火成巖巖性識別與物性測井評價
——以準(zhǔn)噶爾盆地東部石炭系火成巖為例

黃 力 王安生 王躍祥 王秀彥 趙艾琳 楊 滿 張宗富

1.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油東方地球物理公司研究院 3.斯倫貝謝有限公司

隨著勘探的不斷深入，發(fā)現(xiàn)的火成巖油氣藏愈來愈多，甚至在某些地區(qū)已形成很大的產(chǎn)能。準(zhǔn)噶爾盆地東部石炭系火成巖天然氣資源量約為6188×108m3[1]，資源量巨大。盆地東部石炭系地層是一套多期噴發(fā)、多期改造而成的火山熔巖和火山碎屑巖，厚度約200 m，頂部為深灰色凝灰?guī)r、沉積巖，以下主要為深灰色、灰色安山巖和火山角礫巖，局部發(fā)育凝灰?guī)r。一般火成巖油氣藏為溶蝕孔洞—裂縫雙重孔隙介質(zhì)的強(qiáng)烈非均質(zhì)儲層，比碎屑巖和碳酸鹽巖油氣藏更為復(fù)雜[2-3]，其巖性測井識別與儲層測井評價都非常困難。

1 巖性識別

火成巖測井巖性識別是其儲層評價的基礎(chǔ)，提高巖性識別符合率一直是火成巖儲層研究中的難題。一般采用地震法進(jìn)行火成巖縱橫向展布及噴發(fā)期次研究，由于測井縱向分辨率高，故利用其自然伽馬、自然伽馬能譜測井、密度 、聲波測井、電法測井的綜合分析來確定礦物成分，并與薄片資料建立二維或三維交會解釋圖版[4-5]，同時利用成像測井響應(yīng)特征及實際鉆井取心資料來標(biāo)定常規(guī)測井曲線以定性分析巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。此外還有測井相分析技術(shù)[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[7]、模糊數(shù)學(xué)[8]、對應(yīng)分析和模糊聚類[9]、主成分分析法[10]等。

該區(qū)塊石炭系發(fā)育火山碎屑巖類和火山熔巖類。其中火山碎屑巖類包括火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r（包括薄片鑒定的角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、角礫玻屑凝灰?guī)r）和凝灰?guī)r；火山熔巖類為安山巖。

本次研究中，筆者對取心井巖心觀察、巖石薄片鑒定、微電阻率成像測井（XRMI）進(jìn)行統(tǒng)計與分析，考慮研究可操作性與研究目的，對巖性進(jìn)行了合并分類及統(tǒng)一命名。并通過分析測井響應(yīng)特征，以巖心薄片確定的巖性為基礎(chǔ)，制定各巖性的定量識別標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 火成巖巖性定量識別標(biāo)準(zhǔn)一覽表

1.1 主成分分析

由于火成巖巖性復(fù)雜，其反映巖性的常規(guī)曲線與碎屑巖、碳酸鹽巖存在較大差異，從表1看出，曲線之間往往存在信息重疊的情況，此外量綱不統(tǒng)一也不利于巖性的識別，在應(yīng)用前需要對曲線進(jìn)行篩選。主成分分析法通過變換可以把原來各個指標(biāo)化為幾個互不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種方法，可以達(dá)到數(shù)據(jù)化簡、揭示變量之間的關(guān)系和進(jìn)行統(tǒng)計分類解釋的目的[11]。

首先，從5口取心井的常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)中篩選得出 7 個可能與巖性相關(guān)的指標(biāo) x1,x2,…,x7，分別為聲波（AC）、井徑（CALI）、密度（DEN）、中子（CNL）、自然伽馬（GR）、深電阻率（RT）、自然電位（SP），z1,z2,…,zm分別為指標(biāo) x1,x2,…,x7的第 1，第 2，…，第m主要成分，定義為：

確定主成分就是確定原來變量 x1,x2,…,x7在諸主成分 zi（i=1,2,…, m）上的相關(guān)系數(shù) lij（i=1,2,…,m; j=1,2,…, p），可通過以下方法求解。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理的相關(guān)系數(shù)矩陣定義為：

根據(jù)特征方程 ，用Jacobi法求出特征值 λ（ii=1,2,…, p），并且將其按大小順序排列，即。

然后計算主成分貢獻(xiàn)率以及累計貢獻(xiàn)率，其中主成分zi的貢獻(xiàn)率定義為：

累計貢獻(xiàn)率定義為：

最后取累計貢獻(xiàn)率為85%～95%的特征值λ1,λ2,…, λm所對應(yīng)的第 1、第 2、第 3、…、第 m（m ≤ p）個主成分zi。通過計算，發(fā)現(xiàn)僅3個主成分的累計貢獻(xiàn)率就已經(jīng)超過85%了，其與各測井變量的相關(guān)系數(shù)如表2所示，可看出第1主成分中密度（DEN）相關(guān)系數(shù)最高，影響最大，第2主成分中深電阻率（RT）的影響最大，第3主成分中自然伽馬（GR）的影響最大，此3種測井變量即為對巖性最敏感的曲線。

