郭笑鍇，孫小平，袛淑華，胡琮，張澤文，劉蝶，胡明

（1.中國石油集團(tuán)測井有限公司地質(zhì)研究院，陜西 西安 710077；2.中國石油長慶油田公司氣田開發(fā)事業(yè)部，陜西 西安 710018；3.中國石油長慶油田公司勘探事業(yè)部，陜西 西安 710018；4.中國石油長慶油田公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018；5.中國石油集團(tuán)測井有限公司培訓(xùn)中心，陜西 西安 710077；6.中國石油天然氣集團(tuán)有限公司測井重點實驗室，陜西 西安 710077）

0 引 言

鋁土巖是富含氫氧化鋁物的一種沉積巖，鋁土巖儲層作為一種新型的非常規(guī)天然氣儲層，沉積類型多樣，巖性多變，礦物成分多樣，物性差異大[1]。目前國內(nèi)外針對該類儲層的巖性識別方法主要有巖心觀察法、常規(guī)測井法[2]。巖心觀察法主要是通過巖心或下列特征識別：野外鋁土巖呈層狀產(chǎn)出特征，質(zhì)松，常含黃鐵礦、赤鐵礦結(jié)核或透鏡體，一般具有鮞狀結(jié)構(gòu)或豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)等特征。這種方法是一種定性識別方法，需要有井段取心或野外露頭，并不具有普遍適用性。利用常規(guī)測井資料識別鋁土巖運用最多的是自然伽馬能譜識別法，該方法主要是通過自然伽馬能譜測井中鈾值出現(xiàn)異常增高來識別地層中的鋁土（質(zhì)泥）巖，但自然伽馬能譜測井不是常規(guī)必測的測井系列，許多測井資料里并不包括自然伽馬能譜測井，使得該方法具有一定局限性。綜上所述，目前對鋁土巖的識別處于定性-半定量的階段，難以做到利用常規(guī)測井曲線在礦物剖面中定量識別鋁土巖，其礦物組分還需測井精細(xì)標(biāo)定，缺乏巖性精細(xì)識別圖版與標(biāo)準(zhǔn)。特別從近年來探井的試氣結(jié)果來看，儲層巖性變化是影響儲層物性和含氣性的關(guān)鍵因素，因此，準(zhǔn)確識別巖性和精確計算礦物組分是鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組鋁土巖儲層測井評價的基礎(chǔ)，也是亟待解決的關(guān)鍵問題。

本文依據(jù)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖儲層X衍射全巖礦物分析，從巖石類型、礦物組分兩方面對含鋁巖儲層進(jìn)行了巖性定名與分類，明確了研究區(qū)鋁土巖儲層縱向上巖性的變化規(guī)律及特征。在此基礎(chǔ)上，通過分析不同巖性的測井響應(yīng)特征，建立了基于聲波時差和自然伽馬包絡(luò)面積的含鋁巖快速識別方法和基于費希爾判別的巖性自動識別技術(shù)。此外，依據(jù)全巖分析結(jié)果建立了巖石礦物含量計算模型，精細(xì)刻畫了研究區(qū)鋁土巖儲層巖性剖面特征，實現(xiàn)了鋁土巖定性到定量的識別與評價。將利用不同方法識別的巖性與巖心資料進(jìn)行對比可知，該方法在鋁土巖儲層中取得較好的巖性識別效果，為開展儲層測井精細(xì)評價奠定了基礎(chǔ)，也為該類氣藏的勘探開發(fā)提供了技術(shù)保障。

1 鋁土巖巖性特征

在勘探初期，前人將鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖定名為鋁土質(zhì)泥巖[3]，區(qū)別于常規(guī)泥巖，認(rèn)為其主要礦物成分為一水硬鋁石、一水軟鋁石和三水鋁石，但缺乏相關(guān)分析化驗資料驗證[4-5]。本文通過對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖儲層進(jìn)行垂向系統(tǒng)采樣，開展X衍射全巖礦物分析，依據(jù)6口井40個樣品的X衍射全巖礦物分析數(shù)據(jù)，將主要礦物歸納為4類：鋁質(zhì)礦物、黏土礦物、重礦物和砂質(zhì)礦物。鋁質(zhì)礦物含量平均為54.9%，其主要成分為一水硬鋁石，一水硬鋁石含量最高達(dá)96.9%；其次為高嶺石、伊利石等黏土礦物，黏土礦物含量平均為35.2%；重礦物主要包含黃鐵礦、菱鐵礦等鐵質(zhì)礦物和銳鈦礦等，平均含量為5.2%；石英、鉀長石等砂質(zhì)礦物含量較少，平均為1.8%。為了精確刻畫含鋁巖儲層巖性變化特征，借鑒碎屑巖分類和命名原則[6]，根據(jù)鋁質(zhì)礦物中一水硬鋁石含量和黏土礦物含量，將含鋁巖巖石類型細(xì)分為鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖。一水硬鋁石含量大于75%，黏土礦物含量小于25%的含鋁巖定名為鋁土巖；一水硬鋁石含量大于50%，黏土礦物含量為25%～50%的含鋁巖定名為泥質(zhì)鋁土巖；一水硬鋁石含量為25%～50%，黏土礦物含量大于50%的含鋁巖定名為鋁土質(zhì)泥巖。

從鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組整體上看，在含鋁巖之上還有碳質(zhì)泥巖、常規(guī)泥巖沉積，其測井曲線特征與含鋁巖明顯不同。研究區(qū)含鋁巖層段呈現(xiàn)高自然伽馬、高補償中子、高密度、高鈾、高釷、低聲波時差、低電阻率的“五高二低”測井響應(yīng)特征。典型的鋁土巖層段由于鋁土巖有較大的比表面積，具有強吸附性[7-8]，可以吸附鈾、釷等高放射性礦物，造成自然伽馬值異常偏高，自然伽馬異常高值主要分布在400 ～590 API，最高超過650 API，平均值523 API；密度值大于2.65 g/cm3；補償中子異常高值大于50%；聲波時差值較上部泥巖段明顯偏低，大部分小于210 μs/m；雙側(cè)向電阻率測井曲線“正差異”明顯，由于風(fēng)化殼的風(fēng)化、淋濾作用，加之鋁土巖自身較強的脆性，使得含鋁巖中下部微裂縫或溶蝕孔發(fā)育[4]，因此，電阻率值很低，主要集中在10 ～150 Ω?m，部分井電阻率值僅為2 ～5 Ω?m；鋁土巖層段中鈾、釷含量明顯升高，但鉀含量變化不大，主要因為奧陶系鄂爾多斯盆地海侵處于高潮，太原期地殼繼續(xù)下沉，海侵范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，富足的碳酸溶液使得海水中鈾溶解度顯著增大，鈾、釷得到充分的溶解、運移和富集[見圖1 （a） ]。碳質(zhì)泥巖層段呈現(xiàn)高聲波時差、中高電阻率、中低自然伽馬的測井響應(yīng)特征。聲波時差值普遍大于250 μs/m；自然伽馬值主要分布在200 ～320 API，較常規(guī)泥巖層段偏高；補償中子值較常規(guī)砂泥巖層段偏高，主要分布在30%～55% [見圖1 （b） ]。常規(guī)泥巖層段電阻率呈中低值，自然伽馬明顯偏低，一般小于200 API，密度和中子較典型鋁土巖層段低，聲波時差普遍較典型鋁土巖層段偏高[見圖1 （c） ]。

圖1 不同巖性測井響應(yīng)特征對比圖

結(jié)合前人對研究區(qū)含鋁巖研究發(fā)現(xiàn)[5]，不同巖性對儲層的物性和孔隙結(jié)構(gòu)會產(chǎn)成一定的影響，一水硬鋁石含量較高的鋁土巖是優(yōu)勢儲層巖性。因此，巖性識別對于優(yōu)質(zhì)儲層預(yù)測具有重要意義，需要開展單井巖性識別。

2 巖性識別方法

2.1 基于聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積的含鋁巖快速識別方法

結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)、巖性特征與含鋁巖儲層顯著的高自然伽馬和低聲波時差測井響應(yīng)特征，對比鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖和鋁土質(zhì)泥巖的測井響應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)，鋁土巖的自然伽馬值普遍最高，大于500 API，泥質(zhì)鋁土巖自然伽馬值主要分布在400 ～500 API，鋁土質(zhì)泥巖自然伽馬值主要分布在250 ～400 API，聲波時差值整體變化不大。因此，可利用聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積進(jìn)行含鋁巖的快速識別。將聲波時差和自然伽馬曲線繪制在同一曲線道中，采用線性刻度調(diào)整聲波時差和自然伽馬測井曲線的左右刻度值。以鋁土巖層段下部的白云巖為基準(zhǔn)巖性，使聲波時差和自然伽馬曲線在低自然伽馬、低聲波時差層段基本重疊，并使高自然伽馬和低聲波時差的層段交集非空，產(chǎn)生包絡(luò)。此時，聲波時差左右刻度值分別為150、275 μs/m，自然伽馬的左右刻度值分別為0、500 API。表1為鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和常規(guī)泥巖這5種巖性基于聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積的含鋁巖快速識別示意圖及識別標(biāo)準(zhǔn)，其中，鋁土巖的聲波時差和自然伽馬包絡(luò)面積較大，泥質(zhì)鋁土巖包絡(luò)面積中等，鋁土質(zhì)泥巖較小（見表1）。

