测井技术在沉积学中的应用课件.doc

中国地质大学（北京）课程期末论文测井技术在沉积学中的应用课程名称：测井地质学姓 名：学 号：学 院：任课教师：学 时：32开课院系：地信学院日 期：2014年10月21日测井技术在沉积学中的应用摘要：测井沉积学研究采用正演和反演的方法, 建立沉积学特征与测井地质信息之间的解释模型, 尽量使沉积学特征定量化以便于处理和预测。在测井沉积学研究中, 与其它地质资料相比, 测井资料具有信息量大、纵向连续、横向对比性好以及资料获取时间短和成本低等特点。测井技术在沉积相和沉积微相解释方面提供了新的方法和思路，推动了沉积学发展。同时，随着数学和计算机技术的进步，测井沉积学将得到更好的发展。关键词： 测井 沉积学 沉积微相 测井相0 引言 自从60 年代以来随着沉积学的迅速发展以及测井技术的进步，地下沉积学研究也取得突破性进展, 就油气田勘探和开发而言, 测井资料已是地下沉积学研究、特别是解释古环境不可缺少的一种地质信息。 最早系统整理测井资料地质应用的是Pirson的“测井资料地质分析”, 其核心是把测井资料用于油区沉积学研究, 进而描述油气储集层。用测井曲线的模式来解释沉积环境奠定了用测井曲线进行沉积学分析的基础。沉积学研究中沉积相分析方法为测井沉积学提供了十分丰富的理论和方法基础。测井沉积学是测井评价技术发展的重要趋向，测井技术是双重心的（图1），一个技术重心是测井传感器，另一个技术重心则是测井资料的地质和工程应用。在测井沉积学研究中, 与其它地质资料相比, 测井资料具有信息量大、纵向连续、横向对比性好以及资料获取时间短和成本低等特点, 测井沉积学研究的关键是测井资料中所包含的沉积学信息的提取。图1 地球物理测井的双重心结构1 测井沉积学研究方法及内容 就测井资料而言, 它是研究地质情况的间接资料, 而沉积学是把这些资料转变为各种地质模型、模式, 然后利用这些模式、模型去解释地下地质情况，即包括正演和反演两个方面。早期的测井沉积学研究侧重于常规测井资料，自80 年代以来倾角测井及成像测井(主要是裸井眼微电阻率成像测井FMI和井下电视CBIL ) 资料在沉积学研究领域得到广泛使用, 提高了地质目标的分析精度和分辨能力。 地层倾角是研究沉积特征的重要方法, 它能反映岩性的均质、非均质、岩石粒度及分选性等岩石结构信息; 用短对比法处理倾角资料得到的矢量图用于识别各种层理构造; 用矢量方位频率图可估计古水流方向。 测井资料沉积学分析并不能包括沉积学研究的所有内容(如颜色、古生物等) , 其研究内容主要包括沉积环境、岩相解释、沉积构造和古水流分析等。测井沉积学研究中相和沉积环境的分析是主要的研究内容, 尤其是相分析更为重要。2 沉积相 沉积相是沉积物形成条件的物质表现。从物质表现这点来看, 这种相的概念可包括测井相和地震相。相标志最能反映沉积相的一些地质特征, 是沉积相分析的基础和关键。相标志包括: 相体的几何形态、岩性、沉积构造、古水流、古生物和地球化学特征等, 描述和分析这些相标志是相分析及解释过程的基础, 测井沉积学研究的主要途径就是分析和研究能描述各相标志的测井响应特征。2.1 相体的几何形态 沉积岩体的几何形态是指总体形状和大小, 不涉及内部层理构造, 是沉积前地形、沉积环境和沉积后地质史的函数, 只有在沉积过程中形成并被保存下来的岩体其几何形状才有作为相标志的价值。