X射線衍射錄井技術(shù)在渤海M構(gòu)造巖性識別中的應(yīng)用

胡 云 李戰(zhàn)奎 郭明宇 戴 珩 崔國宏 張學(xué)斌

(①中海石油(中國)有限公司天津分公司；②中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

隨著渤海油田在渤中凹陷西南部渤中19-6構(gòu)造深層太古界變質(zhì)巖潛山獲得天然氣勘探重大突破，深層潛山油氣藏將是未來儲量增長的重要領(lǐng)域[1-6]。潛山巖性的識別是評價和判斷潛山儲集層的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，準(zhǔn)確識別潛山界面對潛山內(nèi)部油氣勘探具有重要意義[7-8]。隨著鉆井工藝不斷更新，PDC鉆頭和扭沖工具的使用使得鉆速不斷加快，巖屑細(xì)碎，更隨著總井深的不斷加大，常規(guī)錄井巖性識別和地層界面判斷面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)。針對這些難題，創(chuàng)新引入X射線衍射儀器[9-15]，使用X射線衍射全巖分析來對潛山界面巖性進(jìn)行識別。

X射線衍射全巖礦物分析(XRD)是近年發(fā)展起來的一項新型錄井技術(shù)。該項技術(shù)能夠很好地解決使用PDC鉆頭鉆探、使用扭沖等加速鉆具、井深及井斜較大等復(fù)雜鉆井條件下返出巖屑細(xì)碎難辨識的問題。在砂泥巖剖面劃分、復(fù)雜巖性識別、潛山界面判斷等方面發(fā)揮了重要的作用[16]。目前渤海油田還未建立衍射礦物含量識別巖性圖板和巖性界面識別方法，本文利用渤海油田M構(gòu)造各個地層鉆井巖屑、壁心、巖屑的X射線衍射全巖礦物含量數(shù)據(jù)及測井曲線等資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景對各類巖性進(jìn)行識別，為復(fù)雜巖性識別和潛山界面判斷提供了依據(jù)，極大提高了潛山界面的識別率，為成功勘探潛山油氣藏奠定了基礎(chǔ)[17-23]。

1 M構(gòu)造的巖性及衍射礦物特征

1.1 巖石類型

渤海油田M構(gòu)造鉆遇層位包括新生界、中生界、古生界和太古界；巖性主要包括沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖，其中沉積巖包括砂礫巖、砂巖、泥巖和碳酸鹽巖，火成巖包括玄武巖、流紋巖和閃長玢巖等，變質(zhì)巖為花崗片麻巖和變質(zhì)花崗巖。由于該構(gòu)造花崗片麻巖和變質(zhì)花崗巖原巖屬于花崗巖和花崗閃長巖，本文將其作為火成巖類進(jìn)行分類識別。

應(yīng)用渤海油田現(xiàn)場巖屑、壁心和巖心的衍射分析數(shù)據(jù)，在20口井的大量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，建立了衍射礦物含量與巖性的對應(yīng)關(guān)系，并利用巖心、壁心和薄片等資料相互進(jìn)行驗證，最終形成了渤海油田M構(gòu)造衍射礦物含量與巖性數(shù)據(jù)庫，可得到各類巖性的礦物含量范圍及平均值。

1.2 巖石衍射礦物含量特征

通過對比各類巖石中石英含量可知，碎屑巖最高(20%～90%)，其次為變質(zhì)巖(9%～29%)和火成巖(5%～40%)，碳酸鹽巖最低(5%～12%)；對比長石含量可知，火成巖(25%～55%)和變質(zhì)巖(25%～60%)最高，其次為碎屑巖(10%～45%)，碳酸鹽巖最低(4%～15%)；對比方解石和白云石含量可知，碳酸鹽巖最高(50%～100%)，其余各類巖石含量較少(<20%)；對比暗色礦物(輝石+角閃石+黑云母)含量可知，玄武巖最高(15%～30%)，其次為流紋巖(6%～20%)，其余各類巖石含量較低(<10%)；對比副礦物(榍石+磁鐵礦+黃鐵礦+鈦鐵礦)含量可知，花崗片麻巖最高(6%～25%)，變質(zhì)花崗巖(7%～20%)、閃長玢巖(0～15%)和砂礫巖(0～10%)次之，砂泥巖(0～5%)和碳酸鹽巖(<3%)含量最低；榍石主要出現(xiàn)在火成侵入巖內(nèi)，閃長玢巖最高(12%～20%)，花崗片麻巖(5%～25%)和變質(zhì)花崗巖(7%～19%)次之。通過主要礦物含量可輔助判斷巖石大類。

2 巖性識別圖板的建立及應(yīng)用

為了準(zhǔn)確識別M構(gòu)造復(fù)雜巖性，以巖石化學(xué)成分和礦物成分分類為基礎(chǔ)，利用該區(qū)塊的衍射分析數(shù)據(jù)，選擇巖石響應(yīng)敏感的礦物進(jìn)行區(qū)域特征分析，通過不同礦物交會分析，建立了M構(gòu)造不同巖性特征圖板，并在井場巖性識別中進(jìn)行了應(yīng)用。

