基于岩性扫描测井的混积岩岩性识别——以玛湖凹陷风城组为例

毛锐，申子明，张浩，陈山河，樊海涛

（中国石油 新疆油田分公司a.勘探开发研究院；b.勘探事业部，新疆 克拉玛依 834000）

岩性识别方法主要有岩心鉴定法、常规测井法、元素测井法等，不同方法各有优劣。岩心鉴定法是通过全岩矿物分析获得矿物含量，通过岩心薄片鉴定确定岩性，但钻井取心成本较高，除了关键井外，无法实现每口井连续取心。常规测井法通常在岩性鉴定结果基础上，构建敏感指数，形成岩性识别图版[1-3]，但常规测井无法确定地层中矿物类型及含量，且常规测井是岩性、物性、含油性、应力特性等的综合响应，利用常规测井识别岩性的多解性较强，岩性识别符合率低。元素测井法一般是利用元素氧化物的TAS（Total Alkali Silica，即全碱-硅质分类法）图版识别岩性[4]，依据元素含量或者部分矿物含量的变化判断岩性变化[5-7]，未形成利用矿物含量构建岩性敏感参数识别岩性的方法。

本文在寻找矿物敏感元素的基础上，利用岩性扫描测井资料得到的元素含量，建立矿物含量与敏感元素含量的关系，进而计算矿物含量。利用长英质矿物含量与碳酸盐矿物含量的比值构建混积岩指数，利用中子孔隙度与核磁共振总孔隙度的差值构建泥质指数，将敏感指数交会形成风城组混积岩岩性识别图版。

1 地质概况

玛湖凹陷位于准噶尔盆地西北缘，南与中拐凸起和达巴松凸起相接，东与夏盐凸起、英西凹陷和石英滩凸起毗邻，总面积约5 000 km2。二叠系风城组整体为半深—深湖沉积背景下的陆源碎屑岩与内源碳酸盐岩的混积岩[8-10]，自上而下分为风三段、风二段和风一段。风三段主要为陆源碎屑沉积的砂岩、砂砾岩和玄武岩；风二段和风一段为碱湖沉积环境下的白云质泥岩、泥质白云岩和粉砂岩薄互层，岩性复杂且变化快[11-12]。风城组混积岩孔隙以小孔为主，孔隙直径为30～200 nm，孔隙连通性差[13]，平均孔隙度为4.61%，平均渗透率为0.134 mD，是典型的特低孔特低渗储集层[14]。风城组发育碱性湖泊相烃源岩，残余有机质丰度不高，类型为Ⅰ型—Ⅱ型，大部分处于成熟阶段[15-16]。风城组整体含油性较好，甜点岩性以粉砂岩和泥质白云岩为主[17]。

2 岩石学特征

风城组主要岩性为碳酸盐岩与陆源碎屑岩混合沉积的混积岩，发育白云质粉砂岩、泥质粉砂岩、石灰质粉砂岩、粉砂质泥岩、白云质泥岩、泥质白云岩等（图1）。

图1 玛湖凹陷风城组混积岩镜下特征Fig.1.Microscopic features of the diamictite in Fengcheng formation,Mahu sag

通过玛湖凹陷风城组典型系统取心井的全岩矿物分析及X 射线衍射矿物含量分析可以看出，风城组矿物种类复杂且含量变化大，具有典型的混积岩特征。主要矿物有石英SiO2、钾长石KAlSiO3、钠长石NaAlSiO3、黄铁矿FeS2、白云石CaMg（CO3）2、方解石CaCO3以及黏土矿物（图2）。其中，黏土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，含蒙脱石、高岭石和绿泥石（图3）。

图2 玛湖凹陷风城组矿物类型及含量Fig.2.Mineral types and contents of Fengcheng formation,Mahu sag

图3 玛湖凹陷风城组黏土矿物类型及相对含量Fig.3.Clay mineral types and contents of Fengcheng formation,Mahu sag

3 矿物含量计算

通过岩性扫描测井能够获得较为准确的硅、铝、钙、铁、钠等元素的含量[18]，但是针对岩性扫描测井开发的全闭合模型无法明确长英质矿物（如石英、钾长石、钠长石等）的类型及含量，且计算的黏土矿物含量往往偏大。以岩性扫描测井获得的高精度元素质量分数为基础，寻找矿物的敏感元素，建立矿物质量分数与敏感元素质量分数的关系，进而计算矿物含量。

假设地层中元素i全部来源于矿物A，那么元素i是矿物A的敏感元素，定义矿物A的相对分子质量与元素i的相对原子质量之比为矿物A与元素i的转换系数，矿物A的质量分数：

式中λ(i)——矿物A与元素i的转换系数；

ω(A)——矿物A的质量分数，%；

ω(i)——岩性扫描测井获得的元素i的质量分数，%。

通常地层中多种矿物含有同种元素，假设地层中矿物A和矿物B共有元素j，在矿物A中元素j的质量分数：

式中λ(j_A)——矿物A中元素j的转换系数；

ω(j_A)——矿物A与元素j的质量分数，%。

矿物B中元素j的质量分数：

式中ω(j)——岩性扫描测井测得的地层中元素j的总质量分数，%；

ω(j_B)——矿物B中元素j的质量分数，%。

此时，矿物B中元素j即为计算矿物B质量分数的敏感元素，矿物B的质量分数：

式中λ(j_B)——矿物B与元素j的转换系数；

ω(B)——矿物B的质量分数，%。

由于地层中硫元素全部来源于黄铁矿，因此硫元素是黄铁矿的敏感元素，黄铁矿的质量分数：

钠元素全部来源于钠长石，因此钠元素是钠长石的敏感元素，钠长石的质量分数：

钾元素全部来源于钾长石，因此钾元素是钾长石的敏感元素，钾长石的质量分数：

黏土矿物包括伊利石、蒙脱石、绿泥石等，常含有不同的杂质元素，导致黏土矿物化学式不固定[19]。因此，黏土矿物与元素的转换系数难以确定，无法利用（1）式计算黏土矿物含量。然而，所有黏土矿物都含有铝元素，可以利用岩性扫描测井获得的铝元素总质量分数减去长石矿物中铝元素的质量分数，得到黏土矿物中铝元素的质量分数，利用岩心分析的黏土矿物质量分数与黏土矿物中铝元素的质量分数进行拟合（图4），进而计算黏土矿物的质量分数：