几何形状研究有两种途径, 一是由整体到局部的研究过程, 即从地震相确定区域或油田范围内各相体的大致形态和分布, 然后由岩相和测井相分析结果对各相体进行详细研究, 使地震相获得更加精确和综合的描述; 另一种是在钻井覆盖程度和密度较高的地区进行多井剖面对比分析, 由此得到相体几何形状和沉积过程的解释。在相体几何形态研究中测井资料起到了单井标定以及从点到面之间的桥梁作用, 测井对地震的标定可以分析相体的空间展布。2.2 岩性及岩相分析 岩性分析主要是成分和结构分析。岩性是进行沉积相分析的基础, 从测井资料看几乎所有的测井方法都对岩性或沉积岩矿物成分有反映。用测井资料研究沉积结构主要是颗粒大小、形状、排列、分选程度、含泥质情况及它们的纵向分布，其依据是测井物性和岩性之间有密切的响应关系。由于测井深度是时间刻度, 因此, 孔隙度、渗透率和含泥量曲线能反映沉积能量和作用时间变化的规律, 从而可描述沉积结构。由于碎屑岩岩性比较复杂, 进行结构分析时要选用不同的测井方法和分析方法才能获得岩石结构的某些资料。 传统的岩性及岩相分析方法是利用孔隙度测井进行矿物成分的研究, 用交会图的形式来实现。随后, 又陆续使用光电吸收指数、多元回归分析及非线性理论等方法研究矿物成分。岩相的分析历经了手工分析、模式识别、多元分析(主成分和聚类分析等) 以及智能分析等阶段2.3 沉积构造 沉积构造是测井沉积学研究的重要内容, 对于测井资料而言, 沉积过程中形成的宏观结构(层理)只有在纵向分辨率高和采样率高的成像测井和地层倾角测井上有响应。沉积构造所造成的层理包括层理产状、形状、界面特性和界面内物质结构等内容。2.4 古水流 根据水流层理的特征(类型、角度、形式、分布)和方向(定向程度、发散程度、与古斜坡和砂体几何形状的走向关系) 与对应的测井信息来确定古水流的方向及发育情况。图像资料和高精度地层倾角资料在岩心观测结果和区域地质背景的刻度下, 成为古水流分析的主要依据。2.5 地球化学分析 自然伽玛能谱、岩性密度测井、激发伽玛能谱测井等测井技术可使岩石中的10余种元素成分直接测量到, 使识别岩石成分和分析沉积环境的能力得到提高, 通过实验室分析和理论研究使测井岩性组成成分解释更趋合理。3 测井相 测井相是由法国地质学家OSerra于1979年提出来的，目的在于利用测井资料(即数据集)来评价或解释沉积相。他认为测井相是“表征地层特征，并且可以使该地层与其它地层区别开来的一组测井响应特征集”。事实上，这是一个n维数据向量空间，每一个向量代表一个深度采样点上的几种测井方法的测量值，如自然伽马(GR)、自然电位(SP)、井径(CAL)、声波时差(AC)、密度(DEN)、补偿中子(CNL)、微球型聚焦电阻率(RXO)、中感应电阻率(RIM)、深感应电阻率(RID)这样一个9维向量就是一个常用的测井测量向量。 测井相分析就是利用上述测井响应的定性方面的曲线特征以及定量方面的测井参数值来描述地层的沉积相，实际确定沉积相中还有赖于地层倾角测井、自然伽马能谱等多方面的资料。测井系统愈完善，测井质量愈好，测井相图反映实际地层沉积相的程度也就愈好。测井相分析就是从一组能反映地层特征的测井响应中，提取测井曲线的变化特征，包括幅度特征、形态特征等以及其它测井解释结论(如沉积构造、古水流方向等)，将地层剖面划分为有限个测井相，用岩心分析等地质资料对这些测井相进行刻度，用数学方法及知识推理确定各个测井相到地质相的映射转换关系，最终达到利用测井资料来描述、研究地层的沉积相。