基于地層組分分析的火山巖巖性識(shí)別

張兆輝，高楚橋

（1中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州730020；2長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北荊州434023）

基于地層組分分析的火山巖巖性識(shí)別

張兆輝1，高楚橋2

（1中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州730020；2長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北荊州434023）

在物性分析資料和薄片觀察的基礎(chǔ)上，確定主要地層組分的常規(guī)測(cè)井響應(yīng)值和ECS測(cè)井元素含量響應(yīng)值。根據(jù)地層組分分析模型，建立了密度、聲波、中子、自然伽馬以及鋁、硅、鈣、鐵元素含量的測(cè)井響應(yīng)方程。計(jì)算了7種主要地層組分（包括巖石骨架、流體）的相對(duì)體積含量，并據(jù)此識(shí)別火山巖巖性。利用自主研發(fā)的測(cè)井資料處理解釋軟件，對(duì)三塘湖盆地A區(qū)火山巖進(jìn)行巖性測(cè)井識(shí)別。識(shí)別結(jié)論與薄片觀察結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，表明巖性識(shí)別效果好，提高了識(shí)別準(zhǔn)確率。該方法可為其他地區(qū)火山巖、甚至碳酸鹽巖等復(fù)雜巖性儲(chǔ)集層的巖性識(shí)別提供一定的參考和借鑒，提出了ECS測(cè)井資料的應(yīng)用新手段。

測(cè)井解釋；地層組分；巖性識(shí)別；火山巖；物性分析；測(cè)井響應(yīng)

0 引 言

火山巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確確定巖性，主要有多參數(shù)交會(huì)圖法、成像測(cè)井識(shí)別法、元素俘獲譜測(cè)井（ECS）識(shí)別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、對(duì)應(yīng)分析識(shí)別法、偶極聲波測(cè)井、地震反射法、巖石強(qiáng)度參數(shù)識(shí)別法等［1－12］。本文以三塘湖盆地火山巖為例，充分利用常規(guī)測(cè)井信息，結(jié)合ECS測(cè)井資料，采用地層組分分析原理［13］，通過(guò)最優(yōu)化方法［14－16］計(jì)算出火山巖巖性成分含量，識(shí)別火山巖巖性。

1 建立模型及響應(yīng)方程

用現(xiàn)有的有限測(cè)井信息正確反演出組成地層的全部組分是不可能的，因此需要合理簡(jiǎn)化地層組分。

（1）把地層中物理性質(zhì)相近的組分看成是同種組分。例如可把綠泥石、伊利石和其他黏土礦物統(tǒng)稱為泥質(zhì)。

（2）把地層中一些含量很小的組分合并到性質(zhì)與之相近的組分之中。例如當(dāng)砂巖中含有少量長(zhǎng)石時(shí)，可將長(zhǎng)石合并到石英中去，認(rèn)為該砂巖就是純石英砂巖。

對(duì)巖性不十分復(fù)雜的儲(chǔ)集層，允許運(yùn)用上述簡(jiǎn)化處理方法，簡(jiǎn)化后的物理模型中有效孔隙度包含不動(dòng)油、可動(dòng)油、自由水、束縛水、天然氣等組分相對(duì)體積，但根據(jù)研究目的需要可做進(jìn)一步簡(jiǎn)化。對(duì)三塘湖盆地火山巖巖性識(shí)別的研究?jī)H考慮了不動(dòng)油、可動(dòng)油、自由水、天然氣相對(duì)體積的影響。

根據(jù)這一物理模型，可寫出各種測(cè)井（包括ECS測(cè)井元素含量）響應(yīng)方程，例如密度測(cè)井響應(yīng)方程為

式中，ρor、ρom、ρfw、ρgas、ρsh、ρma1，ρma2，…，ρmak分別表示地層中不動(dòng)油、可動(dòng)油、自由水、天然氣、泥質(zhì)、巖性骨架（1～k種）組分的體積密度值。

