湖相混积岩有利储层岩性测井识别方法——以大王庄油田沙三上亚段为例

李楚楚,洪秀娥,韩登林,门南方,赵苗苗

(长江大学地球科学学院,湖北武汉 430100)

Mount于1984年提出了“mixed sediments(混合沉积物)”的概念,即硅质碎屑与碳酸盐的混合沉积物,初步对混积岩进行了定义[1],混积沉积物逐渐成为国内外学者研究的热点[2-5]。杨朝青等(1990)将混合沉积物浓缩为“混积岩”,泛指碳酸盐岩与陆源碎屑混合沉积形成的沉积物[6]。沙庆安等(2001)将“混积岩”划分为狭义和广义两种类型,狭义的混积岩是指岩层内碳酸盐质碎屑岩组分的混合;广义的混积岩既包括岩层内的混合,也包括层间碎屑岩沉积层与碳酸盐岩沉积层的间互沉积[7]。混积岩岩性复杂,影响混积岩分类的因素较多,目前尚未形成统一的混积岩分类方案[8-10]。按照沉积环境可将混积岩划分为湖相混积岩和海相混积岩两大类,湖相混积岩是指陆地湖泊环境中化学沉积与陆源碎屑沉积形成的混合沉积物[11-12]。Mount以“陆源碎屑砂、黏土、碳酸盐碎屑、灰泥”四种物质组分建立了四端元立方图分类方法。解习农等提出以“陆源碎屑、化学成因碳酸盐、生物成因碳酸盐颗粒”三种物质组分建立的三端元分类方法,并应用该方法对渤中凹陷混积岩储层进行分类[13]。高梦天等将混积岩储层划分为陆源碎屑-碳酸盐岩、陆源碎屑-生物碎屑岩、生物碎屑-碳酸盐岩三种类型[8]。

在对大王庄油田沙三上亚段混积岩储层分类识别的研究中,罗妮娜等提出以成分含量50%为界限,将混积岩划分为砂质碳酸盐岩和灰质砂岩两大类[9],这种粗线条的分类方案不利于识别出有利储层。杨剑萍等则重点研究了碳酸盐含量较高的滩坝、泥晶云灰岩、碎屑质云灰岩等岩石类型[10],深化了碳酸盐岩沉积、成岩研究,并细化了分类,但缺少陆源碎屑岩和碳酸盐质陆源碎屑岩方面的研究,因而,宏观性与整体性不足,也不利于识别出有利储层。随着湖相混积岩油气勘探工作不断深入,国内许多沉积盆地中发现了混积岩油气藏[14-15]。虽然大王庄油田已针对沙三上亚段湖相混积岩开展了沉积相和储层特征研究,且多口井于混积岩储层投产,日产油50.00 t以上,但沙三上亚段混积岩的研究仍不够深入,混积岩的分类不够清楚,有利储层类型不明确、测井识别困难,部分井层因认识不清未射孔投产,制约了油田勘探开发的进一步发展。本文利用岩心、薄片、测录井、测试等资料,提出了适合沙三上亚段储层物性特点的混积岩分类方案,建立了分类岩性测井识别模型和图版,可识别出有利储层,为湖相混积岩储层油气勘探开发提供了技术支持。

1 区域地质概况

饶阳凹陷位于冀中坳陷中部,为东断西超式单断式凹陷,凹陷内断裂走向以北北东向为主。凹陷内呈隆凹相间格局,凹陷中央为隆起带,大王庄油田位于中央隆起带的中南部(图1)。大王庄油田发育的主要断层走向与凹陷内的断裂系统一致,为北东向,但也发育部分北西向断层,两组断裂共同发育将研究区切割为多个断块,断层与鼻状构造相结合,为油气聚集提供了有利的圈闭条件[16-18]。

图1 研究区构造位置

2 岩石学特征

以岩石成分与物性分析资料为基础,以识别有利储层为目的,根据岩性与物性变化,从宏观上全面划分混积岩的岩石类型。据罗妮娜等对大王庄油田沙三上亚段的混积岩分类结果,以及对研究区的岩心数据分析,沙三上亚段混积岩储层可划分为陆源碎屑岩、碳酸盐质碎屑岩、碳酸盐岩滩坝三类(表1)。

表1 沙三上亚段混积岩岩性分类 (据罗妮娜等(2020),修改[9])