3.1 测井相标志与地质相标志的关系 测井相中数据向量每一维都可称作一个测井相标志, 沉积相标志是确定沉积相中一个观察描述特征标志。两种相标志之间不存在一一对应关系，尤其是类似古生物等描述在测井资料中不可能确定，但在已知特定油气田地质背景时，可以经过统计、知识推理找到判断亚、相微相的组合对应关系，这种关系就是所谓解释模型。这种关系一般表现为逻辑的，而不是数量的。在若干地质沉积亚、微相模型特征研究基础上，总结出在确定某种沉积亚相、微相中最主要的依据是颜色、岩性、结构、沉积构造、粒度分析、古生物、地球化学以及垂向相序列等相标志。而在区域沉积背景，即相组、相确定的基础上，最基本的相标志是岩石组合(成分、结构)、沉积构造、粒度分析及垂向序列的特征，它们在各种亚相、微相中差别明显。而测井资料中以常规组合曲线及处理成果、地层倾角测井曲线及其处理成果、成像测井图像，可以解释出其中主要的基本的相标志：(1) 岩石组合(类型及结构)；(2) 沉积构造，如冲刷面、层理类型、纹层组系产状及其垂向变化；(3) 垂向序列变化关系(正粒序、反粒序、复合粒序、无粒序)；(4)古水流。用测井资料解决以上几类相标志，就是为测井沉积学研究提供可靠的保证，那么怎么作好“地质测井”刻度、反演的工作，精密地将已建立的各种地质相标志模型和测井相标志模型的互相对应，使相互有机结合，实现测井资料在地质相标志刻度下的沉积亚相、微相判别。 用“岩心刻度测井”进行反复刻度和反演，总结出针对不同沉积亚相和微相的测井相标志，用于确定测井沉积相。选择两类若干种测井解释模型，即反映岩性特征（主要用常规组合测井曲线特征及计算机处理来完成）、层序特征的测井解释模型和反映沉积构造、结构及古水流的测井解释模型（用地层倾角的微电导率曲线精细处理成果和成象测井图像来建立）。3.2 测井相分析成果的主要用途 由于测井相分析能够获得深度准确、质量较高的单井岩相柱状图，故它在石油勘探与开发中有着广泛的用途。 （1）确定井剖面地层的岩性，研究岩相特征。 （2）为单井解释、多井评价确定地层模型提供依据。 （3）研究地层层序关系，进行地层对比。 （4）研究油田储集层的纵、横向变化及油气层分布，予测有利含油气区。 （5）提供各类岩相统计结果，对研究区域性的生、储、盖条件极为有利。 （6）进行沉积相与构造地质研究。4 沉积微相 常规的沉积微相研究是在相模式及相序递变规律指导下，通过观察岩心的成分、结构和沉积韵律等信息来确定沉积相，此研究适合取心井段，对非取心井段则无法展开工作。为充分利用测井资料，准确、快速、客观地确定地层沉积微相，研发新的沉积微相解释方法，为测井资料的综合解释提供新的手段。4.1 方法原理4.1.1 测井曲线指向敏感性分析 不同地区沉积环境不同，每口井所测的多条测井曲线反映沉积微相信息的灵敏度也不同，因此，为减少计算工作量，对系统取心、微相类型齐全的关键井分析测井曲线特征与已知微相类型之间的对应关系，选取灵敏曲线。4.1.2 特征参数提取 提取特征参数是将测井曲线中包含的沉积环境信息量化的过程，是实现计算机自动识别沉积微相的前提。这些特征参数的单一或组合可以作为沉积微相类型的特征变量，可以用于识别不同环境下的沉积微相。标识沉积环境的特征参数见表1。经过分析选取后，敏感曲线的特征参数的集合就构成一个特征向量，每一个特征向量对应着一个沉积微相，即一个相模式。已知沉积微相类型的模式样本即为神经网络训练学习的输入数据，而待判别的特征向量则是神经网络处理的输出数据。