表1 基于聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積的含鋁巖快速識別示意圖及識別標(biāo)準(zhǔn)

在含鋁巖快速識別方法的基礎(chǔ)上，基于含鋁巖層段高自然伽馬、低聲波時差、高鈾的測井響應(yīng)特征，以及研究區(qū)鉆遇含鋁巖的43口井的巖心、試氣資料，分別讀取5種巖性的測井曲線值，利用43口井的172個數(shù)據(jù)點，優(yōu)選自然伽馬，分別與鈾、聲波時差交會，建立鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖巖性識別圖版（見圖2）。從圖2中可以看出，利用自然伽馬與鈾可有效識別5種巖性，圖版精度為88.4% [圖2 （a） ]，利用自然伽馬與聲波時差可明顯區(qū)分碳質(zhì)泥巖、常規(guī)泥巖與含鋁巖，但是鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖3種巖性的劃分界限不明顯，精度較低[圖2 （b） ]。同時，圖版法讀取數(shù)據(jù)時的人為誤差會影響圖版的應(yīng)用效果。

圖2 含鋁巖巖性識別圖版

2.2 基于費希爾判別的巖性自動識別技術(shù)

針對自然伽馬與鈾圖版法、自然伽馬與聲波時差圖版法識別巖性精度較低，且存在一定局限性等問題，本文從模式識別的角度出發(fā)，考慮到太原組不同巖性的測井響應(yīng)特征，通過建立巖性敏感曲線優(yōu)選矩陣圖，確定反映不同巖性特征的敏感曲線AC、CNL、GR、U、Th?；谫M希爾降維思想構(gòu)建巖性判別敏感因子，依據(jù)費希爾典則函數(shù)計算的特征值的貢獻(xiàn)率，確定能夠識別5種巖性的主因子和次因子[9]，建立巖性敏感因子圖版。然后根據(jù)優(yōu)化算法構(gòu)建不同巖性類型的判別指數(shù)，最終通過計算每種巖性判別指數(shù)的最大值形成基于費希爾判別的巖性自動識別技術(shù)。

2.2.1 巖性特征參數(shù)選取

基于鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組5種巖性的響應(yīng)特征分析可知，自然伽馬、鈾和釷能反應(yīng)不同巖性的吸附性和放射性，進(jìn)一步構(gòu)建鈾遷移活化性能指數(shù)（lTh/U）來表征鋁土巖的強吸附性，聲波時差和補償中子可反映不同巖石的物性和滲透性變化。最終優(yōu)選GR、U、Th/U、CNL、AC這5條測井曲線作為巖性識別的基本特征參數(shù)曲線，進(jìn)而構(gòu)建能夠識別巖性的敏感因子和巖性判別指數(shù)，通過多因素、多信息融合來綜合反映巖性的變化特征。

2.2.2 構(gòu)建巖性敏感因子和巖性判別指數(shù)

根據(jù)研究區(qū)43口井172個樣本的取心和試氣資料，采用社會科學(xué)統(tǒng)計軟件（Statistics Package for the Social Scienses，SPSS）得到典則函數(shù)計算的特征值的貢獻(xiàn)率，確定能夠識別5種巖性的主因子Y1和次因子Y2，并建立巖性敏感因子識別交會圖版（見圖3），可以發(fā)現(xiàn)巖性識別效果得到明顯提高，鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖和常規(guī)泥巖都能夠有效區(qū)分。

圖3 巖性敏感因子識別交會圖版

式中，lGR為自然伽馬測井值，API；lU為鈾曲線測井值，10–6；lTH/U為鈾遷移活化性能指數(shù)；lCNL為補償中子測井值，%；lAC為聲波時差測井值，μs/m。

