古城地區(qū)碳酸鹽巖巖性及微相測井識別方法

張君龍， 汪愛云， 何香香

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712；2.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶 163412)

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古城地區(qū)碳酸鹽巖巖性及微相測井識別方法

張君龍1， 汪愛云2， 何香香1

(1.中國石油大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶 163712；2.中國石油大慶鉆探工程公司測井公司，黑龍江大慶 163412)

碳酸鹽巖沉積相系統(tǒng)刻畫及相關(guān)研究受到巖石樣品有限的制約，為了充分發(fā)揮測井曲線高分辨率、信息量豐富的優(yōu)勢，開展了古城地區(qū)碳酸鹽巖巖性及微相測井識別方法研究。在利用巖樣確定的微相類型對測井曲線進行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，依據(jù)常規(guī)測井參數(shù)與碳酸鹽巖巖性、微相的響應(yīng)關(guān)系，優(yōu)選出DEN、DT、PE和U、Th、K等敏感測井曲線，進行新的參數(shù)組合，建立了巖性識別及微相識別圖版，符合率分別為85.4%和81.4%。另外，建立函數(shù)關(guān)系將各微相類型按照沉積能量進行量化分類，并給出微相能量參數(shù)曲線。該方法識別出的微相及其能量參數(shù)曲線在相帶及沉積旋回的空間劃分對比的應(yīng)用中，符合典型碳酸鹽巖沉積模式中的相序組合及沉積能量分布特征，與巖石薄片典型相標(biāo)志所確定的沉積相帶一致。該識別方法的應(yīng)用效果較好，可以作為沉積相精細研究的重要補充手段。

碳酸鹽巖；巖性；微相；測井識別；古城地區(qū)

碳酸鹽巖微相識別分析是研究碳酸鹽巖沉積相類型及沉積旋回的基礎(chǔ)[1]，對分析碳酸鹽巖儲層發(fā)育條件具有重要意義[2]。巖心、井壁取心等巖石樣品中的巖性、組構(gòu)薄片鑒定是碳酸鹽巖微相研究的基本手段。未取心井段雖可通過巖屑取樣鑒定作為補充，但巖屑篩選、制片后的鑒定難度大、效率低，且?guī)r屑存在混樣現(xiàn)象，影響了沉積相標(biāo)志的識別，相關(guān)分析受到限制。因此，為了克服巖石薄片資料少的制約，提出了一種利用測井資料識別碳酸鹽巖微相及巖性的新方法。

目前，關(guān)于碳酸鹽巖沉積微相測井識別方法大多基于成像測井資料的圖像信息提取[3]，利用常規(guī)測井資料進行微相類型識別方法的研究較少且參數(shù)形式單一[4-9],在經(jīng)歷了白云石化等強烈成巖作用的古城地區(qū)表現(xiàn)出明顯的不適用性。筆者通過優(yōu)選古城地區(qū)敏感測井參數(shù)，提出了新的參數(shù)組合，并建立分類圖版，開展了碳酸鹽巖巖性及微相測井識別，取得了較好的效果。

1 古城地區(qū)地質(zhì)特征

古城地區(qū)位于塔里木盆地中央隆起帶東段的古城低凸起東南部，靠近古城臺緣帶。寒武紀(jì)—中奧陶世的盆地構(gòu)造伸展階段，古城低凸起與塔中、順托果勒及塔北地區(qū)為統(tǒng)一的碳酸鹽巖臺地[10]。古城地區(qū)寒武系和奧陶系地層分別主要發(fā)育丘灘型臺地邊緣-局限臺地和淺灘型臺地邊緣-開闊臺地碳酸鹽巖臺地沉積相組合類型[11]。寒武系地層發(fā)育臺緣丘灘體，巖石類型主要為菌藻類白云巖、殘余砂屑球粒白云巖和鮞粒白云巖。奧陶系地層主要發(fā)育亮晶砂屑、鮞?；?guī)r等顆粒結(jié)構(gòu)的高能微相，并且中晚成巖階段形成的中粗晶白云巖可見顆?；糜?，說明原巖沉積能量較高；同時發(fā)育沉積能量相對較低的以藻粘結(jié)砂屑等泥粒結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)出的微相及泥微晶或粒泥灰?guī)r等灰泥雜積結(jié)構(gòu)的低能微相。

