储集层特殊分析技术在油气勘探中的应用

夏云　田方　李保利

摘要　从扫描电镜、X射线衍射、阴极发光、电子探针及能谱、荧光、包裹体等分析技术的原理出发，系统介绍了储集层特殊分析技术在不同勘探技术领域中的应用，阐述了各项特殊分析技术组合应用在识别生油门限、建立高精度层序地层格架和储集层精细描述中的前景，例举了特殊分析技术在火成岩勘探和油层保护等勘探开发中的应用效果；同时，也指出了目前储集层特殊分析技术在油气勘探中的应用尚处初级阶段，有待于进一步的探索。

关键词　储集层　特殊分析技术　隐蔽油藏　勘探　综合评价

一、引言

仪器仪表工业的发展与计算机技术的广泛应用，使石油地质实验分析技术有了飞跃发展。为了适应油气勘探开发的需要，近年来世界上相继提出并发展了一系列新的储集层分析测试技术，主要在储集层地球化学、阴极发光、包裹体、图像处理、分形技术、成岩矿物同位素、成岩模拟实验等实验分析技术上取得了一些新的进展。我国石油地质储集层实验分析技术紧跟世界的先进水平，各种分析测试项目比较齐全，除显微红外光谱分析技术尚未开展外，其余先进技术在我国均有，有的还处于世界先进水平。胜利石油管理局地质科学研究院地层室近年来积极引进阴极发光、包裹体、图像分析及电子探针及能谱等先进分析技术，并将之应用于储集层油气勘探研究和油层保护研究，形成了一整套的储集层综合评价技术和油层保护技术，为油气勘探和开发提供了许多有价值的研究成果。

图1　储集层产验分析技术方法图

储集层实验分析技术包括三大部分：常规分析技术、特殊分析技术和配套或选择性分析技术（图1）。常规分析仅能满足区域勘探的要求，如果进行储集层精细描述和综合研究，必须开展特殊分析项目。

二、X射线衍射分析技术

X射线衍射的基本原理为通过确定晶间距来鉴定矿物的种类。对于细粒级的粘土矿物，以及变化很大甚至面目全非的矿物，X射线衍射是最重要的分析手段。X射线衍射分析技术在石油地质研究和油气勘探中的应用除粘土矿物的定性和定量分析外，还包括混层比计算、全岩X射线衍射和定量分析。

1.混层比计算

所谓混层比是指混层矿物I/S（伊利石/蒙脱石）或C/S（绿泥石/蒙脱石）中蒙脱石含量的百分比。由于有机质向烃类转化反应与生油岩中蒙脱石向伊利石转化中脱水反应有明显的对应关系，因此可利用泥岩粘土矿物成岩转化特征去推断有机质的热演化程度，并用于划分成岩阶段、估算地温、预测生储油层及判断生油门限值。

图2　低渗透储集层渗透率与蒙脱石含量关系图

2.全岩X射线衍射定性和定量分析

X射线衍射粘土分析技术除主要用来研究成岩作用，推断油气演化以外，还主要应用于油气勘探开发中的油气层保护研究。碎屑岩储集层中的粘土矿物是造成油层伤害的主要物质来源。粘土矿物对储集层造成的敏感性伤害包括水敏、速敏等五敏。经过对比研究，发现水敏伤害是造成低渗透储集层（渗透率小于50×10^-3μm²）敏感性伤害的主要因素。水敏强度主要取决于油层中的膨胀性粘土矿物——蒙脱石的绝对含量（图2），而与储集层其他物性参数相关性不大。这一规律的发现有助于准确预测低渗透储集层潜在的敏感性，进而采取有效保护措施，实现低渗透储集层的低伤害乃至无伤害勘探开发。

