变质岩储层岩性及裂缝测井识别方法研究进展

2016-12-20陆诗阔李冬冬

特种油气藏 2016年4期

关键词：变质岩潜山岩性

陆诗阔，李冬冬

(中国石油大学(华东)，山东青岛 266580)

变质岩储层岩性及裂缝测井识别方法研究进展

陆诗阔，李冬冬

(中国石油大学(华东)，山东青岛 266580)

基于变质岩类主要造岩矿物及元素组成的特殊性，对近年来发展起来的一系列利用测井资料识别变质岩潜山的岩性和储层裂缝的技术进行了系统调研、分析和总结。结果表明，常规测井中核测井系列(密度、自然伽马和中子测井)对变质岩岩性的识别更为有效，另外可以采用元素俘获测井(ECS)等新的测井技术识别变质岩岩性。由于变质岩岩性复杂多样，对变质岩储层的识别需要在岩性识别的基础上建立其相应的储层识别标准。可用于识别变质岩储层裂缝的常规测井主要有双侧向、声波时差、双侧向—微球型聚焦、井径及自然伽马能谱等测井方法。另外，声波—电阻率成像测井、多极子阵列声波测井、交叉偶极子声波测井等新技术因其独特优势被越来越多地用于变质岩储层裂缝识别。目前不存在普遍适用于各研究区的变质岩岩性和储层测井识别标准，针对具体地区需要考虑其特定的变质岩储层发育特征及实际测井资料，研究其相应测井识别与评价技术。

变质岩；岩性识别；裂缝识别；测井；研究进展

0 引言

随着油气勘探领域的不断扩大，特殊岩类油气藏愈来愈受到重视，变质岩储层作为一类特殊岩性储层，往往形成古潜山油气藏，目前在中国的辽河、冀东、胜利、渤海、玉门等油田均发现有变质岩潜山油气藏。1971年，辽河油田首次在辽河盆地西部凹陷兴213井钻遇太古界变质岩古潜山风化壳，获得高产工业油气流，截至目前，已在太古界变质岩潜山中累计探明石油地质储量近亿吨[1]。

作为特殊岩类储层，变质岩储层在元素组成、化学成分、矿物成分、岩石结构、构造及储集空间的类型等方面与传统沉积岩储层有着很大不同，变质岩潜山油藏岩性复杂，再加上遭受长期风化及后期构造运动的强烈改造，导致其具有复杂的储集空间和强烈的储层非均质性，对变质岩潜山内幕的岩性及储集空间的识别和评价是一个有待攻克的油气勘探地质难题。自20世纪90年代以来，由于对变质岩潜山油藏勘探重视程度的不断加强，以及国内外许多有关油藏表征的新技术、新方法的发展[2-9]，在变质岩古潜山油气藏的岩性识别和储层评价方面也研究出了一系列方法和技术[10-14]。测井资料因其所揭示的岩石物理性质多样、纵向分辨率高等优点，使其在变质岩潜山的岩性和储层识别及评价方面具有独特的优势，因此，将近年来发展的一系列以岩心分析和试油、试采资料为基础，利用测井资料识别变质岩潜山的岩性和储层裂缝的方法技术加以系统总结，以期对变质岩潜山油气藏的勘探和开发实践起到一定的借鉴作用。

1 岩性识别技术

1.1 变质岩岩性测井识别的物理基础

已有勘探实践表明，中国太古界潜山的主体岩性为花岗片麻岩系列，兼有部分岩浆岩脉体，组成这些岩石的主要造岩矿物有石英、钾长石、斜长石、黑云母、角闪石、辉石等。根据斯伦贝谢测井公司[15]提供的常用矿物测井解释参数，中国太古界潜山主要矿物的测井响应参数特征见表1。

显然，不同矿物受其化学成分的影响测井响应参数不同，决定了矿物组成不同、化学成分不同的岩石在测井曲线上的综合测量响应不同。因此，与识别砂泥岩不同，目前利用测井资料对变质岩特定岩性的识别普遍依据不同类型岩石具有不同的矿物组成(包括矿物类型和含量)，进而在测井曲线上的测量响应不同这一基本原则。

表1 太古界潜山地层的主要造岩矿物及其测井响应特征

1.2 变质岩岩性测井识别技术

(1) 建立不同岩性的测井参数特征。对于任一具体地区，岩性识别研究的第一步是建立某地区特定岩性对各类测井参数的响应关系，即先由岩心资料，结合岩心薄片的镜下鉴定及岩屑录井资料，了解研究区主要的岩石类型及其矿物成分特征，然后对不同岩性的测井响应特征进行分析，可以借助于直方图统计提取不同岩性的各类测井参数特征，在此基础上，选择对岩性敏感的测井方法。

