利用地層元素識別沉積巖巖性和礦物含量計算方法

章海寧, 張金功, 岳愛忠, 樊云峰, 趙毅, 李孜虎

(1.中國石油集團測井有限公司, 陜西 西安 710077; 2.西北大學地質(zhì)學系, 陜西 西安 710069)

0 引 言

隨著地層元素測井儀測量的元素含量精度不斷提高、元素種類不斷豐富,并實現(xiàn)綠色環(huán)保測量,其在復雜巖性地層、非常規(guī)油氣儲層評價領域中發(fā)揮越來越重要的作用[1-4]。一些學者已經(jīng)開展了大量關于利用地層元素測井資料進行沉積巖巖性分析和礦物含量計算的方法研究,并取得較好的應用效果[5-9]。中國實際應用主要借鑒國外公司的應用方法,其局限性是處理解釋前需要根據(jù)巖心分析資料先明確礦物組合,再進行礦物計算,在沒有巖心分析資料的井中確定礦物組合模型是個難題,而礦物組合模型直接決定了礦物含量計算結(jié)果是否準確,一定程度上阻礙了地層元素測井在中國油田勘探開發(fā)中的大規(guī)模應用[10]。

本文針對以上問題開展研究,探索直接用元素含量進行巖性識別的技術和方法,對于發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地層元素測井數(shù)據(jù)處理和解釋技術,拓展地層元素測井的應用能力具有現(xiàn)實意義。

1 地層元素識別沉積巖巖性和計算礦物含量方法思路

不同于國內(nèi)外先確定礦物組合、再計算礦物含量的地層元素測井資料的應用方法,先統(tǒng)計常見造巖礦物的分子式以及其中各種元素的含量,并按照含量的多少對元素進行排序,了解掌握造巖礦物的元素含量特征;建立沉積巖命名分類方法和標準;利用元素含量交會的方法劃分沉積巖大類,然后針對每個大類選取主量元素識別亞類;針對每種沉積巖分析其礦物含與元素的相關性,優(yōu)選元素并進行組合建立各沉積巖類型的礦物含量計算模型,根據(jù)巖性類型選取不同模型計算得到礦物含量。元素識別沉積巖巖性和礦物含量計算流程見圖1。

圖1 元素識別沉積巖巖性和礦物含量計算流程

2 礦物元素組成特征及沉積巖命名分類

通過對大量資料整理,統(tǒng)計常見造巖礦物的分子式以及其中各種元素的含量,并按照含量的多少對元素進行排序。表1列出了部分礦物的主量元素含量和含量的排序情況,便于處理解釋人員掌握了解不同礦物元素含量特征。

沉積巖命名分類是通過鏡下薄片鑒定巖石的碎屑顆粒結(jié)構(gòu)、雜基和膠結(jié)物結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)以及碎屑顆粒與填隙物的關系和礦物在鏡下大致百分比確定。通過巖石的結(jié)構(gòu)特征(粒度)再進一步劃分,如礫巖(d>2 mm)、砂巖(0.1 mm

表1 部分礦物主量元素特征表

表1(續(xù))

礦物大類礦物元素排序分子式元素含量/%斜長石鈉長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(0≤x≤1)Na(0～878) Aa(0～14406)Al(1031～19396) Si(2019～3206)O(4608～4882)更長石(奧長石)Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(01≤x≤03)Na(7843～6027) Ca(1519～4503)Al(11249～13135) Si(30875～28402)O(48514～47934)中長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(03≤x≤05)Na(6027～4254) Ca(7416～4503)Al(14984～13135) Si(28402～25987)O(47367～47934)拉長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(05≤x≤07)Na(2522～4254) Ca(7416～1026)Al(14984～16775) Si(23629～25987)O(47367～46813)倍長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(07≤x≤09)Na(2552～0831) Ca(10261～1304) Al(16774～18531) Si(23629～21325)O(46813～46273)鈣長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(09≤x≤1)Na(0～0831) Ca(14406～1304)Al(19396～18531) Si(2019～21325) O(4608～46273)云母族黑云母Si、Mg、K、AlK(Mg，F(xiàn)e2+)3(Al，F(xiàn)e3+)Si3O10(OH，F(xiàn))2Si(21037) Mg(1018) Al(5536)K(8451)白云母Si、Al、KK2Al4[Si6Al2O20](OH，F(xiàn))4Si(2337) Al(1746) K(913)金云母Si、Mg、Al、KK2(Mg，F(xiàn)e2+)b[Si5Al2O20](OH，F(xiàn))4Si(21034) Mg(16283) Al(8997)K(8301)黏土礦物綠泥石Fe、Al、Mg、Si(Mg，F(xiàn)e，Al)12[(Si，Al)uO20](OH)16Fe(29016) Al(23316) Mg(12435)Si(9672)蒙脫石Si、Fe、Al、Mg、Ca(1/2Ca，Na)07(Al，Mg，F(xiàn)e)4[(Si，Al)8O20](OH)4·nH2OSi(1858～2377) Fe(2083～2602)Al(1069～149) Mg(13～14)Ca(05～063)伊利石Si、Al、KKxAl4[Si8-x，Alx]O20(OH)4(1≤x≤15)K(515～753) Al(1781～1911)Si(2342～2586) O(4943～5066)H(051～052)高嶺石Si、AlAl4[Si4O10](OH)5Al(20901) Si(21761) O(5577)H(1562)