1.2 三維交會解釋圖版

以主成分分析結(jié)果為依據(jù)，利用5口取心井的薄片鑒定的結(jié)果，巖心標(biāo)定測井，建立了電阻率—自然伽馬—密度交會圖3參數(shù)建立的三維圖版（圖1），該圖版比二維圖版多了1個參數(shù)，更適用于復(fù)雜的火成巖地層。從交會圖可知GR值相對集中在30～70 API，表現(xiàn)為基性—中基性巖性。由于其巖石結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致孔隙度增大，其密度值明顯低于熔巖安山巖類。凝灰?guī)r密度最低，易于識別。電阻率值按照凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖的順序依次增高，這也說明電阻率高低主要反映火山巖的孔隙結(jié)構(gòu)，對熔巖及碎屑巖的劃分敏感。

2 火成巖儲層物性評價

儲層巖心觀察、成像測井和地質(zhì)研究表明，該工區(qū)內(nèi)石炭系火山巖儲層孔隙類型主要為溶孔，其次為微裂縫和氣孔。儲層特征為中等電阻率，高聲波時差，低密度的特征。針對該儲層的特點，在解釋過程中，主要用基質(zhì)孔隙度、裂縫孔隙度參數(shù)定量描述這類儲層物性特征。

表2 相關(guān)系數(shù)表

圖1 火成巖電阻率、密度、自然伽馬交會圖

2.1 基質(zhì)孔隙度計算

火成巖孔隙度計算方法有很多[12-14]。其中聲波測井主要反映火成巖的骨架孔隙結(jié)構(gòu)特征，對火成巖的巖性成分、蝕變程度等反應(yīng)不敏感，主要反映基質(zhì)孔隙度及原生溶孔、氣孔孔隙度?？紤]該區(qū)儲層巖性為角礫凝灰?guī)r和火山角礫巖，而2種巖性孔隙結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)取心井孔隙度分析資料，分別建立了火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r的孔隙度計算模型，如圖2、圖3。

圖2 火山角礫巖聲波孔隙度計算模型

2.2 裂縫評價及裂縫參數(shù)計算

裂縫是巖石受力形成的一種沒有明顯位移的脆性構(gòu)造，其形成的根本原因是巖石所受的應(yīng)力超過其承受強(qiáng)度[15]。如何利用常規(guī)測井資料有效評價和識別裂縫仍然是個難題[16]。巖心描述和XRMI解釋成果統(tǒng)計表明，火成巖中裂縫類型主要有低角度斜交縫、網(wǎng)狀縫、直劈縫、高角度縫4種類型。不同類型的裂縫在常規(guī)測井曲線上具有不同的響應(yīng)特征：

圖3 角礫凝灰?guī)r聲波孔隙度計算模型

1）低角度縫：雙側(cè)向微小負(fù)差異，或者無差異。一般當(dāng)裂縫的開度較大時，聲波時差聲波跳躍或明顯增大。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線，10°≤傾角＜70°。

2）高角度縫：深淺雙側(cè)向電阻率呈正差異，電阻率值在致密層高阻的背景下有所降低，隨裂縫開度的增大電阻率減??；當(dāng)侵入半徑較大時，對于油層而言，深淺雙側(cè)向的幅度差值較大。對于水層差異值較小。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線，傾角≥70°。

3）網(wǎng)狀縫：沖洗帶電阻率（RXO）曲線出現(xiàn)毛刺狀跳躍現(xiàn)象，深電阻率 （RT）在裂縫發(fā)育且無充填的時候變小,密度（DEN）有變小的趨勢,自然伽馬 （GR）、聲波時差（AC）和中子孔隙度（CNL）相對沒有裂縫發(fā)育的地方會變大,有時會伴隨聲波時差周波跳躍的現(xiàn)象。由于圍巖的電阻率比泥漿電阻率高,所以各種類型的開啟裂縫在成像圖上都表現(xiàn)為相互切割的呈網(wǎng)狀的深色正弦線組成。

