四川盆地二叠系基性火山岩测井评价技术——以永探1井区火山岩为例

吴煜宇 谢 冰 伍丽红 赖 强 赵容容

1.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院 2.中国石油西南油气田公司

0 引言

近期，中国石油西南油气田公司部署的第一口以火山碎屑岩储层为目的层的重点风险探井——永探1井获重大突破。该井在火山岩段钻进过程中采用密度介于2.00～2.24 g/cm3的钻井液对火山岩地层精准控压，油气显示良好，出现4次气侵，并在集气口点火燃烧，表现出强烈的含气性。经中途测试该井获得22.5×104m3/d自然产能的高产工业气流，展示出四川盆地火山岩气藏良好的勘探潜力。

火山岩储层测井评价一直都是世界性的难题，主要表现在火山岩岩性和储集空间复杂多样，储层非均质性极强，同时，火山岩电性特征千差万别，地层导电机理复杂，造成利用电阻率等测井资料评价含油气性困难[1-3]。通过调研国内外相关文献，火山岩储层测井研究率先需要解决测井岩性识别的问题[4-6]，只有在准确识别岩性的基础上，才能有效开展储集类型和储集层性质评价；其次，火山岩储层参数的定量计算目前还没有通用的测井解释模型和技术，各油田主要采用地区经验公式和测井新技术的采集开展储层参数建模研究。

为详细解剖四川盆地火山岩储层，针对永探1井采用了多种测井新技术进行资料采集，如针对火山岩岩性复杂、矿物组分多样采用了LithoScanner岩性扫描测井、针对火山岩地层结构和构造认识采集了FMI高分辨率成像测井，测井新技术的应用为本次研究提供了坚实的资料基础。

1 储层特征

1.1 岩性特征

根据岩心、岩屑及薄片资料分析结果可知，永探1井火山岩岩石类型主要有2个大类：火山熔岩和火山碎屑熔岩。

火山熔岩主要为基性玄武熔岩，由板条状的细晶基性斜长石（拉长石）组成，由斜长石杂乱排列形成的多角形孔隙中常被细粒辉石、隐晶质的铁质和玻璃质等近全充填，形成间粒—间隐结构即拉斑玄武结构（图1-a），颜色较暗，一般呈灰绿、绿灰色，局部暗褐色[7-10]。

火山碎屑熔岩按角砾碎屑含量的相对大小可进一步分为含角砾凝灰熔岩和角砾熔岩，前者角砾一般较小，具有一定磨圆度，角砾以玄武岩角砾为主（图1-b、c、d），气孔被钠长石、绿帘石或绿泥石等再生矿物或蚀变矿物充填，基岩仍为基性玄武质熔岩。角砾熔岩的角砾含量明显增多，且角砾团块较大，通过取心和镜下薄片观察角砾以中二叠统茅口组碳酸盐岩碎屑为主（图1-e、f），多具棱角状，火山角砾及火山集块呈杂乱堆积。

1.2 物性特征

由岩心、柱体薄片、CT扫描及扫描电镜分析结果可知，永探1井火山岩段以微米级孔隙型储层为主，岩心储层段全直径样品分析孔隙度介于6.68%～13.22%，平均孔隙度为10.3%；岩心储层段柱塞样品分析孔隙度在介于8.66%～16.48%，平均孔隙度为13.6%，渗透率介于0.009～0.173 mD。受孔隙喉道大小影响，永探1井火山岩整体表现出高孔隙度、低渗透率的特征。

1.3 储层测井响应特征

永探1井火山岩储层常规测井响应特征表现为“三低两高”，即低伽马、低密度、低电阻率、高声波时差和高中子。受地层含导电矿物、高矿化度钻井液侵入以及蚀变矿物高束缚水含量的影响，储层段电阻率最低为3 Ω·m。

图2 永探1井常规测井曲线及岩性扫描测井解释成果图

2 火山岩岩性测井识别

2.1 岩性扫描测井岩性识别

研究火山岩的岩性，需首先弄清其岩石化学成分。目前，国际地科联通用的火山岩岩性分类标准为TAS（Total Alkali Silica）图版分类法，也叫硅—碱分类法，它主要针对火山岩化学成分及含量进行分类，根据SiO2的含量可将火山岩分为超基性、基性、中性和酸性4个大类。