2.1 火成巖識別圖板

火成巖礦物成分和含量復(fù)雜多變，從超基性到酸性巖石礦物含量基本上是連續(xù)變化的，沒有明顯的界限。但總體上從酸性巖類到基性巖類，石英及長石的含量逐漸減少，暗色礦物(輝石+角閃石等)的含量逐漸增加[24-25]。利用由基性到酸性潛山石英和暗色礦物(角閃石+輝石+黑云母)，石英和長石礦物含量建立交會圖板，通過交會圖板結(jié)合巖石定名，得到M構(gòu)造火成巖識別圖板。

利用石英和長石礦物含量交會圖板能夠準(zhǔn)確區(qū)分出各類火成巖類別(圖1)，其中：Ⅰ區(qū)石英含量5%～10%，長石含量10%～50%，主要巖性為玄武巖；Ⅱ區(qū)石英含量10%～15%，長石含量20%～35%，主要巖性為閃長玢巖；Ⅲ區(qū)石英含量10%～25%，長石含量30%～60%，主要巖性為花崗片麻巖及變質(zhì)花崗巖；Ⅳ區(qū)石英含量30%～40%，長石含量30%～50%，主要巖性為流紋巖。

2.2 砂泥巖識別圖板

從礦物成分上來看，泥巖和砂巖主要礦物為石英和長石，砂巖石英含量明顯高于泥巖，而長石含量要低于泥巖。以M構(gòu)造東營組砂泥巖為例，利用石英和長石礦物含量交會圖板(圖2)，泥巖(Ⅰ區(qū))的石英含量小于40%，長石含量小于30%；砂巖(Ⅱ區(qū))的石英含量一般大于40%，長石含量大于25%。

2.3 碳酸鹽巖識別圖板

圖1 火成巖石英與長石交會圖板

圖2 砂泥巖識別圖板

從礦物成分上來看，碳酸鹽巖按照方解石和白云石含量的相對高低可以進(jìn)一步分為灰?guī)r、含云灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、含灰云巖、灰質(zhì)云巖和白云巖 6 種。通過對M構(gòu)造灰?guī)r衍射礦物分析的方解石和白云石含量與標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r、白云巖含量對比，將原標(biāo)準(zhǔn)的方解石和白云石含量與衍射礦物分析方解石和白云石含量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成了渤海油田M構(gòu)造X射線衍射全巖礦物分析碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)(表1)。通過M構(gòu)造已確定碳酸鹽巖不同巖性的X射線衍射全巖礦物數(shù)據(jù)點，利用方解石和白云石含量交會結(jié)合分類標(biāo)準(zhǔn)建立了碳酸鹽巖精準(zhǔn)定名圖板(圖3)。圖板劃分為6個區(qū)域，分別對應(yīng)于白云巖、含灰云巖、灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r、含云灰?guī)r以及灰?guī)r。

利用M構(gòu)造7個樣品(壁心)衍射分析數(shù)據(jù)在圖板上投點驗證 ，數(shù)據(jù)落點與圖板劃分的6個區(qū)域吻合(圖3)，顯示定名與薄片鑒定名稱一致，證實碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)適用于該研究區(qū)。

表1 M構(gòu)造X射線衍射全巖礦物分析碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)

圖3 渤海M構(gòu)造碳酸鹽巖分類圖板

3 M構(gòu)造巖性識別拓展應(yīng)用

在現(xiàn)場地質(zhì)作業(yè)過程中，不僅面臨著巖性識別的難題，還需要能夠準(zhǔn)確劃分地層巖性剖面，如潛山界面的識別、特殊巖性界面劃分和砂泥巖剖面劃分等。利用礦物含量縱向變化和各類特征礦物曲線的組合交會法能夠準(zhǔn)確判斷地層及巖性界面深度，結(jié)合不同巖性區(qū)分圖板，能夠為潛山界面卡取、砂泥巖剖面劃分和侵入巖等特殊巖性識別提供重要依據(jù)。

3.1 太古界潛山界面的識別

渤海M構(gòu)造主要目的層為太古界潛山，巖性主要為花崗片麻巖。準(zhǔn)確卡取太古界潛山的界面對該構(gòu)造勘探至關(guān)重要，潛山界面卡取不準(zhǔn)確不僅會帶來單井報廢的風(fēng)險，同樣會對鉆井工程安全造成嚴(yán)重后果。由于該區(qū)塊巖性復(fù)雜，潛山上覆地層為砂泥巖和砂礫巖，特別是砂礫巖由于礫石來源于潛山本體，對現(xiàn)場卡取潛山界面造成很大困擾。通過XRD礦物含量在縱向上的變化，選擇合適的礦物含量曲線進(jìn)行交會，結(jié)合巖性識別圖板，能夠準(zhǔn)確卡取潛山界面。

