渤中X油田火成岩井场录测综合识别方法

彭 超 曹 军 胡 云 苑仁国 袁亚东

(①中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；②中海石油(中国)有限公司天津分公司)

0 引 言

渤中X油田位于渤海南部海域，其构造位于黄河口凹陷中洼南斜坡带，成藏条件有利。该构造紧邻郯庐断裂中支，构造活动强烈，断裂系统发育，为复杂断块构造。该油田东一段、东二段沉积期为火山大规模活动的时期，发育了大套火成岩，主要含油层段东三段和沙一段、沙二段也发育有少量火成岩，目前钻遇的火成岩主要有玄武岩、安山岩、凝灰岩、沉凝灰岩。本文利用已钻井资料对X油田火成岩录井特征和测井特征进行深入研究，并在分析岩电关系的基础上，创建了适合渤中X油田使用的火成岩岩性识别图板，对于现场快速识别火成岩，提高整体作业时效，起到了一定的指导作用。

1 渤中X油田火成岩分类

火成岩是地表以下高温的熔融岩浆侵入地表或喷出地表经过冷凝、堆积、固结所形成的岩石[1]。火成岩根据岩相可分为溢流相的火山熔岩、爆发相的火山碎屑岩、火山沉积相的火山碎屑沉积岩三大类，渤中X油田常见的火成岩具体分类如表1所示。

表1 渤中X油田火成岩分类

2 火成岩录井识别特征分析

2.1 岩屑录井识别特征

据已钻井资料可知，渤中X油田目前钻遇的火成岩岩性主要包括玄武岩、安山岩、凝灰岩、沉凝灰岩，其岩屑录井识别特征分析如下。

(1)玄武岩：玄武岩(图1)属于基性喷出岩，化学成分类似辉长岩，该岩性一般颜色较深，呈深灰、灰黑色，岩屑容易清洗干净；顶筛岩屑主要呈片状-块状，底筛岩屑细小，呈“炉灰渣”状，手捻粗糙，具棱角，无磨圆，无明显的陆源碎屑；常见气孔状、杏仁状构造，以隐晶质或显微斑状结构为主；斑晶主要为基性斜长石和辉石，辉石有时可见绿泥石化现象；基质主要由斜长石板条组成，斜长石格架内分布瑰石和磁铁矿，有时可见裂缝被方解石或白云石充填，具磁性。

图1 玄武岩岩屑

(2)安山岩：安山岩(图2)是一种中性钙碱性喷出岩，颜色一般呈灰色、红褐色、浅褐色及浅紫红色；多为斑状结构，斑晶成分主要为斜长石、角闪石(褐色，具有暗色花边)及少量黑云母或辉石；基质多为隐晶质，手感粗糙，顶筛多呈块状，少量为片状；底筛岩屑细碎，无明显陆源碎屑，部分可见杏仁体，多被绿泥石、石英充填、致密、坚硬。

(3)凝灰岩：凝灰岩(图3)主要是由火山喷出地表的火山灰堆积成岩的产物，由颗粒直径小于2 mm的晶屑、岩屑及玻屑组成，岩屑多呈豆状，成分主要是火山灰，外貌疏松多孔，粗糙，颜色多样，有黑色、紫色、红色、白色、浅绿色等。

凝灰岩在岩屑录井上与泥岩较难区分，就两种岩石的成因来说，泥岩属于沉积岩，由河流湖泊等沉积形成，而凝灰岩属火山岩类，是火山喷发后火山灰堆积固结成岩的产物。两者主要的差异在于沉积物质不同，凝灰岩是火山物质，可能由于岩体成岩过程中的温度变化不同会形成大小、形状不一的晶屑或岩屑，而泥岩则是黏土物质。同时凝灰岩和泥岩遇水的情况不太一样，泥岩遇水膨胀，而凝灰岩不会。

(4)沉凝灰岩：沉凝灰岩(图4)颜色呈绿灰色、黑色，沉凝灰结构，层状构造。由火山碎屑物小于2 mm的凝灰物质及陆源碎屑组成，火山碎屑由岩屑、晶屑、玻屑及火山灰组成；陆源碎屑以砂、粉砂及少量泥质为主；火山碎屑物及陆源碎屑分选较差，岩石层理明显。

