碳酸鹽巖古潛山風化殼隨鉆快速識別

許廷生

（中國石油冀東油田分公司勘探處，河北唐山 063004）

碳酸鹽巖古潛山風化殼隨鉆快速識別

許廷生

（中國石油冀東油田分公司勘探處，河北唐山 063004）

針對碳酸鹽巖古潛山風化殼隨鉆快速識別在古潛山勘探中的重要性及利用傳統(tǒng)錄井方法難以準確識別地層巖性的現(xiàn)狀，在各種巖石化學成分和碳酸鹽巖古潛山風化殼附近地層元素特征、元素組合特征及元素錄井技術原理、工藝流程等分析基礎上，通過現(xiàn)場應用和室內分析認為，元素錄井分析研究結果，結合地質分析及鉆井工程特征，能夠較準確地快速識別古潛山風化殼，元素錄井技術可為隨鉆快速識別古潛山風化殼提供科學依據(jù)，在碳酸鹽巖古潛山油氣勘探開發(fā)中具有良好的應用前景。

古潛山；碳酸鹽；風化殼；元素錄井；快速識別

碳酸鹽巖儲層在世界油氣生產中占有極其重要的地位。據(jù)統(tǒng)計，世界碳酸鹽巖儲層的油氣產量約占世界油氣總產量的60%；中東地區(qū)石油產量約占全世界產量的2／3，其中80%的含油層是碳酸鹽巖；北美的碳酸鹽巖產量約占北美整個石油產量的1／2；在前蘇聯(lián)的生物礁油田內，石油儲量約占整個碳酸鹽巖儲量的31%，天然氣占29%［1］。在我國古潛山油氣田占有極其重要的位置，渤海灣盆地古潛山油氣田絕大部分地質儲量都蘊藏在這類儲集巖中［2］。隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，深層古潛山油氣藏在勘探領域中變得越來越重要。

在碳酸鹽巖古潛山鉆探過程中，快速準確識別古潛山風化殼是決定鉆探成敗的關鍵環(huán)節(jié)，直接影響著碳酸鹽巖古潛山油氣藏的勘探進程、分析研究及油氣田的合理開發(fā)。傳統(tǒng)的錄井對巖性的識別主要通過人的肉眼直接觀察或借助光學儀器觀察，獲取巖性資料為定性的描述性資料，這已不能滿足碳酸鹽巖古潛山等復雜油氣藏勘探開發(fā)的需要。同時，PDC鉆頭、空氣鉆井等鉆井工程工藝造成巖屑細小、混雜，使常規(guī)的錄井方法難以準確識別巖性。本文在各種巖石化學成分分析基礎上，對碳酸鹽巖古潛山風化殼及其上下地層元素特征及元素組合特征進行分析研究，發(fā)現(xiàn)了碳酸鹽巖古潛山風化殼及其上下地層元素的變化規(guī)律，據(jù)此對碳酸鹽巖古潛山風化殼進行識別，通過現(xiàn)場應用取得了良好效果，為古潛山中途測試及完鉆決策提供了科學依據(jù)。

1 快速識別風化殼的意義

由于組成古潛山的地層、巖性和油氣顯示等都比較復雜，尤其是以碳酸鹽巖為儲集體的古潛山油氣藏，在很多情況下風化殼上下的地層壓力系統(tǒng)不一致，風化殼往往還是古潛山型油氣藏，為此在古潛山鉆探過程中，及時準確的識別風化殼就變得很重要。如果風化殼預測不準，出現(xiàn)誤卡或漏卡的情況，將會造成多下技術套管和繼續(xù)鉆井的困難；若一旦鉆入古潛山內部縫洞發(fā)育段，泥漿突然大量漏失，就會引起井壁垮塌，造成油井報廢。所以正確預測、及時發(fā)現(xiàn)和辨識古潛山及風化殼，避免鉆井事故的發(fā)生、取全取準古潛山風化殼上下的地質資料，對于古潛山的勘探開發(fā)具有重要的意義［3－4］。

在古潛山鉆探過程中，隨鉆動態(tài)跟蹤分析和隨鉆資料錄取工作尤其重要。特別對于預探井，隨鉆動態(tài)跟蹤分析和隨鉆資料錄取工作質量的好壞，所取資料、數(shù)據(jù)齊全正確與否，將直接影響著古潛山勘探進程、油氣藏分析研究以及油氣田的合理開發(fā)。我國古潛山油氣藏勘探、開發(fā)實踐表明，古潛山風化殼的識別，油氣顯示的判斷，縫洞發(fā)育層的確定是古潛山鉆探過程中的主要工作［2］。

