渤海05/31合同區火成巖巖性測井識別方法及應用

彭盛強， 于金星， 林培炬

(潛能恒信能源技術股份有限公司，北京 100107)

0 引言

渤海05/31合同區位于唐山市曹妃甸南、天津市濱海新區塘沽東、渤海西部淺海海域，主體構造屬南堡1號構造與新港構造，工區三面環海，由南堡凹陷、歧口凹陷和北塘凹陷三個凹陷包圍，礦權面積為282.2 km2，水深約為5 m～15 m(圖1)。該區是中國海洋石油公司對外合作區塊，智慧石油投資有限公司(潛能恒信公司下屬子公司，智慧石油)于2013年通過國際招投標，成為該區勘探、開發、生產作業的作業者[1]。

圖1 渤海05/31合同區構造區域位置圖

目前，渤海05/31合同區現已完鉆井8口，其中智慧石油自2015年開始實施鉆探并已完鉆4口預探井，其中有3口井獲得高產工業油氣流[1]。從地震地質綜合研究和完鉆井資料分析顯示，本區處于構造轉換帶，構造結構復雜；地震資料品質受火成巖影響大、構造落實和構造特征研究難度大，同時主要目的層火成巖發育，儲層研究難度大[2]。鉆井顯示本區沉積地層發育較全，主要發育有第四系平原組，新近系明化鎮組、館陶組，古近系東營組和沙河街組等；火成巖主要形成于漸新世沙河街組、東營組和中新世館陶組時期，其中尤以中新世館陶組火成巖最為發育，筆者重點研究館陶組火成巖巖性特征及識別方法。

1 火成巖巖石學特征

本區已有多口鉆井均鉆遇新近系火成巖，從錄井巖性特征看火山巖類型主要有玄武巖、凝灰巖等類型，從錄井資料上未見到安山巖、英安巖等巖性類型。因此本區火成巖巖性主要以溢流相玄武巖為主，其次為火山碎屑巖類(含火山角礫巖和凝灰巖)?；鸪蓭r礦物成分復雜，分布范圍較廣，具有層數多、厚度大(平均厚度可達400 m)的特點。而且由于該層系雖是研究區的勘探目的層，但火成巖錄井的難度比較大，研究區新近系火成巖段存在錄井資料不全、錄井資料不準確等問題，需要通過巖石薄片及地化鑒定，以及測井巖性解釋來系統落實。

調研大量前人對東部凹陷(即遼河盆地東部凹陷，是近些年來發現火成巖復雜油藏最多的地區)火成巖巖石學的研究成果，發現本區的火成巖具有類似的特征。宏觀上，區內火成巖主要類型為玄武巖，其礦物成分以斜長石和輝石為主，蝕變和充填礦物主要為綠泥石、方沸石，其次為方解石。據研究，東部凹陷玄武巖總體蝕變深，全巖礦物X衍射分析粘土含量可達20%以上，綠泥石等充填強烈，因此該類巖石儲集性能差；凝灰巖屬火山碎屑巖，由粒度小于0.002 m的火山灰組成，礦物成分主要是玄武質，顏色多為綠色或黑色，具玻屑結構，晶屑較少，巖石由火山灰和火山玻璃組成。全巖分析結果表明凝灰巖粘土含量在20%以上[3]。

圖2 本區館陶組火成巖巖石類型TAS圖解

圖3 本區館陶組火成巖主要礦物含量分布

從微觀上看，本區火成巖種類不多，但成分復雜，測井評價的首要任務就是識別和區分巖性，通過研究本區不同類型火成巖在礦物組成或者化學組成上的異同[1]，在巖石物理基礎上實現火成巖巖石類型進行劃分，從而揭示不同巖性在測井響應上的特征。目前火成巖分類主要有兩種：依據堿度和依據TAS圖解法(全堿含量與SiO2含量交會)，這里主要采用后一種方法。圖2中XX-1和XX-6井巖屑樣品常量元素分析顯示本區火成巖主要類型為玄武巖類。

2 火成巖礦物類型劃分

測井評價的模型是巖石體積物理模型，它以礦物為研究對象，認為測井響應值近似等于組成巖石的各種礦物理論響應值按照相對含量高底加權平均的結果，誤差是井眼及圍巖引起的[1]。作者主要參考孫鼎等[2]介紹的CIPW標準礦物計算模型。本區基于巖石薄片鑒定成果，玄武巖是本地區主要的巖石類型(圖3)，由圖3可以得出：玄武巖主要以長石為主，含有少量的輝石和黃鐵礦，其各自含量長石一般在50%～70%之間，綠泥石一般在20%左右，輝石含量在10%～20%左右，黃鐵礦等含量則較少，一般低于8%，絕大多數不含石英。因此本區礦物主要類型可確定為長石、綠泥石、透輝石和黃鐵礦。

