金云智,高楚橋,高永德,陳嶸,杜超

(1.中海石油(中國(guó))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(zhǎng)江大學(xué),湖北 荊州 434023)

0 引 言

中國(guó)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(lái)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(duì)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(chǔ)集層段[3]。

火成巖巖性識(shí)別在火成巖儲(chǔ)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(chǔ)層特征研究、儲(chǔ)量計(jì)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(cè)井評(píng)價(jià)手段識(shí)別火成巖巖性的難度比較大。

地層元素測(cè)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(guò)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(duì)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(shí)可通過(guò)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(shí)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(jì)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(cè)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(cè)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(duì)新疆三塘湖盆地西部地層元素測(cè)井資料進(jìn)行了巖性定量評(píng)價(jià)。

1 方法理論分析

某地區(qū)特定地層中的礦物均有相對(duì)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(duì)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(shí),礦物中元素含量的百分比基本保持不變。只要精確測(cè)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(jì)算巖石巖性,需要2次推算,從元素到礦物,再?gòu)牡V物到巖性。每次推算需要建立模型反演計(jì)算,而且由于現(xiàn)有的計(jì)算手段均有誤差,導(dǎo)致誤差疊加而影響精度?？紤]特定條件下巖石的礦物成分相對(duì)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(cè)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(duì)固定,因而地層元素測(cè)井為火成巖性成分的定量計(jì)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(jì)算火成巖成分。

通過(guò)對(duì)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(jì)(見(jiàn)表1),得知該區(qū)目的層段火成巖巖石類型比較簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)油、可動(dòng)油、可動(dòng)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(jiàn)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(gè)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(gè)數(shù);Bi為地層中第i種元素含量的地層元素測(cè)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(wèn)題可轉(zhuǎn)換成求極值問(wèn)題,見(jiàn)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(duì)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(shí)可求解的地層的組分個(gè)數(shù)要小于所選用的地層元素元素的個(gè)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(shí)可計(jì)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(dòng)選擇迭代初始值,通過(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)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(jiàn)圖1)。

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

4 實(shí)際測(cè)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(shí),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(cè)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(cè)井資料解釋成果圖。通過(guò)與薄片分析和錄井剖面的對(duì)比,認(rèn)為火成巖巖性成分含量計(jì)算結(jié)果可靠。表3為薄片分析結(jié)果與火成巖含量計(jì)算結(jié)果對(duì)比表。由表3可知,共統(tǒng)計(jì)薄片結(jié)果深度點(diǎn)208個(gè),符合點(diǎn)數(shù)184個(gè),由計(jì)算結(jié)果識(shí)別巖性符合率為88.5%,驗(yàn)證了該方法的有效性。

表3 測(cè)井計(jì)算巖石含量與薄片分析結(jié)果對(duì)比表(部分)

表3(續(xù))

圖2 L井地層元素測(cè)井資料處理成果圖

圖3 M井地層元素測(cè)井資料處理成果圖

5 結(jié)論

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

(2)該方法化簡(jiǎn)了由火成巖地層元素到礦物成分再到火成巖巖性的過(guò)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(cè)井資料解釋提供了簡(jiǎn)便可行的方法。

(3)若能結(jié)合常規(guī)測(cè)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(cè)井響應(yīng)定量解釋火成巖巖性,效果可能會(huì)更好。