鄂爾多斯盆地三疊系延長組7段高伽馬砂巖測井識別及其展布特征

游富糧，柳廣弟，孫明亮，李超正，劉祥柏，安 成，王子昕，李億殊

1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249；2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083

鄂爾多斯盆地三疊系延長組7段頁巖層系內(nèi)普遍發(fā)育高伽馬砂巖，付金華等[1]報道了CY1井在長73亞段高伽馬砂巖深度段內(nèi)試油獲得了121.38 t/d的高產(chǎn)油流，說明高伽馬砂巖相較于物性差、黏土含量高的泥頁巖有更大的開采潛能。高伽馬砂巖指的是由于放射性元素相對富集，形成具有相對較高自然伽馬值的砂巖[2]，在測井剖面上極易與泥頁巖相混淆。目前關(guān)于長7段高伽馬砂巖的成因主要有兩種看法：一種認(rèn)為高伽馬砂巖形成與盆地西南方向來源的凝灰?guī)r由水流重新改造作為砂巖組成部分再沉積有關(guān)[3]；另一種認(rèn)為高伽馬砂巖形成與熱液作用成因的放射性重礦物富集有關(guān)，而在平面上沒有觀察到高伽馬砂巖的物源特征[4-5]?？梢婇L7段高伽馬砂巖的分布形態(tài)和物源方向是分析其成因的重要依據(jù)。但是對劃分高伽馬砂巖和正常砂巖的自然伽馬值界線不同學(xué)者有不同的看法，如劉行軍等[4]將自然伽馬相對值法計算的泥質(zhì)含量大于66%的砂巖定義為高伽馬砂巖；張小莉等[3]將視泥質(zhì)含量大于40%的砂巖定義為高伽馬砂巖。長7段頁巖層系內(nèi)的砂巖夾層厚度相對較薄，高伽馬砂巖與泥頁巖的自然伽馬值分布相互重疊，難以用簡單的測井交匯圖版進(jìn)行識別[3,5-7]。雖然前人針對長7段提出了許多巖性測井識別方案，但他們要么只注重高伽馬砂巖與正常砂巖的區(qū)分[3,6-8]，要么只對正常自然伽馬值的砂巖和其他泥質(zhì)巖性進(jìn)行測井識別[9-11]。

本文從實際生產(chǎn)和操作簡便出發(fā)，根據(jù)CY1井實施水平井壓裂改造的“甜點段”(2 027.5～2 034.1 m)的塊狀層理油斑細(xì)砂巖自然伽馬值在100 API左右[1]，將自然伽馬值大于100 API的細(xì)砂巖、粉砂巖以及泥質(zhì)粉砂巖定義為高伽馬砂巖，并應(yīng)用常規(guī)測井?dāng)?shù)據(jù)，對長7段的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥頁巖進(jìn)行巖性測井識別，來區(qū)分高伽馬砂巖與正常砂巖。

1 地質(zhì)背景

根據(jù)地下巖石的密度、磁性、電阻率等差異，將鄂爾多斯盆地劃分為6個一級構(gòu)造單元，分別為伊陜斜坡、天環(huán)坳陷、晉西撓褶帶、西緣沖斷帶、伊盟隆起和渭北隆起[12]。鄂爾多斯盆地位于華北克拉通西南部，三疊紀(jì)華北地塊與揚子地塊碰撞，致使右江海槽和秦嶺海槽完全閉合，形成秦嶺山脈[13]；到晚三疊世，鄂爾多斯盆地西南部演化為前陸盆地，其橫截面表現(xiàn)為北東翼坡度低、南西翼坡度高的不對稱特征[14-15]，在“北東緩、南西陡”的快速拗陷過程中，盆地內(nèi)沉積了一套厚度約1000～1300m的河流—三角洲—湖泊相碎屑巖[16]，即延長組。根據(jù)沉積旋回、標(biāo)志層和測井響應(yīng)，可將延長組自上而下劃分為10個層段[16-17]，其中長7段沉積期是湖泊發(fā)育的鼎盛時期，沉積了一套厚度約80～120 m的細(xì)粒碎屑巖，其中富有機(jī)質(zhì)的泥頁巖是整個中生界儲層的主力烴源巖[18]。由于長7段沉積期間陸塊碰撞和秦嶺造山運動加劇，周圍火山噴發(fā)、地震和湖底熱液活動頻發(fā)[18-21]，導(dǎo)致長7段內(nèi)形成了許多與此相關(guān)的特殊巖石，如震積巖、高伽馬頁巖、高伽馬砂巖等。長7段是本文研究的重點層段，自上而下可以劃分為長71、長72和長73三個亞段[18]，其中長73亞段內(nèi)高伽馬頁巖和高伽馬砂巖特別常見。本文研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地內(nèi)伊陜斜坡西南部和天環(huán)坳陷南部長7段頁巖主要展布的區(qū)域(圖1)。

