劉秀婷，韋樂樂，蘇海倫，樊文靜，鄒波，尹敬東

（1.西北大學(xué)地質(zhì)系、大陸動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.中國石油天然氣管道四公司，河北 廊坊 065000）

利用古地磁學(xué)研究巖心古水流的方法與應(yīng)用
——以延長油田西南部延長組為例

劉秀婷1，韋樂樂1，蘇海倫1，樊文靜1，鄒波2，尹敬東2

（1.西北大學(xué)地質(zhì)系、大陸動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；2.中國石油天然氣管道四公司，河北 廊坊 065000）

古水流向?qū)τ谟蜌獾目碧脚c開發(fā)具有重要意義。古地磁方法是研究巖心古水流向的一種手段。文中在利用古地磁方法進(jìn)行鉆井巖心重定向的基礎(chǔ)上，分析磁化率長軸方位，進(jìn)而達(dá)到確定古水流方向的目的。以延長油田西南部延長組鉆井巖心研究為例，首先通過熱退磁分離黏滯剩磁進(jìn)行巖心定向，再進(jìn)行磁化率測試，計(jì)算分析最長軸方位，進(jìn)而得到古水流方向。結(jié)果表明，該區(qū)儲層砂體的展布方向?yàn)镹W—SE，亦有來自NE—SW向和近EW向。同時(shí)，這一結(jié)果還驗(yàn)證了古地磁分析古水流方法的可靠性，為油氣田的勘探開發(fā)提供了依據(jù)。

古地磁；磁組構(gòu)；古水流；砂體展布；延長油田

0 引言

鉆井巖心是攜帶豐富地質(zhì)信息的載體，對其分析是沉積巖區(qū)或盆地內(nèi)部研究的一種常用手段。對于某一地區(qū)單一井位上鉆取巖心而言，利用古地磁方法對其進(jìn)行定向，并測量巖石的磁化率各向異性，進(jìn)而判定該點(diǎn)處的古水流向是科學(xué)的，且地磁信息不受原始地形、構(gòu)造等因素的影響限制［1-7］。

Graham在20世紀(jì)中葉提出了巖石磁組構(gòu)概念［8］，經(jīng)過六十多年的科學(xué)研究，巖石磁組構(gòu)被廣泛用于地質(zhì)學(xué)科，例如構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、沉積學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域［9-11］。應(yīng)用磁組構(gòu)判斷巖心的古水流方向，對客觀認(rèn)識物源、沉積相及砂體展布等基礎(chǔ)地質(zhì)問題具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。巖心磁組構(gòu)分析古水流是建立在巖心定向的基礎(chǔ)之上的，而在油氣勘探開發(fā)中，定向巖心為數(shù)甚少，大多數(shù)都是非定向的，需要采用古地磁方法對樣品進(jìn)行重定向。該方法直接針對巖心本身，成本低，不受時(shí)間限制，對新鉆取的巖心和以前鉆取的巖心都可以進(jìn)行定向，已經(jīng)成為分析評價(jià)巖心的一種重要手段，且日漸成熟［1-6］。

在油氣田開發(fā)階段，若對地下砂體展布、河道的流向認(rèn)識不足，會(huì)造成生產(chǎn)中注入水單向突進(jìn)現(xiàn)象嚴(yán)重，水驅(qū)效率低，目前，研究區(qū)在這方面研究較少。本文結(jié)合延長油田西南部延長組古水流的研究，闡述了利用古地磁學(xué)研究巖心古水流的方法，并進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。這不僅對井網(wǎng)調(diào)整設(shè)計(jì)方案具有指導(dǎo)意義，且對油田的下一步開發(fā)具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 巖心古地磁原理

1.1 古地磁方法巖心定向原理

巖石攜帶有地質(zhì)歷史時(shí)期的磁記錄，可以利用熱退磁的方法將其剩磁分離，得到低溫部分和高溫部分。由前人研究可知，在統(tǒng)計(jì)學(xué)上，巖石中分離出的低溫黏滯剩磁（VRM）分量，其方向與現(xiàn)代地磁場方向近似相同；高溫分量即原生剩磁（NRM）分量，方向與研究區(qū)周圍同時(shí)代地層的高溫剩磁分量方向近似相同［4，7-9］。因此，只要精確地將巖石中攜帶的低溫剩磁分量分離并測定，就可知道巖心在現(xiàn)代地磁場中的方位［4］。

