声电成像测井在北黄海盆地中生界油气勘探中的应用

杜　民，王改云，简晓玲，成　谷

（1. 广州海洋地质调查局，广州 510760；2. 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州 510075；3. 中山大学地球科学系，广州 510275）

声电成像测井在北黄海盆地中生界油气勘探中的应用

杜民1,2，王改云1,2，简晓玲1,2，成谷3

（1. 广州海洋地质调查局，广州 510760；2. 国土资源部海底矿产资源重点实验室，广州 510075；3. 中山大学地球科学系，广州 510275）

北黄海盆地是海域油气勘探新区，经历了多期次的构造演化，地质条件复杂、勘探难度大。利用声电成像测井资料对该盆地东部坳陷某区块的岩性、层理类型、裂缝、古水流及地应力方向进行了分析研究。结果表明：区内中生界岩性主要为砂砾岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩；泥岩段水平层理发育，砂岩段则多见楔状交错层理、板状交错层理、小型波状层理；下白垩统、侏罗系的古水流方向在不同井区差异小，总体上呈东偏南向；中生界裂缝不甚发育，多数集中在侏罗系，倾角普遍较大，主要分布于泥岩或泥质粉砂岩，多属无效缝；地应力分析结果指示，研究区最大水平主应力为近东西向。上述研究为该区进一步勘探部署提供了可靠的基础资料。

北黄海盆地；声电成像测井；裂缝：古水流方向；地应力

北黄海盆地是印支—燕山运动时期，中朝准地台基底上发育的中、新生代沉积盆地[1]，可划分为东部坳陷、中央隆起、中部坳陷、中西部隆起、西部坳陷和南部凹陷群等多个二级构造单元[2]。其中东部坳陷具有南断北超的特征，研究区位于东部坳陷内中部坳陷的中北部（图1），构造上呈现南断北超的特征。近年来的油气地质调查表明该区域油气成藏具有古生新储和自生自储的特征，主要勘探层段位于中生界，为河流—三角洲沉积环境，属低孔低渗的储层类型[3]，整体勘探难度较大。为了进一步明确本区的基础地质条件并寻找有利的油气聚集带，选取区域内的4口新钻井，利用声电成像测井数据，分析了研究区的岩性、沉积层理、裂缝、古水流及地应力特征，为后期的油气勘探部署奠定基石。

图1　北黄海盆地东部坳陷构造区划图（据文献[2]，修改）

1　声电成像原理及资料的获取

成像测井，主要指在井下采用阵列或旋转扫描测量，沿井眼纵向、周向或径向大量采集地层信息，传输至地面后，通过图像处理技术得到井壁的二维或井眼周围某探测深度内的三维图像，可方便地对地层信息进行可视化显示[4,5]。目前，成像测井在技术体系上分为井周成像、井筒成像及井间成像等多个尺度上数据的采集、处理与综合利用[6-8]。其中，井周成像在技术上最为成熟，主要包括井周声波成像与地层微电阻率扫描成像[9]。

本次所使用的声-电成像测井仪器来自美国阿特拉斯公司，其是将声波和电阻率组合在了一起的STAR-II系统（Simultaneous Acoustic and Resistivity Imaging）[10]。它的井周声波成像测井可分为CBIL-AMP（声波回波幅度成像）和CBILTT（声波回波时间成像），其采用声波脉冲回波方式测量，通过旋转式超声换能器发射的250～400 kHz超声波束（直径5.08 mm），被聚焦后对井壁进行扫描，并记录回波波形（图2a）。岩石声阻抗变化会导致回波幅度的差异，故可获得声波回波幅度成像（CBIL-AMP）；井壁几何形状的变化则引起回波传播时间的变化，可得到声波回波时间成像（CBIL-TT）。将测量的反射波幅度和传播时间的数组资料按井眼内360 °方位显示成图像，可获得整个井壁的高分辨率图像，因此能观察井下岩性及井壁几何形状的变化（如裂缝、孔洞等）[7]。该系统的井壁微电阻率成像测井仪（STAR）的6个极板上各装24个相同的微电极（电扣），电扣直径为5.08 mm，电扣间距为2.54 mm（图2b）。工作时，极板被推靠于井壁上，经地面仪器控制向地层内发射电流，各极板发射的电流强度随其贴靠的井壁岩性及井壁条件的变化而变化，因而获取的各电极电流强度及其所施加的电压便反映了井壁四周的微电阻率变化沿井壁采样间距为2.54 mm的测井记录即为所测量井段的144条电阻率曲线[11]，并用灰色或彩色图像显示地层电阻率的变化。