4）充填縫：裂縫有充填時常規(guī)測井曲線變化特征不明顯。由于電流擴(kuò)散，充填礦物質(zhì)的電阻率比周圍巖石高，充填縫常會在裂縫平面上的上下傾斜交匯處顯示一個高、低電阻率交互區(qū)。充填縫是一種無效縫，不能作為儲層流體的滲濾通道。

5）誘導(dǎo)縫：常規(guī)測井曲線變化特征不明顯。為鉆井鉆頭鉆開地層時，地層應(yīng)力平衡被打破，成像上在平行最大水平應(yīng)力方向上呈八字形或羽行對稱排列的特征。

2.2.1 成像測井裂縫孔隙度計算模型

裂縫孔隙度：巖石的裂縫孔隙度定義為裂縫孔隙體積與巖石體積之比。裂縫孔隙度雖然在總孔隙度中占的比重較小，國內(nèi)外統(tǒng)計表明火成巖裂縫孔隙度一般小于1%，但具有非常重要的滲流特點，它決定了油氣的最終采收率[17]。

成像測井裂縫孔隙度計算主要是通過人工對天然裂縫進(jìn)行拾取，并采用斯侖貝謝公司的裂縫計算方法對裂縫進(jìn)行定量計算，提供裂縫長度（FVTL）、裂縫密度（FVD）、校正后的裂縫密度（FVDC）、裂縫視孔隙度（FVPA）和裂縫走向等參數(shù)[18-19]，各參數(shù)的計算公式如下：

式中R表示井眼半徑，m； C表示FMI井眼覆蓋率；Li表示第i條裂縫的長度；Ⅰi表示第i深度段內(nèi)裂縫的條數(shù)；Wi表示第i條裂縫的平均寬度；H表示評價井段長度，m；θi表示第i條裂縫的視傾角，即裂縫面與井軸的夾角。

2.2.2 雙側(cè)向測井裂縫孔隙度計算模型

根據(jù)國內(nèi)外大量實踐證實，裂縫對深淺雙側(cè)向電阻率有比較靈敏的反應(yīng),利用裂縫井段與雙側(cè)向電阻率計算裂縫孔隙度，其中經(jīng)典的是Pezard[20]等在Sibbit[21]等人研究的基礎(chǔ)上，建立了裂縫地層電性各向異性的數(shù)值計算模型[22]，進(jìn)一步總結(jié)不同角度裂縫的雙側(cè)向測井響應(yīng)，按裂縫傾角將裂縫分為水平縫、垂直縫兩種情況，該公式考慮到裂縫性地層侵入特性。

計算水平裂縫模型裂縫孔隙度（φf）的公式為：

計算垂直裂縫模型裂縫孔隙度的計算公式為：

對于網(wǎng)狀縫，采用并聯(lián)導(dǎo)電模型，利用雙側(cè)向測井資料推導(dǎo)網(wǎng)狀裂縫孔隙模型[23-24]，再利用迭代算法求得裂縫孔隙度：

式中Cd、Cs、Cm、Cw分別表示深側(cè)向、淺側(cè)向、泥漿濾液電導(dǎo)率、地層水電導(dǎo)率，1/（Ω·m）； x表示裂隙網(wǎng)格長度相對大小，小于1；mf表示裂縫孔隙度指數(shù)，（F為地層因子，

考慮雙側(cè)向與成像測井資料計算裂縫孔隙度的原理不一樣，雙側(cè)向電阻率法反映的是體積模型中雙側(cè)向電阻率對于巖石裂縫的測井響應(yīng)，計算模型為無限大空間，具宏觀特征。成像測井計算裂縫孔隙度實際上是反映井壁面積意義上的面孔率，更具微觀優(yōu)勢特征，其圖像特征更加直觀。成像測井與雙側(cè)向解釋的裂縫孔隙度之間有差異是合理的。筆者利用成像資料提供的裂縫孔隙度，對雙側(cè)向測井資料計算的裂縫孔隙度進(jìn)行標(biāo)定，建立成像測井裂縫孔隙度（FVPA）與雙側(cè)向裂縫孔隙度（φf） 關(guān)系如下：

圖4是常規(guī)測井與成像測井裂縫孔隙度交會圖，通過回歸分析，得到 a=7.989 5，b=－0.000 4，成像測井解釋裂縫孔隙度與雙側(cè)向計算裂縫孔隙度兩者約成8倍的關(guān)系，通過此關(guān)系，可利用常規(guī)曲線對全區(qū)進(jìn)行裂縫孔隙度計算。