另外，古城地區(qū)碳酸鹽巖具有多期多樣的成巖作用類型，主要有膠結(jié)作用、硅化作用、壓實壓溶作用、白云石化作用、溶蝕及巖溶作用、破裂作用、鈉長石化作用、黃鐵礦沉淀、伊利石沉淀和瀝青充注等。其中硅化、白云石化、溶蝕及巖溶等成巖作用過程中的離子交代、交換等作用，造成同一沉積結(jié)構(gòu)特征原巖的巖石骨架、物性、放射性元素含量發(fā)生變化，使沉積微相和巖性的測井響應(yīng)特征復(fù)雜化。

2 測井參數(shù)的選擇

影響海相碳酸鹽巖沉積的主要因素之一是水動力條件[7]，巖石的粒度、結(jié)構(gòu)、泥質(zhì)含量等就是水動力作用的結(jié)果，它們又對應(yīng)特定的聲學(xué)特性、放射性特征、電學(xué)特征和其他物理特性。

2.1 巖性測井參數(shù)的優(yōu)選

碳酸鹽巖中白云巖和灰?guī)r的巖石骨架特征值在孔隙度測井系列參數(shù)和有效光電吸收截面指數(shù)(PE)的表征上具有明顯差異，灰?guī)r骨架的密度值為2.71 g/cm3，聲波時差值為155.8 μs/m；白云巖骨架的密度值為2.87 g/cm3，聲波時差值為142.7 μs/m；灰?guī)r骨架的PE值為5.08，白云巖骨架的PE值為3.14。巖石骨架測井響應(yīng)特征值的不同，是利用測井曲線區(qū)分白云巖和灰?guī)r的理論基礎(chǔ)，其中在碳酸鹽巖巖性識別中廣泛應(yīng)用PE曲線初步區(qū)分白云巖和灰?guī)r[8]。

2.2 沉積微相測井參數(shù)的優(yōu)選

自然伽馬能譜測井測量的是地層中天然放射性鈾(U238)、釷(Th282)和鉀(K40)的含量，這些放射性元素的分布和富集程度與巖石的沉積環(huán)境及成巖過程有關(guān)[9-12]。在自然界中，鉀、釷含量與地層中的黏土礦物類型和數(shù)量之間有規(guī)律性聯(lián)系。泥質(zhì)含量與釷含量有較好的正相關(guān)性[13-14]，水動力作用弱的條件下，沉積物的粒徑小且有較大的比表面積，釷有充分的時間從溶液中分離出來，并且與泥質(zhì)微粒一起沉積下來，所以釷的含量隨巖石粒度的變細而增加。鉀的沉積規(guī)律與釷類似[15-16]，在碳酸鹽巖上表現(xiàn)為灘間海、潮坪、潟湖等沉積中水體穩(wěn)定、能量較低、沉積物粒度較細、泥質(zhì)含量較高，對應(yīng)的釷和鉀的含量較高，反映的是穩(wěn)定、低能的潮濕沉積環(huán)境[14]。

鈾的含量與其在地層水中的溶解和遷移程度有關(guān)，氧化條件下水流作用越強，鈾的富集程度越高[16-17]。水流作用強度在很大程度上反映了原始沉積環(huán)境水動力能量的高低，在碳酸鹽巖沉積過程中水動力較強的高能沉積，如臺地邊緣的砂屑灘、鮞粒灘等灘體，一般是淺水—間歇性暴露的氧化—還原環(huán)境，主要形成粒度較大的砂屑灰?guī)r、鮞?；?guī)r等顆粒支撐的沉積微相，粒間孔隙發(fā)育，巖石物性較好，易于進入流體，暴露氧化時帶來的大量鈾酰離子在還原條件下造成沉積地層的鈾富集。

地層流體進入物性較好的滲透性巖層中造成鈾富集的同時，流體中富含的其他離子或礦物使原巖在埋藏過程中發(fā)生各種復(fù)雜的成巖作用，如灰?guī)r發(fā)生強烈海水膠結(jié)作用、熱液硅化作用、白云石化作用等，但鈾富集時期總體上早于或等于其他成巖作用時期，即使后期灰?guī)r轉(zhuǎn)變?yōu)樵茙r，還是能夠表征原始沉積時的水動力條件，因此鈾元素富集可以克服白云石化等成巖作用的影響,并反映出沉積時期的水體能量特征。

