兩種不整合結構判識技術的原理及優缺點分析

蔡春青

（中法渤海地質服務有限公司，天津 300451）

1 概述

不整合面不單是記錄地層構造抬升、剝蝕的地質現象，同時其所具有的三層結構（底礫巖層、風化粘土層、半風化巖石層）對于油氣的輸導、運聚、成藏均具有重要的控制作用[1-3]。相關研究表明，不整合結構體不同結構層具有不同的特征，對于油氣的運聚具有不同的作用。在油氣勘探生產實踐中，如何充分利用各種技術手段對不整合結構層進行有效判識具有重要的現實意義。本文以準噶爾盆地西部隆起紅車地區H15井J/T 不整合為例，對不整合識別劃分技術進行探討分析，明確各自的優缺點、適用范圍及推廣應用前景。

2 不整合識別技術分析

隨著國內各大盆地勘探程度的深入，與不整合相關的隱蔽油氣藏逐漸成為勘探的重點。近年來眾多油氣勘探學者們運用多種技術手段對不整合結構的劃分技術進行了廣泛實踐，其中在生產實踐中應用最為廣泛的要數利用測井資料和地球化學元素對不整合進行識別劃分[4]。

2.1 地化元素分析法劃分不整合結構

相關研究表明，在不整合結構遭受風化淋濾的過程中，地層中所富含的不穩定元素（如Ca、Na、K、Mg等）更容易隨著地層水流失，而相對穩定的元素（如Fe、Al、Si、Mn等）則更容易保存下來。這樣，在不整合結構層中隨著不穩定元素的遷出，穩定元素的含量就會明顯偏高。底礫巖層由于未受到風化淋濾的影響，地層中化學元素（包括穩定和不穩定化學元素）在含量上與上覆地層沒有明顯變化。而之下的風化粘土層由于遭受風化淋濾最為嚴重，因此與上覆底礫巖層相比表現出不穩定元素大量流失、穩定元素含量相對更高的特點，二者之間在元素含量曲線上呈現跳躍現象；在風化粘土層之下的半風化巖石中同樣存在元素分異的特點：穩定元素大量富集、不穩定元素大量減少。同時半風化巖石與風化粘土層的巖性又有較為顯著的差異：風化粘土層主要為灰白色的粘土，而半風化巖石則與下伏母巖巖性保持一致。半風化巖石的元素分異現象向下漸變，直至未風化母巖層段，各元素含量回歸正常[5]。基于以上原理，在油氣勘探過程中對于不整合結構層的劃分有了依據，人們對鉆井取芯進行地球化學微量元素分析，通過微量元素在垂向上的變化規律結合巖性特征，對井眼處不整合結構層進行有效判識。

本次研究對H15 井J/T 不整合面上下的鉆井取芯和巖屑資料進行系統取樣（取樣間隔為2m），按照《硅酸鹽巖石化學分析方法》（GB/T14506.30-2019），利用ICP-MS對取樣進行微量元素測試，并將元素分析測試的結果投點到巖性剖面序列中（圖1）。從分析測試的結果來看，H15井在J底部和T頂部之間發育明顯的不整合界面：底礫巖層和風化粘土層之間界線在4625m處（半幅點法讀值），穩定化學元素的相對含量突然增加、不穩定化學元素的相對含量驟減，反映在風化淋濾作用下不穩定礦物的流失；風化粘土層與半風化巖石層界線為4634m；在半風化粘土層和母巖層之間的界線在4662m 處（半幅點法讀值），穩定礦物的相對含量逐漸降低、不穩定礦物相對含量逐漸增多，反映風化淋濾作用并未波及至此。

圖1 H15井J/T不整合結構層地化元素分析圖版

2.2 主成分分析法劃分不整合結構

測井資料包含豐富的地層信息，對不整合不同結構層存在特殊的測井響應。正是由于測井資料過于豐富的特點，不同測井曲線所反映的地層信息具有一定的重復性和多維性，直接利用原始測井資料對不整合結構層進行劃分難度很大[6]。主成分分析這一數理統計的方法應用到測井資料判識不整合結構中。通過這一技術手段可以將原本需要多個變量共同反映的地層信息，轉換為僅需要少數幾個變量來綜合反映，且效果更為直觀、明顯。該技術手段充分利用測井資料豐富的優勢，選取對地層信息反應較為敏感的GR、AC、SP、DEN、CNL等5條測井曲線，通過數據歸一處理、協方差矩陣分析、特征向量提取、主成分參數確定等步驟，最終得到反映不同結構層特征的兩個主成分公式，其中一個公式可以反映地層遭受風化淋濾的程度（可以稱之為原巖保存因子），另一個公式可以對地層中的粘土含量進行定性區分（可以稱之為粘土化因子）。將不整合結構層段的5條敏感測井曲線值代入到兩個主成分公式中，得到不同深度點處的兩個因子數值（原巖保存因子和粘土化因子），利用交會圖分析的技術將各因子值投點到圖板上，對風化粘土層、半風化巖石層以及未遭受風化淋濾影響的原巖層（包括上部的底礫巖和下部的母巖）進行有效區分。具體實施步驟如下所述。

