特殊储层分析技术在油气勘探中的应用
基于扫描电镜、X射线衍射、阴极发光、电子探针、能谱、荧光、包裹体等分析技术的原理，系统介绍了特殊储层分析技术在不同勘探技术领域的应用，阐述了多种特殊分析技术结合在生油门限识别、建立高精度层序地层格架和精细储层描述中的应用前景，并列举了特殊分析技术在火成岩勘探和储层保护中的应用效果。同时指出，特殊储层分析技术在油气勘探中的应用还处于初级阶段，需要进一步探索。
特殊储层分析技术；隐蔽油气藏勘探综合评价
一.导言
随着仪器工业的发展和计算机技术的广泛应用，石油地质实验分析技术发展迅速。为适应油气勘探开发的需要，近年来国际上提出并发展了一系列新的储层分析测试技术，在储层地球化学、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方面取得了一些新进展。中国石油地质油藏实验分析技术保持世界先进水平，各种分析测试项目比较齐全。除了显微红外光谱分析技术，其他先进技术国内都有，有的还是世界先进水平。近年来，胜利石油管理局地质科学研究所地层室积极引进阴极发光、包裹体、图像分析、电子探针、能谱等先进分析技术，应用于储层油气勘探和储层保护研究，形成了一套综合储层评价技术和储层保护技术，为油气勘探开发提供了许多有价值的研究成果。
图1油藏生产测试分析技术方法图
储层实验分析技术包括常规分析技术、特殊分析技术和匹配或选择性分析技术三部分(图1)。常规分析只能满足区域勘探的要求，如果进行油藏描述和综合研究，必须进行专门的分析项目。
二、X射线衍射分析技术
X射线衍射的基本原理是通过确定晶体间距来识别矿物的类型。对于细粒粘土矿物和变化较大甚至面目全非的矿物，x射线衍射是最重要的分析方法。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，不仅包括粘土矿物的定性和定量分析，还包括混合层比的计算、全岩X射线衍射和定量分析。
1.混合层比率的计算
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。由于有机质向烃类的转化反应与烃源岩中蒙脱石向伊利石的脱水反应有明显的对应关系，因此可以利用泥岩粘土矿物的成岩转化特征来推断有机质的热演化程度，并以此来划分成岩阶段、估算地温、预测生储层和判断生油门限。
图2低渗透储层渗透率与蒙脱石含量的关系
2.全岩X射线衍射定性定量分析
x射线衍射粘土分析技术主要用于研究成岩作用和推断油气演化，在油气勘探开发中也用于研究油气储层保护。碎屑岩储层中的粘土矿物是油层损害的主要来源。粘土矿物对储层造成的敏感性损害包括水敏性和速敏性。通过对比研究发现，水敏损害是造成低渗透储层(渗透率小于50×10-3μm2)敏感性损害的主要因素。水敏强度主要取决于油层中膨胀粘土矿物-蒙脱石的绝对含量(图2)，与储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层的潜在敏感性，进而采取有效的保护措施，实现低渗透储层的低伤害甚至无伤害勘探开发。
三、扫描电子显微镜分析技术
扫描电镜用具有一定能量的电子束轰击固体样品，使电子与样品相互作用，然后借助特殊的探测器进行采集、处理和成像，可以直观地了解样品的超微形貌、结构和元素组成。在扫描电镜下，岩石矿物具有三维图形、高分辨率、大景深的特点，可为储层及其成岩作用的研究提供以下地质信息:粒度、分选、磨圆、胶结物含量、孔隙分布及其含量；确定自生水泥的类型和形状及其在孔隙中的分布；确定岩石的孔隙类型和几何形态，判断储层动态；应时关于提高层次的二次判断；溶解和交代作用的判断等。
扫描电镜可以直观、定性地观察岩石的粒度和孔隙特征，但如何量化观察到的粒度和孔隙信息是一个亟待解决的技术问题。通过近几年的技术研究，作者成功开发了储层粒度参数和孔隙度参数的定量分析技术。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，得到颗粒和孔隙率参数值，然后绘制孔隙率和粒度分布曲线。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