3 巖相關(guān)系建立

上述分析表明，自然伽馬能譜測井系列的測井響應(yīng)特征值能夠較好地反映原始沉積的水體能量強弱，進而反映沉積時微相特征，因此選定自然伽馬能譜測井系列中的U、Th、K、ThK的響應(yīng)特征值來識別各種微相類型。巖石密度測井、聲波測井及有效光電吸收截面指數(shù)對巖石骨架的響應(yīng)特征值具有明顯差異，可用來區(qū)分白云巖和灰?guī)r。

3.1 巖性識別

提取332個碳酸鹽巖巖樣點深度的巖石密度(DEN)、聲波時差(DT)與PE測井值，采用DEN與DT測井值的比值(以下簡稱DEN/DT值)與歸一化后的PE值(以下簡稱PE歸一化值，歸一化采用參數(shù)值/參數(shù)基值的方法)建立巖性識別交會圖版，采用DEN/DT值是為了把骨架聲波及骨架密度對與不同巖性的響應(yīng)特征在同一圖版中表現(xiàn)出來，從而提高圖版精度。在巖性識別圖版上，隨著灰?guī)r向白云巖過渡變化，PE歸一化值逐漸變小，DEN/DT值逐漸增大，3種巖性類別具有比較明顯的數(shù)值區(qū)間分布范圍(見圖1)。PE歸一化值=1.0為灰?guī)r和白云巖(過渡巖性)的分界線，PE歸一化值≥1.0，且DEN/DT值≤5.8為灰?guī)r；0.8

圖1 古城地區(qū)碳酸鹽巖巖性識別圖版Fig.1 Chart of carbonate lithology identification in the Gucheng Area

3.2 沉積微相識別

水動力條件越強，放射性元素鈾越富集；水體越穩(wěn)定,釷、鉀吸附越強。依據(jù)這一基本原理，對測井值歸一化處理(歸一化采用參數(shù)值/參數(shù)基值的方法)后進行數(shù)據(jù)分析。以鄧哈姆分類標(biāo)準(zhǔn)[18]為基礎(chǔ)，將微相類型分成泥晶結(jié)構(gòu)、泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)和顆粒結(jié)構(gòu)3種，結(jié)果表明，U/(Th+K)和ThK與微相具有較好的對應(yīng)關(guān)系(其中，U為鈾測井值；Th為釷測井值；K為鉀測井值)，顆粒結(jié)構(gòu)型微相的U/(Th+K)值較高，泥晶結(jié)構(gòu)型微相的U/(Th+K)值最低，粒泥或泥粒結(jié)構(gòu)型微相的U/(Th+K)值中等。提取79個巖心或井壁取心沉積微相鑒定樣品深度的測井曲線特征值，建立U/(Th+K)-ThK交會圖版，不同微相的特征測井值在圖版上具有明顯的分區(qū)性(見圖2)。根據(jù)圖版上各種微相分區(qū)臨界附近數(shù)據(jù)，擬合出2個表征U/(Th+K)-ThK的線性函數(shù)y1=0.833 3x+0.366 7和y2=0.214 3x+0.607 1，可以分別把顆?；?guī)r、泥粒(或粒泥)灰?guī)r和泥晶灰?guī)r區(qū)分開，分類符合率達81.4%。

圖2 古城地區(qū)碳酸鹽巖微相識別圖版Fig.2 Chart of microfacies identification in the Gucheng Area

