基于常规测井的火成岩岩性识别方法——以准噶尔盆地西北缘红车断裂带石炭系火成岩储层为例

冯梓岩， 殷 文， 钟云滔， 于 杰， 赵 磊， 冯 程

(1. 中国石油大学(北京) 地球物理学院，北京 昌平 102200; 2. 中国石油大学(北京)克拉玛依校区 石油学院，新疆 克拉玛依 834000; 3. 中国石油新疆油田公司 实验检测研究院，新疆 克拉玛依 834000 )

0 引言

近年来，火成岩储层成为油气勘探与开发的研究热点[1-4]。准噶尔盆地西北缘是中国最早进行火成岩储层研究和开发的地区[2-5]，不仅发现具有较大开发潜力的工业性火成岩油气藏，而且揭示关于火成岩储层的研究方法和模式。火成岩储层的岩性识别制约后续测井评价[1,4]，火成岩储层岩性岩相的展布规律复杂[4,6-7]，快速、准确识别岩性是火成岩储层研究的一个关键问题[1,8-9]。

岩石薄片和钻井取心是识别岩性最直观的资料[10-13]，受成本影响，这种方式无法得到井下连续性的岩性资料[11-13]。测井资料中包含岩性信息，且具有连续性的优点，是目前最常用的岩性识别资料[1,9,11]。基于常规测井资料的火成岩识别方法主要包括智能算法、常规交会图法和多参数分布交会法。智能算法(神经网络、决策树、主成分分析和支持向量机等)是目前使用较多的方法[8,14-18]，优点是可以综合运用多种岩性敏感参数提高识别效果，且识别效率高；缺点是建立的模型属于黑箱模型(识别界限不清晰)，且有些模型参数的岩石物理意义不强。常规交会图法是基于不同火成岩的常规测井响应差异，选取对岩性敏感的测井参数进行交会[18-23]，优点是简单、方便现场快速识别；缺点是利用测井信息较少、识别精度低，且具有较强的区域性，在其他工区难以得到较好应用。多参数分布交会法克服常规交会图法的缺点，不仅可以利用不同的测井参数组合对岩性进行识别，还可以排除其他岩性的干扰，从而提高岩性的识别精度[24-25]。

红车断裂带石炭系火成岩储层岩石类型多样，岩性识别困难。综合利用岩石薄片、钻井取心、岩屑录井等资料，对研究区火成岩岩石类型进行统计，在优选7种优势岩性(玄武岩、安山岩、火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质细砂岩和沉凝灰岩)的基础上，对岩性测井响应特征识别标准进行归纳；建立一套多测井参数分步交会识别火成岩岩性的图版，在红车断裂带石炭系火成岩储层岩性识别中，取得较好的识别效果，为后续的测井评价和储层预测提供指导。

1 区域地质概况

红车断裂带南北全长近70 km，呈近南北走向，西北地势高，东南地势低[26]。红车断裂带与克百断裂带、乌夏断裂带构成准噶尔盆地西北缘的前陆冲断带[26-27、23]，整体位于准噶尔盆地西部隆起和中央坳陷的交接位置[28]。由于构造位置具有特殊性，红车断裂带经历海西、印支和燕山等多期构造运动[26,29-31]，形成一个受多个近南北向大型逆冲断裂控制的东—西断阶状断裂带，石炭系至三叠系地层逐渐向上进行叠瓦式超覆，并且石炭系地层的顶部与上覆地层为不整合接触[26](见图1)。

图1 红车断裂带构造位置Fig.1 The structure location of Hongche Fault Belt

红车断裂带的火山喷发作用主要是在早二叠世佳木禾组沉积期间进行的，大断裂附近的火山喷发以线式为主，属于先断后喷；小断裂附近的火山喷发以点式为主，在喷发过程中出现伴生的小断裂[32]。发育的裂缝类型多样，构造缝主要发育低角度缝，裂缝成因和岩性与构造位置有关[33]。红车断裂带火成岩油气藏主要地层是石炭系及二叠系佳木河组，火成岩的岩性岩相、断裂和不整合面是油气藏形成的主控因素[26,34-35]。