1.2 磁組構(gòu)判定古流向原理

磁化率各向異性［4，8-13］即指巖石中磁性礦物、顆?；蚓Ц竦亩ㄏ蚣捌浣M合，其物理實(shí)質(zhì)是磁化強(qiáng)度隨方向變化的性質(zhì)，主要表現(xiàn)為顆粒形狀各向異性和磁晶各向異性2個(gè)方面，這種變化可以用磁化率量值橢球體來表示。橢球體的最長軸、中間軸和最短軸分別與磁化率的最大、中間和最小值相互對應(yīng)，三軸的相對長短及它們相對于水平面的傾角和標(biāo)志線的方位，就構(gòu)成了描述巖石磁組構(gòu)的基本要素［8］。

由沉積巖的形成過程可知，磁性礦物的定向分布排列，主要受地磁場的作用、重力場的作用和流水作用3個(gè)要素影響。實(shí)驗(yàn)證明［14］，礦物的優(yōu)選方位即長軸方向與水流方向垂直或平行，主要取決于水動(dòng)力條件，因此通過磁化率測定可以反映古流向［4，15-25］。

2 延長組巖心古地磁學(xué)研究

延長油田是中國大陸勘探開發(fā)最早的油田之一，隨著油田勘探開發(fā)研究工作的深入和油層改造工藝的進(jìn)步，油田勘探開發(fā)步伐穩(wěn)步加快。長期以來，采用自然能量開發(fā)及油層壓裂改造為主的增產(chǎn)措施，油井壓裂改造頻繁［26-27］。例如，長6油藏［27］為典型的特低滲巖性油藏，油藏主要受陸相三角洲沉積體系控制，儲層物性差、產(chǎn)量低、天然能量匱乏，科學(xué)合理地注水開發(fā)是油田持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措，而搞清楚古水流向則是重中之重。

2.1 樣品采集與加工

延長油田西南部延長組構(gòu)造上位于陜北斜坡中部，地層傾角不足1°。本次實(shí)驗(yàn)針對研究區(qū)具有代表性的D1，D2，D3，D4，D5，D6等6口井的巖心進(jìn)行了古地磁實(shí)驗(yàn)。共加工標(biāo)準(zhǔn)樣品91塊，其中，45塊進(jìn)行磁化率各向異性測試，46塊樣品進(jìn)行熱退磁，分析其低溫剩磁分量，用以巖心重定向。

在同一采點(diǎn)處鉆井巖心上，取直徑為2.5 cm的柱狀巖心3～4塊，鉆取方式如圖1所示。標(biāo)注統(tǒng)一標(biāo)志線，將其作為剩磁測量的參考線。建立巖心坐標(biāo)系XYZ，X軸為假定標(biāo)志線方向。在室內(nèi)將柱狀巖心切割，切割為高2.5 cm的標(biāo)準(zhǔn)古地磁樣品，并建立樣品坐標(biāo)系xyz。

圖1 坐標(biāo)系示意

巖心坐標(biāo)系與樣品坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化公式［21］為

式中：MX，MY，MZ為巖心坐標(biāo)系中剩磁三分量；Mx，My，Mz為實(shí)測剩磁三分量；u為傾角，（°）；a為方位角，（°）；I為磁傾角，（°）；D為磁偏角，（°）。

2.2 巖心重定向

對于黏滯剩磁，使用熱退磁技術(shù)時(shí)，低溫剩磁在0～350℃可退去。本次退磁及測試在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所進(jìn)行，退磁使用的儀器為MMTD-48，測試使用的儀器為超導(dǎo)磁力儀2G-755R［22］。退磁區(qū)間低溫段為 NRM，80，120，160，200，225，250，275，300，325，350℃；高溫段為375，400，425，450，475，525℃。

