港北潜山上古生界碎屑岩储集层岩性评价技术

0 引 言

港北潜山上古生界发育三大储集岩类(碎屑岩、火成岩、碳酸盐岩),储集层与泥岩、煤层等盖层相匹配,形成六套储盖组合。储集层岩性、物性特征复杂,给测录井评价带来很大的难题。国内外潜山勘探主要油气藏类型为海相碳酸盐岩和火成岩等特殊岩性储集层^{[1,2,3,4,5,6]},本文目的层系储集层岩性以砂岩为主,太原组有白云岩储集层发育,但因过渡岩性及各种薄互层储集层存在,岩性准确识别存在困难,为储集层评价带来困难。国内外现有技术可借鉴性差,且评价方法也比较单一,目的层系一般以碳酸盐岩储集层为主^[7,8]。因此,需要针对地质目标,建立配套的岩性评价技术。

本文将岩心分析数据与测井资料有效结合,建立X射线荧光录井技术(以下简称XRF)+岩性扫描测井+常规测井的多参数交会逐级剥离岩性识别方法,可有效区分各类岩性;在岩性分类基础上,利用X射线衍射矿物分析技术(以下简称XRD)刻度测井岩性含量,分测井系列、结合录井岩性识别建立矿物含量定量评价方法,提高对潜山复杂储集层的岩性识别能力。

1 上古生界碎屑岩储集层岩性组合特点

港北潜山石炭-二叠系自下而上可以分为本溪组、太原组、山西组、下石盒子组,主要目的层系为太原组和下石盒子组,其岩性复杂,且纵、横向变化剧烈。利用录井岩性描述资料及密闭取心井GGX井的岩心分析资料,对目的层岩性组合进行了分析。

1.1 太原组

太原组可以分为上下两段,下段由薄层灰岩、砂岩夹煤层组成,上段主要表现为海陆过渡潮坪-泄湖相煤系地层,由砂岩、沉凝灰岩与泥岩互层夹灰岩和煤层组成。太原组整体岩性非常复杂,涵括了煤层和砂泥岩类、火成岩类、碳酸盐岩类储集层,过渡岩类非常发育,各井岩性差异比较明显。岩心分析资料显示太原组岩性即使同为砂岩储集层,相对于下石盒子组,石英、长石含量也明显降低,方解石、白云石含量明显增加。

1.2 下石盒子组

下石盒子组发育的标志层有骆驼脖子砂岩和桃花泥岩,岩性组合主要为砂泥岩互层夹有煤层,偶见凝灰岩和凝灰质砂岩。岩心分析资料显示下石盒子组岩性以砂泥岩为主,矿物成分以黏土矿物、石英为主,其次是钠长石、钾长石,白云石及方解石含量较低,与太原组岩性差异较大。

2 测、录井多参数交会逐级剥离岩性识别

2.1 岩性扫描测井与录井XRF组合岩性识别技术

录井XRF是在室内通过采用能量色散型X荧光分析技术测量岩石中硅、铝、铁、钙、钾、镁、钠、钛、硫、磷、氯等22种元素,通过元素组合特征来判断岩性。岩性扫描测井是通过中子诱发地层非弹性反应,获得地层元素产额来识别岩性^[9,10,11,12]。

图1为取心井GGX井石炭-二叠系不同岩性XRF与岩性扫描测井元素对比图。图中列出了最常见的铝、硅、钠、钾、钙、镁、铁、钛、硫9种元素的XRF与岩性扫描测井对比,这两种方法获得的各种元素曲线形态上一致性非常好,说明二者之间的相关性非常好,岩心扫描测井获得的元素产额能够有效反映地层中各种元素含量的多少。

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图1   XRF与岩性扫描测井元素对比

   

由图1可以看出,不同岩性的元素含量响应特征存在明显差异,如白云石显示为低铝、低硅、高镁、高钙特征,灰岩显示为低铝、低硅、低镁、高钙特征,砂岩显示为高硅、低铝特征,泥岩显示为高铝、高铁特征等。

不同岩性的敏感元素各不相同,仅通过一两种元素交会把所有岩性区分开来十分困难,为此研究建立了岩性扫描多参数交会逐级剥离岩性方法。具体流程如下:

