基于錄測(cè)井資料的沉積微相定量識(shí)別方法研究
——以渤中26-X構(gòu)造為例

陳 靖

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452)

隨著渤海油田油氣勘探程度不斷深入，可供選擇的勘探目標(biāo)規(guī)模變小、隱蔽性增強(qiáng)、構(gòu)造背景復(fù)雜[1]，為了搞清油氣分布規(guī)律，對(duì)沉積環(huán)境的研究要求更加精細(xì)，精確劃分沉積微相已成為現(xiàn)階段研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的沉積微相識(shí)別方法是以巖心分析為核心，通過對(duì)巖心觀察獲取反映地下地質(zhì)情況的巖石顏色、沉積構(gòu)造等特征，結(jié)合巖石樣品分析結(jié)果，并與測(cè)井曲線對(duì)比，綜合判斷沉積微相類型。沉積微相識(shí)別目前仍然停留在以人工判別為主的定性階段，無統(tǒng)一的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，其結(jié)果受人為主觀因素影響較大。每個(gè)人對(duì)巖心發(fā)育的沉積構(gòu)造、測(cè)井曲線的形態(tài)認(rèn)知都可能存在差異，導(dǎo)致出現(xiàn)不同的看法。即使具有相同的認(rèn)識(shí)，對(duì)它們所形成的組合也會(huì)存在多種解釋，從而使沉積微相劃分結(jié)論產(chǎn)生偏差。因此有必要研究一種沉積微相定量識(shí)別方法，解決人工定性判別差異較大的難題。

本文提出利用測(cè)井曲線結(jié)合錄井資料定量識(shí)別沉積微相的方法，選取渤海油田渤中26-X構(gòu)造多口探井資料，通過明確新近系明化鎮(zhèn)組下段沉積微相類型，采用錄測(cè)井資料與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合的方式定量識(shí)別沉積微相，其識(shí)別結(jié)果與地質(zhì)劃分結(jié)果吻合度高，表明該方法對(duì)后續(xù)沉積微相研究具有一定的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

渤中26-X構(gòu)造處于渤海海域南部，構(gòu)造位于黃河口凹陷西北洼，屬于渤南低凸起西段南側(cè)大斷層下降盤[2]，是一個(gè)復(fù)雜斷塊(圖1)。早期受邊界大斷層影響，形成斷裂背斜的構(gòu)造背景；晚期受次級(jí)斷層影響，淺層形成大量復(fù)雜斷塊構(gòu)造，為渤中26-X構(gòu)造油氣聚集提供了有利條件。

圖1 區(qū)域構(gòu)造位置

鉆井揭示渤中26-X構(gòu)造淺部地層以第四系和新近系為主，主要包括平原組、明化鎮(zhèn)組以及館陶組，其中新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組均鉆遇油氣顯示。新近系明化鎮(zhèn)組下段(以下簡稱明下段)是該構(gòu)造的主要含油氣層系，也是本次研究的目的層段。

1.2 明下段沉積微相類型

通過對(duì)研究區(qū)巖心觀察，結(jié)合測(cè)井曲線特征、錄井巖性數(shù)據(jù)以及前人研究成果，綜合分析判定區(qū)內(nèi)明下段普遍發(fā)育淺水三角洲前緣亞相，并可進(jìn)一步細(xì)分為水下分流河道、水下天然堤、水下決口扇、水下分流間灣等沉積微相[3]。

1.2.1 水下分流河道

水下分流河道為陸上分支河道延伸進(jìn)入水下的部分，沉積物顆粒分選較好，粒度均勻，巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，平行層理、交錯(cuò)層理較為發(fā)育，底部常發(fā)育沖刷面。砂體厚度一般為4～15 m，正韻律特征明顯(圖2a)。

自然電位和自然伽馬曲線形態(tài)均以箱形和鐘形為主，自然電位值為62.56～88.64 mV，自然伽馬值為53.67～62.29 API。箱形曲線多反映物源充足，砂體分布穩(wěn)定的特征；鐘形曲線則反映物源由強(qiáng)到弱的過程，可能為河道側(cè)緣砂體向河道主砂體過渡。由于泥質(zhì)含量低，電阻率值較高，曲線呈現(xiàn)高幅度的鐘形、箱形或二者疊加。

1.2.2 水下天然堤

水下天然堤是水下分流河道兩側(cè)的砂脊，退潮時(shí)可部分出露水面而成為砂坪[4]。巖性相對(duì)較細(xì)，主要為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，常見流水形成的波狀層理，局部發(fā)育流水與波浪共同作用形成的交錯(cuò)層理，可見沖刷、充填等構(gòu)造。砂體厚度一般為1～3 m，大多數(shù)垂向韻律不明顯，少量呈正韻律特征(圖2b)。

