白 燁，薛林福，石玉江，潘保芝，張海濤，王建強

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春 130026;2.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安 710018;3.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林長春 130026)

對深層砂巖油氣藏地層，成巖作用產(chǎn)生的次生孔、裂隙是油氣主要的儲集空間和運移通道。成巖作用的類型和作用強度由于受到地層非均質(zhì)性影響，變化較大。為了反應(yīng)儲集體經(jīng)歷多期次、多類型成巖作用改造后的最終狀態(tài)，Railsback在對碳酸鹽成巖作用研究時提出了成巖相的概念［1］。成巖相類別劃分所參考的因素包括成巖環(huán)境、事件、代表性礦物及儲集體形成微觀結(jié)構(gòu)等［2-9］，最終目的是為表述成巖相在儲集體孔縫演化中所起的作用?，F(xiàn)階段對取心段地層成巖相研究主要采用薄片、鑄體薄片及掃描電子顯微鏡試驗手段。未取心地層一般采用統(tǒng)計學(xué)方法和地球物理測井信息結(jié)合模式識別算法兩種手段進(jìn)行成巖相識別。統(tǒng)計法利用沉積微相與成巖相間對應(yīng)關(guān)系，通過沉積微相展布規(guī)律推導(dǎo)成巖相空間分布［3，10-11］，但因沉積體骨架顆粒及孔隙流體性質(zhì)的差異［12］，統(tǒng)計學(xué)方法分析結(jié)果精度較差。利用地球物理測井信息結(jié)合模式識別算法對成巖相類型進(jìn)行劃分時，由于成巖相測井特征表現(xiàn)復(fù)雜、多樣［13-14］，常在多維數(shù)據(jù)空間同樣難于有效區(qū)分，識別效率較低。筆者以巖性作為測井特征提取成巖相識別單元，排除巖性差異對測井信息影響，控制識別單元發(fā)育成巖相類型，并利用黏土礦物含量比值，反映孔隙流體酸堿性，以提高判別結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 成巖相類型影響因素及測井成巖相

成巖相代表沉積物經(jīng)歷多次溶蝕、膠結(jié)和壓實等成巖作用后，所呈現(xiàn)的一個最終狀態(tài)［15］，因此判斷儲集體成巖作用類型是成巖相識別的基礎(chǔ)。通過對取心成巖作用分析，影響成巖作用類型的主要因素為巖石骨架顆粒成分及孔隙流體性質(zhì)影響。

1.1 巖石骨架顆粒成分

巖石骨架顆粒是成巖作用改造的主要目標(biāo)，在相同流體介質(zhì)情況下，不同成分顆粒能夠產(chǎn)生的成巖作用類型具有差異性。以碎屑巖為例，其骨架顆粒一般為石英、長石和巖屑。在石英顆粒含量較高的石英砂巖中，由于石英的穩(wěn)定性，因此成巖作用一般以硅質(zhì)膠結(jié)為主，只有少量石英顆粒邊緣發(fā)生溶蝕作用。而在巖屑砂巖、長石砂巖及其過渡巖性中，膠結(jié)作用常表現(xiàn)為硅質(zhì)膠結(jié)、鈣質(zhì)膠結(jié)及黏土礦物充填等，溶蝕作用則可作用于長石、巖屑顆粒及膠結(jié)物。這類巖性成巖相類型具有多類別、多期次的特點。

1.2 孔隙流體性質(zhì)

孔隙流體的酸堿性決定了成巖作用類型。酸性環(huán)境下、易產(chǎn)生溶蝕作用，但同時也易于Si2+沉淀。當(dāng)?shù)貙铀驂A性過渡，成巖作用則以鈣質(zhì)膠結(jié)和黏土礦物沉淀為主［4］。為了定量反應(yīng)孔隙流體酸堿性，引入黏土礦物比值R。

黏土礦物為特定酸堿環(huán)境下形成的礦物。其中伊利石與綠泥石為重要繼承性黏土礦物，伊利石在K+/H+比率較高的弱堿性環(huán)境中由蒙脫石轉(zhuǎn)化而來，當(dāng)堿性增強，且富含F(xiàn)e2+、Mg2+離子時高嶺石逐漸過渡形成綠泥石［8，16-17］。通過對比伊利石與綠泥石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的比值R，進(jìn)而反映孔隙流體特征，R的計算公式如下:

式中，ωI、ωI/S、ωC分別為伊利石、伊/蒙混層和綠泥石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

R為高值時綠泥石含量少，孔隙流體偏中酸性，易于發(fā)生溶蝕作用。R值逐漸減小，綠泥石含量逐漸增加，流體向堿性環(huán)境過渡，成巖相過渡為碳酸鹽膠結(jié)及自生黏土礦物充填孔隙等。

