利用元素錄井進行碳酸鹽巖巖性精細解釋研究

楊鎖衛(wèi)，許澤君，劉巖松

中石油冀東油田分公司工程監(jiān)督中心，河北 唐山

利用元素錄井進行碳酸鹽巖巖性精細解釋研究

楊鎖衛(wèi)，許澤君，劉巖松

中石油冀東油田分公司工程監(jiān)督中心，河北 唐山

元素錄井(XRF)技術(shù)能夠獲取巖石中的化學(xué)元素信息，通過化學(xué)元素的組合與質(zhì)量分數(shù)的變化，可以進一步鑒定巖性、劃分地層。利用元素錄井資料，通過建立碳酸鹽巖解釋模型，計算碳酸鹽巖主要化學(xué)成分質(zhì)量分數(shù)來指導(dǎo)現(xiàn)場進行巖性識別，能有效提高碳酸鹽巖地層巖性識別能力?，F(xiàn)場應(yīng)用表明該方法解釋效果良好，與斯倫貝謝ECS測井解釋結(jié)果相當(dāng)，該方法對其他地區(qū)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

元素錄井，解釋模型，碳酸鹽巖，巖性定量解釋

AbstractX Radial Fluorescence Mud Logging (XRF) technology could obtain chemical elements information in rocks. The lithologic characters and strata could be further identified through the combination and content variations of chemical elements. Based on the element mud logging data, the carbonate chemical composition was used to guide the field identification of lithology by establishing carbonate interpretation model, which could effectively improve the ability of identification of carbonate formation. Field application shows that the method is effective and the effect is equal to Schlumberger ECS log. This method can be the reference and guidance for other regions.

KeywordsX Radial Fluorescence Mud Logging, Interpretation Model, Carbonate, Quantitative Interpretation of Lithology

1. 背景

元素錄井技術(shù)(即X射線熒光巖屑錄井技術(shù)，也簡稱XRF)可以實現(xiàn)對巖屑中的化學(xué)元素信息進行定性和定量分析，該項技術(shù)是常規(guī)巖屑錄井的補充，可有效解決復(fù)雜巖性、細碎巖屑的巖性識別問題。李一超、李春山、何國賢、謝元軍、邱田民等分別對X射線熒光巖屑錄井技術(shù)進行了適用性研究，并初步建立了定性化巖性識別和地層劃分解釋方法[1][2][3][4]。張國龍、楊鎖衛(wèi)等人對該技術(shù)在冀東油田大斜度井中的應(yīng)用進行了研究，認為該技術(shù)可以較好解決大斜度井的巖性識別、潛山界面識別與卡取以及地層劃分對比等問題[5][6]。

隨著油田對寒武系潛山、奧陶系潛山內(nèi)幕的鉆探與元素錄井工作的深入開展，對碳酸鹽巖潛山地層巖性定量化識別需求顯得尤為突出。

2. 元素、礦物與巖石之間的關(guān)系

2.1. 巖石與元素

巖石形成的過程就是母巖中元素在各種內(nèi)外作用下的再分配、重新組合的過程。由于沉積作用的復(fù)雜性和多樣性，所以沉積巖的元素組成變化非常大，不同元素質(zhì)量分數(shù)不同，同一種巖石中不同元素質(zhì)量分數(shù)也不相同。

如對于陸源碎屑沉積巖來說，Si元素以極大優(yōu)勢富集于砂巖中，而Al和Si元素傾向于在頁巖和黏土巖類中聚集；對于碳酸鹽巖沉積而言Ca和Mg元素則最為富集；其他例如Fe、Al、Ti等元素也可能大量富集以礦石的形式出現(xiàn)，而微量元素在頁巖和黏土巖類中的豐度高于它們在砂巖及碳酸鹽巖中的豐度，如Mn和Sr元素則顯著地富集于碳酸鹽巖中。

對于單元素來說，Mg與Ca元素普遍存在于各類巖石中，但質(zhì)量分數(shù)各有不同，在碳酸鹽巖中Ca、Mg元素質(zhì)量分數(shù)占主導(dǎo)地位，在灰?guī)r中Ca元素質(zhì)量分數(shù)最高可達40%，白云巖中Mg元素最高可達14%以上，它們是碳酸鹽巖中最為突出的元素。

2.2. 元素、礦物與巖石

1) 元素與礦物之間的關(guān)系

礦物是由化學(xué)元素組成的，它具有穩(wěn)定的化學(xué)組成和較為固定的分子式，化學(xué)元素質(zhì)量分數(shù)的不同決定了礦物種類的不同，其化學(xué)成分是區(qū)別不同礦物的重要依據(jù)，反映礦物形成條件。

礦物成分一般都是以單元素的氧化物、硅酸鹽、硅鋁酸巖、碳酸鹽礦物的形式存在，它們與單元素質(zhì)量分數(shù)之間具有一定的換算關(guān)系(見表1、表2)。