自然電位和自然伽馬曲線形態(tài)均為鐘形，自然電位值為62.75～67.98 mV，自然伽馬值為59.31～65.73 API。由于泥質(zhì)含量較高，電阻率值低，曲線呈指狀尖峰特征。

1.2.3 水下決口扇

水下決口扇是水下天然堤受高能水流沖擊發(fā)生決口沉積形成的產(chǎn)物。巖性與水下天然堤類似，以粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，發(fā)育平行層理、波紋層理等。砂體厚度一般為2～6 m，垂向呈下細(xì)上粗的反韻律特征，平面上呈扇形展布，并與河道相交(圖2c)。

自然電位和自然伽馬曲線形態(tài)呈漏斗形，中-低幅齒化，自然電位值為49.67～58.47 mV，自然伽馬值為66.18～73.96 API。電阻率曲線齒化特征明顯，與自然伽馬曲線形態(tài)類似。

1.2.4 水下分流間灣

水下分流間灣處于地勢(shì)相對(duì)低洼的湖灣地區(qū)，巖性以泥巖為主，夾雜薄層粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，水體較平靜，屬于低能穩(wěn)定沉積環(huán)境，水平層理常見，局部發(fā)育透鏡狀層理，垂向上無明顯韻律特征(圖2d)。

圖2 明下段沉積微相特征

由于巖性以泥質(zhì)沉積為主，自然電位和自然伽馬曲線形態(tài)均近平直并具鋸齒狀，當(dāng)夾雜薄層砂巖時(shí)，呈低幅指狀，自然電位值為42.85～48.79 mV，自然伽馬值為72.69～80.27 API；電阻率值低，曲線整體較平直。

2 沉積微相定量識(shí)別方法

2.1 基本原理

錄井巖屑資料可以客觀反映地層縱向變化特征，具有較高的使用價(jià)值。此外巖屑資料的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于巖心樣品，而且不同于巖心僅能反映砂體局部特征，巖屑資料的連續(xù)性好，具有大尺度對(duì)比的優(yōu)勢(shì)，可以解決沉積微相研究需要巖心樣品較多的難題[5]。通過觀察巖屑可以直接獲取巖石顏色、巖性和含油性等宏觀信息，與測(cè)井曲線反映的地層微觀信息互補(bǔ)。因此將測(cè)井曲線與地質(zhì)錄井資料充分結(jié)合，提取曲線數(shù)值和形態(tài)，利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行量化表征，并且采用主成分分析法將多個(gè)特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)識(shí)別參數(shù)，最后選取該識(shí)別參數(shù)和錄井巖性數(shù)據(jù)對(duì)沉積微相定量識(shí)別，實(shí)現(xiàn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)邏輯判別與地質(zhì)意義的有機(jī)結(jié)合。

2.2 選取測(cè)井特征參數(shù)

從測(cè)井曲線中提取反映沉積微相的特征參數(shù)，是沉積微相定量識(shí)別的關(guān)鍵[6]。本次研究主要使用測(cè)井曲線中的形態(tài)類參數(shù)對(duì)沉積微相定量識(shí)別，選擇合適的測(cè)井曲線是重點(diǎn)。所選測(cè)井曲線既要保證數(shù)量充足，可以覆蓋整個(gè)研究區(qū)，又能反映地層巖性、物性、電性等特征。根據(jù)以上原則，選擇自然電位、自然伽馬以及深側(cè)向電阻率、淺側(cè)向電阻率四條測(cè)井曲線作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)各類沉積微相對(duì)應(yīng)的測(cè)井曲線數(shù)值范圍(表1)。

表1 明下段各類沉積微相測(cè)井曲線數(shù)值范圍

在此基礎(chǔ)之上，通過對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行分析，明確特征參數(shù)與沉積微相之間的聯(lián)系。經(jīng)研究表明，測(cè)井曲線的幅度、形狀、頂?shù)捉佑|關(guān)系、光滑程度四個(gè)特征參數(shù)與沉積微相相關(guān)性較好。

2.2.1 曲線幅度

主要指測(cè)井曲線形態(tài)相對(duì)于泥巖基線的變化，可分為低幅、中幅和高幅。幅度大小可以反映出沉積物的粒度、分選性、泥質(zhì)含量等沉積特征的變化。根據(jù)測(cè)井曲線幅度的變化，可以了解沉積環(huán)境能量的變化情況[7-8]。儲(chǔ)集物性較好的砂巖通常幅度值高，反映水體能量高。