將低溫分量段作為低溫分量擬合對象，通過逐步的矢量合成分離出各點(diǎn)的低溫剩磁分量，將其方向投影到Zijderveld矢量圖（見圖2a）上；結(jié)合退磁曲線圖（見圖2b）和烏氏網(wǎng)（見圖2c），在80～250℃，獲得一組明顯的剩磁成分；所以，判斷這組剩磁成分是黏滯剩磁。采用Kirschvink主分量分析法獲得低溫分量［23］，然后對同一個(gè)采點(diǎn)內(nèi)的所有樣品的低溫分量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的Fisher方法統(tǒng)計(jì)［24］，最終求得樣品坐標(biāo)系下黏滯剩磁的方向即為現(xiàn)代磁場的方向，進(jìn)而得到標(biāo)志線在樣品坐標(biāo)系中的方位。由式（1）計(jì)算巖心坐標(biāo)系中標(biāo)志線的方向，即為巖心的方位磁偏角、磁傾角。

圖2 D3井代表性樣品熱退磁圖

表1為巖樣古地磁巖心定向結(jié)果。根據(jù)逐步退磁曲線特征分析，推斷樣品的磁性載體可能為磁鐵礦類礦物，因此按最大軸平行于水流方向考慮［3，5，25］。

表1 延長組巖心定向分析結(jié)果

2.3 磁組構(gòu)

本次磁組構(gòu)實(shí)驗(yàn)測試在西北大學(xué)大陸動(dòng)力古地磁實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，使用儀器是捷克生產(chǎn)的卡帕橋KLY-3S，其優(yōu)點(diǎn)快速、精確。此次實(shí)驗(yàn)共測試測量45塊樣品，為了確定測量數(shù)據(jù)的可靠性，將單塊樣品重復(fù)測量3次以上，求得測量結(jié)果的平均值，注意剔除α95≥15°的樣品，再對每個(gè)采點(diǎn)的測量結(jié)果求平均值，并對同一采點(diǎn)內(nèi)樣品的測量結(jié)果作矢量平均，得到在樣品坐標(biāo)系下磁組構(gòu)主軸的平均方向。

表2是在樣品坐標(biāo)系下磁組構(gòu)的測試結(jié)果及磁化率參數(shù)值，樣品的磁化率數(shù)值為130×10-6～359×10-6SI，由式（1）對矢量平均后的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，表3為最終得到的磁組構(gòu)分析結(jié)果。磁化率的最大軸（K1）、中間軸（K2）、最小軸（K3）的空間分布見圖3。

由于垂直于巖層層理采樣，所以K2分布于圓心周圍，K1，K3分布于赤平投影圖邊界，這與以往的結(jié)果［3，15］有差異。這是由采樣方式造成的，只需利用式（1），將三軸方位（磁偏角D、傾角I）從樣品坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為巖心坐標(biāo)系即可。

表2 延長油田西南部延長組磁組構(gòu)測量結(jié)果及基本磁參數(shù)

分析層面最大軸分布特征前，需要指出，磁化率各向異性主軸具有雙向性。如果D=180°，I=0°是最大磁化軸方向，那么D=0°，I=-10°也是最大磁化軸方向［20］。

表3 延長油田西南部延長組磁組構(gòu)綜合分析結(jié)果

圖3 延長油田西南部砂巖樣品AMS三軸赤平投影

延長油田西南部地區(qū)三疊系延長組的沉積相是一套三角洲前緣相，研究區(qū)既受河流單向水流的作用，又受到蓄水體波浪的改造作用，沉積厚度比較大，沉積類型較復(fù)雜，儲層發(fā)育較好，具備良好的成藏條件。

從表3及圖3磁組構(gòu)研究結(jié)果看出，延長油田西南部地區(qū)D1，D2，D3及D4井長6段細(xì)砂巖，局部磁組構(gòu)最大軸方向分別為334.0，181.5，174.5及208.6°,反映出該地區(qū)長6細(xì)砂巖的古水流或沉積物源方向近EW向。D5井地區(qū)長7段地層泥巖局部磁組構(gòu)最大軸方向?yàn)?15.5°，反映出該地區(qū)的古水流或沉積物源方向?yàn)镹WW—SEE。D6井地區(qū)采點(diǎn)D6-1長7段地層局部磁組構(gòu)最大軸方向?yàn)?7.5°，反映出該地區(qū)的古水流或沉積物源方向?yàn)镹E—SW；采點(diǎn)D6-2、D6-3長8地層磁組構(gòu)最大軸方向分別為151.4，162.2°，反映出該地區(qū)的古水流或沉積物源方向?yàn)镹W—SE。綜合研究結(jié)果表明，延長油田西南部的儲層砂體展布主流方位，即古水流綜合方向?yàn)镹W—SE（見圖4）。

