黃 力 王安生 王躍祥 王秀彥 趙艾琳 楊 滿 張宗富

1.中國石油西南油氣田分公司勘探開發(fā)研究院 2.中國石油東方地球物理公司研究院 3.斯倫貝謝有限公司

隨著勘探的不斷深入，發(fā)現(xiàn)的火成巖油氣藏愈來愈多，甚至在某些地區(qū)已形成很大的產(chǎn)能。準噶爾盆地東部石炭系火成巖天然氣資源量約為6188×108m3[1]，資源量巨大。盆地東部石炭系地層是一套多期噴發(fā)、多期改造而成的火山熔巖和火山碎屑巖，厚度約200 m，頂部為深灰色凝灰?guī)r、沉積巖，以下主要為深灰色、灰色安山巖和火山角礫巖，局部發(fā)育凝灰?guī)r。一般火成巖油氣藏為溶蝕孔洞—裂縫雙重孔隙介質(zhì)的強烈非均質(zhì)儲層，比碎屑巖和碳酸鹽巖油氣藏更為復雜[2-3]，其巖性測井識別與儲層測井評價都非常困難。

1 巖性識別

火成巖測井巖性識別是其儲層評價的基礎，提高巖性識別符合率一直是火成巖儲層研究中的難題。一般采用地震法進行火成巖縱橫向展布及噴發(fā)期次研究，由于測井縱向分辨率高，故利用其自然伽馬、自然伽馬能譜測井、密度 、聲波測井、電法測井的綜合分析來確定礦物成分，并與薄片資料建立二維或三維交會解釋圖版[4-5]，同時利用成像測井響應特征及實際鉆井取心資料來標定常規(guī)測井曲線以定性分析巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。此外還有測井相分析技術[6]、神經(jīng)網(wǎng)絡技術[7]、模糊數(shù)學[8]、對應分析和模糊聚類[9]、主成分分析法[10]等。

該區(qū)塊石炭系發(fā)育火山碎屑巖類和火山熔巖類。其中火山碎屑巖類包括火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r（包括薄片鑒定的角礫凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)角礫巖、角礫玻屑凝灰?guī)r）和凝灰?guī)r；火山熔巖類為安山巖。

本次研究中，筆者對取心井巖心觀察、巖石薄片鑒定、微電阻率成像測井（XRMI）進行統(tǒng)計與分析，考慮研究可操作性與研究目的，對巖性進行了合并分類及統(tǒng)一命名。并通過分析測井響應特征，以巖心薄片確定的巖性為基礎，制定各巖性的定量識別標準，如表1所示。

表1 火成巖巖性定量識別標準一覽表

1.1 主成分分析

由于火成巖巖性復雜，其反映巖性的常規(guī)曲線與碎屑巖、碳酸鹽巖存在較大差異，從表1看出，曲線之間往往存在信息重疊的情況，此外量綱不統(tǒng)一也不利于巖性的識別，在應用前需要對曲線進行篩選。主成分分析法通過變換可以把原來各個指標化為幾個互不相關的綜合指標的一種方法，可以達到數(shù)據(jù)化簡、揭示變量之間的關系和進行統(tǒng)計分類解釋的目的[11]。

首先，從5口取心井的常規(guī)測井數(shù)據(jù)中篩選得出 7 個可能與巖性相關的指標 x1,x2,…,x7，分別為聲波（AC）、井徑（CALI）、密度（DEN）、中子（CNL）、自然伽馬（GR）、深電阻率（RT）、自然電位（SP），z1,z2,…,zm分別為指標 x1,x2,…,x7的第 1，第 2，…，第m主要成分，定義為：

確定主成分就是確定原來變量 x1,x2,…,x7在諸主成分 zi（i=1,2,…, m）上的相關系數(shù) lij（i=1,2,…,m; j=1,2,…, p），可通過以下方法求解。

原始數(shù)據(jù)經(jīng)標準化處理的相關系數(shù)矩陣定義為：

根據(jù)特征方程 ，用Jacobi法求出特征值 λ（ii=1,2,…, p），并且將其按大小順序排列，即。

然后計算主成分貢獻率以及累計貢獻率，其中主成分zi的貢獻率定義為：

累計貢獻率定義為：

最后取累計貢獻率為85%～95%的特征值λ1,λ2,…, λm所對應的第 1、第 2、第 3、…、第 m（m ≤ p）個主成分zi。通過計算，發(fā)現(xiàn)僅3個主成分的累計貢獻率就已經(jīng)超過85%了，其與各測井變量的相關系數(shù)如表2所示，可看出第1主成分中密度（DEN）相關系數(shù)最高，影響最大，第2主成分中深電阻率（RT）的影響最大，第3主成分中自然伽馬（GR）的影響最大，此3種測井變量即為對巖性最敏感的曲線。

