石玉江, 張海濤, 周金昱, 丁維盼, 王長勝

(中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院, 陜西 西安 710018)

0 引 言

為了提高儲層評價精度,一般都把儲層細分為若干單元進行評價。地層結(jié)構(gòu)也是一種地層單元,它比沉積微相更細致,同一種地層結(jié)構(gòu)具有相近的沉積環(huán)境,從而導(dǎo)致具有相似的巖性、物性和孔隙結(jié)構(gòu)特征,地層結(jié)構(gòu)劃分是一種可借鑒方法。通過地層結(jié)構(gòu)的劃分對尋找儲層甜點分布、壓裂改造層段優(yōu)選、產(chǎn)能建設(shè)將有一定的指導(dǎo)作用。

地層結(jié)構(gòu)是不同巖層的疊覆與堆積型式,可根據(jù)不同的旋回性、韻律性、砂體組合等進行劃分。測井資料具有縱向分辨率高、可連續(xù)反應(yīng)地層特征變化、包含地層信息豐富的優(yōu)勢,但測井資料的應(yīng)用并不充分,把測井曲線所包含的信息定量地反應(yīng)出來就顯得格外重要,測井屬性分析應(yīng)運而生。孫建孟、董經(jīng)利等[1-2]指出,測井屬性是指將測井數(shù)據(jù)經(jīng)過各種數(shù)學(xué)變換而推導(dǎo)出的有關(guān)測井曲線的幾何形態(tài)特征、統(tǒng)計學(xué)特征及物理特征的特殊度量值。一切從測井曲線上提取的參數(shù)都可以稱之為測井屬性,每一種測井屬性都從不同的角度反映了儲層特征,與儲層巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)、流體性質(zhì)等有密切關(guān)系[2]。

地層結(jié)構(gòu)是比沉積微相更細致的地層單元,地層結(jié)構(gòu)的劃分也可借鑒沉積微相的劃分方法。很多學(xué)者根據(jù)測井曲線利用計算機技術(shù)劃分沉積微相,這種方法簡單快速,人為因素較少,在各地區(qū)沉積微相劃分中取得不錯的效果。陳鋼花等[3]在對不同沉積微相測井響應(yīng)特征的研究分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計方法建立各種沉積微相的測井識別模式,實現(xiàn)了利用計算機技術(shù)對單井沉積微相自動連續(xù)識別。馬世忠等[4]提取反應(yīng)測井曲線幅度、形態(tài)的測井相參數(shù),優(yōu)選不同測井曲線的測井相參數(shù)建立各沉積微相識別模型,進行沉積微相的劃分。倪新鋒等[5]在對不同沉積微相測井響應(yīng)特征的研究分析的基礎(chǔ)上,提取若干個能反映沉積微相變化的參數(shù),并通過主成分分析對這些參數(shù)進行篩選,建立各類沉積微相的測井判別模型,對沉積微相進行連續(xù)自動識別。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上,主要通過3步完成地層結(jié)構(gòu)的劃分:①利用測井曲線自動分層;②提取表征各地層結(jié)構(gòu)的測井屬性特征參數(shù);③采用Bayes判別分析建立各類地層結(jié)構(gòu)的測井判別模型進行地層結(jié)構(gòu)識別。實際應(yīng)用顯示利用本文方法的地層結(jié)構(gòu)識別結(jié)果與取心地質(zhì)分析結(jié)果對比,吻合度較高。

1 不同地層結(jié)構(gòu)特征

(1) 塊狀砂巖結(jié)構(gòu)。塊狀砂巖結(jié)構(gòu)是指一段較厚的砂巖沉積體,此沉積體內(nèi)砂質(zhì)較純,結(jié)構(gòu)均一,地層非均質(zhì)性較弱,層內(nèi)測井響應(yīng)基本相同,屬于較好的儲層段。圖1中1 863～1 878 m段為塊狀砂巖結(jié)構(gòu),從圖1可以看出,該段測井曲線較平直,說明層段內(nèi)非均質(zhì)性較弱。

(2) 砂泥互層結(jié)構(gòu)。砂泥互層結(jié)構(gòu)是指層內(nèi)砂泥交互出現(xiàn),非均質(zhì)性較強,地層特征復(fù)雜,測井曲線一般呈現(xiàn)鋸齒狀,儲層質(zhì)量差。圖1中1 880～1 895 m段為砂泥互層結(jié)構(gòu),從圖1可以看出,該段測井曲線起伏較大,呈現(xiàn)鋸齒狀,說明層段內(nèi)非均質(zhì)性較強。