根據(jù)構(gòu)建的巖性敏感因子識別圖版，計算出各巖性類別在低維空間中的中心坐標(biāo)，根據(jù)各樣品點距離各巖性類別重心的遠(yuǎn)近，構(gòu)建各巖性類別的巖性判別指數(shù)I。I1、I2、I3、I4、I5分別為鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖、鋁土質(zhì)泥巖、碳質(zhì)泥巖、常規(guī)泥巖的巖性判別指數(shù)。其判別原則：將測井響應(yīng)值分別代入式 （3）～式 （7）計算判別指數(shù)值，進(jìn)行比較找出最大值，即為識別的巖性。

2.3 基于地層物理體積模型的全剖面礦物組分定量識別技術(shù)

研究區(qū)地層巖性礦物種類多，礦物含量變化大，準(zhǔn)確計算礦物含量是巖性識別的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確評價巖石礦物組分對獲取準(zhǔn)確的骨架參數(shù)、表征巖石脆性程度、優(yōu)選壓裂層段和設(shè)計壓裂參數(shù)都至關(guān)重要[10]。本文依據(jù)地層物理體積模型將含鋁巖的礦物組分簡化為一水硬鋁石、黏土礦物、重礦物和砂質(zhì)礦物，基于X衍射全巖礦物分析資料，結(jié)合鋁土巖儲層典型的高自然伽馬測井響應(yīng)特征，分析出自然伽馬與一水硬鋁石具有很好的相關(guān)性[見圖4 （a） ]，建立了一水硬鋁石含量V1的計算模型

圖4 一水硬鋁石、黏土礦物、重礦物計算模型關(guān)系圖

對于常規(guī)儲層，黏土礦物含量越高，自然伽馬越大，通過分析發(fā)現(xiàn)黏土礦物含量與自然伽馬也具有較好的相關(guān)性[見圖4 （b） ]，建立黏土礦物含量V2的計算模型

研究區(qū)含有黃鐵礦、銳鈦礦等重礦物，重礦物含量對巖性密度（lDEN）和光電吸收截面指數(shù)（Pe）具有一定的影響，一般重礦物含量越高，巖性密度和光電吸收截面指數(shù)值越大。通過統(tǒng)計分析，建立了重礦物含量與Pe和lDEN乘積的測井解釋模型[見圖4 （c） ]，進(jìn)一步提高了重礦物含量的計算精度，重礦物含量V3的計算模型

根據(jù)巖石體積模型，最終得到砂質(zhì)礦物含量V4的計算模型為

通過對巖石礦物含量的準(zhǔn)確計算，形成了全剖面礦物組分定量識別技術(shù)。結(jié)合上文根據(jù)一水硬鋁石和黏土礦物含量對鋁土巖、泥質(zhì)鋁土巖和鋁土質(zhì)泥巖的分類，可實現(xiàn)鋁土巖的定量識別。

3 巖性識別應(yīng)用與效果分析

采用上述巖性識別方法和巖石礦物含量定量計算方法，對LA井進(jìn)行鋁土巖巖性評價（見圖5）。圖5中第1 ～6道為常規(guī)電性、物性、巖性及能譜測井響應(yīng)，可以看到在4 040.0 ～4 057.5 m層段，常規(guī)測井呈現(xiàn)出高自然伽馬、高中子、高密度、中低聲波時差、高鈾、高釷等特征，指示該段含鋁巖發(fā)育。從第7道聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積可以明顯看出4 046.0 ～4 054.0 m深度段，包絡(luò)面積較大；4 044.6 ～4 046.0 m深度段，無包絡(luò)，自然伽馬平均值為300 API，聲波時差大于265 μs/m，按照表1標(biāo)準(zhǔn)識別巖性為碳質(zhì)泥巖。第8 ～11道為計算出的礦物含量。第12道為利用費希爾判別法自動識別的巖性，第13道為形成的巖石礦物組分全剖面。4 040.0 ～4 042.2 m和4 054.0 ～5 057.5 m深度段包絡(luò)面積較小，自然伽馬平均值為360 API，聲波時差約為257 μs/m，中子值為47%，鈾為20×10–6，釷為54×10–6，計算該層段巖性敏感主因子為–0.16，次因子為2.14，投射到圖3中的巖性敏感因子識別交會圖版中，識別為鋁土質(zhì)泥巖；同時基于巖性判別指數(shù)也自動識別為鋁土質(zhì)泥巖，其計算的礦物含量與X衍射全巖礦物分析礦物含量具有很好的吻合度，計算一水硬鋁石含量平均為31.4%，黏土礦物含量為62.5%，巖性命名為鋁土質(zhì)泥巖。在4 042.2 ～4 044.6 m和4 044.6 ～4 054.0 m深度段自然伽馬平均值為594 API，聲波時差約為207 μs/m，中子值為103%，鈾為25×10–6，釷為8×10–6，計算該層段巖性敏感主因子為6.23，次因子為1.16，識別為鋁土巖，巖性判別指數(shù)也自動識別為鋁土巖，計算一水硬鋁石含量平均為81.5%，黏土礦物含量為19.5%，巖性命名為鋁土巖。因此，基于常規(guī)測井解釋的巖性結(jié)論與X衍射全巖礦物分析的巖性分類結(jié)論一致。