同理可寫出其他測(cè)井響應(yīng)方程，用通式表示為

當(dāng)m＜n時(shí)，方程組有多個(gè)解，無(wú)實(shí)際意義；當(dāng)m＝n時(shí)，以上方程組有唯一解，但是，為了充分利用測(cè)井信息，提高測(cè)井解釋的可靠性，一般情況下m＞n，此時(shí)方程組為超定線性方程組，它具有1個(gè)最優(yōu)解。但可能出現(xiàn)xi＜0或xi＞1的現(xiàn)象，這種結(jié)果在地質(zhì)上是不存在的或無(wú)意義的。因此需要加入約束條件

式中，xi為第i種組分的相對(duì)含量。這些組分是不動(dòng)油、可動(dòng)油、自由水、天然氣、泥質(zhì)以及各種巖石骨架礦物；xmax，i為第i種組分的最大相對(duì)含量；Aij為第i種組分對(duì)第j種儀器的響應(yīng)值；Bj為第j種儀器的測(cè)井值。

由線性最小二乘原理求解這一約束線性方程組的問(wèn)題可轉(zhuǎn)換成以下求極值問(wèn)題

不同測(cè)井值量綱不一樣，測(cè)量值大小的差別也很大，在實(shí)際計(jì)算中需要將式（4）目標(biāo)函數(shù)的系數(shù)A及B進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以便使各種儀器的A和B值都成為無(wú)量綱的數(shù)，并在同一數(shù)量級(jí)上，這樣可使得各種測(cè)井方法對(duì)最終結(jié)果具有相同的貢獻(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)化處理方法是將方程的兩邊同時(shí)除以系數(shù)，該系數(shù)除具有標(biāo)準(zhǔn)化作用外，還具有權(quán)系數(shù)的作用，質(zhì)量差的測(cè)井曲線賦予低權(quán)系數(shù)，質(zhì)量好的測(cè)井曲線賦予高權(quán)系數(shù)。

2 地層組分測(cè)井響應(yīng)參數(shù)的確定

從式（4）可見(jiàn)，Aij（地層組分測(cè)井響應(yīng)參數(shù)）的確定是求解的關(guān)鍵，目前其確定方法主要有理論計(jì)算法和物性資料法。實(shí)踐證明，各種流體組分的測(cè)井響應(yīng)參數(shù)通過(guò)理論計(jì)算法就可準(zhǔn)確確定［17］。巖石骨架組分（特別是火山巖）巖性極其復(fù)雜且變化很大，不宜用理論計(jì)算法，該區(qū)采用物性資料法求取巖石骨架測(cè)井響應(yīng)參數(shù)。

圖1 玄武巖孔隙度與DEN、CNL、AC交會(huì)圖

分析發(fā)現(xiàn)，該區(qū)火山巖巖性主要有玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、輝綠巖，物性資料表現(xiàn)為常規(guī)測(cè)井值DEN、CNL、AC與孔隙度具有較高的相關(guān)性，可與孔隙度資料建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步較為精確地求得對(duì)應(yīng)骨架參數(shù)；而GR值受孔隙度影響小，可以直接由測(cè)井曲線確定。因此，基于巖心常規(guī)分析報(bào)告，獲取其中典型火成巖的深度、巖性、孔隙度、密度等資料，在測(cè)井資料中對(duì)應(yīng)深度讀取DEN、CNL、AC等值，以孔隙度為X軸，分別以DEN、CNL、AC為Y軸，建立DEN、CNL、AC與孔隙度的線性相關(guān)關(guān)系及趨勢(shì)線，趨勢(shì)線延長(zhǎng)線與Y軸交點(diǎn)即為相應(yīng)骨架參數(shù)。圖1為玄武巖孔隙度與DEN、CNL、AC交會(huì)圖?？梢?jiàn)孔隙度與DEN、CNL、AC具有較好的趨勢(shì)變化關(guān)系，由于AC主要反映基質(zhì)孔隙度，而不反映裂縫，因此其測(cè)井響應(yīng)變化范圍較小，表現(xiàn)在交會(huì)圖上則是與孔隙度相關(guān)性不高，但這不影響玄武巖骨架聲波值的確定。因此確定出玄武巖DEN、CNL、AC骨架值分別為2.638g／cm3、0.121 μs／ft＊＊非法定計(jì)量單位，1ft＝12in＝0.304 8m，下同、63.35μs／ft。同理可確定出安山巖、輝綠巖、凝灰?guī)r等骨架值（見(jiàn)表1）。