火成岩储层岩性为中基性，喷发环境呈现海陆交互特征[36-40]。红车断裂带石炭系火成岩储层岩石类型基本上是以中基性为主，有火山熔岩(玄武岩、安山岩)、火山碎屑岩(火山角砾岩、凝灰岩)、火山碎屑沉积岩(凝灰质砂砾岩、凝灰岩砂岩等)、沉火山碎屑岩(沉凝灰岩)、过渡岩性(玄武安山岩、角砾熔岩、凝灰质角砾岩等)及少量沉积岩[22,28-31,36]。岩性对火成岩储层有利圈闭的分布具有指向性，明确火成岩的岩性岩相展布规律，对圈闭预测和勘探部署具有重要意义。

2 火成岩岩石类型

基于红车断裂带石炭系火成岩储层岩石类型的研究成果[26,32-36,40]，结合研究区录井结果、钻井取心分析和岩石薄片鉴定等岩性分析资料，对研究区火成岩储层发育的岩石类型、岩性进行整理、分类和统计。

2.1 岩屑录井结果统计

岩屑录井统计结果(见图2(a))显示，研究区的主要岩性为安山岩(质量分数为17%)、凝灰岩(质量分数为31%)、凝灰质砂砾岩和凝灰质细砂岩类(质量分数为29%)、沉凝灰岩(质量分数为8%)，以及火山角砾岩(质量分数为6%)。

图2 研究区岩性分析资料统计Fig.2 Lithology analysis information statistics in the study area

2.2 钻井取心结果统计

钻井取心统计结果(见图2(b))显示，研究区的主要岩性为火山熔岩类(质量分数为35%)、火山碎屑岩类(质量分数为30%)和火山碎屑沉积岩类(质量分数为28%)。火山熔岩类包括安山岩(质量分数为19%)和玄武岩(质量分数为16%)；火山碎屑岩类以凝灰岩为主(质量分数为22%)，其次为火山角砾岩(质量分数为8%)；火山碎屑沉积岩类中，凝灰质细砂岩(质量分数为18%)比例略高于凝灰质砂砾岩的(质量分数为10%)。

2.3 岩石薄片结果统计

岩石薄片统计结果(见图2(c))显示，研究区的主要岩性为火山熔岩类(质量分数为40%)和火山碎屑岩类(质量分数为39%)，其次为以凝灰质细砂岩为主的火山碎屑沉积岩类(质量分数为6%)，最少的是以沉凝灰岩为主的沉火山碎屑岩(质量分数为3%)。火山熔岩类以玄武岩为主(质量分数为30%)，还包括安山岩(质量分数为7%)和过渡的玄武安山岩(质量分数为3%)；火山碎屑岩类以火山角砾岩为主(质量分数为28%)，其次为凝灰岩(质量分数为11%)。

综合岩屑录井、钻井取心、岩石薄片等分析资料及岩石类型统计结果，由红车断裂带石炭系火成岩储层的岩石类型中提取玄武岩、安山岩、火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质细砂岩和沉凝灰岩7种优势岩性，作为岩性识别的研究对象。

3 测井响应特征

不同类型火成岩的常规测井曲线存在差异，常规测井曲线是岩石的化学成分、孔隙结构及所含流体性质的综合表征信息，常规测井岩性响应特征变化与火山岩的矿物共生组合关系、化学成分及含量变化有关[41-45]。可以基于不同岩性反映的常规测井曲线响应特征差异，建立火成岩岩性响应敏感参数，定性识别火成岩岩性。

对研究区钻井取心分析资料、岩石薄片资料进行优选，选取26口井、400多个火成岩岩性数据，提取相应的常规测井响应，并进行常规测井响应特征分析。对优选的7种优势岩性火成岩数据点进行常规测井响应特征分析和总结，明确各种测井响应参数在不同类型火成岩中的变化规律，建立火成岩的标准识别模式，作为研究区火成岩岩石类型的识别参考和依据。