當(dāng)已知某元素的質(zhì)量分數(shù)為a時，其對應(yīng)氧化物的質(zhì)量分數(shù)A的計算式如下：

式中：A為某元素對應(yīng)氧化物的質(zhì)量分數(shù)，%；a為某元素的質(zhì)量分數(shù)，%；α為某元素化合物指數(shù)。

2) 化合物、礦物與巖石之間的關(guān)系

沉積巖的基本化學(xué)成分是表生環(huán)境穩(wěn)定非變價氧化物，其中Al2O3、SiO2、(MgO+CaO)這3種化學(xué)成分決定了3種沉積巖石及其過渡巖石類型的分布。砂質(zhì)沉積物主要由礦物石英、長石組成，一般表現(xiàn)為Si質(zhì)量分數(shù)高，其他元素質(zhì)量分數(shù)相對較低；頁巖、泥巖類巖石主要由黏土礦物及細碎屑組成，黏土礦物具有吸附水體中簡單離子和絡(luò)合物的特點，所以頁巖、泥巖中富集堿金屬元素，Al2O3、鐵質(zhì)及鈣質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對砂巖較高。

Table 1. The transfer coefficients for elements and the other chemical compounds表1. 元素與其化合物之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)表

Table 2. The contents of various elemental contents in commonly seen minerals表2. 常見礦物中各種元素組分質(zhì)量分數(shù)表

碳酸鹽巖是一種化學(xué)沉積巖，常見于沉積巖體系中，一般富含CaCO3、MgCO3，Ba、Sr和Mn的元素，其他元素一般質(zhì)量分數(shù)都很低。

火成巖中的礦物成分變化隨SiO2的變化而變化：隨著SiO2質(zhì)量分數(shù)的增加，Na2O、K2O增加，F(xiàn)eO、MgO減少，Al2O3、CaO則由少增多，在輝石類及基性巖中達到最大值后降低。

2.3. 元素自身變化特征

1) 大量的分析研究表明：從巖石中元素質(zhì)量分數(shù)差別程度看，微量元素變化從其幅度上、規(guī)律性上要比常量元素要好。

2) 從元素在巖石成巖過程中的穩(wěn)定性來看，不同的沉積環(huán)境和物源體系中，各元素質(zhì)量分數(shù)具有明顯的差異，具有指導(dǎo)巖性劃分的功能。在陸相沉積過程中，Si、Al、Fe、Ti等元素顯然沒有Cl、S、Na、K、Ca、Mg等元素活躍，因而在巖石的風(fēng)化搬運過程中呈活躍元素逐漸減少而其他元素逐漸富集的狀態(tài)；而在化學(xué)沉積過程中，由于其特殊的沉積環(huán)境Ca、Mg、S、Cl等元素則更容易相對富集成巖。

3) 元素比值關(guān)系比少數(shù)元素更能反映成巖石的氣候、環(huán)境、母源特征。

3. 解釋方法研究

3.1. 現(xiàn)有XRF巖性解釋方法比較

1) 數(shù)據(jù)對比解釋法

通過對大量不同地區(qū)、不同層位、不同巖性的樣品進行X射線熒光分析，利用統(tǒng)計學(xué)方法研究各元素質(zhì)量分數(shù)與巖性之間的關(guān)系，建立不同層位、不同巖性元素質(zhì)量分數(shù)分布表，用來指導(dǎo)現(xiàn)場進行巖性解釋。該方法在巖屑代表性好、特征明顯、層厚度較大時效果較好，對于薄層巖性，則需要進行挑樣分析來提高巖性識別效果。

2) 規(guī)律解釋法

利用地質(zhì)作圖軟件分析各元素變化規(guī)律與巖性之間的變化關(guān)系是地質(zhì)工作中常規(guī)性的方法之一，解釋過程中可以參考多個元素曲線變化規(guī)律相互加以印證，從而進行巖性解釋。

3) 方法優(yōu)劣

這兩種方法都具備較強的直觀性、方便性，但定性化解釋方法很難避免人為因素、經(jīng)驗因素的影響，解釋結(jié)果因人而異；故筆者重點研究定量化解釋法。

3.2. 碳酸鹽巖定量化解釋方法研究

3.2.1. 碳酸鹽巖基本特征及分類

碳酸鹽巖主要分為石灰?guī)r(方解石質(zhì)量分數(shù) ＞ 50%)和白云巖(白云石質(zhì)量分數(shù) ＞ 50%)。構(gòu)成碳酸鹽巖的主要碳酸鹽礦物為方解石、白云石、文石(與方解石為同質(zhì)二相)、菱鎂礦、菱鐵礦、鐵白云石等，其他一些黏土礦物、有機質(zhì)、石膏、鹽巖、黃鐵礦、硅質(zhì)等(表3～5)。碳酸鹽巖定名方案(方解石和白云石)見表6。

