朱博遠(yuǎn)，張超謨，2，張占松，2，朱林奇，周雪晴

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，武漢 430100；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430100）

0 引言

古潛山油氣藏巖性復(fù)雜，曾長(zhǎng)期暴露地表遭受風(fēng)化剝蝕，并經(jīng)歷多期構(gòu)造作用的疊加改造，因而各類次生儲(chǔ)集空間發(fā)育，形成了儲(chǔ)集空間復(fù)雜、非均質(zhì)性較強(qiáng)的儲(chǔ)集層［1-2］。經(jīng)過(guò)多年的勘探研究，在渤海灣盆地渤中凹陷西南部的渤中19-6 深層太古界潛山構(gòu)造帶儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了千億立方米大型凝析氣田，為該構(gòu)造目前已發(fā)現(xiàn)的最大氣田，該構(gòu)造帶儲(chǔ)層是由太古界變質(zhì)巖和上覆砂礫巖共同構(gòu)成的儲(chǔ)層系統(tǒng)，稱為深層泛潛山儲(chǔ)層系統(tǒng)［3-6］。在渤海灣地區(qū)中，如蓬萊9-1 潛山區(qū)域及錦州25-1 潛山區(qū)域中的巖性較為單一，常見(jiàn)片麻巖、花崗巖為主［7-9］，而渤中19-6 潛山構(gòu)造帶儲(chǔ)層常見(jiàn)變質(zhì)巖層段中夾雜著玢巖、斑巖、輝綠巖等后期侵入體和安山巖、玄武巖等噴出巖，且長(zhǎng)石普遍發(fā)生絹云母化、云母被鐵白云石交代［10］。巖性及其礦物組分多樣化導(dǎo)致使用“Wylie”方程等經(jīng)典公式或線性與非線性回歸等傳統(tǒng)方法對(duì)準(zhǔn)確求解物性參數(shù)帶來(lái)較大困難［11-14］。因此，迫切須要開(kāi)展復(fù)雜巖性和礦物組分的測(cè)井研究，通過(guò)已有的巖心測(cè)試資料和測(cè)井曲線對(duì)礦物組分含量進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)未取心井進(jìn)行反演。

通過(guò)測(cè)井資料和實(shí)驗(yàn)巖心，對(duì)渤中19-6 太古界潛山構(gòu)造帶巖性進(jìn)行分析，采用最優(yōu)化方法，建立多礦物組分反演模型，并對(duì)該模型進(jìn)行改進(jìn)，利用測(cè)井資料計(jì)算得到石英、長(zhǎng)石、重礦物和云母含量及有效孔隙度，以期為復(fù)雜巖性剖面解釋及物性評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)。

1 復(fù)雜巖性分析

圖1 BZ19-6-X 井潛山層段綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive histogram of buried hill layer in well BZ19-6-X

依據(jù)實(shí)驗(yàn)巖心和常規(guī)測(cè)井資料及電成像裂縫拾取，綜合分析了太古界潛山地層的巖性特征，發(fā)現(xiàn)渤中19-6 潛山構(gòu)造帶儲(chǔ)層儲(chǔ)集空間類型主要為裂縫型、孔隙型、孔隙-裂縫型［15-17］。巖性以變質(zhì)巖（片麻巖）為主，含有少量侵入巖（玢巖）、噴出巖（安山巖）及其他巖性［10］。在礦物組分上，含有火成巖塊、巖漿巖塊、石英巖塊等巖屑組分。以BZ19-6-X井為例（圖1），二長(zhǎng)片麻巖（圖1 中4 257 m）巖石組分主要為斜長(zhǎng)石，體積分?jǐn)?shù)約為40%，鉀長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)約為35%，石英體積分?jǐn)?shù)約為20%，黑云母體積分?jǐn)?shù)約為5%；礦物晶粒粗大，晶粒間接觸緊密，可見(jiàn)嵌晶包含結(jié)構(gòu)；長(zhǎng)石絹云母化。斜長(zhǎng)片麻巖（圖1中4 245 m）巖石組分主要為斜長(zhǎng)石，體積分?jǐn)?shù)約為53%，石英體積分?jǐn)?shù)約為30%，鉀長(zhǎng)石體積分?jǐn)?shù)約為13%，黑云母體積分?jǐn)?shù)約為4%；礦物晶粒較粗，多呈粗晶；巖石內(nèi)見(jiàn)兩期巖石裂縫，被泥質(zhì)、黃鐵礦等充填；局部可見(jiàn)鐵白云石和白云石交代。輝綠玢巖（圖1 中4 309 m）主要礦物組分為基性斜長(zhǎng)石，體積分?jǐn)?shù)約為65%、石英體積分?jǐn)?shù)約為33%，黑云母及輝石和少量鐵質(zhì)礦物，體積分?jǐn)?shù)約為2%；具輝綠結(jié)構(gòu)特征，部分輝石蝕變?yōu)榫G泥石。