(3) 泥質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)。泥質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu)是指一段泥質(zhì)含量稍高的砂巖段,相比塊狀砂巖儲層泥質(zhì)含量較高,相比砂泥互層測井曲線變化不大,儲層特征相對穩(wěn)定,一般儲層質(zhì)量稍差。圖1中1 851～1 855 m段為泥質(zhì)砂巖結(jié)構(gòu),該段測井曲線幅度變化不大,泥質(zhì)含量稍高。

(4) 塊狀泥巖結(jié)構(gòu)。塊狀泥巖結(jié)構(gòu)是指層內(nèi)結(jié)構(gòu)均一的泥巖段,自然伽馬明顯高值,一般作為非儲層段,沒有開發(fā)價值。圖1中1 900～1 905 m段為塊狀泥巖結(jié)構(gòu)。

圖1 不同地層結(jié)構(gòu)示意圖*非法定計量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 地層結(jié)構(gòu)劃分研究

首先,對測井曲線進行平滑濾波,采用層內(nèi)差異法、聚類分析法進行測井曲線自動分層;然后,通過取心和地質(zhì)統(tǒng)計分析技術(shù)對關(guān)鍵井進行地層結(jié)構(gòu)人工識別,提取已識別的各地層結(jié)構(gòu)的測井屬性特征參數(shù);最后,采用Bayes判別分析建立各類地層結(jié)構(gòu)的測井判別模型,利用所建模型對研究區(qū)地層結(jié)構(gòu)進行識別。

2.1 測井曲線自動分層

2.1.1 利用層內(nèi)差異法分層

同一地層結(jié)構(gòu)具有相同的特性,可認為同一地層結(jié)構(gòu)內(nèi)的測井曲線均值是相對一定的,層內(nèi)測井曲線值的變化應(yīng)在某個范圍內(nèi),不超過容許誤差。若下一個采樣點的測井值與上層測井均值之差大于這個數(shù)值,則認為該采樣點不屬于上層;若下一個采樣點的測井值與上層測井均值之差小于這個數(shù)值,則可把該采樣點歸為上層。這就是利用層內(nèi)差異法分層的原理,如此分層可使層內(nèi)差異最小,層間差異最大[6]。

誤差函數(shù)大小控制著分層的粗細,一般誤差函數(shù)越小,分層越細,層數(shù)越多;誤差函數(shù)越大,分層越粗,層數(shù)越少。

2.1.2 利用聚類分析法并層

若只利用層內(nèi)差異法分層可能會使地層分的過細,把原本屬于同一地層的層段分為若干小層,從而增加計算機處理的數(shù)據(jù)量。為了節(jié)約時間,需要使個別小層得到合并,聚類分析法可以很好地解決這個問題[6]。

根據(jù)聚類分析法進行并層原理,首先計算第k層與第k+1層測井曲線值之間的馬哈拉諾比斯距離d,計算公式為

(1)

假設(shè)各層測井曲線值間的最小臨界距離為dmin。若dk,k+1≤dmin,則認為第k層與第k+1層屬于同一層,將2個層合并,并重新計算合并層的測井曲線均值;若dk,k+1>dmin則認為原分層合理,不作處理,進行下一層判別[6]。

最小臨界距離dmin的確定直接影響著利用聚類分析法并層的效果。最小臨界距離dmin根據(jù)地區(qū)實際情況,通過試驗確定。本文中dmin一般取5～10。

2.2 測井曲線屬性分析

不同的地層結(jié)構(gòu)有不同的沉積環(huán)境,造成不同的測井曲線特征,通過測井曲線屬性分析,提取測井屬性特征參數(shù),把測井曲線特征定量地體現(xiàn)出來,為定量描述地層結(jié)構(gòu)特征提供條件。

(1) 測井均值和正偏值。測井均值和正偏值都反映測井曲線幅度高低,測井曲線的幅度高低可以反映地層沉積物的分選性、沉積物的種類及含量、地層含油氣性、泥質(zhì)含量等特征。

測井均值VA

(2)

式中,V(i)為層段內(nèi)測井曲線的值;N為層段的采樣點數(shù)。

正偏值VH

(3)