圖5 LA井鋁土巖巖性識別成果圖

圖6為LB井鋁土巖巖性識別成果圖，結(jié)合常規(guī)測井響應(yīng)和第7道聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積可以明顯看出，下段4 113.0 ～4 119.0 m深度段包絡(luò)面積較大，識別為鋁土巖。第8 ～11道計算的礦物含量與X衍射全巖礦物分析礦物含量具有很好的一致性。圖6中4 102.0 ～4 106.0 m深度段自然伽馬平均值為380 API，聲波時差約為221 μs/m，中子值為65%，鈾為19×10–6，釷為60×10–6，若利用圖2的含鋁巖巖性識別圖版可能誤判為鋁土質(zhì)泥巖，但計算該層段巖性敏感主因子為1.36，次因子為0.76，識別為泥質(zhì)鋁土巖，巖性判別指數(shù)自動識別為泥質(zhì)鋁土巖，中間夾薄層鋁土巖，計算一水硬鋁石含量平均為68.5%，黏土礦物含量為27.8%，巖性命名為泥質(zhì)鋁土巖。4 106.0 ～4 108.5 m和4 112.0 ～4 120.0 m深度段利用巖性判別指數(shù)自動識別為鋁土巖，計算一水硬鋁石含量平均為80.5%，黏土礦物含量為17.5%，巖性命名為鋁土巖。中上段4 100.0 ～4 101.5 m、4 108.5 ～4 110.8 m和4 120.0 ～4 122.0 m深度段基于巖性判別指數(shù)自動識別為鋁土質(zhì)泥巖，通過巖石礦物含量定量計算，一水硬鋁石含量平均為26.4%，黏土礦物含量為65.8%，巖性命名為鋁土質(zhì)泥巖。利用常規(guī)測井解釋的巖性結(jié)論與X衍射全巖礦物分析的巖性結(jié)論一致。

圖6 LB井鋁土巖巖性識別成果圖

利用研究成果，對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖儲層4口井共21層進(jìn)行巖性識別，建立從無到有的巖性、礦物組分解釋新剖面，與巖心資料驗證，巖性解釋精度達(dá)95.2%。巖性的準(zhǔn)確識別為發(fā)現(xiàn)鋁土巖氣藏提供了有力的技術(shù)支持，也為下步精細(xì)評價鋁土巖儲層物性、含氣性和甜點優(yōu)選提供了依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1）由于鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組地層巖性變化大，礦物種類多樣，通過對鋁土巖層段測井響應(yīng)特征分析，利用聲波時差與自然伽馬包絡(luò)面積可進(jìn)行含鋁巖巖性的快速定性識別。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)選綜合反映不同巖性特征的敏感曲線，形成了基于費希爾判別的巖性自動識別技術(shù)，避免了自然伽馬與鈾、自然伽馬與聲波時差巖性識別圖版人為讀取數(shù)據(jù)引起的誤差，直接從測井?dāng)?shù)據(jù)中計算巖性判別指數(shù)進(jìn)行巖性自動識別，是解決復(fù)雜巖性識別的有效途徑，該方法取得了較好的應(yīng)用效果。

（2）準(zhǔn)確計算巖石礦物含量是巖性識別的基礎(chǔ)，基于X衍射全巖礦物分析，依據(jù)地層物理體積模型將含鋁巖的礦物組分簡化為一水硬鋁石、黏土礦物、重礦物和砂質(zhì)礦物，建立了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)太原組含鋁巖巖石礦物定量計算模型，實現(xiàn)了鋁土巖定性到定量的識別，巖性識別準(zhǔn)確率達(dá)95%以上，該計算模型具有一定應(yīng)用推廣價值。