火山碎屑岩指以火山碎屑为主的岩石，国际分类中通常将火山碎屑占岩石体积百分比定为大于75%^[1]，在我国岩石分类中其进一步划分为火山碎屑岩(火山碎屑>90%)和沉火山碎屑岩(火山碎屑90%~50%，低于50%为沉积岩类)^[2~4].火山碎屑主要为新生、同源和外来碎屑三大类^[5].火山碎屑沉积或火山碎屑岩是火山作用和沉积作用的共同产物，与正常沉积岩密切共生，分散在不同的沉积体系中^[6].因此存在从火山熔岩至正常沉积岩的过渡岩性.准确地识别与鉴定这些岩性是油气勘探开发的基础.

海拉尔盆地中生界布达特群、兴安岭群、铜钵庙组、南屯组和大磨拐河组为熔岩-火山碎屑岩-沉积岩的系列岩性组合^[7~10]，是测井解释层位，见图 1.从岩石学角度，较为准确地区分和描述岩性是可行的，但对测井解释则存在相当的难度.这不仅是因为测井分辨率(测井分层最小厚度为0.6 m)，而且在于目前已成型的碎屑沉积岩^[11]和火山岩^{[12, 13]}的测井响应或解释模式不完全适应火山碎屑岩和火山碎屑沉积岩.碎屑沉积岩的测井模式已经在解释岩石结构并区分正常的沉积岩性方面具有优势^{[11, 14]}，但对火山碎屑岩，由于特殊结构构造，如熔结结构、似流纹构造和火山玻璃含量及脱玻化，使得该测井解释模式不完全适应.侵入岩和火山岩(主要为熔岩)的测井解释模式在解释岩石成分和区分岩性方面取得成功^[12]，但对火山碎屑岩，因混入陆源碎屑，以及凝灰质物质的类型和含量，使得该测井解释模式不完全适用.这些不适应性主要表现在:(1)不同岩性可能会有相同或近似的测井响应；(2)同样的岩性(井位或层位不同)会有不同的测井响应；(3)岩心分层与测井分层不一致.不适应性影响到油、气、水层的准确识别.

图 1

Fig. 1

图 1 海拉尔盆地岩石地层柱状图(根据49 口井岩心综合) Fig. 1 The columnar section of lithostratigraphyin Hailar basin(Based on the core data from 49 drilling wells)

海拉尔盆地火山碎屑岩测井研究依然处于探索之中^[15~20].海拉尔盆地是个典型的试验区，相关的研究涉及到岩性识别^[15~17]、凝灰质含量计算^[18]、储层分类和含水饱和度计算等^{[19, 20]}.本文诣在研究建立适合海拉尔盆地火山碎屑岩的测井响应模式和对应的测井岩性分类，这是相关测井解释研究的基础.

49口井取心段岩性识别、薄片鉴定与统计确定了海拉尔盆地各组(群)(包括布达特群)总体的岩石类型丰度(表 1).岩石类型有五类:火山熔岩、火山碎屑岩、沉积火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩和正常沉积岩.火山碎屑沉积岩占比例最大，为43.35%；其次是正常沉积岩，比例为26.84%；火山碎屑岩为17.68%；沉积火山碎屑岩为10.02%；火山熔岩为2.11%.铜钵庙组和南屯组是测井解释主要层段.铜钵庙组火山碎屑沉积岩丰度最高，其次是沉积岩和火山碎屑岩.南二段以火山碎屑沉积岩为主，正常沉积岩次之.南一段火山碎屑沉积岩丰度最高，其次是火山碎屑岩和沉积岩.海拉尔盆地基本岩石类型和特征如表 2所示.

表 1(Table 1)

表 1 海拉尔盆地布达特群一大磨拐河组岩石构成 Table 1 Components of rocks from Budate group toDamoguaihe formation in Hailar basin

表 1 海拉尔盆地布达特群一大磨拐河组岩石构成 Table 1 Components of rocks from Budate group toDamoguaihe formation in Hailar basin

表 2(Table 2)

表 2 海拉尔盆地岩石分类表 Table 2 Petrological classification of Hailar basin

表 2 海拉尔盆地岩石分类表 Table 2 Petrological classification of Hailar basin

海拉尔盆地中生界具有特色岩性，主要表现在:

砂岩是由2~0.05mm 范围内颗粒组成的具有碎屑结构的沉积岩石，包括凝灰质砂岩.然而具备这样粒度和结构条件的还有凝灰岩和沉凝灰岩.这就存在砂岩广义性问题.在结构相似的条件下，凝灰物质的成分类型和含量是区分广义性砂岩岩性的关键.

