碳酸盐岩微相识别分析是研究碳酸盐岩沉积相类型及沉积旋回的基础^[1],对分析碳酸盐岩储层发育条件具有重要意义^[2]。岩心、井壁取心等岩石样品中的岩性、组构薄片鉴定是碳酸盐岩微相研究的基本手段。未取心井段虽可通过岩屑取样鉴定作为补充,但岩屑筛选、制片后的鉴定难度大、效率低,且岩屑存在混样现象,影响了沉积相标志的识别,相关分析受到限制。因此,为了克服岩石薄片资料少的制约,提出了一种利用测井资料识别碳酸盐岩微相及岩性的新方法。

目前,关于碳酸盐岩沉积微相测井识别方法大多基于成像测井资料的图像信息提取^[3],利用常规测井资料进行微相类型识别方法的研究较少且参数形式单一^[4-9],在经历了白云石化等强烈成岩作用的古城地区表现出明显的不适用性。笔者通过优选古城地区敏感测井参数,提出了新的参数组合,并建立分类图版,开展了碳酸盐岩岩性及微相测井识别,取得了较好的效果。

古城地区位于塔里木盆地中央隆起带东段的古城低凸起东南部,靠近古城台缘带。寒武纪—中奥陶世的盆地构造伸展阶段,古城低凸起与塔中、顺托果勒及塔北地区为统一的碳酸盐岩台地^[10]。古城地区寒武系和奥陶系地层分别主要发育丘滩型台地边缘-局限台地和浅滩型台地边缘-开阔台地碳酸盐岩台地沉积相组合类型^[11]。寒武系地层发育台缘丘滩体,岩石类型主要为菌藻类白云岩、残余砂屑球粒白云岩和鲕粒白云岩。奥陶系地层主要发育亮晶砂屑、鲕粒灰岩等颗粒结构的高能微相,并且中晚成岩阶段形成的中粗晶白云岩可见颗粒幻影,说明原岩沉积能量较高;同时发育沉积能量相对较低的以藻粘结砂屑等泥粒结构形式产出的微相及泥微晶或粒泥灰岩等灰泥杂积结构的低能微相。

另外,古城地区碳酸盐岩具有多期多样的成岩作用类型,主要有胶结作用、硅化作用、压实压溶作用、白云石化作用、溶蚀及岩溶作用、破裂作用、钠长石化作用、黄铁矿沉淀、伊利石沉淀和沥青充注等。其中硅化、白云石化、溶蚀及岩溶等成岩作用过程中的离子交代、交换等作用,造成同一沉积结构特征原岩的岩石骨架、物性、放射性元素含量发生变化,使沉积微相和岩性的测井响应特征复杂化。

影响海相碳酸盐岩沉积的主要因素之一是水动力条件^[7],岩石的粒度、结构、泥质含量等就是水动力作用的结果,它们又对应特定的声学特性、放射性特征、电学特征和其他物理特性。

碳酸盐岩中白云岩和灰岩的岩石骨架特征值在孔隙度测井系列参数和有效光电吸收截面指数(PE)的表征上具有明显差异,灰岩骨架的密度值为2.71 g/cm³,声波时差值为155.8 μs/m;白云岩骨架的密度值为2.87 g/cm³,声波时差值为142.7 μs/m;灰岩骨架的PE值为5.08,白云岩骨架的PE值为3.14。岩石骨架测井响应特征值的不同,是利用测井曲线区分白云岩和灰岩的理论基础,其中在碳酸盐岩岩性识别中广泛应用PE曲线初步区分白云岩和灰岩^[8]。

自然伽马能谱测井测量的是地层中天然放射性铀(U²³⁸)、钍(Th²⁸²)和钾(K⁴⁰)的含量,这些放射性元素的分布和富集程度与岩石的沉积环境及成岩过程有关^[9-12]。在自然界中,钾、钍含量与地层中的黏土矿物类型和数量之间有规律性联系。泥质含量与钍含量有较好的正相关性^[13-14],水动力作用弱的条件下,沉积物的粒径小且有较大的比表面积,钍有充分的时间从溶液中分离出来,并且与泥质微粒一起沉积下来,所以钍的含量随岩石粒度的变细而增加。钾的沉积规律与钍类似^[15-16],在碳酸盐岩上表现为滩间海、潮坪、潟湖等沉积中水体稳定、能量较低、沉积物粒度较细、泥质含量较高,对应的钍和钾的含量较高,反映的是稳定、低能的潮湿沉积环境^[14]。

铀的含量与其在地层水中的溶解和迁移程度有关,氧化条件下水流作用越强,铀的富集程度越高^[16-17]。水流作用强度在很大程度上反映了原始沉积环境水动力能量的高低,在碳酸盐岩沉积过程中水动力较强的高能沉积,如台地边缘的砂屑滩、鲕粒滩等滩体,一般是浅水—间歇性暴露的氧化—还原环境,主要形成粒度较大的砂屑灰岩、鲕粒灰岩等颗粒支撑的沉积微相,粒间孔隙发育,岩石物性较好,易于进入流体,暴露氧化时带来的大量铀酰离子在还原条件下造成沉积地层的铀富集。

