洛河地區(qū)高自然伽馬砂巖識別及主控因素

師學(xué)耀，高超利，2，劉 偉，周志杰，安鑫勝，李 寧，孫 歡

（1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000；2.中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點試驗室，北京 102249；3.二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心／西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069）

0 引言

碎屑巖中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)高自然伽馬砂巖，如珠江口盆地珠一坳陷古近系［1］、海拉爾盆地烏南凹陷南一段［2］、川西坳陷須家河組、鄂爾多斯盆地的中生界三疊系延長組和上古生界二疊系山西組［3－7］、準(zhǔn)噶爾盆地二疊系夏子街組［8］、烏爾禾區(qū)三疊系百口泉組中均發(fā)現(xiàn)存在高自然伽馬砂巖［9］。一般認(rèn)為高自然伽馬砂巖自然伽馬測井值相對較高，甚至高于圍巖泥質(zhì)巖石的自然伽馬值，運用自然伽馬相對值法計算的砂巖視泥質(zhì)含量＞30.0%，特別是視泥質(zhì)含量≥40.0%的砂巖。區(qū)分相對高自然伽馬砂巖的主要依據(jù)是自然伽馬相對值，即統(tǒng)一換算為自然伽馬相對值法求取的視泥質(zhì)含量［4］。不同學(xué)者從巖石學(xué)特征、主量及微量元素、物源特征、沉積微相特征、成巖作用、深部熱液活動、火山事件沉積等方面開展了大量高自然伽馬砂巖成因的研究，歸納為以下4種：①來源于深部的高鈾離子放射性流體在砂體中富集［1］，或深部熱液溶解碎屑中鈾同位素后再次富集沉淀導(dǎo)致［8］；②同沉積期火山事件凝灰?guī)r及其成巖蝕變產(chǎn)物所導(dǎo)致［2，4，6－7］；③物源供給物放射性差異及沉積微相差異導(dǎo)致［5，9］；④成巖作用導(dǎo)致砂巖放射性元素相對富集具有高自然伽馬特征。向巧維等認(rèn)為珠江口盆地古近系高自然伽馬砂巖形成機制為地下流體攜帶的放射性元素鈾離子在氧化—還原面處富集后導(dǎo)致地層的自然伽馬值偏高，在具有連通基底大斷裂旁的圈閉中鈾元素富集所導(dǎo)致［1］。毛志強等認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地夏子街組的特殊巖性段是由深部熱液沿斷裂上升至沉積層而形成的熱液蝕變體，特殊巖性段內(nèi)異常高自然伽馬是熱液溶解母巖碎屑中鈾同位素后沿?zé)嵋夯顒油ǖ肋\移并再次富集沉淀的結(jié)果［8］。珠江口盆地古近系高自然伽馬砂巖、準(zhǔn)噶爾盆地夏子街組高自然伽馬砂巖的成因與深部熱液活動密切相關(guān)。馮春珍、黃建松、張小莉、于振鋒等通過對鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組、上古生界二疊系山西組高自然伽馬砂巖成因研究，提出高自然伽馬砂巖主要成因為同沉積期火山凝灰?guī)r添加及其成巖蝕變產(chǎn)物，即沉積過程中火山事件沉積物添加導(dǎo)致砂巖的自然伽馬值高［2，4，6－7］。LIU等和周俊林等認(rèn)為物源供給的母巖中富含鈾或凝灰質(zhì)巖石等高放射性物質(zhì)，同時沉積物粒度變化、搬運距離和沉積相帶展布控制了砂巖自然伽馬異常的空間變化，砂巖物源供給差異及沉積微相差異導(dǎo)致砂巖自然伽馬高［5，9］。劉國強認(rèn)為成巖作用過程中生成伊利石、蒙脫石等富含放射性元素的黏土礦物富集，導(dǎo)致砂巖放射性增強，具有高自然伽馬的特征［10］。

鄂爾多斯盆地中生界三疊系延長組不斷發(fā)現(xiàn)高自然伽馬砂巖且普遍含油，從上向下包括長2至長10段都取得一定的勘探效果［11－21］。但由于高自然伽馬砂巖層位多、分布范圍廣，縱橫向非均質(zhì)性強，對成因特征、主控因素及分布模式認(rèn)識整體不足，導(dǎo)致識別與評價困難。其中鄂爾多斯盆地中部洛河區(qū)延長組長6高自然伽馬砂巖取得良好勘探效果，對洛河區(qū)長6段高自然伽馬砂巖主控因素分析與重點解剖，有助于把握高自然伽馬砂巖成因特征與分布模式。

