基于測井曲線分析的沉積事件精準識別

王立新 唐明遠 李 浩 周賢斌 黃學斌劉雙蓮 趙 睿 張 輝 申本科 蘇映宏

1.中國石化華北油氣分公司 2.中國石化石油勘探開發研究院 3.石化經緯華北測控公司 4.中國石化石油工程技術研究院 5.中國石油新疆油田公司勘探開發研究院 6.中國石化河南油田分公司勘探開發研究院

0 引言

利用測井資料識別沉積相和沉積微相的文獻較多，用測井資料識別沉積事件的文獻較少。用測井資料評價或解釋沉積相的方法稱為測井相分析。在識別沉積相時，巖性、粒度、分選性、泥質含量、垂向序列、砂體的形態及分布等都是重要的成因標志，這些標志是沉積環境中水動力作用的結果，水動力條件控制著巖石物理性質的變化，如地層導電性、自然放射性、聲波傳導等[1-3]。測井曲線是地層的各種物理性質沿井孔深度變化的物理響應，以此建立起取心井準確的巖電關系，進而推廣至非取心井，預測非取心井儲層特征[4-6]。利用測井曲線形態有效地反饋上述成因標志在縱、橫向上的變化，為識別沉積相提供有價值的資料，并成為一種有效識別沉積相的途徑[7-9]。

利用高分辨率成像資料進行沉積相分析，其優點是能夠對地層進行長井段連續的觀察和描述，獲得豐富的巖性、層理、剖面旋回等重要的巖石結構和沉積構造方面的信息，而相分析的具體方法與常規地質分析完全相同[10-12]。但解釋人員經驗及專業背景差異會影響沉積相解釋結果。當地質事件識別精度不足時，僅利用單井測井資料進行沉積相分析具有一定的不確定性，巖心的標定、錄井資料的刻度及鄰井測井資料的對比，對沉積相的劃分和確定均有積極意義。基于成像測井的沉積相與沉積事件研究存在3方面問題：①成像測井價格較貴，且較早的井未進行成像測井，成像測井資料缺乏，不能在勘探實踐中得到廣泛應用。②成像測井評價與常規測井一樣存在多解性問題。比如層理與泥質條帶、低角度裂縫有時難以區分，同時對解釋人員經驗依賴程度較高，因此需要與巖心等資料的評價結果互相驗證。③成像測井探測深度僅為沖洗帶，受井況等因素影響，無法全面反映地層綜合信息。因此，利用常規測井資料進行沉積事件分析尤顯必要。

根據沉積事件成因反推測井地質屬性，需要從事件本質深層次的共性與個性關系著手，二者的關系決定了測井曲線響應的兩個方面[13-15]。其中，共性因素決定事件區間內測井曲線的基本形態[16-18]。如一般意義上的心灘沉積的基本形態為“箱型”；個性因素決定事件區間內測井曲線的特殊變化組合[19-21]。如每一個具體的心灘沉積，因物源供給的特殊、氣候及沉積水動力的復雜，而形成各自獨特的測井曲線組合形態。因此，研究測井信息的共性特征，有助于判別沉積事件的類別歸屬，而研究測井信息的個性特征，有助于還原沉積事件的成因條件。由此可見，對于復雜或未知地層的沉積事件，研究其測井信息的個性特征更為重要。

根據沉積事件推演測井地質屬性，其最根本還是巖石成因機理分析。所有表象因素的基礎都是沉積事件本身的巖石類型成因。根據沉積事件研究測井地質屬性的方向較多，筆者主要從沉積旋回及其節奏變化、儲層巖性組合或巖石結構的變化及巖性內幕結構的特征變化3個方面進行探討。首先從一組能夠反映地層特征的測井屬性中提取測井曲線基本要素，在垂直、水平方向上，將地層剖面解釋劃分為多個測井相；然后結合巖心資料、地震資料、完井資料等地質資料對這些測井屬性進行刻度，用數學統計的方法及邏輯推理確定各個測井屬性到沉積事件的映射轉換關系，從而進行沉積事件的分析。