1.2 三維交會解釋圖版

以主成分分析結(jié)果為依據(jù)，利用5口取心井的薄片鑒定的結(jié)果，巖心標定測井，建立了電阻率—自然伽馬—密度交會圖3參數(shù)建立的三維圖版（圖1），該圖版比二維圖版多了1個參數(shù)，更適用于復雜的火成巖地層。從交會圖可知GR值相對集中在30～70 API，表現(xiàn)為基性—中基性巖性。由于其巖石結(jié)構(gòu)的變化導致孔隙度增大，其密度值明顯低于熔巖安山巖類。凝灰?guī)r密度最低，易于識別。電阻率值按照凝灰?guī)r、角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖、安山巖的順序依次增高，這也說明電阻率高低主要反映火山巖的孔隙結(jié)構(gòu)，對熔巖及碎屑巖的劃分敏感。

2 火成巖儲層物性評價

儲層巖心觀察、成像測井和地質(zhì)研究表明，該工區(qū)內(nèi)石炭系火山巖儲層孔隙類型主要為溶孔，其次為微裂縫和氣孔。儲層特征為中等電阻率，高聲波時差，低密度的特征。針對該儲層的特點，在解釋過程中，主要用基質(zhì)孔隙度、裂縫孔隙度參數(shù)定量描述這類儲層物性特征。

表2 相關系數(shù)表

圖1 火成巖電阻率、密度、自然伽馬交會圖

2.1 基質(zhì)孔隙度計算

火成巖孔隙度計算方法有很多[12-14]。其中聲波測井主要反映火成巖的骨架孔隙結(jié)構(gòu)特征，對火成巖的巖性成分、蝕變程度等反應不敏感，主要反映基質(zhì)孔隙度及原生溶孔、氣孔孔隙度?？紤]該區(qū)儲層巖性為角礫凝灰?guī)r和火山角礫巖，而2種巖性孔隙結(jié)構(gòu)不同，根據(jù)取心井孔隙度分析資料，分別建立了火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r的孔隙度計算模型，如圖2、圖3。

圖2 火山角礫巖聲波孔隙度計算模型

2.2 裂縫評價及裂縫參數(shù)計算

裂縫是巖石受力形成的一種沒有明顯位移的脆性構(gòu)造，其形成的根本原因是巖石所受的應力超過其承受強度[15]。如何利用常規(guī)測井資料有效評價和識別裂縫仍然是個難題[16]。巖心描述和XRMI解釋成果統(tǒng)計表明，火成巖中裂縫類型主要有低角度斜交縫、網(wǎng)狀縫、直劈縫、高角度縫4種類型。不同類型的裂縫在常規(guī)測井曲線上具有不同的響應特征：

圖3 角礫凝灰?guī)r聲波孔隙度計算模型

1）低角度縫：雙側(cè)向微小負差異，或者無差異。一般當裂縫的開度較大時，聲波時差聲波跳躍或明顯增大。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線，10°≤傾角＜70°。

2）高角度縫：深淺雙側(cè)向電阻率呈正差異，電阻率值在致密層高阻的背景下有所降低，隨裂縫開度的增大電阻率減?。划斍秩氚霃捷^大時，對于油層而言，深淺雙側(cè)向的幅度差值較大。對于水層差異值較小。XRMI圖像顯示為黑色正弦曲線，傾角≥70°。

3）網(wǎng)狀縫：沖洗帶電阻率（RXO）曲線出現(xiàn)毛刺狀跳躍現(xiàn)象，深電阻率 （RT）在裂縫發(fā)育且無充填的時候變小,密度（DEN）有變小的趨勢,自然伽馬 （GR）、聲波時差（AC）和中子孔隙度（CNL）相對沒有裂縫發(fā)育的地方會變大,有時會伴隨聲波時差周波跳躍的現(xiàn)象。由于圍巖的電阻率比泥漿電阻率高,所以各種類型的開啟裂縫在成像圖上都表現(xiàn)為相互切割的呈網(wǎng)狀的深色正弦線組成。

4）充填縫：裂縫有充填時常規(guī)測井曲線變化特征不明顯。由于電流擴散，充填礦物質(zhì)的電阻率比周圍巖石高，充填縫常會在裂縫平面上的上下傾斜交匯處顯示一個高、低電阻率交互區(qū)。充填縫是一種無效縫，不能作為儲層流體的滲濾通道。

