巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)在雙魚石構(gòu)造棲霞組固井卡層中的應(yīng)用

楊廷紅 曾令奇 龔 勛 何成貴 張 雷 羅謀兵 魏建強

(中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)

0 引 言

自2014年ST 1井發(fā)現(xiàn)棲霞組氣藏以來，雙魚石構(gòu)造便作為川渝地區(qū)天然氣接力區(qū)塊進(jìn)行了大力的勘探開發(fā)。該區(qū)塊二疊系茅口組和棲霞組分屬兩個不同的壓力系統(tǒng)且壓差較大，其地層壓力系數(shù)分別為1.8和1.3，為封隔不同壓力系統(tǒng)，避免發(fā)生“因漏轉(zhuǎn)噴”的井控風(fēng)險，設(shè)計要求進(jìn)棲霞組頂2～3 m固井，甚至有的井設(shè)計在茅口組底部固井。所以，茅口組底界井深的卡取顯得尤為重要。

川西北地區(qū)二疊系整體為均斜臺地沉積，沉積了一套由深水低能型富含泥機質(zhì)的灰?guī)r向淺緩坡環(huán)境的淺色微晶生屑灰?guī)r變化的碳酸鹽巖地層。棲霞組上覆地層為茅口組，其巖性以灰?guī)r為主，顏色總體呈上淺下深，由于發(fā)生過多次次級海水的升降，其沉積物中的微量成分和沉積環(huán)境的地化指標(biāo)有所差異。目前錄井現(xiàn)場分層卡層技術(shù)比較單一，不能滿足棲霞組固井卡層的需要。本文嘗試通過巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)探索在不同沉積環(huán)境條件下，茅口組沉積物質(zhì)的微觀特征和地層化學(xué)特征，以發(fā)現(xiàn)具有明顯標(biāo)志的特征層，利用這種特征層對茅口組地層進(jìn)行對比分析，為卡準(zhǔn)棲霞組固井層位提供可靠依據(jù)。

1 棲霞組卡層難點

1.1 復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)導(dǎo)致地層層序復(fù)雜

雙魚石構(gòu)造中深層均為斷層發(fā)育的斷皺帶，具有褶皺幅度大、形態(tài)復(fù)雜的特點。構(gòu)造西側(cè)發(fā)育有對區(qū)域構(gòu)造具控制作用的逆斷層，呈北東-南西向延伸，其長度近180 km，斷距600～1 500 m，傾角30°～40°。其東側(cè)下盤具有明顯的牽引斷凹特征，受印支和喜山兩期構(gòu)造運動擠壓，伴生形成與構(gòu)造走向大體平行展布的斷層多達(dá)59條，主要斷開二疊系、三疊系地層。如此復(fù)雜的構(gòu)造形態(tài)，易導(dǎo)致地層層序混亂，嚴(yán)重影響層位的跟蹤和判斷。如ST 3井飛仙關(guān)組與長興組鉆遇斷距為65 m的斷層，ST 7井吳家坪組與茅口組鉆遇斷距達(dá)100 m的斷層，而位于構(gòu)造西側(cè)的ST 9井甚至缺失須家河組地層，并且在嘉陵江組-飛仙關(guān)組鉆遇揉皺、斷層和陡帶等復(fù)雜地層。

1.2 鉆井新技術(shù)的應(yīng)用對巖性鑒定的影響

為了提高機械鉆速、縮短建井周期、減少鉆井風(fēng)險，PDC鉆頭得到大量使用。由于鉆屑細(xì)小，且顏色失真、結(jié)構(gòu)破壞，給傳統(tǒng)巖屑鑒定帶來較大困難。尤其是在依靠地層微觀特征進(jìn)行層位跟蹤的情況下，給層位判斷帶來較大挑戰(zhàn)。如前所述，雙魚石構(gòu)造茅口組發(fā)生過多次次級海水升降旋回，導(dǎo)致沉積物中泥質(zhì)、有機質(zhì)含量和地層化學(xué)特征存在差異，而這些差異特征往往就是進(jìn)行茅口組層位跟蹤對比，乃至是棲霞組固井卡層的關(guān)鍵。但在PDC鉆頭鉆進(jìn)的情況下，這些微觀特征靠傳統(tǒng)的錄井技術(shù)根本無法識別，嚴(yán)重影響對茅口組的巖性鑒定和地層跟蹤對比，容易導(dǎo)致棲霞組固井卡層失誤。

1.3 傳統(tǒng)分層卡層的輔助技術(shù)參考性較差

傳統(tǒng)分層卡層技術(shù)主要是以巖性鑒定為基礎(chǔ)，輔以鉆時、碳酸鹽巖分析、錄井顯示資料進(jìn)行分析對比的技術(shù)。在該區(qū)塊茅口組除頂部見一塊狀低鉆時特征外，其余井段的鉆時曲線形態(tài)各異，且無明顯可對比的特征鉆時，同時受到控時鉆井措施和調(diào)整鉆井參數(shù)等因素影響，降低了鉆時的適用性；碳酸鹽巖分析技術(shù)受巖屑中雜質(zhì)和鉆井液材料成分影響，導(dǎo)致其數(shù)據(jù)失真，所以僅參考白云石和酸不溶物含量進(jìn)行巖性定名準(zhǔn)確性較差；同時茅口組一般用密度1.90～2.05 g/cm3的鉆井液鉆進(jìn)，雖可見不同類型的顯示，但其顯示分布位置不一。由此可見，采用鉆時、碳酸鹽巖分析、錄井顯示等資料卡層的可比性差、參考性不強。

