四川盆地二疊系基性火山巖測井評價技術
——以永探1井區火山巖為例

吳煜宇 謝 冰 伍麗紅 賴 強 趙容容

1.中國石油西南油氣田公司勘探開發研究院 2.中國石油西南油氣田公司

0 引言

近期，中國石油西南油氣田公司部署的第一口以火山碎屑巖儲層為目的層的重點風險探井——永探1井獲重大突破。該井在火山巖段鉆進過程中采用密度介于2.00～2.24 g/cm3的鉆井液對火山巖地層精準控壓，油氣顯示良好，出現4次氣侵，并在集氣口點火燃燒，表現出強烈的含氣性。經中途測試該井獲得22.5×104m3/d自然產能的高產工業氣流，展示出四川盆地火山巖氣藏良好的勘探潛力。

火山巖儲層測井評價一直都是世界性的難題，主要表現在火山巖巖性和儲集空間復雜多樣，儲層非均質性極強，同時，火山巖電性特征千差萬別，地層導電機理復雜，造成利用電阻率等測井資料評價含油氣性困難[1-3]。通過調研國內外相關文獻，火山巖儲層測井研究率先需要解決測井巖性識別的問題[4-6]，只有在準確識別巖性的基礎上，才能有效開展儲集類型和儲集層性質評價；其次，火山巖儲層參數的定量計算目前還沒有通用的測井解釋模型和技術，各油田主要采用地區經驗公式和測井新技術的采集開展儲層參數建模研究。

為詳細解剖四川盆地火山巖儲層，針對永探1井采用了多種測井新技術進行資料采集，如針對火山巖巖性復雜、礦物組分多樣采用了LithoScanner巖性掃描測井、針對火山巖地層結構和構造認識采集了FMI高分辨率成像測井，測井新技術的應用為本次研究提供了堅實的資料基礎。

1 儲層特征

1.1 巖性特征

根據巖心、巖屑及薄片資料分析結果可知，永探1井火山巖巖石類型主要有2個大類：火山熔巖和火山碎屑熔巖。

火山熔巖主要為基性玄武熔巖，由板條狀的細晶基性斜長石（拉長石）組成，由斜長石雜亂排列形成的多角形孔隙中常被細粒輝石、隱晶質的鐵質和玻璃質等近全充填，形成間粒—間隱結構即拉斑玄武結構（圖1-a），顏色較暗，一般呈灰綠、綠灰色，局部暗褐色[7-10]。

火山碎屑熔巖按角礫碎屑含量的相對大小可進一步分為含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖，前者角礫一般較小，具有一定磨圓度，角礫以玄武巖角礫為主（圖1-b、c、d），氣孔被鈉長石、綠簾石或綠泥石等再生礦物或蝕變礦物充填，基巖仍為基性玄武質熔巖。角礫熔巖的角礫含量明顯增多，且角礫團塊較大，通過取心和鏡下薄片觀察角礫以中二疊統茅口組碳酸鹽巖碎屑為主（圖1-e、f），多具棱角狀，火山角礫及火山集塊呈雜亂堆積。

1.2 物性特征

由巖心、柱體薄片、CT掃描及掃描電鏡分析結果可知，永探1井火山巖段以微米級孔隙型儲層為主，巖心儲層段全直徑樣品分析孔隙度介于6.68%～13.22%，平均孔隙度為10.3%；巖心儲層段柱塞樣品分析孔隙度在介于8.66%～16.48%，平均孔隙度為13.6%，滲透率介于0.009～0.173 mD。受孔隙喉道大小影響，永探1井火山巖整體表現出高孔隙度、低滲透率的特征。

1.3 儲層測井響應特征

永探1井火山巖儲層常規測井響應特征表現為“三低兩高”，即低伽馬、低密度、低電阻率、高聲波時差和高中子。受地層含導電礦物、高礦化度鉆井液侵入以及蝕變礦物高束縛水含量的影響，儲層段電阻率最低為3 Ω·m。

圖2 永探1井常規測井曲線及巖性掃描測井解釋成果圖

2 火山巖巖性測井識別

2.1 巖性掃描測井巖性識別

研究火山巖的巖性，需首先弄清其巖石化學成分。目前，國際地科聯通用的火山巖巖性分類標準為TAS（Total Alkali Silica）圖版分類法，也叫硅—堿分類法，它主要針對火山巖化學成分及含量進行分類，根據SiO2的含量可將火山巖分為超基性、基性、中性和酸性4個大類。

