程　昊

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)



基于测井资料的陆相页岩层系岩性识别方法

程昊

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

[摘要]陆相页岩层系岩性复杂，使用常规的测井岩性识别方法难以有效区分。因此寻找一种有效的针对不同岩性的识别方法尤为重要。通过分析陆相页岩层系不同岩性类型测井响应特征，统计出不同岩性的测井响应分布区间，研究不同岩性测井响应的差异，在明确不同岩性响应特征基础上，采用因子分析法，降低数据分析维度，提取对岩性敏感的测井参数，使用测井反演的方法矫正薄层及围岩效应对测井真实值的影响，运用K-Means聚类分析法对页岩层系的岩性进行识别。与实际岩心对比表明，该方法能够有效识别页岩层系复杂岩性类型，准确性较好。

[关键词]陆相；页岩层系；岩性；测井识别

以美国为代表的北美页岩气勘探区主要为海相地层，沉积环境稳定，岩性相对均一，但从已公开发表的文献来看；其中也不乏的砂质夹层、砂质纹层的发育；而研究者又恰恰没有重视这方面的现象，而把过多的精力集中于岩相的划分[1-5]。鄂尔多斯盆地三叠系延长组长7段陆相沉积，沉积环境多变，页岩层系发育有多种岩性，具有很强的非均质性，除了存在有页岩之外，还发育着粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质页岩。这些不同的岩性，厚度不等，岩性变化快，不同程度地增加了储层岩性的复杂程度，使得陆相页岩层系的岩性远复杂于海相[6-11]。岩性不同，意味着其矿物成分、有机质含量、脆性指数等有关参数的差异，这些参数对后期页岩气有利区预测及资源量的计算都有至关重要的作用。因此准确识别岩性，明确页岩层系内不同岩性的空间展布，对于页岩气勘探意义重大。

1陆相页岩层系的测井响应特征

1.1自然伽马测井响应

岩石的放射性主要是由于泥质吸附放射性物质而产生，还受有机质及放射性物质的影响。页岩除了含有泥质吸附产生放射性外，由于其含有大量的有机质，有机质对放射性物质的吸附使得放射性进一步增大。因此，页岩通常具有较高的自然伽马，而粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质页岩由于泥质含量的减少自然伽马放射性逐渐降低，其中页岩的自然伽马值绝大多数在140 ApI以上，其它岩性相比于页岩均有所降低，粉砂岩自然伽马值最低，砂质页岩、泥质粉砂岩的响应值介于上述岩性之间(图1A)。

1.2声波测井响应特征

在岩石骨架一致的情况下，岩石的声波时差主要受到流体成分、有机质含量等影响。页岩中有机质含量高、又含有天然气，使得页岩声波测井表现出高值。相比于页岩，粉砂岩、泥质粉砂岩、砂质页岩则主要受矿物成分和岩石本身的致密程度表现出不同的声波时差值。在响应值上，页岩的声波时差响应值主要在240～280 us/m之间，远高于其它岩性，砂质页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩则呈现出依次降低的趋势(图1B)。

1.3中子测井响应

富含有机质的地层中的含氢量高，因此对快中子减速能力强，因此在页岩层系内页岩显示为高中子孔隙度。受地层岩性、流体性质影响较大发育在页岩中的砂质页岩继承了页岩的中子响应特征；粉砂岩、泥质粉砂岩中子测井响应值整体上较小，由岩性由泥质粉砂岩向粉砂岩变化，中子响应值并无明显的变化，从其中子测井响应值上可以看出，两者几乎位于同一数值变化范围内(图1C)。

1.4密度测井响应特征

由于其矿物组成、流体含量有机质等差异，不同岩性在密度测井曲线上表现为不同的响应特征。页岩中富含有机质，其密度低于其他岩层，在密度测井曲线上显示为低异常；而粉砂质页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等石英长石含量较多，密度表现出较高值的特征。从统计的不同岩性密度测井响应值分布区间来看页岩密度较低，粉砂岩密度最大，泥质粉沙岩、砂质页岩的密度响应值介于两者之间，密度响应值存在着较大的重叠(图1D)。

1.5电阻率测井响应

电阻率测井曲线的变化是多种因素综合的结果，而且由于其所含的矿物成分、孔隙大小、流体性质以及含油气多少的差异，电阻率表现出不同的变化特征。页岩有机质含量高，而有机质导电性差，因此页岩的电阻率呈现高值的特征。相对于页岩，粉砂质页岩、泥质粉砂岩等电阻率整体较小。电阻率测井曲线能够分辨出页岩外，对于砂质页岩、泥质粉砂岩以及粉砂岩，在电阻率曲线上几乎无法区分(图1E)。