圖1 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段頁巖和研究區(qū)分布范圍頁巖厚度等值線據(jù)文獻(xiàn)[22]。Fig.1 Location of study area and distribution of Chang 7 shale, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

2 巖性及測井響應(yīng)特征

2.1 巖性特征

鄂爾多斯盆地長7段巖性主要以陸相細(xì)粒碎屑巖為主，整體屬于典型的三角洲—湖泊沉積體系。按照三級命名法對長7段碎屑巖進(jìn)行粒度分類，劃分為細(xì)砂巖(0.1～0.25 mm)、粉砂巖(0.005～0.1 mm)、泥質(zhì)粉砂巖(0.005 mm以下的泥質(zhì)碎屑占25%～50%)、粉砂質(zhì)泥巖(0.005 mm以下的泥質(zhì)碎屑占20%～75%)和泥頁巖(<0.005 mm)，頁巖主要以頁理發(fā)育而區(qū)分于泥巖。砂巖顏色以灰色—黑灰色為主，油飽和后呈褐色，表面粗糙且發(fā)育交錯層理等沉積構(gòu)造；泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖顏色以灰黑色為主，表面較粗糙，多為塊狀層理，屬于砂巖和泥頁巖之間的過渡巖性；泥巖和頁巖都以黑色為主，手感較為光滑，泥巖相較于頁巖頁理不發(fā)育、呈塊狀，部分頁巖可見水平層理縫(圖2)。

圖2 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段碎屑巖巖心照片a.Zhe86井，2 410.4 m，灰色細(xì)砂巖，交錯層理；b.Zhu174井，1 624.5 m，黑灰色粉砂巖，交錯層理；c.Li287井，1 959.6 m，灰黑色泥質(zhì)粉砂巖，塊狀層理，斷面較粉砂巖更平整；d.Xi233井，1 942.1 m，灰黑色粉砂質(zhì)泥巖，塊狀層理；e.Gen138井， 2 734.92 m，黑色泥巖，塊狀層理；f.Hua317井，2 467.5 m，黑色頁巖，水平層理，可見水平層理縫Fig.2 Core photos of clastic rocks in Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

高伽馬砂巖是一類較為特殊的砂巖，單從巖心顏色、巖石粒度上很難將其與正常砂巖區(qū)分開，但其自然伽馬值相對正常砂巖更高。據(jù)長慶油田提供的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計同一口井中相鄰正常伽馬砂巖與高伽馬砂巖的物性和含油性，得到正常砂巖的孔隙度主要為4.73%～9.79%(均值為7.55%)，氣測水平滲透率主要為(0.01～0.13)×10-3μm2(均值為0.07×10-3μm2)，含油飽和度主要為13.44%～37.02%(均值為28.00%)；高伽馬砂巖的孔隙度主要為0.78%～9.70%(均值為5.83%)，氣測水平滲透率主要為(0.004～0.10)×10-3μm2(均值為0.07×10-3μm2)，含油飽和度主要為7.24%～38.19%(均值為25.12%)。結(jié)果表明，高伽馬砂巖的儲集性和含油性與正常砂巖大致相當(dāng)，由于高伽馬砂巖常出現(xiàn)在長73亞段的厚層泥頁巖中，相較于純泥頁巖而言，高伽馬砂巖段可作為壓裂開采的有利目標(biāo)(圖3)。

