基于測(cè)井資料的陸相頁巖層系巖性識(shí)別方法

程　昊

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

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基于測(cè)井資料的陸相頁巖層系巖性識(shí)別方法

程昊

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

[摘要]陸相頁巖層系巖性復(fù)雜，使用常規(guī)的測(cè)井巖性識(shí)別方法難以有效區(qū)分。因此尋找一種有效的針對(duì)不同巖性的識(shí)別方法尤為重要。通過分析陸相頁巖層系不同巖性類型測(cè)井響應(yīng)特征，統(tǒng)計(jì)出不同巖性的測(cè)井響應(yīng)分布區(qū)間，研究不同巖性測(cè)井響應(yīng)的差異，在明確不同巖性響應(yīng)特征基礎(chǔ)上，采用因子分析法，降低數(shù)據(jù)分析維度，提取對(duì)巖性敏感的測(cè)井參數(shù)，使用測(cè)井反演的方法矯正薄層及圍巖效應(yīng)對(duì)測(cè)井真實(shí)值的影響，運(yùn)用K-Means聚類分析法對(duì)頁巖層系的巖性進(jìn)行識(shí)別。與實(shí)際巖心對(duì)比表明，該方法能夠有效識(shí)別頁巖層系復(fù)雜巖性類型，準(zhǔn)確性較好。

[關(guān)鍵詞]陸相；頁巖層系；巖性；測(cè)井識(shí)別

以美國為代表的北美頁巖氣勘探區(qū)主要為海相地層，沉積環(huán)境穩(wěn)定，巖性相對(duì)均一，但從已公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看；其中也不乏的砂質(zhì)夾層、砂質(zhì)紋層的發(fā)育；而研究者又恰恰沒有重視這方面的現(xiàn)象，而把過多的精力集中于巖相的劃分[1-5]。鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段陸相沉積，沉積環(huán)境多變，頁巖層系發(fā)育有多種巖性，具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，除了存在有頁巖之外，還發(fā)育著粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖。這些不同的巖性，厚度不等，巖性變化快，不同程度地增加了儲(chǔ)層巖性的復(fù)雜程度，使得陸相頁巖層系的巖性遠(yuǎn)復(fù)雜于海相[6-11]。巖性不同，意味著其礦物成分、有機(jī)質(zhì)含量、脆性指數(shù)等有關(guān)參數(shù)的差異，這些參數(shù)對(duì)后期頁巖氣有利區(qū)預(yù)測(cè)及資源量的計(jì)算都有至關(guān)重要的作用。因此準(zhǔn)確識(shí)別巖性，明確頁巖層系內(nèi)不同巖性的空間展布，對(duì)于頁巖氣勘探意義重大。

1陸相頁巖層系的測(cè)井響應(yīng)特征

1.1自然伽馬測(cè)井響應(yīng)

巖石的放射性主要是由于泥質(zhì)吸附放射性物質(zhì)而產(chǎn)生，還受有機(jī)質(zhì)及放射性物質(zhì)的影響。頁巖除了含有泥質(zhì)吸附產(chǎn)生放射性外，由于其含有大量的有機(jī)質(zhì)，有機(jī)質(zhì)對(duì)放射性物質(zhì)的吸附使得放射性進(jìn)一步增大。因此，頁巖通常具有較高的自然伽馬，而粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖由于泥質(zhì)含量的減少自然伽馬放射性逐漸降低，其中頁巖的自然伽馬值絕大多數(shù)在140 ApI以上，其它巖性相比于頁巖均有所降低，粉砂巖自然伽馬值最低，砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖的響應(yīng)值介于上述巖性之間(圖1A)。

1.2聲波測(cè)井響應(yīng)特征

在巖石骨架一致的情況下，巖石的聲波時(shí)差主要受到流體成分、有機(jī)質(zhì)含量等影響。頁巖中有機(jī)質(zhì)含量高、又含有天然氣，使得頁巖聲波測(cè)井表現(xiàn)出高值。相比于頁巖，粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)頁巖則主要受礦物成分和巖石本身的致密程度表現(xiàn)出不同的聲波時(shí)差值。在響應(yīng)值上，頁巖的聲波時(shí)差響應(yīng)值主要在240～280 us/m之間，遠(yuǎn)高于其它巖性，砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖則呈現(xiàn)出依次降低的趨勢(shì)(圖1B)。

1.3中子測(cè)井響應(yīng)