现场普遍采用的3700常规测井系列勘探实践表明，核测井系列(密度、自然伽马、中子测井)对于变质岩岩性的识别相对更为有效，这是由组成变质岩的各种矿物之间的密度、放射性元素含量和氢元素含量等有明显差异所决定的。

(2) 交会图技术。由于测井资料的多解性和变质岩岩性类型的复杂性，任一岩性与任一类别测井曲线之间都不存在简单的一一对应关系，为了将各类岩性区分开，往往需要同时采用2种或多种测井响应参数。另外，所区分的具体岩性不同，需要采用的测井曲线也有差别。在选择岩性敏感的测井类别基础上，交会图技术有助于同时采用2种测井参数进行岩性识别，该技术可直观地展示出各类岩石的关键测井参数的变化情况，给出不同岩性的测井响应分区，进而区分出不同的岩性。

目前在岩性识别方面应用比较多的有自然伽马—密度、自然伽马—光电吸收截面指数、自然伽马—中子、密度—中子等交会图，不同类型的交会图在岩性识别方面有其特定的优势和局限性。为了克服测井资料的多解性，根据研究区岩石类型的具体特征，往往需要将多种类型的交会图配合使用，以达到良好的岩性识别效果[16-17]。另外，尽管参与交会的物理参数大部分是某一测井曲线的直接测量结果，但有时也根据实际情况采用一些新的组合参数。例如，在变质岩岩性识别中，中子测井在反映暗色矿物(黑云母、角闪石)含量高的岩性方面具有独特优势，但当岩石中发育裂缝时，由于裂缝中水的存在，会对中子测井产生很大影响，这种情况下可以增加声波时差与上述核测井系列的交会，或者采用新的组合参数如M—N交会[18]，以消除裂缝对岩性识别的干扰。

(3) 曲线叠置技术。与被用于识别沉积岩剖面中不同岩石类型类似，密度—补偿中子曲线重叠技术目前也被用于变质岩岩性的识别，且效果良好。如Fe、Mg、Ca元素系列(暗色矿物)闪长岩在重叠图上表现为正异常，K、Na、Si元素系列(浅色矿物为主)混合花岗岩表现为负异常，过渡系列岩石黑云斜长片麻岩密度与补偿中子测井2条曲线呈“绞和”状(图1)。

(4) 自动识别技术。以上对变质岩岩性的识别，其基本方法是首先由岩心资料和测井资料对比并建立研究区岩性与物理性质的对应关系，然后利用所建立的对应关系由测井信息判断未取心井段的岩性剖面，目前这一过程也可通过采用统计学方法(如逐步判别分析[19-21]、BP神经网络[22]等技术)来实现。以逐步判别分析技术为例，其基本流程是首先用有系统取心的关键井的岩心和测井资料，建立各类变质岩岩性的判别模型，然后用所建立的判别模型和测井数据库确定关键井未取心层段及其他未取心井地层的岩性，最终得出各井连续而完整的岩性剖面图[21]。

图1 曲线叠置技术识别岩性

(5) 最优化方法定量确定岩石内矿物成分含量。岩石的测井响应特征不仅取决于矿物成分特征，同时与其含量有关。在对变质岩岩性定性分析的基础上，可以根据不同类型变质岩的主要矿物组分特征，进一步建立由测井资料计算矿物成分的优化体积模型[23]，其响应方程为：

(1)

式中：LOGi为第i条测井曲线值(i=1，2，…，n)；Wij为第j类骨架(j=1，2，…，m)的第i条测井曲线响应值；Vj为第j类骨架在岩石中所占体积百分比。

借助最优化方法求解所建立的测井响应方程组，可以计算出不同类型变质岩中的骨架矿物成分含量，最终实现变质岩岩性的定量化识别。显然，该方法计算精度较大程度取决于骨架响应参数的选取。