阴极发光是用阴极射线管发射的加速电子轰击样品产生的一种荧光，将电能转化为光辐射而发光，即阴极射线管产生的加速电子被激发。它在石油地质和油气勘探中的应用如下。
1.判断物源，确定母岩性质
应时的发光特征是在母岩形成过程中形成的，代表了岩石形成的温度条件，而应时颗粒具有紫色、棕色和不发光三种发光类型，三种不同的发光类型反映了三种不同成因的应时。
通过对渤深4井、临95井、桩深1井、阳5井等井的分析可知，胜利油田渤南洼陷、南林洼陷和渭北洼陷深层储层碎屑应时的发光一般为褐色和浅褐色，褐色应时的形成有两个温度条件，一是573℃以上，二是300 ~ 573℃。其次，林82井和林45-11井零星应时颗粒发出紫光，其母岩为中生代喷出岩。
2.推断沉积环境，研究各种成岩作用，划分成岩序列和阶段。
(1)推断沉积环境的变化
据研究，碳酸盐的发光强度和颜色受[Fe2+]/[Mn2+]的比值控制。当[Fe2+]/[Mn2+]小于0.5时，呈现黄色；当[Fe2+]/[Mn2+]之比在0.5 ~ 1时，呈现橙色。当[Fe2+]/[Mn2+]的比值为1 ~ 2时，为橙棕色。当[Fe2+]/[Mn2+]比值为2 ~ 10时，为棕-深棕色；当[Fe2+]/[Mn2+]大于10时，不会发光。结合元素地球化学研究，[Fe2+]/[Mn2+]比值是判断古环境的标志之一，不同比值代表不同的古沉积环境。林82井38，765，438+0.00 m样品切片发现鲕粒，鲕核为岩屑。随着环境的变化，鲕圈的成分和发光特征也发生变化，阴极发光的颜色和亮度也不同。鲕圈从里到外的颜色为亮黄色-黄色棕褐色-棕红色，亮度为亮-暗。Fe ~ (2+)是不容易迁移的元素，Mn ~ (2+)是容易迁移的元素。鲕粒颜色的变化反映了沉积物离岸边距离的变化过程，也可能与沉积时湖水的进退有关。
(2)推断地层水沉积后的矿化度变化。
根据渤南凹陷碳酸盐岩成岩演化序列特征，早期方解石(棕黄色)-晚期方解石(亮黄色)-含铁方解石(棕黄色)-白云石(玫瑰红)-铁白云石(不发光)反映了沉积-早成岩-晚成岩环境下古盐度由高到低的变化。
3.用于识别次生孔隙。
当碎屑岩中存在粒间孔隙时，有时很难区分和确认它们是原生孔隙还是次生孔隙。比如充填方解石、白云石或其他矿物的孔隙，在成岩过程中，胶结物全部或大部分溶解，形成的次生粒间孔隙在常规显微镜下有时难以与原生粒间孔隙区分，而在阴极发光显微镜下，只要在颗粒边缘有少许方解石残留，就可以发现。因此，如果在颗粒边缘可见方解石、白云石、菱铁矿等残余胶结物，则可推断为次生孔隙。
岩石样品中应时碎屑的边缘呈不规则或锯齿状，可以清楚地区分它是由交代溶蚀作用引起的，还是由阴极射线发光引起的局部放大。前者形成次生孔隙，后者是还原的原生孔隙。
4.晶体生长带与水泥生成的研究。
阴极发光显微镜的应用可以解决碳酸盐的胶结生成，研究其环状结构。
5.恢复原始岩石结构
成岩作用改造后，岩石会发生一系列的变化，往往会改变岩石原有的结构。阴极发光显微镜可以在一定程度上再现原岩的结构。
6.结构微裂纹的研究。
岩石裂缝的研究是储层研究的重要组成部分，许多裂缝由于成岩作用的转化而不清楚。阴极发光显微镜可以清晰地观察到裂纹的发展，包括裂纹的大小、宽度和填充情况，特别是可以研究多组裂纹的交叉关系和形成顺序。
五、电子探针和能谱分析技术
电子探针是分析物质表面形貌和成分的大型精密仪器。在电子束的轰击下，不同元素产生的X射线的波长和能量是不同的。电子探针谱仪和能谱仪通过测量矿物的化学成分，可以准确地确定矿物的种类。电子探针分析面积小，电子束光斑可在1 ~ 100微米范围内任意选取，是一种极其有效的细粒矿物和矿脉分析及细粒样品成分分析的鉴定方法。电子探针可以直接确定光学片上样品的成分。可以对薄片中的微细矿物进行点、线、面分析。通常能谱分析与扫描电镜观察相结合，即通过检测元素特征X射线的能量强度，对元素进行定性和定量分析。在同一点上，能谱仪可以同时检测各种元素，并显示在荧光屏上，给出各种元素的光谱。含量越多，谱峰越高，反之亦然。光谱很直观。
