四川盆地二疊系基性火山巖測(cè)井評(píng)價(jià)技術(shù)
——以永探1井區(qū)火山巖為例

吳煜宇 謝 冰 伍麗紅 賴 強(qiáng) 趙容容

1.中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司

0 引言

近期，中國(guó)石油西南油氣田公司部署的第一口以火山碎屑巖儲(chǔ)層為目的層的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井——永探1井獲重大突破。該井在火山巖段鉆進(jìn)過(guò)程中采用密度介于2.00～2.24 g/cm3的鉆井液對(duì)火山巖地層精準(zhǔn)控壓，油氣顯示良好，出現(xiàn)4次氣侵，并在集氣口點(diǎn)火燃燒，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的含氣性。經(jīng)中途測(cè)試該井獲得22.5×104m3/d自然產(chǎn)能的高產(chǎn)工業(yè)氣流，展示出四川盆地火山巖氣藏良好的勘探潛力。

火山巖儲(chǔ)層測(cè)井評(píng)價(jià)一直都是世界性的難題，主要表現(xiàn)在火山巖巖性和儲(chǔ)集空間復(fù)雜多樣，儲(chǔ)層非均質(zhì)性極強(qiáng)，同時(shí)，火山巖電性特征千差萬(wàn)別，地層導(dǎo)電機(jī)理復(fù)雜，造成利用電阻率等測(cè)井資料評(píng)價(jià)含油氣性困難[1-3]。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，火山巖儲(chǔ)層測(cè)井研究率先需要解決測(cè)井巖性識(shí)別的問(wèn)題[4-6]，只有在準(zhǔn)確識(shí)別巖性的基礎(chǔ)上，才能有效開(kāi)展儲(chǔ)集類型和儲(chǔ)集層性質(zhì)評(píng)價(jià)；其次，火山巖儲(chǔ)層參數(shù)的定量計(jì)算目前還沒(méi)有通用的測(cè)井解釋模型和技術(shù)，各油田主要采用地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式和測(cè)井新技術(shù)的采集開(kāi)展儲(chǔ)層參數(shù)建模研究。

為詳細(xì)解剖四川盆地火山巖儲(chǔ)層，針對(duì)永探1井采用了多種測(cè)井新技術(shù)進(jìn)行資料采集，如針對(duì)火山巖巖性復(fù)雜、礦物組分多樣采用了LithoScanner巖性掃描測(cè)井、針對(duì)火山巖地層結(jié)構(gòu)和構(gòu)造認(rèn)識(shí)采集了FMI高分辨率成像測(cè)井，測(cè)井新技術(shù)的應(yīng)用為本次研究提供了堅(jiān)實(shí)的資料基礎(chǔ)。

1 儲(chǔ)層特征

1.1 巖性特征

根據(jù)巖心、巖屑及薄片資料分析結(jié)果可知，永探1井火山巖巖石類型主要有2個(gè)大類：火山熔巖和火山碎屑熔巖。

火山熔巖主要為基性玄武熔巖，由板條狀的細(xì)晶基性斜長(zhǎng)石（拉長(zhǎng)石）組成，由斜長(zhǎng)石雜亂排列形成的多角形孔隙中常被細(xì)粒輝石、隱晶質(zhì)的鐵質(zhì)和玻璃質(zhì)等近全充填，形成間?！g隱結(jié)構(gòu)即拉斑玄武結(jié)構(gòu)（圖1-a），顏色較暗，一般呈灰綠、綠灰色，局部暗褐色[7-10]。

火山碎屑熔巖按角礫碎屑含量的相對(duì)大小可進(jìn)一步分為含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖，前者角礫一般較小，具有一定磨圓度，角礫以玄武巖角礫為主（圖1-b、c、d），氣孔被鈉長(zhǎng)石、綠簾石或綠泥石等再生礦物或蝕變礦物充填，基巖仍為基性玄武質(zhì)熔巖。角礫熔巖的角礫含量明顯增多，且角礫團(tuán)塊較大，通過(guò)取心和鏡下薄片觀察角礫以中二疊統(tǒng)茅口組碳酸鹽巖碎屑為主（圖1-e、f），多具棱角狀，火山角礫及火山集塊呈雜亂堆積。