岩性扫描测井能够直接测定岩石相关元素质量百分含量，是能从岩石成分角度解决岩性识别问题的测井方法，在火山岩岩性识别方面具有独特的技术优势[11-14]。LithoScanner岩性扫描测井利用脉冲中子与地层元素作用，产生伽马能谱，在不同的时窗内，测量伽马值的非弹性能谱和俘获能谱进而确定地层中的各种元素含量。通过地球化学氧化物闭合模型进一步实现元素与矿物百分含量之间的转换，得到地层敏感元素的氧化物（如SiO2、K2O、Na2O、AL2O3等）的质量百分含量，最后，根据该计算结果直接应用于TAS图版确定火山岩的岩性。

据图2可知，永探1井岩性扫描测井按各元素含量和SiO2含量可分成两段：第一段井深介于5620～5 668 m，岩性扫描测井结果表现出高硅、高硫、低钙、富铁、富钠的特征，SiO2含量普遍高于40%，全碱（K2O＋Na2O）含量高于6%，钙元素含量普遍低于6%；第二段井深介于5 668～5 720 m，岩性扫描测井结果表现出高钙、低硅，低硫、低钠、低铁的特征，SiO2含量普遍低于40%，全碱（K2O＋Na2O）含量低于6%，钙元素含量普遍高于10%。通过LithoScanner岩性扫描测井解谱之后的矿物成分剖面显示，5 668 m井段上下方解石含量具有明显变化，该井段以上的地层方解石含量很少，5 668 m以下的地层方解石含量随深度增加而增高，岩心薄片和录井岩屑证实方解石主要为下伏茅口组石灰岩成分。因此钙元素含量间接反映了永探1井火山岩中茅口组石灰岩角砾的含量。由于利用TAS图版确定的火山岩岩性主要是母源（岩浆）信息，对于火山碎屑岩、熔结角砾岩和角砾熔岩往往含有异源成分，利用TAS图版识别火山岩岩性时会有一定误差。永探1井5 668 m以深的方解石均为异源的茅口组石灰岩角砾，在采用TAS图版确定永探1井岩石化学成分时需对方解石进行剔除，考虑到Ca元素主要为茅口组石灰岩的贡献，将得到的CaO去掉后，对剩余氧化物进行归一化处理，进而得到去钙后的SiO2和Na2O＋K2O相对含量。

图3为永探1井利用岩性扫描测井去除钙元素之前和去钙元素之后得到的SiO2和Na2O＋K2O相对含量在TAS图版上的分布情况，未作剔除异源成分之前，部分样点SiO2含量在30%左右，已偏离TAS图版中火山岩区域。通过去除异源成分之后，永探1井岩性扫描测井得到的SiO2和Na2O＋K2O相对含量在TAS图版上主要落在碱玄武岩和玄武岩区，且分布比较集中，更加符合地质规律。由此可以确定，永探1井火山岩主要为基性的碱玄武岩和玄武岩，SiO2平均含量为42.7%，Na2O＋K2O平均含量为6.5%。

图3 永探1井去钙前、后TAS图版的分布情况图

2.2 交会图法岩性识别

永探1井火山岩整体放射性较低，自然伽马值（分布范围38～60 API）和无铀自然伽马值（分布范围32～54 API）没有明显变化，通过对比国内外火山岩放射性[15-18]，整体反映出基性火山岩的放射性特征，无法进一步细分岩性。因此，根据自然伽马或自然伽马能谱测井基本无法判断永探1井岩性。中子测井（CNL）由于受地层岩性、流体性质影响较大，且受火山岩蚀变程度影响，次生的绿泥石、沸石等含有大量的结晶水和结构水往往造成中子异常偏高，不利于火山岩岩性识别。通过对永探1井取心段测井资料进行统计和标定，确定了对永探1井火山岩岩性反应敏感的测井参数主要为密度（DEN）、声波时差（AC）和电阻率（RT）曲线（图4），由此建立了研究区火山岩常规测井岩性识别图版。