3.1 玄武岩

玄武岩的常规测井响应表现为“三低两高”特征(见图3)。“三低”是指玄武岩的自然伽马(GR)低(低于30 API)、声波时差(AC)低(低于80 μs/ft)、中子孔隙度(CNL)低到中等(不超过35%)；“两高”是指玄武岩的密度(DEN)高(高于2.52 g/cm3)和电阻率(RT)高(50～500 Ω·m)。玄武岩作为研究区的基性火山熔岩，其U、Th、K元素质量分数比其他岩性的低，导致自然伽马测井值低；玄武岩的铁镁矿物质量分数比研究区其他岩性的高，密度相对较高。在电成像测井图上，呈高阻亮块状，具有气孔—杏仁构造，直劈缝发育。

图3 研究区玄武岩测井响应特征(C20x井,2 714.0～2 718.0 m)Fig.3 Logging response characteristics of basalt in the study area (well C20x, 2 714.0-2 718.0 m)

3.2 安山岩

安山岩的常规测井响应表现为“两低一中两高”特征(见图4)。“两低”是指安山岩的中子孔隙度为低到中等(低于35%)、声波时差低(低于85 μs/ft)；“一中”是指自然伽马表现为低到中等(低于35 API)，略高于玄武岩的；“两高”是指安山岩密度高(高于2.43 g/cm3)和电阻率高(50～500 Ω·m)。安山岩作为研究区的中性火山熔岩，其Th、U、K元素的质量分数略高于基性岩的，自然伽马测井值略高于玄武岩的；安山岩的铁镁矿物质量分数低于玄武岩的，密度略低于玄武岩的，密度测井值较高，中子孔隙度、声波时差表现与密度测井相反的特征。在电成像测井图上，表现为亮色高阻块状的熔岩结构，充填缝发育。

3.3 火山角砾岩

火山角砾岩的常规测井响应表现为“两低两中一高”特征(见图5)。“两低”是指火山角砾岩的密度为低到中等(2.29～2.61 g/cm3)、自然伽马表现为低到中等(低于40 API)；“两中”是指声波时差表现为中等(64～99 μs/ft)、电阻率表现为中等(5～150 Ω·m)；“一高”是指火山角砾岩的中子孔隙度表现为中等到高(25%～45%)。自然伽马测井对岩石结构也有一定的反映，准噶尔盆地不同地区的熔岩样品和角砾岩样品放射性元素[1]测定结果表明，同质的火山角砾岩比火山熔岩的放射性强度低，由于研究区所含角砾成分以中基性岩屑为主，导致自然伽马变化幅度较大；对于同质的火山熔岩，火山角砾岩的结构使得物性变好，密度测井值相对较低，中子孔隙度、声波时差表现与密度测井相反的特征。在电成像测井图上，具有明显的亮色火山角砾，轮廓十分明显，角砾多呈次磨圆—次棱角状。

图4 研究区安山岩测井响应特征(C20x井,2 624.0～2627.5 m)Fig.4 Logging response characteristics of andesite in the study area (well C20x, 2 624.0-2 627.5 m)

图5 研究区火山角砾岩测井响应特征(C20x井,1 979.0～1 982.0 m)Fig.5 Logging response characteristics of volcanic breccia in the study area (well C20x, 1 979.0-1 982.0 m)

3.4 凝灰岩

凝灰岩的常规测井响应表现为“两低三高”特征(见图6)。“两低”是指凝灰岩的密度较低(低于2.52 g/cm3)、电阻率较低(低于40 Ω·m)；“三高”是指自然伽马高(高于40 API)、声波时差(高于70 μs/ft)和中子孔隙度(高于30%)较高。凝灰岩中富含凝灰质，对放射性元素吸收能力较强，自然伽马表现为高值。在电成像测井图上，具有凝灰结构，表现为暗色过渡，边界模糊且具浅色的低阻特征。

