渤海05/31合同区火成岩岩性测井识别方法及应用

彭盛强， 于金星， 林培炬

(潜能恒信能源技术股份有限公司，北京 100107)

0 引言

渤海05/31合同区位于唐山市曹妃甸南、天津市滨海新区塘沽东、渤海西部浅海海域，主体构造属南堡1号构造与新港构造，工区三面环海，由南堡凹陷、歧口凹陷和北塘凹陷三个凹陷包围，矿权面积为282.2 km2，水深约为5 m～15 m(图1)。该区是中国海洋石油公司对外合作区块，智慧石油投资有限公司(潜能恒信公司下属子公司，智慧石油)于2013年通过国际招投标，成为该区勘探、开发、生产作业的作业者[1]。

图1 渤海05/31合同区构造区域位置图

目前，渤海05/31合同区现已完钻井8口，其中智慧石油自2015年开始实施钻探并已完钻4口预探井，其中有3口井获得高产工业油气流[1]。从地震地质综合研究和完钻井资料分析显示，本区处于构造转换带，构造结构复杂；地震资料品质受火成岩影响大、构造落实和构造特征研究难度大，同时主要目的层火成岩发育，储层研究难度大[2]。钻井显示本区沉积地层发育较全，主要发育有第四系平原组，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组和沙河街组等；火成岩主要形成于渐新世沙河街组、东营组和中新世馆陶组时期，其中尤以中新世馆陶组火成岩最为发育，笔者重点研究馆陶组火成岩岩性特征及识别方法。

1 火成岩岩石学特征

本区已有多口钻井均钻遇新近系火成岩，从录井岩性特征看火山岩类型主要有玄武岩、凝灰岩等类型，从录井资料上未见到安山岩、英安岩等岩性类型。因此本区火成岩岩性主要以溢流相玄武岩为主，其次为火山碎屑岩类(含火山角砾岩和凝灰岩)。火成岩矿物成分复杂，分布范围较广，具有层数多、厚度大(平均厚度可达400 m)的特点。而且由于该层系虽是研究区的勘探目的层，但火成岩录井的难度比较大，研究区新近系火成岩段存在录井资料不全、录井资料不准确等问题，需要通过岩石薄片及地化鉴定，以及测井岩性解释来系统落实。

调研大量前人对东部凹陷(即辽河盆地东部凹陷，是近些年来发现火成岩复杂油藏最多的地区)火成岩岩石学的研究成果，发现本区的火成岩具有类似的特征。宏观上，区内火成岩主要类型为玄武岩，其矿物成分以斜长石和辉石为主，蚀变和充填矿物主要为绿泥石、方沸石，其次为方解石。据研究，东部凹陷玄武岩总体蚀变深，全岩矿物X衍射分析粘土含量可达20%以上，绿泥石等充填强烈，因此该类岩石储集性能差；凝灰岩属火山碎屑岩，由粒度小于0.002 m的火山灰组成，矿物成分主要是玄武质，颜色多为绿色或黑色，具玻屑结构，晶屑较少，岩石由火山灰和火山玻璃组成。全岩分析结果表明凝灰岩粘土含量在20%以上[3]。

图2 本区馆陶组火成岩岩石类型TAS图解

图3 本区馆陶组火成岩主要矿物含量分布

从微观上看，本区火成岩种类不多，但成分复杂，测井评价的首要任务就是识别和区分岩性，通过研究本区不同类型火成岩在矿物组成或者化学组成上的异同[1]，在岩石物理基础上实现火成岩岩石类型进行划分，从而揭示不同岩性在测井响应上的特征。目前火成岩分类主要有两种：依据碱度和依据TAS图解法(全碱含量与SiO2含量交会)，这里主要采用后一种方法。图2中XX-1和XX-6井岩屑样品常量元素分析显示本区火成岩主要类型为玄武岩类。

2 火成岩矿物类型划分

测井评价的模型是岩石体积物理模型，它以矿物为研究对象，认为测井响应值近似等于组成岩石的各种矿物理论响应值按照相对含量高底加权平均的结果，误差是井眼及围岩引起的[1]。作者主要参考孙鼎等[2]介绍的CIPW标准矿物计算模型。本区基于岩石薄片鉴定成果，玄武岩是本地区主要的岩石类型(图3)，由图3可以得出：玄武岩主要以长石为主，含有少量的辉石和黄铁矿，其各自含量长石一般在50%～70%之间，绿泥石一般在20%左右，辉石含量在10%～20%左右，黄铁矿等含量则较少，一般低于8%，绝大多数不含石英。因此本区矿物主要类型可确定为长石、绿泥石、透辉石和黄铁矿。

