塔南凹陷復(fù)雜巖性低滲透儲(chǔ)層測(cè)井巖性識(shí)別

張憲國(guó) ，張 濤，林承焰，于景鋒

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島266580

2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590

3.中國(guó)石油新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依834000

引 言

近年來，低滲透油藏在中國(guó)新增原油儲(chǔ)量和產(chǎn)量中所占比例越來越大，已成為油藏地質(zhì)研究的熱點(diǎn)，作為低滲透儲(chǔ)層中的一種重要類型，復(fù)雜巖性低滲透儲(chǔ)層的研究越來越受到重視[1-5]。海塔盆地白堊系火山碎屑與正常陸源碎屑同時(shí)沉積，地層凝灰質(zhì)含量高，儲(chǔ)層物性差，屬于典型的復(fù)雜巖性低滲透儲(chǔ)層，巖性識(shí)別是該區(qū)復(fù)雜巖性低滲透儲(chǔ)層研究的關(guān)鍵問題和難點(diǎn)[6-9]，探索有效的測(cè)井巖性識(shí)別方法對(duì)研究區(qū)低滲透油藏開發(fā)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

塔南凹陷位于呼倫貝爾高原，屬于蒙古國(guó)東部東方省，北鄰中國(guó)海拉爾盆地，是塔木察格盆地的4 個(gè)主要生油凹陷之一。塔南凹陷由3 個(gè)半地塹組成，具有東斷西超的復(fù)雜箕狀斷陷結(jié)構(gòu)，發(fā)育4 個(gè)北東走向的構(gòu)造帶，呈現(xiàn)出“三凹兩隆一斜坡，凹隆相間”的構(gòu)造格局。基底之上依次發(fā)育下白堊統(tǒng)銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組和上白堊統(tǒng)青元崗組以及第三系和第四系[6-7]。

下白堊統(tǒng)銅缽廟組物源主要來自西部斜坡、南部以及東部陡坡帶，以大套粗碎屑的扇三角洲沉積為主，湖相范圍較小[7，10]。晚侏羅世—早白堊世，研究區(qū)火山活動(dòng)活躍，同時(shí)，早白堊世經(jīng)歷持續(xù)斷陷，為沉積物的堆積提供了足夠的可容空間，造成正常陸源碎屑與火山碎屑物質(zhì)同時(shí)沉積，使得研究區(qū)巖性復(fù)雜。銅缽廟組發(fā)育4 類巖性，包括火山碎屑巖、沉火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖和沉積巖[11]。

研究區(qū)巖性復(fù)雜、巖屑含量高以及火山碎屑影響下的復(fù)雜成巖作用，導(dǎo)致儲(chǔ)層的儲(chǔ)集和滲流性能差，孔滲關(guān)系復(fù)雜，儲(chǔ)層孔隙度5.0%～20.0%，平均11.2%，滲透率0.01～10.00 mD，為低孔、低滲—特低滲儲(chǔ)層。

塔南凹陷白堊系測(cè)井巖性識(shí)別的難點(diǎn)有兩方面，一方面，巖性、電性間的對(duì)比度低，屬于典型的測(cè)井低對(duì)比度儲(chǔ)層，不同巖性的電測(cè)響應(yīng)差異?。涣硪环矫?，不同來源資料的精度差異影響巖性解釋結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對(duì)比性，如研究區(qū)W24 井在2060.79 m 處巖石薄片分析巖性為沉凝灰?guī)r，而巖芯觀察描述確定的巖性為凝灰質(zhì)粉砂巖，這是由于薄片分析受到樣品位置和觀察視域小的限制。

2 儲(chǔ)層巖性特征

研究區(qū)白堊系巖性復(fù)雜，主要發(fā)育4 類巖性（火山碎屑巖、沉火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖和沉積巖），古地貌差異、古構(gòu)造演化及其控制下的沉積環(huán)境變化造成這四類巖性在平面和垂向上分布存在差異。根據(jù)研究區(qū)油氣儲(chǔ)層研究的需要，以巖心分析資料為依據(jù)，將銅缽廟組（K1t）4 大類巖性進(jìn)一步細(xì)分為7 種類型，除作為非儲(chǔ)層的泥巖外，銅缽廟組還發(fā)育凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖和礫巖，其中前4 種巖性為儲(chǔ)層主要巖性類型（圖1）。