图5为永探1井密度与声波时差和密度与深电阻率交会图。从图5中可以看出，永探1井玄武岩具有高密度、高电阻率和低声波时差的特点，岩性致密，密度值多大于2.8 g/cm3，声波时差低于60 μs/ft，电阻率大于300 Ω·m。含角砾凝灰熔岩密度主要介于2.6～2.8 g/cm3，声波时差介于60～70 μs/ft，电阻率值较低。角砾熔岩密度较低，集中分布于2.6 g/cm3附近，声波时差介于70～80 μs/ft，测井电阻率值介于3～5 Ω·m。由此可知，永探1井由火山熔岩至含角砾凝灰熔岩和角砾熔岩，随着角砾含量的增多，密度逐渐减小，声波时差逐渐增大，电阻率呈降低趋势。

2.3 成像测井结构识别

不同的火山岩岩相其结构和构造具有明显差异，而火山岩岩性明显受控于火山岩岩相，因此，通过成像测井识别的火山岩结构和构造特征可以间接反映火山岩岩性[19-20]。

永探1井成像测井为斯伦贝谢FMI高分辨率成像测井，为火山岩结构和构造识别提供了良好的资料基础。通过岩心刻度成像测井，永探1井发育3种主要的火山岩结构（图6）。结合常规测井识别的岩性，3种火山岩结构与岩性对应良好。

图4 永探1井火山岩岩性测井响应特征图

图5 永探1井区火山岩岩性常规测井识别图版

2.3.1 熔岩结构

在FMI成像测井静态图像颜色整体表现为高阻块状结构，岩性较为均一，无暗色或亮色粒状特征，整体较均一，偶见暗色钻井诱导缝或裂缝切割，一般为火山活动中后期产物，岩性以溢流相玄武岩为主。

2.3.2 角砾结构

FMI动态加强图整体表现为稍暗背景上的暗色斑块和亮色斑块杂乱分布。角砾多为亮色斑块，有一定磨圆度，规模较小，多悬浮于低阻暗色矿物之间，主要见于含角砾凝灰熔岩，属火山活动中期产物，反映火山活动能量减弱，角砾被熔岩裹挟流动。

2.3.3 集块结构

FMI静态图上整体表现为暗色，而动态加强图颜色整体表现为杂色，火山角砾通常为边缘不规则的高阻亮块，角砾规模大，磨圆度差，呈堆叠状，砾间则为暗色的低阻矿物充填，从而形成了亮斑角砾和暗斑杂乱分布的图像特征，该岩性反映了较强的火山岩活动，为火山活动初期或高潮期产物，火山能量较强。

3种结构随火山角砾规模和含量的减少反映了火山能量爆发的逐渐减弱直至火山活动的终止，由下而上组成了一个完整的火山喷发旋回。

图7 永探1井火山岩岩性常规测井及成像测井综合图

2.4 测井岩性识别综合研究

本次研究，利用LithoScanner元素扫描测井和常规测井确定永探1井火山岩成分和岩性，结合成像测井识别火山岩结构和构造，开展单井岩性和构造纵向精细评价（图7）。永探1井火山岩可划分为3个期次，岩性以含角砾凝灰熔岩为主，角砾熔岩次之，玄武岩含量最少，角砾自下而上逐渐变小变少，反映火山活动能量逐渐减弱。该井测试井段为最上面两个旋回，优质储层岩性主要为含角砾凝灰熔岩。因此，寻找规模优质喷溢相含角砾凝灰熔岩储层是四川盆地火山岩气藏下一步勘探的重点。

