變質(zhì)巖儲層巖性及裂縫測井識別方法研究進(jìn)展

陸詩闊，李冬冬

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

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變質(zhì)巖儲層巖性及裂縫測井識別方法研究進(jìn)展

陸詩闊，李冬冬

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

基于變質(zhì)巖類主要造巖礦物及元素組成的特殊性，對近年來發(fā)展起來的一系列利用測井資料識別變質(zhì)巖潛山的巖性和儲層裂縫的技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)調(diào)研、分析和總結(jié)。結(jié)果表明，常規(guī)測井中核測井系列(密度、自然伽馬和中子測井)對變質(zhì)巖巖性的識別更為有效，另外可以采用元素俘獲測井(ECS)等新的測井技術(shù)識別變質(zhì)巖巖性。由于變質(zhì)巖巖性復(fù)雜多樣，對變質(zhì)巖儲層的識別需要在巖性識別的基礎(chǔ)上建立其相應(yīng)的儲層識別標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜谧R別變質(zhì)巖儲層裂縫的常規(guī)測井主要有雙側(cè)向、聲波時差、雙側(cè)向—微球型聚焦、井徑及自然伽馬能譜等測井方法。另外，聲波—電阻率成像測井、多極子陣列聲波測井、交叉偶極子聲波測井等新技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢被越來越多地用于變質(zhì)巖儲層裂縫識別。目前不存在普遍適用于各研究區(qū)的變質(zhì)巖巖性和儲層測井識別標(biāo)準(zhǔn)，針對具體地區(qū)需要考慮其特定的變質(zhì)巖儲層發(fā)育特征及實(shí)際測井資料，研究其相應(yīng)測井識別與評價技術(shù)。

變質(zhì)巖；巖性識別；裂縫識別； 測井；研究進(jìn)展

0 引 言

隨著油氣勘探領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，特殊巖類油氣藏愈來愈受到重視，變質(zhì)巖儲層作為一類特殊巖性儲層，往往形成古潛山油氣藏，目前在中國的遼河、冀東、勝利、渤海、玉門等油田均發(fā)現(xiàn)有變質(zhì)巖潛山油氣藏。1971年，遼河油田首次在遼河盆地西部凹陷興213井鉆遇太古界變質(zhì)巖古潛山風(fēng)化殼，獲得高產(chǎn)工業(yè)油氣流，截至目前，已在太古界變質(zhì)巖潛山中累計探明石油地質(zhì)儲量近億噸[1]。

作為特殊巖類儲層，變質(zhì)巖儲層在元素組成、化學(xué)成分、礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及儲集空間的類型等方面與傳統(tǒng)沉積巖儲層有著很大不同，變質(zhì)巖潛山油藏巖性復(fù)雜，再加上遭受長期風(fēng)化及后期構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)烈改造，導(dǎo)致其具有復(fù)雜的儲集空間和強(qiáng)烈的儲層非均質(zhì)性，對變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕的巖性及儲集空間的識別和評價是一個有待攻克的油氣勘探地質(zhì)難題。自20世紀(jì)90年代以來，由于對變質(zhì)巖潛山油藏勘探重視程度的不斷加強(qiáng)，以及國內(nèi)外許多有關(guān)油藏表征的新技術(shù)、新方法的發(fā)展[2-9]，在變質(zhì)巖古潛山油氣藏的巖性識別和儲層評價方面也研究出了一系列方法和技術(shù)[10-14]。測井資料因其所揭示的巖石物理性質(zhì)多樣、縱向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，使其在變質(zhì)巖潛山的巖性和儲層識別及評價方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，因此，將近年來發(fā)展的一系列以巖心分析和試油、試采資料為基礎(chǔ)，利用測井資料識別變質(zhì)巖潛山的巖性和儲層裂縫的方法技術(shù)加以系統(tǒng)總結(jié)，以期對變質(zhì)巖潛山油氣藏的勘探和開發(fā)實(shí)踐起到一定的借鑒作用。