圖1 研究區(qū)白堊系銅缽廟組儲(chǔ)層巖性分布Fig.1 Reservoir lithology types of Tongbomiao Formation in study area

薄片分析顯示，銅缽廟組砂巖主要為巖屑砂巖，其次為長(zhǎng)石巖屑砂巖，巖石成分成熟度較低，顆粒成分以巖屑為主，巖屑含量最高為顆粒的70.0%，最低為5.0%，平均為46.0%，巖屑組成中以巖漿巖巖屑為主，平均可達(dá)34.0%；長(zhǎng)石含量次之，長(zhǎng)石含量最高為54.0%，最低為4.0%，平均為32.0%，石英在顆粒中的含量為5.0%～41.0%，平均為21.9%。

研究區(qū)不同巖性儲(chǔ)層的測(cè)井響應(yīng)特征統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同巖性具有不同的測(cè)井曲線形態(tài)組合特征（圖2）。 凝灰?guī)r的測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為高伽馬、高密度、低中子、低聲波時(shí)差，其中伽馬值的高低取決于外來巖屑物質(zhì)的含量。沉凝灰?guī)r的測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為自然電位有幅度差、高伽馬、中—低中子、高密度、自然伽馬和微球型聚焦電阻率曲線呈鋸齒狀，造成聲波時(shí)差無響應(yīng)的主要原因是后期蝕變作用使得原生孔隙基本消失，同時(shí)沉凝灰?guī)r儲(chǔ)層受礦物成分及含量、后期成巖作用的影響，巖石學(xué)特征和測(cè)井響應(yīng)特征具有較強(qiáng)的區(qū)域性。凝灰?guī)r和沉凝灰?guī)r在測(cè)井曲線組合形態(tài)上具有“右同向”特征。凝灰質(zhì)礫巖表現(xiàn)為高伽馬、中—高密度、低中子。凝灰質(zhì)砂巖表現(xiàn)為高伽馬、低中子，凝灰質(zhì)礫巖、凝灰質(zhì)砂巖在測(cè)井曲線組合形態(tài)上具有“反向”特征。礫巖測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為自然伽馬、電阻率曲線呈大段穩(wěn)定箱狀，具有低伽馬、高電阻率特征，因雜基含量及孔隙結(jié)構(gòu)的影響造成三孔隙度曲線數(shù)值變化范圍大，非均質(zhì)性明顯。砂巖測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為中—低伽馬、高中子、低密度、中等聲波時(shí)差，礫巖和砂巖在測(cè)井曲線組合形態(tài)上具有“左同向”特征。

圖2 不同巖石類型的測(cè)井曲線形態(tài)組合特征Fig.2 Characteristics of Well logs of different types of lithologies

研究區(qū)典型巖性地層的電性特征統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，同一巖性的測(cè)井曲線值變化范圍大，不同巖性間的測(cè)井曲線值又存在重疊（表1），巖性、電性間的測(cè)井區(qū)分度低。

從巖芯和測(cè)井信息的對(duì)比分析看，研究區(qū)巖性復(fù)雜，不同巖性地層的測(cè)井響應(yīng)差別小，單一測(cè)井曲線不能進(jìn)行巖性的有效區(qū)分。因此，在測(cè)井巖性識(shí)別中需要尋找一種有效的方法，既能減小同類巖性樣本點(diǎn)之間的綜合表征差異，又可以增大不同巖性間的測(cè)井響應(yīng)差異，提高對(duì)巖性反映的敏感性，這是開展研究區(qū)巖性測(cè)井識(shí)別的關(guān)鍵。根據(jù)上述需要，建立了基于Fisher 判別的測(cè)井巖性識(shí)別方法，實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)不同巖性的有效識(shí)別。

表1 不同巖性類型的電性特征統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic table for electrical characteristics of different lithologies

