火山碎屑复成分砾岩测井响应机理分析

张德梅，郭海啸，李晓辉，王宏建，周剑桥

（中国石油大庆钻探工程公司测井公司，黑龙江 大庆 163412）

0 引 言

TMCG盆地具有构造活动期次多、断裂多、继承性强、发育程度高的特点，近物源、快速堆积沉积导致盆地内储层岩石分选差、岩性变化大。在TMCG盆地内TBMZ地层，普遍发育砾岩储层，虽然录井岩性均描述为砾岩，但在实际测井响应特征上却存在明显的差异。根据该区近200余口探井、评价井TBMZ地层钻遇砾岩测井曲线特征统计，上述3类砾岩测井曲线响应差异，主要表现在自然伽马（GR）、补偿中子（CNL）和Th曲线上。

A类砾岩测井响应具明显低伽马值、高中子值特征，GR一般小于75API，Th含量小于8%，补偿中子值在（18～24）m3／m3；C类砾岩测井响应特征具明显高伽马值、低中子值，GR一般大于105API，Th含量大于12%，补偿中子值在（8～12）m3／m3；B类砾岩测井响应特征在A类砾岩、C类砾岩之间。

A类砾岩具有高中子值特征，自然伽马特征较纯砂岩略高，与研究区域内碳质泥岩发育相似，在岩性识别时容易误认为低放射性泥岩；C类砾岩中子特征与纯砂岩相似，其高放射性在储层分析时易误判为高含泥储层。所以，急需弄清以上砾岩测井响应机理，为进一步测井解释储层评价奠定基础。通过岩心实物观察不同测井响应特征砾岩，了解不同砾岩的物理特征，如砾石组成、结构、填隙物等；通过进一步的X衍射全岩分析和X荧光常量与微量元素分析等，了解其化学成分的构成，如元素构成、矿物构成等，以期得到不同物理组成、化学成分对测井响应特征的影响。

1 岩石物理性质分析

1.1 岩石物理成分组成

挑选研究区域不同放射性特征的砾岩30多口井进行岩心实物观察，从砾岩的砾石分选、胶结物和成分等方面加以区分对比，以期得到这3类测井响应特征砾岩主要差异原因。岩心观察这3类砾岩的主要物理成分对比见表1。

表1 TMCG盆地TBMZ砾岩岩心观察对比表

1.2 不同物理成分组成对测井响应特征的影响

通过岩心观察，研究区域内的砾岩均为近物源快速沉积类型，其砾石为火山碎屑岩且成分复杂，所以将上述砾岩统一归为火山碎屑复成分砾岩。表1中，3个类复成分砾岩在砾石和胶结物成分与含量上存在较大差异，分析认为这是造成其测井响应存在较大差异的主要原因。根据各类砾岩所含砾石与胶结物的测井响应特征值[1－2]（见表2），砂质复成分砾岩所含砾石以中、基性低放射性火山岩为主，且该类砾岩主要胶结物的测井响应特征也呈低放射性，所以其整体测井响应特征呈低伽马特征，说明该类砾岩的砾石与胶结物成分和含量对地层的放射性特征影响与测井响应是一致的，但对地层大中子孔隙度特征（补偿中子值在18～24m3／m3）的现象需进一步研究；凝灰质复成分砾岩砾石以流纹质、凝灰质（酸性）等高放射性特征岩石为主，胶结物成分测井特征也呈高伽马特征，测井响应特征呈高放射性，说明凝灰质复成分砾岩中砾石与胶结物成分和含量对地层的放射性特征影响与测井响应也是一致的。过渡复成分砾岩由于其砾石、胶结物的含量与成分介于砂质复成分砾岩与凝灰质复成分砾岩之间，测井响应特征也介于砂质复成分砾岩与凝灰质复成分砾岩之间，所以其测井响应特征与该类砾岩的砾石与胶结物的成分和含量相关。在岩心观察中发现，如果砾石母岩是中、酸性火山岩砾石占主要成分，则其放射性参数接近高伽马的凝灰质复成分砾岩特性；如果是中、基性火山质砾石占主要成分，则其放射性参数更接近低伽马砂质复成分砾岩。

由于上述火山碎屑复成分砾岩岩性多较致密，当2种砾岩物性相当时，体积密度与声波时差值相近；而由于砾石成分差异较大引起中子值差异大时，测井综合图上则显示不同种复成分砾岩中子—密度曲线交会形态和大小差异较大。

表2 复成分砾岩物理组份测井响应特征表

2 岩石化学性质分析

为进一步了解岩石矿物成分和含量、微量元素和杂质的存在对岩石的测井参数的影响，挑选研究区块3类复成分砾岩的岩石小样进行X衍射全岩和X荧光常量与微量元素分析，以了解其化学成分的构成对测井参数的影响。