3.5 凝灰质砂砾岩

凝灰质砂砾岩的常规测井响应表现为“两低两中一高”特征(见图7)。“两低”是指凝灰质砂砾岩的电阻率较低(低于20 Ω·m)、密度偏低(2.30～2.55 g/cm3)；“两中”是指凝灰质砂砾岩的自然伽马(33～60 API)、声波时差(60～90 μs/ft)测井表现为中等；“一高”是指凝灰质砂砾岩的中子孔隙度较高(高于25%)。研究区凝灰质砂砾岩的砾石成分以安山岩屑为主，胶结物成分以凝灰质为主，自然伽马表现为中到高值。在电成像测井图上，可在凝灰结构中见到明显的亮色高阻砾石。

3.6 凝灰质细砂岩

凝灰质细砂岩的常规测井响应表现为“三低一中一高”(见图8)。“三低”是指凝灰质细砂岩的中子孔隙度(低于25%)、声波时差(低于75 μs/ft)和电阻率低(低于50 Ω·m)；“一中”是指密度测井表现为中等(2.40～2.60 g/cm3)；“一高”是指凝灰质细砂岩的自然伽马较高(高于50 API)。在电成像测井图上，具有明显的层理结构，呈亮暗条带交互状。

图6 研究区凝灰岩测井响应特征(C48x井,2 342.5～2 345.1 m)Fig.6 Logging response characteristics of tuff in the study area (well C48x,2 342.5-2 345.1 m)

图7 研究区凝灰质砂砾岩测井响应特征(C20x井,1 944.0～1 947.0 m)Fig.7 Logging response characteristics of tuffaceous glutenite in the study area (well C20x, 1 944.0-1 947.0 m)

图8 研究区凝灰质细砂岩测井响应特征(C20x井,2 241.0～2 245.0 m)Fig.8 Logging response characteristics of tuffaceous sandstone in the study area (well C20x, 2 241.0-2 245.0 m)

3.7 沉凝灰岩

沉凝灰岩的常规测井响应表现为两低一中两高”特征(见图9)。“两低”是指沉凝灰岩的电阻率低(低于10 Ω·m)、密度偏低(2.30～2.56 g/cm3)；“一中”是指沉凝灰岩的自然伽马表现为中等到高(40～65 API)；“两高”是指沉凝灰岩的中子孔隙度高(15%～40%)、声波时差高(高于80 μs/ft)。在电成像测井图上，具有明显的层理构造和凝灰结构。

根据7种优势岩性的常规测井响应特征分析，结合岩石薄片、钻井取心、测井曲线等资料，对优选的岩性数据点进行常规测井响应统计，结果见表1。由表1可知，各类火成岩岩性在岩心与薄片资料的常规测井响应特征上与标准识别模式略有差异，总体规律符合各类岩性的标准识别模式。

图9 研究区沉凝灰岩测井响应特征(C47x井,2 479.0～2 481.0 m)Fig.9 Logging response characteristics of tuffite in the study area (well C48x,2 479.0-2 481.0 m)

表1 红车断裂带主要火成岩类型常规测井响应统计(薄片和取心资料)

4 多参数分步交会法

火成岩岩性识别方法是以常规交会图法为主[26,38]，但研究区发育的火成岩类型比较复杂，常规交会图法只能利用较少的测井参数，应用效果较差。考虑火成岩类型复杂，拟采用多参数组合分步交会图版法识别火成岩的类型，一方面可以利用更多的测井信息，另一方面可以较好地排除其他岩性干扰，从而提高识别精度。多参数分步交会法是指在某一岩性识别图版上，当存在两种或两种以上的岩性数据重叠而难以区分时，在原图版的基础上单独将岩性数据点重叠区域划分出来，提取或构建其他类型的参数对多种岩性进行分步划分，直至每类岩性可以单独识别为止。

首先，利用GR和DEN交会图(见图10) 将7种优势岩性整体上划分为两部分(以图10的黑色虚线为界)：一部分为富含凝灰质的岩性组合(见图10B区，包括凝灰岩、凝灰质细砂岩、凝灰质砂砾岩和沉凝灰岩)；另一部分以玄武岩、安山岩和火山角砾岩为主(见图10A区)。