2.2.2 曲線形狀

主要指測(cè)井曲線形態(tài)的輪廓，常見形狀包括箱形、鐘形、漏斗形、平直狀等。形狀特征可以反映沉積物巖性、粒度的垂向變化情況，間接表明沉積過程中物源供應(yīng)狀況和水體能量變化特征[9]。

2.2.3 頂?shù)捉佑|關(guān)系

主要指測(cè)井曲線頂、底部形態(tài)的變化趨勢(shì)，包括漸變和突變兩種類型。頂?shù)捉佑|關(guān)系可以反映早期砂體沉積和晚期砂巖沉積時(shí)物源供應(yīng)和水體能量的變化速度。頂部漸變表明物源供應(yīng)逐漸減少并至中斷，底部漸變表明物源供應(yīng)持續(xù)增加；頂部突變表明物源供應(yīng)突然中斷，底部突變表明與下伏巖層可能存在不整合接觸關(guān)系[10]。

2.2.4 曲線光滑程度

主要指測(cè)井曲線形態(tài)的波動(dòng)性，可分為光滑、微齒和齒化三級(jí)。曲線光滑程度可以反映沉積環(huán)境的穩(wěn)定性，一般測(cè)井曲線光滑說明物源供應(yīng)充足且水體能量穩(wěn)定，測(cè)井曲線齒化則說明水體能量不穩(wěn)定，存在間歇性變化。

2.3 特征參數(shù)計(jì)算

通過對(duì)測(cè)井曲線進(jìn)行計(jì)算可以得到反映沉積微相的特征參數(shù)，為了使各特征參數(shù)有利于橫向?qū)Ρ?，需要?duì)測(cè)井曲線進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，經(jīng)過處理的測(cè)井曲線數(shù)值介于0～1之間。

(1)

式中：Y為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)；X為原始測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)；Xmin為曲線最小值；Xmax為曲線最大值。

2.3.1 測(cè)井平均值

主要反映曲線幅度大小。

(2)

式中：V為測(cè)井平均值；Y(i)為測(cè)井曲線第i個(gè)深度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化值；N為沉積微相井段內(nèi)的深度點(diǎn)數(shù)。

2.3.2 相對(duì)重心

主要反映曲線形態(tài)的輪廓，由于各個(gè)井段的長度不同，利用絕對(duì)重心對(duì)比較為困難，可以使用相對(duì)重心，即絕對(duì)重心除以井段內(nèi)深度點(diǎn)數(shù)[11]。相對(duì)重心偏下方(W>0.5)曲線形態(tài)為鐘形，相對(duì)重心偏上方(W<0.5)曲線形態(tài)為漏斗形，相對(duì)重心居中(W=0.5)則曲線形態(tài)為箱形或平直。

(3)

式中：W為相對(duì)重心。

2.3.3 平均斜率

主要反映曲線形態(tài)變化的速率，其計(jì)算結(jié)果可以表明頂?shù)捉佑|關(guān)系。由平均斜率可以獲取曲線與水平線的夾角，對(duì)于砂巖增幅測(cè)井曲線，夾角小于80°時(shí)呈鐘形，夾角為80°～100°時(shí)呈箱形或平直狀，夾角大于100°時(shí)呈漏斗形。

(4)

(5)

2.3.4 突變幅度

主要反映曲線形態(tài)變化的趨勢(shì)，其計(jì)算結(jié)果可以表明頂?shù)捉佑|關(guān)系。一般數(shù)值越大表明曲線形態(tài)為突變，反之則為漸變。

Z=Zmax-Zmin

(6)

式中：Z為突變幅度；Zmax為突變處最大幅度，Zmin為突變處最小幅度。

2.3.5 變差方差根

主要反映曲線整體波動(dòng)性程度和平滑性，GS值大表明曲線波動(dòng)頻繁，平滑性較差；GS值小表明曲線相對(duì)穩(wěn)定，平滑性較好。

(7)

(8)

(9)

式中：GS為變差方差根；G1為變異函數(shù)，反映微相段內(nèi)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的局部波動(dòng)性；S2為方差，反映微相段內(nèi)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的整體波動(dòng)性；M(h)為間隔為h小時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)[Y(i)，Y(i+h)]的數(shù)目。

