涵義
測井地質學是以地質學和岩石物理學的基本理論為指導,綜合運用各種測井信息,來解決地層學、構造地質學、沉積學、石油地質學以及油田地質學中各種地質問題的一門科學。測井地質學是地質和測井兩大學科相互交叉、滲透而派生和發展起來的新興邊緣學科,是80 至90 年代石油勘探事業和石油科技飛速發展應運而生的地球物理和地質學相結合的一個分支學科。地質學和地球物理測井學是兩門自成體系相對獨立的學科,都有著各自的基本理論和解決問題的方法。隨著勘探難度的加大,石油勘探中提出的地質問題越來越複雜。因此,就必須通過地質、測井緊密結合,採取多學科綜合研究即測井地質學來解決這些難題。測井地質學是石油勘探生產實踐活動的產物,反過來它又能較好地解決石油勘探中的實際問題,從而促進生產實踐活動的進一步發展。
研究內容
測井地質學將通過各類測井手段獲取信息,經過計算機的加工和處理,來解決基礎地質石油地質和油田工程地質領域中的問題。所要解決的上述問題就是測井地質學所要研究的基本內容。
1.測井地質學的基礎地質研究
基礎地質學中的首要任務是充分利用地質資料和測井信息並與地表資料、地震資料相配合進行地層層序劃分和標定,建立區域性的統一的地層層序,確定沉積體系域,找出不同體系域的測井曲線回響,進行井間層序和沉積體系域的分析,這是區域地質綜合研究的基礎。利用測井信息進行構造地質研究是測井地質學研究的又一重要內容。利用測井信息進行區域和局部構造以及斷層研究,編制構造圖是測井地質學最基本、最常規的研究內容。除此以外,還可以以構造地質學的基本理論為指導,充分利用測井信息進行構造裂縫的定量和定性研究,通過構造應力場的分析,確定其性質、產狀、組系發育和分布規律、裂縫發育的控制因素、形成機制等,從而為油氣勘探和油氣田的合理開發提供依據。
測井沉積的研究是測井地質學研究的重要組成部分,近期獲得了迅速發展。測井相分析是測井曲線岩性解釋最有效的方法和手段。利用傾角測井資料進行沉積岩層理構造的研究,進而綜合其他資料進行沉積相的標定、沉積微相分析和古水流方向的研究已取得了突破性的進展和良好的效果。利用測井信息進行欠壓實泥岩的研究、沉積岩中粘土礦物研究,結合地質學確定粘土礦物的類型、豐度性質和組合,對鑽井液配製、儲層性質、油層保護都具有重要意義。利用測井信息研究沉積岩中微量元素的類型、性質和豐度是測井沉積學研究的新領域,它對古環境的確定具有重要意義,此外,利用測井信息進行成岩作用研究,劃分成岩段,確定成岩環境,也是測井地質學所應完成的任務之一。
2.測井地質學的石油地質研究
利用測井信息解釋油、氣、水層,確定含油岩系的孔隙度、含油飽和度是當今各油田採用的解決石油地質問題的常規手段。除此以外,利用測井信息研究生油層、蓋層及油氣的.生、儲、蓋組合也是測井地質學必不可少的組成部分。不同類型、不同豐度的生油層,不同特性的蓋層,不同的生、儲、蓋組合形式應當具有不同的測井回響。這一問題的研究和解決對於含油氣盆地預測和評價將起著重要的作用。利用測井信息研究儲量參數、地下流體性質、分布狀況是測井地質學的實際問題之一。
3.測井地質學的油田工程地質研究
在油氣勘探和開發的生產實踐中,綜合各種測井信息,套用於地震解釋設計、鑽井設計、油井壓裂、試油過程中的鑽井液配製、套管的損傷和變形、油層保護等工程地質的研究,是測井地質研究的又一新領域。綜合測井信息還可以套用於大地應力場的研究、岩石力學性質及可鑽性的研究,三次採油中剩餘油飽和度及剩餘油分布的研究,這些都屬於測井地質學所要研究的對象和內容。
研究方法
測井地質學的研究建立於地質學和岩石物理學理論基礎之上,以地質信息和測井信息的提取為依據,通過地質信息和測井信息間的正演和反演過程,建立測井解釋地質模型,以期解決地質問題。
1.測井地質學研究的邏輯步驟
1)鑽井岩心和野外露頭的觀察
露頭和岩心觀察是地質學及測井地質學研究的基礎,通過露頭和岩心的觀察可獲取諸如地層、岩性、岩石物質成分、結構、構造、沉積組合、生、儲、蓋條件等大量的地質信息和第一性資料。以此為基礎,可以建立起地層層序、沉積相和生、儲、蓋組合等概念模型。
