综合利用测井资料识别划分河流沉积相
摘要：在钻井过程中，取心及岩屑录井资料都十分有限，以往通过岩心观察或者综合分析岩屑录井资料来进行岩性和沉积环境研究的方法受到很大限制，而利用各种测井资料所提供的丰富信息来进行沉积相研究已成为发展趋势。通过研究河沉积相中各沉积微相的特征及在测井曲线上的响应特征，提取各不同沉积微相的测井相特征参数，建立河沉积环境的各沉积微相的测井相模式及特征参数样本，利用神经网络技术反馈学习，获得一套适合研究区河沉积微相的判别系数，并对其他实际测井资料进行沉积微相自动识别。
一.绪论
河流是流水由陆地流向湖泊和海洋的通道，也是把沉积物由陆地搬运到湖泊和海洋中去的主要营力.形成水退的低水位体系域.河流在地表流动时受气候、地质构造、地貌形态、基岩性质和植被发育等因素的影响，常具有不同的相类型.
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，从测井曲线中可以提取反映地层沉积信息的多种特征参数；利用神经网络识别方法在取心井中建立各类已知沉积微相的测井响应模式，并将其推广到非取心井段，进行全井段连续沉积微相人机联作解释。沉积相与测井相的有机结合是测井资料解释沉积相的关键，方法是在岩心分析的基础上，利用岩心资料对测井资料进行反复刻度和反演，总结出不同沉积亚、微相的测井相标志，用于确定测井沉积相。一般来说，常规测井及其处理成果对于岩性特征反映比较好，而成像测井则主要用于反映沉积构造、结构及垂向序列等。
二.河流环境沉积相类型及其沉积特征
拉施特（Rust）根据河道分叉指数和弯曲度将河流分为顺直河、曲流河、辫状河和网状河四类（图1）。通常平直河与网状河沉积以稳定垂向加积为主，曲流河以侧向加积为主。曲流河沉积主要亚相有河床（河道）亚相、堤岸亚相、河漫亚相（泛滥平原）以及牛轭湖亚相，其中河床亚相包括河床滞留沉积微相和边滩沉积微相，堤岸亚相分为天然堤沉积微相和决口扇沉积微相，河漫亚相由河漫滩沉积微相、河漫湖泊沉积微相和河漫沼泽沉积微相组成（图2）。辫状河沉积可划分为2种亚相：河床亚相和河泛亚相，河床亚相可划分出辫状河道、心滩沉积微相，河泛亚相划分为河漫滩和河漫泥沼微相，其主要发育河床亚相，但由于河道宽而浅且稳定性差，迁移迅速，多以大范围的心滩沉积为特征，废弃河道、天然堤、决口扇、泛滥平原沉积不发育。网状河沉积则发育天然堤、泛滥盆地和冲积岛等，与辫状河一样，废弃河道不形成牛轭湖。具体沉积环境和特征如表1和表2所示。
图1 河流分类及其河道形态
图2 曲流河沉积微相类型
表1河流沉积环境
表2河流沉积特征
图3 曲流河和辫状河沉积的垂向标准模式
2.1河床亚相
河床是河谷中常流水的地方，即平水期水流所占的最低部分，是河流沉积的重要场所，故河床沉积是河流沉积中砂体最发育的地带。河床亚相又称为河道亚相，其横剖面呈槽形，上游较窄，下游较宽，流水的冲刷使河床底部显示明显的冲刷界面，构成河流沉积单元的基底。在河床中除河床充填沉积外，常发育各种砂坝。曲流河中的砂坝一般分布于曲流河的凸岸一侧，称为边滩沉积；辫状河道砂坝一般分布于河道中央部分，称为心滩沉积。总之，各类砂坝为河流沉积中砂体最厚、粒度较粗、含油性最好的地区。
（1）心滩微相:辫状河沉积的主体，即河道砂坝，垂向上位于河床滞留沉积之上，堤岸沉积之下。岩性主要由砾状砂岩、含砾砂岩、粉砂岩和粉砂质泥岩组成。砂岩中岩屑含量高，粒粗，滚动组分为主，分选差，圆度差，层厚，层理不清，呈块状或见大型槽状、板状交错层理及平行层理。砂坝砂体底部常见有冲刷现象，冲刷面上有大小不等的泥砾，
砂岩层一般厚
5～ 6 m，厚者可达数十米，泥岩夹层少，厚度薄，一般厚度小于0.5 m。厚砂层中可见不同期砂体叠加和冲刷切割现象。
（2）边滩微相:曲流河和顺直河所特有，即点砂坝，垂向上位于河床滞留沉积之上。岩性主要由砂岩、粉砂岩和泥岩组成，一般为中-细砂岩，分选中等，次圆状，砂层中常见大型板状交错层理、平行层理，砂层厚度一般比心滩薄，粉砂岩层中见波状层理，上攀层理，泥岩层中见水平层理。
