基于测井曲线分析的沉积事件精准识别

2022-12-10王立新唐明远周贤斌黄学斌刘双莲申本科苏映宏

天然气工业 2022年11期

王立新唐明远李浩周贤斌黄学斌刘双莲赵睿张辉申本科苏映宏

1.中国石化华北油气分公司 2.中国石化石油勘探开发研究院 3.石化经纬华北测控公司 4.中国石化石油工程技术研究院 5.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院 6.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院

0 引言

利用测井资料识别沉积相和沉积微相的文献较多，用测井资料识别沉积事件的文献较少。用测井资料评价或解释沉积相的方法称为测井相分析。在识别沉积相时，岩性、粒度、分选性、泥质含量、垂向序列、砂体的形态及分布等都是重要的成因标志，这些标志是沉积环境中水动力作用的结果，水动力条件控制着岩石物理性质的变化，如地层导电性、自然放射性、声波传导等[1-3]。测井曲线是地层的各种物理性质沿井孔深度变化的物理响应，以此建立起取心井准确的岩电关系，进而推广至非取心井，预测非取心井储层特征[4-6]。利用测井曲线形态有效地反馈上述成因标志在纵、横向上的变化，为识别沉积相提供有价值的资料，并成为一种有效识别沉积相的途径[7-9]。

利用高分辨率成像资料进行沉积相分析，其优点是能够对地层进行长井段连续的观察和描述，获得丰富的岩性、层理、剖面旋回等重要的岩石结构和沉积构造方面的信息，而相分析的具体方法与常规地质分析完全相同[10-12]。但解释人员经验及专业背景差异会影响沉积相解释结果。当地质事件识别精度不足时，仅利用单井测井资料进行沉积相分析具有一定的不确定性，岩心的标定、录井资料的刻度及邻井测井资料的对比，对沉积相的划分和确定均有积极意义。基于成像测井的沉积相与沉积事件研究存在3方面问题：①成像测井价格较贵，且较早的井未进行成像测井，成像测井资料缺乏，不能在勘探实践中得到广泛应用。②成像测井评价与常规测井一样存在多解性问题。比如层理与泥质条带、低角度裂缝有时难以区分，同时对解释人员经验依赖程度较高，因此需要与岩心等资料的评价结果互相验证。③成像测井探测深度仅为冲洗带，受井况等因素影响，无法全面反映地层综合信息。因此，利用常规测井资料进行沉积事件分析尤显必要。

根据沉积事件成因反推测井地质属性，需要从事件本质深层次的共性与个性关系着手，二者的关系决定了测井曲线响应的两个方面[13-15]。其中，共性因素决定事件区间内测井曲线的基本形态[16-18]。如一般意义上的心滩沉积的基本形态为“箱型”；个性因素决定事件区间内测井曲线的特殊变化组合[19-21]。如每一个具体的心滩沉积，因物源供给的特殊、气候及沉积水动力的复杂，而形成各自独特的测井曲线组合形态。因此，研究测井信息的共性特征，有助于判别沉积事件的类别归属，而研究测井信息的个性特征，有助于还原沉积事件的成因条件。由此可见，对于复杂或未知地层的沉积事件，研究其测井信息的个性特征更为重要。

根据沉积事件推演测井地质属性，其最根本还是岩石成因机理分析。所有表象因素的基础都是沉积事件本身的岩石类型成因。根据沉积事件研究测井地质属性的方向较多，笔者主要从沉积旋回及其节奏变化、储层岩性组合或岩石结构的变化及岩性内幕结构的特征变化3个方面进行探讨。首先从一组能够反映地层特征的测井属性中提取测井曲线基本要素，在垂直、水平方向上，将地层剖面解释划分为多个测井相；然后结合岩心资料、地震资料、完井资料等地质资料对这些测井属性进行刻度，用数学统计的方法及逻辑推理确定各个测井属性到沉积事件的映射转换关系，从而进行沉积事件的分析。

1 旋回及其节奏的变化

沉积地层既具有成层性，又具有旋回性。储层沉积旋回研究的主体是地层中的小规模旋回。现阶段地震资料的频率介于10～80 Hz，主频多介于30～50 Hz，缺少高频成分，分辨率较低，利用地震资料识别小规模旋回难度大。因此，要划分小规模旋回（高频层序），必须利用露头、钻井和测井等资料。自然界的复杂运动由多个不同周期的简单运动叠加而成。沉积旋回是沉积事件的周期性重复，具有成因联系的地层序列是一定时间序列内各种沉积事件的沉积物记录。测井曲线能够敏感、连续地反映所测地层的特征，包含了丰富的地层信息，这种周期性也会被记录在测井数据中，是小规模旋回研究的主要资料。对测井曲线进行分析，目的在于充分挖掘测井资料所包含的地层信息，建立测井数据向地质目标的映射关系，提取隐藏的地层序列周期性特征，并找出其主要的周期，描述目的层的地质特征[22-23]。