3 Fisher 判別分析原理

Fisher 判別分析法的基本思想就是投影，即將n維空間中的點(diǎn)投影到平面上，使其降為一維數(shù)值的線性函數(shù)。對(duì)于n 維空間中的一個(gè)點(diǎn)x =（x1，x2，x3，···，xn），尋找一個(gè)線性函數(shù)y(x)使它降為一維數(shù)組

式中：系數(shù)矩陣C =（C1，C2，···，Cn）T為投影矩陣。

然后應(yīng)用這個(gè)函數(shù)將n 維空間中的已知及未知的樣本點(diǎn)都變換為一維數(shù)組，進(jìn)而能最大程度地縮小同類里各樣品點(diǎn)間的差異，擴(kuò)大不同類之間的差異；最后，根據(jù)其間的親疏程度，判定未知?dú)w屬樣本點(diǎn)的歸屬[12-15]。

按照這一原理，選擇的線性函數(shù)y(x)應(yīng)在把n維空間中的所有點(diǎn)轉(zhuǎn)化為一維數(shù)值后最大限度地縮小同類中各樣本點(diǎn)的差異，同時(shí)最大限度地?cái)U(kuò)大不同類別樣本點(diǎn)的差異，以獲得較高的判別效率。

首先，定義Wilks 統(tǒng)計(jì)量U

式中：T =W+B；|W|—數(shù)組內(nèi)離差陣W 的行列式；T—樣本數(shù)據(jù)的總離差陣；B—組間離差陣。

投影向量C 滿足如下數(shù)學(xué)模型

式中：λ—特征值。

求得滿足上式的最大特征值λ0所對(duì)應(yīng)的特征向量C0，從而據(jù)式（1）求取滿足需要的線性函數(shù)y(x)。

4 基于Fisher 判別分析的測(cè)井巖性識(shí)別

按照上述原理，首先確定研究區(qū)巖性類型的種類，建立各種巖性的測(cè)井參數(shù)數(shù)據(jù)庫，優(yōu)選曲線作為判別分析的樣本。利用研究區(qū)取芯井的巖芯觀察描述和薄片分析資料，建立了塔南凹陷銅缽廟組7種巖性樣本數(shù)據(jù)庫（689 個(gè)樣品）。對(duì)7 類巖性樣本進(jìn)行賦值，其中1 代表沉凝灰?guī)r（樣品數(shù)128 個(gè)），2代表砂巖（樣品數(shù)29 個(gè)），包括粗砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖，3 代表礫巖（樣品數(shù)49 個(gè)），包括礫巖、砂礫巖，4 代表泥巖（樣品數(shù)16 個(gè)），5 代表凝灰?guī)r（樣品數(shù)313 個(gè)），6 代表凝灰質(zhì)砂巖（樣品數(shù)88 個(gè)），包括凝灰質(zhì)粗砂巖、凝灰質(zhì)中砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖，7 代表凝灰質(zhì)礫巖，包括純的凝灰質(zhì)礫巖和凝灰質(zhì)砂礫巖（樣品數(shù)66 個(gè)）。

在此基礎(chǔ)上建立典則函數(shù)，根據(jù)建立的不同巖性測(cè)井響應(yīng)數(shù)據(jù)庫及不同巖性的測(cè)井響應(yīng)特征（表1），選擇與巖性相關(guān)的自然伽馬、補(bǔ)償中子、密度和聲波時(shí)差4 條測(cè)井曲線，構(gòu)造4 類測(cè)井參數(shù)向量矩陣X4=[x1，x2，x3，x4]T。

根據(jù)Fisher 判別原理，求解能將不同巖性最大限度分開的特征值。通過計(jì)算，可以得出研究區(qū)4個(gè)典則函數(shù)（式（4）～式（7））。從各個(gè)典則函數(shù)特征值的貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出（表2），第1 典則函數(shù)和第2 典則函數(shù)的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到89.09%，包含了大部分的巖性—測(cè)井信息，因此，選擇將第1 典則函數(shù)和第2 典則函數(shù)作為巖性判別的特征變量。

表2 典則函數(shù)特征值貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistic table for contribution rate of canonical functions′eigenvalues

