火山碎屑復(fù)成分礫巖測(cè)井響應(yīng)機(jī)理分析

張德梅，郭海嘯，李曉輝，王宏建，周劍橋

（中國(guó)石油大慶鉆探工程公司測(cè)井公司，黑龍江 大慶 163412）

0 引 言

TMCG盆地具有構(gòu)造活動(dòng)期次多、斷裂多、繼承性強(qiáng)、發(fā)育程度高的特點(diǎn)，近物源、快速堆積沉積導(dǎo)致盆地內(nèi)儲(chǔ)層巖石分選差、巖性變化大。在TMCG盆地內(nèi)TBMZ地層，普遍發(fā)育礫巖儲(chǔ)層，雖然錄井巖性均描述為礫巖，但在實(shí)際測(cè)井響應(yīng)特征上卻存在明顯的差異。根據(jù)該區(qū)近200余口探井、評(píng)價(jià)井TBMZ地層鉆遇礫巖測(cè)井曲線特征統(tǒng)計(jì)，上述3類(lèi)礫巖測(cè)井曲線響應(yīng)差異，主要表現(xiàn)在自然伽馬（GR）、補(bǔ)償中子（CNL）和Th曲線上。

A類(lèi)礫巖測(cè)井響應(yīng)具明顯低伽馬值、高中子值特征，GR一般小于75API，Th含量小于8%，補(bǔ)償中子值在（18～24）m3／m3；C類(lèi)礫巖測(cè)井響應(yīng)特征具明顯高伽馬值、低中子值，GR一般大于105API，Th含量大于12%，補(bǔ)償中子值在（8～12）m3／m3；B類(lèi)礫巖測(cè)井響應(yīng)特征在A類(lèi)礫巖、C類(lèi)礫巖之間。

A類(lèi)礫巖具有高中子值特征，自然伽馬特征較純砂巖略高，與研究區(qū)域內(nèi)碳質(zhì)泥巖發(fā)育相似，在巖性識(shí)別時(shí)容易誤認(rèn)為低放射性泥巖；C類(lèi)礫巖中子特征與純砂巖相似，其高放射性在儲(chǔ)層分析時(shí)易誤判為高含泥儲(chǔ)層。所以，急需弄清以上礫巖測(cè)井響應(yīng)機(jī)理，為進(jìn)一步測(cè)井解釋儲(chǔ)層評(píng)價(jià)奠定基礎(chǔ)。通過(guò)巖心實(shí)物觀察不同測(cè)井響應(yīng)特征礫巖，了解不同礫巖的物理特征，如礫石組成、結(jié)構(gòu)、填隙物等；通過(guò)進(jìn)一步的X衍射全巖分析和X熒光常量與微量元素分析等，了解其化學(xué)成分的構(gòu)成，如元素構(gòu)成、礦物構(gòu)成等，以期得到不同物理組成、化學(xué)成分對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征的影響。

1 巖石物理性質(zhì)分析

1.1 巖石物理成分組成

挑選研究區(qū)域不同放射性特征的礫巖30多口井進(jìn)行巖心實(shí)物觀察，從礫巖的礫石分選、膠結(jié)物和成分等方面加以區(qū)分對(duì)比，以期得到這3類(lèi)測(cè)井響應(yīng)特征礫巖主要差異原因。巖心觀察這3類(lèi)礫巖的主要物理成分對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 TMCG盆地TBMZ礫巖巖心觀察對(duì)比表

