元壩須三段致密含鈣砂礫巖地層測井響應特征及巖性識別方法

南澤宇， 譚茂金， 張延華， 肖開華， 劉志遠

(1.中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院， 北京 100083； 2.中國石化石油勘探開發研究院， 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研究院， 敦煌 736200)

川東北元壩地區須家河組須三段致密含鈣砂礫巖儲層已申報552億m3控制儲量，區內ML7、ML12井在含礫鈣屑砂巖中獲得高產工業氣流，展示了較好的開發前景[1]，然而實踐表明，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]，但單井產能差異大，平均單井累產低、儲量動用難。由于須三段致密含鈣砂礫巖地層壓實、膠結作用強，整體呈現低孔隙度(平均1.95%)和低滲透率(平均0.082 mD)特征，基質物性對產能控制弱[3]，裂縫、巖性對儲層控制強，而裂縫分布又受巖性控制[4]。因此如何準確識別地層巖性，找出有利巖性段是該類氣藏有效開發的關鍵[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、砂質礫巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖、常規巖屑砂巖及炭質砂巖。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、含氣性及產能明顯好于其他巖性，巖性對儲層具有重要控制作用[2,9-10]。測井資料分辨率高、對巖性敏感，是巖性識別的有效手段[11-12]，如何利用測井識別中-粗粒鈣屑砂巖成為須三段含鈣砂礫巖儲層評價的基礎[13-15]。

前人針對致密含鈣砂礫巖地層建立了一系列巖性識別方法。司馬立強等[14]總結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]依據沉積水動力條件、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測井、成像測井響應特征，但未涉及巖性識別方法。繆祥禧等[5]、袁子龍等[17]提出了成像測井砂礫巖、鈣屑砂巖、常規巖屑砂巖識別方法，但未給出常規測井巖性識別方法，適用范圍受限。肖開華等[2]提出了礫巖、砂礫巖、鈣屑砂巖、常規巖屑砂巖、泥巖等常規測井識別標準，但礫巖識別標準簡單，只能識別出高阻礫巖，不能識別中-高阻礫巖，且不能確定鈣屑砂巖粒度，不利于區分含氣潛力高的中-粗粒鈣屑砂巖及潛力低的鈣屑粉砂巖。

現基于薄片鑒定資料，建立基于常規測井的致密含鈣砂礫巖地層巖性識別方法。采用先易后難、逐級剝離的思想，首先將巖石類型分為煤、泥巖、礫巖、砂巖四大類，然后將礫巖細分為含砂礫巖、砂質礫巖兩小類，將砂巖細分為中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖、炭質砂巖四小類，最終實現含鈣砂礫巖地層四大類八小類巖性精確識別。

1 元壩須三段地層巖石類型及測井響應特征

元壩須三段含鈣砂礫巖地層巖石類型多樣，發育有泥巖、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、定名標準、巖心照片及測井特征如表1所示。

表1 元壩地區須三段含鈣砂礫巖地層巖石分類標準、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率低、密度大、結構致密，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，伽馬、中子測井值增大、電阻率降低。因為細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，且搬運距離長，較粗粒巖石有更長的與放射性元素接觸時間，細粒巖石伽馬較高；同時細粒巖石毛管半徑小，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致細粒巖石電阻率較低。常規巖屑砂巖呈中-高伽馬、低電阻、中中子特征。炭質砂巖呈較低密度、較高聲波時差及較高中子特征。煤呈低密度、高聲波時差、高中子特征。泥巖呈高伽馬、高中子、低電阻特征。

結合各巖石類型常規測井響應特征，將含鈣砂礫巖地層分為礫巖、砂巖、煤、泥巖四大類巖性，然后將礫巖細分為含砂礫巖、砂質礫巖兩小類，將砂巖細分為中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖、炭質砂巖四小類，以巖性穩定巖性段的巖心、薄片定名為基礎(表2)，建立不同巖性測井響應識別圖版，最終實現基于常規測井的含鈣砂礫巖地層四大類八小類巖性識別。識別流程如圖1所示。

續表1

表2 各巖石類型樣本類型及數量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別方法

2.1 煤、泥巖測井識別方法

元壩地區須三段泥巖普遍發育，多口井取心見煤，由于煤、泥巖很少進行薄片鑒定，以巖心描述為大段煤、泥巖的典型段為標準，建立煤、泥巖常規測井識別方法。煤呈低密度、高聲波、較高中子、易擴徑特征，易于識別。采用密度-聲波時差交會圖可識別煤，如圖2所示。