电子探针光谱和能谱分析技术在石油地质中的应用主要体现在以下几个方面:结合阴极发光显微镜，可以揭示矿物的发光原理；结合X射线衍射分析，可以准确鉴定各种粘土矿物的化学成分。还能准确识别沸石矿物，准确识别古生物、造岩矿物、自生矿物的成分。
以沾化凹陷罗家地区罗151井3090.5米样品为例。样品岩性为中细辉绿岩，其中有微带斜长石。对微区中的特定元素K、Na、Ca进行表面分析，测定结果见图3。从图3中，我们可以直观地看到元素区的分布模式。外层为正长石(钾元素表面分布)，中间层为含钙斜长石(钙钠元素表面分布)，最内层为含铁硅铝矿物，与绿泥石的元素组成相似，即从长石的中心到边缘，钙离子逐渐减少，钠离子逐渐增加。一方面说明长石的形成经历了很长时间；另一方面说明岩浆在开始结晶矿物时是碱性的，然后逐渐过渡到酸性。同时说明岩浆冷却时间很长，形成的晶体往往比较粗大。如果后期有断层切割，地层水容易溶解晶体，形成以裂缝和溶孔为主要储集空间的油气藏，如商河油田商741区块的火成岩油气藏。
图3罗151井3090.50米环形长石表面分析元素分布图。
不及物动词荧光显微分析技术
荧光显微镜的工作原理是以紫外光为光源，薄片样品中所含的有机质和沥青质会被激发发出荧光，根据样品的发光特征和发光物质与岩石结构、构造的关系，可以判断有机质的类型、成熟度、有效储存空间和油气运移。荧光薄片分析技术在油气勘探中应用包括。
1.烃源岩评价
荧光显微镜可以为研究有机质的类型、形态、干酪根成熟度和来源提供资料，从而评价烃源岩。
2.研究石油的运移方向和时间。
在荧光显微镜下研究烃类的运移方向，主要依靠发光强度(代表烃类含量)的纵向或横向变化数据的对比。只要确定了孔隙的形成时间，就可以结合发光范围研究石油的运移时间。
3.判断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有效性的依据是:①裂缝是渗流通道，而孔洞往往是储集空间；(2)裂缝孔周围基质是否含油与产油无关；(3)最新储集空间中的含沥青物质最有效；(4)缝隙充填物中有第三代充填物时，只有前期充填的第一代和第二代充填物含油，无效。
碳酸盐岩含油规律:①次生有效裂缝，孔洞发光质量与产油密切相关，裂缝和孔洞中可产油，但无油而有基质油则不产油；(2)沿次生有效裂缝和溶洞有油，向基质中浸染越宽，色晕越多，颜色越亮越好，表明可以获得高产油流；③基质发光与否与产油量无关。基质发光，裂缝和孔洞不发光，基质不发光，但裂缝和孔洞仍能出油。
4.判断油水界面
总体而言，油藏剖面岩石样品发光较好，孔隙均含油，缝合线、粒间孔、粒间孔和晶体解理节理的浸染发光较好。油水附近层段发光呈现不均匀现象，基质发光差，部分孔隙发光；但是，水层样品的裂缝和岩石不发光。根据含油率的纵向变化，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)储层荧光特征及含油性分析
由于和田探区露头油样的长期风化、淋滤和油蒸发，储存在岩石裂缝中的轻质石油组分大部分被带走或挥发。用荧光显微镜观察这些露头样品，判断它们是否曾经是含油岩石，主要目的是寻找含油岩石残留的沥青痕迹，即颜色、亮度以及是否有彩色荧光。据此可以推断，中石炭统卡劳ⅰ组的应时砂岩和阿齐干灰岩、二叠系普斯格组的岩屑砂岩和克孜力曼组的白云岩是石炭-二叠系的有利储层。
(2)烃源岩特征及成熟度判断
一般来说，好的烃源岩必须满足三个条件:①岩石中有大量的有机残留物，有机残留物的丰度越高，生成油气的潜力越大；②腐泥型干酪根有机质质量好，生烃能力强于腐殖型干酪根；③烃源岩的成熟度。此外，浅部未成熟样品中产生的荧光强度较大，主要生油带的发光强度因排除了部分烃类而减弱。干气带无荧光显示。
