高，代表地层有效性越好。利用研究区内的地层测试、取样数据以及结合核磁共振测井、电成像测井、常规测井等资料，基于储层品质因子和蚀变指数，将储层类型分为三类储层(图5)，即当PI≥0.2且sh≤0.00时，为I类储层；当PI<0.1或sh>0.10时，为III类储层；介于I类、III类储层之间的为II类储层。III类储层经测试或取样证实为干层或致密层，为无效储层；I类储层和II类储层均为有效储层，当储层蚀变作用较弱，储层品质高时定义为I类储层，I类储层和II类储层的界限可能随着认识的不同存在相应的变化。

图5 垦利A油田沙四段砂砾岩储层分类结果

3.2 应用实例分析

利用上述研究成果，在莱州湾凹陷斜坡带的垦利A油田古近系沙四段进行了广泛应用，准确识别出有效储层，指导了地层测压、取样及地层测试工作，为储量研究奠定坚实基础。图6为垦利油田A井储层分类结果，图中Vclay为利用式(3)计算的黏土含量，Vclay3为利用式(2)计算的视黏土总含量，Vclay1为壁心全岩分析的黏土含量，sh为蚀变指数，PI为储层品质因子。通过岩心、壁心、电成像测井及常规测井等资料，A井储层孔隙度介于10.0%～25.0%，渗透率2.5～94.7 mD，为中低孔中低渗储层；岩屑录井岩性以砂砾岩为主，荧光直照暗黄色，含油面积5%～40%，D-C级，壁心描述含油性以油斑为主；根据电成像测井资料，全井未见裂缝存在，储层类型以孔隙型储层为主。

图6 垦利A油田KL-A井储层分类

从图6可以看出，利用式(2)和式(3)计算的黏土含量结果，在黏土含量大于20%时，二者相近；当黏土含量较低时，尤其是在储层物性较好的层段，例如1 435.0～1 445.0 m，二者相差较大，其原因主要是在蚀变程度较低、物性较好时，中子孔隙度值会明显增大，其计算的黏土含量较实际结果有一定误差，利用公式(3)计算的结果和壁心全岩分析的黏土含量更加吻合。另外，在该井1 429.0～1 432.2 m、1 436.6～1 447.0 m段，其识别蚀变指数介于-0.076～0.043，储层品质因子介于0.041～0.416，应用该分类方法，识别I类储层9.4 m、II类储层2.9 m，储层有效性好，测试日产油达到49.66 m3，证实储层品质高；而1 532.4～1 535.5 m、1 537.7～1 540.5 m、1 543.3～1 545.2 m、1 546.3～1 548.1 m、1 550.0～1 564.0 m常规测井响应虽然与1 429.0～1 432.2 m、14 236.6～1 447.0 m相似，但蚀变指数介于-0.044～0.086，储层品质因子介于-0.024～0.251，应用该分类方法，识别I类储层1.8 m、III类储层21.4 m，储层有效性整体较差，后在该层段尝试测试并经酸化作业，累计产油0.47 m3，未获得工业油流，进一步验证了该方法进行储层划分的可靠性。

4 结论

1) 垦利A油田富火山碎屑砂砾岩由于受母岩成分的影响，容易发生不同程度的蚀变，轻度的蚀变有利于溶蚀、次生孔隙的发育，但蚀变程度较重时，岩石黏土化严重，不利于有效储层的形成。中子孔隙度和密度相对值法计算的黏土含量差异可以反映地层的蚀变程度，将砂砾岩储层蚀变黏土化程度级别划分为未蚀变、轻度蚀变、中度蚀变和重度蚀变四类。

2) 利用纵波时差、黏土含量构建的储层品质因子，以及蚀变指数实现了垦利A油田砂砾岩体的储层有效性判别。经实际资料证实，较好地解决了垦利A油田砂砾岩储层评价难题，也为今后类似砂砾岩及中基性火山岩储层有效性评价提供了可借鉴的方法。