两种不整合结构判识技术的原理及优缺点分析

蔡春青

（中法渤海地质服务有限公司，天津 300451）

1 概述

不整合面不单是记录地层构造抬升、剥蚀的地质现象，同时其所具有的三层结构（底砾岩层、风化粘土层、半风化岩石层）对于油气的输导、运聚、成藏均具有重要的控制作用[1-3]。相关研究表明，不整合结构体不同结构层具有不同的特征，对于油气的运聚具有不同的作用。在油气勘探生产实践中，如何充分利用各种技术手段对不整合结构层进行有效判识具有重要的现实意义。本文以准噶尔盆地西部隆起红车地区H15井J/T 不整合为例，对不整合识别划分技术进行探讨分析，明确各自的优缺点、适用范围及推广应用前景。

2 不整合识别技术分析

随着国内各大盆地勘探程度的深入，与不整合相关的隐蔽油气藏逐渐成为勘探的重点。近年来众多油气勘探学者们运用多种技术手段对不整合结构的划分技术进行了广泛实践，其中在生产实践中应用最为广泛的要数利用测井资料和地球化学元素对不整合进行识别划分[4]。

2.1 地化元素分析法划分不整合结构

相关研究表明，在不整合结构遭受风化淋滤的过程中，地层中所富含的不稳定元素（如Ca、Na、K、Mg等）更容易随着地层水流失，而相对稳定的元素（如Fe、Al、Si、Mn等）则更容易保存下来。这样，在不整合结构层中随着不稳定元素的迁出，稳定元素的含量就会明显偏高。底砾岩层由于未受到风化淋滤的影响，地层中化学元素（包括稳定和不稳定化学元素）在含量上与上覆地层没有明显变化。而之下的风化粘土层由于遭受风化淋滤最为严重，因此与上覆底砾岩层相比表现出不稳定元素大量流失、稳定元素含量相对更高的特点，二者之间在元素含量曲线上呈现跳跃现象；在风化粘土层之下的半风化岩石中同样存在元素分异的特点：稳定元素大量富集、不稳定元素大量减少。同时半风化岩石与风化粘土层的岩性又有较为显著的差异：风化粘土层主要为灰白色的粘土，而半风化岩石则与下伏母岩岩性保持一致。半风化岩石的元素分异现象向下渐变，直至未风化母岩层段，各元素含量回归正常[5]。基于以上原理，在油气勘探过程中对于不整合结构层的划分有了依据，人们对钻井取芯进行地球化学微量元素分析，通过微量元素在垂向上的变化规律结合岩性特征，对井眼处不整合结构层进行有效判识。

本次研究对H15 井J/T 不整合面上下的钻井取芯和岩屑资料进行系统取样（取样间隔为2m），按照《硅酸盐岩石化学分析方法》（GB/T14506.30-2019），利用ICP-MS对取样进行微量元素测试，并将元素分析测试的结果投点到岩性剖面序列中（图1）。从分析测试的结果来看，H15井在J底部和T顶部之间发育明显的不整合界面：底砾岩层和风化粘土层之间界线在4625m处（半幅点法读值），稳定化学元素的相对含量突然增加、不稳定化学元素的相对含量骤减，反映在风化淋滤作用下不稳定矿物的流失；风化粘土层与半风化岩石层界线为4634m；在半风化粘土层和母岩层之间的界线在4662m 处（半幅点法读值），稳定矿物的相对含量逐渐降低、不稳定矿物相对含量逐渐增多，反映风化淋滤作用并未波及至此。

图1 H15井J/T不整合结构层地化元素分析图版

2.2 主成分分析法划分不整合结构

测井资料包含丰富的地层信息，对不整合不同结构层存在特殊的测井响应。正是由于测井资料过于丰富的特点，不同测井曲线所反映的地层信息具有一定的重复性和多维性，直接利用原始测井资料对不整合结构层进行划分难度很大[6]。主成分分析这一数理统计的方法应用到测井资料判识不整合结构中。通过这一技术手段可以将原本需要多个变量共同反映的地层信息，转换为仅需要少数几个变量来综合反映，且效果更为直观、明显。该技术手段充分利用测井资料丰富的优势，选取对地层信息反应较为敏感的GR、AC、SP、DEN、CNL等5条测井曲线，通过数据归一处理、协方差矩阵分析、特征向量提取、主成分参数确定等步骤，最终得到反映不同结构层特征的两个主成分公式，其中一个公式可以反映地层遭受风化淋滤的程度（可以称之为原岩保存因子），另一个公式可以对地层中的粘土含量进行定性区分（可以称之为粘土化因子）。将不整合结构层段的5条敏感测井曲线值代入到两个主成分公式中，得到不同深度点处的两个因子数值（原岩保存因子和粘土化因子），利用交会图分析的技术将各因子值投点到图板上，对风化粘土层、半风化岩石层以及未遭受风化淋滤影响的原岩层（包括上部的底砾岩和下部的母岩）进行有效区分。具体实施步骤如下所述。