2 巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)

2.1 巖屑自然伽馬能譜錄井技術(shù)

巖屑自然伽馬能譜錄井技術(shù)是利用能譜分析方法將測得的鈾、釷、鉀混合譜進(jìn)行解析, 從而確定巖樣總伽馬以及鈾、釷、鉀分量值的一種錄井技術(shù)。其測量原理與測井自然伽馬能譜相同，可以進(jìn)行現(xiàn)場巖性解釋和層位劃分等方面的應(yīng)用。對ST 7井和ST 8井的巖屑自然伽馬與測井自然伽馬數(shù)據(jù)分析可知，兩者相關(guān)性好，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.7～0.8(表1)。從擬合圖也可以看出(圖1、圖2)，兩者大多數(shù)數(shù)據(jù)處于擬合曲線的直線段上，同時通過巖屑自然伽馬與測井自然伽馬對比圖可見，兩者變化幅度相當(dāng)，變化趨勢的一致性也較好(圖3)。

表1 自然伽馬相關(guān)性分析

圖1 ST 7井自然伽馬數(shù)據(jù)擬合

圖2 ST 8井自然伽馬數(shù)據(jù)擬合

2.2 巖屑元素錄井技術(shù)

巖屑元素錄井技術(shù)是以巖石地球化學(xué)理論為基礎(chǔ)，應(yīng)用巖石X射線熒光分析，測量巖石中不同元素含量的技術(shù)。元素錄井能夠靈敏地捕捉到地層變化的信息，通過不同元素含量的變化，可以進(jìn)行巖性解釋、地層判別以及巖相古地理研究等方面的應(yīng)用[1-2]。根據(jù)ST 7井和ST 8井棲霞組-泥盆系的錄井元素和測井元素Ca、Si、Al、Fe等數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，除ST 7井Al元素相關(guān)系數(shù)小于0.5外，其余元素相關(guān)系數(shù)大多大于或接近0.8(表2)。從元素Ca、Si擬合圖也可以看出(圖4、圖5)，兩者線性關(guān)系好，同時從兩者對比圖可見，其曲線變化幅度相當(dāng)，變化趨勢一致性較好(圖6)。

圖3 自然伽馬對比

表2 元素相關(guān)性分析

圖4 Ca元素擬合

圖5 Si元素擬合

圖6 元素對比圖

3 棲霞組固井卡層方法

雙魚石構(gòu)造棲霞組上覆地層為茅口組，所以棲霞組的固井卡層就是準(zhǔn)確進(jìn)行茅口組層位跟蹤，卡準(zhǔn)茅口組底界井深的工作。

3.1 茅口組沉積旋回

雙魚石構(gòu)造茅口組經(jīng)歷了兩次不同級別的海進(jìn)海退過程，分別發(fā)生在茅口組初期-中期和茅口組晚期，受東吳運動影響，該區(qū)缺失茅口組晚期(茅四段)地層。在經(jīng)過棲霞組晚期海平面下降后，茅口組早期海平面快速上升，陸源物質(zhì)快速沉積，形成了一套深水低能型富含泥質(zhì)、有機質(zhì)的碳酸鹽巖；茅口組中期海侵達(dá)到高潮，沉積區(qū)水體最深，該期間發(fā)生的次級海水升降，導(dǎo)致沉積物中泥質(zhì)和有機質(zhì)含量發(fā)生差異；茅口組中晚期，海平面有所下降，沉積水體能量變強，沉積物純度較高，夾燧石條帶，局部見白云化作用[3](圖7)。

3.2 卡層方法

根據(jù)雙魚石構(gòu)造茅口組沉積旋回可知，茅口組地層在巖性方面為大套灰?guī)r，下部含有機質(zhì)和泥質(zhì)，上部夾燧石條帶且局部見白云化作用；在沉積環(huán)境方面，茅口組水體經(jīng)歷了一次由淺變深再變淺的過程；在沉積物地化指標(biāo)方面，茅口組沉積初期，沉積物搬運距離短，其成熟度較低，而茅口組中期處于最大海侵期，此時沉積水體最深。根據(jù)這些巖性、沉積環(huán)境及沉積物地化特征，選擇巖屑自然伽馬和元素Ca、Mg、Si、Sr、Ba、K、Th等參數(shù)進(jìn)行茅口組特征層識別，并將茅口組地層劃分出三個特征層。棲霞組固井卡層就是利用茅口組的巖屑自然伽馬和元素特征層進(jìn)行層位跟蹤的方法?，F(xiàn)將這三個特征層分述如下。