巖性掃描測井能夠直接測定巖石相關元素質量百分含量，是能從巖石成分角度解決巖性識別問題的測井方法，在火山巖巖性識別方面具有獨特的技術優勢[11-14]。LithoScanner巖性掃描測井利用脈沖中子與地層元素作用，產生伽馬能譜，在不同的時窗內，測量伽馬值的非彈性能譜和俘獲能譜進而確定地層中的各種元素含量。通過地球化學氧化物閉合模型進一步實現元素與礦物百分含量之間的轉換，得到地層敏感元素的氧化物（如SiO2、K2O、Na2O、AL2O3等）的質量百分含量，最后，根據該計算結果直接應用于TAS圖版確定火山巖的巖性。

據圖2可知，永探1井巖性掃描測井按各元素含量和SiO2含量可分成兩段：第一段井深介于5620～5 668 m，巖性掃描測井結果表現出高硅、高硫、低鈣、富鐵、富鈉的特征，SiO2含量普遍高于40%，全堿（K2O＋Na2O）含量高于6%，鈣元素含量普遍低于6%；第二段井深介于5 668～5 720 m，巖性掃描測井結果表現出高鈣、低硅，低硫、低鈉、低鐵的特征，SiO2含量普遍低于40%，全堿（K2O＋Na2O）含量低于6%，鈣元素含量普遍高于10%。通過LithoScanner巖性掃描測井解譜之后的礦物成分剖面顯示，5 668 m井段上下方解石含量具有明顯變化，該井段以上的地層方解石含量很少，5 668 m以下的地層方解石含量隨深度增加而增高，巖心薄片和錄井巖屑證實方解石主要為下伏茅口組石灰巖成分。因此鈣元素含量間接反映了永探1井火山巖中茅口組石灰巖角礫的含量。由于利用TAS圖版確定的火山巖巖性主要是母源（巖漿）信息，對于火山碎屑巖、熔結角礫巖和角礫熔巖往往含有異源成分，利用TAS圖版識別火山巖巖性時會有一定誤差。永探1井5 668 m以深的方解石均為異源的茅口組石灰巖角礫，在采用TAS圖版確定永探1井巖石化學成分時需對方解石進行剔除，考慮到Ca元素主要為茅口組石灰巖的貢獻，將得到的CaO去掉后，對剩余氧化物進行歸一化處理，進而得到去鈣后的SiO2和Na2O＋K2O相對含量。

圖3為永探1井利用巖性掃描測井去除鈣元素之前和去鈣元素之后得到的SiO2和Na2O＋K2O相對含量在TAS圖版上的分布情況，未作剔除異源成分之前，部分樣點SiO2含量在30%左右，已偏離TAS圖版中火山巖區域。通過去除異源成分之后，永探1井巖性掃描測井得到的SiO2和Na2O＋K2O相對含量在TAS圖版上主要落在堿玄武巖和玄武巖區，且分布比較集中，更加符合地質規律。由此可以確定，永探1井火山巖主要為基性的堿玄武巖和玄武巖，SiO2平均含量為42.7%，Na2O＋K2O平均含量為6.5%。

圖3 永探1井去鈣前、后TAS圖版的分布情況圖

2.2 交會圖法巖性識別

永探1井火山巖整體放射性較低，自然伽馬值（分布范圍38～60 API）和無鈾自然伽馬值（分布范圍32～54 API）沒有明顯變化，通過對比國內外火山巖放射性[15-18]，整體反映出基性火山巖的放射性特征，無法進一步細分巖性。因此，根據自然伽馬或自然伽馬能譜測井基本無法判斷永探1井巖性。中子測井（CNL）由于受地層巖性、流體性質影響較大，且受火山巖蝕變程度影響，次生的綠泥石、沸石等含有大量的結晶水和結構水往往造成中子異常偏高，不利于火山巖巖性識別。通過對永探1井取心段測井資料進行統計和標定，確定了對永探1井火山巖巖性反應敏感的測井參數主要為密度（DEN）、聲波時差（AC）和電阻率（RT）曲線（圖4），由此建立了研究區火山巖常規測井巖性識別圖版。

