基于巖性掃描測(cè)井的混積巖巖性識(shí)別
——以瑪湖凹陷風(fēng)城組為例

毛銳，申子明，張浩，陳山河，樊海濤

（中國(guó)石油 新疆油田分公司a.勘探開(kāi)發(fā)研究院；b.勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000）

巖性識(shí)別方法主要有巖心鑒定法、常規(guī)測(cè)井法、元素測(cè)井法等，不同方法各有優(yōu)劣。巖心鑒定法是通過(guò)全巖礦物分析獲得礦物含量，通過(guò)巖心薄片鑒定確定巖性，但鉆井取心成本較高，除了關(guān)鍵井外，無(wú)法實(shí)現(xiàn)每口井連續(xù)取心。常規(guī)測(cè)井法通常在巖性鑒定結(jié)果基礎(chǔ)上，構(gòu)建敏感指數(shù)，形成巖性識(shí)別圖版[1-3]，但常規(guī)測(cè)井無(wú)法確定地層中礦物類型及含量，且常規(guī)測(cè)井是巖性、物性、含油性、應(yīng)力特性等的綜合響應(yīng)，利用常規(guī)測(cè)井識(shí)別巖性的多解性較強(qiáng)，巖性識(shí)別符合率低。元素測(cè)井法一般是利用元素氧化物的TAS（Total Alkali Silica，即全堿-硅質(zhì)分類法）圖版識(shí)別巖性[4]，依據(jù)元素含量或者部分礦物含量的變化判斷巖性變化[5-7]，未形成利用礦物含量構(gòu)建巖性敏感參數(shù)識(shí)別巖性的方法。

本文在尋找礦物敏感元素的基礎(chǔ)上，利用巖性掃描測(cè)井資料得到的元素含量，建立礦物含量與敏感元素含量的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算礦物含量。利用長(zhǎng)英質(zhì)礦物含量與碳酸鹽礦物含量的比值構(gòu)建混積巖指數(shù)，利用中子孔隙度與核磁共振總孔隙度的差值構(gòu)建泥質(zhì)指數(shù)，將敏感指數(shù)交會(huì)形成風(fēng)城組混積巖巖性識(shí)別圖版。

1 地質(zhì)概況

瑪湖凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，南與中拐凸起和達(dá)巴松凸起相接，東與夏鹽凸起、英西凹陷和石英灘凸起毗鄰，總面積約5 000 km2。二疊系風(fēng)城組整體為半深—深湖沉積背景下的陸源碎屑巖與內(nèi)源碳酸鹽巖的混積巖[8-10]，自上而下分為風(fēng)三段、風(fēng)二段和風(fēng)一段。風(fēng)三段主要為陸源碎屑沉積的砂巖、砂礫巖和玄武巖；風(fēng)二段和風(fēng)一段為堿湖沉積環(huán)境下的白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖和粉砂巖薄互層，巖性復(fù)雜且變化快[11-12]。風(fēng)城組混積巖孔隙以小孔為主，孔隙直徑為30～200 nm，孔隙連通性差[13]，平均孔隙度為4.61%，平均滲透率為0.134 mD，是典型的特低孔特低滲儲(chǔ)集層[14]。風(fēng)城組發(fā)育堿性湖泊相烴源巖，殘余有機(jī)質(zhì)豐度不高，類型為Ⅰ型—Ⅱ型，大部分處于成熟階段[15-16]。風(fēng)城組整體含油性較好，甜點(diǎn)巖性以粉砂巖和泥質(zhì)白云巖為主[17]。

2 巖石學(xué)特征

風(fēng)城組主要巖性為碳酸鹽巖與陸源碎屑巖混合沉積的混積巖，發(fā)育白云質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、石灰質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖等（圖1）。

圖1 瑪湖凹陷風(fēng)城組混積巖鏡下特征Fig.1.Microscopic features of the diamictite in Fengcheng formation,Mahu sag

通過(guò)瑪湖凹陷風(fēng)城組典型系統(tǒng)取心井的全巖礦物分析及X 射線衍射礦物含量分析可以看出，風(fēng)城組礦物種類復(fù)雜且含量變化大，具有典型的混積巖特征。主要礦物有石英SiO2、鉀長(zhǎng)石KAlSiO3、鈉長(zhǎng)石NaAlSiO3、黃鐵礦FeS2、白云石CaMg（CO3）2、方解石CaCO3以及黏土礦物（圖2）。其中，黏土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含蒙脫石、高嶺石和綠泥石（圖3）。

圖2 瑪湖凹陷風(fēng)城組礦物類型及含量Fig.2.Mineral types and contents of Fengcheng formation,Mahu sag