5）誘導縫：常規(guī)測井曲線變化特征不明顯。為鉆井鉆頭鉆開地層時，地層應力平衡被打破，成像上在平行最大水平應力方向上呈八字形或羽行對稱排列的特征。

2.2.1 成像測井裂縫孔隙度計算模型

裂縫孔隙度：巖石的裂縫孔隙度定義為裂縫孔隙體積與巖石體積之比。裂縫孔隙度雖然在總孔隙度中占的比重較小，國內(nèi)外統(tǒng)計表明火成巖裂縫孔隙度一般小于1%，但具有非常重要的滲流特點，它決定了油氣的最終采收率[17]。

成像測井裂縫孔隙度計算主要是通過人工對天然裂縫進行拾取，并采用斯侖貝謝公司的裂縫計算方法對裂縫進行定量計算，提供裂縫長度（FVTL）、裂縫密度（FVD）、校正后的裂縫密度（FVDC）、裂縫視孔隙度（FVPA）和裂縫走向等參數(shù)[18-19]，各參數(shù)的計算公式如下：

式中R表示井眼半徑，m； C表示FMI井眼覆蓋率；Li表示第i條裂縫的長度；Ⅰi表示第i深度段內(nèi)裂縫的條數(shù)；Wi表示第i條裂縫的平均寬度；H表示評價井段長度，m；θi表示第i條裂縫的視傾角，即裂縫面與井軸的夾角。

2.2.2 雙側(cè)向測井裂縫孔隙度計算模型

根據(jù)國內(nèi)外大量實踐證實，裂縫對深淺雙側(cè)向電阻率有比較靈敏的反應,利用裂縫井段與雙側(cè)向電阻率計算裂縫孔隙度，其中經(jīng)典的是Pezard[20]等在Sibbit[21]等人研究的基礎上，建立了裂縫地層電性各向異性的數(shù)值計算模型[22]，進一步總結(jié)不同角度裂縫的雙側(cè)向測井響應，按裂縫傾角將裂縫分為水平縫、垂直縫兩種情況，該公式考慮到裂縫性地層侵入特性。

計算水平裂縫模型裂縫孔隙度（φf）的公式為：

計算垂直裂縫模型裂縫孔隙度的計算公式為：

對于網(wǎng)狀縫，采用并聯(lián)導電模型，利用雙側(cè)向測井資料推導網(wǎng)狀裂縫孔隙模型[23-24]，再利用迭代算法求得裂縫孔隙度：

式中Cd、Cs、Cm、Cw分別表示深側(cè)向、淺側(cè)向、泥漿濾液電導率、地層水電導率，1/（Ω·m）； x表示裂隙網(wǎng)格長度相對大小，小于1；mf表示裂縫孔隙度指數(shù)，（F為地層因子，

考慮雙側(cè)向與成像測井資料計算裂縫孔隙度的原理不一樣，雙側(cè)向電阻率法反映的是體積模型中雙側(cè)向電阻率對于巖石裂縫的測井響應，計算模型為無限大空間，具宏觀特征。成像測井計算裂縫孔隙度實際上是反映井壁面積意義上的面孔率，更具微觀優(yōu)勢特征，其圖像特征更加直觀。成像測井與雙側(cè)向解釋的裂縫孔隙度之間有差異是合理的。筆者利用成像資料提供的裂縫孔隙度，對雙側(cè)向測井資料計算的裂縫孔隙度進行標定，建立成像測井裂縫孔隙度（FVPA）與雙側(cè)向裂縫孔隙度（φf） 關系如下：

圖4是常規(guī)測井與成像測井裂縫孔隙度交會圖，通過回歸分析，得到 a=7.989 5，b=－0.000 4，成像測井解釋裂縫孔隙度與雙側(cè)向計算裂縫孔隙度兩者約成8倍的關系，通過此關系，可利用常規(guī)曲線對全區(qū)進行裂縫孔隙度計算。

