巴彦河套盆地变质岩储层测井综合评价方法

张锐锋 李拥军 黄显华 周明顺王小明 郭立群 王 标 毛 瑜

（1. 中国石油华北油田分公司， 河北任丘 062552； 2. 中国石油华北油田分公司巴彦勘探开发分公司， 河北任丘 062552；3. 中国石油华北油田分公司勘探开发研究院， 河北任丘 062552）

0 引 言

巴彦河套盆地太古界变质岩的油气显示比较活跃， 展示了较好的勘探潜力， 成为油气勘探开发的重点［1-2］。 变质岩储层在矿物组分、 岩石结构、 地质构造、 流体储集空间类型等很多方面与沉积岩储层差异很大［3］， 因此很多沉积岩储层测井解释评价的成功经验不适用于变质岩储层。 由于基岩潜山油藏岩性复杂， 且遭受长期风化和后期构造运动的强烈改造， 在变质岩成岩和储层形成过程中储集空间变得复杂， 储层非均质性强。 变质岩储层常需要经过改造才有产能，酸化、压裂和试油等工程施工手段也会对储层及流体性质识别造成较大的影响［4］。前人对变质岩储层评价做过一些卓有成效的工作，例如对辽河凹陷和海拉尔盆地变质岩储层的岩性和裂缝识别进行了研究［5-10］。 但由于上述区域的变质岩和巴彦河套盆地的变质岩在源岩、变质程度及组成矿物方面存在差异，加之巴彦河套盆地暂时还没有地层元素测井等资料，其裂缝和溶蚀孔洞的发育程度也不如上述地区的变质岩强，所以前人研究成果并不适用于该地区。 因此，有必要研究适合巴彦河套盆地的变质岩测井综合解释评价方法。

以巴彦河套盆地变质岩岩心、 测井、 录井资料为基础， 以岩心标定测井方法为手段， 分析测井响应特征， 优选岩性敏感参数， 准确识别变质岩岩性。 应用微电阻率成像、 阵列声波、 常规测井等测井资料判别裂缝孔洞发育情况， 确定储集空间有效性， 进而综合录井全烃值和有效储集空间确定变质岩储层的有效性。 该研究建立了巴彦河套盆地不同岩性变质岩测井解释评价标准， 为该地区变质岩储层评价奠定基础， 并为下一步油田开发定储建产提供可靠依据。

1 地质背景

巴彦河套盆地是中—新生代坳陷—断陷盆地，东西长、 南北窄， 平面上呈狭长弧形分布于阴山褶皱带与鄂尔多斯盆地之间， 纵向上北深南浅， 呈不对称箕状， 地层厚度为3 000 ～6 000 m， 北部深凹陷区最大厚度达14 000 m。 盆地从西向东划分为临河坳陷、 乌拉山隆起、 乌前坳陷、 包头隆起和呼和坳陷5 个一级构造单元。 盆地基底为太古界—下元古界乌拉山群变质岩系， 自下而上沉积下白垩统的固阳组、 上白垩统的毕克齐组、 古近系始新统的乌拉特组、 渐新统的临河组、 新近系中新统的五原组、 新近系上新统的乌兰图克组和第四系的河套群。 其中下白垩统的固阳组和渐新统的临河组发育湖相烃源岩， 是主要的生油层， 五原组的浅湖相泥岩为区域性盖层， 具有自生自储、 下生上储和新生古储等多种成藏组合［11］。 临河坳陷完钻探井在古近系、 白垩系、 太古界见到较好油气显示。 太古界均钻遇岩性主要为花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩和云英岩， 储集空间中构造裂缝较发育， 裂缝发育程度不均， 宽窄不一，大多为斜缝，少数为直立缝，局部见溶蚀晶洞和破碎粒间孔隙，有利于原油储存。

2 变质岩岩性识别

众所周知， 岩性识别是测井解释评价的基础。岩性识别的准确与否， 直接影响到测井解释评价的符合率。 钻井取心资料分析表明， 巴彦河套盆地太古界变质岩主要包括片麻岩和云英岩。 根据变质程度， 把片麻岩分为黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩3 个亚类。 由于巴彦河套盆地变质岩岩性复杂， 测井响应实际上是岩石矿物组分、 结构、 含油气性、 岩石所含流体等因素的综合反映， 所以研究区变质岩测井响应比较复杂， 增大了岩性识别的难度。