圖3 瑪湖凹陷風(fēng)城組黏土礦物類型及相對(duì)含量Fig.3.Clay mineral types and contents of Fengcheng formation,Mahu sag

3 礦物含量計(jì)算

通過(guò)巖性掃描測(cè)井能夠獲得較為準(zhǔn)確的硅、鋁、鈣、鐵、鈉等元素的含量[18]，但是針對(duì)巖性掃描測(cè)井開(kāi)發(fā)的全閉合模型無(wú)法明確長(zhǎng)英質(zhì)礦物（如石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石等）的類型及含量，且計(jì)算的黏土礦物含量往往偏大。以巖性掃描測(cè)井獲得的高精度元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，尋找礦物的敏感元素，建立礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與敏感元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算礦物含量。

假設(shè)地層中元素i全部來(lái)源于礦物A，那么元素i是礦物A的敏感元素，定義礦物A的相對(duì)分子質(zhì)量與元素i的相對(duì)原子質(zhì)量之比為礦物A與元素i的轉(zhuǎn)換系數(shù)，礦物A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中λ(i)——礦物A與元素i的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

ω(A)——礦物A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

ω(i)——巖性掃描測(cè)井獲得的元素i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

通常地層中多種礦物含有同種元素，假設(shè)地層中礦物A和礦物B共有元素j，在礦物A中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中λ(j_A)——礦物A中元素j的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

ω(j_A)——礦物A與元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

礦物B中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中ω(j)——巖性掃描測(cè)井測(cè)得的地層中元素j的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

ω(j_B)——礦物B中元素j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

此時(shí)，礦物B中元素j即為計(jì)算礦物B質(zhì)量分?jǐn)?shù)的敏感元素，礦物B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

式中λ(j_B)——礦物B與元素j的轉(zhuǎn)換系數(shù)；

ω(B)——礦物B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

由于地層中硫元素全部來(lái)源于黃鐵礦，因此硫元素是黃鐵礦的敏感元素，黃鐵礦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

鈉元素全部來(lái)源于鈉長(zhǎng)石，因此鈉元素是鈉長(zhǎng)石的敏感元素，鈉長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

鉀元素全部來(lái)源于鉀長(zhǎng)石，因此鉀元素是鉀長(zhǎng)石的敏感元素，鉀長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

黏土礦物包括伊利石、蒙脫石、綠泥石等，常含有不同的雜質(zhì)元素，導(dǎo)致黏土礦物化學(xué)式不固定[19]。因此，黏土礦物與元素的轉(zhuǎn)換系數(shù)難以確定，無(wú)法利用（1）式計(jì)算黏土礦物含量。然而，所有黏土礦物都含有鋁元素，可以利用巖性掃描測(cè)井獲得的鋁元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去長(zhǎng)石礦物中鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，得到黏土礦物中鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，利用巖心分析的黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與黏土礦物中鋁元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行擬合（圖4），進(jìn)而計(jì)算黏土礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

圖4 瑪湖凹陷風(fēng)城組黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鋁元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig.4.Relationship between the mass fractions of clay mineral and aluminum in Fengcheng formation,Mahu sag

式中p、q——線性擬合系數(shù)。

鎂元素全部來(lái)源于白云石，因此鎂元素為白云石的敏感元素，白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

鈣元素來(lái)源于白云石和方解石，因此，利用地層中鈣元素總質(zhì)量分?jǐn)?shù)減去白云石中鈣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而計(jì)算方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

由于長(zhǎng)石、黏土礦物、石英等都含有硅元素，且黏土礦物種類較多，難以確定黏土礦物中硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，因此，石英的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可利用非石英礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的總和計(jì)算：

4 巖性圖版建立

地層中黃鐵礦含量與黏土礦物含量較穩(wěn)定，且二者含量之和通常為5.0%～11.0%，平均為6.8%。影響風(fēng)城組混積巖巖性的主要礦物為石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、白云石和方解石。由于混積巖為陸源碎屑礦物與碳酸鹽礦物混合沉積，巖石中的陸源碎屑礦物含量與碳酸鹽礦物含量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，采用陸源碎屑礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和與碳酸鹽礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)之和的比值構(gòu)建混積巖指數(shù)MSP：

風(fēng)城組混積巖以細(xì)粒沉積為主，含有大量泥質(zhì)，因此，構(gòu)建巖性敏感參數(shù)還需要考慮泥質(zhì)含量的變化。泥巖與粉砂巖、白云巖的泥質(zhì)結(jié)晶水含量不同，中子測(cè)井可探測(cè)地層中所有物質(zhì)的含氫指數(shù)，而核磁共振測(cè)井可以探測(cè)除了泥質(zhì)結(jié)晶水外的含氫指數(shù)[20]，因此，采用中子孔隙度?CNL與核磁共振總孔隙度?NMR的差值構(gòu)建泥質(zhì)指數(shù)SHP，以表征地層中泥質(zhì)含量的相對(duì)變化：