1 洛河地區(qū)長6地質(zhì)特征

洛河地區(qū)處于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡中部（圖1），三疊系延長組長6段屬于安塞—志丹三角洲前緣沉積范圍（圖2）［22］。根據(jù)長6沉積特征等劃分為長63、長62、長61亞段，長62、長61期主要為三角洲前緣水下分流河道、分流河道間。水下分流河道砂體發(fā)育，多期河道沉積疊置形成連片砂體，并且長61、長62中存在相對高自然伽馬砂巖且普遍含油。

圖1 洛河地區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置Fig.1 Regional tectonic location，Luohe Area

圖2 洛河區(qū)長6期沉積體系特征（據(jù)文獻(xiàn)［22］修改）Fig.2 Sedimentary system characteristics of Chang 6 Formation in Luohe Area（modified by［22］）

結(jié)合常規(guī)砂巖、泥巖自然伽馬特征，認(rèn)為洛河區(qū)延長組長6自然伽馬大于90API的砂巖屬于相對高自然伽馬砂巖。長61、長62沉積旋回砂體中，高自然伽馬砂巖以間互式、夾層式等與具有常規(guī)測井響應(yīng)特征的砂巖共生或獨立成層出現(xiàn)，高自然伽馬砂巖段累計厚度0.5～10.1 m（圖3）。除自然電位測井響應(yīng)外，高自然伽馬砂巖的測井響應(yīng)特征與泥巖、凝灰質(zhì)泥巖的測井響應(yīng)特征類似，容易被誤解釋為泥巖、凝灰質(zhì)泥巖而導(dǎo)致巖性劃分的混亂［23］。厘清高自然伽馬砂巖地質(zhì)特征及測井響應(yīng)，有助于探討識別方法、成因機制及展布。

2 高自然伽馬砂巖特征

洛河區(qū)長61、長62高自然伽馬砂巖的自然伽馬值一般90～115 API，個別高達(dá)130 API左右，自然電位曲線負(fù)異常明顯，聲波時差中—較高值，主要分布在220～250μs／m，深、淺電阻率偏低，主要分布為5.8～26.0Ω·m（圖4）。

根據(jù)元素俘獲譜測井、自然伽馬能譜、核磁共振、中子—密度測井組合能夠較好識別高自然伽馬砂巖并計算泥質(zhì)含量［3，6］，洛河區(qū)長6測井資料包括自然電位、自然伽馬、井徑、聲波時差、雙感應(yīng)—八側(cè)向、視電阻率，個別井中測有自然伽馬能譜、補償密度、補償中子、陣列感應(yīng)等。如何利用洛河區(qū)常規(guī)測井系列資料有效識別高自然伽馬砂巖是一個必須解決的問題［24］。

2.1 敏感測井曲線重疊

長6厚層泥巖、常規(guī)純砂巖部位自然電位、自然伽馬進(jìn)行最大程度擬合重疊，其他部位如果存在自然電位明顯負(fù)異常、自然伽馬大于90 API，兩曲線間存在明顯幅度差，可能為相對高自然伽馬砂巖發(fā)育部位（圖3），上述可能的高自然伽馬砂巖段對應(yīng)自然電位與聲波時差兩曲線重疊之間如存在明顯幅度差，反映物性較好。自然電位與自然伽馬、聲波時差與自然電位敏感測井曲線重疊處理可快速識別高自然伽馬砂巖。

2.2 構(gòu)建新指示參數(shù)

洛河區(qū)長6取芯、試油段測井參數(shù)表明高自然伽馬砂巖自然電位異常幅度明顯，聲波時差值比常規(guī)砂巖偏高，深感應(yīng)電阻率偏低，各項測井參數(shù)變化范圍較大。

為了利用多敏感測井參數(shù)有效識別驗證高自然伽馬砂巖，利用高自然伽馬砂巖各項測井參數(shù)特征，構(gòu)建由敏感測井響應(yīng)參數(shù)如自然伽馬、自然電位異常幅度系數(shù)組合生成的新指示參數(shù)（GR×GR×kusp／1 000）與深感應(yīng)電阻率的交會圖（圖5），識別驗證高自然伽馬砂巖，高自然伽馬砂巖資料點分布相對集中，主要分布于圖中標(biāo)注的①區(qū)。因此，構(gòu)建由多敏感測井參數(shù)組合的新指示參數(shù)，能有效驗證高自然伽馬砂巖。

圖5 測井組合新指示參數(shù)－電阻率交會圖Fig.5 Cross plot of new indicator parameters and resistivity