圖5為永探1井密度與聲波時差和密度與深電阻率交會圖。從圖5中可以看出，永探1井玄武巖具有高密度、高電阻率和低聲波時差的特點，巖性致密，密度值多大于2.8 g/cm3，聲波時差低于60 μs/ft，電阻率大于300 ?·m。含角礫凝灰熔巖密度主要介于2.6～2.8 g/cm3，聲波時差介于60～70 μs/ft，電阻率值較低。角礫熔巖密度較低，集中分布于2.6 g/cm3附近，聲波時差介于70～80 μs/ft，測井電阻率值介于3～5 ?·m。由此可知，永探1井由火山熔巖至含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖，隨著角礫含量的增多，密度逐漸減小，聲波時差逐漸增大，電阻率呈降低趨勢。

2.3 成像測井結構識別

不同的火山巖巖相其結構和構造具有明顯差異，而火山巖巖性明顯受控于火山巖巖相，因此，通過成像測井識別的火山巖結構和構造特征可以間接反映火山巖巖性[19-20]。

永探1井成像測井為斯倫貝謝FMI高分辨率成像測井，為火山巖結構和構造識別提供了良好的資料基礎。通過巖心刻度成像測井，永探1井發育3種主要的火山巖結構（圖6）。結合常規測井識別的巖性，3種火山巖結構與巖性對應良好。

圖4 永探1井火山巖巖性測井響應特征圖

圖5 永探1井區火山巖巖性常規測井識別圖版

2.3.1 熔巖結構

在FMI成像測井靜態圖像顏色整體表現為高阻塊狀結構，巖性較為均一，無暗色或亮色粒狀特征，整體較均一，偶見暗色鉆井誘導縫或裂縫切割，一般為火山活動中后期產物，巖性以溢流相玄武巖為主。

2.3.2 角礫結構

FMI動態加強圖整體表現為稍暗背景上的暗色斑塊和亮色斑塊雜亂分布。角礫多為亮色斑塊，有一定磨圓度，規模較小，多懸浮于低阻暗色礦物之間，主要見于含角礫凝灰熔巖，屬火山活動中期產物，反映火山活動能量減弱，角礫被熔巖裹挾流動。

2.3.3 集塊結構

FMI靜態圖上整體表現為暗色，而動態加強圖顏色整體表現為雜色，火山角礫通常為邊緣不規則的高阻亮塊，角礫規模大，磨圓度差，呈堆疊狀，礫間則為暗色的低阻礦物充填，從而形成了亮斑角礫和暗斑雜亂分布的圖像特征，該巖性反映了較強的火山巖活動，為火山活動初期或高潮期產物，火山能量較強。

3種結構隨火山角礫規模和含量的減少反映了火山能量爆發的逐漸減弱直至火山活動的終止，由下而上組成了一個完整的火山噴發旋回。

圖7 永探1井火山巖巖性常規測井及成像測井綜合圖

2.4 測井巖性識別綜合研究

本次研究，利用LithoScanner元素掃描測井和常規測井確定永探1井火山巖成分和巖性，結合成像測井識別火山巖結構和構造，開展單井巖性和構造縱向精細評價（圖7）。永探1井火山巖可劃分為3個期次，巖性以含角礫凝灰熔巖為主，角礫熔巖次之，玄武巖含量最少，角礫自下而上逐漸變小變少，反映火山活動能量逐漸減弱。該井測試井段為最上面兩個旋回，優質儲層巖性主要為含角礫凝灰熔巖。因此，尋找規模優質噴溢相含角礫凝灰熔巖儲層是四川盆地火山巖氣藏下一步勘探的重點。

3 儲層參數定量評價技術

與沉積巖類不同，組成火山巖的礦物多為玻璃質，物理方法無法確定礦物含量，進而導致火山巖沒有統一的骨架響應參數。

在計算永探1井基性火山巖儲集層的基質孔隙度時，對比分析了4種不同方法的適用性。

第一種方法為柱塞樣和全直徑樣品測得的巖心孔隙度和巖心密度進行分析（圖8），得到密度與孔隙度的擬合關系來進行計算；另外兩種方法分別采用LithoScanner元素掃描測井反算的變骨架密度和變骨架聲波時差計算孔隙度；最后一種是采用密度—聲波交會圖計算的孔隙度，密度和聲波仍采用LithoScanner巖性掃描測井在連續深度上計算出的變骨架密度和變骨架聲波時差值。