然后，在图10(B)区域中，凝灰岩整体的密度明显比其他3类岩性的低，主要分布在图版的下部，其他3类岩性可以根据GR和DEN的变化规律进行区分：在自然伽马上，凝灰质砂砾岩<沉凝灰岩<凝灰质细砂岩；在密度上，凝灰质砂砾岩<沉凝灰岩≈凝灰质细砂岩。常规测井响应特征发生变化主要是受到岩石矿物成分的影响[42-45]：准噶尔盆地西北缘的凝灰质砂砾岩的砾石成分以安山质为主[26,41]，凝灰质砂砾岩的自然伽马偏低；沉凝灰岩的薄片鉴定显示火山碎屑物以安山质为主，同时还存在绿泥石化和方解石化的现象，导致沉凝灰岩的自然伽马偏向中性；凝灰质细砂岩以较细粒的凝灰质粉—细砂岩为主，主要成分为以凝灰质为主的岩屑，自然伽马偏高。

图10 研究区岩性识别总图版(GR—DEN)Fig.10 General chart of lithology identification in the study area (GR-DEN)

图11 研究区CNL—DEN交会Fig.11 CNL-DEN cross plot in the study area

在图10A区域中，数据以玄武岩、安山岩和火山角砾岩为主，但不同岩性间的数据存在明显重叠，还需要利用其他测井参数分步进行交会识别。

第一步，利用CNL和DEN图版进行火山角砾岩识别和分离(见图11)。

第二步，为突出岩性特征，利用AC和CNL构建参数P。在中子孔隙度和声波时差交会图上，如果将单矿物骨架点和水点引一直线，则各孔隙度下的结果将根据矿物体积模型而落在一条直线上，将直线的斜率定义为P(量纲为一)，即

式中：φNf、Δtf分别为流体的中子孔隙度、声波时差，分别取为100%和189 μs/ft；φN、Δt分别为岩石薄片和岩心数据对应的中子孔隙度、声波时差测井值；φNma、Δtma分别为岩石骨架的中子孔隙度、声波时差测井值。P不仅将声波时差和中子孔隙度相结合，还可以消除基质孔隙对岩性识别的影响。结合P和GR进行交会，识别玄武岩和安山岩(见图12)。

图12 研究区GR-P交会图Fig.12 GR—P cross plot in the study area

与一般的交会图法相比，多参数分步交会法优点在于对常规测井曲线的利用率高，比较适用于特殊测井资料缺少的情况。当多种岩性数据重叠时，可以对每一类岩性实现多种测井参数的交会分析，充分结合各种岩性的标准识别模式进行划分，从而提高岩性识别的准确率。岩性识别流程见图13。由图13可看出，基于GR、DEN、AC、CNL和P等多参数组合交会建立的火成岩优势岩性识别方法,可以进一步与电成像测井图像资料相结合，在考虑成分和结构两个方面对岩性进行综合识别。

图13 研究区主要火成岩岩性识别流程Fig.13 Lithologic identification process of dominant igneous rocks in the study area

5 识别效果验证

为了验证多参数分步交会岩性识别图版在研究区的识别效果，选取具有不同岩性的实际井段进行火成岩岩性识别(见图14-16)[46]。在图14-16的测井解释成果图中，第1道为深度道，第2道为岩性测井曲线(井径、自然电位和自然伽马)，第3道为孔隙度测井曲线(密度、中子孔隙度和声波时差)，第4道为电阻率测井曲线(深、中、浅电阻率)，第5道为未参与图版建立过程的岩石薄片结论，第6道为利用多参数分步交会岩性识别图版的解释成果，第7道为利用文献[46]方法的解释成果。井段内第5道岩石薄片结论与第6道、第7道解释成果对比表明，二者岩性识别的成果基本符合研究区不同岩性的测井响应变化规律，多参数分步交会法可以反映更细致的岩性变化，对研究区具有较好的适用性。