三、扫描电镜分析技术

扫描电子显微镜是利用具有一定能量的电子束轰击固体样品，使电子和样品相互作用，再借助特制的探测器进行收集、处理并成像，可以直观地认识样品的超微形貌、结构以及元素成分。扫描电镜下岩石矿物具有图形立体、分辨率高、景深大等特点，可以为储集层及其成岩作用的研究提供以下地质信息：颗粒大小、分选、磨圆、胶结物含量、孔隙分布及其含量；确定自生胶结物的类型、形态及其在孔隙中的分布方式；确定岩石孔隙类型、几何形态，并对储集性能进行判断；石英次生加大级别的判断；溶解交代作用的判断等。

扫描电镜能够直观定性地观察岩石的粒度和孔隙特征，但如何对所观察到的粒度和孔隙信息进行数值定量化却是一个急需解决的技术难题。笔者通过近几年的技术攻关，成功地开发出了储集层粒度参数和孔隙度参数定量化分析技术。其原理是利用计算机技术对扫描电镜图像进行二值化处理，求出颗粒和孔隙度参数值，进而绘制出孔隙度和粒度分布曲线。该技术成果在全国扫描电镜分析行业属首创，应用前景广阔。

四、阴极发光技术

阴极发光是阴极射线管发出的加速电子对样品进行轰击，使电能转化为光辐射而发光，即用阴极射线管发生加速电子进行激发而产生的一种荧光。其在石油地质及油气勘探中的应用有以下几种。

1.判断物源，确定母岩性质

各种石英的发光特征是在母岩形成的过程中形成的，代表其岩石形成的温度条件，而石英颗粒有三种类型的发光，即紫色、褐色和不发光，三种不同的发光类型反映了三种不同成因的石英。

通过对渤深4、临95、桩深1、央5等井的分析，可知胜利油区渤南、临南、潍北三个凹（洼）陷深层储集层中碎屑石英的发光普遍为棕褐色、浅褐色等，发褐色光的石英形成的温度条件有两种，一种为大于573℃，另一种为300～573℃，其母岩为高、中级变质岩，结合岩石学特征，推断三个凹（洼）陷碎屑岩母岩主要为太古宇老变质岩；其次在临82井、临45-11井中见零星石英颗粒发紫色光，其母岩为中生界喷出岩。

2.推断沉积环境，研究各种成岩作用，划分成岩作用序列和期次

（1）推断沉积环境变化

据研究，碳酸盐的发光强度和颜色受[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比值控制。当[Fe²⁺]/[Mn²⁺]小于0.5时，呈现黄色；[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比为0.5～1时，呈现橙色；[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比为1～2时，呈现橙褐色；[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比为2～10时，呈现褐—暗褐色；[Fe²⁺]/[Mn²⁺]大于10时，不发光。结合元素地球化学方面的研究，[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比值是判断古环境的标志之一，不同的比值代表不同的古沉积环境。临82井3871.00m样品薄片中所见鲕粒，鲕心为一介屑，随着环境的变化，其鲕圈的成分和发光特征也发生变化，阴极发光的颜色及亮度均有不同，鲕圈从内向外颜色为亮黄—黄褐—褐红，亮度为亮—较暗—中等，从中得知鲕粒形成时其环境中的[Fe²⁺]/[Mn²⁺]比值变化为低—高—中等，比值的变化说明沉积环境中古盐度的变化为较高—渐低—中等。Fe^2＋为不易迁移元素，而Mn^2＋为易迁移元素，鲕粒颜色的变化又反应了沉积物离岸距离远—近—远的变化过程，也可能与沉积时湖水的进退有关。

（2）推断沉积后地层水盐度变化

根据渤南洼陷的碳酸盐岩成岩演化序列特征，早期方解石（褐黄）—晚期方解石（亮黄）—含铁方解石（黄褐）—白云石（玫瑰红）—铁白云石（不发光），反映了沉积—早成岩—晚成岩环境中古盐度由高到低的变化。