图4 沉凝灰岩岩屑

沉凝灰岩在岩屑录井上与凝灰岩较难区分，沉凝灰岩是一种由火山碎屑岩向正常沉积岩过渡的岩石类型。这类岩石中火山碎屑物的含量大于正常沉积物，多形成于离喷发中心有一定距离的地方，特别是在有水下火山活动的海湖盆地。正常沉积混入物包括陆源的、生物的和化学沉淀的三种成因类型，它们主要通过风的搬运、水流或拍岸浪的搬运、水底滑动等多种形式同正常的火山碎屑物相掺杂，再由压结和水化学沉淀物胶结成岩。而凝灰岩多形成于近喷发中心的附近，沉积物质主要为火山喷发后的火山灰，并未混入正常沉积物，且由于大多没有经历风、水流等物理搬运作用，其分选较沉凝灰岩而言相对较好，所以可以通过岩屑中火山灰物质和正常沉积物的含量以及火山碎屑物的分选对两种岩性加以区分。

2.2 工程参数录井识别特征

本文选取渤中X油田20口已钻井资料，统计了20口井钻遇火成岩时工程参数的变化情况。通过对比分析发现，油田内钻遇火成岩时均有钻压大、扭矩大、钻时高、dc指数高(dc指数是用来反映地层可钻性的指数，其值越高地层可钻性越差)等工程参数响应特征，然后根据现场钻遇不同火成岩时钻井参数的变化(表2)，从岩相的角度总结确定X油田火成岩工程参数录井识别特征，如表3所示。

表2 渤中X油田火成岩工程参数平均值

表3 渤中X油田火成岩工程参数录井识别特征

3 火成岩测井识别特征分析

3.1 测井响应特征

(1)自然伽马响应特征：根据X油田内20口已钻遇火成岩的井为研究样本，统计分析了火成岩自然伽马的响应特征。通过研究发现自然伽马对火成岩的岩石成分具有较好的响应，整体趋势表现为从基性岩到中基性岩再到中性岩，自然伽马值逐渐增加。X油田内玄武岩表现为低伽马响应特征，伽马值一般在17～65.8 API之间，平均值为37.3 API；安山岩为高伽马响应特征，伽马值在58～229.5 API之间，平均值为103.7 API；凝灰岩表现为低-中伽马响应特征，伽马值在47～90 API之间，平均值为60 API；沉凝灰岩为低-中伽马响应特征，伽马值在40～80 API，平均值为64 API。

(2)电阻率响应特征：电阻率可以综合反映岩石的矿物成分、热液烛变、孔缝发育程度和含油气性[2]。整体上看，X油田岩性从火山熔岩到火山碎屑岩再到火山碎屑沉积岩，电阻率大体上表现为逐渐降低的趋势：玄武岩电阻率在1.26～42 Ω·m之间，安山岩电阻率在2.9～38.3 Ω·m之间，凝灰岩电阻率在0.8～10.5 Ω·m之间，沉凝灰岩的电阻率最低，在1.2～5.13 Ω·m之间。

(3)中子孔隙度响应特征：通过分析对比发现，X油田通过中子孔隙度测井较难对火成岩的类型进行区分，但可以提供辅助识别的作用。X油田玄武岩的中子孔隙度为14%～36%，安山岩的中子孔隙度为14%～38%，而凝灰岩的中子孔隙度为20%～30.1%，沉凝灰岩的中子孔隙度为30%～45%，整体上表现为火山熔岩的中子孔隙度低于火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩的中子孔隙度。当岩石产生蚀变时，次生的绿泥石、沸石等含有大量的结晶水和结构水，经常会表现出很高的中子孔隙度值，尤其是蚀变严重时，中子孔隙度测井反映较为敏感。

(4)密度响应特征：密度测井同样为火成岩岩石成分的辅助识别方法[3]。研究发现，从基性岩到中性岩，火成岩中铁、镁矿物的含量依次减少，岩石密度逐渐降低。X油田玄武岩密度一般大于2.50 g/cm3，最高可达2.81 g/cm3，平均为2.64 g/cm3；安山岩密度一般在2.35～2.59 g/cm3之间，平均为2.40 g/cm3；凝灰岩的密度在2.16～2.52 g/cm3之间，平均为2.31 g/cm3，呈低-中密度的趋势；沉凝灰岩的密度在2.00～2.40 g/cm3之间，平均为2.27 g/cm3，呈低密度趋势。