声电成像测井资料经预处理后，采用渐变色板对测量数值进行刻度，将每个采样点的数据作为一个色元形成彩色图象。通常按黑—棕—黄—白色调顺序对数据进行分级别呈现，由黑到白，电成像代表电阻率变化由低变高，声波幅度成像代表回波幅度由低变高，声波时间成像代表回波时间由长到短。因此色彩的差异代表着岩性和物性的变化[4]。

图2　声波成像（a）和电阻率成像（b）基本原理示意图（据文献[4, 5]，修改）

2　声电成像测井资料的综合应用

2.1地层主要岩性特征

晚侏罗世开始，北黄海地区由区域性隆升转为坳陷阶段，形成了较为宽阔的盆地。东部坳陷作为北黄海地区的一个局部坳陷，在侏罗纪—白垩纪时期沉积了一套以碎屑岩、泥岩为主的中生代地层[12]。研究区成像测井测量井段为中生界，即下白垩统与侏罗系。区内中生界发育了多种不同的内部结构及构造，因此导致不同的岩层有着不同的声电成像特征。为便于识别与分析，将研究区岩性归并为砂砾岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩，其在成像测井及常规测井响应上的特征有所差异。图3中，（a）图为砂砾岩，常规测井上表现出自然伽马较低的特征，电阻率动态图像上可见砾石颗粒的高阻浅色斑点，而胶结物和充填物为低阻，图像上呈不规则的高阻白黄色与低阻特征相混杂，砂砾岩中常发育块状层理，有时见冲刷充填构造；（b）图所反映的是细砂岩，常规测井上呈现自然伽马相对低的特点，电阻率动态图像上显示有浅色或白色微小的点状特征，其内部多见层状结构；（c）图记录的岩性是粉砂岩，其常规测井表现为自然伽马稍低，电阻率动态图像上略具粗糙感且整体色调较浅；（d）图所揭示的是泥岩，常规测井显示自然伽马较高，电阻率动态图像上表现为亮暗相间的层状，该图下部见清晰的薄层状特征，推测其上部为中—厚层的块状泥岩，下部则为水平层理发育的薄互层泥岩。

图3　东部坳陷A井不同岩性电成像特征

图4　东部坳陷中生界层理的地层倾角及成像特征

2.2层理类型的识别

沉积物在搬运和沉积时，由于介质（如水、空气）的流动，在沉积物的内部以及表面形成的构造，属流动成因的构造，主要包括层理构造与层面构造[13]。本文重点对层理构造进行了分析，成像测井资料研究表明，研究区内主要发育楔状交错层理、板状交错层理、水平层理、小型波状层理和块状层理（图4）。

块状层理常见于泥岩及厚层的粗碎屑岩中，一般由悬浮物的快速堆积、沉积物来不及分异而形成。该层理在地层倾角矢量图上表现为点少且无规律（图4a），为一组杂乱模式或空白模式，电成像动态图像上显示为相对均匀的亮色。图3a中岩心照片所揭示的该段岩性为砂砾岩，并且确实无明显层理。

水平层理主要产于泥质岩和粉砂岩等细粒碎屑岩中，细层平直并与层面平行，是在较弱水动力条件下由悬浮物沉积而成，是低能或静水环境的标志之一，多发育在研究区湖泊深水泥岩中。此类层理在地层倾角矢量图上表现为低角度的绿模式，倾角变化小，倾向比较一致（图4b）。电成像图上可见亮暗交替薄层，低阻细层界面平直并相互平行，同时细层界面平行于层面。