1.2 物性特征

由巖心、柱體薄片、CT掃描及掃描電鏡分析結(jié)果可知，永探1井火山巖段以微米級(jí)孔隙型儲(chǔ)層為主，巖心儲(chǔ)層段全直徑樣品分析孔隙度介于6.68%～13.22%，平均孔隙度為10.3%；巖心儲(chǔ)層段柱塞樣品分析孔隙度在介于8.66%～16.48%，平均孔隙度為13.6%，滲透率介于0.009～0.173 mD。受孔隙喉道大小影響，永探1井火山巖整體表現(xiàn)出高孔隙度、低滲透率的特征。

1.3 儲(chǔ)層測(cè)井響應(yīng)特征

永探1井火山巖儲(chǔ)層常規(guī)測(cè)井響應(yīng)特征表現(xiàn)為“三低兩高”，即低伽馬、低密度、低電阻率、高聲波時(shí)差和高中子。受地層含導(dǎo)電礦物、高礦化度鉆井液侵入以及蝕變礦物高束縛水含量的影響，儲(chǔ)層段電阻率最低為3 Ω·m。

圖2 永探1井常規(guī)測(cè)井曲線及巖性掃描測(cè)井解釋成果圖

2 火山巖巖性測(cè)井識(shí)別

2.1 巖性掃描測(cè)井巖性識(shí)別

研究火山巖的巖性，需首先弄清其巖石化學(xué)成分。目前，國(guó)際地科聯(lián)通用的火山巖巖性分類標(biāo)準(zhǔn)為TAS（Total Alkali Silica）圖版分類法，也叫硅—堿分類法，它主要針對(duì)火山巖化學(xué)成分及含量進(jìn)行分類，根據(jù)SiO2的含量可將火山巖分為超基性、基性、中性和酸性4個(gè)大類。

巖性掃描測(cè)井能夠直接測(cè)定巖石相關(guān)元素質(zhì)量百分含量，是能從巖石成分角度解決巖性識(shí)別問(wèn)題的測(cè)井方法，在火山巖巖性識(shí)別方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[11-14]。LithoScanner巖性掃描測(cè)井利用脈沖中子與地層元素作用，產(chǎn)生伽馬能譜，在不同的時(shí)窗內(nèi)，測(cè)量伽馬值的非彈性能譜和俘獲能譜進(jìn)而確定地層中的各種元素含量。通過(guò)地球化學(xué)氧化物閉合模型進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)元素與礦物百分含量之間的轉(zhuǎn)換，得到地層敏感元素的氧化物（如SiO2、K2O、Na2O、AL2O3等）的質(zhì)量百分含量，最后，根據(jù)該計(jì)算結(jié)果直接應(yīng)用于TAS圖版確定火山巖的巖性。

據(jù)圖2可知，永探1井巖性掃描測(cè)井按各元素含量和SiO2含量可分成兩段：第一段井深介于5620～5 668 m，巖性掃描測(cè)井結(jié)果表現(xiàn)出高硅、高硫、低鈣、富鐵、富鈉的特征，SiO2含量普遍高于40%，全堿（K2O＋Na2O）含量高于6%，鈣元素含量普遍低于6%；第二段井深介于5 668～5 720 m，巖性掃描測(cè)井結(jié)果表現(xiàn)出高鈣、低硅，低硫、低鈉、低鐵的特征，SiO2含量普遍低于40%，全堿（K2O＋Na2O）含量低于6%，鈣元素含量普遍高于10%。通過(guò)LithoScanner巖性掃描測(cè)井解譜之后的礦物成分剖面顯示，5 668 m井段上下方解石含量具有明顯變化，該井段以上的地層方解石含量很少，5 668 m以下的地層方解石含量隨深度增加而增高，巖心薄片和錄井巖屑證實(shí)方解石主要為下伏茅口組石灰?guī)r成分。因此鈣元素含量間接反映了永探1井火山巖中茅口組石灰?guī)r角礫的含量。由于利用TAS圖版確定的火山巖巖性主要是母源（巖漿）信息，對(duì)于火山碎屑巖、熔結(jié)角礫巖和角礫熔巖往往含有異源成分，利用TAS圖版識(shí)別火山巖巖性時(shí)會(huì)有一定誤差。永探1井5 668 m以深的方解石均為異源的茅口組石灰?guī)r角礫，在采用TAS圖版確定永探1井巖石化學(xué)成分時(shí)需對(duì)方解石進(jìn)行剔除，考慮到Ca元素主要為茅口組石灰?guī)r的貢獻(xiàn)，將得到的CaO去掉后，對(duì)剩余氧化物進(jìn)行歸一化處理，進(jìn)而得到去鈣后的SiO2和Na2O＋K2O相對(duì)含量。