依據(jù)沉積巖巖石X衍射全巖礦物相對含量把沉積巖劃分為7大類(見表2),又把其中的砂巖、碳酸鹽巖和雜巖分別劃分為若干種亞類(見表3)。

表2 沉積巖大類命名分類

表3 砂巖、碳酸鹽巖和雜巖亞類命名分類

3 沉積巖性識別方法

沉積巖性識別方法研究的樣本涵蓋了中國大部分含油氣盆地,共9 067個巖石X衍射數(shù)據(jù)(見表4),在此基礎上編制了中國主要含油氣盆地X衍射全巖和黏土礦物組分相對含量數(shù)據(jù)表。

表4 沉積巖樣品數(shù)分布

根據(jù)表1主要礦物的元素組成及其元素的質(zhì)量分數(shù)計算巖樣中元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量,并以此為基礎編制中國主要含油氣盆地沉積巖X衍射數(shù)據(jù)計算元素含量及主要礦物含量數(shù)據(jù)表。

3.1 元素識別沉積巖大類

研究沉積巖元素與巖性的關系,將收集的9 067個X衍射數(shù)據(jù),按礦物含量命名分類,其中有砂巖樣品6 329個、碳酸鹽巖樣品949個、黏土巖樣品325個、雜巖樣品1 457個。利用這些樣品的X衍射數(shù)據(jù)計算元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量并進行交會分析,從多個交會圖版中篩選區(qū)分能力強的元素交會圖版識別巖性,如從圖2中Si和Ca交會圖版可以較好識別巖性。

圖2 元素Si與Ca交會劃分沉積巖巖性大類

在分析以上元素兩兩交會圖中元素含量對沉積巖巖性區(qū)域的影響基礎上,可將元素進行不同方式的組合,利用多元素信息進行巖性劃分(見圖3)。

圖3 10Si+5Ca+3Mg-5Al-5Fe與5Ca+0.1Mg-5Al-1.5K+5Fe交會劃分沉積巖巖性大類圖版

圖3中①至⑧的計算公式

①y=-0.5712x+195.43;②y=2.5469x-232.78;③y=-0.4487x+55.066;④y=3.5317x-824.39;⑤y=0.4307x-39.205;⑥y=-0.6277x+150.77;⑦y=3.5753x-694.99。其中,(-0.5712x+195.43-y)<0,(0.4307x-39.205-y)<0區(qū)域為碳酸鹽巖區(qū);(-0.4487x+55.066-y)<0,(3.5317x-824.39-y)≥0,(0.4307x-39.205-y)≥0區(qū)域為砂巖區(qū);(2.5469x-232.78-y≥)0,(-0.4487x+55.066-y)≥0區(qū)域為黏土巖區(qū);(-0.4487x+55.066-y)≥0,(2.5469x-232.78-y)<0區(qū)域為煤區(qū);(-0.6277x+150.77-y)≥0,(3.5753x-694.99-y)<0,y≥6.05區(qū)域為雜巖區(qū);圖版中剩余的區(qū)域為混合區(qū)。

3.2 元素沉積巖亞類

利用以上交會圖版識別出沉積巖巖性大類后,進一步分析不同沉積巖亞類巖性的敏感元素,建立有針對性的亞類識別圖版進行識別。如石灰?guī)r與白云巖的識別,可采用Ca與Mg交會圖版(見圖4)。

