碳酸盐岩测井沉积微相研究

如何以测井资料为核心，开展储层沉积微相研究~

可以从岩性、粒度、分选性、泥致含量、垂向序列、砂体的形态及分布等方面分析。
1）不同的水动力条件造成了不同环境下的沉积层序在粒度、分选、泥岩含量等方面的特征，因而具有不同的测井曲线形态。
2）测井曲线的形态分析可以从幅度、形态、接触关系、次级形态四个方面来进行。曲线幅度的大小反映粒度、分选性及泥质含量等沉积特征的变化，如自然电位的异常幅度大小，自然伽玛幅值高低可以反映地层中粒度中值的大小，并能反映泥质含量的高低；形态指单砂体曲线形态，有箱形、钟形、漏斗形、菱形四种形态，反映沉积物沉积时的能量变化或相对稳定的情况，如钟形表示沉积能量由强到弱的变化；接触关系指砂岩的顶、底界的曲线形态，反映砂岩沉积初期及末期的沉积相变化；次级形态主要包括曲线的光滑程度、包络线形态及齿中线的形态，它们帮助提供沉积信息，如齿中线成水平表明每个薄砂层粒度均匀，沉积能量均匀周期性变化；而齿中线不水平，表明沉积物沉积不连续或分选不好。

如第一章所述，相是沉积环境的地质概括，是研究自然界客观存在的地质体的岩石共生组合规律、古生物特征以及沉积矿物学、沉积地球化学特征的总和。完整的、准确的沉积相概念，既要反映沉积岩特征，又要揭示沉积环境，二者缺一不可。沉积环境是形成沉积岩特征的决定因素，是岩石在沉积和成岩过程中所处的自然地理条件、气候条件、构造条件、沉积介质的物理条件与介质的地球化学条件的综合；沉积岩特征则是沉积环境的物质表现和记录，主要包括岩性特征、古生物特征以及地球化学特征等。
沉积相通常以沉积环境的自然地理条件为依据，并结合沉积岩特征及其他环境条件进行划分，主要分陆相组、海相组和过渡相组。
陆相是指在陆地上形成的沉积相。大陆条件复杂，因而沉积物也是多种多样的。陆相沉积主要发生在陆地上相对较低的地方，那些相对较高的地方则是受侵蚀的物源区，在时间和空间方面都有较大变化。陆相沉积中河流相的分布很广，古代河流相比现代河流相更广，其分布面积可达数百至数千平方千米，这是由于古代河流长期迁移和地壳振荡运动的结果。河流相中河道砂岩胶结疏松，孔隙性及渗透性较好，是良好的储集层；河漫滩相及牛轭湖相粒度较细，泥质含量较多，油气储集性能不如河道砂。我国克拉玛依油田、胜利油田都有河流相的储层，因此研究河流相，对于恢复古地形和古河流的发育情况、判断物质的来源方向都有十分重要的意义。