圖3為永探1井利用巖性掃描測(cè)井去除鈣元素之前和去鈣元素之后得到的SiO2和Na2O＋K2O相對(duì)含量在TAS圖版上的分布情況，未作剔除異源成分之前，部分樣點(diǎn)SiO2含量在30%左右，已偏離TAS圖版中火山巖區(qū)域。通過(guò)去除異源成分之后，永探1井巖性掃描測(cè)井得到的SiO2和Na2O＋K2O相對(duì)含量在TAS圖版上主要落在堿玄武巖和玄武巖區(qū)，且分布比較集中，更加符合地質(zhì)規(guī)律。由此可以確定，永探1井火山巖主要為基性的堿玄武巖和玄武巖，SiO2平均含量為42.7%，Na2O＋K2O平均含量為6.5%。

圖3 永探1井去鈣前、后TAS圖版的分布情況圖

2.2 交會(huì)圖法巖性識(shí)別

永探1井火山巖整體放射性較低，自然伽馬值（分布范圍38～60 API）和無(wú)鈾自然伽馬值（分布范圍32～54 API）沒(méi)有明顯變化，通過(guò)對(duì)比國(guó)內(nèi)外火山巖放射性[15-18]，整體反映出基性火山巖的放射性特征，無(wú)法進(jìn)一步細(xì)分巖性。因此，根據(jù)自然伽馬或自然伽馬能譜測(cè)井基本無(wú)法判斷永探1井巖性。中子測(cè)井（CNL）由于受地層巖性、流體性質(zhì)影響較大，且受火山巖蝕變程度影響，次生的綠泥石、沸石等含有大量的結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水往往造成中子異常偏高，不利于火山巖巖性識(shí)別。通過(guò)對(duì)永探1井取心段測(cè)井資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和標(biāo)定，確定了對(duì)永探1井火山巖巖性反應(yīng)敏感的測(cè)井參數(shù)主要為密度（DEN）、聲波時(shí)差（AC）和電阻率（RT）曲線（圖4），由此建立了研究區(qū)火山巖常規(guī)測(cè)井巖性識(shí)別圖版。

圖5為永探1井密度與聲波時(shí)差和密度與深電阻率交會(huì)圖。從圖5中可以看出，永探1井玄武巖具有高密度、高電阻率和低聲波時(shí)差的特點(diǎn)，巖性致密，密度值多大于2.8 g/cm3，聲波時(shí)差低于60 μs/ft，電阻率大于300 ?·m。含角礫凝灰熔巖密度主要介于2.6～2.8 g/cm3，聲波時(shí)差介于60～70 μs/ft，電阻率值較低。角礫熔巖密度較低，集中分布于2.6 g/cm3附近，聲波時(shí)差介于70～80 μs/ft，測(cè)井電阻率值介于3～5 ?·m。由此可知，永探1井由火山熔巖至含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖，隨著角礫含量的增多，密度逐漸減小，聲波時(shí)差逐漸增大，電阻率呈降低趨勢(shì)。

2.3 成像測(cè)井結(jié)構(gòu)識(shí)別

不同的火山巖巖相其結(jié)構(gòu)和構(gòu)造具有明顯差異，而火山巖巖性明顯受控于火山巖巖相，因此，通過(guò)成像測(cè)井識(shí)別的火山巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征可以間接反映火山巖巖性[19-20]。

永探1井成像測(cè)井為斯倫貝謝FMI高分辨率成像測(cè)井，為火山巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造識(shí)別提供了良好的資料基礎(chǔ)。通過(guò)巖心刻度成像測(cè)井，永探1井發(fā)育3種主要的火山巖結(jié)構(gòu)（圖6）。結(jié)合常規(guī)測(cè)井識(shí)別的巖性，3種火山巖結(jié)構(gòu)與巖性對(duì)應(yīng)良好。

圖4 永探1井火山巖巖性測(cè)井響應(yīng)特征圖

圖5 永探1井區(qū)火山巖巖性常規(guī)測(cè)井識(shí)別圖版

2.3.1 熔巖結(jié)構(gòu)

在FMI成像測(cè)井靜態(tài)圖像顏色整體表現(xiàn)為高阻塊狀結(jié)構(gòu)，巖性較為均一，無(wú)暗色或亮色粒狀特征，整體較均一，偶見(jiàn)暗色鉆井誘導(dǎo)縫或裂縫切割，一般為火山活動(dòng)中后期產(chǎn)物，巖性以溢流相玄武巖為主。