3 結(jié)論

1）磁組構(gòu)研究結(jié)果表明，延長油田西南部地區(qū)長6段細(xì)砂巖的古水流或沉積物源方向近EW，長7段為NE—SW向，長8段為NW—SE向。此次古地磁方法研究結(jié)果說明了延長油田西南部儲層砂體展布主流方位，即綜合古水流方向?yàn)镹W—SE。

圖4 延長油田西南部延長組砂體展布玫瑰花示意圖

2）在應(yīng)用古地磁技術(shù)對鉆井巖心原始方位恢復(fù)的基礎(chǔ)上，由磁組構(gòu)來判定該點(diǎn)的古流向，不受原始地形、構(gòu)造等因素的影響，可作出定量解釋。

3）該方法既可以單井預(yù)測流向的變化趨勢，適用于研究程度比較低的區(qū)域，亦可多井連片處理，對研究程度比較高的區(qū)域更可作理論參考和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)，對油田前期勘探開發(fā)和后期的注水方案及壓裂提供詳細(xì)的資料，得到地下沉積沙體的空間展布方位，進(jìn)而可以為油氣田的開發(fā)提供現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)。

［1］岳樂平，王建其，邸世祥.油氣田鉆井巖心及巖心裂縫方位確定的古地磁原理與方法［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，1997，12（3）：71-76.

［2］Hailwood E H.古地磁巖心重定向與油氣藏砂巖的磁性組構(gòu)分析［J］.石油物探譯叢，1994，12（6）：35-38.

［3］楊斌誼，吳漢寧，李學(xué)森.南泥灣油田鉆井巖心古地磁學(xué)初步研究［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2002，23（4）：397-401.

［4］梁利平，王海軍，程鑫，等.鉆井巖心古水流方向確定方法和原理［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2012，27（1）：370-375.

［5］張家振，陳勉，鮑洪志，等.非定向巖心黏滯剩磁重定向的方法［J］.油氣地球物理，2008，6（2）：14-18.

［6］李學(xué)森，熊國錦.鉆井巖心重定向的古地磁方法及其可靠性［J］.石油勘探與開發(fā)，2006，33（5）：581-585.

［7］侯守信，田國榮.黏滯剩磁（VRM）巖心定向的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2000，19（增刊1）：1128-1131.

［8］Graham J W.Magnetic susceptibility anisotropy,an unexploited petrofabric element［J］.Bulletin of the Geological Society of America，1954，65（12）：1257-1258.

［9］王海軍，梁利平，程鑫，等.巖心定向與儲層裂縫探測技術(shù)研究進(jìn)展［J］.斷塊油氣田，2011，18（3）：330-332.

［10］余欽范，鄭敏.巖石磁組構(gòu)分析及其在地學(xué)中的應(yīng)用［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992：87-93.

［11］吳漢寧.巖石的磁性組構(gòu)及其在巖石變形中的應(yīng)用［J］.巖石學(xué)報(bào)，1988，4（1）：94-97.

［12］張拴宏，周顯強(qiáng).磁化率各向異性地學(xué)應(yīng)用綜述［J］.地質(zhì)論評，1999，45（6）：613-620.

［13］許同春，劉秀銘，閻虹.用旋轉(zhuǎn)式磁化率儀和卡帕橋?qū)r樣磁組構(gòu)的比測［J］.地震學(xué)報(bào)，1989，11（3）：303-308.

［14］Hrouda F.Magnetic anisotropy of rocks and its applicationin geology and geophysics［J］.Geophysical Survey，1982，5（1）：37-82.

［15］Aidona E，Kondopoulou D，Georgakopoulos A.Palaeomagnetic and rock magnetic properties of sediment cores from Chalkidiki，Greece［J］.Physics and Chemistry of The Earth Part A-solid Earth and Geodesy，2001，26（11/12）：879-884.

［16］Janák F，Kropáek R V.A brief outline of the magnetic susceptibility anisotropy of various rock types［J］.Studia Geophysica et Geodaetica，1973，17（2）：123-130.