（3）河道充填微相:在河道沉积中，除河道砂坝集中发育的部位外，河道砂质沉积都属于河道充填沉积，即河道滞留沉积。其沉积特征与河道砂坝基本一致，只是在沉积厚度上通常比河道砂坝薄，一般单砂层厚度1～ 3 m。
2.2堤岸（河道边缘）亚相
河道边缘沉积是指洪水期河水溢出河岸在近河道两侧形成的沉积。对于辫状河来说，由于河道经常游荡迁移，河道边缘沉积一般不容易保存。
（1）天然堤微相：曲流河所特有，垂向上位于河床滞留沉积之上。岩性主要由细砂岩、粉砂岩、泥岩组成，粒度比边滩细，比河漫滩粗，垂向上表现为砂、泥岩组成薄互层。下部砂质岩发育交错层理，以小型波状交错层理和槽状交错层理为特征，上部泥质岩中则发育水平层理，泥岩中可见干裂、雨痕、虫迹以及植物根等，常有钙质结核发育。剖面上呈楔形，远离河床方向厚度变薄，粒度变细，过渡为河漫滩。
（2）决口扇微相：岩性主要由细砂岩和粉砂岩组成，粒度比河道细，比天然堤粗，厚度不大，十几厘米到几米。具小型交错层理、波状层理和水平层理，常见冲刷和充填构造，有植物化石碎片。岩体形态呈舌状，向河漫平原方向变薄、尖灭，剖面上呈透镜状。
2.3泛滥平原（河漫）亚相
泛滥平原沉积是指河道及河道边缘以外的广阔的冲积平原上的沉积，在一些低洼之处还经常有河漫湖泊和河漫沼泽沉积。辫状河河道之间的沉积也是洪水漫出河道泛滥沉积而成，属泛滥平原亚相，也可称为道间沉积。
（1）河漫滩沉积微相：岩性主要由粉砂、粘土沉积为主，发育波状层理和洪水层理，亦可见水平层理，泥岩中可见不对称波痕、干裂、雨痕和植物碎片。岩体常沿河流方向呈板状延伸。
（2）河漫湖泊沉积微相：粘土沉积为主，有粉砂岩出现，是河流相中最细的沉积类型。层理发育较差，偶见薄的水平纹层。潮湿气候区，有丰富的有机质，可见完整的动植物化石，干旱气候区可形成盐类沉积及钙质结核。
（3）河漫沼泽沉积微相：粘土沉积为主，有粉砂出现，具泥炭沉积。
2.4牛轭湖亚相
弯曲河流的截弯取直作用使被截掉的弯曲河道废弃，形成牛轭湖，为曲流河所特有，辫状河和网状河的废弃河道不形成牛轭湖。岩性主要为粉砂岩及粘土岩，粉砂岩中具有交错层理，粘土岩中发育有水平层理，常含有淡水软体动物化石和植物残骸。岩体呈透镜状，延伸最大可达数十千米，厚可达数十米。
废弃河道微相：出现于辫状河和网状河沉积，位于在心滩的上部或顶部，与下伏心滩砂体呈岩性和岩相突变关系。岩性以暗色的粉砂岩、粉砂质泥岩和炭质泥、页岩的薄互层组合为主，局部夹有黑色炭质泥、页岩和薄煤层或煤线。偶尔夹有洪水期注入的细—中粒砂岩，砂岩中发育有板状交错层理和沙纹层理，底部常常含有少量泥砾。
三.河流环境测井相及纵向形态组合特征
3.1心滩微相
在自然电位曲线和电阻率曲线上反映为箱形或齿化箱形，有时出现箱形或齿化箱形曲线的叠加；含薄泥层，电阻率较高；倾角显示大一小型槽状层理和板状层理的模式组合，由于层理不清。多空白模式和杂乱模式砂体延伸方向与古水流方向基本一致。
3.2边滩微相
在自然电位曲线和电阻率曲线上的反映为钟形或齿化钟形，有时出现钟形或齿化钟形曲线的叠加；泥质含量低，电阻率高；砂层厚度一般比心滩薄。倾角显示为各种水流层理的红蓝模式组合，倾角由下向上递减，反映古水流能量向上减弱，底为具冲刷面的杂乱模式。砂体延伸方向与古水流方向基本一致。
3.3河道滞留沉积微相
在自然电位及电阻率曲线上呈小型的钟形、箱形及齿化的箱形及钟形，曲线顶、底部常为突变，但顶部有时可能为渐变，电阻率曲线的异常则可能很小，泥质含量较低。倾角显示为小型水流层理(即低角度绿模式或小型红蓝模式组合)，底部多显示红模式(与河床砂延伸方向一致)和蓝模式(与古水流方向一致)倾向相互垂直。
3.4河道边缘微相
泥质含量为中—高值，低阻，但一般比泛滥平原相稍高；在自然电位曲线上常呈锯齿状，电阻率曲线常呈指状，反映为间歇性水流沉积作用的特征。倾角以低角度绿模式为主。