2.1 变质岩测井响应特征

巴彦河套盆地变质岩岩性与辽河油田混合花岗岩类、 混合片麻岩类、 浅粒岩类、 片麻岩类存在一定的相似性， 但由于岩石的变质程度不同， 而且黑云母、 角闪石等暗色矿物含量也不同， 因此在测井曲线上显示出不同的特点。

黑云花岗片麻岩的测井响应特征是补偿中子孔隙度、 体积密度值较低， 其测井曲线有明显的正向包络面积， 自然伽马为中—高值（图1 （a） ）。

图1 4种变质岩的测井响应特征Fig.1 Logging response characteristics of four kinds of metamorphic rock

角闪斜长片麻岩的测井响应特征是补偿中子孔隙度、 体积密度值较高， 其测井曲线基本重合， 自然伽马为中—低值（图1 （b） ）。

角闪黑云斜长片麻岩测井响应特征是补偿中子孔隙度、 体积密度值增大， 其测井曲线有反向包络面积， 自然伽马为低值（图1 （c） ）。

云英岩测井响应特征是自然伽马为高值， 补偿中子孔隙度、 体积密度值为低值， 且测井曲线有明显的正向包络面积（图1 （d） ）。

黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩、 云英岩4 种变质岩的测井曲线响应特征存在差异的根本原因， 在于不同岩性中矿物组分的变化以及不同岩性中含有的矿物成分比例不同。4 种变质岩包含的主要矿物有黑云母、 角闪石、 石英、 斜长石、 碱性长石等， 不同矿物的自然伽马、声波时差、 补偿中子孔隙度、 体积密度值存在较大差异［12］（表1）， 宏观上表现为这4 种变质岩在测井曲线上具有不同的特点。 黑云母、 角闪石这些暗色矿物的测井响应特征是体积密度值较高、 补偿中子孔隙度值较高。 由于碱性长石和黑云母含有高放射性元素（如K40）， 自然伽马值较高。 斜长石、角闪石由于不含高放射性元素， 自然伽马值较低。石英属于浅色矿物， 体积密度、 补偿中子孔隙度值都比较低。 斜长石类的矿物由于不含结构水或结晶水， 补偿中子孔隙度值较低。 以上这些差异性， 为利用自然伽马、 体积密度、 补偿中子孔隙度识别变质岩岩性奠定了基础。 例如角闪黑云斜长片麻岩，与辽河油田混合片麻岩类相比， 黑云母含量有所增加， 体积密度、 补偿中子孔隙度值增大， 测井曲线基本呈平直状。

表1 变质岩主要造岩矿物测井响应特征Table 1 Logging response characteristics of the main rock-forming minerals in the metamorphic rock

2.2 变质岩岩性识别

从黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩、 云英岩在常规测井曲线上的响应特征可以看出， 由于研究区变质岩岩性类型、 不同岩性的测井响应特征比较复杂， 单独使用任何1 条测井曲线都不能识别岩性。 测井判别技术被广泛用于岩性识别， 利用自然伽马、 声波时差、 体积密度、补偿中子孔隙度中的2 条曲线交会识别岩性， 各有不同的优势， 但只用1 种交会图可能造成多解性。鉴于不同测井曲线对不同岩性的敏感性有差异［13］，可利用多条测井曲线进行综合分析来识别岩性， 即把2 种以上交会图配合使用。 根据取心段的测井响应特征， 利用补偿中子孔隙度与体积密度交会制作了补偿中子孔隙度—体积密度交会图 （图2（a） ）， 利用自然伽马与体积密度交会制作了自然伽马—体积密度交会图（图2（b））。 根据这2 个交会图， 同时结合图1、 表1 以及录井资料， 可以有效地识别出黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩、 云英岩。

2.3 验证实例

J2 井555 ～560 m 井段的体积密度为2.39 ～2.47 g／cm3， 补偿中子孔隙度为1.5%～5.6%， 声波时差为193 ～218 μs／m， 自然伽马为135 ～170 API。 根据测井响应特征， 判定为云英岩； 根据识别变质岩岩性测井曲线交会， 数据点落在浅黄色点区域， 为云英岩。 取心证实， 该段岩性为云英岩。

