X射線衍射礦物分析技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地火成巖識(shí)別中的應(yīng)用

馬樹明 李秀彬 李懷軍 經(jīng)儉波 張小虎 張媛媛

(中國石油西部鉆探工程有限公司地質(zhì)研究院(克拉瑪依錄井公司))

0 引 言

巖性識(shí)別是地質(zhì)分層、儲(chǔ)集層評(píng)價(jià)、鉆井工程服務(wù)的基礎(chǔ)[1]。準(zhǔn)噶爾盆地經(jīng)過近60年的勘探開發(fā)，其淺層常規(guī)油氣資源日益減少，勘探開發(fā)逐漸向巖性復(fù)雜的腹部石炭系、西北緣二疊系等區(qū)塊轉(zhuǎn)移。同時(shí)，新工藝的應(yīng)用，如氮?dú)忏@、空氣鉆、新型PDC鉆頭等[2]，給錄井的巖性識(shí)別帶來了諸多難題，種種原因使得復(fù)雜的火成巖巖性難以快速識(shí)別，因而可能導(dǎo)致巖性定名錯(cuò)誤，卡層失準(zhǔn)，有利巖相帶劃分失誤，給勘探開發(fā)帶來了一定的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。通過開展X射線衍射礦物分析技術(shù)應(yīng)用研究，建立常見準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊火成巖巖性識(shí)別方法，為巖性定名、地層劃分、鉆井安全施工提供技術(shù)支持。

1 準(zhǔn)噶爾盆地火成巖的分布概況

準(zhǔn)噶爾盆地的火成巖主要分布在腹部、西北緣和東部等區(qū)塊的石炭系地層及二疊系地層，其中腹部區(qū)塊面積最大，涵蓋了中央坳陷、陸梁隆起以及輪古坳陷三個(gè)主要構(gòu)造帶[3]。腹部區(qū)塊多以火山碎屑巖及中、基性噴出巖為主，部分區(qū)塊發(fā)育酸性的淺成侵入巖和噴出巖。常見的巖性有凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、玄武巖等，其中個(gè)別區(qū)塊發(fā)育花崗巖、花崗斑巖、英安巖、石英霏細(xì)斑巖及火山角礫巖等。

2 錄井現(xiàn)場(chǎng)火成巖識(shí)別現(xiàn)狀

當(dāng)前針對(duì)火成巖鉆井提速的手段較為多樣，各種鉆頭和工具及工藝層出不窮，鉆出的巖屑細(xì)小，甚至成為粉末狀已經(jīng)常態(tài)化。以前依靠鉆時(shí)的比較、巖屑的形狀、顏色的觀察等來識(shí)別巖性的方法，已經(jīng)存在明顯不足。現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)人員在識(shí)別巖性上也僅能借助于刻度放大鏡或顯微鏡，這對(duì)于砂、泥巖的觀察描述能起到一定作用，但是對(duì)于成分、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的火成巖作用不大。尤其當(dāng)巖屑細(xì)小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)基本不能識(shí)別，只能依靠鉆井取心或井壁取心等方法來落實(shí)巖性，增加了鉆井成本，延長(zhǎng)了鉆探周期。

3 X射線衍射礦物分析技術(shù)原理現(xiàn)狀

3.1 X射線衍射礦物分析技術(shù)原理

X射線激發(fā)樣品后，不同晶體產(chǎn)生不同的衍射效應(yīng)，任何結(jié)晶物質(zhì)因都有特定的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)，而獲得各自樣品的衍射譜圖，每一種礦物晶胞參數(shù)d值是唯一的(d值是描述晶體形狀與大小的參數(shù)，可根據(jù)衍射的角度計(jì)算)。將分析樣品晶胞參數(shù)d值與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)比對(duì)，就能檢測(cè)礦物[4]。

3.2 目前的應(yīng)用方向

目前國內(nèi)大部分油田均引進(jìn)了X射線衍射礦物分析技術(shù)，但大多數(shù)油田都用在沉積巖中砂、泥巖的巖性識(shí)別上。滕工生等[5]利用X射線衍射礦物分析技術(shù)建立了華北油田的砂、泥巖及碳酸鹽巖的巖性識(shí)別方法，取得了較好的應(yīng)用效果。付連明等[2]在準(zhǔn)噶爾盆地車排子油田火成巖的巖性識(shí)別上對(duì)X射線衍射礦物分析技術(shù)也有一定研究，但是限于X射線衍射礦物分析技術(shù)引進(jìn)初期解釋方法的不完備及研究手段的單一性，其劃分標(biāo)準(zhǔn)中也僅能從石英、斜長(zhǎng)石礦物含量區(qū)分，而對(duì)于火成巖中常見的角閃石、輝石、云母等副礦物成分則未進(jìn)行說明。總體上來看，因各個(gè)油田的巖性種類不同，各自的研究目的也不盡相同，現(xiàn)階段X射線衍射礦物分析技術(shù)仍然傾向于沉積巖的研究，僅有新疆油田用于火成巖的巖性識(shí)別研究。