圖4 常規(guī)裂縫孔隙度與成像裂縫對比分析圖

3 應(yīng)用實例

3.1 三維圖版進(jìn)行巖性綜合識別

圖5 X井解釋成果綜合圖

圖5為三維圖版巖性綜合識別成果圖。該井2485～2 490 m段常規(guī)測井曲線表現(xiàn)為低伽馬、高密度、高電阻率特征，電阻率多介于10～50 Ω·m，顯示為中基性安山巖及安山質(zhì)火山碎屑熔巖特征，ECS測井處理圖分析表明，硅含量在井深約2 480 m～2 490 m降低，鋁、鐵，鈦含量增加，為典型的安山巖特征，成像測井顯示熔結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育，成像測井電阻率值較高，圖像顏色較亮，從錄井上為安山巖。該井 2 450～ 2 455 m 表現(xiàn)為中等伽馬值，低密度，低電阻率，電阻率值介于2～20 Ω·m，為基性火山碎屑巖特征。成像測井為相對低值，圖像顏色較暗。從錄井資料上也為角礫凝灰?guī)r。解釋成果與錄井、成像及ECS測井基本一致。說明利用三維交會圖并結(jié)合成像測井及巖心數(shù)據(jù)綜合判別巖性，可有效識別巖性。

3.2 建立分巖性孔隙度模型計算儲層孔隙度

從單井的測井孔隙度與巖心分析孔隙度對比圖（圖6）可以看出不管是火山角礫巖還是角礫凝灰?guī)r，計算結(jié)果的符合程度非常高。統(tǒng)計孔隙度誤差可見火山角礫巖的計算結(jié)果平均絕對誤差－0.6%，平均相對誤差5.4%；角礫凝灰?guī)r平均絕對誤差0.3%，平均相對誤差4.4%，均在探明儲量規(guī)范規(guī)定的有效孔隙度計算絕對誤差小于2%，相對誤差小于8%的范圍內(nèi)。

3.3 裂縫識別

圖6 測井處理孔隙度與巖心分析孔隙度單井圖

圖7 不同巖性裂縫厚度與平均孔隙度統(tǒng)計圖

根據(jù)裂縫在常規(guī)測井資料上的響應(yīng)特征進(jìn)行裂縫識別，結(jié)果表明該區(qū)裂縫以低角度斜交縫的裂縫厚度（裂縫厚度是指該類型裂縫發(fā)育段的地層厚度）最大，網(wǎng)狀縫、高角度縫次之。從各巖性統(tǒng)計的裂縫厚度與孔隙度圖（圖7）可看出：火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫厚度比較大，但裂縫孔隙度總體偏低，裂縫孔隙度平均值低于0.03%。角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育有利目標(biāo)；凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫；安山巖巖性致密，總體上裂縫孔隙度偏低，但裂縫發(fā)育段厚度與角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖基本相當(dāng)，故不能忽視裂縫的存在。

3.4 綜合評價

綜合裂縫識別與孔隙度計算結(jié)果，認(rèn)為裂縫發(fā)育與巖性有著重要關(guān)系。安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育，角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育有利目標(biāo)；凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫；安山巖也發(fā)育一定厚度的裂縫，具有一定的潛力。如圖8所示，在安山巖頂部計算的裂縫孔隙度為0.02%，成像測井顯示裂縫發(fā)育，具有較好的氣測反映，在一定條件下采取壓裂措施可作為滲流通道。因此安山巖可作為潛力儲層。

圖8 測井成果圖

4 結(jié)論

1）通過主成分分析，確定對巖性較敏感的常規(guī)曲線為密度、電阻率、自然伽馬；建立了電阻率—自然伽馬—密度三參數(shù)交會圖，該圖版比二維圖版增加一個參數(shù)，更適合復(fù)雜的火成巖解釋。通過對解釋結(jié)果的驗證，利用多參數(shù)可有效區(qū)分該區(qū)的火山巖巖性。

2）對基質(zhì)孔隙度采用對火成巖基質(zhì)孔隙度及原生孔隙度較敏感的聲波曲線進(jìn)行刻度，分別對儲層的主要巖性——火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r進(jìn)行建模計算，提高了儲層孔隙度的解釋精度，符合儲量計算的精度要求。

3）利用成像資料計算的裂縫孔隙度對雙側(cè)向測井資料計算的裂縫孔隙度進(jìn)行標(biāo)定，成像測井計算的孔隙度與雙側(cè)向計算裂縫孔隙度約成8倍的關(guān)系，從而利用資料豐富的測井曲線對全區(qū)進(jìn)行裂縫孔隙度計算。計算結(jié)果表明裂縫發(fā)育與巖性有著重要關(guān)系，安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育；角礫凝灰?guī)r中裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育的主要巖性；安山巖巖性致密，但裂縫較發(fā)育，可作為潛力儲層。