斜長(zhǎng)片麻巖層段（圖1 中4 243～4 250 m，4 269～4 275 m）測(cè)井曲線呈高自然伽馬，具有明顯的峰狀；有效孔隙度平均在8%左右；該段礦物含量曲線有較明顯的起伏；該儲(chǔ)層段裂縫發(fā)育。二長(zhǎng)片麻巖層段（圖1 中4 250～4 269 m，4 275～4 305 m）測(cè)井曲線呈高電阻率；儲(chǔ)層段平均孔隙度約為5%；該段礦物含量曲線未出現(xiàn)明顯的起伏；該儲(chǔ)層段裂縫發(fā)育。潛山侵入地層（圖1 中4 305～4 320 m）測(cè)井曲線呈高光電吸收截面指數(shù)、低自然伽馬、高密度、高中子和高電阻率，其中光電吸收截面指數(shù)、自然伽馬、密度和中子呈明顯的箱形；該段平均孔隙度約為2%；該段礦物含量曲線未出現(xiàn)明顯的起伏；見(jiàn)幾條微小裂縫，其內(nèi)被鐵白云石等礦物充填。

綜上對(duì)巖石學(xué)特征、測(cè)井響應(yīng)特征、物性、礦物組分含量和裂縫分布等方面的描述表明：渤中19-6構(gòu)造帶太古界潛山地層礦物組分十分復(fù)雜，除長(zhǎng)石、石英和黑云母外，還有蝕變作用生成的絹云母，鐵白云石和伴生的鐵質(zhì)礦物等膠結(jié)物；同種巖類，斜長(zhǎng)片麻巖測(cè)井響應(yīng)特征及礦物含量與二長(zhǎng)片麻巖相比具有明顯差異；非同種巖石，片麻巖和侵入巖測(cè)井響應(yīng)特征也有較大差異；二長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖和侵入巖之間的孔隙度差異及裂縫發(fā)育程度受礦物含量變化的影響，可反映出不同巖性的儲(chǔ)集空間結(jié)構(gòu)可能存在差異，非均質(zhì)性強(qiáng)。因此太古界潛山巖性極其復(fù)雜，直接利用常規(guī)測(cè)井曲線難以準(zhǔn)確計(jì)算巖石骨架各礦物的含量。

2 重礦物識(shí)別

基于復(fù)雜巖性分析，渤中19-6 太古界潛山地層中發(fā)育重礦物。根據(jù)巖心薄片鏡下特征及X 射線衍射全巖礦物含量（表1）確定了重礦物以鐵白云石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4.4%）、黃鐵礦（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.25%）和菱鐵礦（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為3.5%）為主，這3 種重礦物的測(cè)井密度介于3.08～5.01 g/cm3、補(bǔ)償中子介于5.7%～13.7%、光電吸收截面指數(shù)介于14.5～23 b/e和自然伽馬介于0～10 API［18］，與石英和長(zhǎng)石相比，呈高光電吸收截面系數(shù)、低自然伽馬、高補(bǔ)償密度和高補(bǔ)償中子，發(fā)現(xiàn)該重礦物測(cè)井響應(yīng)值與侵入巖地層（圖1 中4 305～4 320 m）測(cè)井響應(yīng)特征相似，并且該層段薄片中鑒定有重礦物，因此重礦物測(cè)井響應(yīng)特征符合地質(zhì)認(rèn)識(shí)。

表1 渤中19-6 太古界潛山層段礦物X 射線衍射全巖礦物含量Table 1 X-ray diffraction full-rock mineral content of heavy minerals in Bozhong 19-6 Archean buried hill%

重礦物對(duì)光電吸收截面指數(shù)、自然伽馬、補(bǔ)償密度和補(bǔ)償中子等較為敏感，根據(jù)這一特性，建立了Icl1與Icl2等2 條重礦物指示曲線。Icl1［19］為中子和密度計(jì)算的視灰?guī)r孔隙度之差，Icl2為光電吸收截面指數(shù)相對(duì)值與自然伽馬相對(duì)值之差，其表達(dá)式如下：