1.3 測井成巖相

國內(nèi)外對成巖相的分類方法很多，包括單因素劃分，例如表生淡水成巖相、碳酸鹽膠結(jié)相、粒間溶蝕相等［2-4］;或多因素劃分，例如同生－淺埋早期壓實相、分支水道－細(xì)礫巖－中細(xì)喉相等［2］。這些對成巖相劃分方法的最終目的是表述成巖相在儲集體孔縫演化中所起作用。而測井成巖相是利用測井信息結(jié)合成巖相對孔縫作用的分類方法，分類準(zhǔn)則是在一類巖石中，測井特征近似且對孔隙演化作用相同成巖相總和，一般可將其分為擴(kuò)容相、破壞相和保護(hù)相。

2 測井成巖相的識別

2.1 識別方法

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(probabilistic neural network，PNN)不僅具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性和非線性處理能力，同時模擬出的分類曲面也與貝葉斯最優(yōu)準(zhǔn)則下的曲面相接近［18-19］。PNN將求取概率密度的Parzen窗函數(shù)應(yīng)用于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的激活函數(shù)部分，其輸出層的值即為待測樣本屬于每種分類的后驗概率。從統(tǒng)計學(xué)來看，PNN從學(xué)習(xí)集中得到的未知樣本分類結(jié)果錯誤風(fēng)險最小。

利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行樣本分類時，影響分類結(jié)果的主要因素是學(xué)習(xí)樣本的統(tǒng)計特征，這對學(xué)習(xí)集建立的合理性提出了較高的要求。以一個一維向量x為例，PNN第i個神經(jīng)元的輸出值Yj計算過程為

式中，x為一維輸入向量;Hk(x)為第二隱層第k單元的輸出;wjk為第二隱層第k個神經(jīng)元和輸出層第j個神經(jīng)元的連接權(quán)重;p(·)為Parzen窗口函數(shù);cki為第一隱層的第k個類別的第i個隱中心矢量;nk為第一隱層第k個類別的隱層中心矢量數(shù);‖·‖為歐幾里德范數(shù);M為輸出層神經(jīng)元數(shù)目。

2.2 識別步驟

(1)利用薄片、鑄體薄片和掃描電鏡識別取心巖性和成巖作用，在對取心深度歸位的基礎(chǔ)上，提取相應(yīng)深度測井?dāng)?shù)據(jù)和R值，對井徑異常取樣點進(jìn)行排除后，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，建立成巖相測井?dāng)?shù)據(jù)庫。

(2)提取不同巖性成巖相測井信息，針對每種巖性組成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)集。訓(xùn)練前隨機(jī)提取學(xué)習(xí)集中70%作為學(xué)習(xí)樣本，剩余30%數(shù)據(jù)作為檢驗樣本。對已訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用檢驗樣本測試不同測井組合識別的結(jié)果，以衡量不同曲線組合下對測井成巖相的識別準(zhǔn)確性。

(3)利用最佳測井組合，對多口鉆井整井進(jìn)行測井成巖相識別，總結(jié)擴(kuò)容相、破壞相及保護(hù)相空間展布規(guī)律。

3 應(yīng)用實例分析

鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟境內(nèi)，為中國最大的天然氣生產(chǎn)基地。其中蘇里格北部上古生界二疊系石盒子組盒8段為該區(qū)主要天然氣產(chǎn)層，深度范圍3.2～3.5 km，壓實作用強烈，原生孔隙基本消失。油氣藏主要為受砂體展布及成巖相所控制的巖性油氣藏，因此在該區(qū)開展成巖相識別具有重要意義。

3.1 巖性、成巖作用及測井成巖相劃分

根據(jù)43口鉆井453塊薄片及82個掃描電鏡樣品，研究區(qū)地層主要發(fā)育石英砂巖、巖屑石英砂巖和巖屑砂巖。通過對各巖性發(fā)育成巖作用類型對比，巖石中泥質(zhì)含量與成巖作用類型關(guān)系密切，因此在巖性分類基礎(chǔ)上，將每種巖性中泥質(zhì)含量大于5%的部分作為獨立單元進(jìn)行成巖相識別(表1)。

表1中，成巖作用:①溶蝕石英顆粒;②溶蝕火山巖巖屑;③溶蝕長石;④溶蝕雜基;⑤粒間自生石英;⑥石英次生加大;⑦自生高嶺石充填孔隙;⑧方解石交代碎屑并連晶狀充填孔隙;⑨軟巖屑變形呈假雜基;⑩鐵方解石充填孔隙;○11自生綠泥石環(huán)狀襯里;○12伊利石呈薄膜狀。成巖相:Ⅰ－石英顆粒溶蝕相;Ⅱ－長石、巖屑、雜基溶蝕相;Ⅲ－硅質(zhì)膠結(jié)相;Ⅳ－自生高嶺石膠結(jié)相;Ⅴ石英加大－自生高嶺石充填孔隙相;Ⅵ－鈣質(zhì)膠結(jié)相;Ⅶ－壓實相;Ⅷ－黏土膜相。