根據(jù)上述選取的測(cè)井特征參數(shù)，針對(duì)研究區(qū)已鉆探井的自然電位、自然伽馬以及深淺側(cè)向電阻率測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以獲得區(qū)內(nèi)明下段主要的四種沉積微相測(cè)井特征參數(shù)值。由于四條測(cè)井曲線分析方法相同，本文僅以自然電位曲線特征參數(shù)舉例說明(表2)。

表2 明下段各類沉積微相自然電位特征參數(shù)平均值

2.4 主成分分析

通過上述方法可以得到五個(gè)特征參數(shù)，但是利用這些特征參數(shù)對(duì)沉積微相進(jìn)行量化識(shí)別的時(shí)候仍然存在著數(shù)據(jù)量巨大，區(qū)分度小的問題，因此考慮用較少的變量去替代原始資料中的大部分變量[12]。引入主成分分析降維算法，通過線性變化把高維空間的數(shù)據(jù)沿著區(qū)分度最小的方向映射到低維度空間，提取數(shù)據(jù)的主要特征分量，降低數(shù)據(jù)維度，從而實(shí)現(xiàn)簡化計(jì)算、提升效率的目的。

根據(jù)主成分分析的數(shù)學(xué)原理，假設(shè)數(shù)據(jù)之間存在線性關(guān)系，可以使用線性投影的方法獲得一個(gè)低維數(shù)據(jù)，且該數(shù)據(jù)應(yīng)保持原始數(shù)據(jù)協(xié)方差結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程可以用最大總體方差表示，用來衡量信息量的情況，一般信息量越大，方差越高；信息量越少，方差越小。主成分分析實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)坐標(biāo)變換的過程，向方差最大的方向線性投影形成新的坐標(biāo)系，在這個(gè)過程中實(shí)現(xiàn)多參數(shù)轉(zhuǎn)換為單一參數(shù)，降低數(shù)據(jù)特征的維度并保留原始數(shù)據(jù)的大部分信息[13]，具體算法步驟如下所示：

通過計(jì)算機(jī)編輯降維函數(shù)，計(jì)算出矩陣T后，實(shí)現(xiàn)對(duì)原始矩陣A的降維。將測(cè)井平均值V、相對(duì)重心W、平均斜率K、突變幅度Z、變差方差根GS五個(gè)特征參數(shù)，降維為一個(gè)參數(shù)，其形式為：

B=a1V+a2W+a3K+a4Z+a5GS

(10)

式中：B為沉積微相綜合識(shí)別參數(shù)；a1、a2、a3、a4、a5為主成分的系數(shù)向量。

2.5 建立定量識(shí)別模型

根據(jù)上述原理，選取研究區(qū)已鉆探井的自然電位測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)明下段四種沉積微相進(jìn)行計(jì)算，并建立了研究區(qū)沉積微相識(shí)別模型，具體結(jié)果如下所示。

水下分流河道：B1=5.62V+4.25W+1.23K+0.42Z+0.92GS

水下天然堤：B2=4.98V+3.87W+1.15K+0.36Z+0.84GS

水下決口扇：B3=4.56V+3.12W+1.24K+0.28Z+0.58GS

水下分流間灣：B4=3.85V+2.47W+1.57K+0.16Z+0.45GS

新的測(cè)井曲線可以利用上述方法提取特征參數(shù)數(shù)值，由于不同的沉積微相具有不同的識(shí)別模型，對(duì)于新的待識(shí)別樣本，按照使識(shí)別模型判別函數(shù)達(dá)到最大值即歸為第b*類沉積微相的原則，首先利用可信度Qb*函數(shù)初步判別其屬于哪類沉積微相，之后將特征參數(shù)數(shù)值代入該類沉積微相主成分計(jì)算公式，獲取綜合識(shí)別參數(shù)B的數(shù)值，依據(jù)研究區(qū)已建立的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)(表3)，確定其沉積微相類型。

表3 明下段各類沉積微相識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

(11)

(12)

式中：Qb*為待識(shí)別樣本屬于第b*類沉積微相的概率；F(b)為待識(shí)別微相樣本的特征參數(shù)代入各個(gè)沉積微相識(shí)別模型公式后的函數(shù)值；F(b*)為待識(shí)別微相樣本在所有沉積微相判別函數(shù)值中的最大值；b為沉積微相類型數(shù)目；b*為識(shí)別模型判別函數(shù)值最大的沉積微相類別。