1 巖性識別技術(shù)

1.1 變質(zhì)巖巖性測井識別的物理基礎(chǔ)

已有勘探實(shí)踐表明，中國太古界潛山的主體巖性為花崗片麻巖系列，兼有部分巖漿巖脈體，組成這些巖石的主要造巖礦物有石英、鉀長石、斜長石、黑云母、角閃石、輝石等。根據(jù)斯倫貝謝測井公司[15]提供的常用礦物測井解釋參數(shù)，中國太古界潛山主要礦物的測井響應(yīng)參數(shù)特征見表1。

顯然，不同礦物受其化學(xué)成分的影響測井響應(yīng)參數(shù)不同，決定了礦物組成不同、化學(xué)成分不同的巖石在測井曲線上的綜合測量響應(yīng)不同。因此，與識別砂泥巖不同，目前利用測井資料對變質(zhì)巖特定巖性的識別普遍依據(jù)不同類型巖石具有不同的礦物組成(包括礦物類型和含量)，進(jìn)而在測井曲線上的測量響應(yīng)不同這一基本原則。

表1 太古界潛山地層的主要造巖礦物及其測井響應(yīng)特征

1.2 變質(zhì)巖巖性測井識別技術(shù)

(1) 建立不同巖性的測井參數(shù)特征。對于任一具體地區(qū)，巖性識別研究的第一步是建立某地區(qū)特定巖性對各類測井參數(shù)的響應(yīng)關(guān)系，即先由巖心資料，結(jié)合巖心薄片的鏡下鑒定及巖屑錄井資料，了解研究區(qū)主要的巖石類型及其礦物成分特征，然后對不同巖性的測井響應(yīng)特征進(jìn)行分析，可以借助于直方圖統(tǒng)計提取不同巖性的各類測井參數(shù)特征，在此基礎(chǔ)上，選擇對巖性敏感的測井方法。

現(xiàn)場普遍采用的3700常規(guī)測井系列勘探實(shí)踐表明，核測井系列(密度、自然伽馬、中子測井)對于變質(zhì)巖巖性的識別相對更為有效，這是由組成變質(zhì)巖的各種礦物之間的密度、放射性元素含量和氫元素含量等有明顯差異所決定的。

(2) 交會圖技術(shù)。由于測井資料的多解性和變質(zhì)巖巖性類型的復(fù)雜性，任一巖性與任一類別測井曲線之間都不存在簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，為了將各類巖性區(qū)分開，往往需要同時采用2種或多種測井響應(yīng)參數(shù)。另外，所區(qū)分的具體巖性不同，需要采用的測井曲線也有差別。在選擇巖性敏感的測井類別基礎(chǔ)上，交會圖技術(shù)有助于同時采用2種測井參數(shù)進(jìn)行巖性識別，該技術(shù)可直觀地展示出各類巖石的關(guān)鍵測井參數(shù)的變化情況，給出不同巖性的測井響應(yīng)分區(qū)，進(jìn)而區(qū)分出不同的巖性。

目前在巖性識別方面應(yīng)用比較多的有自然伽馬—密度、自然伽馬—光電吸收截面指數(shù)、自然伽馬—中子、密度—中子等交會圖，不同類型的交會圖在巖性識別方面有其特定的優(yōu)勢和局限性。為了克服測井資料的多解性，根據(jù)研究區(qū)巖石類型的具體特征，往往需要將多種類型的交會圖配合使用，以達(dá)到良好的巖性識別效果[16-17]。另外，盡管參與交會的物理參數(shù)大部分是某一測井曲線的直接測量結(jié)果，但有時也根據(jù)實(shí)際情況采用一些新的組合參數(shù)。例如，在變質(zhì)巖巖性識別中，中子測井在反映暗色礦物(黑云母、角閃石)含量高的巖性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，但當(dāng)巖石中發(fā)育裂縫時，由于裂縫中水的存在，會對中子測井產(chǎn)生很大影響，這種情況下可以增加聲波時差與上述核測井系列的交會，或者采用新的組合參數(shù)如M—N交會[18]，以消除裂縫對巖性識別的干擾。