圖3 鄂爾多斯盆地Zhu233井三疊系延長組長73亞段高伽馬砂巖測井剖面巖心物性數(shù)據(jù)據(jù)長慶油田。Fig.3 Logging profile of high-gamma sandstones in Chang 73 sub-member, Triassic Yanchang Formation, well Zhu 233, Ordos Basin

2.2 巖性測井響應(yīng)

本文共描述了研究區(qū)內(nèi)12口長7段取心井的巖性特征，井位分布如圖1所示。經(jīng)巖心歸位后，選取其中10口井的巖心描述數(shù)據(jù)及對應(yīng)深度測井響應(yīng)值共1 088個數(shù)據(jù)點，其余2口長取心井(CY1和Nin76)將作為測井識別效果檢驗使用。

研究區(qū)長7段常用的測井曲線主要有聲波時差測井(AC)、自然伽馬測井(GR)、補(bǔ)償中子測井(CNL)、密度測井(DEN)、自然電位測井(SP)、八側(cè)向電導(dǎo)率測井(CLL8)和深感應(yīng)電導(dǎo)率測井(CILD)。統(tǒng)計結(jié)果(表1，圖4)表明，長7段內(nèi)部巖石的自然伽馬值整體偏高，砂巖出現(xiàn)高自然伽馬值的現(xiàn)象很明顯。其中，頁巖的伽馬值最高可達(dá)到701.1 API，平均值為277.0 API；細(xì)砂巖以及粉砂巖的伽馬值分別可達(dá)189.0 API和217.8 API，平均值分別為116.5 API和140.1 API；泥質(zhì)粉砂巖由于黏土和有機(jī)質(zhì)含量較純砂巖高，富集放射性鈾元素的能力增加，伽馬值可高達(dá)330.5 API，平均值為149.2 API。整體上，由細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖到頁巖，隨著粒度變細(xì)以及黏土含量增加，AC、GR、CNL測井值呈明顯的遞增趨勢，DEN有所遞減，SP、CLL8和CILD測井值的遞變趨勢不明顯。

圖4 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段泥頁巖層系內(nèi)不同巖性測井響應(yīng)Fig.4 Logging response of different lithologies in mud shale strata, Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

表1 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段泥頁巖層系內(nèi)不同巖性測井?dāng)?shù)值Table 1 Logging response of different lithologies in mud shale strata, Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

3 巖性測井識別方法及效果

3.1 巖性測井識別方法

長7段很大一部分砂巖的伽馬值與泥頁巖重疊在一起，使得常用的伽馬測井不能區(qū)分開泥頁巖與高伽馬砂巖；其他測井同樣存在不同巖性的測井值交叉重疊的現(xiàn)象，這使得不同類型測井的交匯圖版不能有效區(qū)分六種巖性(圖4)。造成不同巖性測井響應(yīng)值區(qū)分不明顯的原因：一方面是由于研究區(qū)內(nèi)火山灰沉積和構(gòu)造運動改造的影響；另一方面是長7段西南方向物源水道橫向遷移變化快、多期重力流砂體疊置改造，湖盆內(nèi)沉積相變快、砂體尖滅快、泥砂混雜堆積[23]，垂向上機(jī)械沉積分異作用減弱，導(dǎo)致砂、泥巖之間測井響應(yīng)差異變小。

針對以上存在的問題，學(xué)者們[3,6-11]提出了不同的巖性測井識別方法，都取得了不錯的應(yīng)用效果。其中，張小莉等[4]詳細(xì)探討了鄂爾多斯盆地延長組高伽馬砂巖的儲層特征，并總結(jié)出定性識別高伽馬砂巖的測井響應(yīng)特征(表2)。

表2 鄂爾多斯盆地三疊系延長組相對高自然伽馬砂巖儲層的測井響應(yīng)特征[3]Table 2 Logging response characteristics of relatively high natural gamma sandstone reservoirs in Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

