兩種不整合結(jié)構(gòu)判識(shí)技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

蔡春青

（中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司，天津 300451）

1 概述

不整合面不單是記錄地層構(gòu)造抬升、剝蝕的地質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)其所具有的三層結(jié)構(gòu)（底礫巖層、風(fēng)化粘土層、半風(fēng)化巖石層）對(duì)于油氣的輸導(dǎo)、運(yùn)聚、成藏均具有重要的控制作用[1-3]。相關(guān)研究表明，不整合結(jié)構(gòu)體不同結(jié)構(gòu)層具有不同的特征，對(duì)于油氣的運(yùn)聚具有不同的作用。在油氣勘探生產(chǎn)實(shí)踐中，如何充分利用各種技術(shù)手段對(duì)不整合結(jié)構(gòu)層進(jìn)行有效判識(shí)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起紅車地區(qū)H15井J/T 不整合為例，對(duì)不整合識(shí)別劃分技術(shù)進(jìn)行探討分析，明確各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍及推廣應(yīng)用前景。

2 不整合識(shí)別技術(shù)分析

隨著國內(nèi)各大盆地勘探程度的深入，與不整合相關(guān)的隱蔽油氣藏逐漸成為勘探的重點(diǎn)。近年來眾多油氣勘探學(xué)者們運(yùn)用多種技術(shù)手段對(duì)不整合結(jié)構(gòu)的劃分技術(shù)進(jìn)行了廣泛實(shí)踐，其中在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用最為廣泛的要數(shù)利用測(cè)井資料和地球化學(xué)元素對(duì)不整合進(jìn)行識(shí)別劃分[4]。

2.1 地化元素分析法劃分不整合結(jié)構(gòu)

相關(guān)研究表明，在不整合結(jié)構(gòu)遭受風(fēng)化淋濾的過程中，地層中所富含的不穩(wěn)定元素（如Ca、Na、K、Mg等）更容易隨著地層水流失，而相對(duì)穩(wěn)定的元素（如Fe、Al、Si、Mn等）則更容易保存下來。這樣，在不整合結(jié)構(gòu)層中隨著不穩(wěn)定元素的遷出，穩(wěn)定元素的含量就會(huì)明顯偏高。底礫巖層由于未受到風(fēng)化淋濾的影響，地層中化學(xué)元素（包括穩(wěn)定和不穩(wěn)定化學(xué)元素）在含量上與上覆地層沒有明顯變化。而之下的風(fēng)化粘土層由于遭受風(fēng)化淋濾最為嚴(yán)重，因此與上覆底礫巖層相比表現(xiàn)出不穩(wěn)定元素大量流失、穩(wěn)定元素含量相對(duì)更高的特點(diǎn)，二者之間在元素含量曲線上呈現(xiàn)跳躍現(xiàn)象；在風(fēng)化粘土層之下的半風(fēng)化巖石中同樣存在元素分異的特點(diǎn)：穩(wěn)定元素大量富集、不穩(wěn)定元素大量減少。同時(shí)半風(fēng)化巖石與風(fēng)化粘土層的巖性又有較為顯著的差異：風(fēng)化粘土層主要為灰白色的粘土，而半風(fēng)化巖石則與下伏母巖巖性保持一致。半風(fēng)化巖石的元素分異現(xiàn)象向下漸變，直至未風(fēng)化母巖層段，各元素含量回歸正常[5]。基于以上原理，在油氣勘探過程中對(duì)于不整合結(jié)構(gòu)層的劃分有了依據(jù)，人們對(duì)鉆井取芯進(jìn)行地球化學(xué)微量元素分析，通過微量元素在垂向上的變化規(guī)律結(jié)合巖性特征，對(duì)井眼處不整合結(jié)構(gòu)層進(jìn)行有效判識(shí)。

本次研究對(duì)H15 井J/T 不整合面上下的鉆井取芯和巖屑資料進(jìn)行系統(tǒng)取樣（取樣間隔為2m），按照《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》（GB/T14506.30-2019），利用ICP-MS對(duì)取樣進(jìn)行微量元素測(cè)試，并將元素分析測(cè)試的結(jié)果投點(diǎn)到巖性剖面序列中（圖1）。從分析測(cè)試的結(jié)果來看，H15井在J底部和T頂部之間發(fā)育明顯的不整合界面：底礫巖層和風(fēng)化粘土層之間界線在4625m處（半幅點(diǎn)法讀值），穩(wěn)定化學(xué)元素的相對(duì)含量突然增加、不穩(wěn)定化學(xué)元素的相對(duì)含量驟減，反映在風(fēng)化淋濾作用下不穩(wěn)定礦物的流失；風(fēng)化粘土層與半風(fēng)化巖石層界線為4634m；在半風(fēng)化粘土層和母巖層之間的界線在4662m 處（半幅點(diǎn)法讀值），穩(wěn)定礦物的相對(duì)含量逐漸降低、不穩(wěn)定礦物相對(duì)含量逐漸增多，反映風(fēng)化淋濾作用并未波及至此。

