金云智,高楚橋,高永德,陳嶸,杜超

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524057;2.油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長江大學(xué),湖北 荊州 434023)

0 引 言

中國東部和中西部油區(qū)存在大量的火成巖油藏,隨著這些油藏的發(fā)現(xiàn)和開發(fā),火成巖油藏已引起人們的極大關(guān)注,并且成為近年來勘探開發(fā)的熱點(diǎn)[1]。新疆三塘湖盆地位于吐哈油田北部,石炭系地層發(fā)育相對齊全,發(fā)育大面積、多套火成巖[2],哈爾加烏組和卡拉崗組為主要的火成巖儲集層段[3]。

火成巖巖性識別在火成巖儲層地質(zhì)研究中至關(guān)重要,它是巖相、噴發(fā)周期劃分的主要依據(jù),也是儲層特征研究、儲量計算和地質(zhì)建模的基礎(chǔ)[1]。然而,由于火成巖巖石類型復(fù)雜,不同噴發(fā)方式、不同噴發(fā)期次、不同區(qū)域及層位具有不同的巖性,不僅同一區(qū)域或?qū)游粠r石所含的礦物成分不同,而且同一種巖性所含的礦物成分也有很大差別,常規(guī)測井評價手段識別火成巖巖性的難度比較大。

地層元素測井ECS(Elemental Capture Spectroscopy)利用快中子與地層中的原子核發(fā)生非彈性散射碰撞及熱中子被俘獲的原理,通過解譜和氧化物閉合模型得到地層中主要造巖元素(Si、Ca、Fe、Al、S、Ti、Cl、H、Gd等)的相對百分含量[4]。理論上當(dāng)?shù)V物組分中元素含量穩(wěn)定且有明顯差異時可通過元素含量可直接推算火成巖巖石礦物組分,但在實(shí)際運(yùn)算時往往由于同一種巖性所含的礦物成分不穩(wěn)定,且同一種礦物所含的化學(xué)元素也有很大差別,導(dǎo)致計算結(jié)果的可靠性不高,只有在特定地層應(yīng)用該方法才能獲得較可靠結(jié)果。

本文分析了地層元素測井所獲得的主要造巖元素與火成巖巖性關(guān)系,構(gòu)建火成巖地層元素測井資料與其各巖性間的關(guān)系模型,并建立最優(yōu)化算法定量求解火成巖巖性組分含量方法,對新疆三塘湖盆地西部地層元素測井資料進(jìn)行了巖性定量評價。

1 方法理論分析

某地區(qū)特定地層中的礦物均有相對固定的化學(xué)元素成分,巖石則由不同的礦物所組成,不同巖石也有其相對固定的礦物成分。當(dāng)?shù)V物的化學(xué)成分比較穩(wěn)定,且成巖礦物種類較少,各種礦物組分中元素含量有明顯差異時,礦物中元素含量的百分比基本保持不變。只要精確測量到這些化學(xué)元素的含量,便可以推算地層主要礦物含量;再根據(jù)這些礦物的含量,推算出地層巖石巖性。通常利用化學(xué)元素計算巖石巖性,需要2次推算,從元素到礦物,再從礦物到巖性。每次推算需要建立模型反演計算,而且由于現(xiàn)有的計算手段均有誤差,導(dǎo)致誤差疊加而影響精度。考慮特定條件下巖石的礦物成分相對固定,而礦物的化學(xué)元素成分也很固定,特定條件下巖石的化學(xué)元素成分也很固定,故此可直接建立化學(xué)元素到巖性的關(guān)系,由化學(xué)元素含量直接反演求出巖性。

地殼中分布最廣的元素:O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K,而地層元素測井資料提供的是地層Al、Ca、Fe、Gd、H、Si、S、Ti的含量[5]。但由于特定地區(qū)特定地層中不同的火成巖巖性以上各元素的含量不同而且相對固定,因而地層元素測井為火成巖性成分的定量計算提供了資料保障,利用最優(yōu)化技術(shù)和地層組分分析模型可計算火成巖成分。