Table 3. The chemical compositions of carbonate表3. 碳酸鹽巖的化學(xué)成分

Table 4. The comparison of chemical compositions between the typical limestones and dolomites表4. 典型石灰?guī)r與白云巖的化學(xué)成分對比

Table 5. The comparison of chemical compositions of the key minerals in carbonates表5. 碳酸鹽巖中的主要礦物化學(xué)成分對比

Table 6. The named scheme of carbonates表6. 碳酸鹽巖定名方案(方解石和白云石)

3.2.2. 碳酸鹽巖定量解釋

1) 巖石組成基本模型的確立

沉積巖的組成無非是碎屑巖類(即石英、長石等)、黏土礦物類(如伊利石、蒙脫石等)、化學(xué)沉積物(如碳酸鹽巖顆粒)及其他物質(zhì)(如巖屑、碳酸巖等)。據(jù)此，可以建立巖石組成的基本模型，即：

2) 碳酸鹽巖組成基本模型的確立

通過對碳酸鹽巖所含礦物、化學(xué)成分、組成及質(zhì)量分數(shù)的分析，進行碳酸鹽巖定量化解釋的關(guān)鍵在于Ca、Mg、Si、K、Fe、S等元素質(zhì)量分數(shù)及其所對應(yīng)的碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)、黏土質(zhì)量分數(shù)以及蒸發(fā)巖質(zhì)量分數(shù)的計算上。結(jié)合式(1)，碳酸鹽巖組成基本模型可以寫作：

當(dāng)待定名巖屑中不含或含極少量黏土礦物時，該模型可以進一步精簡為：

3) 碳酸鹽巖解釋方程的建立

① Ca元素質(zhì)量分數(shù)分配方程：

② Mg元素質(zhì)量分數(shù)分配方程：

③ S元素質(zhì)量分數(shù)分配方程：

式中：Mfjs、Mbys、Msg、Mysg、Mqt分別代表方解石、白云石、石膏、硬石膏、其他物質(zhì)的量，%；Cfjs、Cbys、Csg、Cysg、Cqt分別代表方解石、白云石、石膏、硬石膏、其他物質(zhì)對應(yīng)的元素分子含量，1；CCa、CMg、CS分別是Ca、Mg、S元素的質(zhì)量分數(shù)，%。

實際過程中，由于Ca、Mg、S等元素質(zhì)量分數(shù)是可以通過元素錄井儀器分析獲得，通過方程(4)、(5)、(6)即可計算分別得到Mfjs、Mbys、Mysg等的質(zhì)量分數(shù)。從而通過碳酸鹽巖相對含量劃分類型標(biāo)準(zhǔn)對待定名巖屑進行類型確定。

4) 碳酸鹽巖的元素錄井定名

通過上述步驟，可以計算得到Mfjs、Mbys、Mysg類等的含量，從而通過碳酸鹽巖相對含量劃分類型標(biāo)準(zhǔn)(表6、表7)對待定名巖屑進行類型確定。

在實際操作過程中，由于巖屑是連續(xù)撈取，且?guī)r屑是呈混雜連續(xù)變化狀態(tài)存在的，故將計算得到的Mfjs、Mbys含量與單元素質(zhì)量分數(shù)、井深、其他分析數(shù)據(jù)等一并成圖，結(jié)合Mfjs、Mbys含量變化趨勢來確定巖性的頂?shù)祝唧w定名的效果遠遠好于單點結(jié)論判斷結(jié)果。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)碳酸鹽巖物質(zhì)、巖心及巖屑分析資料，給出碳酸鹽巖巖性快速定名標(biāo)準(zhǔn)(表7)。

Table 7. The named criterion for carbonates in elemental mud logging表7. 元素錄井碳酸鹽巖定名標(biāo)準(zhǔn)

5) 與薄片分析、元素測井、碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)分析的對比驗證

為了驗證計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，選取不通井相同位置的巖心分別進行元素分析(表 8)、薄片鑒定(表 9)。與薄片分析結(jié)果對比，通過計算得到Mfjs、Mbys、Mysg類等的含量不能完全等同于薄片鑒定結(jié)果，存在一定誤差，但不影響對巖性的定名(表9)。

通過與斯倫貝謝ECS測井解釋剖面相對比，該方法得到的解釋剖面與其一致性好，但在石膏巖的解釋上存在差距，主要原因是常規(guī)鉆井液體系下，石膏易水化膨脹，很難獲取代表性好的巖屑樣品，因此導(dǎo)致解釋存在一定偏差；而與碳酸鹽巖質(zhì)量分數(shù)分析結(jié)果定名對比，利用本方法計算結(jié)果在巖性定名上具有明顯的優(yōu)勢(圖1)。