2.1 砾岩化学成分构成

对该区砾岩进行X衍射全岩分析结果表明，3类砾岩主要的矿物成分均为石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、绿泥石、高岭石、伊利石。图1中（a）、（b）、（c）分别是3类复成分砾岩的主要矿物成分分布图。

进一步对该区砾岩进行X荧光常量与微量元素分析对比（见图2）。3类砾岩主要造矿氧化物为SiO2、CaO、FeO、MnO、TiO2、Fe2O3、P2O5、K2O、MgO、Na2O。从图2可看出，含量较高的造矿氧化物在3类砾岩中的含量有一定规律性。

图2 3类砾岩主要图氧化物含量对比

微量元素相对于主要元素在地层中的含量虽然非常小，但对地层的某些特性影响较大。如Gd、B等，即使含量极少，由于热中子俘获截面值很高也会大大影响中子测井响应。图3为3类砾岩微量元素对比图，可以看出，含量相对较高的元素在3类砾岩中的分布规律性较强。

针对对测井响应特征影响较大的稀有元素，将其含量与测井响应间的关系做分析对比，以得到测井响应的主要影响因素。

2.2 不同化学成分构成对测井响应特征的影响

该区3类火山碎屑复成分砾岩测井响应特征主要在自然伽马和补偿中子测井曲线上差异大，针对自然伽马和补偿中子进行测井响应机理分析。

图3 3类砾岩主要微量元素对比图

2.2.1 自然伽马

放射性测井是对岩石放射性特征的总体反映，即对岩石中U、Th、K元素含量的综合反映[3]。因此，对于复杂岩性体的放射性要弄清是来自泥质的反映还是其他岩石类型。

从图1可知，上述3类复成分砾岩的黏土矿物类型以伊利石和绿泥石为主，只有低伽马特征的A类砾岩砂质复成分砾岩含少量高岭石，且黏土矿物总含量（伊＋高＋绿）均不超过10%。据火成岩矿物测井响应特征（见表3）[3－4]，由于高岭石含量非常少，对砂质复成分砾岩的低伽马、高中子测井响应影响较小。绿泥石和伊利石在3种复成分砾岩中含量差别较小，相对于测井响应的变化可以认为3类复成分砾岩放射性变化与黏土矿物类型和含量关系较小。

石英和斜、钾长石为主要造岩矿物，均为火成岩、变质岩和沉积岩中共有的成分[4]，在沉积岩中长石的丰度次于石英，在大多数火成岩中斜长石占主要，石英次之，钾长石除花岗岩外其含量在10%左右。从图1可知，复成分砾岩中长石总含量接近甚至大于石英含量，砾石为火成岩成分，且成分复杂，岩石放射性变化与砾石岩性有关。

为进一步从微观上认识复成分砾岩放射性差异大的原因，挑选研究区域内有自然伽马能谱测井资料的15口井37块砾岩样品，用自然伽马分别与U、Th、K含量建立交会图（见图4）。从图4可以看出，工区内随自然伽马值的升高K的含量轻微稳定升高；U的含量变化较K略大，但数据点较离散；Th的含量明显随放射性的增加而稳定急剧升高。可见低伽马→高伽马特征火山碎屑复成分砾岩其放射性的逐渐增强主要是U、Th含量增加引起的，尤其是Th含量变化。根据对Th含量增加[5]的认识可知，砂质复成分砾岩→过渡复成分砾岩→凝灰质复成分砾岩其放射性的逐渐增强的原因是由于其母岩成分中富硅质的酸性火成岩含量逐渐增加所致。这一认识与岩心观察结果完全一致。

图4 GR与U、Th、K含量关系图

2.2.2 补偿中子

中子测井受地层岩性、流体性质影响大，并随孔隙、裂隙中流体含量的变化而发生变化。当岩石发生蚀变时，次生的绿泥石、沸石、绢云母等矿物含有大量结晶水和结构水，常表现出高中子孔隙度值，特别是在蚀变严重时，中子测井曲线反映异常敏感[1]。图1中该区3类复成分砾岩中均不含绢云母，且绿泥石含量差别相当小，而方沸石含量与3类砾岩高中子→低中子测井响应特征对应关系差。分析认为在该盆地内火山碎屑复成分砾岩其中子的特征差异与岩石中含有大量结晶水和结构水的矿物含量关系较小。

中子测井除反映储层孔隙大小外还可以根据快中子对14Si28核的活化反应识别岩性[5]；地层中某些稀有元素即使含量很少，由于其具有高热中子俘获截面，也会极大影响热中子孔隙度响应。挑选工区内有代表样品22块进行X荧光常量和微量元素测定，实验结果显示，具有大热中子俘获截面值元素如Gd、Eu等其含量增加与补偿中子测量值近似成正比[见图5（a）至图5（d）]，只有B元素与中子值关系不明显[见图5（e）]。

