元壩須三段致密含鈣砂礫巖地層測井響應(yīng)特征及巖性識(shí)別方法

南澤宇， 譚茂金， 張延華， 肖開華， 劉志遠(yuǎn)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083； 2.中國石化石油勘探開發(fā)研究院， 北京 100083；3.中國石油股份有限公司青海油田分公司勘探開發(fā)研究院， 敦煌 736200)

川東北元壩地區(qū)須家河組須三段致密含鈣砂礫巖儲(chǔ)層已申報(bào)552億m3控制儲(chǔ)量，區(qū)內(nèi)ML7、ML12井在含礫鈣屑砂巖中獲得高產(chǎn)工業(yè)氣流，展示了較好的開發(fā)前景[1]，然而實(shí)踐表明，該氣藏雖然鉆井普遍見明顯氣測異常，具有“大面積分布，整體含氣”的巖性氣藏特征[2]，但單井產(chǎn)能差異大，平均單井累產(chǎn)低、儲(chǔ)量動(dòng)用難。由于須三段致密含鈣砂礫巖地層壓實(shí)、膠結(jié)作用強(qiáng)，整體呈現(xiàn)低孔隙度(平均1.95%)和低滲透率(平均0.082 mD)特征，基質(zhì)物性對(duì)產(chǎn)能控制弱[3]，裂縫、巖性對(duì)儲(chǔ)層控制強(qiáng)，而裂縫分布又受巖性控制[4]。因此如何準(zhǔn)確識(shí)別地層巖性，找出有利巖性段是該類氣藏有效開發(fā)的關(guān)鍵[5]。

含鈣砂礫巖地層沉積相類型主要為辮狀河三角洲平原-前緣[6]，巖心觀察、薄片鑒定表明主要巖石類型為泥巖、煤、含砂礫巖、砂質(zhì)礫巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖、常規(guī)巖屑砂巖及炭質(zhì)砂巖。其中，鈣屑砂巖是巖屑砂巖的一種特殊形式，指巖屑砂巖中碳酸鹽巖巖屑(盆外陸源沉積物)含量大于總巖屑含量50%者[7-8]。前人研究表明，須三段中-粗粒鈣屑砂巖物性、含氣性及產(chǎn)能明顯好于其他巖性，巖性對(duì)儲(chǔ)層具有重要控制作用[2,9-10]。測井資料分辨率高、對(duì)巖性敏感，是巖性識(shí)別的有效手段[11-12]，如何利用測井識(shí)別中-粗粒鈣屑砂巖成為須三段含鈣砂礫巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)[13-15]。

前人針對(duì)致密含鈣砂礫巖地層建立了一系列巖性識(shí)別方法。司馬立強(qiáng)等[14]總結(jié)了鈣屑砂巖測井曲線呈低伽馬、低聲波、高電阻率特征。程洪亮等[16]依據(jù)沉積水動(dòng)力條件、粒度、碳酸鹽巖含量等將鈣屑砂巖分為三類，歸納了各類鈣屑砂巖常規(guī)測井、成像測井響應(yīng)特征，但未涉及巖性識(shí)別方法?？娤殪萚5]、袁子龍等[17]提出了成像測井砂礫巖、鈣屑砂巖、常規(guī)巖屑砂巖識(shí)別方法，但未給出常規(guī)測井巖性識(shí)別方法，適用范圍受限。肖開華等[2]提出了礫巖、砂礫巖、鈣屑砂巖、常規(guī)巖屑砂巖、泥巖等常規(guī)測井識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，但礫巖識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)簡單，只能識(shí)別出高阻礫巖，不能識(shí)別中-高阻礫巖，且不能確定鈣屑砂巖粒度，不利于區(qū)分含氣潛力高的中-粗粒鈣屑砂巖及潛力低的鈣屑粉砂巖。

現(xiàn)基于薄片鑒定資料，建立基于常規(guī)測井的致密含鈣砂礫巖地層巖性識(shí)別方法。采用先易后難、逐級(jí)剝離的思想，首先將巖石類型分為煤、泥巖、礫巖、砂巖四大類，然后將礫巖細(xì)分為含砂礫巖、砂質(zhì)礫巖兩小類，將砂巖細(xì)分為中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖、炭質(zhì)砂巖四小類，最終實(shí)現(xiàn)含鈣砂礫巖地層四大類八小類巖性精確識(shí)別。