2.1 陆源碎屑岩

陆源碎屑岩以细砂岩为主,其次为粉砂岩,少量为中砂岩。碎屑组分中石英含量45%～56%,长石含量36%～49%,岩屑含量6%～10%。

2.2 碳酸盐质碎屑岩

碳酸盐质碎屑岩包括生物碎屑质细砂岩、粉砂岩,内碎屑质细砂岩、粉砂岩,云灰质细砂岩、粉砂岩,以及少量云灰质中砂岩,碳酸盐含量10%～50%,主要区间10%～30%,陆源碎屑岩含量以50%～90%为主(图2a、b)。

a.含鲕粒砂岩,留496井,3 705.20 m;b.亮晶含鲕粒砂岩,留491井,3 793.20 m;c.亮晶薄皮鲕粒云岩,留101井,3 605.20 m;d.介形虫云质灰岩,留101井,3 603.70 m;e.粒内孔,留101井,3 617.60 m;f.介形虫体腔孔,留101井,3 604.70 m;g.藻格架孔,留70-39井,3 609.50 m;h.粒内溶孔,留70-104井,3 615.20 m;i.铸模孔,留101井,3 604.70 m图2 混积岩岩性及储集空间类型

2.3 碳酸盐岩滩坝

湖相碳酸盐岩滩坝中岩石成分以碳酸盐为主,含量85%以上;陆源碎屑含量小于15%。主要岩石类型为鲕粒云灰岩(图2c)、藻屑云灰岩(图2d)、泥晶云灰岩及含陆源碎屑的藻屑-鲕粒云灰岩。其中,泥晶云灰岩生成于水动力较弱的湖湾环境,藻屑与鲕粒云灰岩生成于高能环境。滩坝中生物碎屑和碳酸盐岩颗粒直径为0.1～0.8 mm,颗粒之间孔隙发育。

3 岩石物性特征

根据研究区混积岩储层岩心物性资料统计,大王庄油田沙三上亚段混积岩层段孔隙度和渗透率均值在不同的岩石类型中差异较大,碳酸盐岩滩坝最好,高孔高渗的岩样居多,物性较好,且在此混积岩储层中不仅发育粒间孔、粒内孔、粒间溶孔、粒内溶孔等常规砂岩储层的原生孔隙类型(图2e～h),也发育填隙物溶孔、晶间孔、铸模孔(图2i)等碳酸盐岩储层中常发育的次生孔隙类型[19]。

3.1 碳酸盐岩滩坝

碳酸盐岩滩坝普遍经历了白云石化作用,而白云石化作用有利于形成良好的储层[2]。留101井和留110井钻井取心获得了碳酸盐岩滩坝的岩石学资料。留101井取心井段的岩心描述为油浸生物碎屑灰岩,碳酸盐含量平均值为86.80%,平均孔隙度为23.00 %,平均渗透率为184.80×10-3μm2;留110井取心井段的岩心描述为油浸灰质生物碎屑白云岩,碳酸盐含量平均值为99.94%,平均孔隙度为24.92%,平均渗透率为1 385.18×10-3μm2(表2)。

表2 研究区岩心分析成果

3.2 陆源碎屑岩

陆源碎屑岩以细砂岩和粉砂岩为主,其次为少量中砂岩,岩心分析表明陆源碎屑岩物性较差。留101井取心井段的岩心描述为细砂岩,碳酸盐含量平均值为5.43%,平均孔隙度为11.98%,平均渗透率为5.12×10-3μm2;留425井取心井段的岩心描述为细砂岩、粉砂岩,碳酸盐含量平均值为6.47%,平均孔隙度为11.04%,平均渗透率为0.58×10-3μm2(表2)。

3.3 碳酸盐质碎屑岩

碳酸盐质碎屑岩物性普遍较差。留425井中岩石类型为钙质细砂岩、粉砂岩,碳酸盐含量为6.60%～44.30%,平均含量23.24%,平均孔隙度为7.85%,平均渗透率为0.35×10-3μm2(表2);留498井中岩石类型为钙质细砂岩,碳酸盐含量为3.00%～24.10%,平均含量12.92%,平均孔隙度为12.88%,平均渗透率为4.39×10-3μm2。

岩心物性分析资料证明,大王庄油田沙三上亚段陆源碎屑岩和碳酸盐质碎屑岩物性差,为不利储层;碳酸盐岩滩坝中的生物碎屑滩坝、颗粒滩坝、生物碎屑-颗粒混合滩坝物性好,高孔高渗,且孔隙类型多,连通性好,为有利储层。