4 巖性識(shí)別方法的研究與建立

4.1 基礎(chǔ)研究

巖心分析、薄片定名是建立巖性識(shí)別方法的基礎(chǔ)。研究收集并分析了1998年以來準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊30余口已鉆及正鉆井的石炭系巖心及巖屑樣品共計(jì)7 000余個(gè)(包)，對(duì)收集的巖屑樣品進(jìn)行鏡下薄片巖性定名，同時(shí)鏡下確定礦物種類，依據(jù)巖性進(jìn)行歸類(表1)，然后分類進(jìn)行礦物分析，確定不同巖性的礦物組成和含量并建立數(shù)據(jù)庫和衍射譜圖庫。依據(jù)礦物的組成種類、含量的區(qū)間范圍進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)合譜圖的形態(tài)等確定不同巖性火成巖的礦物含量。

4.2 巖性識(shí)別方法的建立

通過建立不同巖性火成巖的譜圖庫和礦物含量數(shù)據(jù)庫，依據(jù)巖性分類、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、人工區(qū)分、軟件計(jì)算等處理，初步形成了礦物含量數(shù)值識(shí)別、譜圖比對(duì)、三端元圖板等一系列巖性識(shí)別方法。

4.2.1 礦物含量數(shù)值識(shí)別法

不同巖性的火成巖其礦物組合和含量有所不同：以流紋巖為代表的酸性巖類，礦物成分特點(diǎn)是石英含量高，其石英含量是所有類型火成巖中最高的[6]；以玄武巖為代表的基性巖類，礦物成分以斜長(zhǎng)石和輝石為主，不含或含少量石英；以安山巖為代表的中性巖類，特點(diǎn)為礦物成分以長(zhǎng)石為主，石英含量中等，含有少量的輝石及云母。筆者以管守銳等[7]對(duì)巖漿巖的分類為理論依據(jù)，結(jié)合X射線衍射礦物分析的準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊火成巖的具體礦物種類及含量范圍的實(shí)際，建立了礦物含量數(shù)值識(shí)別常見火成巖的方法(表2)。

4.2.2 譜圖比對(duì)識(shí)別法

衍射譜圖反映衍射角度和衍射強(qiáng)度相同的巖性具有相同譜圖形態(tài)[8]。本研究以準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖巖心為標(biāo)準(zhǔn)，這類巖心均經(jīng)過鏡下薄片鑒定且證實(shí)未經(jīng)次生蝕變及風(fēng)化，對(duì)上述不同巖性的巖心進(jìn)行精細(xì)衍射分析(曝光次數(shù)均為200次以上)，獲得的衍射譜圖即認(rèn)定為腹部區(qū)塊常見火成巖標(biāo)準(zhǔn)譜圖(圖1-圖4)。利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖與未知樣品的譜圖進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行單井縱向上巖性的識(shí)別及區(qū)塊各井橫向上的巖性對(duì)比識(shí)別。

根據(jù)X射線衍射進(jìn)行礦物成分分析原理可知，任何礦物的特征峰衍射角度都是一定的，例如石英特征峰衍射角度為26.5°、長(zhǎng)石特征峰衍射角度為27.8°、輝石特征峰衍射角度為30.4°、角閃石特征峰衍射角度為10.4°、云母特征峰衍射角度為9.2°、磁鐵礦特征峰衍射角度為35.4°，所以各種礦物對(duì)應(yīng)譜圖橫坐標(biāo)的衍射特征峰的角度是不變的。但是，因?yàn)榈V物含量的不同造成了衍射譜圖縱坐標(biāo)衍射能量的較大變化。通過衍射譜圖的縱坐標(biāo)可以看出，不同火成巖的礦物衍射能量不同(表3)，也就使得不同巖性的譜圖形態(tài)出現(xiàn)差異變化，從而可以通過譜圖形態(tài)特征來達(dá)到識(shí)別不同巖性的目的。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊部分巖性定名及X射線衍射分析礦物含量