圖4 常規(guī)裂縫孔隙度與成像裂縫對比分析圖

3 應用實例

3.1 三維圖版進行巖性綜合識別

圖5 X井解釋成果綜合圖

圖5為三維圖版巖性綜合識別成果圖。該井2485～2 490 m段常規(guī)測井曲線表現(xiàn)為低伽馬、高密度、高電阻率特征，電阻率多介于10～50 Ω·m，顯示為中基性安山巖及安山質(zhì)火山碎屑熔巖特征，ECS測井處理圖分析表明，硅含量在井深約2 480 m～2 490 m降低，鋁、鐵，鈦含量增加，為典型的安山巖特征，成像測井顯示熔結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育，成像測井電阻率值較高，圖像顏色較亮，從錄井上為安山巖。該井 2 450～ 2 455 m 表現(xiàn)為中等伽馬值，低密度，低電阻率，電阻率值介于2～20 Ω·m，為基性火山碎屑巖特征。成像測井為相對低值，圖像顏色較暗。從錄井資料上也為角礫凝灰?guī)r。解釋成果與錄井、成像及ECS測井基本一致。說明利用三維交會圖并結(jié)合成像測井及巖心數(shù)據(jù)綜合判別巖性，可有效識別巖性。

3.2 建立分巖性孔隙度模型計算儲層孔隙度

從單井的測井孔隙度與巖心分析孔隙度對比圖（圖6）可以看出不管是火山角礫巖還是角礫凝灰?guī)r，計算結(jié)果的符合程度非常高。統(tǒng)計孔隙度誤差可見火山角礫巖的計算結(jié)果平均絕對誤差－0.6%，平均相對誤差5.4%；角礫凝灰?guī)r平均絕對誤差0.3%，平均相對誤差4.4%，均在探明儲量規(guī)范規(guī)定的有效孔隙度計算絕對誤差小于2%，相對誤差小于8%的范圍內(nèi)。

3.3 裂縫識別

圖6 測井處理孔隙度與巖心分析孔隙度單井圖

圖7 不同巖性裂縫厚度與平均孔隙度統(tǒng)計圖

根據(jù)裂縫在常規(guī)測井資料上的響應特征進行裂縫識別，結(jié)果表明該區(qū)裂縫以低角度斜交縫的裂縫厚度（裂縫厚度是指該類型裂縫發(fā)育段的地層厚度）最大，網(wǎng)狀縫、高角度縫次之。從各巖性統(tǒng)計的裂縫厚度與孔隙度圖（圖7）可看出：火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫厚度比較大，但裂縫孔隙度總體偏低，裂縫孔隙度平均值低于0.03%。角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育有利目標；凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫；安山巖巖性致密，總體上裂縫孔隙度偏低，但裂縫發(fā)育段厚度與角礫凝灰?guī)r、火山角礫巖基本相當，故不能忽視裂縫的存在。

3.4 綜合評價

綜合裂縫識別與孔隙度計算結(jié)果，認為裂縫發(fā)育與巖性有著重要關系。安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育，角礫凝灰?guī)r裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育有利目標；凝灰?guī)r幾乎不發(fā)育裂縫；安山巖也發(fā)育一定厚度的裂縫，具有一定的潛力。如圖8所示，在安山巖頂部計算的裂縫孔隙度為0.02%，成像測井顯示裂縫發(fā)育，具有較好的氣測反映，在一定條件下采取壓裂措施可作為滲流通道。因此安山巖可作為潛力儲層。

圖8 測井成果圖

4 結(jié)論

1）通過主成分分析，確定對巖性較敏感的常規(guī)曲線為密度、電阻率、自然伽馬；建立了電阻率—自然伽馬—密度三參數(shù)交會圖，該圖版比二維圖版增加一個參數(shù)，更適合復雜的火成巖解釋。通過對解釋結(jié)果的驗證，利用多參數(shù)可有效區(qū)分該區(qū)的火山巖巖性。

2）對基質(zhì)孔隙度采用對火成巖基質(zhì)孔隙度及原生孔隙度較敏感的聲波曲線進行刻度，分別對儲層的主要巖性——火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r進行建模計算，提高了儲層孔隙度的解釋精度，符合儲量計算的精度要求。

3）利用成像資料計算的裂縫孔隙度對雙側(cè)向測井資料計算的裂縫孔隙度進行標定，成像測井計算的孔隙度與雙側(cè)向計算裂縫孔隙度約成8倍的關系，從而利用資料豐富的測井曲線對全區(qū)進行裂縫孔隙度計算。計算結(jié)果表明裂縫發(fā)育與巖性有著重要關系，安山巖、火山角礫巖、角礫凝灰?guī)r裂縫比較發(fā)育；角礫凝灰?guī)r中裂縫孔隙度最高，火山角礫巖次之，為儲層發(fā)育的主要巖性；安山巖巖性致密，但裂縫較發(fā)育，可作為潛力儲層。