4 岩石岩电响应特征

以上述取心井岩石类型与物性分析资料为基础(表2),结合取心井段岩电响应特征(图3),未取心井以岩屑录井为参考依据(图4),研究不同类型岩石的岩电响应特征。

图3 留101井等取心井岩电响应特征

图4 留70-104井等岩屑录井岩电响应特征

4.1 碳酸盐岩滩坝

碳酸盐岩滩坝具有自然电位变化幅度大、自然伽马变化幅度大、标准化刻度值小、单层厚度大的岩电响应特征。留101井3 607.75～3 619.25 m井段,岩心描述为生物碎屑灰岩,自然电位平均值为13.41 mV;留110井3 655.75～3 665.88 m井段,岩心描述为灰质生物碎屑白云岩,自然电位平均值为14.88 mV,自然伽马平均值为16.73 API(图3a)。未取心的留70-104井、留70-134井、留70-136井岩电响应特征与取心井的生屑灰岩一致,可判断为碳酸盐岩滩坝(图4a-c)。

4.2 陆源碎屑岩

陆源碎屑砂岩单层厚度小,具有自然电位与伽马变化幅度较小、刻度值大的岩电响应特征。留425井3 475.13～3 477.00 m井段的岩心描述为细砂岩、粉砂岩,单层厚度5.25 m,碳酸盐含量平均值为6.47%,自然电位平均值为89.25 mV,自然伽马平均值为45.29 API(图3b)。未取心的留 70-178井岩屑描述为砂岩段,且岩电响应特征与取心井段的砂岩一致,可判断为陆源碎屑砂岩(图4d)。

4.3 碳酸盐质碎屑岩

碳酸盐质碎屑岩单层厚度变化范围较大,具有自然电位变化幅度小、刻度值大;自然伽马变化幅度较大的岩电响应特征。留425井3 480.13～3 482.88 m井段的岩心描述为钙质细砂岩、粉砂岩,单层厚度2.75 m,碳酸盐含量为6.60%～44.30%,平均含量为23.24%,自然电位平均值为74.61 mV,自然伽马平均值为41.77 API(图3c)。未取心的留62-58X井、留62-87X井碳酸盐质碎屑岩单层厚度中等到较大,自然伽马变化幅度较大,自然电位变化幅度小(图4e、f)。

5 岩石测井识别方法

通过岩电响应特征分析,岩石的测井敏感曲线为自然伽马和电位曲线,敏感特征为变化幅度大小,定量化参数为刻度值,且单层厚度大小与岩石类型具有一定相关性。选取取心和岩屑录井资料全的完钻井,读取目的层段自然电位与自然伽马的刻度值、单层厚度,为建立岩石测井识别的定量化模型奠定基础。

5.1 自然电位与电阻率交会识别岩性

前人利用自然电位与电阻率交会识别岩性(图5a),但电阻率与岩性关系不明显,且部分陆源碎屑砂岩和碳酸盐质碎屑岩的自然电位变化幅度较大、刻度值较小,在刻度值小于30 mV的区域,既有碳酸盐岩滩坝的分布,也含有部分陆源碎屑砂岩和碳酸盐质碎屑岩,岩性识别不准确。

图5 自然电位、伽马与岩性判断参数值交会岩性识别图版

5.2 自然电位与自然伽马交会识别岩性

利用测量自然伽马和自然电位测井资料,建立分类岩性的自然电位与自然伽马交会图版(图5b)。由图可得:碳酸盐岩滩坝位于自然电位值小于30 mV、自然伽马值小于20 API的交会区,但也有部分碳酸盐质碎屑岩和陆源碎屑砂岩的数据点位于该区域,不完全准确。且陆源碎屑砂岩与碳酸盐质碎屑岩均具有较大的自然电位值,碳酸盐质碎屑岩的自然伽马值多低于陆源碎屑砂岩,二者难以区分。

5.3 岩性综合判断参数交会识别岩性

二元交会图版岩性识别方法简单易行,但岩性识别过程中存在一些问题,为进一步提高有利储层识别的精度,选择自然电位与自然伽马建立岩性识别参数模型,模型中适当加大了自然电位的权重,具体如下:

F=[(100-SPx)1.5+(100-GRx)1.2]

(1)

式中:SPx为自然电位刻度值,mV;GRx为自然伽马刻度值,API;F为岩性综合判断参数,无量纲。

研究区内部分未测量自然伽马的井层,自然伽马统一赋值为35 API。

5.3.1 自然电位与岩性综合判断参数交会识别岩性

自然电位与模型计算的岩性综合判断参数交会后(图5c),岩性综合判断参数值大于60时可判断为碳酸盐岩滩坝,且准确率较高;在岩性综合判断参数值以80为界限时,仅一层碳酸盐岩滩坝被误判为砂岩。但该方法难以区分陆源碎屑砂岩与碳酸盐质碎屑岩。