1 旋回及其節奏的變化

沉積地層既具有成層性，又具有旋回性。儲層沉積旋回研究的主體是地層中的小規模旋回。現階段地震資料的頻率介于10～80 Hz，主頻多介于30～50 Hz，缺少高頻成分，分辨率較低，利用地震資料識別小規模旋回難度大。因此，要劃分小規模旋回（高頻層序），必須利用露頭、鉆井和測井等資料。自然界的復雜運動由多個不同周期的簡單運動疊加而成。沉積旋回是沉積事件的周期性重復，具有成因聯系的地層序列是一定時間序列內各種沉積事件的沉積物記錄。測井曲線能夠敏感、連續地反映所測地層的特征，包含了豐富的地層信息，這種周期性也會被記錄在測井數據中，是小規模旋回研究的主要資料。對測井曲線進行分析，目的在于充分挖掘測井資料所包含的地層信息，建立測井數據向地質目標的映射關系，提取隱藏的地層序列周期性特征，并找出其主要的周期，描述目的層的地質特征[22-23]。

測井曲線內含地質事件的特征和演化密碼，地質事件規定了這些密碼的基本特點，弄清這些特點的成因機理，就可能推測測井曲線對其記錄的專屬形態。以自然伽馬測井曲線為例，它記錄了沉積事件中沉積物和能量的變化屬性，其他測井曲線也從不同角度記錄了沉積事件的內在屬性。筆者以鄂爾多斯盆地大牛地氣田中二疊統下石盒子組某心灘沉積的特征為例，分析旋回及其節奏的變化特征[24-25]。

心灘的沉積層理比較發育，其不同層理具有不同的測井曲線特征。如圖1所示，與平行層理對應的是自然伽馬齒中線平行，與斜層理或交錯層理對應的是自然伽馬齒中線收斂。另外，該心灘在自然伽馬曲線上多次出現砂、泥交互，結合自然伽馬曲線與層理的關系分析可發現，該心灘具有物源供給時斷時續和沉積能量多變的特點。測井信息記錄了該沉積事件的這些專屬性特征。

圖1 心灘沉積的巖心與測井曲線圖

研究沉積事件的旋回變化具有重要意義。首先，沉積旋回的突變或反轉往往與地層層序演化有關，這種突變關系常有助于確認層序界面；其次，沉積旋回的節奏變化與儲層巖石結構和孔滲結構密切相關，對于準確預測和評價儲層性質有幫助；第三，沉積旋回及其節奏變化的研究有助于判斷和識別沉積事件的性質和特點。

2 儲層巖性組合、巖石結構的變化

沉積事件的改變，常因構造、環境或氣候等因素影響，造成儲層巖性組合或巖石結構變化，成為根據沉積事件成因尋找測井地質屬性的線索；反之，根據測井地質屬性推測的儲層巖性組合或巖石結構變化，也有助于識別沉積事件的變化。這些認識在不同成因的巖石中均可找到應用例證。

碳酸鹽巖普遍面臨“同期異相”的地層對比難題。由于碳酸鹽巖生物、化學環境不斷變化，地層對比時，同一時期的沉積相橫向上也在不斷變化（比如臺地邊緣過渡到臺地斜坡處時，不整合面上下的巖性與測井曲線特征均改變很大），導致識別地層界面的等時關系異常困難。基于不整合面附近沉積事件識別及其變化的組合關系研究，是準確界定地層界面等時關系的重要依據，也是破解碳酸鹽巖“同期異相”地層對比難題的有效手段。四川盆地普光氣田在儲量計算與開發方案編制時，因為地層對比依據不充分，飛仙關組地層對比難以開展，一度制約了該氣田含氣面積與有效厚度的劃分。筆者首先通過野外剖面觀察，確定了飛一二段與飛三段之間的沉積事件變化關系，以此為依據，在測井曲線上開展這種沉積事件變化的組合關系研究，合理解決了“同期異相”地層對比難題。

圖2為普光氣田下三疊統飛仙關組一二段與三段（以下簡稱飛一二段、飛三段）不整合關系的野外剖面分析識別圖，是利用沉積事件變化的成因研究碳酸鹽巖儲層巖石組成改變的典型實例。根據四川盆地川東北地區二郎廟野外露頭剖面和羊鼓洞野外露頭剖面，可識別出飛一二段與飛三段之間的不整合面。兩個剖面的巖石與孔隙變化規律，可證實該界面上下演化經歷了風化、暴露向海水快速淹沒的變化：不整合面之下，巖石組成以鮞粒白云巖為主，孔隙度比較發育，可見大小不一的溶蝕孔，這與臺緣亞相淺灘暴露、風化成因有關；不整合面之上主要發育塊狀致密石灰巖，這與海水快速淹沒事件成因的事件吻合，海侵成因的巖石致密堅硬，幾乎不發育孔隙度。上述分析表明，界面上下事件的巖性、物性兩個突變關系，是識別該不整合的重要依據。