（1）天然堤:自然伽玛、自然电位表现为高值，视电阻率曲线表现为高阻层，自然电位和自然伽马曲线为中—低幅度的指形或锯齿状。
（2）决口扇:自然伽玛、自然电位表现为低值，视电阻率曲线表现为偏高阻.自然电位和自然伽马曲线为中—低幅度扁钟形，顶、底界面通常为突变型，但也存在底部突变型和顶部渐变型。
3.5泛滥平原微相
泥质含量为高值，低阻，自然电位曲线形态平直，中间偶有代表过渡岩性的指形小尖峰。倾角显示为水平层理、波状层理的绿模式，其倾向主要反映构造倾向。
（1）河漫滩:自然电位和自然伽马常为中—低幅度齿化箱形，电阻率异常较小。
（2）河漫湖泊:测井曲线一般表现为平直型(夹有小尖峰)。
（3）河漫沼泽:测井曲线形态常为平直型(夹有齿化小尖峰)，当有碳质泥岩沉积时，自然伽马曲线出现低值，形态表现为指状。
3.6废弃河道微相
自然伽玛曲线为中、低幅指形和细齿形。偶尔夹有洪水期的细—中粒砂岩，对应的自然伽玛曲线为中、高幅齿化钟形。
图4河流沉积微相测井曲线形态
图5 网状河环境模式及典型曲线
图6 曲流河环境模式及典型曲线
四、河流沉积微相的测井定量识别
根据河流各种沉积微相的测井响应，首先利用神经网络分层及岩性识别技术定出各微相段岩性，再根据常规测井曲线提取的定向参数并结合区域地质模型进行微相判别，最后根据倾角资料定出的层理模式进行精确定相。一般先利用取心和录井井段进行“地质标定测井”，然后按照以上程序推至全井。
4.1原始资料预处理
包括进行井眼跨塌校正测井深度与取心深度匹配，以及为便于计算的特征参数便于对比而利用极差标准化方法对原始测井值进行归一化预处理，即
式中:Y为归一化后的测井数据；X为原始测井数据；Xmin为测井曲线最小值；Xmax为测井曲线最大值。
4.2利用测井曲线分层与神经网络识别岩性
对常规测井曲线进行多曲线的层内差异分析与聚类分析相结合.对比录井资料特征分层参数得到理想分层数据，并使用神经网络进行模式识别，对取心、录井岩性进行学习.得到网络节点的经验权值，外推至全井。
4.3特征参数提取
从测井曲线提取反映结构要素的特征参数，是实现自动识别结构要素的首要前提。将常规测井曲线及计算的地质参数曲线同岩心资料相结合，根据岩性、岩石结构、沉积构造、粒序变化、沉积韵律和岩石物性等特征，选用特征变化明显、地质分层效果好的测井曲线，提取反映沉积微相的特征参数。
(1)微相段测井均值Xa ：反映沉积物的粒度、分选性、泥质含量等沉积特征的变化，表现为幅度大小。粗粒沉积物一般具有高电阻率、高自然电位负异常和低自然伽马等特征，细粒沉积物一般具有低电阻率、低自然电位负异常和高自然伽马等特征。
式中:x(i)为测井曲线值；N为微相段内数据点数。
(2)相对重心RM：反映沉积过程中的水流能量及物源供应变化情况，表示曲线形态的变化，若曲线是钟形的，则重心偏下方，RM> 0.5；若曲线是漏斗形的，则重心偏上方，RM< 0.5；箱形曲线的重心居中，RM= 0.5。
式中:N为微相段内数据点数；x(i)为测井曲线值。
(3)变差方差根GS：综合反映层段内曲线整体波动性和锯齿的多少，表示曲线光滑程度，曲线波动大、锯齿多，则GS值大；反之，GS值小。
其中:
式中:x(i)为测井曲线值；M(1)、M(2)分别是间隔为1、2的数据对[ x(i)，x(i+ 1)]、
[ x(i)，x(i+ 2)]的数目。
(4)微相段中粒度均值(Md)：主要反映沉积环境能量的高低。
式中:Md(i)为岩石粒度值。
（5）微相段厚度:根据所划分的微相段即可计算出每段的厚度。
（6）泥质含量：电测曲线计算出泥质含量参数，用泥质含量参数来反映每个旋回的粒序变化。
式中log——当前采样点测井值(SP、GR、CNL或RT曲线值);
logmin、logmax——解释井段纯砂岩、纯泥岩测井值(SP、GR、CNL或RT曲线值)