1.2 不同物理成分組成對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征的影響

通過(guò)巖心觀察，研究區(qū)域內(nèi)的礫巖均為近物源快速沉積類(lèi)型，其礫石為火山碎屑巖且成分復(fù)雜，所以將上述礫巖統(tǒng)一歸為火山碎屑復(fù)成分礫巖。表1中，3個(gè)類(lèi)復(fù)成分礫巖在礫石和膠結(jié)物成分與含量上存在較大差異，分析認(rèn)為這是造成其測(cè)井響應(yīng)存在較大差異的主要原因。根據(jù)各類(lèi)礫巖所含礫石與膠結(jié)物的測(cè)井響應(yīng)特征值[1－2]（見(jiàn)表2），砂質(zhì)復(fù)成分礫巖所含礫石以中、基性低放射性火山巖為主，且該類(lèi)礫巖主要膠結(jié)物的測(cè)井響應(yīng)特征也呈低放射性，所以其整體測(cè)井響應(yīng)特征呈低伽馬特征，說(shuō)明該類(lèi)礫巖的礫石與膠結(jié)物成分和含量對(duì)地層的放射性特征影響與測(cè)井響應(yīng)是一致的，但對(duì)地層大中子孔隙度特征（補(bǔ)償中子值在18～24m3／m3）的現(xiàn)象需進(jìn)一步研究；凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖礫石以流紋質(zhì)、凝灰質(zhì)（酸性）等高放射性特征巖石為主，膠結(jié)物成分測(cè)井特征也呈高伽馬特征，測(cè)井響應(yīng)特征呈高放射性，說(shuō)明凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖中礫石與膠結(jié)物成分和含量對(duì)地層的放射性特征影響與測(cè)井響應(yīng)也是一致的。過(guò)渡復(fù)成分礫巖由于其礫石、膠結(jié)物的含量與成分介于砂質(zhì)復(fù)成分礫巖與凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖之間，測(cè)井響應(yīng)特征也介于砂質(zhì)復(fù)成分礫巖與凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖之間，所以其測(cè)井響應(yīng)特征與該類(lèi)礫巖的礫石與膠結(jié)物的成分和含量相關(guān)。在巖心觀察中發(fā)現(xiàn)，如果礫石母巖是中、酸性火山巖礫石占主要成分，則其放射性參數(shù)接近高伽馬的凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖特性；如果是中、基性火山質(zhì)礫石占主要成分，則其放射性參數(shù)更接近低伽馬砂質(zhì)復(fù)成分礫巖。

由于上述火山碎屑復(fù)成分礫巖巖性多較致密，當(dāng)2種礫巖物性相當(dāng)時(shí)，體積密度與聲波時(shí)差值相近；而由于礫石成分差異較大引起中子值差異大時(shí)，測(cè)井綜合圖上則顯示不同種復(fù)成分礫巖中子—密度曲線交會(huì)形態(tài)和大小差異較大。

表2 復(fù)成分礫巖物理組份測(cè)井響應(yīng)特征表

2 巖石化學(xué)性質(zhì)分析

為進(jìn)一步了解巖石礦物成分和含量、微量元素和雜質(zhì)的存在對(duì)巖石的測(cè)井參數(shù)的影響，挑選研究區(qū)塊3類(lèi)復(fù)成分礫巖的巖石小樣進(jìn)行X衍射全巖和X熒光常量與微量元素分析，以了解其化學(xué)成分的構(gòu)成對(duì)測(cè)井參數(shù)的影響。

2.1 礫巖化學(xué)成分構(gòu)成

對(duì)該區(qū)礫巖進(jìn)行X衍射全巖分析結(jié)果表明，3類(lèi)礫巖主要的礦物成分均為石英、鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、方解石、白云石、綠泥石、高嶺石、伊利石。圖1中（a）、（b）、（c）分別是3類(lèi)復(fù)成分礫巖的主要礦物成分分布圖。

進(jìn)一步對(duì)該區(qū)礫巖進(jìn)行X熒光常量與微量元素分析對(duì)比（見(jiàn)圖2）。3類(lèi)礫巖主要造礦氧化物為SiO2、CaO、FeO、MnO、TiO2、Fe2O3、P2O5、K2O、MgO、Na2O。從圖2可看出，含量較高的造礦氧化物在3類(lèi)礫巖中的含量有一定規(guī)律性。

圖2 3類(lèi)礫巖主要圖氧化物含量對(duì)比

微量元素相對(duì)于主要元素在地層中的含量雖然非常小，但對(duì)地層的某些特性影響較大。如Gd、B等，即使含量極少，由于熱中子俘獲截面值很高也會(huì)大大影響中子測(cè)井響應(yīng)。圖3為3類(lèi)礫巖微量元素對(duì)比圖，可以看出，含量相對(duì)較高的元素在3類(lèi)礫巖中的分布規(guī)律性較強(qiáng)。