3.用于次生孔隙的识别

当碎屑岩存在粒间孔隙时，有时很难区分和确认是原生还是次生孔隙。例如方解石、白云石或其他矿物充填的孔隙，在成岩过程中，胶结物全部或大部分被溶解，形成的次生粒间孔与原生粒间孔在常规的显微镜下有时很难区分，而在阴极发光显微镜下，只要在颗粒边缘有一点方解石残余物，就可以发现。所以，在颗粒边缘如能看到残余的方解石、白云石、菱铁矿等胶结物，就可推断是次生孔隙。

岩样中石英碎屑边缘不规则或呈锯齿状，利用阴极发光可明显区分是交代溶蚀产生的还是局部加大引起的不规则外形。前者形成次生孔隙，后者为缩小了的原生孔隙。

4.对晶体成长环带及胶结物世代的研究

应用阴极发光显微镜可以解决碳酸盐胶结世代，研究其环带结构。

5.恢复原岩结构

岩石经过成岩作用的改造，就会发生一系列的变化，常常会改变岩石原来的结构。阴极发光显微镜在一定程度上可以再现原岩的结构。

6.对构造微裂缝的研究

研究岩石裂缝是储集层研究的重要组成部分，由于成岩作用的改造许多裂缝观察不清。通过阴极发光显微镜能够比较清楚地观察裂缝发育情况，包括裂缝的大小、宽度及充填情况等，特别对多组裂缝相互之间的交叉关系及形成顺序均可进行研究。

五、电子探针及能谱分析技术

电子探针是对物质表面形态和物质组分进行分析的大型精密仪器。在电子束的轰击下，不同的元素所产生的X射线的波长和能量不同。电子探针波谱仪和能谱仪通过测定矿物的化学成分组成而达到准确确定矿物种类的目的。电子探针分析区域细小，电子束斑可在1～100μm范围内任意选择，对微细矿物和脉的分析及对细小样品的成分分析是极为有效的鉴定手段。电子探针可以在光薄片上直接测定样品的组分。对薄片的微细矿物可进行点、线、面分析。能谱分析一般与扫描电镜观察配合进行，即通过检测元素的特征X射线的能量强度进行元素的定性和定量分析。能谱仪在所测量的同一点上，能同时检测该点的各种元素成分，并显示在荧光屏上，给出各种元素的谱图，含量愈多，谱峰愈高，反之亦然，该谱图非常直观。

电子探针波谱及能谱分析技术在石油地质中主要应用在以下几方面：与阴极发光显微镜相结合，可以揭示矿物的发光原理；与X射线衍射分析相结合，可准确鉴定各类粘土矿物的化学成分；还可准确鉴定沸石类矿物，以及对古生物、造岩矿物和自生矿物成分进行准确鉴定。

以沾化凹陷罗家地区罗151井3090.5m样品为例。样品岩性为中细粒辉绿岩，其中有一微区环带斜长石，对其做微区特定元素K、Na、Ca的面分析，测定结果见图3。从图3中可以直观地看出元素环带的分布形态，外层为正长石（钾元素面分布），中间层为含钙斜长石（钙、钠元素面分布）点，最里层为含铁硅铝的矿物，类似于绿泥石的元素组成，即长石从中心到边缘，钙离子逐渐减低，钠离子逐渐升高。一方面，表明长石的形成经过了漫长的时间；另一方面，表明岩浆开始结晶矿物时偏基性，而后逐渐向酸性过渡。同时说明岩浆冷却时间是很漫长的，其形成的晶体往往比较粗大。后期如有断层切割，地层水易对晶体进行溶蚀，形成裂缝－溶孔为主要储集空间的油气藏，如商河油田商741块火成岩油藏。

图3　罗151井3090.50m环状长石面分析元素分布形态图

六、荧光显微分析技术

荧光显微镜工作原理是利用紫外光作为光源，经物镜照射到薄片上，薄片样品中含有的有机质及沥青质就会被激发出荧光，根据样品的发光特点以及发光物质与岩石结构、构造的相互关系判断有机质的类型、成熟度、有效储集空间、油气运移等。荧光薄片分析技术在油气勘探中应用有以下几种。