第1 典則函數(shù)為

第2 典則函數(shù)為

第3 典則函數(shù)為

第4 典則函數(shù)為

利用選取的第1 典則函數(shù)和第2 典則函數(shù)進(jìn)行樣品交會(huì)分析，從交會(huì)圖上看（圖3），不同巖性點(diǎn)的分布區(qū)域界限明顯，不同巖性數(shù)據(jù)分布質(zhì)心分離顯著，不同巖性得到了有效的區(qū)分。

在典則函數(shù)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)Fisher 判別法的原理，利用選取的兩個(gè)典則函數(shù)建立研究區(qū)不同巖性的線性判別函數(shù)，用以識(shí)別研究區(qū)非取芯井段的巖性，為沉積相和儲(chǔ)層研究提供基礎(chǔ)。

將投影向量特征值函數(shù)寫成矩陣形式

式中：F(x)—典則函數(shù)，本文為選定的F1和F2組成的2×4 的系數(shù)矩陣；Xk— 第k 類巖性的樣本向量。本文建立了7 種巖性分類，因此，k ∈1，2，···，7，選取了4 種測(cè)井曲線，因此，X為n×4 的矩陣；CT—投影矩陣，其大小為2×n。

根據(jù)上面的分析，利用樣品的GR、CNL、DEN和DT 曲線值，由式7 通過求取投影矩陣CT即可建立7 種巖性的判別函數(shù)將某一深度點(diǎn)的4 種測(cè)井值（GR、CNL、DEN 和DT）分別代入上述7 個(gè)判別函數(shù)函數(shù)值最大者作為該點(diǎn)的巖性類型歸屬。

利用研究區(qū)樣品巖性數(shù)據(jù)庫中7 種巖性的689個(gè)樣品點(diǎn)對(duì)上述判別函數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)（表3），沉凝灰?guī)r預(yù)測(cè)正確率為97.66 %（128 個(gè)樣品點(diǎn)），砂巖預(yù)測(cè)正確率為96.55 %（29 個(gè)樣品點(diǎn)），礫巖預(yù)測(cè)正確率為97.96 %（49 個(gè)樣品點(diǎn)），泥巖預(yù)測(cè)正確率為87.5 %（16 個(gè)樣品點(diǎn)），凝灰?guī)r預(yù)測(cè)正確率為99.36%（336 個(gè)樣品點(diǎn)），凝灰質(zhì)砂巖預(yù)測(cè)正確率為97.73 %（88 個(gè)樣品點(diǎn)），凝灰質(zhì)砂巖預(yù)測(cè)正確率為96.97%（66 個(gè)樣品點(diǎn)），全部689 個(gè)樣品點(diǎn)的預(yù)測(cè)正確率為98.1%。上述高驗(yàn)證正確率說明建立的測(cè)井巖性判別函數(shù)是合理的，能夠滿足儲(chǔ)層研究的需要。

5 結(jié) 論

（1）塔南凹陷白堊系經(jīng)歷的火山活動(dòng)和持續(xù)沉降使得正常陸源碎屑和火山碎屑物質(zhì)同時(shí)沉積，銅缽廟組作為主要油氣儲(chǔ)層發(fā)育了4 大類巖性，包括火山碎屑巖類、沉火山碎屑巖類、火山碎屑沉積巖類和沉積巖類。儲(chǔ)層巖性復(fù)雜，物性差，巖性與電性的對(duì)比度低。

（2）根據(jù)油氣儲(chǔ)層研究的需要，將研究區(qū)4 大類巖性進(jìn)一步細(xì)分為7 種巖性類型，包括凝灰質(zhì)砂礫巖、凝灰質(zhì)砂巖、沉凝灰?guī)r、凝灰?guī)r、砂巖、礫巖和泥巖，其中前四種類型為主要的儲(chǔ)層巖性類型。

（3）建立了研究區(qū)7 類巖性類型的Fisher 判別函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了非取芯井的測(cè)井巖性識(shí)別，取芯段驗(yàn)證的巖性測(cè)井解釋正確率達(dá)到98.1%，解決了研究區(qū)復(fù)雜巖性低滲透油藏開發(fā)中的巖性識(shí)別難題。

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