CF06x井的2 285.00～2 334.00 m井段(见图14)，主要岩性为玄武岩，次要岩性为火山角砾岩。第5道与第6道的解释成果基本符合，第6道的2 311.50 m表现为玄武岩和火山角砾岩的互层，反映玄武岩的碎裂化，与碎裂化玄武岩薄片鉴定结论相符合；第7道虽然将整段识别为安山玄武岩，没有对火山角砾岩进行识别，但可以反映井段的主要岩性。

C21x井1 203.00～1 226.00 m井段(见图15)，整体以凝灰岩为主，井段下半段凝灰质细粒岩屑砂岩含量增加。第5道与第6道、第7道的解释成果基本符合，凝灰岩和凝灰质细砂岩识别的标准为凝灰岩密度略低于凝灰质细粒岩屑砂岩的(DEN<2.43 g/cm3)。

C21x井1 139.00～1 148.00 m井段(见图16)，主要识别的岩性为安山岩、安山质火山角砾岩和岩屑凝灰岩，井段整体以安山质火山角砾岩为主，大多与安山岩呈互层出现。第5道与第6道岩性解释成果基本符合，第7道的解释成果只能反映井段的主要岩性为火山角砾岩。

图14 研究区CF06x井岩性测井解释成果(2 285.00～2 334.00 m)Fig.14 Lithologic log interpretation of well CF06x in the study area(2 285.00-2 334.00 m)

图15 研究区C21x井岩性测井解释成果(1 203.00～1 226.00 m)Fig.15 Lithologic log interpretation of well C21x in the study area(1 203.00-1 226.00 m)

图16 研究区C21x井岩性测井解释成果(1 139.00～1 148.00 m)Fig.16 Lithologic log interpretation of well C21x in the study area (1 139.00-1 148.00 m)

6 优势岩性平面分布

图17 红车断裂带优势岩性平面分布Fig.17 The dominant lithologic plane distribution of the Hongche Fault Belt

利用基于多参数分步交会图版对研究区的37口井进行岩性识别，统计7种优势岩性在每口井中位于石炭系储层的比例，根据平面上连井间的岩性比例变化对火成岩优势岩性分布范围进行清绘。结合电成像测井资料，得到红车断裂带优势岩性平面分布图(见图17)。由于凝灰质砂(砾)岩和凝灰质细砂岩属于火山沉积岩，且分布较为分散，在绘图过程中将二者合并处理。

由图17可知，根据中央主断层附近岩性比例的变化，将岩性分布整体划分为两个区域：东部的凝灰岩和凝灰质砂(砾)岩连续分布，且二者主要分布于红车断裂带的北部；火山角砾岩和火山熔岩(玄武岩、安山岩)主要分布于主断层的西部。火山角砾岩整体呈南北走向的不连续片状分布，其间被玄武岩和安山岩等火山熔岩充填，玄武岩相对安山岩在红车断裂带的南部更加发育。

7 结论

(1)准噶尔盆地红车断裂带石炭系火成岩储层发育7种主要火成岩类型：玄武岩、安山岩、火山角砾岩、凝灰岩、凝灰质砂砾岩、凝灰质细砂岩及沉凝灰岩。基于GR、DEN、CNL和AC常规测井资料建立多参数分步交会图版： GR-DEN总图版将岩性整体划分为分别以凝灰质(凝灰质砂砾岩、凝灰质细砂岩、沉凝灰岩和凝灰岩)为主和以火山熔岩(玄武岩、安山岩)、火山角砾岩为主的两个部分；CNL-DEN交会图从玄武岩、安山岩和火山角砾岩中有效判别火山角砾岩；GR-构造参数P交会图能够较好地区分玄武岩和安山岩。

(2)红车断裂带北部和主断层东部以凝灰岩、凝灰质细砂岩和凝灰质砂砾岩为主；主断层西部主要发育火山角砾岩和火山熔岩，火山角砾岩呈南北走向不连续分布，其间被溢流的火山熔岩(玄武岩、安山岩)覆盖。优势岩性平面分布为进一步寻找优势目标储集区提供参考。