針對(duì)對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征影響較大的稀有元素，將其含量與測(cè)井響應(yīng)間的關(guān)系做分析對(duì)比，以得到測(cè)井響應(yīng)的主要影響因素。

2.2 不同化學(xué)成分構(gòu)成對(duì)測(cè)井響應(yīng)特征的影響

該區(qū)3類(lèi)火山碎屑復(fù)成分礫巖測(cè)井響應(yīng)特征主要在自然伽馬和補(bǔ)償中子測(cè)井曲線上差異大，針對(duì)自然伽馬和補(bǔ)償中子進(jìn)行測(cè)井響應(yīng)機(jī)理分析。

圖3 3類(lèi)礫巖主要微量元素對(duì)比圖

2.2.1 自然伽馬

放射性測(cè)井是對(duì)巖石放射性特征的總體反映，即對(duì)巖石中U、Th、K元素含量的綜合反映[3]。因此，對(duì)于復(fù)雜巖性體的放射性要弄清是來(lái)自泥質(zhì)的反映還是其他巖石類(lèi)型。

從圖1可知，上述3類(lèi)復(fù)成分礫巖的黏土礦物類(lèi)型以伊利石和綠泥石為主，只有低伽馬特征的A類(lèi)礫巖砂質(zhì)復(fù)成分礫巖含少量高嶺石，且黏土礦物總含量（伊＋高＋綠）均不超過(guò)10%。據(jù)火成巖礦物測(cè)井響應(yīng)特征（見(jiàn)表3）[3－4]，由于高嶺石含量非常少，對(duì)砂質(zhì)復(fù)成分礫巖的低伽馬、高中子測(cè)井響應(yīng)影響較小。綠泥石和伊利石在3種復(fù)成分礫巖中含量差別較小，相對(duì)于測(cè)井響應(yīng)的變化可以認(rèn)為3類(lèi)復(fù)成分礫巖放射性變化與黏土礦物類(lèi)型和含量關(guān)系較小。

石英和斜、鉀長(zhǎng)石為主要造巖礦物，均為火成巖、變質(zhì)巖和沉積巖中共有的成分[4]，在沉積巖中長(zhǎng)石的豐度次于石英，在大多數(shù)火成巖中斜長(zhǎng)石占主要，石英次之，鉀長(zhǎng)石除花崗巖外其含量在10%左右。從圖1可知，復(fù)成分礫巖中長(zhǎng)石總含量接近甚至大于石英含量，礫石為火成巖成分，且成分復(fù)雜，巖石放射性變化與礫石巖性有關(guān)。

為進(jìn)一步從微觀上認(rèn)識(shí)復(fù)成分礫巖放射性差異大的原因，挑選研究區(qū)域內(nèi)有自然伽馬能譜測(cè)井資料的15口井37塊礫巖樣品，用自然伽馬分別與U、Th、K含量建立交會(huì)圖（見(jiàn)圖4）。從圖4可以看出，工區(qū)內(nèi)隨自然伽馬值的升高K的含量輕微穩(wěn)定升高；U的含量變化較K略大，但數(shù)據(jù)點(diǎn)較離散；Th的含量明顯隨放射性的增加而穩(wěn)定急劇升高?？梢?jiàn)低伽馬→高伽馬特征火山碎屑復(fù)成分礫巖其放射性的逐漸增強(qiáng)主要是U、Th含量增加引起的，尤其是Th含量變化。根據(jù)對(duì)Th含量增加[5]的認(rèn)識(shí)可知，砂質(zhì)復(fù)成分礫巖→過(guò)渡復(fù)成分礫巖→凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖其放射性的逐漸增強(qiáng)的原因是由于其母巖成分中富硅質(zhì)的酸性火成巖含量逐漸增加所致。這一認(rèn)識(shí)與巖心觀察結(jié)果完全一致。