圖4 元素Ca與Mg交會劃分沉積巖巖性亞類

圖4中,(0.5308x-9.1845-y)≤0區(qū)域為白云巖區(qū);(0.5308x-9.1845-y)>0區(qū)域為石灰?guī)r區(qū)。其他亞類的識別,如石英砂巖與長石砂巖的識別可采用Si與K圖版,黏土雜巖、方解石雜巖、白云石雜巖和石英、長石雜巖的識別可采用Si與Al圖版。

對于一些通過以上方法仍然無法有效識別巖性的樣本點,實際應用中可以采用以上方法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡的方法進行識別。

4 沉積巖礦物含量計算方法

建立沉積巖礦物含量計算模型,首先要明確不同礦物的主要相關元素,因此需要統(tǒng)計分析樣本元素含量與礦物含量的關系,通過分析不同礦物與元素的擬合公式相關系數(shù),明確不同巖性中不同礦物含量的主要相關元素,從而為礦物含量模型建立奠定基礎。元素Si含量與石英含量關系見圖5。

圖5 元素Si含量與石英含量關系圖

在確定不同巖性礦物含量與元素含量的相關性后,通過構(gòu)建多元素組合的方式建立礦物含量計算模型,從而提高礦物含量計算精度。在礦物模型建立過程中,如何篩選相關元素和元素組合形式是提高模型精度的關鍵,需要作大量的對比分析工作,列舉2種巖性礦物含量計算模型

(1) 石英砂巖中Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)元素含量與主要造巖礦物含量的關系見圖6。

圖6 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量與石英砂巖中5種主要造巖礦物含量的關系

圖7 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量與石英砂巖中石英含量的關系

圖7曲線公式為

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(1)

式中,a=95.1,b=0.015 82,c=-2.835E-06,d=-28.38;Y為礦物含量,X為元素組合變量,即Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4),Ys為元素含量。

(2) 石灰?guī)r中Ys3/(Ys1+Ys2)元素含量與主要造巖礦物含量的關系見圖8、圖9。

圖8 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量與石灰?guī)r中5種主要造巖礦物含量的關系

圖9 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量與石灰?guī)r中石英含量的關系

圖9曲線公式為

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(2)

式中,a=16.82,b=-0.159 5,c=1.555,d=0.001 61;Y為礦物含量,X為元素組合變量,即Ys3/(Ys1+Ys2)。

5 方法應用

以上方法和成果有2個層次的應用,巖性定性識別和根據(jù)礦物定量計算結(jié)果的巖性分類。巖性定性分析可以應用交會圖版,在圖版上直觀進行分區(qū)識別。這項工作可以借助軟件平臺交互功能,直接讀取當前深度地層元素含量,調(diào)取相應巖性識別圖版,根據(jù)當前層位元素含量數(shù)值在識別圖版上的分區(qū)位置直觀識別。

定量應用以交會識別圖版和礦物定量計算模型為基礎開發(fā)相應的處理軟件模塊,連續(xù)處理得到井剖面礦物含量,解釋人員根據(jù)不同礦物含量可明確界定地層巖性。圖10為長慶油田榆××井處理成果圖,圖10中右起第2道為本文方法處理得到的礦物含量剖面,礦物含量與哈里伯頓公司的GEM處理結(jié)果基本一致,可有效進行巖性識別。

圖10 榆××井地層元素測井巖性識別成果圖

6 結(jié) 論

(1) 以大量的實驗數(shù)據(jù)為基礎,開展利用元素含量直接進行沉積巖礦物含量計算和巖性識別的方法研究,形成了沉積巖巖性分類、元素交會識別圖版分區(qū)識別和分巖性進行多元素組合計算礦物含量的一套完整的技術。

(2) 研究采用的樣本覆蓋了中國各大油田地層,使得到的方法有較好的適應性;利用元素含量可較好地區(qū)分沉積巖巖性;砂巖、碳酸鹽巖識別精度最高,黏土巖和雜巖區(qū)分精度相對較低;多元素組合進行巖性識別效果可得到進一步提高。

(3) 提高礦物含量模型計算精度,必須分沉積巖大類進行多元素組合建立礦物含量計算模型,需要優(yōu)選相關性較高的元素。

(4) 巖心實驗數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果表明,根據(jù)元素含量計算得到礦物含量識別巖性有較高的符合率。

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