1.评价生油层

荧光显微镜可为研究有机质的类型、形态、干酪根成熟度、有机质来源提供资料，从而对生油层进行评价。

2.研究石油的运移方向和运移时间

荧光镜下研究烃类的运移方向，主要是依靠发光强度（代表烃类含量）在纵向或横向的变化资料对比而取得的，只要确定了孔隙空间形成的时间，结合发光的范围就可以进行石油运移时间的研究。

3.判断储集层储集空间的有效性和含油性

以碳酸盐岩为例。确定碳酸盐岩储集空间的有效性的根据是：①裂缝是渗滤通道，而孔洞往往是储集空间；②缝洞周围基质含油与否与产油无关；③最晚形成的储集空间含沥青物质最有效；④当缝洞充填物中有第三世代充填物时，仅早期充填的第一、二时代充填物含油则无效。

碳酸盐岩的含油规律为：①次生有效裂缝，孔洞发光好坏与产油有密切关系，缝洞中含油则可产油，若不含油仅基质含油则不产油；②沿次生有效缝、洞含油，并向基质浸染愈宽，色晕愈多，颜色愈鲜亮愈好，预示能获得高产油流；③基质发光与否与产油无关，基质发光，缝、洞不发光不产油，基质不发光，缝洞发光仍能产油。

4.判断油水层界面

一般油层段岩样发光显示好，所有孔隙均含油，缝合线、晶间孔、粒间孔、晶体解理缝等浸染发光极好；油水附近井段发光显示不均匀现象，基质发光差，部分孔隙发光；而水层样品其缝及岩石均不发光。根据含油的纵向变化可以判断油水层界面。

5.荧光薄片分析技术在新疆和田探区油气勘探中的应用

（1）储集层荧光特征及含油性分析

由于和田探区露头含油样品经过长时间的风化、淋滤及油质受热蒸发，存于岩石孔洞缝中的轻质石油组分大部分被带走或挥发，荧光显微镜观察这些露头样品并判断是否为曾经含油的岩石，主要是寻找含油岩石残存的沥青踪迹，即孔洞缝中产生发光物质的颜色、亮度及是否具有彩色荧光等。据此推断，中石炭统卡拉乌依组石英砂岩、阿孜干组灰岩以及二叠系普司格组岩屑砂岩、克孜里奇曼组白云岩是石炭—二叠系有利的含油气储集岩。

（2）生油岩特征及成熟度判断

一般地，好的生油岩必须具备三个条件：①岩石中分布有大量的有机质残体，有机残体丰度越高，生油气的潜能就越大；②好的有机质质量，腐泥型干酪根比腐殖型干酪根生油气能力强；③生油岩的成熟度。另外，浅层未成熟样品中产生的荧光强度大，主要成油带由于部分烃类已被排除，发光强度减弱。干气带无荧光显示。

和田探区生油岩特征如下：①岩性为泥岩、砂质泥岩和灰质泥岩三类（不包括碳酸盐岩）；②三种岩性都不同程度地含有有机质体，有机体呈两种状态存在，一种为顺层的丝状体，呈长条形，零星分布或集中呈层，主要分布于泥岩和砂质泥岩中，另一种有机体呈颗粒状，零星或分散于基质中；③根据有机质的残体判断，有机质含量一般4%～20%；④有机残体的发光颜色为暗橙褐色为主，少量为橙黄色，为胶质和沥青质沥青（表1）。

表1　和田探区生油岩特征表

根据以上分析可知，和田探区原始有机质残体丰度不理想，其荧光颜色表明有机质已达到高成熟，但残留的有机质为较重质沥青，有机质排烃充分，贡献较大。如果找到较厚的生油岩，虽然丰度不高，也可以有勘探远景。

七、包裹体分析技术

包裹体是成岩矿物生长过程中或生长以后，在矿物晶体内的缺陷、窝穴或次生显微裂缝中被包裹的固体、液体或气体。包裹体分析技术可应用于以下几个方面的油气勘探研究：①恢复古地温，重塑热历史；②研究成岩环境和成岩历史；③研究孔隙演化史；④确定油气运移的相对时间及方向；⑤研究油气田水的性质和来源，确定油气运移的条件。