將泥質(zhì)指數(shù)與混積巖指數(shù)交會(huì)形成風(fēng)城組巖性識(shí)別圖版（圖5a），將巖性分為泥巖、白云巖和粉砂巖3 類。由于巖石中的陸源碎屑礦物含量與碳酸鹽礦物含量為負(fù)相關(guān)關(guān)系，陸源碎屑礦物含量越大，碳酸鹽礦物含量越小，混積巖指數(shù)越大，巖性為粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖；陸源碎屑礦物含量越小，碳酸鹽礦物含量越大，混積巖指數(shù)越小，巖性為泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖。此外，巖石的泥質(zhì)結(jié)晶水越多，泥質(zhì)指數(shù)越大，巖性為泥巖，反之則為白云巖和粉砂巖。

該圖版中白云質(zhì)粉砂巖與石灰質(zhì)粉砂巖、白云質(zhì)泥巖與石灰質(zhì)泥巖存在重疊區(qū)域，說(shuō)明對(duì)上述巖性區(qū)分度不夠高，因此，利用方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值構(gòu)建灰云指數(shù)CDR：

將泥質(zhì)指數(shù)與灰云指數(shù)交會(huì)形成細(xì)分圖版區(qū)分上述巖性（圖5b）。

圖5 瑪湖凹陷風(fēng)城組混積巖巖性識(shí)別圖版Fig.5.Lithology identification chart for the diamictite in Fengcheng formation，Mahu sag

5 實(shí)例應(yīng)用

瑪頁(yè)1 井是瑪湖凹陷風(fēng)城組的重點(diǎn)探井，利用本文方法計(jì)算礦物含量并進(jìn)行巖性識(shí)別，可以看出，縱向上礦物含量與巖性變化較大，呈現(xiàn)典型的混積巖特征（圖6）。利用巖性掃描測(cè)井計(jì)算的礦物含量與全巖礦物分析的含量對(duì)應(yīng)性好，平均相對(duì)誤差僅為6.5%，巖性測(cè)井識(shí)別結(jié)果符合率高，為90.9%（表1）。由瑪頁(yè)1 井風(fēng)城組射孔段有效孔隙度、日產(chǎn)液量和巖性可以看出，以粉砂巖為主的巖性組合物性好，產(chǎn)液能力強(qiáng)，如1號(hào)段、2號(hào)段和3號(hào)段；以粉砂巖與泥巖互層為主的巖性組合物性較差，產(chǎn)液能力差，如4號(hào)段和6號(hào)段；泥巖的物性和產(chǎn)能均為最差，如8 號(hào)段（表2），進(jìn)一步說(shuō)明巖性對(duì)物性以及甜點(diǎn)質(zhì)量具有控制作用。

表1 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組礦物含量計(jì)算精度與巖性識(shí)別符合情況Table 1 .Accuracy of mineral content calculation and coincidence rate of lithology identification for Fengcheng formation in Well Maye-1

表2 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組射孔段有效孔隙度、日產(chǎn)液量和巖性Table 2 .Effective porosity,daily fluid production and lithology of the perforated intervals in Fengcheng formation in Well Maye-1

圖6 瑪頁(yè)1井風(fēng)城組混積巖礦物含量計(jì)算及巖性識(shí)別結(jié)果Fig.6.Mineral content calculation and lithology identification for Fengcheng formation diamictite in Well Maye-1

6 結(jié)論

（1）瑪湖凹陷風(fēng)城組混積巖是陸源碎屑巖與碳酸鹽巖混合沉積的過(guò)渡性巖石，礦物種類多，礦物含量變化大，礦物含量的準(zhǔn)確計(jì)算是巖性識(shí)別的基礎(chǔ)。

（2）利用巖性掃描測(cè)井精確計(jì)算礦物的關(guān)鍵，是在確定地層礦物種類的基礎(chǔ)上，尋找礦物的敏感元素，然后利用礦物化學(xué)式與敏感元素的關(guān)系，獲得礦物含量。

（3）常規(guī)測(cè)井巖性識(shí)別方法沒(méi)有利用礦物含量構(gòu)建巖性敏感參數(shù)。本文構(gòu)建的混積巖指數(shù)可以從礦物變化的角度刻畫(huà)混積型巖石的巖性變化，混積巖指數(shù)從小到大變化，說(shuō)明巖性由碳酸鹽巖逐漸過(guò)渡到陸源碎屑巖。