1.6光电吸收截面指数

光电吸收界面指数与构成地层的矿物有着密切的关系。石英、长石等PE值较小，伊利石、绿泥石等粘土矿物具有较高的PE值。页岩层系的主要矿物成分为石英长石以及粘土矿物；由于页岩中粘土矿物占有主要优势，因此PE值为高值，而砂质页岩略微有所降低；泥质粉砂岩、粉砂岩由于粘土矿物含量减小以及石英长石等的增加，PE值逐相对较小。光电吸收截面指数值分布特征表明，不同岩性的光电吸收截面指数分布区间重叠程度较大(图1F)。

图1　长7段页岩层系不同岩性测井响应值统计

2页岩层系岩性识别方法

由页岩到粉砂岩，随着岩性的演变，不同测井变量并没有呈现出与之对应线性变化关系。因此，简单的使用常规方法(交会图、重叠图)进行岩性几乎不可能同时区分出如此复杂岩性[12-13]。而且受岩性厚度变化以及围岩测井响应值的影响，薄层的测井响应值并不是其真实值。为此，基于岩石测井响应为基础，采用因子分析方法，降低数据分析维度，优选出对岩性敏感的测井参数，应用非线性测井反演方法，矫正围岩效应的影响，使用K-means聚类分析的方法，进而实现对岩性的快速准确识别。

非线性反演是美国学者Heidari等2011年提出并成功用于地层评价的一种有效的方法。该方法通过分析地层中的骨架成分的组成，采用数值模拟的方法，分别计算地层在不同厚度条件下的测井响应值，分析不同厚度围岩、薄层之间的相互影响，通过模拟不同条件下实测值与模拟值之间的差异，以矫正由于围岩效应对薄层的影响。

因子分析假设一组多元数据与控制因素的关系，通过量化各个测井参数之间的协方差，分析可能被同一个因素影响的参数，给出不同参数之间的相关关系。受同一因素影响的变量，在因子分析变量图中，分布在相近或者相同的区域。通过预测各测井参数重叠性，找出这些参数相互之间的重叠部分，分析这些重叠部分所反映岩石的共同特征，达到减少分析数据的维度及数量。

聚类分析是基于统计理念数据集的分类方法，尤其是K-means聚类分析法广泛应用于具有相似属性特征分类，该方法旨在定量化获得大量数据点N维空间特征，通过探索大量数据之间的结构从而避免了研究多维变量。在实际应用具体类型的划分类应基于研究区目的层段地质背景。主要原理是基于具有相同或者相似属性的样品会落入同一片区域，然后根据样品点之间的距离，最终划分出不同的类型。

采用因子分析方法，优选出岩性识别的敏感曲线，应用测井反演的方法，矫正薄层及围岩效应对测井曲线真实值的影响，使用K-Means聚类分析对B井进行了岩性识别。从变量在因子分析结果图(图2)的分布区域来看，主要分为三组。自然伽马和电阻率反映地层有机质、泥质含量；声波时差、补偿中子反映岩石孔隙空间；光电吸收截面指数、密度反映岩石骨架成分。根据变量对岩性的分辨程度(见图1)，最终挑选出声波时差、自然伽马、密度作为岩性识别的参数。

图2　A井因子分析结果

岩心观察可知，该层段主要发育有四种岩性，因此，聚类分析中的类型设置为4类。图3为应用因子分析法优选出的对岩性区分敏感的测井参数，经过测井反演之后，使用K-Means聚类分析法识别的不同岩性的测井响应值分布区间。其中，黄色样品点具有非常高的自然伽马、声波时差以及低密度的特征，与页岩测井响应特征对应；蓝色样品点的自然伽马、声波时差略小于黄色样品点，岩性类型为砂质页岩；红色样品点具有非常高的密度值，声波时差、自然伽马明显低于其他类型，为粉砂岩；绿色样品点则为泥质粉砂岩。将上述识别结果与实测岩心进行对照分析表明(图4)，采用该方法识别出的岩性类型与实际岩心岩性信息较为一致。

图3　A井聚类分析后各类型的声波、自然伽马、密度交会图

图4　A井岩性识别结果与岩心对比图

3结语

(1)陆相页岩层系岩性类型复杂，发育有页岩、砂质页岩、泥质粉砂岩以及粉砂岩，页岩表现出高自然伽马、高声波时差、高电阻率、光电吸收截面指数、高中子以及低密度测井响应特征，砂质页岩、泥质粉砂岩、粉砂岩的测井响应幅度相对较小，不同岩性测井响应特征存在着较大的重叠。

(2)采用因子分析法，优选出对岩性敏感的测井参数，运用测井反演的方法矫正薄层及围岩效应对地层真实响应值的影响，使用K-Means聚类分析法，对页岩层系岩性进行了识别，与实际岩心对比表明，该方法在页岩层系岩性识别中效果较好。

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[中图分类号]P619.22+7

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)02-0111-03

[作者简介]程昊(1991-)，男，陕西商州人，在读硕士研究生，主攻方向：测井资料处理与解释。

[收稿日期]2015-03-14