(3) 曲線疊置技術(shù)。與被用于識別沉積巖剖面中不同巖石類型類似，密度—補(bǔ)償中子曲線重疊技術(shù)目前也被用于變質(zhì)巖巖性的識別，且效果良好。如Fe、Mg、Ca元素系列(暗色礦物)閃長巖在重疊圖上表現(xiàn)為正異常，K、Na、Si元素系列(淺色礦物為主)混合花崗巖表現(xiàn)為負(fù)異常，過渡系列巖石黑云斜長片麻巖密度與補(bǔ)償中子測井2條曲線呈“絞和”狀(圖1)。

(4) 自動識別技術(shù)。以上對變質(zhì)巖巖性的識別，其基本方法是首先由巖心資料和測井資料對比并建立研究區(qū)巖性與物理性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，然后利用所建立的對應(yīng)關(guān)系由測井信息判斷未取心井段的巖性剖面，目前這一過程也可通過采用統(tǒng)計學(xué)方法(如逐步判別分析[19-21]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[22]等技術(shù))來實(shí)現(xiàn)。以逐步判別分析技術(shù)為例，其基本流程是首先用有系統(tǒng)取心的關(guān)鍵井的巖心和測井資料，建立各類變質(zhì)巖巖性的判別模型，然后用所建立的判別模型和測井?dāng)?shù)據(jù)庫確定關(guān)鍵井未取心層段及其他未取心井地層的巖性，最終得出各井連續(xù)而完整的巖性剖面圖[21]。

圖1 曲線疊置技術(shù)識別巖性

(5) 最優(yōu)化方法定量確定巖石內(nèi)礦物成分含量。巖石的測井響應(yīng)特征不僅取決于礦物成分特征，同時與其含量有關(guān)。在對變質(zhì)巖巖性定性分析的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)不同類型變質(zhì)巖的主要礦物組分特征，進(jìn)一步建立由測井資料計算礦物成分的優(yōu)化體積模型[23]，其響應(yīng)方程為：

(1)

式中：LOGi為第i條測井曲線值(i=1，2，…，n)；Wij為第j類骨架(j=1，2，…，m)的第i條測井曲線響應(yīng)值；Vj為第j類骨架在巖石中所占體積百分比。

借助最優(yōu)化方法求解所建立的測井響應(yīng)方程組，可以計算出不同類型變質(zhì)巖中的骨架礦物成分含量，最終實(shí)現(xiàn)變質(zhì)巖巖性的定量化識別。顯然，該方法計算精度較大程度取決于骨架響應(yīng)參數(shù)的選取。

值得指出的是，當(dāng)巖石中有裂縫發(fā)育時，裂縫也被視為一類骨架需要進(jìn)行單獨(dú)處理，最終可同時計算出巖石內(nèi)各主要礦物和流體的體積，從而有助于實(shí)現(xiàn)巖性和裂縫識別的定量統(tǒng)一。

另外，從測井手段看，除常規(guī)測井系列外，近年來某些油田針對變質(zhì)巖潛山勘探引入了一些新的測井技術(shù)，如由斯倫貝謝新一代俘獲伽馬能譜測井儀記錄得到的元素俘獲測井(ECS)曲線，因其獨(dú)特的優(yōu)勢在遼河油田已被用于識別變質(zhì)巖巖性[16]。其基本原理是組成不同巖性變質(zhì)巖的骨架礦物不同，而不同礦物中元素Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd的含量不同，根據(jù)測定的元素Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd的不同含量，可以判斷變質(zhì)巖的巖性。

2 變質(zhì)巖儲層裂縫識別技術(shù)