圖2 飛三段底不整合面特征照片

圖2與圖3不整合面上下的地質事件變化關系可互為印證，構成該不整合面識別與研究的證據鏈。圖3為普光氣田飛三段底不整合面常規測井識別圖。從圖3中可以看出，臺緣亞相與局限臺地亞相接觸的巖性與測井曲線形態均不同。從巖性變化看，P2井、P4井飛一二段頂部以白云質巖性為主，過渡到飛三底部以高電阻率（深側向電阻率最大超過2 000 Ω·m）石灰巖為主，反映淺水向深水的突變關系。石灰巖電阻率高，表明物性差、巖性致密。從測井曲線形態變化看，飛二段淺灘沉積向飛三段局限臺地突變時，密度曲線的響應特征變化明顯，由明顯的齒化變得相對光滑。雖然飛二段白云巖的電阻率與飛三段石灰巖電阻率有時難以區分，但飛二段淺灘白云巖發育孔隙，孔隙度介于1.20%～15.20%，平均值為7.94%，與取心分析結果（巖心孔隙度介于1.60%～20.10%，平均值為7.65%）吻合，構成沉積事件識別的可信證據鏈，這些特征可歸因于地層暴露與淹沒的間互；飛三段快速海侵成因的地層為純石灰巖，該石灰巖的密度值（介于2.69～2.72 g/cm3，平均值為2.71 g/cm3）與純石灰巖骨架密度（2.71 g/cm3）接近，該段巖性致密，孔隙不發育，測井解釋孔隙度介于0～1.20%，平均值為0.45%，不整合面附近的巖性、孔隙與測井曲線響應一致，三者構成沉積事件識別的可信證據鏈，不整合面之上的測井曲線相對光滑、穩定，可歸因于快速海侵時期物源供給穩定。

圖3 普光氣田飛三段底不整合面常規測井識別圖

P302-1井的斜坡亞相與臺地亞相接觸的巖性與測井響應變化同樣與上述演化關系吻合：從巖性變化看，斜坡亞相的石灰巖突變為局限臺地的泥質石灰巖，與泥質石灰巖突變對應的是，飛三段底部自然伽馬突然增高，同樣指示相對淺水向深水沉積的巖性與測井曲線突變關系。巖心與測井曲線均反映出該不整合面與海水快速淹沒事件有關，雖然不同亞相測井曲線的形態不一樣，但測井曲線表現出的事件成因是一致的，通過對該不整合面沉積事件的突變關系研究，很好地解決了碳酸鹽巖“同期異相”對比難題。

圖4為松遼盆地松南氣田某井區2口探井利用火山巖儲層礦物組成改變判別沉積事件變化的典型實例。松遼盆地松南氣田下白堊統營城組巖性為火山巖。在解釋第一口探井X2井時發現，該井由于巖性礦物組成單一，巖性為花崗斑巖，其測井響應特征相對單一，測井解釋簡單，電阻率大于100 Ω·m是含氣層的識別標志，定性評價時采用測井專業常用的電阻率—聲波時差交會圖版，就能直接識別出氣層、干層和水層；定量評價時，采用阿爾奇公式即可準確評價儲層（圖4-a）。但是，在解釋隨后鉆探的X202井時發現，這口井巖性組合復雜，主要為流紋巖和凝灰巖。其測井曲線響應特征多變，儲層電阻率、孔隙度與圍巖的差異大（圖4-b的第4、5道測井曲線），測井解釋相對復雜，原來的方法難以準確評價儲層。針對該類火山巖儲層，應用作者專利（專利號CN201010524252.6）基于可變“m”值的阿爾奇公式，問題才得到解決。筆者通過巖電實驗研究發現，m值與巖性和孔隙結構有關，電阻率測井曲線能綜合反映儲層含油氣、巖性及孔隙結構，對于低含油氣飽和度儲層，其孔隙結構與巖性測井信號遠大于油氣測井信號，因此，可建立電阻率與可變m值的函數關系，將之代入阿爾奇公式中，求取儲層含氣飽和度，該專利技術已有效應用于10余個致密油氣田的新井儲層評價中，并取得了良好效果。