2.3.2 角礫結(jié)構(gòu)

FMI動(dòng)態(tài)加強(qiáng)圖整體表現(xiàn)為稍暗背景上的暗色斑塊和亮色斑塊雜亂分布。角礫多為亮色斑塊，有一定磨圓度，規(guī)模較小，多懸浮于低阻暗色礦物之間，主要見(jiàn)于含角礫凝灰熔巖，屬火山活動(dòng)中期產(chǎn)物，反映火山活動(dòng)能量減弱，角礫被熔巖裹挾流動(dòng)。

2.3.3 集塊結(jié)構(gòu)

FMI靜態(tài)圖上整體表現(xiàn)為暗色，而動(dòng)態(tài)加強(qiáng)圖顏色整體表現(xiàn)為雜色，火山角礫通常為邊緣不規(guī)則的高阻亮塊，角礫規(guī)模大，磨圓度差，呈堆疊狀，礫間則為暗色的低阻礦物充填，從而形成了亮斑角礫和暗斑雜亂分布的圖像特征，該巖性反映了較強(qiáng)的火山巖活動(dòng)，為火山活動(dòng)初期或高潮期產(chǎn)物，火山能量較強(qiáng)。

3種結(jié)構(gòu)隨火山角礫規(guī)模和含量的減少反映了火山能量爆發(fā)的逐漸減弱直至火山活動(dòng)的終止，由下而上組成了一個(gè)完整的火山噴發(fā)旋回。

圖7 永探1井火山巖巖性常規(guī)測(cè)井及成像測(cè)井綜合圖

2.4 測(cè)井巖性識(shí)別綜合研究

本次研究，利用LithoScanner元素掃描測(cè)井和常規(guī)測(cè)井確定永探1井火山巖成分和巖性，結(jié)合成像測(cè)井識(shí)別火山巖結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，開(kāi)展單井巖性和構(gòu)造縱向精細(xì)評(píng)價(jià)（圖7）。永探1井火山巖可劃分為3個(gè)期次，巖性以含角礫凝灰熔巖為主，角礫熔巖次之，玄武巖含量最少，角礫自下而上逐漸變小變少，反映火山活動(dòng)能量逐漸減弱。該井測(cè)試井段為最上面兩個(gè)旋回，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層巖性主要為含角礫凝灰熔巖。因此，尋找規(guī)模優(yōu)質(zhì)噴溢相含角礫凝灰熔巖儲(chǔ)層是四川盆地火山巖氣藏下一步勘探的重點(diǎn)。

3 儲(chǔ)層參數(shù)定量評(píng)價(jià)技術(shù)

與沉積巖類不同，組成火山巖的礦物多為玻璃質(zhì)，物理方法無(wú)法確定礦物含量，進(jìn)而導(dǎo)致火山巖沒(méi)有統(tǒng)一的骨架響應(yīng)參數(shù)。

在計(jì)算永探1井基性火山巖儲(chǔ)集層的基質(zhì)孔隙度時(shí)，對(duì)比分析了4種不同方法的適用性。

第一種方法為柱塞樣和全直徑樣品測(cè)得的巖心孔隙度和巖心密度進(jìn)行分析（圖8），得到密度與孔隙度的擬合關(guān)系來(lái)進(jìn)行計(jì)算；另外兩種方法分別采用LithoScanner元素掃描測(cè)井反算的變骨架密度和變骨架聲波時(shí)差計(jì)算孔隙度；最后一種是采用密度—聲波交會(huì)圖計(jì)算的孔隙度，密度和聲波仍采用LithoScanner巖性掃描測(cè)井在連續(xù)深度上計(jì)算出的變骨架密度和變骨架聲波時(shí)差值。

圖8 永探1井巖心孔隙度—密度關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖9 為永探1井取心段采用4種方法計(jì)算的孔隙度對(duì)比圖。第一道為變聲波時(shí)差孔隙度，第二道為變骨架密度孔隙度，第三道為變密度—聲波孔隙度，最右道為利用巖心擬合關(guān)系計(jì)算的密度擬合孔隙度。對(duì)比分析表明采用變骨架密度和變骨架聲波時(shí)差交會(huì)的孔隙度與巖心分析結(jié)果吻合最好。