地层流体进入物性较好的渗透性岩层中造成铀富集的同时,流体中富含的其他离子或矿物使原岩在埋藏过程中发生各种复杂的成岩作用,如灰岩发生强烈海水胶结作用、热液硅化作用、白云石化作用等,但铀富集时期总体上早于或等于其他成岩作用时期,即使后期灰岩转变为云岩,还是能够表征原始沉积时的水动力条件,因此铀元素富集可以克服白云石化等成岩作用的影响,并反映出沉积时期的水体能量特征。

上述分析表明,自然伽马能谱测井系列的测井响应特征值能够较好地反映原始沉积的水体能量强弱,进而反映沉积时微相特征,因此选定自然伽马能谱测井系列中的U、Th、K、ThK的响应特征值来识别各种微相类型。岩石密度测井、声波测井及有效光电吸收截面指数对岩石骨架的响应特征值具有明显差异,可用来区分白云岩和灰岩。

提取332个碳酸盐岩岩样点深度的岩石密度(DEN)、声波时差(DT)与PE测井值,采用DEN与DT测井值的比值(以下简称DEN/DT值)与归一化后的PE值(以下简称PE归一化值,归一化采用参数值/参数基值的方法)建立岩性识别交会图版,采用DEN/DT值是为了把骨架声波及骨架密度对与不同岩性的响应特征在同一图版中表现出来,从而提高图版精度。在岩性识别图版上,随着灰岩向白云岩过渡变化,PE归一化值逐渐变小,DEN/DT值逐渐增大,3种岩性类别具有比较明显的数值区间分布范围(见图 1)。PE归一化值=1.0为灰岩和白云岩(过渡岩性)的分界线,PE归一化值≥1.0,且DEN/DT值≤5.8为灰岩;0.8＜PE归一化值＜1.0且DEN/DT值＜5.9为云灰过渡岩;PE归一化值≤0.8或DEN/DT值≥5.9为白云岩,识别符合率达85.4%。

图1 古城地区碳酸盐岩岩性识别图版 Fig.1 Chart of carbonate lithology identification in the Gucheng Area

图选项

水动力条件越强,放射性元素铀越富集;水体越稳定,钍、钾吸附越强。依据这一基本原理,对测井值归一化处理(归一化采用参数值/参数基值的方法)后进行数据分析。以邓哈姆分类标准^[18]为基础,将微相类型分成泥晶结构、泥粒或粒泥结构和颗粒结构3种,结果表明,U/(Th+K)和ThK与微相具有较好的对应关系(其中,U为铀测井值;Th为钍测井值;K为钾测井值),颗粒结构型微相的U/(Th+K)值较高,泥晶结构型微相的U/(Th+K)值最低,粒泥或泥粒结构型微相的U/(Th+K)值中等。提取79个岩心或井壁取心沉积微相鉴定样品深度的测井曲线特征值,建立U/(Th+K)-ThK交会图版,不同微相的特征测井值在图版上具有明显的分区性(见图 2)。根据图版上各种微相分区临界附近数据,拟合出2个表征U/(Th+K)-ThK的线性函数y₁=0.833 3x+0.366 7和y₂=0.214 3x+0.607 1,可以分别把颗粒灰岩、泥粒(或粒泥)灰岩和泥晶灰岩区分开,分类符合率达81.4%。

图2 古城地区碳酸盐岩微相识别图版 Fig.2 Chart of microfacies identification in the Gucheng Area

图选项

为了对同一微相的水体沉积能量进行比较及对微相量化分类,对微相识别图版进行数据归类,确定出微相能量参数曲线。微相能量参数值越高,沉积水体能量越强。微相分类图版中U/(Th+K)值与水体相对沉积能量强弱正相关,ThK值与水体的稳定程度正相关,即相同ThK值,U/(Th+K)值越高,说明水体能量越强。以此为依据,对微相识别图版进行量化分类。微相识别图版中表征颗粒结构微相的大于y₁(ThK)界限值的U/(Th+K)数据,利用U/(Th+K)与y₁(ThK)的比的正相关函数计算颗粒结构微相能量参数,二者比值越大,微相能量越强;图版中U/(Th+K)数值在y₁(ThK)和y₂(ThK)之间的数据,利用U/(Th+K)与 y₂(ThK)的差值同y₁(ThK)与 y₂(ThK)的差值比值的正相关函数来计算代表泥粒或粒泥结构微相能量参数,比值越大,微相能量越强;而对于图版中U/(Th+K)值小于y₂(ThK)界限值的、代表泥晶结构微相的数据,利用U/(Th+K)与y₂(ThK)的差值同y₂(ThK)的比值来计算泥晶结构的微相能量参数。根据正相关比值函数的数据归类计算方法可以得出:颗粒结构类微相的能量参数值大于1.0,泥粒或粒泥结构类微相的能量参数值大于0且不大于1.0,泥晶结构类微相的能量参数值不大于0。这样不但可以按照微相能量强度将微相识别图版中的3种微相类型量化区分开来,而且可以量化判别同一微相沉积能量的相对强弱。