J4 井1 210～1 215 m 井段的体积密度为2.7 ～2.8 g／cm3，补偿中子孔隙度为15%～17%， 声波时差为151～163 μs／m， 自然伽马为20 ～27 API。 根据测井响应特征， 判定为角闪黑云斜长片麻岩； 根据识别变质岩岩性测井曲线交会， 在补偿中子孔隙度—体积密度交会图上， 这种岩性的数据点落在橙色点区域， 自然伽马—体积密度交会图上， 这种岩性的数据点同样落在橙色点区域， 为角闪黑云斜长片麻岩。 取心证实， 该井段的岩性为角闪黑云斜长片麻岩。

以上2 口井实例说明， 运用自然伽马、 声波时差、 补偿中子孔隙度、 体积密度数值特征以及补偿中子孔隙度—体积密度交会图、 自然伽马—体积密度交会图识别变质岩的岩性， 是可行的（图3）。

图3 岩性识别方法的检验实例Fig.3 Tested examples of the lithology identification method

3 变质岩储集空间类型

从变质岩的形成机理可知， 变质岩储层通常具有低孔、 低渗的特点， 基质孔隙度一般不大于4%、 渗透率一般不大于1×10-3μm2， 如果没有裂缝， 储层不易形成产能， 故变质岩储层的储集空间一般以裂缝为主［14］。 巴彦河套盆地变质岩油藏的勘探开发实践也表明， 古潜山片麻岩储层以裂缝型储层为主， 裂缝含油明显， 部分裂缝原油外渗明显。 裂缝的类型比较复杂， 以高角度斜缝为主。 构造作用是形成片麻岩储层储集空间的主要因素。 裂缝不但使流体得以渗流， 同时也是存储流体的空间。 研究区变质岩储层储集空间虽然以裂缝为主，但局部也存在少量孔隙、 孔洞， 其中部分孔隙、 孔洞被方解石半充填。 一般采用微电阻率扫描成像资料和常规测井资料相结合的办法识别缝洞。

3.1 利用成像资料识别裂缝孔洞

由于变质岩储集空间具有裂缝—孔洞双重介质的特点， 且有较强的非均质性， 所以不易进行定量描述。 可以通过微电阻率扫描成像测井资料比较清晰、 直观地反映井筒周围裂缝的形态、 方位和孔洞情况［15-16］。 利用微电阻率扫描成像测井识别， 巴彦河套盆地变质岩储集空间类型主要为高导缝、 充填缝、 溶孔等（图4）。

高导缝是一种张开缝， 在电成像图上为暗色显示， 表现为具有裂缝特征的暗色细条带 （图4（a） ）。 充填缝的特征则与充填物和充填程度有很大关系， 裂缝如被方解石、 石英、 钙质等矿物充填， 在电成像图上表现为亮色（浅色） 低电导特征（图4 （b） ）。 裂缝如被泥质充填， 表现为泥质条带特征， 可以结合自然伽马曲线加以识别。 裂缝被充填后， 无论充填的是矿物还是泥质， 其深侧向电阻率都比高导缝高， 在成像图上的颜色比高导缝浅， 与背景色的差异也较小。 溶孔的成像特征是高电导率异常的边缘呈现浸润状且比较圆滑， 这是由于溶孔与其四周地层的电导率是渐变的， 溶孔是圆的， 故没有方向性， 且溶孔的大小也不一致。

图4 高导缝、充填缝、应力释放缝成像照片Fig.4 Photos of the high -conductivity ，filled and stress released fractures

识别裂缝的另一个关键问题是区分有效缝（天然裂缝） 和无效缝（非天然裂缝）。 天然裂缝的产生常常源于构造运动， 且经过长期的诸如地下水溶蚀沉淀作用、 褶皱等因素的改造， 天然裂缝的裂缝面一般都不太规则、 裂缝宽度的变化也比较大。 上述张开缝、 充填缝都是天然裂缝。 非天然裂缝是由人工诱导产生的， 也称人工裂缝， 诱导产生的裂缝排列都比较整齐、 规律性强、 裂缝面的形状比较规则、 裂缝的宽度也大致相同。 研究区容易和天然裂缝混淆的非天然裂缝是应力释放缝， 当致密地层未钻开时， 存在着巨大的地应力， 地应力在地层钻开后得到释放， 形成了一组基本呈180°的平行裂缝（图4 （c） ）。