圖1 H15井J/T不整合結(jié)構(gòu)層地化元素分析圖版

2.2 主成分分析法劃分不整合結(jié)構(gòu)

測(cè)井資料包含豐富的地層信息，對(duì)不整合不同結(jié)構(gòu)層存在特殊的測(cè)井響應(yīng)。正是由于測(cè)井資料過于豐富的特點(diǎn)，不同測(cè)井曲線所反映的地層信息具有一定的重復(fù)性和多維性，直接利用原始測(cè)井資料對(duì)不整合結(jié)構(gòu)層進(jìn)行劃分難度很大[6]。主成分分析這一數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法應(yīng)用到測(cè)井資料判識(shí)不整合結(jié)構(gòu)中。通過這一技術(shù)手段可以將原本需要多個(gè)變量共同反映的地層信息，轉(zhuǎn)換為僅需要少數(shù)幾個(gè)變量來綜合反映，且效果更為直觀、明顯。該技術(shù)手段充分利用測(cè)井資料豐富的優(yōu)勢(shì)，選取對(duì)地層信息反應(yīng)較為敏感的GR、AC、SP、DEN、CNL等5條測(cè)井曲線，通過數(shù)據(jù)歸一處理、協(xié)方差矩陣分析、特征向量提取、主成分參數(shù)確定等步驟，最終得到反映不同結(jié)構(gòu)層特征的兩個(gè)主成分公式，其中一個(gè)公式可以反映地層遭受風(fēng)化淋濾的程度（可以稱之為原巖保存因子），另一個(gè)公式可以對(duì)地層中的粘土含量進(jìn)行定性區(qū)分（可以稱之為粘土化因子）。將不整合結(jié)構(gòu)層段的5條敏感測(cè)井曲線值代入到兩個(gè)主成分公式中，得到不同深度點(diǎn)處的兩個(gè)因子數(shù)值（原巖保存因子和粘土化因子），利用交會(huì)圖分析的技術(shù)將各因子值投點(diǎn)到圖板上，對(duì)風(fēng)化粘土層、半風(fēng)化巖石層以及未遭受風(fēng)化淋濾影響的原巖層（包括上部的底礫巖和下部的母巖）進(jìn)行有效區(qū)分。具體實(shí)施步驟如下所述。

2.2.1 測(cè)井曲線歸一化處理

曲線歸一化處理是為了消除不同曲線量綱不同的差異帶來的影響。測(cè)井曲線歸一化后不同曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)均值為0、且標(biāo)準(zhǔn)差為1，達(dá)到了不同時(shí)期采集曲線可以放在一起計(jì)算的目的。歸一化處理公式為：

式中：Xij——某測(cè)井曲線的第i各采樣點(diǎn)數(shù)值；

-Xj——某種曲線采樣點(diǎn)的算數(shù)平均值；

Sj——某種測(cè)井曲線的標(biāo)準(zhǔn)差；

i——某測(cè)井曲線采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，

j——選取的測(cè)井參數(shù)個(gè)數(shù)。

2.2.2 確定主成分參數(shù)

采用主成分分析的原理，可以把包含m 各測(cè)井參數(shù)的采樣點(diǎn)看作是m 維隨機(jī)向量X=(X1，X2，…，Xm)T，其構(gòu)成的協(xié)方差矩陣可以定義為∑。在對(duì)測(cè)井曲線數(shù)據(jù)分析處理后可提取到主成分參數(shù)Pi=aiTX=ai1TX1+ai2TX2+aimTXm。在這個(gè)公式中，ai為S第i個(gè)特征值的向量值，且彼此之間相互正交。這樣就得到了多個(gè)Pi公式，選擇Pi累積貢獻(xiàn)值大于80%的兩個(gè)主成分公式：