1 元壩須三段地層巖石類型及測井響應(yīng)特征

元壩須三段含鈣砂礫巖地層巖石類型多樣，發(fā)育有泥巖、砂巖、礫巖，偶見煤及黃鐵礦。其中砂巖石英、長石含量低，依據(jù)Folk分類方案，以巖屑砂巖為主，巖屑以碳酸鹽巖巖屑為主，多為鈣屑砂巖；礫巖以碳酸鹽巖礫石為主。巖心、薄片觀察到的巖石類型、定名標(biāo)準(zhǔn)、巖心照片及測井特征如表1所示。

表1 元壩地區(qū)須三段含鈣砂礫巖地層巖石分類標(biāo)準(zhǔn)、巖心照片及測井特征Table 1 Lithology classification standard, photograph and well logging characteristics of calcarenaceous sandy conglomerate formation of the 3rd member of Xujiahe formation in Yuanba area

測井上礫巖呈高電阻、高密度、低中子特征。由于碳酸鹽巖礫石電導(dǎo)率低、密度大、結(jié)構(gòu)致密，隨礫石含量增高，礫巖電阻率增大，密度增大，中子測井值降低。鈣屑砂巖呈高電阻、低伽馬、低中子特征。隨粒度變細(xì)，伽馬、中子測井值增大、電阻率降低。因?yàn)榧?xì)粒巖石顆粒比表面積大，沉積過程中更易吸附鈾、釷、鉀等放射性元素，且搬運(yùn)距離長，較粗粒巖石有更長的與放射性元素接觸時(shí)間，細(xì)粒巖石伽馬較高；同時(shí)細(xì)粒巖石毛管半徑小，毛管水含量高，且比表面積大，親水巖石顆粒表面薄膜水含量高，中子測井值較高；毛管水、薄膜水含量增加也導(dǎo)致細(xì)粒巖石電阻率較低。常規(guī)巖屑砂巖呈中-高伽馬、低電阻、中中子特征。炭質(zhì)砂巖呈較低密度、較高聲波時(shí)差及較高中子特征。煤呈低密度、高聲波時(shí)差、高中子特征。泥巖呈高伽馬、高中子、低電阻特征。

結(jié)合各巖石類型常規(guī)測井響應(yīng)特征，將含鈣砂礫巖地層分為礫巖、砂巖、煤、泥巖四大類巖性，然后將礫巖細(xì)分為含砂礫巖、砂質(zhì)礫巖兩小類，將砂巖細(xì)分為中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖、炭質(zhì)砂巖四小類，以巖性穩(wěn)定巖性段的巖心、薄片定名為基礎(chǔ)(表2)，建立不同巖性測井響應(yīng)識(shí)別圖版，最終實(shí)現(xiàn)基于常規(guī)測井的含鈣砂礫巖地層四大類八小類巖性識(shí)別。識(shí)別流程如圖1所示。

續(xù)表1

表2 各巖石類型樣本類型及數(shù)量Table 2 Type and quantity of samples of each rock type

圖1 含鈣砂礫巖地層測井巖性識(shí)別流程圖Fig.1 Logging lithology identification flow chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

2 元壩須三段地層巖石類型測井識(shí)別方法

2.1 煤、泥巖測井識(shí)別方法

元壩地區(qū)須三段泥巖普遍發(fā)育，多口井取心見煤，由于煤、泥巖很少進(jìn)行薄片鑒定，以巖心描述為大段煤、泥巖的典型段為標(biāo)準(zhǔn)，建立煤、泥巖常規(guī)測井識(shí)別方法。煤呈低密度、高聲波、較高中子、易擴(kuò)徑特征，易于識(shí)別。采用密度-聲波時(shí)差交會(huì)圖可識(shí)別煤，如圖2所示。

圖2 含鈣砂礫巖地層煤識(shí)別圖版Fig.2 Coal identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖2可見，煤位于密度-聲波時(shí)差交會(huì)圖左上角。煤密度為1 300 kg/m3,低于石英砂巖骨架密度(2 650 kg/m3)，密度大幅降低是煤的主要測井特征；煤縱波速度為2 168 m/s，低于細(xì)砂巖縱波速度(4 819 m/s)[18]，聲波時(shí)差增大是煤的另一測井特征。因此以密度測井值小于2 450 kg/m3，聲波時(shí)差大于300 μs/m為標(biāo)準(zhǔn)，可識(shí)別煤。

泥巖呈高伽馬、高中子、低電阻特征。采用圖2所示煤識(shí)別圖版去除煤后，采用伽馬-中子交會(huì)圖可初步識(shí)別泥巖，如圖3所示。

圖3 含鈣砂礫巖地層泥巖初步識(shí)別圖版Fig.3 Shale preliminary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖3可見，泥巖位于伽馬-中子交會(huì)圖右上角。泥巖顆粒細(xì)，沉積過程中吸附大量放射性元素，自然伽馬測井值高；束縛水含量高，中子測井值大。因此可以自然伽馬測井值大于65 API，中子測井值大于10%初步判別泥巖。