2 古潛山風化殼快速識別

碳酸鹽巖古潛山風化殼是深埋地下的古潛山頂部碳酸鹽巖，因構造作用而被抬升到地表，并長期裸露地表遭受風化和溶蝕作用形成了裂隙和孔洞發(fā)育的古潛山風化表層。地質歷史時期碳酸鹽巖古潛山風化殼的巖溶作用（包括溶蝕作用、充填作用、膠結作用及因溶蝕引起的巖體的機械破碎作用等）所留下的巖溶形跡（礦物－巖石學特征和地球化學特征等），均可作為識別古潛山風化殼的標志［5－7］。其中，以礦物巖石學標志最為直接。因此，通過不同巖石化學成分的分析，提取錄井巖屑中反映碳酸鹽巖古潛山風化殼相應敏感的化學元素建立碳酸鹽巖古潛山風化殼識別與評價方法，以實現(xiàn)在鉆井過程中對碳酸鹽巖古潛山風化殼的快速識別［8］。

2.1 巖石學理論基礎

在古潛山鉆探過程中，可能會鉆遇火成巖、沉積巖、變質巖等三大巖類?；鸪蓭r按照SiO2的質量百分含量可分為超基性（＜45%）、基性（45%～52%）、中性（52%～65%）和酸性（＞65%）巖；沉積巖主要可分為碳酸鹽巖和碎屑巖兩大類；而變質巖則可分為正負變質巖，其化學成分特點分別與火成巖（正變質巖）和沉積巖（負變質巖）相當。表1為由標準礦物組成進行理論計算（徐登科，1979）的典型巖石的主要化學成分數(shù)據(jù)［9］。由表1可看出，不同的巖石具有不同的化學成分。由橄欖巖到石英巖SiO2質量百分含量由34%增加到100%，MgO質量百分含量由23%降低到0，F(xiàn)eO質量百分含量由42%降低到0；由石英砂巖到頁巖SiO2質量百分含量由100%降低到48%，而Al2O3的質量百分含量由0增加到25%；碳酸鹽巖富含CaO。這些變化和各種巖石的化學成分特征為元素錄井的巖性乃至地層分析奠定了基礎。將元素錄井測試的數(shù)據(jù)與這些數(shù)據(jù)進行比較，就可以得出測試樣品的巖性。

表1 計算的典型巖石的氧化物質量百分含量 %

據(jù)周德全等人的研究表明，碳酸鹽巖風化殼形成地球化學過程遵循碳酸鹽巖風化的兩階段模式：第一階段（母巖－酸不溶物），大量可溶性物質Ca、Mg、Mn、P淋失，難溶或不溶物質Si、K、Fe、Al、Ti等相對富集；第二階段（酸不溶物－土層以及土層的演化），K、Si不斷淋失、轉化，Al、Fe逐漸累積，體現(xiàn)出脫Si、富（或相對富集）A1、Fe過程。因此，在碳酸鹽巖巖性界面的風化殼附近，Ca元素由于被淋失，其質量百分含量相對較低。而難溶性元素Si、Fe、Ti元素質量百分含量較高［10］。通過分析風化殼及其之上的元素特征及元素組合特征，找出元素變化規(guī)律，據(jù)此快速識別風化殼［11］。

2.2 元素錄井技術原理

X射線是電磁波譜中的某些特定波長范圍內（0.005～10 nm）的電磁波。一個穩(wěn)定的原子結構由原子核及核外電子組成，其核外電子都以各自特有的能量在各自的固定軌道上運行。當X射線作為高能粒子束轟擊介質時，原子的內層電子（如K層）在足夠能量的X射線照射下脫離原子的束縛釋放出來，電子的逐放會導致該電子殼層出現(xiàn)相應電子空位。這時處于高能量電子殼層的電子（如L層）會躍遷到該低能量電子殼層來填補相應的電子空位。由于不同電子殼層之間存在著能量差距，這些能量上的差以二次X射線的形式釋放出來（圖1）。不同的元素所釋放出來的二次X射線具有特定的能量特性，因此，二次X射線又叫特征X射線，或叫X射線熒光（XRF），它具有物質元素的指紋效應［12］。

用X射線照射巖屑樣品時，巖屑可以被激發(fā)出各種波長的特征X射線，為了把混合的X射線按波長（或能量）分開，可分別測量不同波長（或能量）的X射線強度，并通過計算機處理區(qū)分元素的種類和含量，以實現(xiàn)對巖屑中各種元素進行定性和定量分析的目的。