式中：CNL為中子孔隙度測(cè)井值，小數(shù)；DEN為補(bǔ)償密度測(cè)井值，g/cm3；PE為光電吸收截面指數(shù)，b/e；GR為自然伽馬，API；PEmax為PE與GR在圖版上重疊后的最大刻度值，b/e；PEmin為PE與GR在圖版上重疊后的最小刻度值，b/e；GRmax為GR與PE在圖版上重疊后的最大刻度值，API；GRmin為GR與PE在圖版上重疊后的最小刻度值，API。

參考已知巖石薄片及X 射線衍射中的重礦物和測(cè)井曲線響應(yīng)特征對(duì)重礦物雙指示曲線進(jìn)行閾值選取，以BZ19-6-X 井為例，分別取值0.077 和0.290。從圖2 可以看出，用2 條指示曲線對(duì)BZ19-6-X 井侵入巖中的重礦物進(jìn)行雙重識(shí)別，綠色部分為識(shí)別出的重礦物，識(shí)別結(jié)果可參照重礦物反演計(jì)算結(jié)果，如果指示曲線在對(duì)應(yīng)深度段確實(shí)識(shí)別出重礦物，則被視為重礦物層。通過(guò)重礦物的識(shí)別，為后續(xù)提高多礦物反演計(jì)算精度起到至關(guān)重要的作用。

圖2 BZ19-6-X 井雙指示曲線識(shí)別重礦物Fig.2 Heavy mineral identification by double indicator curves in well BZ19-6-x

3 測(cè)井多礦物反演

多礦物反演利用組分響應(yīng)疊加原理，聯(lián)合多種測(cè)井曲線資料刻畫礦物組分，具有較高的精度，最優(yōu)化反演方法在砂巖地層和頁(yè)巖地層評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用［20-23］。相比砂巖，在渤中19-6 潛山變質(zhì)巖儲(chǔ)層中，最優(yōu)化反演方法有明顯的改進(jìn)：礦物成分較多，對(duì)須要反演的礦物進(jìn)行了優(yōu)化；該礦物組分反演難度大，增加非線性響應(yīng)方程，對(duì)優(yōu)化算法的要求更高；一口井可能存在曲線響應(yīng)過(guò)于復(fù)雜以至于基礎(chǔ)模型無(wú)法解決所有問(wèn)題，如重礦物影響、擴(kuò)徑影響、伽馬異常和反演曲線異常等，所以建立了以基礎(chǔ)模型為主、多個(gè)分模型相結(jié)合的組合模型。

3.1 礦物的求解方法

反演中用到的測(cè)井曲線為聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子、自然伽馬、深電阻率和體積光電吸收截面，由于用于反演的曲線較少，為保證反演的效果必須要求測(cè)井曲線數(shù)目不少于要反演的礦物種類，所以將鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石合并為長(zhǎng)石，鐵白云石、黃鐵礦和菱鐵礦合并為重礦物進(jìn)行反演。黑云母等暗色礦物，即使其含量較少，但它們對(duì)電測(cè)資料的影響較大，在資料處理中不能忽略［20］。

3.2 目標(biāo)函數(shù)及限制條件

測(cè)量得到的曲線中大多數(shù)響應(yīng)方程是線性的或可以變成線性的，如自然伽馬、密度等，線性響應(yīng)方程的一般形式為

式中：M為測(cè)井曲線；n為地層組分?jǐn)?shù)，個(gè)；Vi為組分i的體積分?jǐn)?shù)，%；Ri為組分i的響應(yīng)參數(shù)。

結(jié)合式（3），得到反演公式為

式中：DT為聲波時(shí)差，μs/m；U為體積光電吸收截面指數(shù)（補(bǔ)償密度與光電吸收截面指數(shù)乘積），b/cm3；fpor為孔隙流體（有效孔隙度），小數(shù)。

求解V1,V2,…,Vn。得到非線性電阻率響應(yīng)方程［11］為

式中：a為與巖性有關(guān)的巖性系數(shù)；m為膠結(jié)指數(shù)；c為飽和度指數(shù)；Rt為地層電阻率，Ω·m；φt為孔隙度，無(wú)因次；Rw為地層水電阻率，Ω·m；Sw為含水飽和度，無(wú)因次。

