元素錄井在碳酸鹽巖地層分層中的應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地馬家溝組為例

楊琳 唐家瓊 趙磊 唐謝 韓貴生 王君

（中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川成都 610051）

元素錄井在碳酸鹽巖地層分層中的應(yīng)用
——以鄂爾多斯盆地馬家溝組為例

楊琳 唐家瓊 趙磊 唐謝 韓貴生 王君

（中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川成都 610051）

PDC鉆進(jìn)導(dǎo)致巖屑細(xì)小，代表性差，常規(guī)錄井方法難以識別巖屑和劃分地層層位。元素錄井具有樣品需求少，分析周期短，分析數(shù)據(jù)全，誤差小的特點(diǎn)。不同沉積環(huán)境的沉積物所含元素也不同。應(yīng)用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)可識別巖屑巖性，結(jié)合區(qū)域沉積相特征可有效劃分地層層位。

元素錄井 鄂爾多斯盆地 馬家溝組 海相 海侵 海退

0 引言

PDC鉆進(jìn)巖屑細(xì)小，常規(guī)錄井巖性識別困難，易導(dǎo)致巖性定名、層位劃分等地質(zhì)復(fù)雜。巖屑錄井結(jié)合沉積巖石學(xué)和地球化學(xué)可有效解決上述難題。

1 元素錄井的原理

樣品在受X射線照射時，帶電粒子和光子與物質(zhì)中的原子相互作用，使得原子電離或激發(fā)。原子內(nèi)殼層電離后，該殼層留下空位。具有殼層電子空位的原子處于激發(fā)狀態(tài)，殼層的電子從能量較高外層向能量較低的內(nèi)層躍遷，填補(bǔ)內(nèi)殼層的電子空位，同時將多余能量以X熒光的形式釋放出來，或者將能量轉(zhuǎn)移給同一軌道的另一個電子，使該電子發(fā)射出X熒光，這個電子成為俄歇電子。當(dāng)K層電子被擊出后，L層或M層的電子躍遷到K層，填補(bǔ)K層的電子空位，同時以一定的概率發(fā)射X熒光。K層電子被逐出后，其空穴可以被外層中任一電子所填充，從而可產(chǎn)生一系列的譜線，稱為K系譜線。由L層躍遷到K層輻射的X射線叫Kα射線，由M層躍遷到K層輻射的X射線叫Kβ射線。類似地，當(dāng)L層出現(xiàn)電子空位時，M層向L層躍遷，產(chǎn)生的X熒光叫L線系。X熒光的能量等于兩個殼層中電子結(jié)合能的差值。各種元素的X熒光的能量范圍在數(shù)千電子伏特到數(shù)萬電子伏特之間。由于每種原子殼層之間的結(jié)合能各為定值，故殼層躍遷產(chǎn)生的X熒光能量和波長亦為定值，即表現(xiàn)為該元素的特征，故稱為特征X射線（圖1、圖2）［1-2］。不同元素產(chǎn)生的X射線熒光具有不同能量與波長，對這些X射線熒光的能量或波長進(jìn)行分析可以確定被分析物質(zhì)的元素種類與數(shù)量。

圖1 XRF分析原理圖

圖2 XRF分析流程圖

2 元素錄井的特點(diǎn)

XRF元素錄井具有樣品需求少，分析周期短，數(shù)據(jù)全，誤差小等特點(diǎn)。使用10 g巖屑樣品即可開展元素分析；樣品純分析時間僅需1 min；分析數(shù)據(jù)包括了Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg、K等主要的地層元素以及一些重要的微量元素；分析數(shù)據(jù)誤差可以控制在5%以內(nèi)。

3 元素錄井在長慶氣區(qū)碳酸鹽巖的應(yīng)用

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，為一矩形構(gòu)造盆地，面積約2.5×105km2。中奧陶統(tǒng)馬家溝組在鄂爾多斯盆地有廣泛分布，最大厚度超過1 000 m，其地層自下而上可劃分為馬一段至馬六段共6個巖性段，構(gòu)成3個完整海退—海進(jìn)的沉積旋回，其中，馬一、馬三、馬五段為海退旋回的臺內(nèi)蒸發(fā)巖段，巖性主要為鹽巖、硬石膏巖夾白云巖和石灰?guī)r；馬二、馬四、馬六段為海進(jìn)旋回的淺海沉積，巖性主要為石灰?guī)r和白云巖夾膏巖和泥云巖。因加里東運(yùn)動后1.3億年漫長的剝蝕，鄂爾多斯盆地內(nèi)僅少數(shù)井見馬六段石灰?guī)r地層，大多數(shù)地區(qū)均已被剝蝕［3-4］。

隨著鉆井工藝的發(fā)展，馬家溝組地層以PDC鉆進(jìn)為主，隨鉆返出的巖屑細(xì)小，代表性差，常規(guī)錄井方法難以識別巖性和劃分層位。通過鄂爾多斯盆地某井石盒子組至馬家溝組3919組元素錄井?dāng)?shù)據(jù)分析表明，可應(yīng)用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)對馬家溝組進(jìn)行層位劃分。下面從馬家溝組內(nèi)部層段劃分和馬五段小層劃分說明元素錄井進(jìn)行層位劃分的可行性。