深部油气层勘探是胜利油区当前油气勘探的热点，但同时也是一个难点。近几年，配合深层油气勘探，地层室的科研人员利用包裹体特殊分析技术在这方面进行了有益的探索和研究，取得了一些认识和成果。

1.确定石油破坏的深度，预测天然气勘探的有利深度

石油破坏的温度为118～121℃，潍北凹陷具此温度段的包裹体见于深度为3150m处，渤南地区见于3600m处，两个深度分别近似代表了两凹（洼）陷石油破坏的深度，在这两个深度以上是勘探石油的有利目标，此深度以下，石油逐渐裂解，生成轻质组分和甲烷等。因此，潍北凹陷3600m以下为深层天然气勘探的目标，这已得到勘探和包裹体成分的证实。潍北凹陷昌67井3157m样品包裹体中，甲烷摩尔数百分比为19.9%，央5井3701.08m样品两个包裹体中，甲烷摩尔数百分比分别为43.9%和57.6%，说明随深度的增加，石油破坏的程度越深，甲烷的含量也逐渐增加。

2.判断一定深度的油气勘探潜力

潍北凹陷央5井3900m以下没有油气显示，是没有找到好的有利相带还是没有生气潜力？从央5井4244m裂缝中气液包裹体可以说明，在此深度以下地层中含有大量的C₁～C₄的烃类，包裹体或气体总是从下往上运移的，从而证明井深4244m以下生油母质具有很高的生油能力，如果潍北凹陷深部能找到良好的储集岩层，那末此类储集砂岩可能会具有良好的油气储集能力。

3.推测盆地演化史

潍北凹陷央5井4244m包裹体所测古地温为168℃，实测井底温度为139℃，两者相差29℃。根据测算，潍北凹陷最小地温梯度为3.39℃/100m，最大地温梯度为3.7 C/100m，计算值与现今深度相比，其相对抬升高度或古剥蚀厚度为855m或765m。另外，央5井3701.08m不同时期方解石脉中，早期方解石包裹体与晚期方解石包裹体均一温度为164℃，晚期方解石包裹体均一温度为153℃，差值11℃。这也表明，在裂缝形成以后，潍北凹陷是整体逐渐抬升的，直到晚第三纪之后才逐渐下沉。

八、储集层特殊分析技术在火成岩油藏勘探中的应用

济阳坳陷侵入岩主要分布于商河和罗家地区沙三段，侵入于暗色泥岩、页岩和泥灰岩中。根据薄片观察，岩石结构为辉绿结构、辉长辉绿结构，X射线衍射分析主要成分为斜长石和辉石，次要成分为磁黄铁矿、黑云母矿物。由于岩体各部位热散失快慢不同以及结晶分异作用的影响，中心部位结晶粗大，长石含量也高。岩石中，CaO含量占8.7%～9.9%,Al₂O₃占 14.57%～15.7%,FeO+Fe₂O₃占 10.25%～11.79%,Na₂O+K₂O占3.86%～5.09%。可见岩石中Ca、Fe、Al的氧化物含量较高。根据ICP元素光谱分析，辉绿岩中阳离子Fe含量为6.91%～10.22%,Mg为2.43%±，Al为7.4%～7.30%,Na为2.77%±，K为4.34%±，Ca为5.61%～7.15%。侵入岩在侵位后，高温形成的矿物受到第三系水介质的影响，变得很不稳定，或纤闪石化或伊丁石化或粘土化、碳酸盐化等，最终变成在低温水介质条件下稳定的蚀变粘土矿物或碳酸盐。这些粘土矿物成分的种类从目前的化验分析资料看，基本上与第三系砂岩孔隙中粘土矿物相似，但是含量差异性比较大，构成了火成岩特殊的粘土矿物组合。经过薄片观察和X衍射分析蚀变粘土矿物为绿泥石、伊/蒙混层、伊利石和高岭石。粘土矿物总含量15%～24%，主要的粘土矿物为绿泥石和伊蒙间层矿物，绿泥石相对含量37%～47%，伊蒙混层25%～41%，其他伊利石0～23%，高岭石12%～15%，伊蒙混层比60%～70%。侵入岩体本身以裂缝孔隙为主，并且边缘相带和过渡相带裂缝比较发育，中心相带裂缝发育较差；原生裂缝即节理缝围岩为泥岩的比围岩为其他岩性（如泥灰岩）解理缝发育；断层活动带裂缝比远离裂缝的发育（如商743井裂缝比罗151井发育）。裂缝发育区则溶蚀孔隙较为发育，特别是断层附近的基质容易受带酸性的水介质影响，形成溶孔和溶洞等；另一方面，如果侵入岩体各相带裂缝发育程度相等时，中心相带溶孔最为发育。