值得指出的是，当岩石中有裂缝发育时，裂缝也被视为一类骨架需要进行单独处理，最终可同时计算出岩石内各主要矿物和流体的体积，从而有助于实现岩性和裂缝识别的定量统一。

另外，从测井手段看，除常规测井系列外，近年来某些油田针对变质岩潜山勘探引入了一些新的测井技术，如由斯伦贝谢新一代俘获伽马能谱测井仪记录得到的元素俘获测井(ECS)曲线，因其独特的优势在辽河油田已被用于识别变质岩岩性[16]。其基本原理是组成不同岩性变质岩的骨架矿物不同，而不同矿物中元素Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd的含量不同，根据测定的元素Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd的不同含量，可以判断变质岩的岩性。

2 变质岩储层裂缝识别技术

已有研究表明[12，14，16]，受变质程度的影响，变质岩储层的储集空间通常分为变余粒间孔隙、变晶间缝隙和裂缝等类型，但一般以裂缝为主。成因上裂缝主要分为风化缝(机械破碎或溶蚀)和构造缝二大类，根据裂缝是否被充填可分为充填缝和开启缝；根据裂缝的产状又分为高角度缝、网状缝和水平缝等，这些不同成因、不同产状、不同充填特征的裂缝在不同测井曲线上的响应存在差别。

2.1 变质岩储层识别的一般原则

类似于岩性识别技术，目前利用测井资料识别变质岩潜山内幕储层的各项技术也普遍建立在对研究区变质岩储层发育的地质特征详细分析的基础之上。即首先需要借助于岩心的直接观察、镜下薄片观察、铸体或荧光薄片分析、扫描电镜等手段，同时结合试油、试采资料，了解研究区变质岩储层储集空间的类型、裂缝发育的具体特点(产状、规模、密度、充填情况、形成原因等)，分析储层与岩性之间的关系，在此基础上选择代表不同类型储层的典型层段，分析其测井响应特征，最终建立起变质岩储层对关键测井曲线的响应关系。

2.2 裂缝的常规测井识别方法

类似于对碳酸盐岩、泥岩等沉积岩中裂缝的识别方法[24]，常规测井系列中被用于识别变质岩储层裂缝的测井方法主要有双侧向、声波时差、双侧向—微球型聚焦、井径及自然伽马能谱测井等。

(1) 双侧向测井。根据已有勘探实践，对于双侧向测井，开启缝发育的变质岩储层主要表现为在高电阻率背景下的相对低阻，同时深浅侧向电阻率曲线存在明显幅度差，其中高角度缝(大于70 °)发育的储层深、浅侧向电阻率一般呈正差异，低角度缝(小于70 °)或水平缝发育的储层则表现为曲线特征相对尖锐背景上的负差异[25]。随着裂缝张开度的增大，深、浅侧向电阻率之间的正差异或负差异增大。

值得注意的是，深、浅侧向电阻率之间的幅度差同时还受钻井泥浆侵入半径的影响，对于高角度缝储层，当侵入很浅 (不超过深侧向探测深度)时，深、浅侧向电阻率幅度差过大，这种情况下，即使裂缝的开度很大，但高角度裂缝系统横向延伸很短，裂缝系统的整体有效性差；对于低角度裂缝，如果出现正差异，也说明其横向延伸较短，裂缝的有效性差[25]。对高角度缝和低角度缝在双侧向测井曲线上的响应特征进行对比可以看出，深、浅侧向幅度差对高角度缝和网状缝的反应更为灵敏。

(2) 声波时差测井。受测井仪器工作原理的制约，声波时差测井对水平缝或低角度缝敏感，导致滑行波能量严重衰减，从而在时差曲线上表现为声波时差增大或出现周波跳跃[18]。高角度缝、垂直缝在声波时差曲线上响应不明显。

(3) 双侧向—微球形聚焦测井。由于裂缝对电阻率测井的影响不仅取决于裂缝的方向、规模，同时还取决于裂缝中所含流体的性质(泥浆滤液、地层水或油气)，为了提高对裂缝识别的精度，也常常将双侧向测井和微球型聚焦测井(MSFL，探测深度为0.1 m)组合使用。微球型聚焦测井电阻率曲线在裂缝处常表现为刺刀状低阻，即高、低阻交替出现。当RMSFL低值，RLLD与RLLS比值较大时，为典型的高角度裂缝带显示；当RMSFL比RLLD小很多时，该裂缝带内可能含有油气[18]。

(4) 井径曲线。井径测井也是研究裂缝的一种重要方法，裂缝往往会导致井眼定向扩径，即当钻头钻遇裂缝时，裂缝网络发育方向的岩石比其他方向的岩石更为脆弱，在钻井液与钻具的冲力作用下，形成一定方向的坍塌现象。高角度裂缝常是引起井壁定向坍塌的重要原因。