為了對同一微相的水體沉積能量進行比較及對微相量化分類，對微相識別圖版進行數(shù)據(jù)歸類，確定出微相能量參數(shù)曲線。微相能量參數(shù)值越高，沉積水體能量越強。微相分類圖版中U/(Th+K)值與水體相對沉積能量強弱正相關(guān)，ThK值與水體的穩(wěn)定程度正相關(guān)，即相同ThK值，U/(Th+K)值越高，說明水體能量越強。以此為依據(jù)，對微相識別圖版進行量化分類。微相識別圖版中表征顆粒結(jié)構(gòu)微相的大于y1(ThK)界限值的U/(Th+K)數(shù)據(jù)，利用U/(Th+K)與y1(ThK)的比的正相關(guān)函數(shù)計算顆粒結(jié)構(gòu)微相能量參數(shù)，二者比值越大，微相能量越強；圖版中U/(Th+K)數(shù)值在y1(ThK)和y2(ThK)之間的數(shù)據(jù)，利用U/(Th+K)與y2(ThK)的差值同y1(ThK)與y2(ThK)的差值比值的正相關(guān)函數(shù)來計算代表泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)微相能量參數(shù)，比值越大，微相能量越強；而對于圖版中U/(Th+K)值小于y2(ThK)界限值的、代表泥晶結(jié)構(gòu)微相的數(shù)據(jù)，利用U/(Th+K)與y2(ThK)的差值同y2(ThK)的比值來計算泥晶結(jié)構(gòu)的微相能量參數(shù)。根據(jù)正相關(guān)比值函數(shù)的數(shù)據(jù)歸類計算方法可以得出：顆粒結(jié)構(gòu)類微相的能量參數(shù)值大于1.0，泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)類微相的能量參數(shù)值大于0且不大于1.0，泥晶結(jié)構(gòu)類微相的能量參數(shù)值不大于0。這樣不但可以按照微相能量強度將微相識別圖版中的3種微相類型量化區(qū)分開來，而且可以量化判別同一微相沉積能量的相對強弱。

4 應(yīng)用井例

古城8井碳酸鹽巖巖石薄片典型微相特征分析結(jié)果表明，中-高能灘相顆粒結(jié)構(gòu)類微相發(fā)育，含少量低能灘或灰泥丘相的中低能泥粒結(jié)構(gòu)類微相和低能灘間泥晶結(jié)構(gòu)類微相，總體上反映了臺地邊緣高能沉積相帶的特征。全井近千米厚的碳酸鹽巖地層僅取得了38顆井壁取心巖心，在奧陶系地層僅取心1.6 m、寒武系地層取心3.4 m，巖樣數(shù)量有限，制約了單井相精細劃分。通過巖石微相測井識別，明確指示出古城8井高—中—低能微相垂向的疊置關(guān)系(見圖3)，計算出的微相能量參數(shù)值以代表顆粒結(jié)構(gòu)類微相的大于1.0數(shù)值為主，與巖石薄片典型微相所反映的沉積特性一致，即碳酸鹽巖臺地邊緣沉積能量較高。

圖3 古城8井碳酸鹽巖地層旋回與沉積相精細劃分Fig.3 Fine-grained division of carbonate rock cycle and sedimentary facies of Well Gucheng 8

城探1井巖石薄片鑒定分析結(jié)果表明，在丘灘體沉積上部、深度6 850.00～7 100.00 m的地層以殘余砂屑、鮞粒白云巖等高能顆粒結(jié)構(gòu)類微相的灘相沉積為主，含少量中低能的菌藻、含球粒白云巖等泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)的藻丘沉積的中低能微相；深度大于7 100.00 m的丘灘體下部，是以發(fā)育中低能微相的藻丘沉積為主；丘灘體沉積上覆地層深度為6 550.00～6 850.00 m，主要為高能灘相的顆粒結(jié)構(gòu)類微相。根據(jù)測井微相類型識別及能量參數(shù)計算結(jié)果，明確區(qū)分出了城探1井丘灘體沉積井段(見圖4)。丘灘體上部微相能量參數(shù)為以大于1.0的高值為主、夾小于1.0的中低值，表現(xiàn)出該套沉積體是以高能灘相顆粒結(jié)構(gòu)類微相為主、夾中低能泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)微相的藻丘沉積的垂向疊置組合；而丘灘體下部微相能量參數(shù)值較小，與巖石薄片鑒定結(jié)果整體特征相符；丘灘體上覆地層微相識別參數(shù)為厚層狀高值，表現(xiàn)出高能灘相沉積特性。

圖4 城探1井碳酸鹽巖地層旋回與沉積相精細化分Fig.4 Fine-grained division of carbonate rock cycle and sedimentary facies of Well Chengtan 1

典型巖石結(jié)構(gòu)特征、地震相及碳酸鹽巖沉積相序模式等沉積相綜合研究分析結(jié)果表明，古城地區(qū)鉆探的古城4井、古城8井、古城7井和古城6井奧陶系碳酸鹽巖依次鉆遇臺緣斜坡、臺地邊緣和開闊臺地沉積。按照典型碳酸鹽巖沉積模式，臺緣斜坡屬潮下低能相帶，臺地邊緣為高能沉積相帶，向臺地內(nèi)部沉積能量減弱，測井識別出的微相組合及微相能量參數(shù)很好地反映出該特征(見圖5)。位于臺緣斜坡的古城4井—位于臺地邊緣的古城7井和古城8井—位于開闊臺地的古城6井微相能量參數(shù)值由小變大再逐漸減小，連井對比表現(xiàn)出開闊臺地、臺緣帶及臺緣斜坡具有明顯的沉積能量分帶性。微相能量參數(shù)曲線所反映的沉積旋回表明，古城地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖地層垂向上發(fā)育3個橫向上可對比的細粒低能相界面(見圖5)，由此可劃分出多個沉積旋回。