2.2.1 測井曲線歸一化處理

曲線歸一化處理是為了消除不同曲線量綱不同的差異帶來的影響。測井曲線歸一化后不同曲線的數據點均值為0、且標準差為1，達到了不同時期采集曲線可以放在一起計算的目的。歸一化處理公式為：

式中：Xij——某測井曲線的第i各采樣點數值；

-Xj——某種曲線采樣點的算數平均值；

Sj——某種測井曲線的標準差；

i——某測井曲線采樣點個數，

j——選取的測井參數個數。

2.2.2 確定主成分參數

采用主成分分析的原理，可以把包含m 各測井參數的采樣點看作是m 維隨機向量X=(X1，X2，…，Xm)T，其構成的協方差矩陣可以定義為∑。在對測井曲線數據分析處理后可提取到主成分參數Pi=aiTX=ai1TX1+ai2TX2+aimTXm。在這個公式中，ai為S第i個特征值的向量值，且彼此之間相互正交。這樣就得到了多個Pi公式，選擇Pi累積貢獻值大于80%的兩個主成分公式：

P1=0.45SP+0.13AC-0.38GR+0.12DEN-0.22CNL

P2=-0.11SP+0.28AC+0.73GR+0.09DEN-0.28CNL

這樣就將原先需要多個測井參數共同來反映的地質信息，簡化為僅需要兩個互不相關的主成分來反映。

2.2.3 交會圖分析

將工區內選取的8 口井的測井曲線代入上述兩個主成分公式，計算出這8口徑不同結構層的主成分值，分別以投點的方式投到交會圖版中，這樣就可以明確不同結構層所處的Pi值域范圍：半風化巖石層主成分值域范圍為P1>41%、P2>33%，風化粘土層主成分值域范圍為P1>41、P2＜33，而上覆巖層和未風化母巖未能有效區分，反映二者在原巖保存能力和粘土化程度方面趨于一致。對于二者的區分可以從其發育的垂向位置（底礫巖層位于不整合面之上，未風化母巖位于不整合面、風化粘土層以及半風化巖石層之下）進行很好地區分。

將H15 井J/T 不整合附近測井曲線利用上述技術流程進行分析后可得以下分層結果（圖1）：底礫巖層與風化粘土層間界線在4624.125m，風化粘土層與半風化巖石層界線在4635.25m，半風化巖石與母巖層界線在4663.375m。

3 技術的優缺點分析

就該兩種技術手段，從各自的劃分結果精確度以及費用兩方面對其優缺點進行分析。首先從不整合結構層劃分結果的精確度來看，地化元素分析法具有技術原理先進、分析結果指向性明確、結構層深度劃分極其精準的特點，其作為判識不整合結構的“金手指”技術為廣大一線油氣勘探工作者所青睞。在對工區地質概況認識程度較高后，依靠分析人員對數理統計原理的深刻理解，測井資料主成分分析法同樣可以有效對不整合結構層的深度進行較為可靠的劃分，從劃分的結果看（表1），與利用地化元素分析得到的方案差距不大，完全能夠滿足油田勘探開發的需求。

表1 H15井J/T不整合結構層不同技術判識結果分析表

其次從費用情況來看，地化元素分析法每測試一塊樣品的價格在500～800 元不等。單井不整合結構劃分需要測試的樣品數量少則十幾塊次，多則幾十塊次，單井測試費用數萬元。而測井資料主成分分析法僅需要技術人員對前期測井資料進行數理統計，直接花費幾乎為0。從費用角度考慮主成分分析法具有巨大優勢。

4 結束語

地化元素分析法具有技術原理簡單、分析結果指向性明確的特點，在勘探程度較低、地層認識不足、且測井資料相對較少的地區該技術手段具有較高的適用性。然而，對鉆井取芯進行地球化學元素分析成本高昂、嚴重破壞巖芯，加之鉆井取芯的成本較高、取芯資料相對稀少，因此該技術手段大規模推廣很受局限。而測井資料主成分分析法雖然劃分精度不如地化元素分析法，但從對比分析來看完全能滿足油田勘探開發的需求。雖然測井資料的獲取成本高昂，但考慮到每口鉆井（無論探井還是開發井）均需要進行測井施工作業，而利用測井資料主成分分析法來劃分不整合結構并沒有增加施工作業的成本。因此，利用測井資料進行不整合結構劃分具有資料豐富、實施成本低（僅需工業軟件室內數據分析）、判識誤差相對小的優點。該技術對于勘探相對成熟、地層認識全面的地區具有廣闊的推廣應用前景（表2）。

表2 不同劃分技術的優缺點及應用前景