和田探区烃源岩特征:①岩性为泥岩、砂质泥岩、钙质泥岩(不含碳酸盐岩)；(2)三种岩性都不同程度地含有有机质，且有机质以两种状态存在。一种是层理细丝，长，呈层状散在或集中分布，主要分布在泥岩和砂质泥岩中，另一种是粒状，散在或分散在基质中；③根据有机质的残留情况，有机质含量一般为4% ~ 20%；④有机残留物发光颜色以深橙棕色为主，有少量橙黄色，为胶质和沥青质沥青(表1)。
表1和田探区烃源岩特征
根据以上分析，和田探区原生有机质残渣丰度不理想，其荧光颜色显示有机质已达到高成熟度，但残留有机质为重沥青，有机质已充分排烃，贡献较大。如果发现较厚的烃源岩，虽然丰度不高，但也可以有勘探前景。
七、夹杂物分析技术
包裹体是在成岩矿物生长过程中或之后，包裹在矿物晶体中的缺陷、孔洞或次生微裂缝中的固体、液体或气体。包裹体分析技术可在以下几个方面应用于油气勘探与研究:①恢复古地温，重塑热历史；②研究成岩环境和成岩历史；③研究孔隙的演化历史；④确定油气运移的相对时间和方向；⑤研究油气田水的性质和来源，确定油气运移的条件。
深层油气勘探是胜利油区油气勘探的热点，但也是难点。近年来，配合深部油气勘探，地层室的研究人员利用包裹体的特殊分析技术，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.确定石油损害深度，预测天然气勘探的有利深度。
油损害温度为118 ~ 121℃。该温度范围的包裹体在渭北凹陷3150米和渤南地区3600米处均有发现。这两个深度大约代表两个凹陷的石油损害深度，在这两个深度之上是勘探。因此，渭北凹陷深层天然气勘探的目标是3600米以下，这已为勘探和包裹体组成所证实。渭北坳陷长67井3157m样品包裹体中甲烷的摩尔百分比为19.9%，阳5井3701.08m样品包裹体中甲烷的摩尔百分比分别为43.9%和57.6%，表明随着深度的增加，油层伤害越深，甲烷含量逐渐增加。
2.确定某一深度的油气勘探潜力。
渭北坳陷阳5井3900米以下无油气显示。是没有有利相带还是没有气势？从阳5井4244m裂缝中的气液包裹体可以说明，该深度以下的地层含有大量C1 ~ C4的烃类，包裹体或气体总是自下而上运移，证明4244m以下的生油母质具有较高的生油能力。如果在渭北坳陷深部能找到好的储集岩，这类储层砂岩可能具有良好的油气储集能力。
3.推测盆地的演化历史
渭北坳陷阳5井4244m包裹体测得古地温为65438±068℃，实测井底温度为65438±039℃，相差29℃。根据计算，渭北凹陷最小地温梯度为3.39℃/100米，最大地温梯度为3.7℃/100米，与现今深度相比，计算值的相对抬升高度或古侵蚀厚度为855米或765米..此外，阳5井不同时期3701.08米方解石脉中，早期方解石包裹体和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℃，相差11℃。这也说明裂缝形成后，渭北凹陷整体逐渐抬升，直到晚第三纪以后才开始下沉。
特殊储层分析技术在火成岩储层勘探中的应用
济阳坳陷侵入岩主要分布在商河和罗家地区的沙三段，侵入暗色泥岩、页岩和泥灰岩中。根据薄片观察，岩石结构为辉绿岩和辉长辉绿岩。X射线衍射分析的主要成分是斜长石和辉石，次要成分是磁黄铁矿和黑云母矿物。由于岩体不同部位散热速率不同以及结晶分异作用的影响，岩体中心部位晶体粗大，长石含量高。岩石中CaO含量为8.7% ~ 9.9%，Al2O3为14.57% ~ 15.7%，FeO+Fe2O3为10.25% ~ 11.79%，Na2O+K2O为3.86。可见岩石中钙、铁、铝的氧化物含量较高。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%。