关于长石类型，主要有碱性长石和斜长石。东部凹陷钾长石、钠长石与钙长石含量分布图显示(图4)：玄武岩的长石主要以钠长石和钙长石为主，钾长石含量较低，也就是说玄武岩所含长石主要为斜长石，这是东部凹陷火成岩矿物组成特点之一[3]。

图4 CIPW法计算东部凹陷14块玄武岩样品长石含量分布

3 火成岩测井响应特征分析

3.1 火成岩测井响应定性研究

东部凹陷火成岩的主要矿物有长石、透辉石、橄榄石、磁铁矿/黄铁矿、钛铁矿等，有一些矿物已蚀变为方沸石、方解石和绿泥石，表1即为这些矿物的测井响应理论值[1]。

从表1可知，玄武岩主要矿物有斜长石、透辉石、黄铁矿和绿泥石等，其中钾长石含量少，因此玄武岩自然伽马值普遍较低，而且由于含有透辉石等重矿物，其体积密度应呈中高值，相应地，补偿中子应为低值，而深电阻率则为高值特征。但是玄武岩由于常发生蚀变，因此蚀变后的玄武岩其补偿中子往往又具有中高值，这是玄武岩蚀变后的典型特征；凝灰岩、火山角砾岩属火山碎屑岩系列，其成分主要为玄武质，因此其自然伽马值则一般低于同质的玄武岩，孔隙度测井系列方面由于凝灰岩为碎屑结构，因此密度值较玄武岩低，声波时差和补偿中子较高，电阻率曲线一般也普遍低于玄武岩，如图5所示。图5中“粒度减小”还可指示火成岩结构，如碎屑或熔岩结构，即凝灰岩粒度均小于玄武岩。

表1 东部凹陷火成岩主要矿物骨架参数表[5]

图5 渤海05/31合同区馆陶组火成岩岩性识别图版

图6 合同区主要岩性的测井交会图版

表2 0531合同区不同岩性测井曲线特征表

3.2 火成岩测井响应定量研究

为定量开展对火成岩岩性的识别工作，目前主要依据钻井取心、录井岩屑和薄片分析建立已知岩性类别的测井数据样本，在对曲线进行环境校正的基础上，跟据这些已知岩性的测井样本数据建立测井岩电特征，主要选取的井名包括XX-1、XX-2，XX-6井。通过大量研究和对比分析，该区主要发育的岩性有玄武岩、凝灰岩(火山角砾岩)、砂岩(砂砾岩)和泥岩，其中砂岩(砂砾岩)为本区火成岩顶部发育的一套标志层，可用于岩性对比。各测井响应特征参数及岩电特征图版如图6以及表2所示[6]。

通过图6可以看出：①单一的测井曲线响应特征已经不能满足岩性识别的需求，需要优选多种测井系列；②自然伽马、密度曲线对该区岩性识别最敏感，声波、中子和深电阻率曲线次之，而且中子曲线还对玄武岩是否蚀变比较敏感。

4 利用测井资料计算火成岩矿物成分和岩性剖面

在对火成岩矿物组成、测井响应特征研究以及准确划分识别不同岩性段的基础上，最后就是利用测井资料逐点定量连续地计算矿物成分和岩性剖面。通过总结研究，其具体实现思路为[7]：

1)测井与地质相结合，明确测井能够识别的主要类型。本区火成岩岩性主要以溢流相玄武岩为主，其次为火山碎屑岩类(含火山角砾岩和凝灰岩)，其矿物类型主要为长石(钠长石，钾长石，钙长石)、绿泥石、透辉石、黄铁矿。通过上述研究，利用常规测井资料基本上能够满足岩性识别的要求。

2)测井敏感曲线优选。测井岩性识别方法主要是通过不同岩性在测井曲线响应特征差异来表征。通过上述定性和定量对火成岩岩性测井响应特征的研究，对岩性变化较为敏感的曲线有自然伽马、密度、声波、中子和电阻率等，故可优选以上几种测井系列来进行岩性识别。

3)基于最优化测井解释原理的连续测井矿物组分计算。我们主要采用斯伦贝谢Elan-Plus程序进行测井矿物组分计算。最优化测井解释是将所有测井信息、误差及某些地区地质经验综合成一个多维信息复合体，运用数学上的最优化数学方法，综合地进行多维处理，寻求复合体的最优解，从所有可能的解释结果中得到最佳最合理的解释结果[8]。