5.3.2 自然伽马与岩性综合判断参数交会识别岩性

自然伽马与模型计算的岩性综合判断参数交会后(图5d),岩性综合判断参数值大于60时可判断为碳酸盐岩滩坝,未出现误判情况;在岩性综合判断参数值小于60、自然伽马刻度值小于30 API时,可判断为碳酸盐质碎屑岩。该方法虽然也存在难以识别和区分部分碳酸盐质碎屑岩与陆源碎屑砂岩的问题,但在以识别出有利储层为目的的实际应用过程中,能够准确识别出碳酸盐岩滩坝才是研究的重点。

6 岩性展布与识别结果验证

6.1 岩性展布规律

根据区域地质研究成果,沙三下亚段地层沉积时期,大王庄油田处于辫状河三角洲平原亚相环境,地层岩性为紫红色泥岩和砂岩[21-22]。沙三上亚段地层沉积时期,沉积环境由辫状河三角洲平原转变为浅水三角洲与湖泊沉积体系,物源来自西南方向[23-24]。

利用分类岩性识别结果绘制沙三上亚段不同岩性分布图(图6)。由图可知,留101井区为碳酸盐岩滩坝连片发育区,留110井区和留438井区发育小规模的碳酸盐岩滩坝。钻井揭示沙三上亚段碳酸盐质碎屑岩分布范围广,几乎覆盖所有井区;纵向上,只有部分小层为碳酸盐质碎屑岩,剩余的小层为陆源碎屑岩;陆源碎屑岩与碳酸盐质碎屑岩分布规律相似。

图6 研究区岩性分布

6.2 岩性识别结果验证

沙三上亚段碳酸盐岩滩坝物性好,为有利储层;陆源碎屑岩和碳酸盐质碎屑岩物性较差,为不利储层。因此,碳酸盐岩滩坝准确识别为研究重点,岩性识别准确率的判别验证也主要体现在碳酸盐岩滩坝识别的准确率上。

在实际应用中,针对研究区未取心、但岩屑录井的井位,根据自然电位、自然伽马和岩性综合判断参数的交会图版可以准确识别出高孔的碳酸盐岩滩坝,从而判断有利储层的展布。以留101井3 607.75～3 619.25 m井段为标准层,取心证实为碳酸盐岩滩坝,岩心物性分析证实为高孔高渗储层,1989年1月投产,初期日产油60.00 t,已累计产油10.90×104t;留70-104井3 617.25～3 636.50 m井段,岩屑录井描述为碳酸盐岩滩坝,1989年1月投产,初期日产油51.00 t,已累计产油8.26×104t;留70-39井3 613.00～3 627.00 m井段,岩屑录井描述为碳酸盐岩滩坝,1984年9月投产,初期日产油95.00 t,已累计产油10.29×104t。留70-104井和留70-39井未取心,利用建立的参数岩性识别模型计算F值为128.46和120.56,判断为碳酸盐岩滩坝,岩屑录井和投产资料证实为高孔高渗的碳酸盐岩滩坝。以上资料证明,所建立的碳酸盐岩滩坝岩性识别模型参数准确可靠。

在十几口尚未于沙三上亚段碳酸盐岩滩坝井段投产的钻井中,留70-105X井等部分井未进行岩屑录井,但在3 704.75～3 713.25 m井段,具有单层厚度大、自然电位和自然伽马变化幅度大且刻度值小的典型碳酸盐岩滩坝岩电响应特征,该井位于碳酸盐岩滩坝连片发育区,利用建立的参数岩性识别模型计算F值为92.97,判断为碳酸盐岩滩坝,为有利储层分布区域。

7 结论

1)以识别有利储层为目的,大王庄油田沙三上亚段的岩石可划分为陆源碎屑岩、碳酸盐岩滩坝、碳酸盐质碎屑岩三大类。岩石成分与物性分析表明碳酸盐岩滩坝物性好,为有利储层。

2)碳酸盐岩滩坝为高孔高渗储层,具有单层厚度大、自然伽马和电位变化幅度大的岩电响应特征,自然电位值以小于30 mV为主,自然伽马值以小于20 API为主。陆源碎屑岩和碳酸盐质碎屑岩为低孔低渗储层,陆源碎屑岩单层厚度小,具有中低变化幅度的自然伽马和自然电位。碳酸盐质碎屑岩单层厚度、自然伽马变化幅度和刻度值变化范围大,自然电位变化幅度小。

3)碳酸盐岩滩坝岩电响应的最敏感信息为自然电位,量化指标为自然电位多小于30 mV,其次为自然伽马多小于20 API,单层厚度多大于4.0 m。岩性识别参数模型可定量计算出岩性判断参数值F,当F值大于60时可判断为高孔碳酸盐岩滩坝。