Figure 1. The lithogical interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX圖1. 南堡XX井元素錄井巖性解釋圖

Table 8. The data (part) of rock core element analysis表8. 巖心元素分析數(shù)據(jù)(部分)

Table 9. The comparison between calculated data and identified rock slice data表9. 計算數(shù)據(jù)與薄片鑒定數(shù)據(jù)對比表

4. 應(yīng)用實例

4.1. 南堡構(gòu)造寒武系碳酸鹽巖潛山巖性解釋

研究區(qū)鉆遇寒武系地層自上而下鉆遇地層分別為徐莊組、毛莊組、饅頭組和府君山組4套地層(圖2)，其中毛莊組和府君山組主要以碳酸鹽巖為主。

1) 毛莊組地層元素特征及巖性解釋

毛莊組巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r。從元素錄井特征看，毛莊組一般具有較高的Ca、Mg、P元素質(zhì)量分數(shù)及較低的Si、Al、Fe、K元素質(zhì)量分數(shù)，毛莊組主體儲層2/3段Mg元素質(zhì)量分數(shù)明顯高于底部，經(jīng)計算上部白云石質(zhì)量分數(shù)接近50%，下部質(zhì)量分數(shù)降低，方解石質(zhì)量分數(shù)明顯升高達50%以上，綜合解釋該段上部分為泥質(zhì)白云巖，下部為灰?guī)r。

2) 饅頭組地層元素特征及巖性解釋

設(shè)計提示表明該地饅頭組巖性主要為紫紅、灰綠色泥頁巖，灰色泥灰?guī)r及薄層灰色白云巖，其中以紫色、灰綠色泥頁巖為主。但從元素錄井特征看，饅頭組具有較高的Si、Al、Fe、Mg、K元素質(zhì)量分數(shù)及較低的Ca、P、Mn元素質(zhì)量分數(shù)，白云石質(zhì)量分數(shù)普遍較高，多在25%～40%之間，方解石質(zhì)量分數(shù)普遍小于5%，解釋結(jié)果為白云質(zhì)泥巖。

3) 府君山組地層元素特征及巖性解釋

寒武系府君山組地層巖性主要以灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖為主。從元素錄井特征看，府君山組具有較高的Ca、Mg、P元素質(zhì)量分數(shù)及較低的Si、Al、Fe、K元素質(zhì)量分數(shù)，計算結(jié)果表明該地層普遍白云石質(zhì)量分數(shù)大于50%，方解石質(zhì)量分數(shù)平均8%，解釋為泥質(zhì)白云巖和白云巖。

4.2. 南堡構(gòu)造奧陶系碳酸鹽巖巖性解釋

Figure 2. The comprehensive logging interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX1圖2. 南堡XX1井元素錄井綜合解釋圖

南堡構(gòu)造奧淘系主要鉆遇地層為馬家溝組，巖性主要為灰?guī)r。從元素錄井特征看，該段具有較高的Ca元素質(zhì)量分數(shù)及較低的Si、Al、Fe、Mn元素質(zhì)量分數(shù)，計算結(jié)果表明該地層方解石質(zhì)量分數(shù)大于70%，白云石質(zhì)量分數(shù)在5%～15%之間，故解釋為灰?guī)r和含云灰?guī)r(圖3)。

Figure 3. The comprehensive logging interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX2圖3. 南堡XX2井元素錄井綜合解釋圖

5. 結(jié)論

在元素錄井技術(shù)出現(xiàn)前，現(xiàn)場錄井主要依靠肉眼觀察和碳酸鹽巖分析進行碳酸鹽巖的巖性劃分。元素錄井技術(shù)出現(xiàn)后，通過元素質(zhì)量分數(shù)計算對應(yīng)礦物質(zhì)量分數(shù)從而指導(dǎo)巖性劃分，為錄井確定巖性提供了一種新方法。應(yīng)用表明，該解釋方法可行，且解釋效果良好，能有效指導(dǎo)現(xiàn)場錄井工作。

References)

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[編輯]黃鸝

A Study on Fine Interpretation of Carbonate Lithology Based on X Radial Fluorescence Mud Logging Information

Suowei Yang, Zejun Xu, Yansong Liu
Engineering Supervision Center of Jidong Oilfield Company, PetroChina, Tangshan Hebei

楊鎖衛(wèi)(1983-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)錄井研究及監(jiān)督管理工作。

2017年4月12日；錄用日期：2017年7月6日；發(fā)布日期：2017年8月15日

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Apr. 12th, 2017; accepted: Jul. 6th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 楊鎖衛(wèi), 許澤君, 劉巖松. 利用元素錄井進行碳酸鹽巖巖性精細解釋研究[J]. 石油天然氣學(xué)報, 2017, 39(4):83-92.

10.12677/jogt.2017.394041