侵入岩就位后，高温形成的矿物受第三纪水介质的影响变得不稳定，或变成角闪岩石化、丁一石化、粘土质、碳酸盐等。，最终成为在低温水介质条件下稳定的蚀变粘土矿物或碳酸盐。根据目前的实验室分析资料，这些粘土矿物的类型与第三系砂岩孔隙中的粘土矿物基本相似，但含量差异较大，构成了火成岩的特殊粘土矿物组合。通过薄片观察和X射线衍射分析，蚀变粘土矿物为绿泥石、伊利石/蒙脱石混层、伊利石和高岭石。粘土矿物总含量为15% ~ 24%，主要粘土矿物为绿泥石和伊利石层间矿物，绿泥石相对含量为37% ~ 47%，伊利石混合层为25% ~ 41%，其他伊利石为0 ~ 23%，高岭石为12% ~ 65438。侵入岩体本身以裂缝和孔隙为主，边缘相带和过渡相带裂缝相对发育，中心相带裂缝相对较差。原生裂缝，即节理节理围岩相对于其他岩性(如泥灰岩)为泥岩时，发育解理裂缝；断层活动带的裂缝比与裂缝的发育相差甚远(如商743井裂缝比在罗151井发育)。在裂缝发育区，溶蚀孔隙较为发育，尤其是断层附近的基质易受酸性水介质的影响，形成溶蚀孔隙和溶洞。另一方面，如果侵入岩体各相带的裂隙发育程度相等，则中心相带的溶孔最发育。
侵位过程中侵入岩携带的大量热能会在其周围形成接触变质带，矿物之间发生化学反应，低密度矿化合成高密度矿物。根据电子探针和X射线衍射分析，这种高密度矿物是石榴石，石榴石的形成必然使岩石单位体积的固体体积减少，有效孔隙增加。铸体薄片显示此孔隙为石榴石的粒间孔隙，其岩石已由沉积岩变为接触变质岩，如罗151、罗152、罗158。物性测得的孔隙度为25% ~ 36%，其储层物性相当于馆陶组砂岩储层，单井产量为15 ~ 90t/d，这种接触变质岩储层的形成需要两个基本条件:①必须有高能侵入岩；(2)岩浆必须侵入钙质泥岩和泥质灰岩，使其变质，产生有效孔隙。因此，在今后的接触变质岩储层勘探中，不仅要寻找火成岩，还要寻找大范围、区域性的泥灰岩分布区(即泥灰岩分布区侵入辉绿岩时)，这样才有可能找到这种接触变质岩储层。济阳坳陷接触变质岩油藏的发现，填补了国内外同类油藏发现的空白，为今后寻找此类特殊油藏提供了依据。
九、探井砂岩储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对储层的伤害，作者开发了探井砂岩储层常规地质参数和敏感性预测软件，实现了探井常规地质参数和敏感性参数的预测。这一预测的实现基于三项研究成果:①两年内建立了50MB的储层保护数据库，根据数据库中数据平面的分布将石油划分为几十个区块，根据区块找到参数的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成岩作用、敏感性损害指数以及各种参数数值之间的关系，建立模型；(3)编制了预测软件。预测方法是:首先根据待预测探井的坐标，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建立的均质区块)，通过基于各区块回归方程开发的软件进行参数预测。预测参数主要是岩性和物性，共24项。根据预测的24个参数，还可以预测对保护油气层有重要意义的敏感参数和相关临界值。
对比8口探井的实际分析数据，发现预测参数与实测参数基本一致，准确率为70%。自6月1998+00开始进行探井储层常规地质参数及敏感性预测，预测探井90余口。这项工作节省了大量实测所需的费用，具有显著的经济效益。
X.结论
从以上分析可以看出，储层特殊分析技术和储层敏感性预测技术在油气田勘探开发中起着非常重要的作用，其应用前景非常广阔。但也应看到，由于阴极发光、电子探针和能谱、包裹体等分析技术引入时间较短，仍处于技术发展的早中期，在油气勘探中的应用处于探索阶段，应用效果还不够显著。这与技术发展时间短有关，也与储层微观分析技术的局限性有关。只有储层微观空间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效果和效益。