测井曲线内含地质事件的特征和演化密码，地质事件规定了这些密码的基本特点，弄清这些特点的成因机理，就可能推测测井曲线对其记录的专属形态。以自然伽马测井曲线为例，它记录了沉积事件中沉积物和能量的变化属性，其他测井曲线也从不同角度记录了沉积事件的内在属性。笔者以鄂尔多斯盆地大牛地气田中二叠统下石盒子组某心滩沉积的特征为例，分析旋回及其节奏的变化特征[24-25]。

心滩的沉积层理比较发育，其不同层理具有不同的测井曲线特征。如图1所示，与平行层理对应的是自然伽马齿中线平行，与斜层理或交错层理对应的是自然伽马齿中线收敛。另外，该心滩在自然伽马曲线上多次出现砂、泥交互，结合自然伽马曲线与层理的关系分析可发现，该心滩具有物源供给时断时续和沉积能量多变的特点。测井信息记录了该沉积事件的这些专属性特征。

图1 心滩沉积的岩心与测井曲线图

研究沉积事件的旋回变化具有重要意义。首先，沉积旋回的突变或反转往往与地层层序演化有关，这种突变关系常有助于确认层序界面；其次，沉积旋回的节奏变化与储层岩石结构和孔渗结构密切相关，对于准确预测和评价储层性质有帮助；第三，沉积旋回及其节奏变化的研究有助于判断和识别沉积事件的性质和特点。

2 储层岩性组合、岩石结构的变化

沉积事件的改变，常因构造、环境或气候等因素影响，造成储层岩性组合或岩石结构变化，成为根据沉积事件成因寻找测井地质属性的线索；反之，根据测井地质属性推测的储层岩性组合或岩石结构变化，也有助于识别沉积事件的变化。这些认识在不同成因的岩石中均可找到应用例证。

碳酸盐岩普遍面临“同期异相”的地层对比难题。由于碳酸盐岩生物、化学环境不断变化，地层对比时，同一时期的沉积相横向上也在不断变化（比如台地边缘过渡到台地斜坡处时，不整合面上下的岩性与测井曲线特征均改变很大），导致识别地层界面的等时关系异常困难。基于不整合面附近沉积事件识别及其变化的组合关系研究，是准确界定地层界面等时关系的重要依据，也是破解碳酸盐岩“同期异相”地层对比难题的有效手段。四川盆地普光气田在储量计算与开发方案编制时，因为地层对比依据不充分，飞仙关组地层对比难以开展，一度制约了该气田含气面积与有效厚度的划分。笔者首先通过野外剖面观察，确定了飞一二段与飞三段之间的沉积事件变化关系，以此为依据，在测井曲线上开展这种沉积事件变化的组合关系研究，合理解决了“同期异相”地层对比难题。

图2为普光气田下三叠统飞仙关组一二段与三段（以下简称飞一二段、飞三段）不整合关系的野外剖面分析识别图，是利用沉积事件变化的成因研究碳酸盐岩储层岩石组成改变的典型实例。根据四川盆地川东北地区二郎庙野外露头剖面和羊鼓洞野外露头剖面，可识别出飞一二段与飞三段之间的不整合面。两个剖面的岩石与孔隙变化规律，可证实该界面上下演化经历了风化、暴露向海水快速淹没的变化：不整合面之下，岩石组成以鲕粒白云岩为主，孔隙度比较发育，可见大小不一的溶蚀孔，这与台缘亚相浅滩暴露、风化成因有关；不整合面之上主要发育块状致密石灰岩，这与海水快速淹没事件成因的事件吻合，海侵成因的岩石致密坚硬，几乎不发育孔隙度。上述分析表明，界面上下事件的岩性、物性两个突变关系，是识别该不整合的重要依据。

图2 飞三段底不整合面特征照片

图2与图3不整合面上下的地质事件变化关系可互为印证，构成该不整合面识别与研究的证据链。图3为普光气田飞三段底不整合面常规测井识别图。从图3中可以看出，台缘亚相与局限台地亚相接触的岩性与测井曲线形态均不同。从岩性变化看，P2井、P4井飞一二段顶部以白云质岩性为主，过渡到飞三底部以高电阻率（深侧向电阻率最大超过2 000 Ω·m）石灰岩为主，反映浅水向深水的突变关系。石灰岩电阻率高，表明物性差、岩性致密。从测井曲线形态变化看，飞二段浅滩沉积向飞三段局限台地突变时，密度曲线的响应特征变化明显，由明显的齿化变得相对光滑。虽然飞二段白云岩的电阻率与飞三段石灰岩电阻率有时难以区分，但飞二段浅滩白云岩发育孔隙，孔隙度介于1.20%～15.20%，平均值为7.94%，与取心分析结果（岩心孔隙度介于1.60%～20.10%，平均值为7.65%）吻合，构成沉积事件识别的可信证据链，这些特征可归因于地层暴露与淹没的间互；飞三段快速海侵成因的地层为纯石灰岩，该石灰岩的密度值（介于2.69～2.72 g/cm3，平均值为2.71 g/cm3）与纯石灰岩骨架密度（2.71 g/cm3）接近，该段岩性致密，孔隙不发育，测井解释孔隙度介于0～1.20%，平均值为0.45%，不整合面附近的岩性、孔隙与测井曲线响应一致，三者构成沉积事件识别的可信证据链，不整合面之上的测井曲线相对光滑、稳定，可归因于快速海侵时期物源供给稳定。