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

由圖2可見，煤位于密度-聲波時差交會圖左上角。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，低于細砂巖縱波速度(4 819 m/s)[18]，聲波時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，聲波時差大于300 μs/m為標準，可識別煤。

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

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

由圖3可見，泥巖位于伽馬-中子交會圖右上角。泥巖顆粒細，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、變質巖巖屑)放射性強于碳酸鹽巖巖屑，常規巖屑砂巖自然伽馬測井值大于鈣屑砂巖，一部分常規巖屑砂巖混入泥巖范圍(圖3)；粉、細砂巖粒度細，比表面積大，放射性礦物吸附能力強，且親水顆粒薄膜水多，一部分鈣屑粉、細砂巖混入泥巖范圍(圖3)。因此引入聲波、電阻率約束條件，采用聲波-電阻率交會圖進一步識別泥巖，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-電阻率交會圖右下角。泥巖相對于混入圖4的常規巖屑砂巖、鈣屑粉、細砂巖等砂巖更為疏松，縱波速度慢，聲波時差高，且電阻率略低。采用電阻率小于85 Ω·m，聲波時差大于194 μs/m為標準可以進一步確定泥巖。

2.2 礫巖分類及測井識別方法

元壩須三段礫巖廣泛發育，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，次為粉晶灰巖等；礫間充填物多為碳酸鹽，由方解石和白云石組成，呈粉晶-細晶狀，砂質含量多在5%以下，偶見長石。由于礫石周圍多發育礫緣縫，改善了儲層滲透性[19]，滲透率高于其他巖石類型，因此有必要開展礫巖測井識別，確定有利儲層。

礫巖呈高電阻、低伽馬、高密度特征，在識別煤、泥巖后，采用自然伽馬-電阻率交會圖可直觀識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-電阻率交會圖上部。礫巖致密，孔隙度、含水率低，以骨架導電為主，加之須三段礫石多由碳酸鹽巖構成，導致礫巖電阻率高。采用電阻率大于8 100 Ω·m為標準，可識別礫巖中的典型高阻礫巖。

然而，部分礫巖段黃鐵礦、褐鐵礦發育或泥質膠結、束縛水導電明顯，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-中子交會圖及伽馬-密度交會圖對混入砂巖范圍的中-高阻礫巖進行識別，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，含黃鐵礦或泥質膠結的中-高阻礫巖呈低中子測井值特征。雖然黃鐵礦等導電礦物或泥質膠結物導電導致礫巖電阻率降低，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-高阻礫巖區域，如圖6所示。因此再引入伽馬、密度約束條件，進一步區分中-高阻礫巖及混入中-高阻礫巖區域的砂巖，如圖7所示。

由圖7可見，中-高阻礫巖位于伽馬-密度交會圖右上角，呈現高密度、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-高阻礫巖多含有導電泥質，自然伽馬增大，呈相對高值(28～44 API)。采用圖7中密度與自然伽馬值關系可以區分中-高阻礫巖與砂巖。

采用多級交會圖識別高阻礫巖、中-高阻礫巖后，可根據中子-電阻率交會圖進一步判定礫石含量，劃分含砂礫巖及砂質礫巖，如圖8所示。

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

由圖8可見，砂質礫巖分布于中子-電阻率交會圖右下角。隨砂質含量的增高，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為標準可將礫巖劃分為含砂礫巖和砂質礫巖。

2.3 砂巖分類及測井識別方法

鈣屑砂巖為須三段主要儲層類型[22]。鈣屑砂巖鈣質含量高，在埋藏過程中受煤層中有機質裂解產生的有機酸溶蝕強烈，發育大量粒間溶孔及雜基微孔，物性較好，有利于油氣儲集；加之鈣屑砂巖脆性高，構造變形過程中易于形成裂縫，為油氣運移提供了有利條件，因此鈣屑砂巖為須三段最有利的巖石類型。在采用上述方法識別煤、泥巖、礫巖后，將砂巖分為炭質砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖四類，進行測井識別，以確定有利巖性段的組分、粒度特征。