首先利用硫与铝元素交会将煤层和碳质泥岩剥离(图2a);将煤层识别出来之后,应用(硅+铝)与(铁+钛)交会将火成岩类剥离出来(图2b);之后应用(硅+铝)与(钙+镁)交会区分砂岩类与碳酸盐岩类(图2c);最后用硅元素分别与钙、镁、铝交会进一步细分砂岩、白云岩、灰岩等各类岩性,其中图2d为硅与钙交会图,图2e为硅与镁交会图,图2f为硅与铝交会图。

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图2   岩性扫描多参数交会逐级剥离岩性识别图板

   

2.2 常规测井多参数交会逐级剥离岩性识别技术

针对没有采集岩性扫描测井的井,由于不同层组岩性差异较大,建立了分层组的多参数交会逐级剥离岩性识别技术,并实现了岩性自动分类^[13]。

2.2.1 下石盒子组岩性识别图板

下石盒子组岩性主要有泥岩、灰质泥岩、云质泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、泥质砂岩、砂岩、灰质砂岩,部分井可见凝灰质砂岩和凝灰岩,单独利用测井信息很难将凝灰岩、凝灰质砂岩与砂岩区分开来,需要测井、地质结合将火成岩与沉积岩分开。具体岩性分类方法为:第一步,测井与地质录井结合,从地质分类上将火成岩与沉积岩区分开;第二步,通过中子与自然伽马交会图(图3a)、或者中子与密度交会图(图3b),将凝灰岩、凝灰质砂岩与泥岩区分开;第三步,利用自然伽马与中子交会图将泥岩类和砂岩类储集层区分开(图4);第四步,利用视骨架密度与视骨架声波时差交会图将灰质砂岩、砂岩和泥质砂岩区分开(图5)。

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图3   下石盒子组凝灰岩类岩性识别图板

   

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图4   下石盒子组泥岩类岩性识别图板

   

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图5   下石盒子砂岩类岩性识别图板

   

2.2.2 太原组岩性识别图板

太原组是岩性最为复杂的一个层组,太原组的岩性主要有泥岩、灰质泥岩、云质泥岩、砂质泥岩、炭质泥岩、玄武质泥岩、泥质砂岩、砂岩、灰质砂岩、云质砂岩、泥灰岩、泥质灰岩、灰岩、泥质云岩、砂质云岩、灰质云岩、白云岩、凝灰质砂岩、凝灰岩、玄武质砂岩、玄武岩、安山岩。具体岩性分类方法为:第一步,测井与地质录井结合,从地质分类上将火成岩、碎屑岩和碳酸盐岩区分开;第二步,声波与密度交会图识别煤层和炭质泥岩(图6);第三步,密度与光电截面吸收指数交会图识别玄武岩类和安山岩类(图7a、图7b),然后钍与电阻率交会图将玄武岩、玄武质砂岩、安山岩区分开(图7c);第四步,利用钍与电阻率交会图(图8a)、钍与中子交会图(图8b)将含泥质岩类识别出来,然后利用密度、与声波、和中子交会图分别将剩余岩性细分开(图9),图9a的密度与声波交会图和图9b的密度与中子交会图可将含泥重的储集层进行区分,图9c的密度与声波交会图和图9d的密度与中子交会图可将各类砂岩进行区分。

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图6   太原组煤层、炭质泥岩识别图板

   

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图7   太原组玄武岩类、安山岩岩性识别图板

   

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图8   太原组泥质岩类与非泥质岩类区分图板

   

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图9   太原组密度与声波及中子交会岩性识别图板

   

3 XRD刻度测井矿物含量的定量计算方法

由于目标区块矿物成分复杂,矿物含量纵横向变化大,常规的矿物含量计算方法已经不能满足目标区块矿物评价需求。通过研究,本文利用XRD岩心数据,建立了刻度岩性扫描测井矿物含量的定量计算方法。XRD技术直接测定出岩石中的各种矿物组成(黏土、石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、黄铁矿等),并通过软件计算出各种矿物的相对含量。