表1特征参数 沉积环境测井响应平均值沉积颗粒大小及能量峰值位置沉积韵律性峰值个数沉积环境能量波动情况顶底界面对称性上下邻层荚系及沉积韵律类型曲线凹凸性沉积速率曲线面积沉积环境能量曲线分形维数沉积环境复杂性4.1.3 几何形态特征参数和曲线形态的识别 对于给定的沉积单元，描述测井曲线的几何特征参数为测井曲线最小值处底部宽度(Wmin)、平均值处的曲线宽度(Wa)、中间值处的曲线宽度(Wm)、最大值处的曲线宽度(Wmax)、最小值处的尖峰个数(总尖峰个数)、平均值处的尖峰个数、中间值处的尖峰个数、最大值处的尖峰个数（图2）。 利用几何特征参数识别测井曲线形态步骤：(1)适当变换测井曲线的比例，选择适当的深度比例和测井响应的绘图比例，提取测井曲线的几何特征量；(2)在小层和单元划分的基础上，提取描述沉积单元曲线形态的几何特征参数；(3)建立测井曲线几何形态与测井曲线形态之间的关系；(4)利用测井曲线几何形态与描述测井曲线几何特征参数之间的关系，确定曲线类型。4.1.4 曲线形态特征分析图2 描述测井曲线几何特征参数图3几种典型测井曲线形态的数学描述 常见的测井曲线形态通常分为钟形、箱形、漏斗形、指形，齿化及复合形（图3）。可以通过一些参数描述各层段内曲线(主要是岩性曲线和电阻率曲线)的形态特征，再根据其沉积相和沉积亚相类型判断微相，主要参数有： (1)岩性 岩性是划分沉积微相的主要依据，因此首先要初步估算岩性类型。通常根据GR或SP曲线，按照常规的计算泥质含量的方法确定岩性。当然，这样确定的岩性并不是很准确，只是起到指示沉积微相的作用。 (2)曲线的比幅度(L和R) 比幅度是指曲线的幅度与其厚度的比，不同的曲线形态具有不同的比幅度值，通常指形曲线的比幅度应该较大，其它形态相对较小。此外比幅度也在一定程度上反映岩性的变化。实际计算时，分别寻找层内最大和最小值，以GR曲线为例，最小值与厚度的比定义为左比幅度(L)，最大值与厚度的比定义为右比幅度(R)。显然左比幅度越大，粒度越粗；相反，粒度变细。 (3)曲线的方差(） 曲线的方差实际上反映了粒度的分选性。如果粒度分选好，物图4 测井沉积微相判别模型性变化不大，测井曲线则近似为直线，测井数据的均值主要集中在曲线的中部，只有顶底数据与均值偏差大一些，因此方差较小。这种情形对应了箱形曲线。如果粒度分选性差，说明物性变化较大，反映到测井曲线上，则有一定的起伏，曲线可能为漏斗形、钟形或者指形，其测井数据相对分散，有相当一部分数据点远离均值，必然导致方差较大。 (4)曲线的斜率(k1和k2) 曲线的斜率是识别曲线形态另一重要的参数，图3给出了钟形、漏斗形、箱形和指形的斜率特征。斜率分为上斜率和下斜率，分别记为k1和k2。依层段内厚度的中点为界，上斜率规定为该段内起始点到中点，这段曲线内，连续递减或递增变化最大的一段曲线的斜率。这一变化反映了曲线整体的变化趋势，因此，斜率不是局限于2个点之间的变化，而是反映指示曲线的总体变化规律。同理，下斜率则从中点到最后1个点开始计算。仍以GR曲线为例，对于几种常见的曲线形态，上下斜率的关系列于图3中。对于钟形，上段曲线变化平缓，下部变化剧烈。漏斗形则恰恰相反，箱形和指形曲线2个斜率近似相等。表1中曲线的共同特征是上斜率都是负值，下斜率都是正值。对于GR曲线的情况，斜率负值表示岩性变粗，正韵律，如果曲线为电阻率曲线则相反。