式中,V(i)為大于VA的參數(shù)值;Nl為層段內(nèi)大于VA的采樣點數(shù)。

(2) 相對重心值。測井曲線的形態(tài)有漏斗形、鐘形、箱形等。測井曲線的形態(tài)可以判斷沉積物的粒序變化特征、沉積巖層的韻律性特征,代表沉積過程中的水流能量的高低,是地層沉積環(huán)境的綜合反映,對于沉積相的判斷具有重要意義。研究采用相對重心值研究曲線形態(tài),公式為

(4)

式中,ai為第i個點的測井值;N為采樣點數(shù)。

當?shù)貙拥腞M>0.5,曲線判斷為鐘形,重心位于下方,反映水流能量逐漸增強,曲線形態(tài)呈現(xiàn)正粒序特征;當?shù)貙拥腞M<0.5時,曲線判斷為漏斗形,重心位于上方,反映水流能量逐漸增強,曲線形態(tài)呈現(xiàn)逆粒序特征;當?shù)貙拥腞M=±0.5時,曲線判斷為箱形,重心居中,曲線形態(tài)呈現(xiàn)平直或?qū)ΨQ特征,反映水流能量基本穩(wěn)定,沉積環(huán)境基本相同。

(3) 平均鋸齒數(shù)和變差方根函數(shù)。曲線光滑程度可以反映沉積環(huán)境相對穩(wěn)定性。當沉積環(huán)境相對穩(wěn)定時,曲線越光滑,砂巖分選性好;當沉積環(huán)境不穩(wěn)定時,曲線呈現(xiàn)微鋸齒狀,砂巖分選不好,砂質(zhì)不純。研究采用平均鋸齒值和變差方根函數(shù)研究曲線光滑程度。

曲線的光滑程度可以通過曲線鋸齒個數(shù)的多少來反映,對于曲線的鋸齒個數(shù)可以通過構(gòu)建差分序列統(tǒng)計。差分序列是指相鄰采樣點測井值之差,如果相鄰采樣點差分值變號,且相鄰絕對差大于某個值(由經(jīng)驗給定,本文取0.1),則認為出現(xiàn)一個鋸齒。所以,差分序列變號的個數(shù)可以反映鋸齒的多少。為了便于比較,平均鋸齒數(shù)C計算公式

C=L/H

(5)

式中,L為相鄰絕對差大于0.1的差分序列變號個數(shù);H為層段厚度,m。

(6)

式中,S2為方差;G(h)為地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)中的變異系數(shù)。

(7)

(8)

方差S2反映層段內(nèi)測井曲線整體波動性的大小,而變異系數(shù)G(h)反映層段內(nèi)測井曲線的局部波動性大小。將方差S2和變異系數(shù)G(h)相結(jié)合,得到變差方根GS是考慮層段內(nèi)測井曲線的整體和局部波動性情況的一個綜合物理量。

根據(jù)上述理論,編寫程序,對關(guān)鍵井目標層段進行自動分層,利用取心和地質(zhì)分析技術(shù)對各層段油層結(jié)構(gòu)進行人工識別,并提取已識別的各油層結(jié)構(gòu)段的測井屬性特征參數(shù),為以后判別模型的建立奠定基礎(chǔ)。表1是提取的某井自然伽馬曲線測井屬性參數(shù)統(tǒng)計表,第1、5段代表塊狀砂巖段,第2、6段代表泥質(zhì)砂巖層段,第7、8、9段代表砂泥互層段,第3、4、10段代表塊狀泥巖段。從表1可以看出,自然伽馬曲線的均值與正偏值在不同地層結(jié)構(gòu)中變化較大,而自然伽馬曲線的重心值與平均鋸齒數(shù)相對變化較小。

表1 某井自然伽馬列曲線測井屬性參數(shù)統(tǒng)計表

2.3 采用Bayes判別建立各地層結(jié)構(gòu)識別模型

通過優(yōu)選對地層結(jié)構(gòu)較敏感的自然伽馬、聲波、中子和密度4條曲線,分別提取其測井屬性特征參數(shù),通過SPSS統(tǒng)計分析軟件,利用Bayes準則最終優(yōu)選了4個測井屬性特征參數(shù)建立不同地層結(jié)構(gòu)多元判別函數(shù),所建判別函數(shù)見式(9)。對于新的待判別樣本,按照判別函數(shù)達到最大值的原則,將樣本歸為判別函數(shù)值達到最大的地層結(jié)構(gòu)類。