砾岩是由大于2mm 颗粒组成的具有碎屑结构的沉积岩石.因砾石成分复杂、填隙物为凝灰质或砂泥质，以及碳酸盐交代和胶结，使复成分砾岩具有多样岩性特征.凝灰质砾岩和普通砾岩是主要类型.

凝灰岩是由小于2mm 的火山碎屑为主组成的岩石，包括有沉凝灰岩.然而在同一凝灰岩层中，有时会出现两种类型凝灰质的情况，如流纹质和安山质的凝灰物质混积.另外的特性是其具有宽泛的粒度区间，对应砂岩、粉砂岩和泥岩的粒度级别，但分选性较差，多为混积并具有主粒级优势，如粗粒级凝灰岩或细粒级凝灰岩.

泥岩是由颗粒小于0.005mm 以粘土矿物为主物质组成的岩石.泥级凝灰岩和凝灰质泥岩使这类型岩石变得复杂.凝灰物质蚀变和碳酸盐交代有时也使这类泥岩面目全非.

与岩心资料相比，测井资料具有连续和原位测量特点.不同测井建立一种"笔录"，它们是岩石的"标志"，因为它们表达岩石存在的性质^[14].鉴于海拉尔盆地中生界火山碎屑岩的特性，建立测井响应分析与岩-电模式，采用多测井对比分析、综合与参数提取的试验方法.

交会图法目前已被广泛用于火成岩的测井解释^[21~24].为准确获得岩性测井响应，在多种测井综合对比分析的基础上，对巴1井和乌27井目的层的岩性(显微镜薄片鉴定)，读取钍、铀、钾、电阻率、光电吸收面积指数、密度等测井数据，求取平均值，用两组参数编制交会图.实践显示钍-电阻率、光电吸收面积指数-密度、光电吸收面积指数-电阻率、钾-铀和钍-声波时差等5种交会图在识别岩性上有效.

钍-电阻率图(Th-RD)巴1 井岩性主要为砾岩、凝灰质砾岩、粗砂岩、凝灰质粗砂岩、泥岩和凝灰岩.Th-RD 交会图(图 2)显示，泥岩与凝灰岩界限明显，凝灰质砾岩与砾岩也有显著差异.凝灰质砾岩的RD 值区间为10~15 Ωm，砾岩的RD 值区间为15~20Ωm；泥岩的Th值区间为14~18.5ppm，凝灰岩的Th值区间为6~13.8ppm.

图 2

Fig. 2

图 2 巴1井丁h-RD交会图 Fig. 2 Th-RD crossplot of the Well Ba 1

光电吸收面积指数-密度图(PE-DEN)凝灰质砾岩、凝灰质砂岩、粗砂岩有较明显的界限(图 3).凝灰质砾岩PE值区间为1.6~1.93barn/e，凝灰质砂岩为1.92~2.72barn/e，粗砂岩为2.1~2.3barn/e.凝灰质砂岩和粗砂岩PE 值均比凝灰质砾岩大.凝灰质砂岩大部分样本点的DEN 值区间为2.43~2.6g/cm³，粗砂岩为2.34~2.4g/cm³，交叉区域明显.

图 3

Fig. 3

图 3 巴1井PE-DEN交会图 Fig. 3 PE-DEN crossplot of the Well Ba 1

光电吸收面积指数-电阻率图(PE-RD)巴1井凝灰质砾岩与凝灰质砂岩的样本点和图 3的数据点相同(图 4).虽然凝灰质砂岩与凝灰质砾岩在电阻率、密度和中子曲线上相近，但PE 曲线上二者有明显差异，凝灰质砾岩PE 值比凝灰质砂岩小.凝灰质砾岩PE 值区间为1.6~1.95barn/e，凝灰质砂岩PE 值区间为1.95~2.72barn/e.

图 4

Fig. 4

图 4 巴1井PE-RD交会图 Fig. 4 PE-RD crossplot of the Well Ba 1

钾-铀图(K-U)巴1 井某井段凝灰质砾岩与凝灰质粗砂岩U 曲线差异明显(图 5)，但在电阻率、中子和密度曲线上难区分.凝灰质砾岩U 值最小，粗砂岩U 值比凝灰质砾岩大，凝灰质含砾粗砂岩U 值最大.凝灰质砂岩U 值区间为0.3~0.95ppm，粗砂岩U 值区间为1.2~1.7ppm，凝灰质含砾粗砂岩U 值区间为1.9~3.7ppm.