海相沉积规模大，纵向上和横向上分布比较稳定，这是由海洋水体本身宽广开阔的特点所决定的。储集性较好的海相主要为滨岸相，次为浅海相，半深海相和深海相较差。滨岸相的储集岩由于海水时进时退，波浪作用强，所以磨圆度和分选度较好，沉积物多具储集性能，砂岩常沿海岸呈条带状分布，砾岩呈透镜状，沿海岸断续分布。滨海相沉积横向变化大，与浅海相相邻的砂岩体常可成为良好的储层；浅海相位于退潮线以下和水深200m之上，阳光充足，底栖生物茂盛，富含生物化石，在高水位体系域和海进体系域地段，常形成颗粒滩坝，故浅海相中高水位体系域和海进体系域的储集岩多具有粒内孔、粒间孔、粒内溶孔、粒间溶孔、生物格架孔和遗迹孔等，都是较好的储集空间。
海相储集岩主要有两种类型，第一种为海相石英砂岩，层状分布，面积大，层位稳定，储油物性较好，多为泥质胶结；另一种是具有孔隙性、溶洞型、裂缝的海相碳酸盐岩，尤以礁块灰岩最好。碳酸盐岩储层的最大特点是储油量很大，产量很高。中东一些国家石灰岩储层单井的产量可达几千吨，甚至上万吨，在我国许多地区已经找到了白云岩、石灰岩高产储油层（薛超，1987）。
总之，海相与石油的关系非常密切，在世界各大油田中，海相油田仍占大多数，在我国四川盆地有许多大气田也属于海相沉积气田。因此，寻找海相大油田，是目前石油勘探的重要任务。
沉积相控研究与沉积体系研究形影相随，密不可分。沉积体系是指在成因上与沉积环境和沉积作用有紧密联系的三维岩相地质组合体，它不仅包含三维空间概念，同时还具有垂向上的时间演化含义，显然，这比过去所理解的抽象沉积环境及其相应的岩石记录——沉积相具有更深刻的时空含义。以沉积体系作为沉积单元划分沉积地质体是沉积学、层序地层学学科发展和油气勘探与生产实践的需要。
沉积体系研究通常是在沉积相和相序结构或沉积单元在纵横向上的叠置方式研究的基础上进行的，且与层序地层研究紧密结合。现代沉积理论要求，沉积相研究必须将钻井地质综合录井资料和地震资料的研究进行综合分析和解释，对研究区露头和钻井进行单剖面或单井沉积相研究，在此基础上，对不同地区剖面或钻井之间的沉积相进行综合对比，进而结合地震相平面展布特征，揭示研究区不同时期沉积相的演化规律。
沉积微相的研究是在研究区层位界定统一的基础上，首先，对研究区及邻区相关钻井岩心和岩屑进行沉积学研究，建立单井取心井段和岩屑录井沉积相剖面；其次，在取心井段和岩屑录井沉积相剖面上，分析和研究与沉积相对应的测井资料特征，建立相应的“测井相”与“沉积相”的转换关系；第三，根据上述转换关系，实现未取心井及井段的沉积相的划分和确定；第四，是在过井的地震剖面上，根据相应的“地质相”、“测井相”及其相互关系，建立研究区的“沉积相”与“地震相”在剖面上的转换关系；第五，是进行单井沉积相剖面和地震相的分析与对比，确定不同沉积时期各沉积相在二维空间上的变化特点及其相互叠置关系，并建立沉积相和地震相在平面上的转换关系，确定地震相平面展布特征；第六，是通过对全区沉积相和沉积体系的综合研究，揭示各沉积相的时空展布规律。