(5)声波时差响应特征：岩石中的岩石结构、矿物成分、致密程度以及流体性质是声波时差值的主要影响因素[4]。通过分析发现，X油田火成岩声波时差测井值从基性岩到中性岩，呈现逐渐增大的趋势。火山碎屑岩的声波时差值大于火山熔岩而小于火山碎屑沉积岩。X油田内玄武岩和安山岩的声波时差值一般低于75 μs/ft(1 ft=0.304 8 m，下同)，凝灰岩的声波时差一般为75～90 μs/ft，沉凝灰岩的声波时差一般高于90 μs/ft。

3.2 测井定量识别特征

通过对X油田20口已钻火成岩井资料的整理，结合前文对火成岩测井响应特征的综合分析，总结归纳出了X油田不同火成岩测井响应特征及测井定量识别标准，如表4所示。

表4 渤中X油田不同火成岩测井响应特征及测井定量识别标准

4 火成岩岩性综合识别图板

通过对渤中X油田优选的测井数据进行交会分析，并根据已钻火成岩的可靠资料，对交会在坐标系中的测井数据落点进行评价，优选中子孔隙度与声波时差、自然伽马与密度，建立了以下两个渤中X油田岩性综合识别图板，其主要目的是对火成岩录井进行校正，提高现场火成岩识别率。

4.1 中子孔隙度与声波时差岩性识别图板

通过研究发现，中子孔隙度、声波时差数据受火成岩的岩石成分影响较小，对其结构有较好的响应特征[5]。因此，利用中子孔隙度、声波时差数据进行交会分析可得出一个较为可靠的识别规律：整体上看，火山碎屑沉积岩的声波时差测井值和中子孔隙度测井值均高于火山碎屑岩和火山熔岩，所以可先将火山碎屑沉积岩与火山碎屑岩和火山熔岩进行区分，之后从声波时差数据点可以发现，火山碎屑岩声波时差值一般位于75～90 μs/ft之间，而火山熔岩声波时差值小于75 μs/ft，据此又可将火山碎屑岩与火山熔岩进行区分(图5)。

图5 中子孔隙度与声波时差岩性识别图板

4.2 自然伽马与密度岩性识别图板

中子孔隙度与声波时差交会图板只可对不同结构的火成岩进行区分，而无法区分相同结构的火成岩。经研究发现，自然伽马、密度受火成岩结构影响较小，但对火成岩成分有很好的响应趋势，所以通过建立自然伽马测井值与密度测井值交会图板[6]来分析不同成分的火成岩(图6)。

根据图板可以看出，玄武岩具有低伽马、高密度的响应特征，安山岩具有中-高伽马、中等密度的响应特征，据此通过自然伽马与密度交会图板可将同为火山熔岩的玄武岩和安山岩进行区分。

图6 自然伽马与密度岩性识别图板

5 应用效果

渤中X油田录测综合识别方法的成功应用，使得现场火成岩识别准确率达到90%。在此识别成果的指导下，通过优选钻头、优选合适的钻井参数以及优选井筒轨迹等方法，使得油田火成岩段平均机械钻速提高10%左右，有效提高了油田钻井作业效率。以渤中XX 6井和渤中XX 8井为例，对上述方法的应用情况进行说明。

5.1 渤中XX 6井

由图7可以看出，渤中XX 6井在2 509～2 520 m井段，岩屑呈灰色，成分以细小火成岩碎屑为主，凝灰质结构,现场与稀盐酸反应中等；致密；钻压平均值为5.02 t，扭矩平均值为3.90 kN·m，钻时平均值为2.17 min/m，dc指数平均值为0.77，自然伽马值为75～92.7 API，电阻率值为1.2～3.7 Ω·m，声波时差值为80～94.5 μs/ft，中子孔隙度值为22%～30%，密度值为2.15～2.52 g/cm3。综合录测响应特征，可将该段岩性初步判断为爆发相凝灰岩。