古城8井碳酸盐岩岩石薄片典型微相特征分析结果表明,中-高能滩相颗粒结构类微相发育,含少量低能滩或灰泥丘相的中低能泥粒结构类微相和低能滩间泥晶结构类微相,[JP3]总体上反映了台地边缘高能沉积相带的特征。全井近千米厚的碳酸盐岩地层仅取得了38颗井壁取心岩心,在奥陶系地层仅取心1.6 m、寒武系地层取心3.4 m,岩样数量有限,制约了单井相精细划分。通过岩石微相测井识别,明确指示出古城8井高—中—低能微相垂向的叠置关系(见图 3),计算出的微相能量参数值以代表颗粒结构类微相的大于1.0数值为主,与岩石薄片典型微相所反映的沉积特性一致,即碳酸盐岩台地边缘沉积能量较高。

图3 古城8井碳酸盐岩地层旋回与沉积相精细划分 Fig.3 Fine-grained division of carbonate rock cycle and sedimentary facies of Well Gucheng 8

图选项

城探1井岩石薄片鉴定分析结果表明,在丘滩体沉积上部、深度6 850.00~7 100.00 m的地层以残余砂屑、鲕粒白云岩等高能颗粒结构类微相的滩相沉积为主,含少量中低能的菌藻、含球粒白云岩等泥粒或粒泥结构的藻丘沉积的中低能微相;深度大于7 100.00 m的丘滩体下部,是以发育中低能微相的藻丘沉积为主;丘滩体沉积上覆地层深度为6 550.00~6 850.00 m,主要为高能滩相的颗粒结构类微相。根据测井微相类型识别及能量参数计算结果,明确区分出了城探1井丘滩体沉积井段(见图 4)。丘滩体上部微相能量参数为以大于1.0的高值为主、夹小于1.0的中低值,表现出该套沉积体是以高能滩相颗粒结构类微相为主、夹中低能泥粒或粒泥结构微相的藻丘沉积的垂向叠置组合;而丘滩体下部微相能量参数值较小,与岩石薄片鉴定结果整体特征相符;丘滩体上覆地层微相识别参数为厚层状高值,表现出高能滩相沉积特性。

图4 城探1井碳酸盐岩地层旋回与沉积相精细化分 Fig.4 Fine-grained division of carbonate rock cycle and sedimentary facies of Well Chengtan 1

图选项

典型岩石结构特征、地震相及碳酸盐岩沉积相序模式等沉积相综合研究分析结果表明,古城地区钻探的古城4井、古城8井、古城7井和古城6井奥陶系碳酸盐岩依次钻遇台缘斜坡、台地边缘和开阔台地沉积。按照典型碳酸盐岩沉积模式,台缘斜坡属潮下低能相带,台地边缘为高能沉积相带,向台地内部沉积能量减弱,测井识别出的微相组合及微相能量参数很好地反映出该特征(见图 5)。位于台缘斜坡的古城4井—位于台地边缘的古城7井和古城8井—位于开阔台地的古城6井微相能量参数值由小变大再逐渐减小,连井对比表现出开阔台地、台缘带及台缘斜坡具有明显的沉积能量分带性。微相能量参数曲线所反映的沉积旋回表明,古城地区奥陶系碳酸盐岩地层垂向上发育3个横向上可对比的细粒低能相界面(见图 5),由此可划分出多个沉积旋回。

图5 古城地区碳酸盐岩连井地层沉积旋回对比 Fig.5 Comparison of carbonate rock depositional cycle across wells in the Gucheng Area

图选项

1) 灰岩、白云岩具有不同的PE、DT和DEN岩石骨架特征值,是识别碳酸盐岩岩性的重要参数。利用DEN与DT的比值与PE值建立交会图版,可以很好地区分古城地区灰岩、白云岩及过渡岩性。

2) 依据地层中放射性元素聚集的地质规律,利用自然伽马能谱测井获取的沉积地层中各放射性元素含量的参数,建立优选的U/(Th+K)-ThK交会图版,可以有效地划分出泥晶结构、泥粒或粒泥结构及颗粒结构的碳酸盐岩沉积微相,满足了单井沉积相的连续划分及地层沉积旋回对比分析的地质需求,在古城地区碳酸盐岩地质研究应用中取得了较好效果。

3) 受勘探初期资料条件限制,岩心标定数据还较少,随着资料的增加,结合岩心数据标定成像测井资料,可以进一步改进完善图版。