通過對三塘湖盆地西部的A1井、A4井、A7井、A8井等井目的層段的巖石薄片鑒定結(jié)果統(tǒng)計(見表1),得知該區(qū)目的層段火成巖巖石類型比較簡單且區(qū)域分布比較穩(wěn)定,礦物組分和元素含量比較穩(wěn)定,K和Na元素含量不高且穩(wěn)定,幾種火成巖組分的元素含量差異相對明顯,玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、輝綠巖的硅元素含量逐漸增高,對其應(yīng)用地層組分分析、最優(yōu)化分析等方法可定量求解地層的巖性成分含量。

2 模型分析

2.1 物理模型

三塘湖盆地西區(qū)目的層段火成巖,可以看成是由不動油、可動油、可動水、天然氣、泥質(zhì)以及巖石的各種骨架礦物:玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、灰綠巖、砂巖等組成的(見表2)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)地層組分模型,地層中某種元素的含量是它在各種巖性組分中含量之和,用通式表示為

(1)

式中,n為組成地層的組分個數(shù);xj為第j種巖性組分在地層中的含量;m為所選用的地層元素元素的個數(shù);Bi為地層中第i種元素含量的地層元素測井值;Aij為第i種元素在第j種純巖性組分中的含量。

表2 地層組分分析物理模型表

在式(1)中加入有關(guān)的約束條件,得到式(2)。由線性最小二乘原理,解式(2)這一帶約束線性方程組的問題可轉(zhuǎn)換成求極值問題,見式(3)。

(2)

(3)

式中,i=1,2,…,m;j=1,2,…,n;c、xmax,j均為常數(shù);在地層組分分析程序中c=1,xmax,j為第j種組分的最大相對體積;f(x)為目標(biāo)函數(shù)[6]。

式(2)為一帶約束的超定線性方程組。故此,同時可求解的地層的組分個數(shù)要小于所選用的地層元素元素的個數(shù)。如選取Al、Ca、Fe、H、Si、S、Ti作為地層元素元素,最多可求解玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、灰綠巖、砂巖,泥巖等6種巖性含量,同時可計算出地層的有效孔隙度。

3 求解算法

該模型算法不需要手動選擇迭代初始值,通過系統(tǒng)的自動賦初值后不斷迭代。求得的解是嚴(yán)格滿足約束條件的全局極小值(見圖1)。

圖1 地層組分分析程序中求解數(shù)學(xué)模型的計算機(jī)流程圖

4 實(shí)際測井資料處理

選取新疆三塘湖盆地的實(shí)際資料進(jìn)行解釋。該盆地火成巖以中基性熔巖為主,主要是玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、輝綠巖。因此,巖性解釋時,限定骨架巖性組分僅包含玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r、灰綠巖、泥和砂巖。圖2為三塘湖盆地西區(qū)L井某井段地層元素測井資料解釋成果圖。圖3為三塘湖盆地西區(qū)M井某井段地層元素測井資料解釋成果圖。通過與薄片分析和錄井剖面的對比,認(rèn)為火成巖巖性成分含量計算結(jié)果可靠。表3為薄片分析結(jié)果與火成巖含量計算結(jié)果對比表。由表3可知,共統(tǒng)計薄片結(jié)果深度點(diǎn)208個,符合點(diǎn)數(shù)184個,由計算結(jié)果識別巖性符合率為88.5%,驗(yàn)證了該方法的有效性。

表3 測井計算巖石含量與薄片分析結(jié)果對比表(部分)

表3(續(xù))

圖2 L井地層元素測井資料處理成果圖

圖3 M井地層元素測井資料處理成果圖

5 結(jié)論

(1)通過實(shí)際資料處理驗(yàn)證了在火成巖巖石類型比較簡單且區(qū)域分布比較穩(wěn)定時由地層元素測井資料直接定量計算火成巖巖性方法的可行性。

(2)該方法化簡了由火成巖地層元素到礦物成分再到火成巖巖性的過程為由火成巖地層元素直接定量反演出火成巖巖性,為火成巖地層的地層元素測井資料解釋提供了簡便可行的方法。

(3)若能結(jié)合常規(guī)測井資料,綜合分析不同火成巖的自然伽馬、聲波、中子、電阻率等測井響應(yīng)定量解釋火成巖巖性,效果可能會更好。