表1 不同巖性發(fā)育成巖作用類型Table 1 Types of different lithology development diagenesis

3.1.1 各巖性發(fā)育成巖作用類型

成巖作用類型見圖1。

(1)圖1石英砂巖與含泥石英砂巖發(fā)育3種成巖作用，歸結(jié)為2種成巖相。石英顆粒在孔隙流體的作用下，顆粒邊緣形成港灣狀溶蝕(圖1(a))，但隨著泥質(zhì)含量的增加，石英顆粒與孔隙水接觸面積減少，溶蝕相消失，在含泥石英砂巖中以膠結(jié)作用為主(圖1(b)、(c))。

(2)巖屑石英砂巖與巖屑砂巖發(fā)育成巖作用類型基本相同，溶蝕相包括巖屑、長石和雜基溶蝕(圖1(d)、(e))，膠結(jié)相則以鈣質(zhì)膠結(jié)(圖1(f))和硅質(zhì)－高嶺石膠結(jié)為主(圖1(g))。在膠結(jié)物中，與含泥巖屑(石英)砂巖不同的是，鈣質(zhì)膠結(jié)中含有大量鐵方解石。保護(hù)性成巖相則以綠泥石膜為主(圖1(h))。

(3)含泥巖屑石英砂巖和含泥巖屑砂巖中溶蝕作用發(fā)育于巖屑及長石顆粒，無雜基溶蝕。碳酸鹽膠結(jié)以方解石為主，同時含有大量自生結(jié)晶形態(tài)完整的自生高嶺石充填孔隙。

總體來看(含泥)石英砂巖中發(fā)育成巖相類型較少，巖屑(石英)砂巖和含泥巖屑(石英)砂巖中成巖相類型多樣。

3.1.2 測井成巖相劃分

根據(jù)成巖作用對孔縫演化的作用，將各巖性中發(fā)育的成巖相類型進(jìn)行劃分(表1)。

(1)(含泥)石英砂巖:擴(kuò)容相包括石英顆粒溶蝕，破壞相包括硅質(zhì)膠結(jié)。

(2)巖屑(石英)砂巖:擴(kuò)容相包括長石、巖屑、雜基溶蝕相，破壞相包括硅質(zhì)膠結(jié)相、自生高嶺石膠結(jié)相、石英加大－自生高嶺石充填孔隙相和鈣質(zhì)膠結(jié)相、膠狀水云母、軟巖屑變形呈假雜基相。保護(hù)相包括黏土膜相。

(3)含泥巖屑(石英)砂巖:擴(kuò)容相包括長石、巖屑溶蝕相，破壞相包括硅質(zhì)膠結(jié)相、自生高嶺石膠結(jié)相、石英加大－自生高嶺石充填孔隙相和鈣質(zhì)膠結(jié)相、膠狀水云母、軟巖屑變形呈假雜基相。保護(hù)相包括黏土膜相。

圖1 成巖作用類型Fig.1 Type of diagenesis

3.2 測井成巖相測井特征

在巖性分類的基礎(chǔ)上，提取反映測井成巖相放射性的自然伽馬(GR)和自然伽馬能譜測井(U、Th、K)測井，反映巖石致密程度的聲波時差(Δt)、密度(ρ)測井等11條測井信息以及黏土礦物比值(R)。

3.2.1 R值的計算方法

在提取樣本R值時，需要建立整井黏土礦物含量數(shù)據(jù)，因此采用縱向連續(xù)性好、分辨率高的測井信息建立黏土礦物含量計算模型。黏土礦物含量計算較普遍的方法是以黏土礦物具有的放射性U、Th及K作為切入點，如斯倫貝謝黏土礦物解釋圖版、自然伽馬能譜測井線性回歸法等［13，20-22］。但是，蘇里格地區(qū)地層中含有大量黑云母等高放射性礦物，對放射性能譜測井影響較大，因此通過與以上方法計算結(jié)果對比后選取了三孔隙度法進(jìn)行計算［20］。三孔隙度法是指將樣品經(jīng)X衍射所得黏土礦物種類、含量與相應(yīng)深度的中子孔隙度(φn)、聲波時差孔隙度(φs)、密度孔隙度(φd)及泥質(zhì)含量(VSH)進(jìn)行線性回歸分析，建立數(shù)學(xué)模型。三種孔隙度及泥質(zhì)含量計算公式為