通過對(duì)研究區(qū)錄井巖性資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)明下段沉積微相與巖性有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在各沉積微相中，水下分流河道主體巖性以細(xì)砂巖為主，水下天然堤巖性基本上為粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，水下決口扇巖性以泥質(zhì)粉砂巖為主，水下分流間灣巖性以泥巖為主，夾雜薄層粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖。自水下分流河道至水下分流間灣沉積微相，巖性由粗變細(xì)，推測(cè)很可能是沉積微相特征參數(shù)出現(xiàn)相對(duì)較為明顯差異性的原因。

為了進(jìn)一步提高沉積微相定量識(shí)別的精度，在此基礎(chǔ)上，將錄井巖性資料與自然電位曲線特征參數(shù)中反映曲線幅度大小的“測(cè)井平均值V”相結(jié)合，當(dāng)兩者反映巖性一致時(shí)，表明沉積微相判別結(jié)果較為準(zhǔn)確，如有差異，則說明特征參數(shù)計(jì)算值存在誤差，需重新分析(圖3)。將測(cè)井曲線數(shù)據(jù)與錄井巖性數(shù)據(jù)相匹配，利用錄井巖性資料進(jìn)行校正，可避免單純依靠數(shù)理統(tǒng)計(jì)邏輯判別的缺點(diǎn)，突出了該方法的地質(zhì)意義。此外，通過對(duì)錄井巖性資料進(jìn)行分析，可以明確巖石顏色、類型等，從而間接判斷基于測(cè)井降維數(shù)據(jù)計(jì)算的沉積微相識(shí)別結(jié)果是否準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了兩者相互對(duì)比驗(yàn)證，解決了測(cè)井曲線受環(huán)境影響失真以及受樣本代表性和數(shù)量局限性的影響，可將解釋的準(zhǔn)確率進(jìn)一步提升。

圖3 沉積微相定量識(shí)別流程

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用該方法對(duì)區(qū)內(nèi)新鉆探井BZ26-X-10d井明下段沉積微相進(jìn)行定量識(shí)別，共劃分出42個(gè)沉積微相，并將其識(shí)別結(jié)果與綜合地質(zhì)劃分結(jié)果(實(shí)際結(jié)果)進(jìn)行對(duì)比，有34個(gè)結(jié)果相符，部分對(duì)比結(jié)果見圖4，兩者吻合率為80.95%，說明該方法具備較好的實(shí)用性。

圖4 BZ26-X-10d井沉積微相定量識(shí)別結(jié)果對(duì)比

在準(zhǔn)確識(shí)別單井沉積微相的基礎(chǔ)上，通過分析研究區(qū)已鉆探井測(cè)井曲線特征，參考砂巖厚度及各油組的分布趨勢(shì)，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地震相及地質(zhì)相的劃分結(jié)果，對(duì)明下段Ⅲ油組、Ⅳ油組沉積微相的平面展布特征進(jìn)行預(yù)測(cè)，可為有利目標(biāo)區(qū)的確定提供依據(jù)。其中，Ⅲ油組、Ⅳ油組整體發(fā)育以水下分流河道為沉積主體的淺水三角洲沉積，呈近北東向條帶狀分布，出現(xiàn)一定程度彎曲，局部發(fā)育水下天然堤、水下決口扇沉積；受河控作用影響，近岸水下分流河道稍寬，沿湖盆方向水下分流河道寬度逐漸變窄(圖5)。

圖5 明下段Ⅲ、Ⅳ油組沉積微相平面展布

4 結(jié)論與建議

(1)本次研究將測(cè)井曲線數(shù)據(jù)與錄井巖性數(shù)據(jù)相結(jié)合，依據(jù)典型沉積微相特征，利用數(shù)學(xué)方法定量獲取測(cè)井曲線形態(tài)特征參數(shù)，采用主成分分析法將多個(gè)特征參數(shù)轉(zhuǎn)化為一個(gè)識(shí)別參數(shù)，選取該識(shí)別參數(shù)和錄井巖性數(shù)據(jù)對(duì)沉積微相定量識(shí)別結(jié)果綜合判斷。該方法避免了人為主觀因素所引起的多解性，具有更明確的地質(zhì)意義，經(jīng)驗(yàn)證識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確率較高，其研究思路可為后續(xù)沉積微相定量識(shí)別工作提供參考。

(2)特征參數(shù)的選取對(duì)于沉積微相識(shí)別具有重要意義，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際地質(zhì)情況，合理選擇反映沉積微相變化的特征參數(shù)，使定量識(shí)別結(jié)果更加準(zhǔn)確。

(3)后續(xù)研究應(yīng)在特征參數(shù)計(jì)算時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大樣本數(shù)量，增加各類典型沉積微相的代表性數(shù)據(jù)，使定量識(shí)別模型的適用范圍更加廣泛。