炭質砂巖呈較低密度、較高聲波、較高中子測井特征。基于伽馬-聲波時差交會圖，易于識別炭質砂巖，如圖9所示。

由圖9可見，炭質砂巖分布于伽馬-聲波交會圖左上角。炭質縱波速度小于砂巖骨架、放射性弱，炭質砂巖聲波時差大、自然伽馬低，可伽馬小于50 API、聲波時差大于205 μs/m為標準識別炭質砂巖。

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

鈣屑砂巖相對于常規巖屑砂巖呈較高電阻、較低伽馬、較高密度特征。結合粒度分類標準將鈣屑砂巖分為中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖及鈣屑粉砂巖。這三類鈣屑砂巖隨粒度變細，自然伽馬升高，中子測井值增大，電阻率降低，原因如第1節所述。火成巖、變質巖巖屑放射性、電導率大于碳酸鹽巖巖屑，相同粒度的常規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巖屑砂巖測井響應類似，難以區分。同時鈣屑粉砂巖、常規巖屑砂巖均不是有利儲層，故將鈣屑粉砂巖與常規巖屑砂巖合并為一類進行識別。砂巖巖性細分圖版如圖10所示。

圖10 含鈣砂礫巖地層砂巖巖性細分圖版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-電阻率交會圖的高電阻部分，細粒鈣屑砂巖位于低電阻、低伽馬部分，鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖位于低電阻、高伽馬部分。中-粗粒鈣屑砂巖鈣質含量高、粒度粗、毛管半徑大、含水量低，呈高阻特征；細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖含水量高，呈低阻特征，以電阻率大于1 000 Ω·m為標準可識別中-粗粒鈣屑砂巖；碳酸鹽巖巖屑相對火山巖巖屑、變質巖巖屑放射性弱，細粒鈣屑砂巖呈低伽馬特征；鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖呈高伽馬特征，以伽馬小于42 API為界可識別細粒鈣屑砂巖。

3 應用效果

將該方法應用于四川盆地元壩氣田須三段致密含鈣砂礫巖地層，識別結果與薄片定名、巖心描述具有較好的對應性。以M1井為例進行說明，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、巖心巖性對比圖。圖中第7道為本文方法識別的巖性(連續曲線)與薄片鑒定巖性(桿狀數據)對比道，第8道為巖心描述道。對于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，夾少量細粒鈣屑砂巖，巖心描述為鈣屑細砂巖，本文方法識別為中-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，本文方法識別為含砂礫巖；下部為泥巖，本文方法識別為泥巖，該取芯段本方法識別巖性與薄片定名結果一致。對于4 578.1～4 579.2 m取芯段，上部薄片定名為中-粗粒鈣屑砂巖，巖心描述為鈣屑細砂巖，本文方法識別為中-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，本方法識別為含砂礫巖，該取芯段本方法識別巖性與薄片定名一致。

4 結論

歸納了致密含鈣砂礫巖地層主要巖石類型和定名標準，并給出了各巖石類型的典型巖心照片、成像測井、常規測井響應特征及機理。通過多級交會圖技術，建立了煤、泥巖、礫巖、砂巖四大類巖性常規測井識別方法，然后將礫巖分為含砂礫巖和砂質礫巖兩小類，將砂巖分為炭質砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖四小類，分析了各小類巖性測井響應特征，結合礦物組分、粒度、膠結物類型等因素分析了各小類巖性測井響應差異原因。最終建立了基于多級交會圖的含鈣致密砂礫巖地層四大類八小類巖石類型常規測井識別方法，并將該方法實際應用，得到以下結論。

(1)致密含鈣砂礫巖地層巖石類型多樣，依據各巖石類型測井響應差異，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，進一步劃分為煤、泥巖、含砂礫巖、砂質礫巖、炭質砂巖、中-粗粒鈣屑砂巖、細粒鈣屑砂巖、鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖八小類，以進行測井識別。

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

(3)中-粗粒鈣屑砂巖呈高阻特征，識別出砂巖后，可依據電阻率確定中-粗粒鈣屑砂巖，然后依據伽馬劃分細粒鈣屑砂巖及鈣屑粉砂巖-常規巖屑砂巖，確定有利儲層。

實際應用表明，該方法識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別方法，在對識別界限進行調整后，可在致密含鈣砂礫巖地層中推廣應用。