（7）顶底接触关系：反映河流砂层沉积初期、末期水动力能量及物源供应的变化速度。其中底部曲线形态可表现该岩层与下伏岩层的接触关系，顶部曲线形态可反映沉积物源供应的终止速度，顶部突变表示沉积物供应突然中断，渐变说明沉积物供应是逐渐减少以至中断，它是通过计算顶底界面的平均斜率KP和突变幅度AS求得的。平均斜率KP越接近于0，且突变幅度AS越大，则突变程度越高；否则相反。
根据分层和单层曲线判相参数，结合区域特征，选用以下模型:根据泥质含量多少区分出河道边缘微相、泛滥平原微相；再根据齿化度界限值划分出河道边缘微相(其齿化度大于泛滥平原微相，因间歇性水流使其存在薄砂层):根据厚度界限值划分出河道充填微相(其厚度小于砂坝沉积)；最后由重心值区分河道心滩微相和河道边滩微相(心滩重心值等于0.5，而边滩重心值大于0.5)。
4.4利用精细倾角资料解释储层层理
根据定出的岩性和沉积微相，进行模式组合.利用倾角模式解释古水流流向、砂体延伸方向、不整合面等，借此可检验所定沉积微相是否准确:
4.5古水流研究
古水流状态(包括水动力能量和古水流方向)是重要的沉积相标志。地层倾角测井提供两种古水流的研究方法。一种是利用倾角测井长相关处理成果，确定砂层内部大型前积结构，取其倾角矢量主要方向代表古水流方向，另一种利用倾角测井微细处理成果图，统计目的层段沉积纹层的倾向，主要方向为主古水流方向。前一种方法适用于大范围内古水流体系研究，而后一种方法适用于局部古水流研究。
(l)古河流水深、宽度与宽/深比
对地层倾角测井资料进行分析，在以红模式为主的倾角测井图上，获得斜层理的层系厚度，先应用Auen(1963)提出的根据斜层理层系厚度求河流最大水深的公式，计算出河流的最大水深。
logDm=0.3271logHm+0.8901
式中:Dm为河流最大水深(m)；Hm为斜层理层系厚度(m)
然后应用Moody一Stuart(1966)的河流宽一深关系图，在水深已知的情况下，便可从图上查出河流宽度和宽/深比。
图7 高弯度河、低弯度河的宽/深关系图
（2）古河流的类型
通常在气候潮湿的地区，由于雨量充沛，河流发育。一般先用地层倾角测井资料分析计算出河流宽/深比，然后利用其大小区分河流的类型。Miall(1975)认为网状河的宽/深比小于10，曲流河的宽/深比小于40，而辫状河的宽/深比一般超过300。
（3）古河流流向
利用地层倾角成果图判断古水流方向，主要采用的是蓝色模式法和矢量方位频率图法。在砂岩体中，蓝色模式的矢量方向一般都指示古水流方向矢量方位频率图法就是将研究层段中所有矢量点进行方位统计，绘制出矢量方位频率图，方位频率图中主峰的个数反映作用营力的个数，峰的方向指示古水流方向，而峰的离散反映水流方向的变化范围。
（4）沉积环境的能量
沉积环境能量的判断可依靠地层倾角的大小，倾角大表示沉积时水流流速大，沉积颗粒粗；倾角小表示沉积时水流流速小，沉积颗粒细。一般沉积环境能量越高，水的涡流就越大，就更可能出现较多的任意的高角度的层理面
5.结论
本文通过详细分析研究河流相各沉积微相在测井资料上的响应特征，提取出反映各沉积微相特征的测井特征参数，利用神经网络识别方法在取心井中建立各类已知沉积微相的测井响应模式，并将其推广到非取心井段，最后进行全井段连续沉积微相人机联作解释。对测井资料的实际处理证明:
(1)利用常规测井资料反映岩性、旋回较好，倾角资料反映层理、构造较好的特点，不勉强建立测井资料与沉积微相的直接对应关系，而是利用两种资料的特点，进行预解释、精解释，因此方法更为合理。
(2)由于沉积特征的差异，不同沉积环境沉积微相的测井响应特征各不相同;即使同一沉积环境，不同地区同一微相的测井特征也可能不同，因此，应根据不同沉积环境不同地区各微相的测井响应特征，提取相应的测井特征参数，建立相应的测井相模式。
(3)在实际应用中应注意结合地质、地震资料，以便能更好地反映客观情况。
参
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