本文提出一種新的巖性測井識別方法，該方法可以識別出長7段不同類型碎屑巖，并且區(qū)分開高伽馬砂巖與正常砂巖。研究思路可以概括為三點：(1)觀察不同測井參數(shù)隨巖性變化而變化的趨勢，以及各巖性之間測井響應(yīng)差異的大??；(2)選擇除GR以外的AC、CNL、DEN、CLL8和CILD五個測井參數(shù)進(jìn)行運算組合，組合得到的新參數(shù)使各巖性之間的區(qū)分度最大；(3)識別出砂巖后，根據(jù)GR測井識別出自然伽馬值大于100 API的高伽馬砂巖。

首先，觀察圖4中不同巖性的測井響應(yīng)參數(shù)隨巖石特征變化的規(guī)律。GR反映碎屑巖中黏土和有機(jī)質(zhì)含量的差異，黏土和有機(jī)質(zhì)會富集U、Th、K等放射性元素，導(dǎo)致巖石的自然伽馬值增大。AC反映了聲波在固體有機(jī)質(zhì)和骨架礦物中傳播速度的差異，所以AC值可以反映有機(jī)質(zhì)含量的高低。CNL主要反映巖石內(nèi)部氫元素的含量，孔隙中完全充滿液體(油和水)時，CNL可直接反映孔隙度的大小。由于泥頁巖具有更多的束縛水、結(jié)晶水以及干酪根氫元素，故富含黏土和有機(jī)質(zhì)的巖性CNL更大[24]。DEN與巖石組成礦物密度和壓實結(jié)晶程度有關(guān)，通常巖石中脆性礦物富集程度越高，巖石的密度越大。CLL8和CILD的比值則反映了井壁周圍泥漿沖洗過渡帶和原狀地層電導(dǎo)率的差異，使用同種類型泥漿時，泥漿沖洗程度受巖石的孔隙度和滲透率大小的控制。以上測井特征表明，細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和頁巖的碎屑粒度、孔隙度和滲透率依次減小，黏土礦物和有機(jī)質(zhì)含量依次增大，隨之造成AC和CNL呈線性增大，DEN略微線性減小(圖4)。雖然大部分巖性之間CLL8和CILD的比值差異并不明顯，但CLL8和CILD交匯圖(圖4)中放大部分[0～50 (Ω·m)-1]表明，部分細(xì)砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖之間CLL8和CILD的比值存在差異，由細(xì)砂巖到泥質(zhì)粉砂巖該比值整體有所減小。

然后，組合參數(shù)是為了使不同巖性之間的測井響應(yīng)差異擴(kuò)大化，即通過不同巖性之間存在差異的測井參數(shù)相互做乘除等運算得到新的參數(shù)，使各類巖性的新參數(shù)值的交叉重疊范圍變小，最終區(qū)分開不同巖性。經(jīng)過不斷嘗試和組合測井參數(shù)，得到了2個識別巖性效果很好的新參數(shù)A和B：

A=(AC-180)·CNL/100

(1)

B=ln[(CLL8/CILD)·DEN]

(2)

李雪英等[25]就應(yīng)用過深電阻率與密度組合的商(LLD/DEN)來區(qū)分大慶黑帝廟層的泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖。由于長7段富有機(jī)質(zhì)頁巖的GR、AC和CNL測井異常高值在長71和長72亞段內(nèi)分布不均勻，測井?dāng)?shù)據(jù)歸一化處理比較困難，并且為了凸顯平面上測井響應(yīng)的變化趨勢，故本文不對測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

在組合參數(shù)時，引入了一些常數(shù)和自然對數(shù)運算來減小不同測井參數(shù)響應(yīng)幅度的差異，繪制六種巖性的參數(shù)A和參數(shù)B的交匯圖版(圖5)。依據(jù)圖5不同巖性之間的界線，將細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥頁巖區(qū)分開，效果相較于單個測井參數(shù)組成的交匯圖更好。但泥巖和頁巖無論用新的測井參數(shù)圖版還是單個測井交匯圖，都無法將它們完全區(qū)分開。所以本文將沿襲前人的認(rèn)識，即大部分頁巖的自然伽馬值較泥巖高、密度較泥巖低，一般認(rèn)為頁巖的自然伽馬值大于180 API、密度低于2.4g/cm3[26]；而將識別出的細(xì)砂巖、粉砂巖以及泥質(zhì)粉砂巖自然伽馬值高于100 API的部分作為高伽馬砂巖。長7段巖性識別流程如圖6所示。