波状层理一般需要有大量的悬浮物质沉积，水动力条件较弱，具砂泥纹层，层理面波状叠置。该层理在地层倾角矢量图上表现为角度特低的红、蓝模式的组合，倾角呈波状变化（10°左右），倾向变化较大。研究区常见于砂岩与泥岩呈交替的波状连续层中（图4c），电成像图上显示细层界面呈低阻且低反射幅度暗色条纹为波状，主要为与层面总体方向平行的正弦曲线，幅度相差小但方位变化多端。

前人实验表明，不同水动力条件及深度下，沙床在迁移过程中可形成不同类型的交错层理[14]。交错层理在其层系内部有一组倾斜细层与层系界面相交，通常分为板状交错层理、楔状交错层理、槽状交错层理和波状交错层理，前二者在研究区较为发育。板状交错层理在地层倾角矢量图上表现一定角度的绿模式或几组绿模式的组合，常与大型交错层理共生（图4d）；电成像图像上往往识别出几个平直的层系界面，每个层系内纹层显示底部收敛顶部截切的明暗条带。楔状交错层理在地层倾角矢量图上表现为几组红模式与蓝模式的组合；电成像图像上表现为几组与层面斜交的正弦曲线、曲线产状基本一致，幅度逐渐变化，各组正弦曲线产状不同（图4e）。研究区板状、楔状交错层理一般发育在砂体的中部和中下部，倾角变化范围在10～30 °，是在较强水动力条件下形成的。

2.3古水流方向判定

古流向分析一般利用消除构造倾角后的砂岩层理来判别[15]。构造倾角通常以砂体下部的泥岩段中地层倾角图的稳定绿模式来确定，若地层倾角较杂乱，则可通过统计频率确定。古流向的指示应根据不同微相中的砂岩层理的倾角模式而定，对于河道充填砂体，反映水流层理和平行层理的蓝模式或绿模式能直接指示水流方向。

根据井旁构造分析得知，4口井地层倾角主频均大于5 °，故古流向分析时须进行地层倾角的消除。由于研究区4口井井旁构造较复杂，局部泥岩段呈块状结构，地层倾角模式杂乱，因此实际工作中倾角消除主要针对代表性砂体，利用附近泥岩段中地层倾角对砂体中的交错层理面进行构造倾角消除。构造倾角消除后发现，A井下白垩统扇三角洲平原分支河道相带中的2 617.4～2 618.8 m段发育有由楔状交错层理组合成的蓝模式（图5a），指示该套地层的砂体沿北西—南东向延伸，即古水流方向为东南向；该井侏罗系水下分流河道相带中的3 081.6～3 082.6 m段可见由板状交错层理组合成的蓝模式（图5b），其指示的砂体延伸方向及古水流方向与下白垩统基本一致；B井下白垩统扇三角洲平原分支河道的2 256.3～2 257.9 m段发育由楔状交错层理组成的典型蓝模式（图5c），其所指示的砂体延伸方向为北西西—南东东向，也即古水流方向为南东东向。通过对多套典型砂体的倾角矢量进行分析，结果显示侏罗系—下白垩统砂体中的蓝模式所反映的古水流方向总体上呈东偏南方向，个别为东偏北方向，据此推测这4口井所在区域的物源来自西北部。

2.4裂缝识别

裂缝按成因可分为由于成岩收缩或构造运动形成的天然裂缝和在钻井过程中因频繁起、下钻的震动和地应力场的不均衡造成井壁有规律开裂的诱导裂缝[16,17]。天然裂缝与人工诱导裂缝在形态上易于区别：① 前者常由多期构造运动形成，因而分布极不规则；而后者是在地应力作用下及时产生，其仅与地应力相关，故整齐排列、有规律。② 前者因常遭受溶蚀和褶皱的作用，裂缝面形态及缝宽均变化较大，而后者缝面形状较规则且缝宽变化很小。③ 诱导缝的径向延伸都不大，故深侧向测井电阻率下降不很明显，而多数天然裂缝径向延伸都较远并伴随有电阻率下降[18,19]。按产状可将裂缝分为低角度裂缝、倾斜裂缝、高角度裂缝、低角度网状裂缝及高角度网状裂缝等五大类。