4.2 测井相到地质相转换 (1)采用层内差异法、聚类分析法、标准差归一化法及泥质指示参数进行微相段划分、测井数据归一化及测井特征参数提取。 (2)采用数理统计分析中的主成分分析、雅可比法从具有复杂相关关系的m个测井参数X=(x1，x2，xm)T中提取P个最能反映沉积微相特征的非相关主成分变量： Yj= ajlxl+ aj2x2+ + ajmxm= ajTX J= 1，2， ，P (Pm ) 其中：Yj为X 的第J个主成分，aj为第J个主成分的系数向量(可由标准样本层数据求出)。 (3)根据前P个互不相关的主成分，采用聚类分析法对标准样本层进行测井相类型的划分，将划分出的各种测井相与已知沉积微相作详细对比分析，并考虑地层和测井特征，建立测井相与沉积微相的对应关系。 (4)采用Bayes判别分析建立各沉积微相的识别模型 Zg (X)=|lnPg|+C0g+C1gx1+ +Clgxl g= 1，2， ，G式中：G 为测井分类数；l为测井特征参数个数；C0g 、C1g、Clg为判别系数，可由标准样本层数据求出；Pg为第g类测井相先验概率；X=xl，x2， ，xl为主成分向量；Zg(x)为第g类测井相判别函数值。 (5)对未知地层，应用所开发的软件及建立的模型，即可进行沉积微相的自动识别解释。 依据上述原理对某油田西区的十几口井的测井资料进行处理，建立了研究区的测井沉积微相判别模型（图4）。5 以三角洲沉积体系为例的微相分析5.1 三角洲平原亚相 分流河道 分流河道在自然电位曲线上呈中幅的厚层箱状或钟形及箱形的复合体，齿中线内收敛。厚层箱状反映了急流条件下心滩的快速堆积：钟形反映非急流条件下类似曲流河的边滩沉积。视电阻率曲线基本上与自然电位曲线一致，但因岩层内流体影响可出现振幅的异常变化（用于判断油气水层）。 河道间 自然电位曲线幅度总体较低或呈锯齿状，在粉砂岩发育地区稍有高幅度异常。这种特征反映沉积粒度较细。锯齿状则在此微相中反映了粉砂岩与泥岩互层。视电阻率曲线一般为幅度较低的齿化曲线。无论是自然电位还是视电阻率曲线的幅值都比分流河道低。5.2 三角洲前缘亚相 水下分流河道 岩性以含砾砂岩、中粗砂岩为主，其层序表现为底部为冲刷面，其上由各类岩相单元组合在一起，构成不同类型的岩石相组合类型：(a)泥砾一含砾粗砂一中细一粉砂粉细砂岩一泥质粉砂；(b)细砾一含砾粗砂一中细到粉砂一粉细砂岩一泥质粉砂一细砂到粉砂，具平行层理；(c)含砾粗砂一粗砂到中砂一中细到粉砂一粉细砂一细砂到粉砂一波状层理泥质粉砂岩，不同类型岩相结合有序叠加构成三种分流河道相序。图5 A井河道砂电测特征图图6 B井河道砂电测特征图7 C井河口坝电测特征图图8 D井河口坝电测特征图图9 E井前缘席状砂电测特征图每一种相序均表现为向上变细正旋回特征。在测井曲线特征方面主要表现为：自然伽马、自然电位、视电阻率和声波时差为箱形，上圆锥形(图5)和钟形(图6)，越往上游其幅度值越大。 河口坝沉积 水下分流河道末端，沉积物的扩散作用在分流河口地区形成一系列分散、孤立的，并与水流方向垂直的河口砂坝，河口砂坝往往在每次洪峰刚过后易保留、最显著者易形成进积型层序而向上变粗。还有水的能量剩余较大的退积型层序，如中细砂一粉细砂一细粉砂交错层理，细砂岩一粉砂岩水平层理一泥质粉砂（图7，图8)。测井曲线特征表现为：分流河口坝的自然电位曲线形态为中到高幅齿化漏斗形，有时呈箱形或-者的组合。在下部的前积式幅度组合部分，齿中线具外收敛特征。