圖4 X2井和X202井營城組測井解釋成果圖

圖5是圖4中兩口井測井信息與地震、地質背景信息的比較分析，圖中兩口井處于同一探區，但測井響應特征和測井解釋方法差別大。其原因在于：X2井區營城組受次火山作用影響，為侵入火山巖成因，結晶程度高，結晶均勻，礦物組成相對均一，巖性單一，儲層電阻率、孔隙度與圍巖的差異較小，地震為弱反射特征，測井解釋采用普通交會圖和阿爾奇公式計算飽和度即可相互得到準確印證；X202井區營城組受噴、溢交疊等火山作用影響，巖石礦物組成變化大，巖性復雜，儲層電阻率、孔隙度與圍巖的差異大，地震為層狀反射，由于巖性與孔隙結構復雜，測井解釋采用可變m值的專利技術方法才能獲得較好解釋結果。

圖5 過X2井地震剖面圖

綜上所述表明，地質內因深刻地影響了地震信息與測井信息的聯動響應規律。深入研究三者之間的內在關系，已是現代油氣地質研究的重要課題。事件與沉積物礦物組成的隱性變化關系，在油氣地質研究中有著潛在的廣闊應用領域。

3 巖性內幕結構的特征變化

任何事件都有其獨特性，即使是相似事件也可據其獨特性加以區分。研究巖性內幕結構的特征變化，是發現沉積事件的獨有特性（排他性）、推測其測井地質屬性的重要依據，并有助于準確區分相似地層，開展地層等時對比研究。

松遼盆地十屋油田下白堊統泉頭組一段（以下簡稱泉一段）在宏觀上為一楔形地層，其楔形尖滅端可識別的地層單元（油組）較少，向其加厚端過渡，地層單元逐步增多，并不斷發現新的地層單元。早期鉆井反映地層的復雜變化是其油氣分布規律認識不清的主因，后期在楔形加厚部位的地層中常意外鉆獲新的油氣層。如何準確開展地層對比、在相似沉積事件中識別新增地層、進一步預測新含油氣層的發育區帶成為指導油氣勘探的關鍵因素。

在楔形加厚端，常鉆遇的泉一段農Ⅷ與農Ⅶ油組因沉積微相接近，一直不能有效地開展地層對比。根據沉積事件的條件差異分析發現，在農Ⅷ油組演變至農Ⅶ油組時，地層沉積水動力加強，以二者的個性沉積條件為指導，可推測出二者各自的排他測井地質屬性：①農Ⅶ油組強水動力沉積的泥巖，見頻繁砂質擾動；農Ⅷ油組弱水動力沉積的泥巖比較純，偶見薄層砂巖。②農Ⅶ油組強水動力沉積導致砂泥混雜，聲波曲線波動小；農Ⅷ油組弱水動力沉積砂泥區分較明確，聲波曲線波動明顯（圖6）。

圖6 十屋油田泉一段農Ⅷ油組與農Ⅶ油組測井辨識圖

4 結論

1）沉積旋回的突變或反轉往往與地層層序演化有關，這種突變關系有助于識別層序界面；沉積旋回的節奏變化與儲層巖石結構和孔滲結構密切相關，對于準確預測和評價儲層性質有幫助；沉積旋回及其節奏變化的研究有助于判斷和識別沉積事件的性質和特點。

2）地質內因深刻地影響地震信息與測井信息的聯動響應特征，深入研究三者之間的內在關系，是現代油氣地質研究的重要課題，沉積事件與沉積物的隱性變化關系在油氣地質研究中有著潛在的廣闊應用領域。難動用儲量邊際產能難以確定，成為油氣田開發的難題，地質事件的系統識別與研究，將是推動難動用儲量挖潛的重要依據。

3）研究巖性及其組合關系的特征變化、發現沉積事件的獨有特性是推測其測井地質屬性的重要依據，有助于準確區分相似地層、開展地層等時對比研究。