富含有機(jī)質(zhì)的地層中的含氫量高，因此對(duì)快中子減速能力強(qiáng)，因此在頁巖層系內(nèi)頁巖顯示為高中子孔隙度。受地層巖性、流體性質(zhì)影響較大發(fā)育在頁巖中的砂質(zhì)頁巖繼承了頁巖的中子響應(yīng)特征；粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖中子測(cè)井響應(yīng)值整體上較小，由巖性由泥質(zhì)粉砂巖向粉砂巖變化，中子響應(yīng)值并無明顯的變化，從其中子測(cè)井響應(yīng)值上可以看出，兩者幾乎位于同一數(shù)值變化范圍內(nèi)(圖1C)。

1.4密度測(cè)井響應(yīng)特征

由于其礦物組成、流體含量有機(jī)質(zhì)等差異，不同巖性在密度測(cè)井曲線上表現(xiàn)為不同的響應(yīng)特征。頁巖中富含有機(jī)質(zhì)，其密度低于其他巖層，在密度測(cè)井曲線上顯示為低異常；而粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等石英長石含量較多，密度表現(xiàn)出較高值的特征。從統(tǒng)計(jì)的不同巖性密度測(cè)井響應(yīng)值分布區(qū)間來看頁巖密度較低，粉砂巖密度最大，泥質(zhì)粉沙巖、砂質(zhì)頁巖的密度響應(yīng)值介于兩者之間，密度響應(yīng)值存在著較大的重疊(圖1D)。

1.5電阻率測(cè)井響應(yīng)

電阻率測(cè)井曲線的變化是多種因素綜合的結(jié)果，而且由于其所含的礦物成分、孔隙大小、流體性質(zhì)以及含油氣多少的差異，電阻率表現(xiàn)出不同的變化特征。頁巖有機(jī)質(zhì)含量高，而有機(jī)質(zhì)導(dǎo)電性差，因此頁巖的電阻率呈現(xiàn)高值的特征。相對(duì)于頁巖，粉砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖等電阻率整體較小。電阻率測(cè)井曲線能夠分辨出頁巖外，對(duì)于砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂巖，在電阻率曲線上幾乎無法區(qū)分(圖1E)。

1.6光電吸收截面指數(shù)

光電吸收界面指數(shù)與構(gòu)成地層的礦物有著密切的關(guān)系。石英、長石等PE值較小，伊利石、綠泥石等粘土礦物具有較高的PE值。頁巖層系的主要礦物成分為石英長石以及粘土礦物；由于頁巖中粘土礦物占有主要優(yōu)勢(shì)，因此PE值為高值，而砂質(zhì)頁巖略微有所降低；泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖由于粘土礦物含量減小以及石英長石等的增加，PE值逐相對(duì)較小。光電吸收截面指數(shù)值分布特征表明，不同巖性的光電吸收截面指數(shù)分布區(qū)間重疊程度較大(圖1F)。

圖1　長7段頁巖層系不同巖性測(cè)井響應(yīng)值統(tǒng)計(jì)

2頁巖層系巖性識(shí)別方法

由頁巖到粉砂巖，隨著巖性的演變，不同測(cè)井變量并沒有呈現(xiàn)出與之對(duì)應(yīng)線性變化關(guān)系。因此，簡單的使用常規(guī)方法(交會(huì)圖、重疊圖)進(jìn)行巖性幾乎不可能同時(shí)區(qū)分出如此復(fù)雜巖性[12-13]。而且受巖性厚度變化以及圍巖測(cè)井響應(yīng)值的影響，薄層的測(cè)井響應(yīng)值并不是其真實(shí)值。為此，基于巖石測(cè)井響應(yīng)為基礎(chǔ)，采用因子分析方法，降低數(shù)據(jù)分析維度，優(yōu)選出對(duì)巖性敏感的測(cè)井參數(shù)，應(yīng)用非線性測(cè)井反演方法，矯正圍巖效應(yīng)的影響，使用K-means聚類分析的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖性的快速準(zhǔn)確識(shí)別。

非線性反演是美國學(xué)者Heidari等2011年提出并成功用于地層評(píng)價(jià)的一種有效的方法。該方法通過分析地層中的骨架成分的組成，采用數(shù)值模擬的方法，分別計(jì)算地層在不同厚度條件下的測(cè)井響應(yīng)值，分析不同厚度圍巖、薄層之間的相互影響，通過模擬不同條件下實(shí)測(cè)值與模擬值之間的差異，以矯正由于圍巖效應(yīng)對(duì)薄層的影響。