已有研究表明[12，14，16]，受變質(zhì)程度的影響，變質(zhì)巖儲層的儲集空間通常分為變余粒間孔隙、變晶間縫隙和裂縫等類型，但一般以裂縫為主。成因上裂縫主要分為風(fēng)化縫(機(jī)械破碎或溶蝕)和構(gòu)造縫二大類，根據(jù)裂縫是否被充填可分為充填縫和開啟縫；根據(jù)裂縫的產(chǎn)狀又分為高角度縫、網(wǎng)狀縫和水平縫等，這些不同成因、不同產(chǎn)狀、不同充填特征的裂縫在不同測井曲線上的響應(yīng)存在差別。

2.1 變質(zhì)巖儲層識別的一般原則

類似于巖性識別技術(shù)，目前利用測井資料識別變質(zhì)巖潛山內(nèi)幕儲層的各項技術(shù)也普遍建立在對研究區(qū)變質(zhì)巖儲層發(fā)育的地質(zhì)特征詳細(xì)分析的基礎(chǔ)之上。即首先需要借助于巖心的直接觀察、鏡下薄片觀察、鑄體或熒光薄片分析、掃描電鏡等手段，同時結(jié)合試油、試采資料，了解研究區(qū)變質(zhì)巖儲層儲集空間的類型、裂縫發(fā)育的具體特點(diǎn)(產(chǎn)狀、規(guī)模、密度、充填情況、形成原因等)，分析儲層與巖性之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上選擇代表不同類型儲層的典型層段，分析其測井響應(yīng)特征，最終建立起變質(zhì)巖儲層對關(guān)鍵測井曲線的響應(yīng)關(guān)系。

2.2 裂縫的常規(guī)測井識別方法

類似于對碳酸鹽巖、泥巖等沉積巖中裂縫的識別方法[24]，常規(guī)測井系列中被用于識別變質(zhì)巖儲層裂縫的測井方法主要有雙側(cè)向、聲波時差、雙側(cè)向—微球型聚焦、井徑及自然伽馬能譜測井等。

(1) 雙側(cè)向測井。根據(jù)已有勘探實(shí)踐，對于雙側(cè)向測井，開啟縫發(fā)育的變質(zhì)巖儲層主要表現(xiàn)為在高電阻率背景下的相對低阻，同時深淺側(cè)向電阻率曲線存在明顯幅度差，其中高角度縫(大于70 °)發(fā)育的儲層深、淺側(cè)向電阻率一般呈正差異，低角度縫(小于70 °)或水平縫發(fā)育的儲層則表現(xiàn)為曲線特征相對尖銳背景上的負(fù)差異[25]。隨著裂縫張開度的增大，深、淺側(cè)向電阻率之間的正差異或負(fù)差異增大。

值得注意的是，深、淺側(cè)向電阻率之間的幅度差同時還受鉆井泥漿侵入半徑的影響，對于高角度縫儲層，當(dāng)侵入很淺 (不超過深側(cè)向探測深度)時，深、淺側(cè)向電阻率幅度差過大，這種情況下，即使裂縫的開度很大，但高角度裂縫系統(tǒng)橫向延伸很短，裂縫系統(tǒng)的整體有效性差；對于低角度裂縫，如果出現(xiàn)正差異，也說明其橫向延伸較短，裂縫的有效性差[25]。對高角度縫和低角度縫在雙側(cè)向測井曲線上的響應(yīng)特征進(jìn)行對比可以看出，深、淺側(cè)向幅度差對高角度縫和網(wǎng)狀縫的反應(yīng)更為靈敏。

(2) 聲波時差測井。受測井儀器工作原理的制約，聲波時差測井對水平縫或低角度縫敏感，導(dǎo)致滑行波能量嚴(yán)重衰減，從而在時差曲線上表現(xiàn)為聲波時差增大或出現(xiàn)周波跳躍[18]。高角度縫、垂直縫在聲波時差曲線上響應(yīng)不明顯。