圖4 GR與U、Th、K含量關(guān)系圖

2.2.2 補(bǔ)償中子

中子測(cè)井受地層巖性、流體性質(zhì)影響大，并隨孔隙、裂隙中流體含量的變化而發(fā)生變化。當(dāng)巖石發(fā)生蝕變時(shí)，次生的綠泥石、沸石、絹云母等礦物含有大量結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水，常表現(xiàn)出高中子孔隙度值，特別是在蝕變嚴(yán)重時(shí)，中子測(cè)井曲線反映異常敏感[1]。圖1中該區(qū)3類(lèi)復(fù)成分礫巖中均不含絹云母，且綠泥石含量差別相當(dāng)小，而方沸石含量與3類(lèi)礫巖高中子→低中子測(cè)井響應(yīng)特征對(duì)應(yīng)關(guān)系差。分析認(rèn)為在該盆地內(nèi)火山碎屑復(fù)成分礫巖其中子的特征差異與巖石中含有大量結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水的礦物含量關(guān)系較小。

中子測(cè)井除反映儲(chǔ)層孔隙大小外還可以根據(jù)快中子對(duì)14Si28核的活化反應(yīng)識(shí)別巖性[5]；地層中某些稀有元素即使含量很少，由于其具有高熱中子俘獲截面，也會(huì)極大影響熱中子孔隙度響應(yīng)。挑選工區(qū)內(nèi)有代表樣品22塊進(jìn)行X熒光常量和微量元素測(cè)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，具有大熱中子俘獲截面值元素如Gd、Eu等其含量增加與補(bǔ)償中子測(cè)量值近似成正比[見(jiàn)圖5（a）至圖5（d）]，只有B元素與中子值關(guān)系不明顯[見(jiàn)圖5（e）]。

圖5 中子與大熱中子俘獲截面值稀有元素關(guān)系圖

圖5（f）中橫坐標(biāo)為中子測(cè)量值，縱坐標(biāo)為大熱中子俘獲截面稀有元素因子，它是各元素含量的多少和元素本身的熱中子俘獲截面乘積之和。隨著熱中子俘獲截面稀有元素因子升高，中子測(cè)量值也相應(yīng)增大，說(shuō)明巖石中子測(cè)井值的增加與大熱中子俘獲截面稀有元素及其含量密切有關(guān)。從圖5（f）中可知，研究工區(qū)內(nèi)對(duì)3類(lèi)復(fù)成分礫巖中子測(cè)量值影響較大的稀有元素前5位依次為 Gd、Sm、B、Eu、Co。

將3類(lèi)復(fù)成分礫巖的大中子俘獲截面稀有元素測(cè)定結(jié)果分類(lèi)進(jìn)行平均含量對(duì)比（見(jiàn)圖6）。自然伽馬值從低到高，礫巖中所含大中子俘獲截面稀有元素的含量（除B外，不排除實(shí)驗(yàn)誤差）逐漸減少。3類(lèi)復(fù)成分礫巖在中子響應(yīng)特征上的綜合差異是與其礫石中所含各大熱中子俘獲截面稀有元素及其含量的總體平均豐度相關(guān)。

圖6 3類(lèi)礫巖大中子俘獲截面稀有元素含量對(duì)比直方圖

為進(jìn)一步確定巖石對(duì)火山碎屑復(fù)成分礫巖中子值的影響，建立了10種造礦巖石主要氧化物含量與中子測(cè)量值交會(huì)圖（見(jiàn)圖7）。

在圖2中顯示造巖礦物中含量最高的氧化物SiO2含量在C類(lèi)復(fù)成分礫巖中含量最高，B類(lèi)礫巖中含量次之，A類(lèi)礫巖中含量最小。圖7（b）顯示，SiO2含量隨中子值增加而含量呈明顯減少。這些現(xiàn)象再一次表明，自然伽馬值的變化與巖石中富硅質(zhì)的酸性火成巖含量逐漸增加有關(guān)。圖7（a）中CaO、FeO、MnO與圖7（b）中 TiO2、Fe2O3、P2O5含量隨中子值含量呈不同程度增加趨勢(shì)；圖2中Fe2O3、FeO、TiO2、MnO、CaO、MgO、Na2O在 A類(lèi)礫巖中含量最高，B類(lèi)礫巖中次之，C類(lèi)礫巖中含量最少，即以上氧化物隨自然伽馬值升高逐漸減低。所以A類(lèi)砂質(zhì)復(fù)成分礫巖具低伽馬、高中子特點(diǎn)，而C類(lèi)凝灰質(zhì)復(fù)成分礫巖由于這些造礦氧化物含量降低而具高伽馬、低中子特點(diǎn)。其原因是這些氧化物測(cè)井參數(shù)特征具高熱中子俘獲截面和低伽馬特點(diǎn)（見(jiàn)表3）[4]。