图 5

Fig. 5

图 5 巴1井K-U交会图 Fig. 5 K-U crossplot of the Well Ba 1

钍-声波时差图(Th-AC)砾岩的AC 与其他岩性有明显区别(图 6)，区间为64~76μs/m.泥岩与凝灰岩有相似的分布区域.晶屑凝灰岩、粉砂质泥岩、泥岩、凝灰质砂岩和凝灰质含砾砂岩的AC 均比砾岩大.

图 6

Fig. 6

图 6 乌27井Th-AC交会图 Fig. 6 Th-AC crossplot of the Well Wu 27

5种单井交会图显示，每个图至少能区分一种岩性，如Th-AC 交会图至少可区分出砾岩；有的图可区分两种岩性，如PE-RD 交会图可把凝灰质砾岩和凝灰质砂岩区分开；有的图可区分三种岩性，如K-U 交会图可把凝灰质砾岩、粗砂岩和凝灰质含砾粗砂岩区分开.因此综合运用5 种交会图可以区别出主要岩性.

研究与分析显示，利用测井识别岩性不能达到地质的标准.在地质岩性分类的基础上，通过归并使成分相近的岩性归类，以符合测井识别精度和分辨率的要求.本项研究中测井识别岩性是:安山岩、熔结凝灰岩、凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和沉积岩.

安山岩图 7是德4井安山岩层测井曲线图，深度1994.45~1998.81 m.第一道为层位，第二道为筒次，第三道为深度，第四道为岩性，第五道为岩性描述，第六道从上到下为井径CAL、自然伽玛GR和自然电位SP，第七道从上到下为微球形聚焦MSFL、深侧向LLS 和浅侧向LLD，第八道从上到下为密度DEN、光电吸收截面指数PE、中子NPHI和DT，第九道从上到下为铀U、钍Th和钾K.井径曲线较稳定，读数14.0in，井况良好，对测井曲线影响不大.安山岩自然伽玛为58.9API；光电吸收截面指数约为2.3barn/e；中子读数约为10.2%；钍、铀、钾的读数分别为2.65ppm、1.7ppm 和2.07%.自然伽玛、钍、铀、钾等各项测井曲线值均较低.

图 7

Fig. 7

图 7 安山岩层综合测井曲线(德4井，1994. 45〜1998. 81 m) Fig. 7 The logging curves of andesite ( Well De4，1994.45〜1998.81 m)

熔结凝灰岩图 8是贝16井熔结凝灰岩层测井曲线图，深度1351.44~1356.22 m.井径曲线变化不大，读数9.5in，井径没有坍塌，对测井曲线影响很小.伽玛曲线值较高，读数约为129.8API.光电吸收截面指数约为2.91barn/e，中子曲线值较高，读数约为31.4%.钍、铀、钾读数分别为8.17ppm、2.78ppm和2.56%.整体显示为高自然伽玛，钍、铀、钾中等，高中子特征.

图 8

Fig. 8

图 8 熔结凝灰岩层综合测井曲线(贝16井，1351.44〜1356.22 m) Fig. 8 The well logging curves of ignimbrite (Well Bei 16，1351.44〜1356.22 m)

凝灰岩图 9 是贝16 井凝灰岩层测井曲线，深度1742.8~1745.995 m.井径曲线较稳定，读数8.92in，井况良好，对测井曲线影响不大.自然伽玛读数为115.5API，光电吸收截面指数为2.39barn/e，中子读数约为25.4%.钍、铀、钾分别为12.96ppm、2.14ppm和3.21%.流纹质凝灰岩的自然伽玛值和钍值偏高.图 2中凝灰岩Th值的区间为6~13.8ppm，贝16井凝灰岩层Th值落在凝灰岩Th值区间内.

图 9

Fig. 9

图 9 凝灰岩层综合测井曲线(贝16井，1742.8〜1745.99 m) Fig. 9 The well logging curves of tuff (Well Bei 16，1742.8〜1745.99 m)

沉凝灰岩图 10 为沉凝灰岩层测井曲线图，深度2250.7~2258.55m.井径曲线为一直线，读数为11.71in，井眼条件较好，测井曲线不受影响.自然伽玛读数为52.57API，光电吸收截面指数读数为3.19barn/e，中子读数约为18.13%.钍、铀、钾读数分别为4.09ppm、1.16ppm 和1.85%.自然伽玛值，钍、铀、钾及中子值均中等.