關于長石類型，主要有堿性長石和斜長石。東部凹陷鉀長石、鈉長石與鈣長石含量分布圖顯示(圖4)：玄武巖的長石主要以鈉長石和鈣長石為主，鉀長石含量較低，也就是說玄武巖所含長石主要為斜長石，這是東部凹陷火成巖礦物組成特點之一[3]。

圖4 CIPW法計算東部凹陷14塊玄武巖樣品長石含量分布

3 火成巖測井響應特征分析

3.1 火成巖測井響應定性研究

東部凹陷火成巖的主要礦物有長石、透輝石、橄欖石、磁鐵礦/黃鐵礦、鈦鐵礦等，有一些礦物已蝕變為方沸石、方解石和綠泥石，表1即為這些礦物的測井響應理論值[1]。

從表1可知，玄武巖主要礦物有斜長石、透輝石、黃鐵礦和綠泥石等，其中鉀長石含量少，因此玄武巖自然伽馬值普遍較低，而且由于含有透輝石等重礦物，其體積密度應呈中高值，相應地，補償中子應為低值，而深電阻率則為高值特征。但是玄武巖由于常發生蝕變，因此蝕變后的玄武巖其補償中子往往又具有中高值，這是玄武巖蝕變后的典型特征；凝灰巖、火山角礫巖屬火山碎屑巖系列，其成分主要為玄武質，因此其自然伽馬值則一般低于同質的玄武巖，孔隙度測井系列方面由于凝灰巖為碎屑結構，因此密度值較玄武巖低，聲波時差和補償中子較高，電阻率曲線一般也普遍低于玄武巖，如圖5所示。圖5中“粒度減小”還可指示火成巖結構，如碎屑或熔巖結構，即凝灰巖粒度均小于玄武巖。

表1 東部凹陷火成巖主要礦物骨架參數表[5]

圖5 渤海05/31合同區館陶組火成巖巖性識別圖版

圖6 合同區主要巖性的測井交會圖版

表2 0531合同區不同巖性測井曲線特征表

3.2 火成巖測井響應定量研究

為定量開展對火成巖巖性的識別工作，目前主要依據鉆井取心、錄井巖屑和薄片分析建立已知巖性類別的測井數據樣本，在對曲線進行環境校正的基礎上，跟據這些已知巖性的測井樣本數據建立測井巖電特征，主要選取的井名包括XX-1、XX-2，XX-6井。通過大量研究和對比分析，該區主要發育的巖性有玄武巖、凝灰巖(火山角礫巖)、砂巖(砂礫巖)和泥巖，其中砂巖(砂礫巖)為本區火成巖頂部發育的一套標志層，可用于巖性對比。各測井響應特征參數及巖電特征圖版如圖6以及表2所示[6]。

通過圖6可以看出：①單一的測井曲線響應特征已經不能滿足巖性識別的需求，需要優選多種測井系列；②自然伽馬、密度曲線對該區巖性識別最敏感，聲波、中子和深電阻率曲線次之，而且中子曲線還對玄武巖是否蝕變比較敏感。

4 利用測井資料計算火成巖礦物成分和巖性剖面

在對火成巖礦物組成、測井響應特征研究以及準確劃分識別不同巖性段的基礎上，最后就是利用測井資料逐點定量連續地計算礦物成分和巖性剖面。通過總結研究，其具體實現思路為[7]：

1)測井與地質相結合，明確測井能夠識別的主要類型。本區火成巖巖性主要以溢流相玄武巖為主，其次為火山碎屑巖類(含火山角礫巖和凝灰巖)，其礦物類型主要為長石(鈉長石，鉀長石，鈣長石)、綠泥石、透輝石、黃鐵礦。通過上述研究，利用常規測井資料基本上能夠滿足巖性識別的要求。

2)測井敏感曲線優選。測井巖性識別方法主要是通過不同巖性在測井曲線響應特征差異來表征。通過上述定性和定量對火成巖巖性測井響應特征的研究，對巖性變化較為敏感的曲線有自然伽馬、密度、聲波、中子和電阻率等，故可優選以上幾種測井系列來進行巖性識別。

3)基于最優化測井解釋原理的連續測井礦物組分計算。我們主要采用斯倫貝謝Elan-Plus程序進行測井礦物組分計算。最優化測井解釋是將所有測井信息、誤差及某些地區地質經驗綜合成一個多維信息復合體，運用數學上的最優化數學方法，綜合地進行多維處理，尋求復合體的最優解，從所有可能的解釋結果中得到最佳最合理的解釋結果[8]。

這里即采用最優化測井解釋模型，也就是多礦物解釋模型，即儲集層由泥質、多種礦物組成巖石骨架，以及孔隙流體組成；每條曲線測井值均可看成是泥質、多種骨架礦物，以及孔隙流體(流體主要為水，無油氣發育)的綜合響應。

地層組分：Chol、NFeld、KFeld、CaFeld、Diop、Pyri、Wat分別表示綠泥石、鈉長石、鉀長石、鈣長石、透輝石、黃鐵礦和水；

使用曲線：GR、DEN、DT、…

則體積響應方程為：

GR=GRchol*Vchol+GRNFeld*VNFeld+GRKFeld*VKFeld+GRCaFeld*VCaFeld+

GRDiop*VDiop+GRPyri*VPyri+

GRwat*Ф

(1)