3.2 利用常规测井资料识别裂缝

仅使用微电阻率扫描成像测井资料识别裂缝是不够的， 同时也需要参考常规测井资料， 进行裂缝的综合识别。 电阻率曲线是识别裂缝发育的最重要的常规测井曲线， 因为非储层的岩性致密， 所以电阻率很高。 在裂缝或孔洞发育的储层段， 油水或其他介质进入裂缝， 深、 浅侧向电阻率值一般都明显下降。 由于储层裂缝孔洞的存在导致深、 浅侧向电阻率下降的程度不一样， 深、 浅侧向电阻率通常会出现幅度差。 但在研究区这2 条侧向电阻率曲线的幅度差很小， 几乎是重合的， 这说明渗透性比较差， 也表明裂缝、 溶蚀孔洞等发育相对较弱。 井径曲线在大部分井段接近钻头直径， 这实际上也说明储层渗透性较差， 仅在个别云英岩段出现较为明显的扩径现象。 这是因为云英岩层段出现明显的破碎现象， 其原因是云英岩暗色矿物含量低， 属于浅色矿物， 更容易破碎、 产生裂缝。 在裂缝发育井段，由于裂缝被钻井液充填， 体积密度值有明显的降低， 补偿中子孔隙度值有明显的增大。

3.3 利用阵列声波资料辅助识别裂缝

进行了多极子阵列声波测井（MPAL）， 获得了纵波时差、 横波时差、 斯通利波时差等参数， 计算了弹性模量、 体积模量、 泊松比、 岩石破裂压力（表2）。

从表2 可知， 花岗片麻岩、 斜长片麻岩、 云英岩在通过阵列声波资料处理解释得到的纵波时差、横波时差、 纵横波速比、 弹性模量、 体积模量、 剪切模量、 泊松比、 破裂压力都有较大的差异， 一方面可以利用这些数据辅助判断岩性； 另一方面， 这些声学参数反映了裂缝产生的难易程度， 所以如果已知岩性， 可以为判断裂缝发育情况提供参考。 另外， 由于斯通利波是一种滑行波， 沿井壁滑行， 对井壁的刚性非常敏感。 当井眼规则的情况下， 斯通利波的衰减意味着存在有利渗透层段， 斯通利波在裂缝发育段有明显的衰减， 而且存在各向异性， 所以可以通过斯通利波衰减幅度判断有效裂缝、 溶蚀孔洞或构造破碎带。

表2 3 种变质岩性声学参数对比Table 2 Comparisons of the lithological acoustic parameters of three kinds of metamorphic rock

综上所述， 可以综合利用微电阻率扫描成像测井资料、 阵列声波资料、 常规测井曲线， 综合判断裂缝孔洞发育情况。

例如， J4 井非储层的深侧向电阻率一般大于2 000 Ω·m， 斯通利波幅度在100 dB 左右， 微电阻率扫描成像呈现浅色（亮色）。 J4 井64 号层（1 141～1 162 m， 厚21 m， 岩性为斜长片麻岩）的深侧向电阻率下降到93 Ω·m 左右， 深浅双侧向电阻率曲线基本重合， 孔隙度为5.9%， 裂缝密度为5.8 条／m， 裂缝长度为2.3 m／m2， 裂缝宽度为3.07 μm； 深度1 145 ～1 152 m层段的斯通利波幅度衰减非常剧烈， 衰减到10 dB； 深度1 150 ～1 162 m层段的自然电位负异常幅度差很大， 也在一定程度上证实渗透性较好、 裂缝孔洞较发育； 微电阻率扫描成像的颜色深， 表明电阻低， 1 141、1 149 m处的裂缝比较大， 显示出孔洞的特征， 所以把63 号层（1 135 ～1 141 m） 分类为缝洞型储层， 综合解释为Ⅲ类储层。 66 号层 （1 164 ～1 169 m）的岩性为斜长片麻岩， 深侧向电阻率在49.5 Ω·m 左右， 深浅双侧向电阻率曲线基本重合， 孔隙度为6%， 裂缝密度为1.7 条／m， 裂缝长度1.5 m／m2， 裂缝宽度为0.49 μm， 斯通利波幅度也有一定衰减， 为裂缝型储层， 综合解释为Ⅰ类储层（图5）。