图 10

Fig. 10

图 10 沉凝灰岩层综合测井曲线(贝33井2250.70〜2258.55 m) Fig. 10 The well logging curves of sedimentary tuff (Well Bei 33，2250.70〜2258.55 m)

凝灰质砾岩图 11 是乌27 井凝灰质砾岩层测井曲线图，深度1850.00~1264.05m.井径曲线是直线，读数12.134in，井况良好，对于测井曲线影响不大.自然伽玛读数为89.223API，光电吸收截面指数约为1.744barn/e.钍、铀、钾的读数分别为5.697ppm、0.665ppm 和3.197%.自然伽玛值，钍、铀、钾等值均较低.图 3凝灰质砾岩PE值区间为1.6~1.93barn/e，乌27井凝灰质砾岩层PE 值落在凝灰质砾岩区.

图 11

Fig. 11

图 11 凝灰质砾岩层综合测井曲线(乌27井1850.00〜1859.35 m) Fig. 11 The logging curves of tuffaceous conglomerate (Well Wu 27，1850.00〜1859.35 m)

凝灰质砂岩图 12 是乌28 井凝灰质含砾粗砂岩层测井曲线，深度1260.23~1264.05 m.井径曲线较稳定，读数10.48in，井况良好，对测井曲线影响不大.自然伽玛读数为113.6API，光电吸收截面指数的读数为1.96barn/e，中子读数为19.01%.钍、铀、钾数分别为7ppm、1.98ppm 和4.58%.自然伽玛值，钍、铀、钾等值均中等.图 4凝灰质含砾粗砂岩U 值区间为1.9~3.7ppm，乌28井凝灰质含砾粗砂岩层U 值是1.98ppm，落在凝灰质砂岩U值区间内.

图 12

Fig. 12

图 12 凝灰质含砾粗砂岩层综合测井曲线(乌28井1260. 23〜264. 05 m) Fig. 12 The logging curves of tuffaceous coarse sandstone (Well Wu 28，1260.23〜1264.05 m)

泥岩图 13是贝33井泥岩层测井曲线图，深度1837~1843.5m.井径曲线为一直线，读数9.29in，说明井况良好，测井曲线不受影响.自然伽玛读数为104.04API；光电吸收截面指数读数为3.48barn/e，中子读数为27.65%.钍、铀、钾读数分别为12.12ppm、4.45ppm和2.27%.自然伽玛值，钍、铀、钾等各项测井曲线值均中等偏高.

图 13

Fig. 13

图 13 泥岩层综合测井曲线(贝33井1837. 00〜1843. 50 m) Fig. 13 The logging curves ofmudstone (Well Bei33，1837.00〜1843.50 m)

上述几种岩性及岩-电模式具有代表性，但在实际工作中能识别的岩性和运用的岩-电模式多且复杂.根据海拉尔盆地岩性和测井响应特征，建立测井岩石分类表(表 3).表 3 较表 2 有明显的合并和简化，是前段成果的总结，也是今后工作的指导，并及时修订.

表 3(Table 3)

表 3 海拉尔盆地测井岩石分类表 Table 3 The rock classification of well logging of Hailar basin

表 3 海拉尔盆地测井岩石分类表 Table 3 The rock classification of well logging of Hailar basin

利用测井曲线进行岩性分层是测井解释的重要内容之一.通过综合研究与实践，针对火山碎屑岩为主的海拉尔盆地岩性分层与识别，形成了可行的测井岩性分层方法(GDCM 法).该方法主要利用自然伽玛(GR)、补偿密度(DEN)、补偿中子(CNL)和微球形聚焦测井(MSFL)四条曲线，通过GR、MSFL曲线数值大小导致的形态变化以及DEN 和CNL曲线交叉与分离，并综合四条曲线特征进行岩性分层.