这里即采用最优化测井解释模型，也就是多矿物解释模型，即储集层由泥质、多种矿物组成岩石骨架，以及孔隙流体组成；每条曲线测井值均可看成是泥质、多种骨架矿物，以及孔隙流体(流体主要为水，无油气发育)的综合响应。

地层组分：Chol、NFeld、KFeld、CaFeld、Diop、Pyri、Wat分别表示绿泥石、钠长石、钾长石、钙长石、透辉石、黄铁矿和水；

使用曲线：GR、DEN、DT、…

则体积响应方程为：

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)

……

实际计算中要想获得准确的计算结果，必须给出合适的各矿物限制条件[8]。依据本文研究，各矿物限制条件如下

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

(4)

由图3和图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分别为绿泥石体积含量、钠长石、钾长石、钙长石、透辉石、黄铁矿的体积百分含量以及孔隙度。

目标函数：

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

(((DENT-DEN)*

Weight_DEN)/UDEN)2+…]

(6)

式中：GRT、DENT等为体积响应方程计算的各测井数值；Weight为输入曲线的权重，常数；UGR，UDEN等为各曲线不确定数值，常数；另外，孔隙度公式未列出，骨架参数采用最优化计算结果的视骨架参数值；所谓最优化求解，就是通过迭代，使得式(6)最小时即得到最终结果。

通过以上研究，运用上述原理和方法对本区一口井的计算的成果见图7(最终的孔隙度数值由密度中子综合计算加权得出，依据反演成果，孔隙度值大约在5%～15%左右。

图7是XX-6井火成岩最终处理解释成果图，图7中第三道是录井岩屑岩性，第四道是测井识别岩性，第七道为计算的岩石骨架矿物组分(质量百分含量，依据体积百分含量转换而来，从上至下分别为黄铁矿，透辉石，钾、钙、钠长石和绿泥石)；从图7中可以看出，测井识别岩性分辨率明显高于录井岩屑，甚至依据测井曲线能够划分出玄武岩蚀变程度(中子越大，电阻率越低，蚀变越深)，其中在深度段2 290 m～2 300 m，岩石薄片鉴定有两处，样品号分别为5-2和5-3，定名都为玄武岩，结构和构造都属于间粒结构，斑状结构，气孔和杏仁构造，主要成分及含量为：斜长石为主，约45%～69%，且斜长石多数绿泥石化，绿泥石含量达40%，透辉石占5%～23%，黄铁矿8%左右，该结果与测井计算矿物组分(第七道)具有一致性。在本区其他3口新井应用中，解释符合率达到92.4%(表3)，测井岩性识别效果较录井岩屑有了较大程度的提高，因此，利用上述理论和测井图版对火成岩岩性进行识别是可靠的。

图7 XX-6井馆陶组火成岩测井岩性成果图

5 结论

通过对本区火成岩岩性的研究，获得了以下几点认识：

1)玄武岩和火山碎屑岩是本区主要的岩石类型，且玄武岩普遍存在蚀变，蚀变主要形成绿泥石等。

2)玄武岩矿物成分主要以长石为主，含有少量的辉石和黄铁矿，其含量长石一般在50%～70%之间，绿泥石在20%左右，辉石含量在10%～20%左右，黄铁矿等含量则较少，一般低于8%；而且本区玄武岩长石主要为钠长石和钙长石，钾长石含量相对较低。

3)火成岩测井响应定性和定量特征表明，本区玄武岩以低伽马、低声波和高密度为主要特征，凝灰岩等火山碎屑岩则表现为低伽马，中高声波和低密度等测井特征。

4)基于测井响应特征的测井岩性识别其分辨率明显高于录井岩屑岩性；同时基于最优化Elan-Plus程序进行的测井矿物组分计算更加地符合实际，可作为今后火成岩岩性测井识别的主要方向。

5)由于本区火成岩测井系列中没有成像测井资料，因此无法对火成岩的结构或构造进行有效的描述及划分，也导致无法对火山碎屑岩类和过渡性岩类进行有效识别，而且由于不可能每口井大量做全岩分析，因此建议该区今后在火成岩储层评价中加测成像测井和ECS(元素俘获)测井，以准确识别火成岩岩性及结构，进而精确对火成岩进行岩性定名[9]。

表3 0531合同区不同井应用符合率统计表