因子分析假設(shè)一組多元數(shù)據(jù)與控制因素的關(guān)系，通過量化各個(gè)測(cè)井參數(shù)之間的協(xié)方差，分析可能被同一個(gè)因素影響的參數(shù)，給出不同參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。受同一因素影響的變量，在因子分析變量圖中，分布在相近或者相同的區(qū)域。通過預(yù)測(cè)各測(cè)井參數(shù)重疊性，找出這些參數(shù)相互之間的重疊部分，分析這些重疊部分所反映巖石的共同特征，達(dá)到減少分析數(shù)據(jù)的維度及數(shù)量。

聚類分析是基于統(tǒng)計(jì)理念數(shù)據(jù)集的分類方法，尤其是K-means聚類分析法廣泛應(yīng)用于具有相似屬性特征分類，該方法旨在定量化獲得大量數(shù)據(jù)點(diǎn)N維空間特征，通過探索大量數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)從而避免了研究多維變量。在實(shí)際應(yīng)用具體類型的劃分類應(yīng)基于研究區(qū)目的層段地質(zhì)背景。主要原理是基于具有相同或者相似屬性的樣品會(huì)落入同一片區(qū)域，然后根據(jù)樣品點(diǎn)之間的距離，最終劃分出不同的類型。

采用因子分析方法，優(yōu)選出巖性識(shí)別的敏感曲線，應(yīng)用測(cè)井反演的方法，矯正薄層及圍巖效應(yīng)對(duì)測(cè)井曲線真實(shí)值的影響，使用K-Means聚類分析對(duì)B井進(jìn)行了巖性識(shí)別。從變量在因子分析結(jié)果圖(圖2)的分布區(qū)域來看，主要分為三組。自然伽馬和電阻率反映地層有機(jī)質(zhì)、泥質(zhì)含量；聲波時(shí)差、補(bǔ)償中子反映巖石孔隙空間；光電吸收截面指數(shù)、密度反映巖石骨架成分。根據(jù)變量對(duì)巖性的分辨程度(見圖1)，最終挑選出聲波時(shí)差、自然伽馬、密度作為巖性識(shí)別的參數(shù)。

圖2　A井因子分析結(jié)果

巖心觀察可知，該層段主要發(fā)育有四種巖性，因此，聚類分析中的類型設(shè)置為4類。圖3為應(yīng)用因子分析法優(yōu)選出的對(duì)巖性區(qū)分敏感的測(cè)井參數(shù)，經(jīng)過測(cè)井反演之后，使用K-Means聚類分析法識(shí)別的不同巖性的測(cè)井響應(yīng)值分布區(qū)間。其中，黃色樣品點(diǎn)具有非常高的自然伽馬、聲波時(shí)差以及低密度的特征，與頁巖測(cè)井響應(yīng)特征對(duì)應(yīng)；藍(lán)色樣品點(diǎn)的自然伽馬、聲波時(shí)差略小于黃色樣品點(diǎn)，巖性類型為砂質(zhì)頁巖；紅色樣品點(diǎn)具有非常高的密度值，聲波時(shí)差、自然伽馬明顯低于其他類型，為粉砂巖；綠色樣品點(diǎn)則為泥質(zhì)粉砂巖。將上述識(shí)別結(jié)果與實(shí)測(cè)巖心進(jìn)行對(duì)照分析表明(圖4)，采用該方法識(shí)別出的巖性類型與實(shí)際巖心巖性信息較為一致。

圖3　A井聚類分析后各類型的聲波、自然伽馬、密度交會(huì)圖

圖4　A井巖性識(shí)別結(jié)果與巖心對(duì)比圖

3結(jié)語

(1)陸相頁巖層系巖性類型復(fù)雜，發(fā)育有頁巖、砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂巖，頁巖表現(xiàn)出高自然伽馬、高聲波時(shí)差、高電阻率、光電吸收截面指數(shù)、高中子以及低密度測(cè)井響應(yīng)特征，砂質(zhì)頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖的測(cè)井響應(yīng)幅度相對(duì)較小，不同巖性測(cè)井響應(yīng)特征存在著較大的重疊。

(2)采用因子分析法，優(yōu)選出對(duì)巖性敏感的測(cè)井參數(shù)，運(yùn)用測(cè)井反演的方法矯正薄層及圍巖效應(yīng)對(duì)地層真實(shí)響應(yīng)值的影響，使用K-Means聚類分析法，對(duì)頁巖層系巖性進(jìn)行了識(shí)別，與實(shí)際巖心對(duì)比表明，該方法在頁巖層系巖性識(shí)別中效果較好。

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[中圖分類號(hào)]P619.22+7

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)02-0111-03

[作者簡介]程昊(1991-)，男，陜西商州人，在讀碩士研究生，主攻方向：測(cè)井資料處理與解釋。

[收稿日期]2015-03-14