DEN=DENchol*Vchol+DENNFeld*VNFeld+DENKFeld*VKFeld+DENCaFeld*

VCaFeld+DENDiop*VDiop+

DENPyri*VPyri+DENwat*Ф

(2)

DT=DTchol*Vchol+DTNFeld*VNFeld+DTKFeld*VKFeld+DTCaFeld*VCaFeld+

DTDiop*VDiop+DTPyri*VPyri+

DTwat*Ф

(3)

……

實際計算中要想獲得準確的計算結果，必須給出合適的各礦物限制條件[8]。依據本文研究，各礦物限制條件如下

Vchol+VNFeld+VKFeld+VCaFeld+VDiop+VPyri…+Ф=1

(4)

由圖3和圖4可以得出：

VPyri≤8%；VDiop≤20%；

VNFeld+VKFeld+VCaFeld≤70%，

且VKFeld

(5)

式中：VChol、VNFeld、VKFeld、VCaFeld、VDiop、VPyri、Ф分別為綠泥石體積含量、鈉長石、鉀長石、鈣長石、透輝石、黃鐵礦的體積百分含量以及孔隙度。

目標函數：

S_min=1/2 *[(((GRT-GR)*Weight_GR)/UGR)2+

(((DENT-DEN)*

Weight_DEN)/UDEN)2+…]

(6)

式中：GRT、DENT等為體積響應方程計算的各測井數值；Weight為輸入曲線的權重，常數；UGR，UDEN等為各曲線不確定數值，常數；另外，孔隙度公式未列出，骨架參數采用最優化計算結果的視骨架參數值；所謂最優化求解，就是通過迭代，使得式(6)最小時即得到最終結果。

通過以上研究，運用上述原理和方法對本區一口井的計算的成果見圖7(最終的孔隙度數值由密度中子綜合計算加權得出，依據反演成果，孔隙度值大約在5%～15%左右。

圖7是XX-6井火成巖最終處理解釋成果圖，圖7中第三道是錄井巖屑巖性，第四道是測井識別巖性，第七道為計算的巖石骨架礦物組分(質量百分含量，依據體積百分含量轉換而來，從上至下分別為黃鐵礦，透輝石，鉀、鈣、鈉長石和綠泥石)；從圖7中可以看出，測井識別巖性分辨率明顯高于錄井巖屑，甚至依據測井曲線能夠劃分出玄武巖蝕變程度(中子越大，電阻率越低，蝕變越深)，其中在深度段2 290 m～2 300 m，巖石薄片鑒定有兩處，樣品號分別為5-2和5-3，定名都為玄武巖，結構和構造都屬于間粒結構，斑狀結構，氣孔和杏仁構造，主要成分及含量為：斜長石為主，約45%～69%，且斜長石多數綠泥石化，綠泥石含量達40%，透輝石占5%～23%，黃鐵礦8%左右，該結果與測井計算礦物組分(第七道)具有一致性。在本區其他3口新井應用中，解釋符合率達到92.4%(表3)，測井巖性識別效果較錄井巖屑有了較大程度的提高，因此，利用上述理論和測井圖版對火成巖巖性進行識別是可靠的。

圖7 XX-6井館陶組火成巖測井巖性成果圖

5 結論

通過對本區火成巖巖性的研究，獲得了以下幾點認識：

1)玄武巖和火山碎屑巖是本區主要的巖石類型，且玄武巖普遍存在蝕變，蝕變主要形成綠泥石等。

2)玄武巖礦物成分主要以長石為主，含有少量的輝石和黃鐵礦，其含量長石一般在50%～70%之間，綠泥石在20%左右，輝石含量在10%～20%左右，黃鐵礦等含量則較少，一般低于8%；而且本區玄武巖長石主要為鈉長石和鈣長石，鉀長石含量相對較低。

3)火成巖測井響應定性和定量特征表明，本區玄武巖以低伽馬、低聲波和高密度為主要特征，凝灰巖等火山碎屑巖則表現為低伽馬，中高聲波和低密度等測井特征。

4)基于測井響應特征的測井巖性識別其分辨率明顯高于錄井巖屑巖性；同時基于最優化Elan-Plus程序進行的測井礦物組分計算更加地符合實際，可作為今后火成巖巖性測井識別的主要方向。

5)由于本區火成巖測井系列中沒有成像測井資料，因此無法對火成巖的結構或構造進行有效的描述及劃分，也導致無法對火山碎屑巖類和過渡性巖類進行有效識別，而且由于不可能每口井大量做全巖分析，因此建議該區今后在火成巖儲層評價中加測成像測井和ECS(元素俘獲)測井，以準確識別火成巖巖性及結構，進而精確對火成巖進行巖性定名[9]。

表3 0531合同區不同井應用符合率統計表