(5) 自然伽马能谱测井。该类测井方法的实质是根据测量的U、TH、K的伽马放射性的混合谱来确定其在地层中的含量。该类测井方法用于识别裂缝的主要依据是[26]地层水中经常含有六价铀盐，在还原条件下，当流体在岩石孔隙或裂缝中运移时，有些铀盐被离析，并沉淀在岩石骨架上，该机制可使地层中铀的含量增高达20 mg/kg，致使这类储层(或裂缝)在伽马能谱测井曲线上表现为明显的高铀伽马，即无铀伽马低值背景下的总伽马高值，表明裂缝的存在及裂缝的有效性。

2.3 裂缝的成像测井识别

近年来，随着测井新技术的不断发展，声波—电阻率成像测井、多极子阵列声波测井、交叉偶极子声波测井等新的测井方法[27]，因其独特优势在裂缝性储层的识别方面正在发挥着越来越重要的作用。

(1) 声波—电阻率成像测井。其基本原理是分别通过测量井壁介质的声阻抗特性和导电性特征来反映井壁的地质特征。成像测井成果图上能够清晰、直观地反映出井眼周围裂缝的形态、方位和孔洞情况，裂缝性储层在井壁声、电成像测井图上均表现为连续或间断的深色条带，其形状取决于裂缝的产状。垂直缝和水平缝分别为竖直和水平暗色条带，斜交缝为明显的正弦波状条带，倾向不同的裂缝相交形成的网状缝为交叉混乱的暗色条带[28-32]。

(2) 多极子阵列声波测井。用于识别裂缝的依据[31]是裂缝会引起纵、横波波至时间的延迟及纵、横波振幅的衰减等，而不同产状的裂缝对纵、横波的影响程度不同。层理和低角度缝能引起地层纵向上波阻抗的变化，从而导致纵波能量衰减，表现为纵波波至时间的延迟和振幅衰减；中高角度缝和垂直缝能引起地层径向上波阻抗的变化，进而导致横波能量衰减明显；网状裂缝发育段，纵、横波能量均衰减明显。斯通利波(导波)不是体波，其在井中靠近地层与井眼间的界面传播，其能量沿与井壁垂直方向呈指数衰减，在井眼规则情况下其衰减指示地层存在渗透性，即有效缝、孔、洞或构造破碎带的存在。

另外，交叉偶极子声波测井通过利用横波在传播过程中分裂成快、慢波所揭示的介质各项异性，也被用于识别致密岩层中的裂缝及其产出方位[33]。

以上对变质岩储层的测井识别主要是从裂缝发育的角度所进行的储层的定性识别，与对沉积岩类储层的描述方式类似，目前对变质岩储层的描述也进一步通过引入基岩孔隙度、裂缝孔隙度、裂缝开度等参数而加以定量化[34]，但利用测井资料求取各参数的具体运算模型在不同油田存在较大差别，针对该问题还没有发展出近似统一的理论化模型。

3 结论与展望

(1) 基于变质岩类主要造岩矿物及元素组成的特殊性，常规测井中核测井系列(密度、自然伽马、中子测井)对变质岩岩性的识别相对更为有效。从具体识别方法看，目前主要有交会图、曲线叠置、最优化技术、自动识别等相关技术方法。由于变质岩岩性复杂多样，最优化方法因其可以计算出不同类型变质岩的骨架矿物成分含量，进而实现变质岩岩性的定量化自动识别，因而在运用常规测井资料进行变质岩岩性识别过程中，该技术方法具有广阔的发展前景。另外元素俘获测井(ECS)等新的测井技术在识别变质岩岩性方面具有独特优势，在有关变质岩探区测井作业中值得推广。

(2) 常规测井系列中用于识别变质岩储层裂缝的方法主要有双侧向、声波时差、双侧向—微球型聚焦、井径及自然伽马能谱等测井方法。近年来，随着测井新技术的发展，声波—电阻率成像测井、多极子阵列声波测井、交叉偶极子声波测井等新技术因其独特优势在变质岩储层裂缝识别中发挥着越来越重要的作用。

(3) 由于变质岩岩性的复杂性和明显的区域特色，再加上不同油田采用的测井技术的多样性和测井解释的多解性，目前不存在普遍适用于各研究区的变质岩岩性和储层测井识别标准。对于任一研究地区，需要针对其特定的变质岩储层发育特征及已有实际测井资料，确定其相应的岩性和储层测井识别标准与评价技术。

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