图3 普光气田飞三段底不整合面常规测井识别图

P302-1井的斜坡亚相与台地亚相接触的岩性与测井响应变化同样与上述演化关系吻合：从岩性变化看，斜坡亚相的石灰岩突变为局限台地的泥质石灰岩，与泥质石灰岩突变对应的是，飞三段底部自然伽马突然增高，同样指示相对浅水向深水沉积的岩性与测井曲线突变关系。岩心与测井曲线均反映出该不整合面与海水快速淹没事件有关，虽然不同亚相测井曲线的形态不一样，但测井曲线表现出的事件成因是一致的，通过对该不整合面沉积事件的突变关系研究，很好地解决了碳酸盐岩“同期异相”对比难题。

图4为松辽盆地松南气田某井区2口探井利用火山岩储层矿物组成改变判别沉积事件变化的典型实例。松辽盆地松南气田下白垩统营城组岩性为火山岩。在解释第一口探井X2井时发现，该井由于岩性矿物组成单一，岩性为花岗斑岩，其测井响应特征相对单一，测井解释简单，电阻率大于100 Ω·m是含气层的识别标志，定性评价时采用测井专业常用的电阻率—声波时差交会图版，就能直接识别出气层、干层和水层；定量评价时，采用阿尔奇公式即可准确评价储层（图4-a）。但是，在解释随后钻探的X202井时发现，这口井岩性组合复杂，主要为流纹岩和凝灰岩。其测井曲线响应特征多变，储层电阻率、孔隙度与围岩的差异大（图4-b的第4、5道测井曲线），测井解释相对复杂，原来的方法难以准确评价储层。针对该类火山岩储层，应用作者专利（专利号CN201010524252.6）基于可变“m”值的阿尔奇公式，问题才得到解决。笔者通过岩电实验研究发现，m值与岩性和孔隙结构有关，电阻率测井曲线能综合反映储层含油气、岩性及孔隙结构，对于低含油气饱和度储层，其孔隙结构与岩性测井信号远大于油气测井信号，因此，可建立电阻率与可变m值的函数关系，将之代入阿尔奇公式中，求取储层含气饱和度，该专利技术已有效应用于10余个致密油气田的新井储层评价中，并取得了良好效果。

图4 X2井和X202井营城组测井解释成果图

图5是图4中两口井测井信息与地震、地质背景信息的比较分析，图中两口井处于同一探区，但测井响应特征和测井解释方法差别大。其原因在于：X2井区营城组受次火山作用影响，为侵入火山岩成因，结晶程度高，结晶均匀，矿物组成相对均一，岩性单一，储层电阻率、孔隙度与围岩的差异较小，地震为弱反射特征，测井解释采用普通交会图和阿尔奇公式计算饱和度即可相互得到准确印证；X202井区营城组受喷、溢交叠等火山作用影响，岩石矿物组成变化大，岩性复杂，储层电阻率、孔隙度与围岩的差异大，地震为层状反射，由于岩性与孔隙结构复杂，测井解释采用可变m值的专利技术方法才能获得较好解释结果。

图5 过X2井地震剖面图

综上所述表明，地质内因深刻地影响了地震信息与测井信息的联动响应规律。深入研究三者之间的内在关系，已是现代油气地质研究的重要课题。事件与沉积物矿物组成的隐性变化关系，在油气地质研究中有着潜在的广阔应用领域。

3 岩性内幕结构的特征变化

任何事件都有其独特性，即使是相似事件也可据其独特性加以区分。研究岩性内幕结构的特征变化，是发现沉积事件的独有特性（排他性）、推测其测井地质属性的重要依据，并有助于准确区分相似地层，开展地层等时对比研究。

松辽盆地十屋油田下白垩统泉头组一段（以下简称泉一段）在宏观上为一楔形地层，其楔形尖灭端可识别的地层单元（油组）较少，向其加厚端过渡，地层单元逐步增多，并不断发现新的地层单元。早期钻井反映地层的复杂变化是其油气分布规律认识不清的主因，后期在楔形加厚部位的地层中常意外钻获新的油气层。如何准确开展地层对比、在相似沉积事件中识别新增地层、进一步预测新含油气层的发育区带成为指导油气勘探的关键因素。

在楔形加厚端，常钻遇的泉一段农Ⅷ与农Ⅶ油组因沉积微相接近，一直不能有效地开展地层对比。根据沉积事件的条件差异分析发现，在农Ⅷ油组演变至农Ⅶ油组时，地层沉积水动力加强，以二者的个性沉积条件为指导，可推测出二者各自的排他测井地质属性：①农Ⅶ油组强水动力沉积的泥岩，见频繁砂质扰动；农Ⅷ油组弱水动力沉积的泥岩比较纯，偶见薄层砂岩。②农Ⅶ油组强水动力沉积导致砂泥混杂，声波曲线波动小；农Ⅷ油组弱水动力沉积砂泥区分较明确，声波曲线波动明显（图6）。