3 高自然伽馬砂巖成因

3.1 同期或準(zhǔn)同期火山事件沉積疊加

三疊紀(jì)長6期鄂爾多斯盆地周緣火山事件頻繁［25］，大量火山灰或沉積于湖盆，或由河流帶入，火山凝灰質(zhì)添加到三角洲前緣砂體中，導(dǎo)致砂巖的自然伽馬值相對高、電阻率相對低。高自然伽馬砂巖為砂體沉積與火山事件沉積共同作用，砂巖中的凝灰質(zhì)成分后期容易溶蝕，導(dǎo)致次生孔隙發(fā)育，物性較好，自然電位曲線特征為明顯負(fù)異常，聲波時差值相對較高［5，26－27］。

3.2 深部流體活動

通過對鄂爾多斯盆地三疊系延長組高自然伽馬砂巖及鄰近常規(guī)砂巖薄片、X光衍射及黏土礦物、電子探針及質(zhì)譜儀化學(xué)元素以及沉積分布特征分析，劉行軍等認(rèn)為與常規(guī)砂巖相比，高自然伽馬砂巖鉀長石、綠泥石、鐵泥質(zhì)黏土雜基含量明顯上升，石英含量明顯減少，長石高嶺石化強烈，巖屑含量較高，且?guī)r屑假雜基化較普遍；釷、鈾、鉀元素含量較高，其中釷元素含量上升最為顯著，主要存在于獨居石、金紅石、鐵泥質(zhì)黏土、鉀長石及部分鋯石、磷灰石、黑云母、巖屑中；鈾元素主要存在于大多數(shù)鋯石、部分磷灰石、黑云母及含鎂方解石中；鉀元素主要存在于鉀長石、黑云母、金紅石、鐵泥質(zhì)粘土、部分鈉長石及巖屑中，認(rèn)為深部熱液活動可能導(dǎo)致形成了高自然伽馬砂巖［28－30］。

3.3 物源供給差異性

鄂爾多斯盆地三疊紀(jì)相對高自然伽馬砂巖的成因主要與物源有關(guān)，由于物源供給特征差異性導(dǎo)致［5］，如物源供給中火山物質(zhì)較多，物源母巖相對富含放射性物質(zhì)，導(dǎo)致砂巖的放射性強自然伽馬值高。

洛河地區(qū)長6高自然伽馬砂巖段的自然伽馬能譜測井反映，釷元素含量相對高，鈾、鉀元素含量與常規(guī)砂巖的特征類似，高自然伽馬砂巖自然伽馬能譜測井曲線特征與長6中的凝灰質(zhì)巖層的自然伽馬能譜測井曲線特征類似，F(xiàn)557井的井深1 790 m、1 797 m附近的高自然伽馬砂巖，明顯具有釷含量高的特征（圖6）。

圖6 洛河地區(qū)高自然伽馬砂巖組合測井曲線特征Fig.6 Characteristics of combined well logging curves of the sandstone with high gamma ray，Luohe area

由于釷元素相對穩(wěn)定，主要依靠機械搬運遷移而不容易隨流體遷移。洛河地區(qū)長6砂體同沉積期添加的富含釷元素的凝灰質(zhì)成分，后期凝灰質(zhì)成分溶蝕形成次生孔隙，釷元素留存在砂巖中，對放射性貢獻(xiàn)導(dǎo)致砂巖自然伽馬值相對高［5，27］。

洛河地區(qū)長61、長62中，單井高自然伽馬砂巖縱向分布于旋回砂體的中下部、中部、中上部、上部或呈互層狀與常規(guī)砂巖共生，或單獨成層出現(xiàn)（圖3、圖6）。高自然伽馬砂巖累計厚度平面展布特征與三角洲前緣水下分流河道沉積砂巖累計總厚度展布特征一致（圖7），長61高自然伽馬分布相對廣泛，連片分布，主要成因可能為水下分流河道沉積過程中火山事件沉積的凝灰質(zhì)添加導(dǎo)致砂巖放射性增強。

圖7 洛河地區(qū)北部砂體厚度與高自然伽馬砂巖平面展布特征Fig.7 Plane distribution of sand bodies thickness and the sandstone with high gamma ray，north of Luohe area

4 結(jié)論

1）自然電位與自然伽馬曲線重疊處理，可快速識別高放射性砂巖，自然電位與聲波時差曲線重疊處理，核定高自然伽馬砂巖發(fā)育段。

2）根據(jù)敏感測井參數(shù)組合所構(gòu)建的新指示參數(shù)與敏感測井參數(shù)交會處理，有效驗證高自然伽馬砂巖發(fā)育段。

3）洛河地區(qū)長6高自然伽馬砂巖由三角洲前緣水下分流河道沉積過程中火山事件沉積的凝灰質(zhì)導(dǎo)致，高放射性主要來自于高含量釷元素。