然而，由于非碳酸鹽巖巖屑(火成巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑)放射性強(qiáng)于碳酸鹽巖巖屑，常規(guī)巖屑砂巖自然伽馬測井值大于鈣屑砂巖，一部分常規(guī)巖屑砂巖混入泥巖范圍(圖3)；粉、細(xì)砂巖粒度細(xì)，比表面積大，放射性礦物吸附能力強(qiáng)，且親水顆粒薄膜水多，一部分鈣屑粉、細(xì)砂巖混入泥巖范圍(圖3)。因此引入聲波、電阻率約束條件，采用聲波-電阻率交會(huì)圖進(jìn)一步識(shí)別泥巖，如圖4所示。

圖4 含鈣砂礫巖地層泥巖二次判別圖版Fig.4 Shale secondary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖4可見，泥巖位于聲波-電阻率交會(huì)圖右下角。泥巖相對(duì)于混入圖4的常規(guī)巖屑砂巖、鈣屑粉、細(xì)砂巖等砂巖更為疏松，縱波速度慢，聲波時(shí)差高，且電阻率略低。采用電阻率小于85 Ω·m，聲波時(shí)差大于194 μs/m為標(biāo)準(zhǔn)可以進(jìn)一步確定泥巖。

2.2 礫巖分類及測井識(shí)別方法

元壩須三段礫巖廣泛發(fā)育，薄片鑒定表明，須三段礫巖礫石含量為50%～95%，磨圓度高，多呈次圓-次橢圓狀，主要由粉晶白云巖、泥晶白云巖組成，次為粉晶灰?guī)r等；礫間充填物多為碳酸鹽，由方解石和白云石組成，呈粉晶-細(xì)晶狀，砂質(zhì)含量多在5%以下，偶見長石。由于礫石周圍多發(fā)育礫緣縫，改善了儲(chǔ)層滲透性[19]，滲透率高于其他巖石類型，因此有必要開展礫巖測井識(shí)別，確定有利儲(chǔ)層。

礫巖呈高電阻、低伽馬、高密度特征，在識(shí)別煤、泥巖后，采用自然伽馬-電阻率交會(huì)圖可直觀識(shí)別較為典型的高阻礫巖，如圖5所示。

由圖5可見，高阻礫巖位于自然伽馬-電阻率交會(huì)圖上部。礫巖致密，孔隙度、含水率低，以骨架導(dǎo)電為主，加之須三段礫石多由碳酸鹽巖構(gòu)成，導(dǎo)致礫巖電阻率高。采用電阻率大于8 100 Ω·m為標(biāo)準(zhǔn)，可識(shí)別礫巖中的典型高阻礫巖。

然而，部分礫巖段黃鐵礦、褐鐵礦發(fā)育或泥質(zhì)膠結(jié)、束縛水導(dǎo)電明顯，電阻率降低(大于300 Ω·m小于8 100 Ω·m)，混入砂巖范圍。因此在識(shí)別典型高阻礫巖后，引入中子、密度、伽馬約束條件，采用聲波-中子交會(huì)圖及伽馬-密度交會(huì)圖對(duì)混入砂巖范圍的中-高阻礫巖進(jìn)行識(shí)別，如圖6、圖7所示。

圖6 含鈣砂礫巖地層中-高阻礫巖初步識(shí)別圖版Fig.6 Medium-high resistivity conglomerate preliminary identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖6可見，含黃鐵礦或泥質(zhì)膠結(jié)的中-高阻礫巖呈低中子測井值特征。雖然黃鐵礦等導(dǎo)電礦物或泥質(zhì)膠結(jié)物導(dǎo)電導(dǎo)致礫巖電阻率降低，但礫巖依然比大部分砂巖致密，中子測井值低于砂巖，可用中子測井值小于4.2%初步識(shí)別混入砂巖中的礫巖。然而仍有部分致密低中子測井值的砂巖混入中-高阻礫巖區(qū)域，如圖6所示。因此再引入伽馬、密度約束條件，進(jìn)一步區(qū)分中-高阻礫巖及混入中-高阻礫巖區(qū)域的砂巖，如圖7所示。

由圖7可見，中-高阻礫巖位于伽馬-密度交會(huì)圖右上角，呈現(xiàn)高密度、高伽馬特征。須三段礫巖為碳酸鹽巖礫，主要成分為方解石(密度2 710 kg/m3)、白云石(密度2 880 kg/m3)[20]，礫石密度大于砂巖骨架(密度2 650 kg/m3)[21];典型高阻礫巖低伽馬，而電阻率較低的中-高阻礫巖多含有導(dǎo)電泥質(zhì)，自然伽馬增大，呈相對(duì)高值(28～44 API)。采用圖7中密度與自然伽馬值關(guān)系可以區(qū)分中-高阻礫巖與砂巖。