圖5 古城地區(qū)碳酸鹽巖連井地層沉積旋回對比Fig.5 Comparison of carbonate rock depositional cycle across wells in the Gucheng Area

5 結(jié) 論

1) 灰?guī)r、白云巖具有不同的PE、DT和DEN巖石骨架特征值，是識別碳酸鹽巖巖性的重要參數(shù)。利用DEN與DT的比值與PE值建立交會圖版，可以很好地區(qū)分古城地區(qū)灰?guī)r、白云巖及過渡巖性。

2) 依據(jù)地層中放射性元素聚集的地質(zhì)規(guī)律，利用自然伽馬能譜測井獲取的沉積地層中各放射性元素含量的參數(shù)，建立優(yōu)選的U/(Th+K)-ThK交會圖版，可以有效地劃分出泥晶結(jié)構(gòu)、泥?；蛄Ｄ嘟Y(jié)構(gòu)及顆粒結(jié)構(gòu)的碳酸鹽巖沉積微相，滿足了單井沉積相的連續(xù)劃分及地層沉積旋回對比分析的地質(zhì)需求，在古城地區(qū)碳酸鹽巖地質(zhì)研究應(yīng)用中取得了較好效果。

3) 受勘探初期資料條件限制，巖心標(biāo)定數(shù)據(jù)還較少，隨著資料的增加，結(jié)合巖心數(shù)據(jù)標(biāo)定成像測井資料，可以進一步改進完善圖版。

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[編輯 滕春鳴]

Carbonate Lithology and Microfacies Logging Identification in the Gucheng Area

ZHANG Junlong1, WANG Aiyun2, HE Xiangxiang1

(1. Exploration and Development Research Institute，PetroChina Daqing Oilfield Company, Daqing, Heilongjiang，163712, China; 2. Well Logging Company, CNPC Daqing Drilling & Exploration Engineering Corporation, Daqing, Heilongjiang，163412, China)

Due to limited availability of rock samples, it was difficult to conduct systematic characterization and other relevant studies on carbonate sedimentary facies. In order to take advantage of high-resolution logging tool which yields a curve rich with information, petrophysicists implemented a new method to identify carbonate lithology and microfacies. To accomplish their goal, they utilized well log data and resulting curves in the Gucheng Area. After the logging curve was calibrated with of the types of microfacies derived from the rock samples, and correlated with the relationships of response between conventional logging parameters and carbonate lithology and microfacies. Then,optimal sensitive logging curves such as DEN, DT, PE, U, Th and K were selected, and a new parameter combination was proposed. The next step involved preparing two charts for identifying carbonate lithology and sedimentary microfacies, and they had a coincidence rate of 85.4% and 81.4%, respectively. Moreover, the function relationship was defined to quantitatively classify the sedimentary microfacies types according to energy within the depositional environment, and the energy parameter curves for microfacies were provided. Microfacies identified with this technique and their energy parameter curves were applied in the space division and correlation of facies belts and sedimentary cycles. Results showed that the microfacies identified and sedimentary energy distribution characteristics were consistent with that of sedimentary facies belts that had been determined previously by identifying patterns in of slices of core. Because of the positive results from the application of the technique, the results suggest that thethe technique can be used as an essential complement of fine-grained sedimentary facies study.

carbonate; lithology; microfacies; logging identification; Gucheng Area

2015-08-03；改回日期：2016-03-16。

張君龍(1974—)，男，黑龍江大慶人，1996年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院礦場地球物理專業(yè)，2007年獲大慶石油學(xué)院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師，主要從事石油地質(zhì)及資源勘探研究。E-mail：zhangjunlong@petrochina.com.cn。

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發(fā)”(編號：2011ZX05001-001-004)資助。

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10.11911/syztjs.201603022

P631.8+4

A

1001-0890(2016)03-0121-06