第Ⅰ特征層：位于茅口組頂部，巖性為一套質(zhì)純色淺灰?guī)r，局部少見白云化作用，底部含硅質(zhì)，受東吳運動影響，其厚度變化較大，一般厚40～80 m，局部厚達(dá)110 m。巖屑自然伽馬以低平“箱狀”為特征，其值一般為10～20 API；造巖元素Ca呈“箱狀”高值，局部少見元素Mg，元素Si整體為低值，僅在底部出現(xiàn)異常，呈“尖峰狀”高值(圖8)。

第Ⅱ特征層：位于茅口組中下部，相當(dāng)于茅口組海侵高潮階段，層頂距茅口組底約120 m，該層分布穩(wěn)定，巖性為深色灰?guī)r，含泥質(zhì)和有機質(zhì)較豐富，厚度一般40～50 m。巖屑自然伽馬明顯高于上下鄰層，為中高值“箱型或鐘型”特征，其值一般為40～100 API；造巖元素Ca變化不明顯，但元素Si呈明顯上升趨勢，由于該層為茅口組水體最深期，表征水體深度的元素Sr/Ba比值大于1，且明顯高于上下鄰層，曲線形態(tài)相為一“鋸齒狀”高值(圖8)。

第Ⅲ特征層：位于茅口組底部，相當(dāng)于茅口組海侵初期，巖性為深色灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶，泥質(zhì)和有機質(zhì)含量豐富，該層厚度穩(wěn)定，一般40 m左右。巖屑自然伽馬與第Ⅱ特征層相似，為“箱狀”中高值，一般為40～100 API；造巖元素Ca呈“箱狀”高值，元素Si雖明顯高值，但具“拖尾”趨勢，由于茅口組海侵時水體快速上升，陸源物質(zhì)迅速沉積，沉積物搬運距離較短，其成熟度較低，所以表征沉積物成熟度的K/Th比值大于0.15，呈明顯的高值。該層底即茅口組底，以巖屑自然伽馬和K/Th比值下降、元素Si“拖尾”為特征與下伏棲霞組分層[4-6](圖8)。

圖7 川西北地區(qū)茅口組沉積旋回示意

圖8 雙魚石構(gòu)造茅口組巖屑自然伽馬能譜及元素錄井圖

4 應(yīng)用效果

應(yīng)用巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)，對雙魚石構(gòu)造ST 10、ST 12、ST 101和SY 132井4口井分別進(jìn)行了茅口組地層層位跟蹤，茅口組底界井深與測井分層誤差普遍小于5 m，棲霞組固井卡層準(zhǔn)確率達(dá)到100%(表3)。

表3 雙魚石構(gòu)造茅口組分層對比

現(xiàn)以ST 101井棲霞組固井卡層為例，將巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)應(yīng)用情況簡述如下。

ST 101井位于雙魚石-河灣場構(gòu)造帶ST 1井區(qū)東北部，由于茅口組-棲霞組地層壓力存在高低壓轉(zhuǎn)換，為防止發(fā)生“因漏轉(zhuǎn)噴”的井控風(fēng)險，設(shè)計要求進(jìn)棲霞組頂2 m固井。該井自長興組開始進(jìn)行巖屑自然伽馬能譜和元素錄井，從圖9可以看出，進(jìn)入茅口組井段7 305～7 360 m，巖屑自然伽馬呈明顯的低平“箱狀”特征，同時底部見一元素Si“尖峰狀”高值，與鄰井第Ⅰ特征層相符；繼鉆至井段7 513～7 557 m發(fā)現(xiàn)巖屑自然伽馬呈明顯上升趨勢，由40 API升至80 API，為“鐘型”高值特征，同時元素Si也由4%升至10%，上升趨勢明顯，尤其是表征水體深度的Sr/Ba由0.5升至1.5，局部高達(dá)3，較上部地層明顯上升，該段厚44 m，從巖屑自然伽馬和元素特征及地層厚度分析，與鄰井第Ⅱ特征層相符；繼續(xù)鉆至井段7 591～7 633 m發(fā)現(xiàn)巖屑自然伽馬和元素Si整體呈“塊狀”高值，且底部具下降趨勢，但反映沉積物成熟度的K/Th比值由0.1升至0.2，升高趨勢明顯，該段厚42 m，從巖屑自然伽馬和元素特征及地層厚度分析，與鄰井第Ⅲ特征層可比性好。根據(jù)巖屑自然伽馬和元素錄井的三層特征層的對比分析，確定茅口組底界井深為7 633 m，其后鉆至井深7 635 m進(jìn)行中完測井，測井解釋茅口組底界井深為7 634 m，與錄井分層相差1 m。

圖9 ST 101井自然伽馬能譜及元素錄井圖

5 結(jié)束語

巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術(shù)在雙魚石構(gòu)造棲霞組固井卡層的現(xiàn)場應(yīng)用證實，巖屑自然伽馬總量及元素Ca、Mg、Si、Sr、Ba、K、Th等特征參數(shù)能很好地反映茅口組地層微觀特征和沉積環(huán)境指標(biāo)，應(yīng)用這些指標(biāo)對雙魚石構(gòu)造茅口組地層進(jìn)行跟蹤分析，為棲霞組固井卡層提供了可靠的技術(shù)手段。