图5 J4井变质岩有效储集空间类型评价Fig.5 Evaluation of the effective reservoir space types in the metamorphic rock of Well J4

4 变质岩储层有效性评价

储层有效性评价也是变质岩测井解释评价的重要内容， 其实质就是预测变质岩储层的产能。 主要依据常规测井曲线、 微电阻率扫描成像、 阵列声波、 试油等资料， 并结合岩心分析等实验、 录井资料及地质研究资料对巴彦河套盆地不同岩性变质岩储层进行评价分类。 变质岩储层有效性评价实际上分为2 个部分， 一是储集空间的有效性评价， 二是在储集空间有效性评价的基础上结合全烃资料， 落实储集空间的含油性， 完成储层的有效性评价。

4.1 储集空间有效性评价

巴彦河套盆地变质岩储集空间以裂缝为主， 也发育少量溶蚀孔洞。 储集空间有效性评价实质上就是评价储层裂缝孔洞发育程度， 如裂缝的数量、 长度、 密度、 宽度； 裂缝张开程度， 是完全张开， 或是半充填， 还是完全充填， 是何种介质充填。

黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩、 云英岩等变质岩由于其矿物组成不同及其他原因， 发育裂缝及溶蚀孔洞的难易程度不同。 这4 种变质岩发育的裂缝数量、 形态等都有较大差别， 相应地这些差别表现在电阻率等常规曲线、 阵列声波、 微电阻率扫描成像上的差异也较大， 故无法对多种变质岩建立统一的解释评价标准。 由于变质岩储层情况复杂， 非均质性很强， 单纯利用孔隙度和渗透率资料无法准确地反映变质岩储层特性， 因此利用孔隙度、 侧向电阻率、 阵列声波、 微电阻率扫描成像测井特征来综合反映储层特性， 针对不同岩性变质岩总结归纳出3 种变质岩的储层分类标准（表3）， 划分为Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ类， Ⅰ类储层最好。 从表3 可以发现， 对同一种岩性变质岩来说， 储层级别越高， 意味着裂缝及溶蚀孔洞越发育， 这可以从微电阻率扫描成像直观地看到， 也势必存在斯通利波幅度衰减越快， 侧向电阻率下降得也越多， 孔隙度也越大的现象。

表3 巴彦河套盆地变质岩储层分类标准Table 3 Classifying criteria of the metamorphic reservoir in Bayanhetao Basin

4.2 储层开发有效性评价

实践证明有一些储层的裂缝和溶蚀孔洞都很发育， 即储集空间有效性较好， 但是却没有含油显示， 即储层中无油， 实际上这样的储层对于定储建产来说无价值。 因为判断变质岩储层的一个标准是电阻率在高阻背景下的低阻， 但因孔隙空间较少，对同一套储层来说， 储层含油时和含水时的电阻率差异并不是特别明显， 故依靠电阻率判断储层是否含油不可行， 此时需要依靠录井全烃值这种第一手的含油性指示资料判断含油性。 大量试油投产数据表明， 全烃值是巴彦河套盆地确定含油性的一个重要敏感参数， 利用孔隙度与全烃值交会建立了储层有效性判别图版（图6）。 图6 中的自然产层、 压裂见效层、 压裂无效层在储集空间有效性上依次对应于表3 “变质岩储层分类标准” 中的Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ级。

图6 变质岩储层有效性判别图版Fig.6 Discrimination chart board of the reservoir effectiveness in the metamorphic rock