该井2 552～2 560 m井段，岩屑呈灰黑色，主要由斑晶和基质组成，斑晶主要为板条状斜长石，基质为细小的斜长石略定向排列，基质斜长石内充填大量磁铁矿；钻压平均值为6.25 t，扭矩平均值为6.14 kN·m，钻时平均值为4.38 min/m，dc指数为0.81，自然伽马值为58.8～63.7 API，电阻率值为3.8～21.6 Ω·m，声波时差值为59.5～74.8 μs/ft，中子孔隙度值为26.5%～31%，密度值为2.46～2.68 g/cm3。根据录测响应特征，可初步判断该段岩性为溢流相玄武岩。

该井2 560～2 576 m井段，岩屑呈绿灰色，成分由隐晶-细晶级的火山碎屑为主,部分陆源碎屑，陆源碎屑中含粉砂；钻压平均值4.50 t，扭矩平均值3.01 kN·m，钻时平均值1.74 min/m，dc指数平均值0.69，自然伽马值68.2～79.8 API，电阻率值0.3～3.4 Ω·m，声波时差值98～123 μs/ft，中子孔隙度值27%～46%，密度值2.25～2.44 g/cm3。其综合响应特征与火山沉积相沉凝灰岩一致，初步判断为沉凝灰岩。

依据录测响应特征所得出的岩性初步识别结果，利用岩性综合识别图板进行检验和校正，由于渤中XX 6井三段岩性分属不同结构的火成岩，选取对其结构有较好响应特征的中子与声波时差识别图板进行识别(图5)。

经测井数据交会后，图板识别特征与岩性初步判断结果一致，证明三段岩性识别正确。

5.2 渤中XX 8井

由图8可以看出，渤中XX 8井2 786～2 796 m井段，岩屑呈深灰色，成分以辉石为主，少量黑云母，隐晶质结构，构造为杏仁状；坚硬,致密；钻压平均值6.56 t，扭矩平均值6.95 kN ·m，钻时平均值4.96 min/m，dc指数平均值0.82，自然伽马值42～67 API，电阻率值6.2～40.2 Ω·m，声波时差值50～57.8 μs/ft，中子孔隙度值15%～24%，密度值2.58～2.70 g/cm3。综合录测响应特征，该段岩性可初步判断为溢流相玄武岩。

该井2 807～2 831 m井段，岩屑呈灰色,成分以斜长石为主,少量辉石、角闪石，基质主要为斜长石；坚硬,致密；钻压平均值6.43 t，扭矩平均值5.80 kN·m，钻时平均值4.96 min/m，dc指数平均值0.87，自然伽马值105～145 API，电阻率值10.6～33.6 Ω·m，声波时差值59～62 μs/ft，中子孔隙度值17%～25%，密度值2.35～2.54 g/cm3。根据录测识别特征，可初步判断该段岩性为溢流相安山岩。

基于初步判断的岩性结果，利用岩性综合识别图板进行检验校正，因渤中XX 8井两段岩性为同结构不同成分的火成岩，所以可选取对火成岩成分响应明显的自然伽马与密度识别图板进行识别。经交会分析后，图板识别特征(图6)与初步识别的岩性结果相吻合。

图7 渤中XX 6井录测综合解释图

图8 渤中XX 8井录测综合解释图

6 结 论

(1)根据已钻井资料，将渤中X油田钻遇的火成岩进行了系统性分类，根据岩相将火成岩分为溢流相、爆发相、火山沉积相三类，根据岩石类型将火成岩分为火山熔岩、火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩三类，最后根据成分将火成岩分为基性、中基性、中性三类。

(2)通过对X油田已钻火成岩录井特征、测井特征总结分析得出，X油田钻遇火成岩时都具有钻压大、扭矩大、钻时高等工程参数响应特征，其中溢流相火成岩工程参数值较爆发相、火山沉积相高，可钻性差，并且发现声波时差、中子孔隙度、自然伽马、密度测井曲线是对X油田火成岩响应较出色的四种曲线，其特点是火成岩成分由基性到中基性再到中性，自然伽马值逐渐增大，密度测井值逐渐降低；凝灰质结构和沉凝灰质结构的岩性具有中-高中子、高声波时差的特征。

(3)通过优选渤中X油田的测井数据，建立了适合该区使用的岩性综合识别图板。利用中子孔隙度与声波时差岩性识别图板可将不同结构的火山熔岩、火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩进行区分，利用自然伽马与密度岩性识别图板则可将相同结构不同成分的火山熔岩进行区分。