圖7 礫巖中子值與主要造礦氧化物關(guān)系圖

表3 3類(lèi)復(fù)成分礫巖主要造礦氧化物測(cè)井參數(shù)特征表

3 巖性識(shí)別在儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中應(yīng)用

3.1 測(cè)井巖石骨架參數(shù)確定

根據(jù)3類(lèi)復(fù)成分礫巖的測(cè)井響應(yīng)特征，應(yīng)用GR—Th和Pe—Th巖性識(shí)別圖版[4]判定儲(chǔ)層以哪2種或1種火山巖為主，數(shù)字處理時(shí)就以這2種或1種火山巖理論骨架值的平均值為該井測(cè)井?dāng)?shù)字處理的巖石骨架值。

3.2 孔隙度模型確定

對(duì)計(jì)算孔隙度敏感的測(cè)井曲線通常為聲波、中子和密度。通過(guò)分析，復(fù)成分礫巖中子值大小除反映孔隙大小外，主要因?yàn)榇笾凶臃@截面稀有元素的關(guān)系。所以，火山碎屑復(fù)成分礫巖的孔隙模型選擇聲波孔隙度和密度孔隙度疊加

式中，φ為計(jì)算的有效孔隙度；φΔt為聲波時(shí)差計(jì)算孔隙度；φden為密度計(jì)算孔隙度；α、β、γ為加權(quán)系數(shù)。

3.3 泥質(zhì)含量模型確定

鑒于火山碎屑復(fù)成分礫巖的自然伽馬放射性大小一部分來(lái)自泥質(zhì)含量，一部分來(lái)源于巖石本身，所以泥質(zhì)含量計(jì)算模型選用測(cè)井曲線組合法[7]。

式中，Vsh1為自然伽馬求取泥質(zhì)含量，%；IGR為自然伽馬相對(duì)值；Vsh2為中子密度求取泥質(zhì)含量，%；Vsh為計(jì)算的總泥質(zhì)含量。

4 結(jié) 論

（1）從砂質(zhì)復(fù)成分礫巖→過(guò)渡復(fù)成分礫巖→凝灰質(zhì)（高伽馬）復(fù)成分礫巖礫石的成分、分選、磨圓情況可知礫巖實(shí)質(zhì)均為近物源、快速沉積的火山碎屑復(fù)成分礫巖，其測(cè)井曲線特征繼承了其礫石的母巖特征。

（2）砂質(zhì)復(fù)成分礫巖→過(guò)渡復(fù)成分礫巖→凝灰質(zhì)（高伽馬）復(fù)成分礫巖的放射性逐漸增加與巖石中所含黏土類(lèi)型及其含量相關(guān)性小，主要是其所含礫石母巖中基性火山碎屑巖減少，酸性火山碎屑巖含量增加導(dǎo)致U和Th含量增加所致，與具有低放射性造礦氧化物含量減少有關(guān)。

（3）砂質(zhì)復(fù)成分礫巖→過(guò)渡復(fù)成分礫巖→凝灰質(zhì)（高伽馬）復(fù)成分礫巖的中子響應(yīng)值逐漸變小，與巖石中含有大量結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水的礦物含量關(guān)系較小，主要原因是巖石中大中子俘獲截面稀有元素和大中子俘獲截面造礦氧化物的含量逐漸減少所致。

（4）3種復(fù)成分礫巖測(cè)井參數(shù)影響因素的分析，可為下一步儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中測(cè)井巖石骨架參數(shù)確定、孔隙度模型確定、泥質(zhì)含量模型確定奠定良好基礎(chǔ)。

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