图4 玛湖凹陷风城组黏土矿物质量分数与铝元素质量分数的关系Fig.4.Relationship between the mass fractions of clay mineral and aluminum in Fengcheng formation,Mahu sag

式中p、q——线性拟合系数。

镁元素全部来源于白云石，因此镁元素为白云石的敏感元素，白云石的质量分数：

钙元素来源于白云石和方解石，因此，利用地层中钙元素总质量分数减去白云石中钙元素质量分数，进而计算方解石的质量分数：

由于长石、黏土矿物、石英等都含有硅元素，且黏土矿物种类较多，难以确定黏土矿物中硅元素的质量分数，因此，石英的质量分数可利用非石英矿物的质量分数的总和计算：

4 岩性图版建立

地层中黄铁矿含量与黏土矿物含量较稳定，且二者含量之和通常为5.0%～11.0%，平均为6.8%。影响风城组混积岩岩性的主要矿物为石英、钾长石、钠长石、白云石和方解石。由于混积岩为陆源碎屑矿物与碳酸盐矿物混合沉积，岩石中的陆源碎屑矿物含量与碳酸盐矿物含量为负相关关系，因此，采用陆源碎屑矿物质量分数之和与碳酸盐矿物质量分数之和的比值构建混积岩指数MSP：

风城组混积岩以细粒沉积为主，含有大量泥质，因此，构建岩性敏感参数还需要考虑泥质含量的变化。泥岩与粉砂岩、白云岩的泥质结晶水含量不同，中子测井可探测地层中所有物质的含氢指数，而核磁共振测井可以探测除了泥质结晶水外的含氢指数[20]，因此，采用中子孔隙度ϕCNL与核磁共振总孔隙度ϕNMR的差值构建泥质指数SHP，以表征地层中泥质含量的相对变化：

将泥质指数与混积岩指数交会形成风城组岩性识别图版（图5a），将岩性分为泥岩、白云岩和粉砂岩3 类。由于岩石中的陆源碎屑矿物含量与碳酸盐矿物含量为负相关关系，陆源碎屑矿物含量越大，碳酸盐矿物含量越小，混积岩指数越大，岩性为粉砂岩和粉砂质泥岩；陆源碎屑矿物含量越小，碳酸盐矿物含量越大，混积岩指数越小，岩性为泥质白云岩和白云质泥岩。此外，岩石的泥质结晶水越多，泥质指数越大，岩性为泥岩，反之则为白云岩和粉砂岩。

该图版中白云质粉砂岩与石灰质粉砂岩、白云质泥岩与石灰质泥岩存在重叠区域，说明对上述岩性区分度不够高，因此，利用方解石质量分数与白云石质量分数的比值构建灰云指数CDR：

将泥质指数与灰云指数交会形成细分图版区分上述岩性（图5b）。

图5 玛湖凹陷风城组混积岩岩性识别图版Fig.5.Lithology identification chart for the diamictite in Fengcheng formation，Mahu sag

5 实例应用

玛页1 井是玛湖凹陷风城组的重点探井，利用本文方法计算矿物含量并进行岩性识别，可以看出，纵向上矿物含量与岩性变化较大，呈现典型的混积岩特征（图6）。利用岩性扫描测井计算的矿物含量与全岩矿物分析的含量对应性好，平均相对误差仅为6.5%，岩性测井识别结果符合率高，为90.9%（表1）。由玛页1 井风城组射孔段有效孔隙度、日产液量和岩性可以看出，以粉砂岩为主的岩性组合物性好，产液能力强，如1号段、2号段和3号段；以粉砂岩与泥岩互层为主的岩性组合物性较差，产液能力差，如4号段和6号段；泥岩的物性和产能均为最差，如8 号段（表2），进一步说明岩性对物性以及甜点质量具有控制作用。

表1 玛页1井风城组矿物含量计算精度与岩性识别符合情况Table 1 .Accuracy of mineral content calculation and coincidence rate of lithology identification for Fengcheng formation in Well Maye-1

表2 玛页1井风城组射孔段有效孔隙度、日产液量和岩性Table 2 .Effective porosity,daily fluid production and lithology of the perforated intervals in Fengcheng formation in Well Maye-1

图6 玛页1井风城组混积岩矿物含量计算及岩性识别结果Fig.6.Mineral content calculation and lithology identification for Fengcheng formation diamictite in Well Maye-1

6 结论

（1）玛湖凹陷风城组混积岩是陆源碎屑岩与碳酸盐岩混合沉积的过渡性岩石，矿物种类多，矿物含量变化大，矿物含量的准确计算是岩性识别的基础。

（2）利用岩性扫描测井精确计算矿物的关键，是在确定地层矿物种类的基础上，寻找矿物的敏感元素，然后利用矿物化学式与敏感元素的关系，获得矿物含量。

（3）常规测井岩性识别方法没有利用矿物含量构建岩性敏感参数。本文构建的混积岩指数可以从矿物变化的角度刻画混积型岩石的岩性变化，混积岩指数从小到大变化，说明岩性由碳酸盐岩逐渐过渡到陆源碎屑岩。