［17］Papanna G，Venkateshwarlu M，Periasamy V，et al.Anisotropy of magnetic susceptibility（AMS）studies of Campanian-Maastrichtian sediments of Ariyalur Group，Cauvery Basin，Tamil Nadu，India：An appraisal to Paleocurrent directions［J］.Journal of Earth System Science，2014，123（2）：351-364.

［18］Tarling D.H.Magnetism principles and applications in geology，geophysics and archaeology［M］.London-New York：Chapman and Hall，1983：35-50.

［19］鄧秀芹，劉新社，惠瀟，等.巖心磁組構(gòu)分析古水流方向的原理與應(yīng)用［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，37（6）：896-900.

［20］陳柏林，李中堅(jiān)，謝艷霞.北京懷柔崎峰茶-琉璃廟地區(qū)巖石磁組構(gòu)特征及其構(gòu)造意義［J］.地球?qū)W報(bào)，1997，18（2）：134-141.

［21］朱崗崑.古地磁學(xué)：基礎(chǔ)、原理、方法、成果與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：166-174.

［22］朱日祥，黃寶春，潘永信，等.巖石磁學(xué)與古地磁實(shí)驗(yàn)室簡介［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2003，18（2）：177-181.

［23］Kirschvink J L.The least-squares line and plane and the analysis of palaeomagnetic data［J］.GeophysicalJournalofthe Royal Astronomical Society，1980，62（3）：699-718.

［24］Fisher R A.Dispersion on a sphere［J］.Proceedings of The Royal Society A：Mathematical Physical and Engineering Sciences，1953，217（1130）：295-305.

［25］劉秀婷，韋樂樂，周亞楠，等.磁組構(gòu)分析巖心古水流方向原理與應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2014，26（8）：86-91.

［26］張文昭.中國陸相大油田［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1997：810-852.

［27］姜亭，魏仙樣，杭健，等.延長油田鄭莊區(qū)長6油層組小層對比劃分在注水開發(fā)中的應(yīng)用［J］.西北地質(zhì)，2007，40（3）：85-91.

（編輯 王淑玉）

Method of paleomagnetism to study directions of core paleocurrent and its application：Taking Yanchang Formation in southwest Yanchang Oilfield as an example

Liu Xiuting1,Wei Lele1,Su Hailun1,Fan Wenjing1,Zou Bo2,Yin Jingdong2
(1.Department of Geology/State Key Laboratory of Continental Dynamis,Northwest University,Xi′an 710069,China; 2.No.4 Construction Company,China Petroleum Pipeline Bureau,Langfang 065000,China)

s:The redirection of drilling cores is studied using paleomagnetism,and the method and application of magnetic fabric is used to quantitatively determine the paleocurrent.By using the viscous remanence and original residual magnetism separated by thermal demagnetization,the drilling cores are redirected with low temperature component resultant vector.The anisotropy of magnetic susceptibility of rock is analyzed and tested to study the rock depositional environment information and establish the palaeocurrent direction and the direction of sand body distribution.At the same time,this method is used to study the cores from six wells of southwest Yanchang Oilfield.The results show that the distribution direction of reservoir sand bodies in this area is NW-SE, also having NE-SW and nearly E-W.The operation of this method that the redirection of cores and the direction analysis of paleocurrent is simple,quick and less expensive,Study of Yanchang Formation verifies the feasibility and reliability of the method application.

paleomagnetism;magnetic fabric;paleocurrent;distribution of sand body;Yanchang Oilfield

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）“印度與歐亞大陸碰撞時(shí)限、方式與過程”（XDB03000000）

TE122.2+4

：A

10.6056/dkyqt201501005

2014-09-06；改回日期：2014-11-16。

劉秀婷，女，1990年生，碩士，主要從事固體地球物理與古地磁構(gòu)造研究。E-mail：liuxiuting1990@126.com。

劉秀婷，韋樂樂，蘇海倫，等.利用古地磁學(xué)研究巖心古水流的方法與應(yīng)用：以延長油田西南部延長組為例［J］.斷塊油氣田，2015，22（1）：21-25.

Liu Xiuting，Wei Lele，Su Hailun，et al.Method of paleomagnetism to study directions of core paleocurrent and its application：Taking Yanchang Formation in southwest Yanchang Oilfield as an example［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2015，22（1）：21-25.