ECS主要元素測(cè)井響應(yīng)值的確定方法是依次根據(jù)各井的巖石薄片分析資料找出各種火成巖在井中的分布層段，然后依照巖性的不同統(tǒng)計(jì)出各種巖性測(cè)井平均值作為ECS骨架測(cè)井響應(yīng)值（見(jiàn)表1）。

3 應(yīng)用效果及實(shí)例

利用上述方法對(duì)三塘湖盆地A區(qū)5口井（有常規(guī)測(cè)井資料、ECS測(cè)井資料）進(jìn)行巖性成分定量計(jì)算，并劃分巖性。圖2為某井部分井段處理成果圖。從圖2中可見(jiàn)，利用本文提出方法的處理結(jié)果與巖性錄井剖面、薄片觀察結(jié)果吻合率較高，但也有部分井段（如1 556～1 566m井段）處理結(jié)果與巖性錄井剖面差異較大。通過(guò)與可信度較高的薄片觀察結(jié)果對(duì)比分析認(rèn)為，測(cè)井計(jì)算的巖性剖面較錄井剖面可信。表2為薄片觀察結(jié)果與火山巖成分含量計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，巖性識(shí)別準(zhǔn)確率較高，認(rèn)為火成巖巖性成分含量的計(jì)算結(jié)果較可靠，在研究區(qū)取得了較好應(yīng)用效果，證實(shí)本文方法的可行性。

表1 研究區(qū)火山巖地層組分測(cè)井響應(yīng)值

圖2 ×19井測(cè)井處理成果圖

表2 測(cè)井計(jì)算巖性組分含量與薄片分析結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié) 論

（1）基于地層組分分析模型和最優(yōu)化理論，綜合利用常規(guī)測(cè)井資料、ECS測(cè)井資料，通過(guò)定量計(jì)算巖性骨架組分含量的方法識(shí)別火成巖巖性，為ECS測(cè)井資料的充分利用和火山巖巖性識(shí)別提供了新的方法和手段。

（2）本文方法在三塘湖盆地A區(qū)的應(yīng)用中效果顯著，提高了巖性識(shí)別準(zhǔn)確率，為其他地區(qū)火山巖、甚至碳酸鹽巖等復(fù)雜巖性儲(chǔ)集層的巖性識(shí)別提供一定的參考和借鑒。

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Identification of Igneous Rock Lithology by Analyzing Components of Stratum

ZHANG Zhaohui1，GAO Chuqiao2
（1.Northwest Branch，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Lanzhou，Gansu 730020，China；2.Geophysics and Oil Resource Institute，Yangtze University，Jingzhou，Hubei 434023，China）

On the basis of physical property data and rock sections，identified are the conventional logging responses and elements content responses about the main components of stratum.According to the group stratum model，deduced are the logging response equations of density，acoustic travel time，apparent neutron，gamma ray and aluminum，silicon，calcium and iron.The relative volume content of 7stratum components（including the rock matrix and fluid）is calculated，so as to identify the igneous rock lithology with logging data.The log data of igneous sections in Santanghu basin are processed using the software developed by ourselves.The identifying result is contrasted with the rock sections，and the accuracy of lithology identification is greatly improved.Not only the method provides some reference for lithology identification of other igneous rocks and carbonates，but also provides new means for using ECS logging data.

log interpretation，stratum component，lithology identification，igneous rock，physical property analysis，log response

P631.84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2011－05－13 本文編輯 王小寧）

國(guó)家科技重大專項(xiàng)子課題（編號(hào)：2011ZX05031－003－006HZ）資助；西南石油大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（編號(hào)：GIFSS1101）資助

司馬立強(qiáng)，男，1961年生，教授，博士生導(dǎo)師，從事油氣田測(cè)井方法、測(cè)井解釋、測(cè)井地質(zhì)應(yīng)用的科研與教學(xué)工作。