Y1=0.53AGR+4.82GS,GR+3733.65ADEN+

792.81RM,CNL-5031.76

Y2=0.95AGR+4.81GS,GR+3908.69ADEN+

587.94RM,CNL-5424.78

Y3=0.88AGR+4.84GS,GR+3889.22ADEN+

632.24RM,CNL-5388.58

Y4=1.08AGR+4.81GS,GR+3941.65ADEN+

513.04RM,CNL-5493.42

(9)

式中,Y1、Y2、Y3、Y4分別是塊狀砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂泥互層、塊狀泥巖的判別函數(shù);AGR為層段內(nèi)自然伽馬曲線均值;GS,GR為層段內(nèi)自然伽馬曲線變差方根值;ADEN為層段內(nèi)密度曲線均值;RM,CNL為層段內(nèi)中子曲線重心值。

3 地層結(jié)構(gòu)劃分及平面應(yīng)用效果分析

應(yīng)用上述理論研究,結(jié)合研究區(qū)實際井況和現(xiàn)有資料,利用計算機自動處理了研究區(qū)共100余口井,總體處理效果不錯。圖2為A井地層結(jié)構(gòu)識別成果圖。模型判別出2 220～2 230 m段地層結(jié)構(gòu)為塊狀砂巖,該段測井曲線表現(xiàn)為自然伽馬低值,電阻率高值,三孔隙度曲線平直,符合塊狀砂巖測井曲線特征;模型判別出2 230～2 240 m段地層結(jié)構(gòu)為砂泥互層,該段測井曲線變化幅度較大,鋸齒較多,符合砂泥互層測井曲線特征;模型判別出2 205～2 210 m段地層結(jié)構(gòu)為泥質(zhì)砂巖,該段測井曲線變化幅度不大,鋸齒不多,但自然伽馬數(shù)值較高,符合泥質(zhì)砂巖測井曲線特征。從圖2看出,模型識別出的地層結(jié)構(gòu)符合各地層結(jié)構(gòu)的測井曲線特征,與測井曲線變化趨勢相吻合,說明識別結(jié)果正確,也說明該方法的可行性,準確性。

圖2 A井地層結(jié)構(gòu)識別成果圖

根據(jù)對研究區(qū)各地層結(jié)構(gòu)厚度及所占比例的統(tǒng)計,建立了各地層結(jié)構(gòu)所占比例平面分布圖。圖3是長7段塊狀砂巖所占比例平面圖。圖3中顏色越黃代表該地區(qū)塊狀砂巖所占比例越大,顏色越綠代表該地區(qū)塊狀砂巖所占比例越小。從圖3可以看出寧48井區(qū)顏色較黃,以塊狀砂巖為主,儲層非均質(zhì)性弱,物性好,為甜點富集區(qū),是產(chǎn)能建設(shè)優(yōu)選方位,而寧88、寧50、寧60井這一區(qū)域顏色偏綠,說明塊狀砂巖較少,儲層非均質(zhì)性強,儲層物性差,儲層多為干層。

圖3 長7塊狀砂巖所占比例平面圖

4 結(jié)論與認識

(1) 地層結(jié)構(gòu)是沉積體之間相互組合的形式,同一種地層結(jié)構(gòu)具有相同的沉積環(huán)境,從而導(dǎo)致具有相似的巖性、物性、孔隙結(jié)構(gòu)和含油性特征。

(2) 利用測井屬性分析可以提取反映測井曲線幅度、形態(tài)、光滑程度等的測井屬性參數(shù),把測井曲線包含的地層信息定量地表現(xiàn)出來,為精細研究地層特征提供了條件。

(3) 利用本文方法的地層結(jié)構(gòu)識別結(jié)果與取心地質(zhì)分析結(jié)果對比,吻合度較高。

(4) 通過對地層結(jié)構(gòu)的劃分,統(tǒng)計各層段地層結(jié)構(gòu)發(fā)育狀況,繪制各地層結(jié)構(gòu)平面分布圖,為基于地層結(jié)構(gòu)劃分的儲層精細評價奠定了基礎(chǔ),為深入研究儲層非均質(zhì)性,尋找甜點分布及產(chǎn)能建設(shè)具有重要指導(dǎo)意義。

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