以M 1井為例，該井從井深4 570 m開始鉆遇大套砂礫巖，巖屑中能看到花崗片麻巖礫石和部分火成巖礫石，通過衍射礦物成分投點，判斷與鄰井相似，為砂礫巖。現(xiàn)場鉆井至井深4 932 m，礦物成分含量發(fā)生明顯變化，長石含量由23.5%升高至38.8%，石英含量由31%下降至21%，榍石含量由10.1%升高至18.4%。利用石英和長石交會曲線及石英和榍石交會曲線，判斷井深4 932 m是一個地層巖性界面(圖4)。利用石英和長石礦物含量投點(圖1)，4 932～4 936 m井段落在花崗片麻巖區(qū)域，綜合分析認(rèn)為該井從井深4 932 m進(jìn)入太古界潛山，及時中完。通過測井曲線證實，在井深4 932 m之后電阻率由20 Ω·m上升至100 Ω·m以上，證實進(jìn)入太古界潛山，錄井卡準(zhǔn)潛山界面。

通過在該區(qū)塊10口井潛山井應(yīng)用，潛山界面和巖性識別準(zhǔn)確率100%，為鉆井施工安全、提速提效以及潛山儲集層綜合評價提供了堅實的技術(shù)保障。

3.2 地層侵入巖識別

以M 2井為例，該井從井深4 950 m進(jìn)入太古界，鉆遇花崗片麻巖，在井段5 105～5 145 m和井段5 175～5 192 m巖屑顏色發(fā)生明顯變化，由淺灰色變?yōu)榛揖G色，巖性細(xì)碎，無法直觀判斷具體巖性。通過衍射礦物含量曲線對比，在這兩個井段礦物成分含量有明顯變化，石英含量由18.7%降低至12.9%，長石含量由38.3%降低至30.6%，黏土礦物含量由9.9%升高至17.4%，榍石含量由19.8%降低至15.2%。利用石英和黏土礦物曲線交會(圖5)，判斷在井段5 105～5 145 m和5 175～5 192 m出現(xiàn)明顯的反向交會，充填顏色由紫色變?yōu)辄S色，巖性有明顯變化。利用火成巖礦物圖板投點，其落在閃長玢巖區(qū)域(圖1)。綜合分析認(rèn)為其巖性為侵入巖閃長玢巖，而不是花崗片麻巖。通過測井曲線證實，自然伽馬和電阻率在兩段明顯為低值，井壁取心薄片鑒定巖石名稱為閃長玢巖，證實了圖板判斷結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 M 1井礦物含量錄井圖(潛山界面)

3.3 砂泥巖剖面劃分

沉積巖中砂泥巖的主要礦物包括石英、長石、方解石和黏土礦物等，在同一沉積環(huán)境下，砂巖中石英和長石含量高，黏土類礦物含量低；泥巖中石英和長石含量低，黏土類礦物含量高，并且砂巖石英含量高于泥巖石英含量。因此，選取淺色礦物(石英+長石)和黏土礦物的曲線交會，能夠準(zhǔn)確劃分出砂泥巖，為剖面的建立提供根據(jù)。

以M 3井為例，在井段4 000～4 300 m，返出巖屑細(xì)碎混雜，無法準(zhǔn)確識別砂泥巖。通過衍射礦物含量曲線對比，4 030～4 060 m、4 160～4 170 m、4 205～4 235 m這3個井段礦物成分含量有明顯變化，石英含量由28.5%升高至39.8%，長石含量由19.8%升高至28.1%，黏土礦物含量由15.1%降低至6.4%，榍石含量由8.4%升高至15.5%。利用淺色礦物(石英+長石)和黏土礦物含量曲線交會(圖6)，這3個井段的曲線出現(xiàn)明顯反向交會。利用砂泥巖礦物圖板投點，均落在砂巖區(qū)域(圖2)。通過測井曲線可以看出黏土礦物含量曲線與自然伽馬曲線趨勢一致，淺色礦物曲線則與電阻率曲線趨勢一致。運用淺色礦物和黏土礦物曲線交會法可以輔助完成砂泥巖剖面的劃分，保證剖面準(zhǔn)確性。

圖5 M 2井礦物含量錄井圖(潛山內(nèi)幕)

圖6 M 3井礦物含量錄井圖

4 結(jié) 論

(1)建立了渤海油田M構(gòu)造巖性衍射礦物含量數(shù)據(jù)庫，從不同成分礦物含量上能夠初步區(qū)分砂泥巖、火成巖、變質(zhì)巖和碳酸鹽巖，為后續(xù)鉆井提供幫助。

(2)通過不同礦物交會分析，建立了M構(gòu)造火成巖、砂泥巖和碳酸鹽巖識別圖板，能夠在現(xiàn)場作業(yè)過程中快速準(zhǔn)確識別各類巖性。

(3)建立了利用礦物含量縱向變化和各類礦物曲線的組合交會識別地層及巖性界面，為潛山界面卡取，砂泥巖剖面劃分和侵入巖識別提供了依據(jù)。

(4)該方法成功地輔助完成M構(gòu)造10口井的潛山界面識別和復(fù)雜巖性識別，為錄井剖面建立、鉆井作業(yè)安全和潛山油氣綜合評價提供技術(shù)支持。