2)地質刻度測井
套用野外露頭,鑽井岩心和實驗室分析化驗獲取的地質信息和參數,進行各種測井曲線的標定和刻度,通過建立正演和反演模型,建立正確可靠的岩電關係,為提高測井地質的解釋精度奠定堅實的基礎。
3)測井資料的處理
根據各種地質基礎資料和測井系列,進行資料的可行性評價及數據處理,並對測井曲線進行校正和資料處理,是測井地質學研究的重要環節。
4)測井資料的地質解釋
在岩石物理研究的基礎上,以大量的地質資料所建立的地質模型和測井資料處理結果為依據,完成測井地質解釋工作。
2.測井地質學研究的定量及定性分析方法
地球物理測井資料實質上是井剖面岩層各種物理性質(如導電性、放射性、電化學特性等)的二維或三維分析,是一組數據。這些數據僅僅間接地反映了岩石地質特性(如,岩石的成分和結構),而岩石性質的描述信息大量的是不便於數量化的知識信息。為了完成由數據信息到知識信息的轉換,測井地質學研究中使用了近年來發展起來的許多數學分析方法,主要有:
(1)模糊統計方法;
(2)小波分析方法;
(3)分形幾何方法;
(4)人工神經網路算法;
(5)混沌及隨機行走分析方法。
進展
目前,測井資料已經在岩石學、沉積學、地層學、構造地質學、油氣儲層評價、生油岩及油氣蓋層的評價等地質學領域中得到廣泛套用。其中岩性分析、儲層參數分析、斷層分析都已經較為成熟並且開發出一些較實用的計算機輔助解釋程式,如斯倫貝謝公司的LITHO及FACLOG 程式,阿特拉斯公司的SIRATADIP 程式,石油大學(北京)的CALIS 程式等。80 年代以來,隨著測井技術的發展和計算機的進步,國外的測井地質學研究在以下一些方面取得了較明顯的進展。
1.識別岩石成分和結構
繼自然伽馬測井和自然伽馬能譜測井之後,斯倫貝謝公司在80 年代中後期推出了以探測岩石礦物成分為主要目標的地球化學測井方法,該方法基本原理是利用加速器產生的中子源轟擊地層的粒子,使之產生活化作用,測量並分析元素活化生成的次生伽馬線能譜,可以計算出K、Th、U、Al、Ca、Si、Fe、S、Ti、Cd、Cl、H 等12 種元素的含量,並用其合成六種礦物成分,據此識別岩石的成分。這種方法識別和劃分火成岩見到較好的結果。
岩石的結構指的是岩石組成分的幾何特徵,如顆粒大小、形狀、分選和排列等。傳統上依靠自然電位和自然伽馬的測井曲線特徵來研究和估計碎屑岩的岩石顆粒大小,藉助於測井資料計算的孔隙度來研究岩石顆粒的分選性,利用岩石電導率的各向異性研究岩石顆粒的排列方式,近年來成像測井的發展使地質家有可能套用井壁測井成像圖來估算結構複雜的礫岩、碳酸鹽岩的結構。
2.相和相序的研究
相反映了沉積物沉積時的物理、化學、生物條件,相序反映沉積物沉積的時間和空間的變化,自80 年代以來,不少人沿用了O.Serra 提出的電相和電序列概念來研究沉積相和相序。其基本方法是通過測井曲線值和形狀變化進行岩性分析、電相分析和電序列(曲線變化趨勢)分析。使用的數學方法主要是數理統計、時間序列分析、譜分析、分形幾何、馬爾可夫過程等。分析的準確性主要取決於用岩心、露頭、地震反射波刻度和約束測井資料的精度。
3.成岩作用研究
沉積岩是由沉積物被埋藏以後經過一系列物理的、化學的、生物的作用即所謂石化作用而生成的,這個過程稱為成岩作用,主要的成岩作用有壓實、膠結、重結晶、交代、水化等。成岩作用使沉積物在粒度、形狀、表面結構、取向、礦物成分、孔隙度、滲透率諸方面發生變化,而這些變化在常規測井及成像測井資料上都能得到回響。
4.層序地層學研究
測井資料直接回響的是岩性變化,而層序地層學研究的是沉積地層的時間格架,近年來把測井資料通過對準層序的回響研究由岩性格架轉變時間地層格架方面有了很大的進步。其核心內容是層序界面的確定和旋迴研究。通過這些研究將層理研究和層序研究結合了起來。並有可能發展成測井層序地層學。
5.生油岩的測井分析