以海相沉积为主的碳酸盐岩沉积环境及沉积结构，与陆相砂泥岩地层有很大的区别。陆相沉积的砂泥岩剖面岩类型较为单一，粒度与层理变化较为复杂，它们反映了沉积环境及沉积相的变化。沉积层理则不如砂岩那样重要，沉积环境的物理性质也存在较大差别，势必影响到测井响应的差异。如地层倾角对砂泥岩沉积环境是一种重要的指相工具，对碳酸盐岩则意义有限；可以反映矿物成分变化的自然伽马能谱测井则是进行碳酸盐岩沉积微相分析的重要手段。因而在碳酸盐岩中测井沉积微相分析是重要手段，在碳酸盐岩中测井沉积微相应建立不同于砂泥岩地层的专门模型。

（一）碳酸盐岩测井沉积微相研究方法与流程

在碳酸盐岩中用测井资料进行沉积微相研究内容包括以下几个方面，具体流程见图7-38。

1）选择与确定油气田的关键井；

2）建立碳酸盐岩地质沉积微相模型；

3）地质沉积与测井响应特征确定；

4）测井信息环境校正与归一化；

5）测井信息与地质微相相关分析；

6）采用各种数理统计方法建立测井沉积微相模型；

7）进行测井沉积微相划分反馈验证与模型修改。

（二）碳酸盐岩沉积微相模式建立

我国碳酸岩盐油气藏沉积环境多以海相为主。四川碳酸盐岩具有代表性，属于碳酸盐岩海相潮汐沉积模式。

图7-38 碳酸盐岩测井沉积微相划分流程

1）潮上带

2）潮间带

3）潮下带

（三）测井碳酸盐岩沉积微相建模

1.碳酸盐岩沉积相的测井响应特征

（1）自然伽马能谱

由于不同沉积环境、岩类、物源及地球化学性质上的差别，使地层中的放射性元素铀、钍、钾的富集程度及相对含量的比例发生变化。浅海碳酸盐岩生成于清水环境，直接生物堆积和间接生化作用影响自然伽马能谱的响应，放射性铀在一定程度上反映了生物富集及演化特征；而泥质则影响了钍、钾的分布。成岩后生变化及地下水溶蚀的裂缝都可形成放射性铀的富集，自然伽马能谱对沉积环境响应的规律如下：

1）在氧化环境钍矿物含量稳定，不易风化。

2）钾极易被带负电荷的胶体吸咐，因而在粘土矿物中钾含量增高。

3）粘土矿物含量与水动力条件及沉积低能环境有关，而钍钾比及钍、钾含量增加可确定泥质及粘土矿物含量的增高。

4）铀含量与有机质还原作用关系密切，特别与岩石中有机碳含量有好的正相关关系。有机碳及干酪根反映生油母质的丰度，因而铀含量可作生油母质的指示器；而钍钾比低则反映还原环境，相反则说明处于氧化环境。

（2）总自然伽马值

总自然伽马值主要反映泥质与粘土的含量，在生油层则反映生油母质的增加。它的规律是有机质含量很高的生油岩自然伽马为异常高值，泥、页岩为正常的高值，泥质石灰岩与白云岩为中值，白云岩为中低值，纯石灰岩为低值，生物礁岩及石膏为最低值，钾岩为高值。

（3）电阻率测井

在碳酸盐岩中，硬石膏及盐岩电阻率可达数万欧米，致密石灰岩为高值，孔隙发育的石灰岩及白云岩为中低值；泥、页岩为最低值。

（4）岩性密度测井

岩性密度测井包括两种物理量，一种为有效光电吸收截面指数P_e及岩石的体积密度。有效光电吸收截面指数与岩石化学元素光电吸收截面关系密切，因而它可以正确区分岩石矿物成分及岩性。如石灰岩P_e为5.084，而白云岩为3.142，硬石膏为5.055，砂岩为1.086，从而反映了岩石沉积与成岩环境。岩石体积密度的差别不但反映不同岩类，而且反映了沉积环境，体积密度由高而低的岩类为：硬石膏、白云岩、石灰岩、孔隙云岩、孔隙灰岩、生物灰岩、岩盐、泥质岩、页岩及泥岩。

（5）声波测井

在碳酸盐岩剖面中，致密白云岩纵波速度最大，致密石灰岩也较高，它们在变密度测井曲线上表现出黑白分明。石灰岩与白云岩孔隙度增加使纵波速度有所降低，变密度的灰度曲线表现为黑白反差减弱。对石膏层声速虽然减小，但变密度曲线则黑白分明。岩石泥质增加与孔隙度特征相似，泥、页岩类纵波速度最小。由于能量衰减，变密度曲线黑白反差很小。

（6）中子测井

在中子测井石灰岩视孔隙度曲线上，硬石膏与致密石灰岩都近于零值。盐岩次之，白云岩有0～3%视孔隙度读数。随地层孔隙度增大，中子读数增高，泥质含量增高中子读数也相应增大。泥、页岩中子读数增高，可达25%视孔隙度读数。

2.碳酸盐岩测井电相与沉积微相的关系

根据以上测井信息对沉积环境响应特征看出，测井对沉积微相变化而造成岩石物理性质变化是敏感的。因而根据各种测井信息集总，可以形成随井深沉积环境变化而引起岩石物理变化的连续剖面。虽然还不能说它直接反映某些明确的地质概念，但它能反映井眼内随井深而变化的岩石各种物理性质的差异，我们称之电相剖面。实际地质各种沉积微相差别必然造成物理性质的差异，因而这种电相剖面可以转化为地质信息，具体说就是沉积微相变化的信息。这种转化是通过取心井段根据地质信息所划分出的随深度变化的沉积微相段与电相剖面相关分析得到的，通过各种统计数学的聚类方法，如非线性映射、多组判别、模糊聚类、神经网络等方法，建立起各种沉积微相的模型，并经过置信度检验，才能将电相剖面转化为测井沉积微相剖面。