由于矿物与元素之间存在显著的相互制约关系,要把元素丰度转换成矿物含量,关键是建立合适的元素丰度与矿物含量之间的数学模型。在矿物组成元素稳定的情况下,应用因子分析数学统计法对岩心的元素和矿物资料进行研究,归纳出通用的元素丰度与矿物含量关系式,用矩阵形式表示为:

[E]=[C]·[M],[M]=[C]^-1[E]

式中: [M]为矿物重量百分含量的列矩阵; [E]为元素丰度的列矩阵;[C]为把已知的每种矿物对元素的百分含量的贡献进行多项回归后得到的系数方阵。

求解该矩阵方程,就可以得到各种矿物的含量。

港北潜山下石盒子组主要矿物为石英+钾长石+斜长石,以及部分方解石,黏土中除高岭石、伊利石之外还含有绿泥石;太原组主要矿物为石英+斜长石+白云石+煤,黏土中不含绿泥石。可见不同层系矿物组分和矿物含量差异比较明显。图10为下石盒子组砂岩、太原组砂岩、太原组白云岩的XRD矿物含量数据与岩性扫描测井元素测井数据交会图。可见石英含量与硅关系密切(图10a),长石含量与钾、钠关系密切(图10b、图10c),黏土含量与铝、铁关系密切(图10d),白云石含量与镁关系密切(图10e),方解石含量与钙、镁关系密切(图10f);且不同层位矿物含量与元素的关系系数存在明显差异。因此,在利用岩性扫描测井进行矿物含量定量计算时,需要分层系建立港北潜山岩性扫描测井矿物含量计算模型和权系数,可大幅提高矿物含量计算精度。

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图10   岩性测井元素与XRD矿物含量关系

   

同时,回归关系较好的,可以在矿物含量计算时利用不同关系式进行系数的刻度。

(1)硅元素与石英含量关系式

下石盒子砂岩段地层:

y(石英)=5.322e^7.563x(硅),r=0.75 (1)

太原组砂岩段地层:

y(石英)=6.129 3e^{7.468 18x(硅)},r=0.89 (2)

太原组含碳酸盐岩段地层:

y(石英)=11.147e^2.974x(硅),r=0.65 (3)

(2)铝+铁元素与黏土含量关系式

下石盒子砂岩段地层:

y(黏土)=1.585 le^{20.892x(铝+铁)},r=0.78 (4)

太原组砂岩段地层:

y(黏土)=2.967 3e^{15.312x(铝+铁)},r=0.82 (5)

太原组含碳酸盐岩段地层:

y(黏土)=1.911 5e^{17.459x(铝+铁)},r=0.80 (6)

(3)镁元素与白云石含量关系式

太原组含碳酸盐岩段地层:

y(白云石)=20.011e^16.319x(镁),r=0.80 (7)

4 应用效果分析

该岩性识别方法在研究区应用11口井,可有效识别目的层岩性,为储集层有效性及含油性评价奠定了坚实的基础。图11为下石盒子组、太原组建立的岩性扫描测井、常规测井岩性识别、矿物含量定量计算结果与岩心分析结果以及研究前矿物含量定量计算结果对比。其中:第6、第7道为测井岩性定性识别成果与岩心地质岩性分类成果对比图,可见二者在岩性描述方面结论基本一致,可以较准确地将砂岩、泥质砂岩、白云岩、煤层以及泥岩判别出来,一致性达到96%以上;第815道为矿物含量定量计算与XRD分析结果对比,其中绿色线为优化定量评价模型前岩性扫描计算矿物含量结果,红色线为利用优化后的模型计算的矿物含量。可见攻关后矿物含量定量计算结果与岩心分析一致性明显优于研究前,岩性扫描评价结果明显优于常规评价结果。

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图11   下石盒子组和太原组岩性评价成果对比

   

5 结 论

(1)结合X射线衍射矿物分析、X射线元素分析、岩性扫描测井精细解释结果,建立了测、录井结合的多参数交会逐级剥离岩性识别技术,可利用常规测井资料,有效进行研究区岩性的定性识别。

(2)在岩性分类基础上,采用X射线衍射矿物分析含量数据刻度测井岩性扫描矿物含量数据,分测井系列、结合录井等岩性分析优化岩性扫描测井计算模型,大幅提高了矿物含量的计算精度。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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