采用多級(jí)交會(huì)圖識(shí)別高阻礫巖、中-高阻礫巖后，可根據(jù)中子-電阻率交會(huì)圖進(jìn)一步判定礫石含量，劃分含砂礫巖及砂質(zhì)礫巖，如圖8所示。

圖8 含鈣砂礫巖地層含砂礫巖、砂質(zhì)礫巖識(shí)別圖版Fig.8 Sand-bearing conglomerate and sandy conglomerate identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖8可見，砂質(zhì)礫巖分布于中子-電阻率交會(huì)圖右下角。隨砂質(zhì)含量的增高，礫巖致密度降低，孔隙度增大，束縛流體增加，電阻率降低，中子測井值增大。采用中子測井值3%，電阻率10 500 Ω·m為標(biāo)準(zhǔn)可將礫巖劃分為含砂礫巖和砂質(zhì)礫巖。

2.3 砂巖分類及測井識(shí)別方法

鈣屑砂巖為須三段主要儲(chǔ)層類型[22]。鈣屑砂巖鈣質(zhì)含量高，在埋藏過程中受煤層中有機(jī)質(zhì)裂解產(chǎn)生的有機(jī)酸溶蝕強(qiáng)烈，發(fā)育大量粒間溶孔及雜基微孔，物性較好，有利于油氣儲(chǔ)集；加之鈣屑砂巖脆性高，構(gòu)造變形過程中易于形成裂縫，為油氣運(yùn)移提供了有利條件，因此鈣屑砂巖為須三段最有利的巖石類型。在采用上述方法識(shí)別煤、泥巖、礫巖后，將砂巖分為炭質(zhì)砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖四類，進(jìn)行測井識(shí)別，以確定有利巖性段的組分、粒度特征。

炭質(zhì)砂巖呈較低密度、較高聲波、較高中子測井特征。基于伽馬-聲波時(shí)差交會(huì)圖，易于識(shí)別炭質(zhì)砂巖，如圖9所示。

由圖9可見，炭質(zhì)砂巖分布于伽馬-聲波交會(huì)圖左上角。炭質(zhì)縱波速度小于砂巖骨架、放射性弱，炭質(zhì)砂巖聲波時(shí)差大、自然伽馬低，可伽馬小于50 API、聲波時(shí)差大于205 μs/m為標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別炭質(zhì)砂巖。

圖9 含鈣砂礫巖地層炭質(zhì)砂巖識(shí)別圖版Fig.9 Carbonaceous sandstone identification chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

鈣屑砂巖相對(duì)于常規(guī)巖屑砂巖呈較高電阻、較低伽馬、較高密度特征。結(jié)合粒度分類標(biāo)準(zhǔn)將鈣屑砂巖分為中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖及鈣屑粉砂巖。這三類鈣屑砂巖隨粒度變細(xì)，自然伽馬升高，中子測井值增大，電阻率降低，原因如第1節(jié)所述?；鸪蓭r、變質(zhì)巖巖屑放射性、電導(dǎo)率大于碳酸鹽巖巖屑，相同粒度的常規(guī)巖屑砂巖自然伽馬高于鈣屑砂巖、電阻率低于鈣屑砂巖。因此鈣屑粉砂巖與常規(guī)巖屑砂巖測井響應(yīng)類似，難以區(qū)分。同時(shí)鈣屑粉砂巖、常規(guī)巖屑砂巖均不是有利儲(chǔ)層，故將鈣屑粉砂巖與常規(guī)巖屑砂巖合并為一類進(jìn)行識(shí)別。砂巖巖性細(xì)分圖版如圖10所示。

圖10 含鈣砂礫巖地層砂巖巖性細(xì)分圖版Fig.10 Sandstone lithographic subdivision chart of calcarenaceous sandy conglomerate formation

由圖10可知，須三段最有利的中-粗粒鈣屑砂巖[23]主要位于伽馬-電阻率交會(huì)圖的高電阻部分，細(xì)粒鈣屑砂巖位于低電阻、低伽馬部分，鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖位于低電阻、高伽馬部分。中-粗粒鈣屑砂巖鈣質(zhì)含量高、粒度粗、毛管半徑大、含水量低，呈高阻特征；細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖含水量高，呈低阻特征，以電阻率大于1 000 Ω·m為標(biāo)準(zhǔn)可識(shí)別中-粗粒鈣屑砂巖；碳酸鹽巖巖屑相對(duì)火山巖巖屑、變質(zhì)巖巖屑放射性弱，細(xì)粒鈣屑砂巖呈低伽馬特征；鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖呈高伽馬特征，以伽馬小于42 API為界可識(shí)別細(xì)粒鈣屑砂巖。