圖5 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段巖性測井識別參數(shù)A和參數(shù)B交匯圖版Fig.5 Intersection chart of parameters A and B for lithology logging identification of Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段高伽馬砂巖測井識別流程Fig.6 Flow chart of logging identification of high-gamma sandstones in Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

3.2 巖性測井識別效果

選取CY1和Nin76兩口長取心井來驗證巖性測井識別的效果，兩口井的取心描述數(shù)據(jù)由長慶油田提供，使用油田的取心描述是為了保證識別效果的可對比性和可靠性。油田習(xí)慣將泥質(zhì)粉砂巖直接描述為粉砂巖，頁巖描述為碳質(zhì)泥巖，由于巖性描述者視覺的偏差以及巖性分類方法的差異，所以此處的巖性識別率指的是取心描述和計算巖性結(jié)果砂巖類(細(xì)砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖)和泥巖類(粉砂質(zhì)泥巖、泥巖和頁巖)正確對應(yīng)的厚度占長7段總?cè)⌒暮穸鹊陌俜直?。最終，CY1井的測井巖性識別率為82.7%，Nin76井的測井巖性識別率為84.4%，識別效果都很不錯(圖7)。

圖7 鄂爾多斯盆地CY1井和Nin76井的巖性識別效果取心描述數(shù)據(jù)據(jù)長慶油田。Fig.7 Lithology identification effect of wells CY 1 and Nin 76 in Ordos Basin

4 高伽馬砂巖展布特征

選擇研究區(qū)內(nèi)鉆穿長7段的269口鉆井，基本覆蓋了頁巖展布的主要區(qū)域。應(yīng)用宏程序自動計算和統(tǒng)計每口井長7段內(nèi)高伽馬砂巖的厚度，由Kriging插值法繪制高伽馬砂巖的累計厚度等值線圖(圖8)。研究區(qū)長7段的高伽馬砂巖主要分布于該區(qū)西南部，由盆地邊緣向湖盆內(nèi)部呈指狀發(fā)散展布，物源方向主要來自研究區(qū)的西緣和西南緣兩個方向。研究區(qū)北部和東部幾乎沒有高伽馬砂巖分布，并且高伽馬砂巖的物源與凝灰?guī)r的物源方向一致，凝灰?guī)r的物源也來自研究區(qū)西南緣[16]，可推測高伽馬砂巖形成可能與鄂爾多斯盆地長7段沉積期西南緣的火山噴發(fā)有關(guān)，這與張小莉等[3]的結(jié)論一致。

圖8 鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段高伽馬砂巖累計厚度分布Fig.8 Contour map of accumulated thickness of high-gamma sandstones in Chang 7 member, Triassic Yanchang Formation, Ordos Basin

5 結(jié)論

(1)鄂爾多斯盆地三疊系延長組長7段內(nèi)巖石的自然伽馬值整體偏高，存在大量的高自然伽馬砂巖，高伽馬砂巖中細(xì)砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖的自然伽馬值分別可高達(dá)189.0，217.8，330.5 API。

(2)應(yīng)用常規(guī)測井參數(shù)組合運算得到了2個新的參數(shù)——參數(shù)A和參數(shù)B，根據(jù)參數(shù)A和參數(shù)B的交匯圖版、自然伽馬測井和密度測井，可有效識別出長7段內(nèi)的細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和泥頁巖，以及高伽馬砂巖。

(3)長7段內(nèi)自然伽馬值大于100 API的高伽馬砂巖主要分布在研究區(qū)的西南部，砂體由湖盆的西緣和西南緣向湖盆內(nèi)部呈指狀發(fā)散展開，厚度整體向北部和東部逐漸變薄，其形成可能與長7段沉積時期盆地西南方向的火山噴發(fā)是有關(guān)的。