3.碳酸盐岩电相的确定和划分

（1）用最佳有序分割进行剖面电相分层

采用多种测井信息作为多变量进行有序样品的最佳分割是主要的电相自动分层方法。这是一种按多变量离差达到最大的方法。

（2）采用非线性映射对电相进行聚类划分

非线性映射是通过对多变量由多维空间降维映射到低维空间，用低维空间直观显示聚类点群分布的数理统计技术。它不考虑数据沿剖面的连贯性，因此在测井多变量最佳有序分割形成电相分层的基础上，根据样品的亲疏关系，进行以电相特征为基础的进一步电相特征聚类。

4.测井沉积微相模式建立与微相划分方法

（1）用多种判别建立测井沉积微相模式

在测井多变量数据进行电相聚类后，以已知关键井地质微相作参照，建立测井多变量沉积微相判别函数，达到建立测井沉积微相模式的目的。

根据总自然伽马、无铀自然伽马、铀测量值、钍测量值、钾测量值、中子、密度、声波、双侧向电阻率及微球形聚集测井信息作为变量，以地质划分的各种沉积微相作为判别标准，这样就可构成碳酸盐岩各种沉积微相的判别函数。它们就是建立起来的碳酸盐岩测井沉积微相的模式及数学模型。

（2）用模糊聚类法建立碳酸盐岩沉积微相模式

利用测井信息碳酸岩沉积微相划分的实质是，由于沉积环境中岩石与地层物理特征的变化，多种测井可由不同的角度来对这些变化进行信息响应，因而测井信息可用于沉积微相变化的区分。采用多种测井信息作为变量进行聚类分析，将相似程度高的点群聚类分析，将相似程度高的点群聚类也是测井沉积微相划分的重要手段。由于自然现象的复杂而出现模糊现象，因而采用聚类模糊统计方法建立模糊聚类统计模型来进行碳酸盐岩沉积微相测井划分模型建立。

根据模糊集理论发展的模糊数学方法进行测井多变量沉积微相聚类与划分，从而建立起碳酸盐岩测井沉积微相模式。

（3）神经网络技术测井沉积微相划分

测井信息是地质沉积差别物理性质差异的反映。它属于非结构信息，难以用数学精确地描述；但存在大量实际资料可供学习，因而采用人工神经网络技术监督学习的方法。通过它的自组织、自适应的学习能力及对模糊与随机信息的联想、推理与类比能力，可通过神经网络方法来建立测井碳酸盐岩沉积微相模式。具体采用的是多层感知机用S函数作为激活函数。对于第k层的第j个神经元来说，其输出为

地球物理测井

具体算法采用误差反向传播，用梯度搜索技术使代价函数最小化。

采用这种方法将各种测井信息变量作为网络输入层，以地质确定的各种沉积微相作为期望输入值赋给网络输入层，采用误差反向传播法对网络训练。通过计算期望值与实际输入值之间的误差来调节网络神经元的连接权，通过网络学习，可对未知井的沉积微相预测。

（四）碳酸盐岩测井沉积微相划分实例

四川盆地东部五百梯构造石炭系是一套非均质的以潟湖相沉积为主的碳酸盐岩剖面，由地质资料建立的沉积微相包括：潟湖内浅滩、暴露浅滩、石英砂浅滩、潟湖、暴露蒸发六种微相。测井采用中子、密度、自然伽马、铀曲线、钍曲线、钾曲线、声波及双侧向电阻率等10种测井信息，采用上述数理统计方法建立了测井沉积微相的模式及数理模型，并得到了地质验证。图7-39给出了测井沉积微相模式，图中中间为岩性剖面，其右为测井电相划出岩类，右边方形曲线为测井划分出沉积微相，最右边为地质沉积亚相划分结果，由图看出二者很一致。

图7-39 五百梯构造石炭系测井沉积微相模式及地质验证

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