2.3 元素錄井技術工藝流程

（1）按照隨鉆地質巖屑錄井要求，按鉆井深度由淺至深在鉆井液或壓縮氣體出口處連續(xù)獲取巖屑樣品。

（2）用清水對巖屑樣品進行清洗，再烘干巖屑樣品。

（3）將巖屑樣品進行研磨成粉，并將樣品粉末裝入擠壓模具，用壓片機將巖屑粉末壓制成片狀樣品。

（4）將片狀樣品放入分析倉，啟動儀器進入分析程序。

（5）將分析結果（巖石成分數(shù)據(jù)及圖譜）按井深序號依次存入相應數(shù)據(jù)庫和圖譜庫中。

（6）根據(jù)數(shù)據(jù)及圖譜的分析，進行巖性與層位的判斷及其他研究。

2.4 實例分析

2.4.1 實例1

圖1是預探井例1井在奧陶系頂界附近的元素錄井圖，從圖1可以看出，在井深6 226 m向上Si、Fe和Ti元素質量百分含量突然增大，但Ca、Mg元素質量百分含量大幅度降低；在6 222～6 226 m井段為元素變化過渡段；在井深6 222 m向上，Si元素質量百分含量達到高值，Ca、Mg元素質量百分含量達到低值；綜合分析區(qū)域地質特征及元素特征變化認為，該井在井深6 222 m處鉆遇了碳酸鹽巖古潛山風化殼，風化殼上覆地層為砂質巖，6 222～6 226 m井段為風化淋濾帶（即碳酸鹽巖古潛山風化殼），在井深6 226 m以下為碳酸鹽巖古潛山內幕。常規(guī)測井、錄井等資料錄取分析結果與上述元素錄井分析結果基本一致。

2.4.2 實例2

例2井是以預探奧陶系碳酸鹽巖古潛山含油氣情況為目的的預探井，該井在鉆探過程中，鉆至井深4840m附近時，元素錄井分析結果顯示，從井深4 840 m開始Ca、Mg元素質量百分含量突然增大，Si元素質量百分含量突然降低（表2），根據(jù)元素變化特征結合區(qū)域構造及地層對比分析認為，該井在井深4 840 m處鉆遇了碳酸鹽巖古潛山風化殼，為此決定對該井實施中途完井，將技術套管下到古潛山面（及風化殼），之后對碳酸鹽巖古潛山井段實施欠平衡鉆進，并在碳酸鹽巖古潛山風化殼鉆進過程中獲得了良好油氣顯示，完井試油獲得了日產油44.4 m3，日產氣10.6×104m3的高產工業(yè)油氣流，該區(qū)碳酸鹽巖古潛山勘探取得重大突破。該井碳酸鹽巖古潛山風化殼的準確快速識別，為該區(qū)碳酸鹽巖古潛山勘探取得重大突破奠定了良好的基礎。

圖1 例1井碳酸鹽巖古潛山風化殼元素特征圖

表2 例2井碳酸鹽巖古潛山風化殼附近元素特征變化 %

3 結 論

（1）準確快速識別古潛山風化殼，對于碳酸鹽巖古潛山的勘探開發(fā)具有重要意義。

（2）在區(qū)域地質構造情況，鉆井地質設計，地層對比等分析研究基礎上，結合鉆井工程特征，利用元素錄井技術，通過分析研究可快速準確識別碳酸鹽巖古潛山風化殼。

（3）現(xiàn)場應用及室內分析結果表明，元素錄井資料對于風化殼的識別具有較好的效果，可在隨鉆過程中實現(xiàn)風化殼的快速識別。

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Quick identification of weathering crust of carbonate rock while drilling plays an important part in buried hill exploration，while the formation lithology is hard to identify by traditional logging method.Based on the analysis of formation elements characteristics，elements combination characteristics，elements logging technology principles and processes，in combination with field application，laboratory analysis，geological analysis and drilling engineering characteristics，quick identification of weathering crust of carbonate rock can be realized.The field application results indicate element logging technology can provide scientific guidance for the quick identification and be of good application prospects in exploration and production of buried hill.

36Quick identification of weathering crust of carbonate rock in buried hill while drilling

Xu Tingsheng（Exploration Department of Jidong Oilfield Branch Company， PetroChina， Tangshan， Hebei 063004）

buried hill；carbonate rock；weathering crust；element logging；quick identification

TE132

A

1673－8217（2012）03－0036－04

2011－08－04；改回日期：2011－09－27

許廷生，工程師，1976年生，2001年畢業(yè)于江漢石油學院石油與天然氣地質勘查專業(yè)，現(xiàn)從事石油地質方面的工作?；痦椖浚褐袊凸煞莨究萍脊リP項目“以MDT、成像、常規(guī)測井為核心的油氣層快速識別與評價技術”（2008ZX05050）部分研究成果。

吳官生