侵入岩侵位时携带的大量热能，会在其周围形成接触变质带，矿物之间产生化学反应，低密度矿物化合成高密度矿物。经电子探针和X射线衍射分析，这种高密度矿物为石榴子石，石榴子石的形成必然使单位体积内的岩石固体体积缩小，有效孔隙增加，铸体薄片观察这种孔隙为石榴子石晶间孔隙，其岩石由沉积岩变成接触变质岩，如罗151、罗152、罗151-4井的接触变质岩，经物性测定孔隙度达25%～36%，其储集性相当于馆陶组砂岩储集层，单井产量15～90t/d。此类接触变质岩油藏的形成，研究认为需要两个基本条件：①必须有高能量的侵入岩；②岩浆必须侵入到灰质泥岩、泥质灰岩中，使其变质，产生有效孔隙。所以，今后对接触变质岩油藏的勘探，不仅要寻找火成岩，更主要的是寻找大范围、区域性的泥灰岩分布区（即泥灰岩分布区侵入辉绿岩时），就可能找到这种接触变质岩油藏。济阳坳陷接触变质岩油藏的发现填补了国内外发现类似油藏的空白，更为今后寻找这类特殊油气藏提供了依据。

九、探井砂岩储集层常规地质参数及敏感性预测技术

为了避免探井钻井过程中的油气层伤害，笔者研制开发了探井砂岩储集层常规地质参数及敏感性预测软件，实现了探井常规地质参数和敏感性参数的预测。本项预测的实现基于三方面的研究成果：①两年内建起了一个50MB的油层保护数据库，根据库内数据面的分布，把油区分成数十个区块，按区块求出了参数纵向变化规律和趋势；②通过相关性的研究，确定各种矿物组分可能引起的岩化作用和敏感性伤害指数及各种参数间数值大小的变化关系，建立模块；③编制了预测软件，预测方法是：首先根据待预测的探井井位坐标，确定待预测探井所属的软件编码区块（根据数据库参数回归确立的均质区块），通过以各区块回归方程为基础研制的软件，进行参数预测。预测的参数以岩性、物性为主，共有24项。根据预测的24项参数，还可对保护油气层有重要意义的敏感性参数及相关的临界值作出预测。

通过与8口探井取样后的实际分析数据进行对比发现，预测参数与实测参数基本吻合，精度达70%。探井储集层常规地质参数及敏感性预测工作自1998年10月开展以来，已完成90余口探井预测工作。这项工作节约了大量的实测所需费用，经济效益显著。

十、结束语

从上述分析可以看出，储集层特殊分析技术及储集层敏感性预测技术在油气田勘探开发中起着十分重要的作用，其应用前景十分广阔。但也应看到，由于阴极发光、电子探针及能谱、包裹体等分析技术的引进时间不长，尚处于技术开发初期和中期阶段，在油气勘探中的应用属于探索阶段，应用效果不够显著。这与技术开发时间较短有关，但也与储集层微观分析技术的局限性有关。只有储集层微观特殊分析技术与宏观分析技术的有机结合，才能取得显著的勘探成果和效益。