3 應(yīng)用效果

將該方法應(yīng)用于四川盆地元壩氣田須三段致密含鈣砂礫巖地層，識(shí)別結(jié)果與薄片定名、巖心描述具有較好的對(duì)應(yīng)性。以M1井為例進(jìn)行說明，如圖11所示。

圖11 M1井巖性解釋成果圖Fig.11 Lithology processing result in well M1

圖11為M1井測井解釋巖性與薄片、巖心巖性對(duì)比圖。圖中第7道為本文方法識(shí)別的巖性(連續(xù)曲線)與薄片鑒定巖性(桿狀數(shù)據(jù))對(duì)比道，第8道為巖心描述道。對(duì)于4 563～4 569.4 m取芯段，上部薄片定名以中-粗粒鈣屑砂巖為主，夾少量細(xì)粒鈣屑砂巖，巖心描述為鈣屑細(xì)砂巖，本文方法識(shí)別為中-粗粒鈣屑砂巖；中部薄片定名為含砂礫巖，巖心描述為中礫巖，本文方法識(shí)別為含砂礫巖；下部為泥巖，本文方法識(shí)別為泥巖，該取芯段本方法識(shí)別巖性與薄片定名結(jié)果一致。對(duì)于4 578.1～4 579.2 m取芯段，上部薄片定名為中-粗粒鈣屑砂巖，巖心描述為鈣屑細(xì)砂巖，本文方法識(shí)別為中-粗粒鈣屑砂巖，下部薄片定名為含砂礫巖，巖心描述為中礫巖，本方法識(shí)別為含砂礫巖，該取芯段本方法識(shí)別巖性與薄片定名一致。

4 結(jié)論

歸納了致密含鈣砂礫巖地層主要巖石類型和定名標(biāo)準(zhǔn)，并給出了各巖石類型的典型巖心照片、成像測井、常規(guī)測井響應(yīng)特征及機(jī)理。通過多級(jí)交會(huì)圖技術(shù)，建立了煤、泥巖、礫巖、砂巖四大類巖性常規(guī)測井識(shí)別方法，然后將礫巖分為含砂礫巖和砂質(zhì)礫巖兩小類，將砂巖分為炭質(zhì)砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖四小類，分析了各小類巖性測井響應(yīng)特征，結(jié)合礦物組分、粒度、膠結(jié)物類型等因素分析了各小類巖性測井響應(yīng)差異原因。最終建立了基于多級(jí)交會(huì)圖的含鈣致密砂礫巖地層四大類八小類巖石類型常規(guī)測井識(shí)別方法，并將該方法實(shí)際應(yīng)用，得到以下結(jié)論。

(1)致密含鈣砂礫巖地層巖石類型多樣，依據(jù)各巖石類型測井響應(yīng)差異，可將含鈣砂礫巖地層巖石類型劃分為煤、泥巖、礫巖、砂巖四大類，進(jìn)一步劃分為煤、泥巖、含砂礫巖、砂質(zhì)礫巖、炭質(zhì)砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細(xì)粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖八小類，以進(jìn)行測井識(shí)別。

(2)典型礫巖呈高阻特征；部分礫巖由于含黃鐵礦等導(dǎo)電礦物或泥質(zhì)膠結(jié)，電阻率較低。但該類中-高阻礫巖相對(duì)于純砂巖更致密，密度更高，放射性略強(qiáng)，可結(jié)合中子、密度、伽馬測井對(duì)該類礫巖逐級(jí)識(shí)別。可采用中子測井值及電阻率將礫巖分為含砂礫巖及砂質(zhì)礫巖。

(3)中-粗粒鈣屑砂巖呈高阻特征，識(shí)別出砂巖后，可依據(jù)電阻率確定中-粗粒鈣屑砂巖，然后依據(jù)伽馬劃分細(xì)粒鈣屑砂巖及鈣屑粉砂巖-常規(guī)巖屑砂巖，確定有利儲(chǔ)層。

實(shí)際應(yīng)用表明，該方法識(shí)別的巖性與薄片定名、巖心描述吻合較好。該致密含鈣砂礫巖地層巖石類型分類方案及各巖石類型測井識(shí)別方法，在對(duì)識(shí)別界限進(jìn)行調(diào)整后，可在致密含鈣砂礫巖地層中推廣應(yīng)用。