(3) 雙側(cè)向—微球形聚焦測井。由于裂縫對電阻率測井的影響不僅取決于裂縫的方向、規(guī)模，同時還取決于裂縫中所含流體的性質(zhì)(泥漿濾液、地層水或油氣)，為了提高對裂縫識別的精度，也常常將雙側(cè)向測井和微球型聚焦測井(MSFL，探測深度為0.1 m)組合使用。微球型聚焦測井電阻率曲線在裂縫處常表現(xiàn)為刺刀狀低阻，即高、低阻交替出現(xiàn)。當(dāng)RMSFL低值，RLLD與RLLS比值較大時，為典型的高角度裂縫帶顯示；當(dāng)RMSFL比RLLD小很多時，該裂縫帶內(nèi)可能含有油氣[18]。

(4) 井徑曲線。井徑測井也是研究裂縫的一種重要方法，裂縫往往會導(dǎo)致井眼定向擴(kuò)徑，即當(dāng)鉆頭鉆遇裂縫時，裂縫網(wǎng)絡(luò)發(fā)育方向的巖石比其他方向的巖石更為脆弱，在鉆井液與鉆具的沖力作用下，形成一定方向的坍塌現(xiàn)象。高角度裂縫常是引起井壁定向坍塌的重要原因。

(5) 自然伽馬能譜測井。該類測井方法的實(shí)質(zhì)是根據(jù)測量的U、TH、K的伽馬放射性的混合譜來確定其在地層中的含量。該類測井方法用于識別裂縫的主要依據(jù)是[26]地層水中經(jīng)常含有六價鈾鹽， 在還原條件下，當(dāng)流體在巖石孔隙或裂縫中運(yùn)移時，有些鈾鹽被離析，并沉淀在巖石骨架上，該機(jī)制可使地層中鈾的含量增高達(dá)20 mg/kg，致使這類儲層(或裂縫)在伽馬能譜測井曲線上表現(xiàn)為明顯的高鈾伽馬，即無鈾伽馬低值背景下的總伽馬高值，表明裂縫的存在及裂縫的有效性。

2.3 裂縫的成像測井識別

近年來，隨著測井新技術(shù)的不斷發(fā)展，聲波—電阻率成像測井、多極子陣列聲波測井、交叉偶極子聲波測井等新的測井方法[27]，因其獨(dú)特優(yōu)勢在裂縫性儲層的識別方面正在發(fā)揮著越來越重要的作用。

(1) 聲波—電阻率成像測井。其基本原理是分別通過測量井壁介質(zhì)的聲阻抗特性和導(dǎo)電性特征來反映井壁的地質(zhì)特征。成像測井成果圖上能夠清晰、直觀地反映出井眼周圍裂縫的形態(tài)、方位和孔洞情況，裂縫性儲層在井壁聲、電成像測井圖上均表現(xiàn)為連續(xù)或間斷的深色條帶，其形狀取決于裂縫的產(chǎn)狀。垂直縫和水平縫分別為豎直和水平暗色條帶，斜交縫為明顯的正弦波狀條帶，傾向不同的裂縫相交形成的網(wǎng)狀縫為交叉混亂的暗色條帶[28-32]。

(2) 多極子陣列聲波測井。用于識別裂縫的依據(jù)[31]是裂縫會引起縱、橫波波至?xí)r間的延遲及縱、橫波振幅的衰減等，而不同產(chǎn)狀的裂縫對縱、橫波的影響程度不同。層理和低角度縫能引起地層縱向上波阻抗的變化，從而導(dǎo)致縱波能量衰減，表現(xiàn)為縱波波至?xí)r間的延遲和振幅衰減；中高角度縫和垂直縫能引起地層徑向上波阻抗的變化，進(jìn)而導(dǎo)致橫波能量衰減明顯；網(wǎng)狀裂縫發(fā)育段，縱、橫波能量均衰減明顯。斯通利波(導(dǎo)波)不是體波，其在井中靠近地層與井眼間的界面?zhèn)鞑?，其能量沿與井壁垂直方向呈指數(shù)衰減，在井眼規(guī)則情況下其衰減指示地層存在滲透性，即有效縫、孔、洞或構(gòu)造破碎帶的存在。