在反演過(guò)程中還內(nèi)置了與組分含量有關(guān)的限制條件：

（1）所有組分體積之和等于100%，即

式中：n+f為巖石骨架組分?jǐn)?shù)，個(gè)。

（2）單個(gè)組分的體積分?jǐn)?shù)介于0～100%。

（3）沖洗帶與原狀地層孔隙體積相等，即

式中：flu為地層沖洗帶組分?jǐn)?shù)，個(gè)。

3.3 模型的建立

儲(chǔ)層中既有鉀長(zhǎng)石，又有斜長(zhǎng)石，并且鉀長(zhǎng)石中又見(jiàn)微斜長(zhǎng)石，斜長(zhǎng)石中又見(jiàn)鈉長(zhǎng)石與鈣長(zhǎng)石，所以長(zhǎng)石測(cè)井響應(yīng)參數(shù)不唯一，只用一類長(zhǎng)石測(cè)井響應(yīng)參數(shù)無(wú)法滿足反演要求。根據(jù)張愛(ài)軍［18］的描述（表2），確定了參數(shù)中差異較大的體積密度、縱波時(shí)差、自然伽馬和體積光電吸收截面的范圍值，經(jīng)過(guò)進(jìn)行多次調(diào)試，分析各長(zhǎng)石之間的權(quán)重，最終選取了最恰當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)石參數(shù)（表2），而其他測(cè)井響應(yīng)參數(shù)即參考測(cè)井解釋軟件給出的默認(rèn)值。

表2 潛山長(zhǎng)石測(cè)井響應(yīng)參數(shù)選取Table 2 Selection of logging parameters for buried hill feldspar

由于一口井可能存在曲線響應(yīng)過(guò)于復(fù)雜以至于基礎(chǔ)模型無(wú)法解決所有問(wèn)題，此時(shí)須要借助模型組合，模型組合是利用判斷語(yǔ)句，對(duì)儲(chǔ)層類別進(jìn)行判斷。其中模型概率方程用于確定模型組合中每個(gè)模型的概率，概率最大的模型即為被選用的模型，概率計(jì)算可用線性函數(shù)表示，即

式中：linear 為有關(guān)線性函數(shù)；Y為模型概率值；Xi為第i個(gè)限制條件。當(dāng)X1變化到Xi時(shí)，Y從0 變化到1，可以理解為模型使用Xi的結(jié)果，這樣的函數(shù)提供穩(wěn)健的從一個(gè)模型到另外一個(gè)模型的轉(zhuǎn)換。

圖3 測(cè)井曲線反演重礦物Fig.3 Log inversion of heavy minerals

潛山地層中易發(fā)生鐵白云石交代、絹云母化等蝕變作用，常伴隨鐵質(zhì)礦物的出現(xiàn)，這些鐵白云石、黃鐵礦和菱鐵礦等鐵質(zhì)礦物的測(cè)井響應(yīng)參數(shù)也不唯一，但與調(diào)試長(zhǎng)石參數(shù)不同的是，不論怎樣選取參數(shù)，也無(wú)法取得最恰當(dāng)?shù)闹氐V物測(cè)井參數(shù)（圖3），直接利用基礎(chǔ)模型反演礦物，會(huì)使整個(gè)潛山地層出現(xiàn)大量的重礦物，造成較大計(jì)算誤差。從圖3 可以看出，基礎(chǔ)模型反演出重礦物的地方，并沒(méi)有明顯的重礦物測(cè)井響應(yīng)特征，通過(guò)不斷地模型調(diào)試，引入雙指示曲線，將2 條指示曲線的閾值作為基礎(chǔ)模型的限制條件，再進(jìn)行反演（重礦物模型），有效篩選出重礦物，這樣就提高了多礦物反演計(jì)算精度。在分模型中，除重礦物模型，還增加了擴(kuò)徑模型，由于變質(zhì)巖儲(chǔ)層較厚，經(jīng)常會(huì)分多次測(cè)量，出現(xiàn)井壁垮塌，其中受影響的主要是補(bǔ)償密度和光電吸收截面指數(shù)，因此在擴(kuò)徑深度段內(nèi)去掉補(bǔ)償密度和體積光電吸收截面指數(shù)這2 條反演曲線。除了上述模型外，還用到了高伽馬模型，有些井段會(huì)出現(xiàn)自然伽馬值異常偏大的現(xiàn)象，基礎(chǔ)模型中的伽馬測(cè)井參數(shù)相對(duì)較小，不適用于這種層段，須要調(diào)高伽馬測(cè)井參數(shù)值，使反演過(guò)程中的重構(gòu)自然伽馬曲線與測(cè)量伽馬吻合較好。