3 储层参数定量评价技术

与沉积岩类不同，组成火山岩的矿物多为玻璃质，物理方法无法确定矿物含量，进而导致火山岩没有统一的骨架响应参数。

在计算永探1井基性火山岩储集层的基质孔隙度时，对比分析了4种不同方法的适用性。

第一种方法为柱塞样和全直径样品测得的岩心孔隙度和岩心密度进行分析（图8），得到密度与孔隙度的拟合关系来进行计算；另外两种方法分别采用LithoScanner元素扫描测井反算的变骨架密度和变骨架声波时差计算孔隙度；最后一种是采用密度—声波交会图计算的孔隙度，密度和声波仍采用LithoScanner岩性扫描测井在连续深度上计算出的变骨架密度和变骨架声波时差值。

图8 永探1井岩心孔隙度—密度关系实验结果图

图9 为永探1井取心段采用4种方法计算的孔隙度对比图。第一道为变声波时差孔隙度，第二道为变骨架密度孔隙度，第三道为变密度—声波孔隙度，最右道为利用岩心拟合关系计算的密度拟合孔隙度。对比分析表明采用变骨架密度和变骨架声波时差交会的孔隙度与岩心分析结果吻合最好。

图10 不同矿物的Sigma值图

4 储层流体性质识别技术

受地层含导电矿物、高矿化度泥浆滤液侵入以及蚀变矿物高束缚水含量的影响，永探1井储层段电阻率很低。利用传统的电阻率法识别流体性质具有很强的局限性，本次研究主要通过非电法测井开展流体性质判别。

图9 永探1井测井计算孔隙度与岩心孔隙度对比图

4.1 泊松比—体积压缩系数交会

泊松比和流体压缩系数对储层的响应特征非常敏感，相对于水层，气层的泊松比会明显减小，流体压缩系数明显增大[16]。利用泊松比和流体压缩系数的这一反向变化特征，在同一曲线道中采用不同比例刻度这两条曲线，使其在致密段完全重合，根据两条曲线重叠显示的包络线面积大小就可以判断和预测储层的流体性质。

4.2 宏观俘获截面Sigma指数法

宏观俘获截面Sigma由岩性扫描测井测量得到。不同岩性及流体的Sigma值不同（图10），因此，宏观俘获截面Sigma可以反映地层岩性和流体的变化。通常气的Sigma值较低，一般小于10，水的Sigma值与地层水矿化度有很大关系。相同矿化度条件下，随着地层含水量的增加，岩石的宏观俘获截面将逐渐增大，相同含水量条件下，随着地层水矿化度的增加，岩石的宏观俘获截面将逐渐增大，对于相同岩性和物性的储集层，水层的俘获截面Sigma明显增大[17]，因而可用Sigma识别储层含气性。

图11为永探1井火山岩段流体性质判别成果图，右边两道分别为泊松比—体积压缩系数交会和岩性扫描热中子宏观俘获截面流体识别成果，可以看出永探1井段5 628～5 675 m含气性相对较好，井段5 675～5 730 m含方解石段含气性相对较差。实际测试5 628～5 644 m、5 646～5 675 m井段，产纯气 22.5×104m3/d。

图11 永探1井火山岩流体识别图

5 结论

1）永探1井火山岩岩性复杂，常规测井和岩性扫描测井反映整体以基性火山岩为主，放射性低，结合岩心和测井资料，永探1井岩性主要为玄武岩、含角砾凝灰熔岩和角砾熔岩。

2）永探1井自下而上可划分出3个次级喷发旋回，测试获气井段岩性主要为含角砾凝灰熔岩，因此寻找规模优质喷溢相含角砾凝灰熔岩储层是四川盆地火山岩下一步勘探的重点。

3）永探1井储集空间以微米级孔隙为主，岩心实验分析和测井定量评价表明，永探1井具高孔隙、低渗透特征，采用变骨架密度和变骨架声波时差交会法计算的孔隙度与岩心孔隙度吻合最好。

4）受多种因素的影响，电阻率法对火山岩流体识别难度大，利用非电法的热中子宏观俘获截面、纵横波速度比、泊松比等判别方法在永探1井应用效果良好。

5）火山岩岩性复杂、储层非均质性强、流体性质判别难，应系统开展火山岩岩性岩相划分、储层测井参数建模和导电机理研究，推广测井新技术在火山岩中的应用，同时取全取准测井资料是该盆地下一步火山岩勘探取得进展的重要保障。