另外，交叉偶極子聲波測井通過利用橫波在傳播過程中分裂成快、慢波所揭示的介質(zhì)各項異性，也被用于識別致密巖層中的裂縫及其產(chǎn)出方位[33]。

以上對變質(zhì)巖儲層的測井識別主要是從裂縫發(fā)育的角度所進(jìn)行的儲層的定性識別，與對沉積巖類儲層的描述方式類似，目前對變質(zhì)巖儲層的描述也進(jìn)一步通過引入基巖孔隙度、裂縫孔隙度、裂縫開度等參數(shù)而加以定量化[34]，但利用測井資料求取各參數(shù)的具體運(yùn)算模型在不同油田存在較大差別，針對該問題還沒有發(fā)展出近似統(tǒng)一的理論化模型。

3 結(jié)論與展望

(1) 基于變質(zhì)巖類主要造巖礦物及元素組成的特殊性，常規(guī)測井中核測井系列(密度、自然伽馬、中子測井)對變質(zhì)巖巖性的識別相對更為有效。從具體識別方法看，目前主要有交會圖、曲線疊置、最優(yōu)化技術(shù)、自動識別等相關(guān)技術(shù)方法。由于變質(zhì)巖巖性復(fù)雜多樣，最優(yōu)化方法因其可以計算出不同類型變質(zhì)巖的骨架礦物成分含量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變質(zhì)巖巖性的定量化自動識別，因而在運(yùn)用常規(guī)測井資料進(jìn)行變質(zhì)巖巖性識別過程中，該技術(shù)方法具有廣闊的發(fā)展前景。另外元素俘獲測井(ECS)等新的測井技術(shù)在識別變質(zhì)巖巖性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，在有關(guān)變質(zhì)巖探區(qū)測井作業(yè)中值得推廣。

(2) 常規(guī)測井系列中用于識別變質(zhì)巖儲層裂縫的方法主要有雙側(cè)向、聲波時差、雙側(cè)向—微球型聚焦、井徑及自然伽馬能譜等測井方法。近年來，隨著測井新技術(shù)的發(fā)展，聲波—電阻率成像測井、多極子陣列聲波測井、交叉偶極子聲波測井等新技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢在變質(zhì)巖儲層裂縫識別中發(fā)揮著越來越重要的作用。

(3) 由于變質(zhì)巖巖性的復(fù)雜性和明顯的區(qū)域特色，再加上不同油田采用的測井技術(shù)的多樣性和測井解釋的多解性，目前不存在普遍適用于各研究區(qū)的變質(zhì)巖巖性和儲層測井識別標(biāo)準(zhǔn)。對于任一研究地區(qū)，需要針對其特定的變質(zhì)巖儲層發(fā)育特征及已有實(shí)際測井資料，確定其相應(yīng)的巖性和儲層測井識別標(biāo)準(zhǔn)與評價技術(shù)。

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編輯 劉兆芝

20151226；改回日期：20160619

國家自然科學(xué)基金面上項目“渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷中生界火山巖儲層宏觀裂縫充填作用及其對次生孔隙發(fā)育的影響”(41472106)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金“濟(jì)陽坳陷孤西潛山帶儲層形成機(jī)理” (13CX02043A)

陸詩闊(1973-)，男，副教授，1995年畢業(yè)于石油大學(xué)(華東)石油地質(zhì)專業(yè)，2004年畢業(yè)于北京大學(xué)固體地球物理學(xué)專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事含油氣盆地分析、油區(qū)構(gòu)造解析、非常規(guī)儲層評價等方面的教學(xué)與科研工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.001

TE122.2

A

1006-6535(2016)04-0001-06