图5 中子与大热中子俘获截面值稀有元素关系图

图5（f）中横坐标为中子测量值，纵坐标为大热中子俘获截面稀有元素因子，它是各元素含量的多少和元素本身的热中子俘获截面乘积之和。随着热中子俘获截面稀有元素因子升高，中子测量值也相应增大，说明岩石中子测井值的增加与大热中子俘获截面稀有元素及其含量密切有关。从图5（f）中可知，研究工区内对3类复成分砾岩中子测量值影响较大的稀有元素前5位依次为 Gd、Sm、B、Eu、Co。

将3类复成分砾岩的大中子俘获截面稀有元素测定结果分类进行平均含量对比（见图6）。自然伽马值从低到高，砾岩中所含大中子俘获截面稀有元素的含量（除B外，不排除实验误差）逐渐减少。3类复成分砾岩在中子响应特征上的综合差异是与其砾石中所含各大热中子俘获截面稀有元素及其含量的总体平均丰度相关。

图6 3类砾岩大中子俘获截面稀有元素含量对比直方图

为进一步确定岩石对火山碎屑复成分砾岩中子值的影响，建立了10种造矿岩石主要氧化物含量与中子测量值交会图（见图7）。

在图2中显示造岩矿物中含量最高的氧化物SiO2含量在C类复成分砾岩中含量最高，B类砾岩中含量次之，A类砾岩中含量最小。图7（b）显示，SiO2含量随中子值增加而含量呈明显减少。这些现象再一次表明，自然伽马值的变化与岩石中富硅质的酸性火成岩含量逐渐增加有关。图7（a）中CaO、FeO、MnO与图7（b）中 TiO2、Fe2O3、P2O5含量随中子值含量呈不同程度增加趋势；图2中Fe2O3、FeO、TiO2、MnO、CaO、MgO、Na2O在 A类砾岩中含量最高，B类砾岩中次之，C类砾岩中含量最少，即以上氧化物随自然伽马值升高逐渐减低。所以A类砂质复成分砾岩具低伽马、高中子特点，而C类凝灰质复成分砾岩由于这些造矿氧化物含量降低而具高伽马、低中子特点。其原因是这些氧化物测井参数特征具高热中子俘获截面和低伽马特点（见表3）[4]。

图7 砾岩中子值与主要造矿氧化物关系图

表3 3类复成分砾岩主要造矿氧化物测井参数特征表

3 岩性识别在储层评价中应用

3.1 测井岩石骨架参数确定

根据3类复成分砾岩的测井响应特征，应用GR—Th和Pe—Th岩性识别图版[4]判定储层以哪2种或1种火山岩为主，数字处理时就以这2种或1种火山岩理论骨架值的平均值为该井测井数字处理的岩石骨架值。

3.2 孔隙度模型确定

对计算孔隙度敏感的测井曲线通常为声波、中子和密度。通过分析，复成分砾岩中子值大小除反映孔隙大小外，主要因为大中子俘获截面稀有元素的关系。所以，火山碎屑复成分砾岩的孔隙模型选择声波孔隙度和密度孔隙度叠加

式中，φ为计算的有效孔隙度；φΔt为声波时差计算孔隙度；φden为密度计算孔隙度；α、β、γ为加权系数。

3.3 泥质含量模型确定

鉴于火山碎屑复成分砾岩的自然伽马放射性大小一部分来自泥质含量，一部分来源于岩石本身，所以泥质含量计算模型选用测井曲线组合法[7]。

式中，Vsh1为自然伽马求取泥质含量，%；IGR为自然伽马相对值；Vsh2为中子密度求取泥质含量，%；Vsh为计算的总泥质含量。

4 结 论

（1）从砂质复成分砾岩→过渡复成分砾岩→凝灰质（高伽马）复成分砾岩砾石的成分、分选、磨圆情况可知砾岩实质均为近物源、快速沉积的火山碎屑复成分砾岩，其测井曲线特征继承了其砾石的母岩特征。

（2）砂质复成分砾岩→过渡复成分砾岩→凝灰质（高伽马）复成分砾岩的放射性逐渐增加与岩石中所含黏土类型及其含量相关性小，主要是其所含砾石母岩中基性火山碎屑岩减少，酸性火山碎屑岩含量增加导致U和Th含量增加所致，与具有低放射性造矿氧化物含量减少有关。

（3）砂质复成分砾岩→过渡复成分砾岩→凝灰质（高伽马）复成分砾岩的中子响应值逐渐变小，与岩石中含有大量结晶水和结构水的矿物含量关系较小，主要原因是岩石中大中子俘获截面稀有元素和大中子俘获截面造矿氧化物的含量逐渐减少所致。

（4）3种复成分砾岩测井参数影响因素的分析，可为下一步储层评价中测井岩石骨架参数确定、孔隙度模型确定、泥质含量模型确定奠定良好基础。

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