在礦物組分反演時(shí)，求解聯(lián)立的方程組過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)方程組數(shù)目大于未知數(shù)個(gè)數(shù)，這種現(xiàn)象被稱為超定［24］。其非相關(guān)函數(shù)計(jì)算方法如下：

式中：DENRE為理論密度曲線，g/cm3；DENCH為實(shí)際密度曲線，g/cm3；DENWM為密度曲線的權(quán)重；DENUNC為密度曲線的不確定度，g/cm3。

在反演結(jié)束后，需要一條質(zhì)量控制曲線（Inco為歸一化后的非相關(guān)函數(shù)），進(jìn)行理論測(cè)井曲線與實(shí)際測(cè)井曲線的對(duì)比。

4 應(yīng)用結(jié)果

圖4 BZ19-6-A 井反演綜合解釋成果圖Fig.4 Inversion interpretation results of well BZ19-6-A

BZ19-6-A 井經(jīng)過(guò)礦物組分最優(yōu)化解釋處理，使用了基礎(chǔ)模型、重礦物模型和高伽馬模型，對(duì)聲波時(shí)差、補(bǔ)償密度、補(bǔ)償中子、自然伽馬、體積光電吸收截面指數(shù)、深電阻率曲線進(jìn)行了最優(yōu)化測(cè)井解釋。結(jié)果表明（圖4）：①通過(guò)計(jì)算得到的重構(gòu)測(cè)井曲線與實(shí)際測(cè)量的自然伽馬、體積光電吸收截面指數(shù)、補(bǔ)償中子、補(bǔ)償密度、聲波時(shí)差和深電阻率曲線吻合得較好。②計(jì)算石英含量、長(zhǎng)石含量和云母含量與薄片鑒定結(jié)果趨勢(shì)基本保持一致，所得礦物組分含量與薄片巖心吻合較好。③3 921～3 923 m 處，見(jiàn)雙指示曲線對(duì)重礦物識(shí)別的結(jié)果，最終組合模型反演計(jì)算的有效孔隙度比基礎(chǔ)模型反演計(jì)算的有效孔隙度與巖心更吻合。④組合模型反演計(jì)算的有效孔隙度與巖心基本吻合，精度明顯高于多元回歸法計(jì)算的有效孔隙度。

分別對(duì)BZ19-6-A 井、BZ19-6-B 井和BZ19-6-C 井的106 塊樣品進(jìn)行了誤差分析：將BZ19-6-A 井、BZ19-6-B 井和BZ19-6-C 井的測(cè)井解釋有效孔隙度與巖心孔隙度作交會(huì)圖，數(shù)值點(diǎn)為潛山某一層段的平均值，其值基本落在45°的直線上，有效孔隙度與巖心一致性較好（圖5）。

圖5 潛山地層孔隙度交會(huì)圖Fig.5 Crossplot of porosity of buried hill formation

5 結(jié)論

（1）渤中19-6 太古界潛山構(gòu)造帶受蝕變作用、測(cè)井響應(yīng)特征、礦物含量、孔隙度及裂縫發(fā)育的影響，儲(chǔ)層巖性極其復(fù)雜，導(dǎo)致巖石礦物骨架難以精確計(jì)算，使用經(jīng)典公式或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算物性參數(shù)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

（2）潛山地層重礦物含量高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8%），且重礦物組分及類型多樣，常見(jiàn)鐵白云石、黃鐵礦和菱鐵礦；由于直接利用多礦物反演的方法會(huì)使重礦物反演結(jié)果偏大，進(jìn)而使孔隙度計(jì)算偏大。為此，根據(jù)重礦物測(cè)井響應(yīng)特征，建立雙指示曲線模型識(shí)別重礦物，并應(yīng)用于多礦物反演模型中，較好地降低了由重礦物計(jì)算不準(zhǔn)確造成的誤差。

（3）基于復(fù)雜巖性分析，建立了一套適用于渤中19-6 太古界潛山復(fù)雜巖性儲(chǔ)層礦物組分反演模型。采用最優(yōu)化反演方法，對(duì)其優(yōu)化了礦物組分及相應(yīng)測(cè)井參數(shù)；增加非線性響應(yīng)控制；采用多種模型組合的方式對(duì)剖面進(jìn)行解釋評(píng)價(jià)。反演計(jì)算出的礦物含量與薄片巖心大致相同，顯著提升了孔隙度計(jì)算精度，較好地降低了由于礦物成分復(fù)雜對(duì)物性計(jì)算造成的影響。