P1=0.45SP+0.13AC-0.38GR+0.12DEN-0.22CNL

P2=-0.11SP+0.28AC+0.73GR+0.09DEN-0.28CNL

這樣就將原先需要多個(gè)測(cè)井參數(shù)共同來反映的地質(zhì)信息，簡化為僅需要兩個(gè)互不相關(guān)的主成分來反映。

2.2.3 交會(huì)圖分析

將工區(qū)內(nèi)選取的8 口井的測(cè)井曲線代入上述兩個(gè)主成分公式，計(jì)算出這8口徑不同結(jié)構(gòu)層的主成分值，分別以投點(diǎn)的方式投到交會(huì)圖版中，這樣就可以明確不同結(jié)構(gòu)層所處的Pi值域范圍：半風(fēng)化巖石層主成分值域范圍為P1>41%、P2>33%，風(fēng)化粘土層主成分值域范圍為P1>41、P2＜33，而上覆巖層和未風(fēng)化母巖未能有效區(qū)分，反映二者在原巖保存能力和粘土化程度方面趨于一致。對(duì)于二者的區(qū)分可以從其發(fā)育的垂向位置（底礫巖層位于不整合面之上，未風(fēng)化母巖位于不整合面、風(fēng)化粘土層以及半風(fēng)化巖石層之下）進(jìn)行很好地區(qū)分。

將H15 井J/T 不整合附近測(cè)井曲線利用上述技術(shù)流程進(jìn)行分析后可得以下分層結(jié)果（圖1）：底礫巖層與風(fēng)化粘土層間界線在4624.125m，風(fēng)化粘土層與半風(fēng)化巖石層界線在4635.25m，半風(fēng)化巖石與母巖層界線在4663.375m。

3 技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

就該兩種技術(shù)手段，從各自的劃分結(jié)果精確度以及費(fèi)用兩方面對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。首先從不整合結(jié)構(gòu)層劃分結(jié)果的精確度來看，地化元素分析法具有技術(shù)原理先進(jìn)、分析結(jié)果指向性明確、結(jié)構(gòu)層深度劃分極其精準(zhǔn)的特點(diǎn)，其作為判識(shí)不整合結(jié)構(gòu)的“金手指”技術(shù)為廣大一線油氣勘探工作者所青睞。在對(duì)工區(qū)地質(zhì)概況認(rèn)識(shí)程度較高后，依靠分析人員對(duì)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的深刻理解，測(cè)井資料主成分分析法同樣可以有效對(duì)不整合結(jié)構(gòu)層的深度進(jìn)行較為可靠的劃分，從劃分的結(jié)果看（表1），與利用地化元素分析得到的方案差距不大，完全能夠滿足油田勘探開發(fā)的需求。

表1 H15井J/T不整合結(jié)構(gòu)層不同技術(shù)判識(shí)結(jié)果分析表

其次從費(fèi)用情況來看，地化元素分析法每測(cè)試一塊樣品的價(jià)格在500～800 元不等。單井不整合結(jié)構(gòu)劃分需要測(cè)試的樣品數(shù)量少則十幾塊次，多則幾十塊次，單井測(cè)試費(fèi)用數(shù)萬元。而測(cè)井資料主成分分析法僅需要技術(shù)人員對(duì)前期測(cè)井資料進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，直接花費(fèi)幾乎為0。從費(fèi)用角度考慮主成分分析法具有巨大優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語

地化元素分析法具有技術(shù)原理簡單、分析結(jié)果指向性明確的特點(diǎn)，在勘探程度較低、地層認(rèn)識(shí)不足、且測(cè)井資料相對(duì)較少的地區(qū)該技術(shù)手段具有較高的適用性。然而，對(duì)鉆井取芯進(jìn)行地球化學(xué)元素分析成本高昂、嚴(yán)重破壞巖芯，加之鉆井取芯的成本較高、取芯資料相對(duì)稀少，因此該技術(shù)手段大規(guī)模推廣很受局限。而測(cè)井資料主成分分析法雖然劃分精度不如地化元素分析法，但從對(duì)比分析來看完全能滿足油田勘探開發(fā)的需求。雖然測(cè)井資料的獲取成本高昂，但考慮到每口鉆井（無論探井還是開發(fā)井）均需要進(jìn)行測(cè)井施工作業(yè)，而利用測(cè)井資料主成分分析法來劃分不整合結(jié)構(gòu)并沒有增加施工作業(yè)的成本。因此，利用測(cè)井資料進(jìn)行不整合結(jié)構(gòu)劃分具有資料豐富、實(shí)施成本低（僅需工業(yè)軟件室內(nèi)數(shù)據(jù)分析）、判識(shí)誤差相對(duì)小的優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)對(duì)于勘探相對(duì)成熟、地層認(rèn)識(shí)全面的地區(qū)具有廣闊的推廣應(yīng)用前景（表2）。

表2 不同劃分技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景