3.1 馬家溝組內(nèi)部層段劃分

根據(jù)地球化學(xué)可知，元素的聚集和分散與水盆深度有一定關(guān)系［5-7］。這種關(guān)系是元素沉積過程中機(jī)械、化學(xué)、生物、生物化學(xué)作用的結(jié)果。化學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致元素鐵和錳在沉積過程中受水介質(zhì)Eh值與pH值控制而產(chǎn)生的分異現(xiàn)象較明顯。鐵的氧化物在pH值小于3時溶解度最大，進(jìn)入海盆后，由于pH值明顯增高，其溶解度大大降低，發(fā)生沉淀作用，因而常在濱岸地帶有大量富集。錳的氧化物、硫化物的穩(wěn)定性大于鐵，可在海盆內(nèi)發(fā)生長距離遷移，在遠(yuǎn)離濱岸的盆地中心沉積下來。因此，可以用Mn/Fe反映沉積物在海盆中搬運(yùn)的相對距離與水深。鄂爾多斯盆地馬家溝組為海相沉積環(huán)境，馬一、馬三、馬五段為海退沉積旋回，相對馬二、馬四、馬六段海進(jìn)沉積旋回水體深度更淺，因此，Mn/Fe比值相對較低，從圖3中可知能夠依據(jù)Mn/Fe進(jìn)行沉積旋回判斷，從而劃分馬家溝組各段的地層。

圖3 馬家溝組亞段劃分圖

3.2 馬五段小層劃分

隨著對鄂爾多斯盆地勘探的不斷深入，將馬家溝組劃分為上（馬五1—馬五4亞段風(fēng)化殼）、中（馬五5—馬五10亞段白云巖）、下（馬四段及以下白云巖）3套含氣組合，馬家溝組含氣中組合形成了海侵—海退旋回控制的多層膏巖層—碳酸鹽巖的互層狀沉積。其中馬五6、馬五8、馬五10亞段為海退期沉積，巖性以蒸發(fā)巖為主，馬五5、馬五7、馬五9亞段為夾在蒸發(fā)巖層序中的短期海侵沉積，以碳酸鹽巖沉積為主。

海退時期的潮上帶經(jīng)常沉積一些陸源泥，一般泥巖的SiO2、Al2O3以及H2O三者總量可達(dá)80%以上。因此，通過Si、Al元素可有效識別碳酸鹽巖中的泥質(zhì)含量。從圖4可知馬五6、馬五8、馬五10的Si、Al含量明顯升高，表明泥質(zhì)含量上升，符合海退旋回元素沉積特征。潮上帶沉積特征受氣候影響較大。干旱氣候條件下，潮上帶常見石膏巖層，白云巖廣泛發(fā)育。鄂爾多斯盆地馬五時華北地臺的古氣候周期型轉(zhuǎn)變?yōu)楦蔁幔璧鼗讖?fù)又抬升，海平面下降，表現(xiàn)出快速海侵和緩慢海退的特征，其潮上帶以含膏云坪為主夾藻泥云坪。圖4上體現(xiàn)為馬五6下部、馬五8硫元素含量明顯上升。

圖4 馬五段小層劃分圖

海侵時期的潮下帶位于平均低潮面之下，很少暴露于水上，泥質(zhì)含量少，因此馬五5、馬五7、馬五9亞段硅、鋁、硫元素含量少。鄂爾多斯盆地馬五5亞段普遍有云化現(xiàn)象，云化后生成的半自行粉晶白云石晶粒多呈游離狀分布，局部云化劇烈形成白云巖。實(shí)驗(yàn)井的白云巖化明顯，巖性以白云巖為主，元素錄井鎂含量明顯上升。

4 結(jié)論

1）XRF元素錄井對巖屑樣品要求少，數(shù)據(jù)分析周期短，數(shù)據(jù)誤差小，現(xiàn)場操作性強(qiáng)，可有效地識別巖屑中的各類元素含量。

2）鄂爾多斯盆地馬家溝組的實(shí)踐表明，可以通過元素錄井資料識別沉積相，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)認(rèn)識可以劃分地層層位。

［1］朱根慶，許邵俊，楊銳，等.X射線熒光巖屑錄井儀器［J］.錄井工程，2009，20（1）：47-50，60.

［2］李一超，李春山，何國賢.X射線熒光分析在巖屑錄井中的應(yīng)用［J］.巖石礦物學(xué)，2009，28（1）：58-68.

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（編輯：盧櫟羽）

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B

2095-1132（2016）06-0009-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.003

修訂回稿日期：2016-11-09

中國石油天然氣集團(tuán)公司重大專項“隨鉆電磁波成像與測錄井解釋支持系統(tǒng)研發(fā)”（編號：2013E-38-09）。

楊琳（1981-），碩士，工程師，從事錄井解釋評價工作。E-mail：yanglin9078@126.com。