5 实例应用

根据上述建立的变质岩测井解释评价标准， 综合录井、 气测等资料， 评价了巴彦河套盆地的20口井的变质岩储层， 以2 口评价井为例进行证明。

5.1 实例1 （J5 井）

图7 为J5 井测井解释评价成果， 553.0 ～565.2 m层段的岩性为花岗片麻岩、斜长片麻岩， 以斜长片麻岩为主， 深侧向电阻率在100 Ω·m 左右， 深、 浅侧向电阻率曲线基本重合， 计算的孔隙度为8.6%， 微电阻率扫描成像图上显示该层中部有多条微细裂缝发育， 上下有孔洞发育， 裂缝倾角为50°～80°， 裂缝密度为10.8 条／m， 裂缝长度为4.2 m／m2，裂缝宽度为1.23 μm， 为缝洞型储层。从井径曲线上可以看到明显扩径， 说明储层较破碎， 斯通利波幅度衰减明显， 各向异性强。 该层录井的全烃基值0.126%， 全烃体积分数为0.478%，现场组分齐全， C1体积分数为26.1%、 C2体积分数为16.3%、 C3体积分数为23.7%。 根据表3 中储层分类标准并结合录井、 气测资料， 综合解释该层为Ⅰ类储层。 J5 井553.0 ～565.2 m 层段试油，获日产油3.9 m3， 日产水0.04 m3， 试油结果表明J5 井的测井解释评价结论是正确的。

图7 J5井测井解释评价成果Fig.7 Logging interpreted and evaluated results for Well J5

5.2 实例2 （J7 井）

图8 为J7 井测井解释评价成果， 428.2～473.0 m 层段的岩性为花岗片麻岩、 斜长片麻岩， 储集空间类型以裂缝型储层为主， 裂缝较发育， 主要发育高导缝， 部分为充填缝。 其中的451.2 ～456.4 m层段的岩性以斜长片麻岩为主， 深侧向电阻率136 Ω·m， 浅侧向电阻率109 Ω·m， 计算的孔隙度为7.4%， 微电阻率成像显示有多条天然高角度缝及孔洞发育， 裂缝有效性好， 裂缝密度为4.2 条／m， 裂缝长度为3.2 m／m2， 裂缝孔隙度为0.25%， 裂缝宽度1.25 μm， 为缝洞型储层。 该层段录井的全烃基值0.059 %， 全烃体积分数为1.396%， 现场组分齐全， C1体积分数为24%、 C2体积分数为15%、 C3体积分数为21.6%， 综合解释为Ⅰ类储层。其中442.6 ～449.0m层段的岩性以花岗片麻岩为主， 深侧向电阻率374 Ω·m， 浅侧向电阻率367 Ω·m， 计算的孔隙度为2.8%，微电阻率成像显示有多条天然高角度缝， 裂缝密度为4.9 条／m， 裂缝长度为2.7 m／m2， 裂缝孔隙度为0.15 %， 裂缝宽度1.09 μm， 为裂缝型储层。根据表3 中的储层分类标准， 综合解释为Ⅱ类储层。 J7 井442.6 ～449.0 m 层段试油， 日产油3.38 m3， 日产水0.22 m3， 含水率为6.11%， 压裂后日产油约28 m3， J7 井的测井解释评价结论得到试油结果的证实。

图8 J7井测井解释评价成果Fig.8 Logging interpreted and evaluated results for Well J7

6 结 论

（1） 针对巴彦河套盆地变质岩储层复杂的岩性， 系统总结了黑云花岗片麻岩、 角闪斜长片麻岩、 角闪黑云斜长片麻岩、 云英岩测井响应特征，利用自然伽马、 声波时差、 体积密度和补偿中子孔隙度测井曲线的数值特征， 并借助补偿中子孔隙度—体积密度交会和自然伽马—体积密度交会， 建立了变质岩岩性识别方法和识别标准。

（2） 利用微电阻率扫描成像测井、 常规测井资料及阵列声波资料， 可以有效地识别变质岩储集空间类型， 储层级别越高， 则孔隙度越大、 电阻率越低、 斯通利波幅度衰减越明显、 微电阻率扫描成像也显示孔洞缝越发育， 从而为其他变质岩探区有效识别变质岩储集空间有效性奠定基础。

（3） 在储集空间有效性研究的基础上， 结合录井全烃检测值， 综合分析变质岩储层特征， 确定储层的含油性， 进行了储层分类研究， 建立了巴彦河套盆地变质岩储层分类标准， 为巴彦河套盆变质岩储层分类提供了重要依据。