圖8 永探1井巖心孔隙度—密度關系實驗結果圖

圖9 為永探1井取心段采用4種方法計算的孔隙度對比圖。第一道為變聲波時差孔隙度，第二道為變骨架密度孔隙度，第三道為變密度—聲波孔隙度，最右道為利用巖心擬合關系計算的密度擬合孔隙度。對比分析表明采用變骨架密度和變骨架聲波時差交會的孔隙度與巖心分析結果吻合最好。

圖10 不同礦物的Sigma值圖

4 儲層流體性質識別技術

受地層含導電礦物、高礦化度泥漿濾液侵入以及蝕變礦物高束縛水含量的影響，永探1井儲層段電阻率很低。利用傳統的電阻率法識別流體性質具有很強的局限性，本次研究主要通過非電法測井開展流體性質判別。

圖9 永探1井測井計算孔隙度與巖心孔隙度對比圖

4.1 泊松比—體積壓縮系數交會

泊松比和流體壓縮系數對儲層的響應特征非常敏感，相對于水層，氣層的泊松比會明顯減小，流體壓縮系數明顯增大[16]。利用泊松比和流體壓縮系數的這一反向變化特征，在同一曲線道中采用不同比例刻度這兩條曲線，使其在致密段完全重合，根據兩條曲線重疊顯示的包絡線面積大小就可以判斷和預測儲層的流體性質。

4.2 宏觀俘獲截面Sigma指數法

宏觀俘獲截面Sigma由巖性掃描測井測量得到。不同巖性及流體的Sigma值不同（圖10），因此，宏觀俘獲截面Sigma可以反映地層巖性和流體的變化。通常氣的Sigma值較低，一般小于10，水的Sigma值與地層水礦化度有很大關系。相同礦化度條件下，隨著地層含水量的增加，巖石的宏觀俘獲截面將逐漸增大，相同含水量條件下，隨著地層水礦化度的增加，巖石的宏觀俘獲截面將逐漸增大，對于相同巖性和物性的儲集層，水層的俘獲截面Sigma明顯增大[17]，因而可用Sigma識別儲層含氣性。

圖11為永探1井火山巖段流體性質判別成果圖，右邊兩道分別為泊松比—體積壓縮系數交會和巖性掃描熱中子宏觀俘獲截面流體識別成果，可以看出永探1井段5 628～5 675 m含氣性相對較好，井段5 675～5 730 m含方解石段含氣性相對較差。實際測試5 628～5 644 m、5 646～5 675 m井段，產純氣 22.5×104m3/d。

圖11 永探1井火山巖流體識別圖

5 結論

1）永探1井火山巖巖性復雜，常規測井和巖性掃描測井反映整體以基性火山巖為主，放射性低，結合巖心和測井資料，永探1井巖性主要為玄武巖、含角礫凝灰熔巖和角礫熔巖。

2）永探1井自下而上可劃分出3個次級噴發旋回，測試獲氣井段巖性主要為含角礫凝灰熔巖，因此尋找規模優質噴溢相含角礫凝灰熔巖儲層是四川盆地火山巖下一步勘探的重點。

3）永探1井儲集空間以微米級孔隙為主，巖心實驗分析和測井定量評價表明，永探1井具高孔隙、低滲透特征，采用變骨架密度和變骨架聲波時差交會法計算的孔隙度與巖心孔隙度吻合最好。

4）受多種因素的影響，電阻率法對火山巖流體識別難度大，利用非電法的熱中子宏觀俘獲截面、縱橫波速度比、泊松比等判別方法在永探1井應用效果良好。

5）火山巖巖性復雜、儲層非均質性強、流體性質判別難，應系統開展火山巖巖性巖相劃分、儲層測井參數建模和導電機理研究，推廣測井新技術在火山巖中的應用，同時取全取準測井資料是該盆地下一步火山巖勘探取得進展的重要保障。