本次裂缝研究主要针对天然裂缝，可划分为高导缝、高阻缝及半充填缝三类。高导缝在成像测井图像上往往表现为褐黑色正弦曲线，缝面较宽，图像上的褐黑色表明此类裂缝未被高阻矿物完全充填，但也不排除被低阻泥质充填的可能性（图6a）；高阻缝因被高阻矿物充填，表现为浅色正弦曲线，缝面较窄（图6b）；半充填缝表现为暗色断续线状，连续性较差（图6c）。

通常只有高导缝才能形成有效裂缝，但是如果高导缝被低阻物质充填，也属于无效缝。因此，判断裂缝是否有效，还需借助其他声电测井资料来进行。若有效裂缝存在并与井壁连通时，井液可沿裂缝流动，即地层的渗透性增大，会引起斯通利波的能量衰减，实测中心频率会出现低频移动，传播时间也将出现延迟，因此可以利用斯通利波进行地层渗透率反演，进而评价裂缝的有效性[19]。

图5　东部坳陷中生界古水流方向分析图

图6　东部坳陷中生界裂缝的声电成像特征图

根据研究区4口井成像资料，对裂缝主要发育段进行了基本信息统计（表1），整体来看，该区域裂缝不太发育，产状均较陡，大多数集中在侏罗系，且主要位于泥岩或泥质粉砂岩层段，很少发育于储层段内，故多为无效缝。

2.5地应力分析

地应力方向通常利用双井径及方位曲线来确定[20]。但井壁垮塌类型多时不易识别，可能导致地应力方向的错误计算；且无垮塌的井段，不能确定其地应力方向。声电成像测井资料较清晰地指示应力崩落井段的方位，并可区别不同井壁垮塌类型；另外，声电图像还可直观显示诱导压裂缝。由应力分析可知，最大水平主应力方向存在最小的井周切向应力，当泥浆柱压力增至一定限度时，该切向应力变成负值，即由压性转为张性，当此张性应力超过岩石抗张强度，会在井壁产生张性诱导压裂缝，其走向即为最大水平主应力的方向[21-24]。因此，井壁应力崩落和诱导压裂缝二者相结合，就可以精准地判断水平主应力的方向了[25]。

图7a为C井2 579.0～2 592.0 m井段声电成像图，其电成像特征不明显，但声成像图显示井眼崩落位于黑色区域，呈180 °的对称分布，其方位分别为为0 °和180 °，指示现今最小水平主应力方向为南北向。诱导缝在电成像图上呈现各种形态，通常表现为羽状、一组平行且呈180°对称的高角度裂缝或一组接近平行的高角度裂缝，其缝面十分规则，排列整齐。图7b中的诱导缝为一组接近平行的高角度裂缝，其走向为110 °，表明现今最大水平主应力方向为近东西向。

表1　研究区4口井天然裂缝特征统计

图7　研究区地应力方向分析图

针对区内4口井的诱导压裂缝和井壁应力崩落特征进行研究后，认为研究区的最大水平主应力方向为近东西向。

3　结 论

（1）声电成像资料分析表明，研究区中生界主要发育砂砾岩、细砂岩、粉砂岩和泥岩等岩性，它们存在各自不同的声电成像特征。该区域，中生代不同岩层表现出不同的内部结构及构造，普遍可见的是水平层理发育的薄互层泥岩，砂岩段则多见有楔状交错层理、板状交错层理、小型波状层理等，并偶见块状构造砂砾岩和泥岩。