在測井用於儲層評價時主要研究對象是砂岩,而在生油岩評價中測井解釋的主要對象是泥岩。實踐證明富含有機質的泥岩的電阻率比不含有機質的泥岩的電阻率高數倍。通過對泥質岩石電導率、自然伽馬能譜分析、聲波縱橫波速度差異的研究,測井可以有效地識別生油岩。
6.儲層預測及油氣區域研究
通過測井曲線的標準化刻度和井間對比,可以在油氣區塊上製作出各種各樣的地球物理相態等值圖,如自然伽馬、電阻增大率、膠結指數、測井孔隙度、滲透率、泥質含量等在一個儲層的區域分布圖,這種圖與含油飽和度、沉積相等有極為密切的關係,依靠這些圖的研究可以得出油氣儲層在區塊上的時空展布,為科學布井和開採提供了依據。在我國國內,經過"七五"計畫油藏描述科技攻關及"八五"計畫儲層預測攻關,測井地質學研究取得了顯著成效,並廣泛得到套用,諸如:油藏中飽和度分布規律的測井研究,測井預測油/水界面,測井精細構造解釋,包括高陡構造、逆沖斷層、複雜小斷塊、測井沉積微相、古水流分析、裂縫性地層的裂縫分布規律研究,地層壓力剖面解釋、低電阻層機理與地質研究,現代地應力測井分析,地層壓力剖面解釋和預測等。此外,還有測井對泥岩生短能力評價、測井層序地層學、垂直地震測井解釋等,在測井與地震資料結合解釋方面也取得了很多成果,測井約束條件下的地震反演,在工合成地震剖面已經在油藏描述中得到了廣泛的套用。我國近年來開發出了一些已經得到廣泛套用的測井、地質、地震聯合解釋軟體平台,比較好的如GRIS-TATION、NEWS等。
存在的問題
1)解的不確定性
利用測井技術在井下檢測到的岩石物理性質如導電性、放射性等僅僅是間接包含了岩石的地學描述信息,而不是直接得出地學知識信息。例如測量的地質對象由鑽井取心觀察是"灰色含泥細砂岩"。這個結論有四個信息需要量化約定才可能由測井數據集判定。即顏色、泥質成分及含量、砂粒的礦物成分(石英或長石)、砂粒的粒徑。其中尤其是顏色,直到目前也無法用測井曲線解釋清楚。實際上,人們往往要求測井數據集合去直接解一個地質描述目標,也就是說在測井與地質兩個集合之間尋找對應關係。由於測井數據集是確定的(而不是隨機的)、全部可量化的(而不是描述的)、維數是有限的(即僅有幾種測井方法),因此測井數據集與地質描述結合之間就不是一一對應的,存在著不確定的解。
2)解的區域性
由於沉積體與沉積環境密切相關,因此地質學對沉積體的描述大多是地區性的。而測井方法是固定的,同樣是電阻率曲線對不同井、不同層位、不同地區,即使是同一類岩石也不會具有相同的數量。這就是為什麼用同一種測井方法,如果不修改控制參數,在研究地學問題時在不同的地區會得到不同的結論。
3)負載能力有限性
地球物理測井探測的是地層的電性、聲學特性和核物理特性,加上探測研究環境和條件的影響,不同的地質對象的回響差異並不顯著,例如石英、白雲石、方解石三種沉積岩主要礦物的聲波時差(縱波)相對差值僅為10%左右,而測井儀器的誤差為5%,井徑和鑽井液變化的影響可以達到50%以上。所以利用測井識別地質現象的能力是很有限的,只有在數學約束、物理約束、地區約束條件都能滿足的條件下才可以得出滿意的解。不能什麼問題都企望測井去解決。
鑒於以上幾點,我們不妨把測井地質學成果定位在輔助信息、輔助工具這個層次。即輔助地質家在由數據信息到知識和智慧(即決策)信息的生成過程中少走彎路,節省投入,達到事半功倍的境界。
探索方向
(1)更新用測井資料確定岩性、岩相、沉積環境研究的概念,將測井信息作為單項指標量提高到模型化的高度(即由數量模型提高到概念模型),建立典型模式。
(2)深入研究測井曲線的旋迴特性,建立測井層序地層學分析體系,並以層序地層、旋迴地層、地層模擬為基礎綜合測井和地震勘探資料研究使地震高解析度上升到測井的量級,使測井在區域研究上有更大的用武之地。
(3)加深低孔低滲油氣儲層有效孔隙度、滲透率的測井計算方法研究,束縛水飽和度計算方法研究,在油藏產能評價方面開闢新的方向。
(4)將測井資料進一步有效地套用到地應力計算及次生孔隙評價、地層敏感性分析和油層保護等工程方面。