式中，φ為所求孔隙度值;Φ為待計算深度測井值;Φmin和Φmax為流體與骨架顆粒測井值。

通過15個樣本的X衍射實測分析，研究區(qū)黏土礦物包括綠泥石(ωC=65.19%)、高嶺石(ωK=16.99%)、伊利石(ωI=14.32%)和伊/蒙混層(ωI/S=3.5%)。所建立的三孔隙度回歸方程為兩者相關(guān)系數(shù)均為0.94。

3.2.2 測井成巖相測井特征對比

蘇里格地區(qū)發(fā)育的6種巖石類型中，石英砂巖與含泥石英砂巖發(fā)育測井相類型單一，較易識別。余下4種巖性成巖作用類型多樣，其中巖屑砂巖與巖屑石英砂巖發(fā)育成巖相類型近似，因此以該兩種巖性為例，合并識別。結(jié)果見圖2。

(1)(含泥)石英砂巖擴(kuò)容相發(fā)育于石英砂巖，反映在密度－自然伽馬曲線上為中密度、低自然伽馬特征，與破壞相區(qū)分較大(圖2(a))。

(2)巖屑(石英)砂巖中擴(kuò)容相具有高聲波時差，低自然伽馬、高黏土礦物比、低密度的測井特征(圖2(b)～(d))，反映了擴(kuò)容相地層中為高孔隙、低泥質(zhì)含量的偏酸性地層，且發(fā)生擴(kuò)容相地層密度相對較低。破壞相測井特征表現(xiàn)為低聲波時差、高自然伽馬、中黏土礦物比及高密度，反映了地層中泥質(zhì)含量較大，孔隙較少，孔隙水類型多樣，一般經(jīng)歷多次成巖作用的特征。保護(hù)相測井測井特征介于破壞相及擴(kuò)容相之間，表現(xiàn)為高自然伽馬和低黏土礦物比(圖2(c))。

圖2 測井成巖相測井特征對比Fig.2 Comparison of logging characteristics of log diagenetic facies

3.3 測井成巖相識別結(jié)果

3.3.1 不同測井組合識別符合率

概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對測井成巖相的判別是根據(jù)已知測井成巖相測井特征進(jìn)行的。因此，在識別過程中應(yīng)對比不同測井組合下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測井成巖相符合率(圖3，其中Pe為光電吸收截面系數(shù))。識別率計算方法為隨機(jī)提取30%樣本作為測試樣本，70%樣本作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本，并將這一過程進(jìn)行30次，以最終均值代表該類測井組合下測井成巖相的識別能力。

在巖屑(石英)砂巖測井成巖相識別中，ωTh－Δt－ρ－φn－Pe－R測井組合符合率最高，為80.7%。

3.3.2 測井成巖相識別效果

研究區(qū)盒8段下部沉積相以辨狀河三角洲相為主，沉積物呈多排北東走向河道砂體，根據(jù)26口單井測井成巖相識別及試油結(jié)果，繪制擴(kuò)容相平面分布圖(圖4)。

蘇里格地區(qū)盒8下分布了三個擴(kuò)容相分布區(qū)帶:①北部蘇82—蘇55;②北西部統(tǒng)40—召46;③南部蘇139—蘇141三個地區(qū)。與實際試氣結(jié)果相比較，在擴(kuò)容性成巖相發(fā)育區(qū)域試氣結(jié)果為基本為氣層和少量氣水同層，無差氣層存在，而在破壞性成巖相發(fā)育區(qū)域則存在大量差氣層。

圖3 巖屑(石英)砂巖中不同測井組合測井成巖相判別符合率Fig.3 Discriminant coincidence rate of log diagenetic facies for different log combination in lithic(quartz)sandstone

圖4 鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)盒8下擴(kuò)容性相分布Fig.4 Distribution of solutional phase in He8 section of Sulige area，Ordos Basin

4 結(jié)論

(1)成巖相測井特征復(fù)雜性是由于巖石骨架顆粒及多期次、多類型成巖作用疊加對測井信息的影響造成的。采用分巖性提取成巖相測井特征及識別成巖相可以有效地排除巖石骨架顆粒影響，并限制識別單元中成巖相發(fā)育類型。利用黏土礦物比值能夠定量反應(yīng)成巖過程中孔隙流體性質(zhì)。

(2)學(xué)習(xí)集中測井成巖相的測井特征是影響概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別能力的主要因素，因此在利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測井成巖相識別過程中應(yīng)對比不同測井組合的成巖相識別能力。

(3)根據(jù)成巖相對儲集體孔縫演化的作用不同，提出測井成巖相概念及劃分方法。根據(jù)該方法，將鄂爾多斯盆地蘇里格地區(qū)所發(fā)育的12種成巖作用，8種成巖相，劃分為3種測井成巖相，最終識別符合率為81%。識別結(jié)果與實際試氣結(jié)果相比較，擴(kuò)容相發(fā)育區(qū)域基本為氣層及氣水同層，無差氣層存在。

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