上部为加积式幅度组合，曲线形态为微齿形，齿中线水平。漏斗形反映出前秘式反粒序沉积特征，箱形为分流河道末端快速堆积的结果。齿中线水平代表周期的反复，多期替加使曲线呈现箱形与漏斗形的组合。 前缘席状砂 分布于河口砂坝前部或侧翼，通常由粉细砂岩到泥质粉细砂岩、细粉砂岩、粉细砂岩与泥互层，韵律不明显，测井曲线为螺丝钉形中幅指状、中幅手套形（图9）。图10 F井分流间湾电测特征图 远砂坝 线特征为低至中幅的刺刀形、指形或多个低幅漏斗形曲线叠加，幅度自下而上逐次加大，形成前积式幅度组合，代表了多期叠加反粒序的沉积特征，齿中线外收敛，这与砂体的前积相吻合。曲线形态与分流河口坝相类似，但整体幅度值比河口坝略低。 分流间湾(河道间湾) 介于分流河道沉积间的细碎屑沉积，主要由氧化一弱还原性颜色泥岩构成，如灰紫色、浅灰色、灰绿色泥岩，局部夹粉砂岩和粉砂质泥岩，厚度一般较小。电测曲线表现基值或近似直线（图10）。5.3 前三角洲亚相 位于三角洲沉积外缘，颗粒较细，主要由暗色泥岩或碳酸盐构成，局部夹薄层粉砂岩，测井基值近似直线。用测井资料划相时，参考声波时差曲线区分河道和砂坝。河道砂沉积的时差比砂坝的时差小，砂坝比砂坪(席状砂)时差小。席状砂小于间湾，前三角洲相与河间湾接近，但有的前三角洲有含石灰质或白云质的东西时，时差小。其规律是：从间湾一席状砂一河口砂坝一河道砂，声波时差逐次降低。6 发展动向 目前, 沉积学研究已发展成为与其它学科(地球物理、地球化学、矿物、古生物、大地构造等) 紧密结合的综合性学科。现代沉积学以研究沉积过程为特征, 提供了人们认识地质体的大量知识, 按照本体论的思想, 沉积学研究的目的是缩小现代沉积过程和古代沉积岩特性认识和解释之间的距离, 重建古代岩石的形成环境及变化规律。对油气田勘探和开发而言, 在钻井数较少以及取心不连续等条件下, 测井资料显示了较强的优势。 测井资料在沉积学中的应用是建立在测井技术和对测井资料的解释处理方法基础之上的，因此，其发展动向表现在两个方面：其一是测井新技术的发展；其二是测井资料解释处理方法的发展。用测井资料进行沉积学研究是测井资料地质应用的一个新领域，它综合利用了丰富的测井信息，在沉积学领域又开创了一个新的方向，丰富了沉积学的研究手段。测井资料的解释处理新方法将会在现有测井资料的基础上增添对沉积学信息的提取，为沉积学研究拓展新视野。综合利用测井信息，挖掘隐藏在测井资料中的地质信息是测井沉积学未来的一个发展方向。测井数据的综合解释与数字处理就是某种意义上对测井数据的挖掘。在对测井资料的解释技术上，数学和计算机技术将发挥越来越重要的作用，尤其是数学，会在测井资料的处理解释上发挥越来越重要的作用。参考文献： 曹广华, 胡亚华, 张奇文, 等. 利用测井资料识别沉积微相方法研究J. 科学技术与工程, 2007, 7(15): 3674-3680.陈钢花. 陕甘宁盆地三叠系延长组测井沉积微相研究J. 中国海上油气 (地质), 2002, 16(1): 54-57.金燕, 夏开琼. 测井沉积微相分析方法研究J. 天然气勘探与开发, 2002, 25(2): 21-24.刘红歧, 陈平, 夏宏泉. 测井沉积微相自动识别与应用J. 测井技术, 2006, 30(3): 233-236.李国永, 徐怀民, 刘太勋. 地层倾角测井沉积构造与层序界面识别J. 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