圖10 不同礦物的Sigma值圖

4 儲(chǔ)層流體性質(zhì)識(shí)別技術(shù)

受地層含導(dǎo)電礦物、高礦化度泥漿濾液侵入以及蝕變礦物高束縛水含量的影響，永探1井儲(chǔ)層段電阻率很低。利用傳統(tǒng)的電阻率法識(shí)別流體性質(zhì)具有很強(qiáng)的局限性，本次研究主要通過(guò)非電法測(cè)井開(kāi)展流體性質(zhì)判別。

圖9 永探1井測(cè)井計(jì)算孔隙度與巖心孔隙度對(duì)比圖

4.1 泊松比—體積壓縮系數(shù)交會(huì)

泊松比和流體壓縮系數(shù)對(duì)儲(chǔ)層的響應(yīng)特征非常敏感，相對(duì)于水層，氣層的泊松比會(huì)明顯減小，流體壓縮系數(shù)明顯增大[16]。利用泊松比和流體壓縮系數(shù)的這一反向變化特征，在同一曲線道中采用不同比例刻度這兩條曲線，使其在致密段完全重合，根據(jù)兩條曲線重疊顯示的包絡(luò)線面積大小就可以判斷和預(yù)測(cè)儲(chǔ)層的流體性質(zhì)。

4.2 宏觀俘獲截面Sigma指數(shù)法

宏觀俘獲截面Sigma由巖性掃描測(cè)井測(cè)量得到。不同巖性及流體的Sigma值不同（圖10），因此，宏觀俘獲截面Sigma可以反映地層巖性和流體的變化。通常氣的Sigma值較低，一般小于10，水的Sigma值與地層水礦化度有很大關(guān)系。相同礦化度條件下，隨著地層含水量的增加，巖石的宏觀俘獲截面將逐漸增大，相同含水量條件下，隨著地層水礦化度的增加，巖石的宏觀俘獲截面將逐漸增大，對(duì)于相同巖性和物性的儲(chǔ)集層，水層的俘獲截面Sigma明顯增大[17]，因而可用Sigma識(shí)別儲(chǔ)層含氣性。

圖11為永探1井火山巖段流體性質(zhì)判別成果圖，右邊兩道分別為泊松比—體積壓縮系數(shù)交會(huì)和巖性掃描熱中子宏觀俘獲截面流體識(shí)別成果，可以看出永探1井段5 628～5 675 m含氣性相對(duì)較好，井段5 675～5 730 m含方解石段含氣性相對(duì)較差。實(shí)際測(cè)試5 628～5 644 m、5 646～5 675 m井段，產(chǎn)純氣 22.5×104m3/d。

圖11 永探1井火山巖流體識(shí)別圖

5 結(jié)論

1）永探1井火山巖巖性復(fù)雜，常規(guī)測(cè)井和巖性掃描測(cè)井反映整體以基性火山巖為主，放射性低，結(jié)合巖心和測(cè)井資料，永探1井巖性主要為玄武巖、含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖。

2）永探1井自下而上可劃分出3個(gè)次級(jí)噴發(fā)旋回，測(cè)試獲氣井段巖性主要為含角礫凝灰熔巖，因此尋找規(guī)模優(yōu)質(zhì)噴溢相含角礫凝灰熔巖儲(chǔ)層是四川盆地火山巖下一步勘探的重點(diǎn)。

3）永探1井儲(chǔ)集空間以微米級(jí)孔隙為主，巖心實(shí)驗(yàn)分析和測(cè)井定量評(píng)價(jià)表明，永探1井具高孔隙、低滲透特征，采用變骨架密度和變骨架聲波時(shí)差交會(huì)法計(jì)算的孔隙度與巖心孔隙度吻合最好。

4）受多種因素的影響，電阻率法對(duì)火山巖流體識(shí)別難度大，利用非電法的熱中子宏觀俘獲截面、縱橫波速度比、泊松比等判別方法在永探1井應(yīng)用效果良好。

5）火山巖巖性復(fù)雜、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)、流體性質(zhì)判別難，應(yīng)系統(tǒng)開(kāi)展火山巖巖性巖相劃分、儲(chǔ)層測(cè)井參數(shù)建模和導(dǎo)電機(jī)理研究，推廣測(cè)井新技術(shù)在火山巖中的應(yīng)用，同時(shí)取全取準(zhǔn)測(cè)井資料是該盆地下一步火山巖勘探取得進(jìn)展的重要保障。