地层中岩石矿物成分不同，泥质含量不同，放射性强度也不同.泥岩对放射性物质的吸附强，自然伽玛值较高.自然伽玛值低是砂岩或储层的表现.地层中自然伽玛曲线以波浪线形式出现，呈现峰值不同的波峰和波谷，其半幅点作为岩层分界线.中子和密度两条曲线近置反向，相交和分离的特征反映岩层物性好坏^[25].曲线靠近-交汇，表明岩性纯，泥质含量少，物性好；曲线分离则反映物性差.岩性界线是1/3幅点处.微球形聚焦测井是探测较浅的电阻率曲线，对不同岩性的变化反应敏感，泥质含量高的岩层微球值低.曲线会在岩性发生变化时以折线的波峰和波谷形态发生变化.微球曲线波峰和波谷的宽度较自然伽玛要窄，其对薄岩层的反映比自然伽玛更灵敏.岩性界线亦是1/3幅点处.密度测井的横向探测深度较浅，为6in，自然伽玛测井稍大，为8in，而中子测井能达到12in，因此自然伽玛做主要分层，密度和中子互补做辅助分层.电阻率测井中，地层电阻率越大探测深度越大，因此微球形聚焦可做到精细分层.

GDCM 法遵循如下程序:首先以自然伽玛曲线的变化确定大的岩性分层(图 14a)，再利用中子和密度曲线的交汇与分离所体现出的岩石物性差别对岩层更进一步划分(图 14b)，最后利用微球形聚焦测井曲线对岩层反应灵敏的特点，对已划分的岩层再次精细划分(图 14c).把三组曲线所划分的岩性分层综合起来，便得到了利用测井曲线识别出的岩性分层(图 14d).岩层划分之后需要利用已有的岩-电模式进行岩性校正.

图 14

Fig. 14

图 14 应用自然伽玛、补偿密度、补偿中子和微球形聚焦曲线进行岩性分层的方法 Fig. 14 The method of litho-layering of logging using GR，DEN，CNL and MSFL (GDCM)

运用此方法对海拉尔盆地多口井进行了测井岩性分层，同时对相应的岩心段进行细致的岩心分层.对比显示，两者匹配较好，吻合度较高.乌24 井在2436.7~2446.4m(9.7 m 长)进行测井岩性分层，并与岩心分层进行了对比(图 15).其中，测井分层与岩心分层有8.6m 相一致，吻合度达88.66%；存在1.1m 误差，误差率为11.34%.误差存在的原因是:(1)半幅点和1/3 幅点的分界与实际界线有出入；(2)测井分层最小厚度一般为0.6 m，即使最小分层达到0.2m，也与岩心厘米级分层的精度相差甚远；(3)岩性识别存在误差，尤其是凝灰岩和凝灰质砂岩方面，需要利用已有岩-电模式校正.

图 15

Fig. 15

图 15 乌24井测井曲线岩性分层与岩心观察对比 Fig. 15 Comparison of the litho-layering of logging and the subdivsion of core rocks of well Wu 24

大庆探区火山岩和火山碎屑岩已成为当前油气勘探的主要目标之一，地质-地球物理综合研究得到广泛开展^[26~28].海拉尔盆地岩心岩性与对应测井的综合分析可以建立一些岩-电关系模式，并得到应用.本文由于建立了测井岩性分类，采用GDCM 法进行测井岩性分层，同时综合岩-电关系模式分析，在岩性识别上较前期研究增加了适应性和准确性.然而，火山碎屑岩的特殊性(已前述)使建立的岩-电模式应用受到一定的限制.在凝灰质砂岩中凝灰质的类型与含量、成岩作用(尤其是玻璃质的脱玻化作用、凝灰物质的蚀变和碳酸盐的交代作用)^[6]、储集岩孔渗特性^{[29, 30]}等是影响测井解释的主要地质因素.为此需要:(1)深化岩-电关系研究，建立综合模式，进一步提高测井岩性分层与岩石地层的符合度；(2)加强以孔渗结构分析为核心的储集岩分类和分级研究，建立综合模式，进一步提高以粗碎屑岩为主的储集岩测井研究精度，其在油气勘探开发中意义更大.

本文所提出的测井岩性分层方法采用了油气勘探开发中普遍运用的测井类型，因此对其他盆地或地区是有借鉴或参考意义的.但岩-电模式的应用需要依据具体的岩石特征和测井响应，同时要结合成像测井和核磁共振测井等新技术^[31~35].

通过海拉尔盆地火山碎屑岩及其测井响应的研究，取得的结论是:

(1) 海拉尔盆地以火山碎屑岩为主的地层具有复杂特殊的岩性特征，地质的岩石类型划分不完全适应测井解释，建立测井岩石分类是需要的.

(2) 几种主要岩性，安山岩、熔结凝灰岩、凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质砂岩和沉积岩具有各自的测井响应，可以建立岩-电关系模式.

(3) 测井岩性分层法(GDCM 法)是一种适合本地区火山碎屑岩岩性分层的有效方法.