（2）研究区的下白垩统与侏罗系砂岩古水流方向在不同井区变化不大，古水流方向较为稳定，总体上呈东偏南方向，据此推测该区域的古水流方向为东偏南向。

（3）应用声电成像资料易于区别天然裂缝与人工诱导裂缝，并将天然裂缝划分为高导缝、高阻缝及半充填缝三类。综合声电成像资料和斯通利波进行该区的裂缝研究后，认为裂缝多见于泥岩或泥质粉砂岩中，储层段极少发育，故多为无效缝。

（4）结合井壁应力崩落和诱导压裂缝对该区地层应力方向进行了研究，井眼崩落及诱导缝所指示的最大水平主应力方向均为近东西向。

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国家能源局发布《页岩气产业政策》

国家能源局日前发布《页岩气产业政策》，提出把页岩气开发纳入国家战略性新兴产业，加大对页岩气勘探开发等的财政扶持力度。根据《政策》，国家将鼓励建立页岩气示范区，鼓励页岩气勘探开发技术自主化，加快页岩气关键装备研制。

《政策》规定，为促进页岩气资源有序开发，国家能源主管部门负责制定页岩气勘探开发技术的行业标准和规范。鼓励各种投资主体进入页岩气销售市场，逐步形成以页岩气开采企业、销售企业及城镇燃气经营企业等多种主体并存的市场格局。

《政策》明确，鼓励地方财政根据情况对页岩气生产企业进行补贴，补贴额度由地方财政自行确定。对页岩气开采企业减免矿产资源补偿费、矿权使用费，研究出台资源税、增值税、所得税等税收激励政策。

摘编自《中国石油报》2013年11月1日

《海洋石油》杂志价格调整启事

由于物价不断上涨，加之《海洋石油》杂志为全彩页版面，使杂志运营成本大幅度上升，已严重影响期刊的正常运营。经研究决定，从2014年开始对《海洋石油》杂志定价进行调整：由过去的8元/期、32元/年调整为16元/期、64元/年。敬请广大读者订购时留意本刊价格的变化，如给订购带来不便还请多多见谅。

《海洋石油》编辑部

2013年12月

Application of Acoustic-electric Imaging Logging in Exploration of Mesozoic in North Yellow Sea Basin

DU Min1,2, WANG Gaiyun1,2, JIAN Xiaoling1,2, CHENG Gu3
（1. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510760, China; 2. Key Laboratory of Marine Mineral Resources, Ministry of Land and Resources, Guangzhou 510075, China; 3. Department of Earth Sciences, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China）

The North Yellow Sea Basin is a new offshore oil and gas exploration area, with multiphase tectonic evolution, and the geological conditions are very complicated. Therefore, the HC exploration in this area is rather diffcult. Based on acoustic-electric imaging logging data, analysis has been conducted on lithology, the types of bedding, fractures, palaeocurrent direction and in-situ formation stress orientation in the study area of the eastern depression of North Yellow Sea Basin. The study results indicated that the lithologies of Mesozoic in this area consists mainly sandy conglomerate, fne grained sandstones, siltstones and mudstones. Horizontal bedding is well developed in mudstone intervals, and wedge cross-bedding, tabular cross-bedding and small wave bedding is often found in sandstone intervals. The palaeocurrent direction of lower Cretaceous and Jurassic was east to south, with no great change in different well-blocks. The dip angle of the Mesozoic is large. Fractures are poor developed in Mesozoic, and most of fractures are in Jurassic, mainly developed in mudstone or argillaceous siltstone. Therefore, most of the fractures are invalid. The analyzing results on in-situ stress indicated that the maximum horizontal principal stress orientation in study area is near east-west. The study results can provide reliable basic data for further oil and gas exploration in this area.

North Yellow Sea Basin; acoustic-electric imaging log; fracture; paleocurrent orientation; formation stress

P631.8

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2013.04.062

1008-2336（2013）04-0062-08

2013-05-21；改回日期：2013-08-20

杜民，男，1985年生，硕士，工程师，2009年毕业于中国地质大学（武汉）海洋地质专业，主要从事海洋石油地质调查研究工作。E-mail：dumin.0120@163.com。