2.2.1 测井曲线归一化处理

曲线归一化处理是为了消除不同曲线量纲不同的差异带来的影响。测井曲线归一化后不同曲线的数据点均值为0、且标准差为1，达到了不同时期采集曲线可以放在一起计算的目的。归一化处理公式为：

式中：Xij——某测井曲线的第i各采样点数值；

-Xj——某种曲线采样点的算数平均值；

Sj——某种测井曲线的标准差；

i——某测井曲线采样点个数，

j——选取的测井参数个数。

2.2.2 确定主成分参数

采用主成分分析的原理，可以把包含m 各测井参数的采样点看作是m 维随机向量X=(X1，X2，…，Xm)T，其构成的协方差矩阵可以定义为∑。在对测井曲线数据分析处理后可提取到主成分参数Pi=aiTX=ai1TX1+ai2TX2+aimTXm。在这个公式中，ai为S第i个特征值的向量值，且彼此之间相互正交。这样就得到了多个Pi公式，选择Pi累积贡献值大于80%的两个主成分公式：

P1=0.45SP+0.13AC-0.38GR+0.12DEN-0.22CNL

P2=-0.11SP+0.28AC+0.73GR+0.09DEN-0.28CNL

这样就将原先需要多个测井参数共同来反映的地质信息，简化为仅需要两个互不相关的主成分来反映。

2.2.3 交会图分析

将工区内选取的8 口井的测井曲线代入上述两个主成分公式，计算出这8口径不同结构层的主成分值，分别以投点的方式投到交会图版中，这样就可以明确不同结构层所处的Pi值域范围：半风化岩石层主成分值域范围为P1>41%、P2>33%，风化粘土层主成分值域范围为P1>41、P2＜33，而上覆岩层和未风化母岩未能有效区分，反映二者在原岩保存能力和粘土化程度方面趋于一致。对于二者的区分可以从其发育的垂向位置（底砾岩层位于不整合面之上，未风化母岩位于不整合面、风化粘土层以及半风化岩石层之下）进行很好地区分。

将H15 井J/T 不整合附近测井曲线利用上述技术流程进行分析后可得以下分层结果（图1）：底砾岩层与风化粘土层间界线在4624.125m，风化粘土层与半风化岩石层界线在4635.25m，半风化岩石与母岩层界线在4663.375m。

3 技术的优缺点分析

就该两种技术手段，从各自的划分结果精确度以及费用两方面对其优缺点进行分析。首先从不整合结构层划分结果的精确度来看，地化元素分析法具有技术原理先进、分析结果指向性明确、结构层深度划分极其精准的特点，其作为判识不整合结构的“金手指”技术为广大一线油气勘探工作者所青睐。在对工区地质概况认识程度较高后，依靠分析人员对数理统计原理的深刻理解，测井资料主成分分析法同样可以有效对不整合结构层的深度进行较为可靠的划分，从划分的结果看（表1），与利用地化元素分析得到的方案差距不大，完全能够满足油田勘探开发的需求。

表1 H15井J/T不整合结构层不同技术判识结果分析表

其次从费用情况来看，地化元素分析法每测试一块样品的价格在500～800 元不等。单井不整合结构划分需要测试的样品数量少则十几块次，多则几十块次，单井测试费用数万元。而测井资料主成分分析法仅需要技术人员对前期测井资料进行数理统计，直接花费几乎为0。从费用角度考虑主成分分析法具有巨大优势。

4 结束语

地化元素分析法具有技术原理简单、分析结果指向性明确的特点，在勘探程度较低、地层认识不足、且测井资料相对较少的地区该技术手段具有较高的适用性。然而，对钻井取芯进行地球化学元素分析成本高昂、严重破坏岩芯，加之钻井取芯的成本较高、取芯资料相对稀少，因此该技术手段大规模推广很受局限。而测井资料主成分分析法虽然划分精度不如地化元素分析法，但从对比分析来看完全能满足油田勘探开发的需求。虽然测井资料的获取成本高昂，但考虑到每口钻井（无论探井还是开发井）均需要进行测井施工作业，而利用测井资料主成分分析法来划分不整合结构并没有增加施工作业的成本。因此，利用测井资料进行不整合结构划分具有资料丰富、实施成本低（仅需工业软件室内数据分析）、判识误差相对小的优点。该技术对于勘探相对成熟、地层认识全面的地区具有广阔的推广应用前景（表2）。

表2 不同划分技术的优缺点及应用前景