表2 準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖礦物含量 %

4.2.3 三端元圖板識(shí)別法

三端元圖板識(shí)別法是一種數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的方法。研究中以準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊不同火成巖的主、副礦物為坐標(biāo)極，對(duì)不同礦物的占比進(jìn)行了歸一化的數(shù)學(xué)計(jì)算處理，在參與計(jì)算的礦物選取中，考慮到黏土、沸石等礦物可能為火成巖次生蝕變或者原生孔隙被后期充填的產(chǎn)物，故以上兩類礦物不參與圖板計(jì)算。三端元識(shí)別圖板在建立過程中既參考了不同火成巖主、副礦物含量的差別，又依據(jù)火成巖酸、堿度的不同，確立了不同巖性的火成巖在圖板上的分區(qū)(圖5)。

圖1 M 001井井深4 697.00 m凝灰?guī)r標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖

圖2 M 8井井深4 134.00 m安山巖標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖

圖3 M 6井井深4 075.00 m流紋巖標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖

圖4 M 8井井深4 031.00 m玄武巖標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖

表3 常見火成巖譜圖衍射強(qiáng)度區(qū)間 CPS

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖識(shí)別三端元圖板

三端元圖板識(shí)別法以主、副礦物作為選取依據(jù)，形成了石英、長(zhǎng)石類、副礦物三個(gè)坐標(biāo)極，其中長(zhǎng)石類礦物主要為斜長(zhǎng)石(個(gè)別井也可見鉀長(zhǎng)石以及其他類型的長(zhǎng)石)，副礦物主要為云母、角閃石、輝石及磁鐵礦，其中酸性火成巖角閃石的含量極低甚至不含。通過圖板可以看出不同巖性的主、副礦物加權(quán)計(jì)算后在圖板上的分布區(qū)間(表4)。

表4 不同巖性主、副礦物含量在三端元圖板分布區(qū)間 %

5 應(yīng)用實(shí)例

利用X射線衍射礦物分析技術(shù)進(jìn)行常見火成巖巖性識(shí)別的研究成果先后在準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊的15口井得到了驗(yàn)證，經(jīng)過與原有識(shí)別手段進(jìn)行對(duì)比，常見火成巖現(xiàn)場(chǎng)巖性識(shí)別的準(zhǔn)確率由80%提高至85%，石炭系地層判準(zhǔn)率達(dá)到95%，應(yīng)用效果較好。

M 017井是準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊的一口評(píng)價(jià)井，目的層為石炭系。該井從井深4 250 m開始隨鉆進(jìn)行X射線衍射礦物分析，目的是輔助現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)卡準(zhǔn)石炭系層位、識(shí)別火成巖巖性，建立石炭系巖性剖面。隨鉆X射線衍射分析過程中依據(jù)石英、長(zhǎng)石及黏土礦物的變化，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巖屑實(shí)物資料判定該井于井深4 302 m進(jìn)入石炭系地層，二疊系與石炭系界面礦物變化特征明顯(圖6)。

同時(shí)結(jié)合火成巖主、副礦物含量的變化，并以黏土、沸石礦物含量為參考，確定井段4 302～4 376 m巖性以火山碎屑巖及火成巖為主，推斷該段存在石炭系風(fēng)化殼特征。

現(xiàn)場(chǎng)利用X射線衍射礦物分析技術(shù)通過礦物含量數(shù)值法、譜圖比對(duì)法及三端元圖板法等，確定了井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段礦物含量變化較為明顯的火成巖分別為安山巖、凝灰?guī)r、流紋巖及玄武巖(表5)，后續(xù)該井巖性定名均以該四段巖性為參考。為該井準(zhǔn)確卡取石炭系層位，順利鉆開目的層提供了技術(shù)支持。

在利用礦物含量數(shù)值法分析的基礎(chǔ)上，提取了M 017井這四段不同巖性的X射線衍射譜圖，并利用譜圖的形態(tài)與該區(qū)塊的標(biāo)準(zhǔn)巖性譜圖進(jìn)行對(duì)比，通過待解釋巖性譜圖與腹部區(qū)塊石炭系標(biāo)準(zhǔn)巖性譜圖進(jìn)行比對(duì)，基本可以確定其巖性(圖7-圖10)。

圖6 M 017井X射線衍射分析礦物含量圖

表5 M 017井火成巖段X射線衍射礦物含量及巖性定名

圖7 M 017井4 307 m X射線衍射譜圖(定名安山巖)

圖8 M 017井4 313.58 m X射線衍射譜圖(定名凝灰?guī)r)

圖9 M 017井4 353 m X射線衍射譜圖(定名流紋巖)

圖10 M 017井4 390.20 m X射線衍射譜圖(定名玄武巖)

為了更好地驗(yàn)證定名的準(zhǔn)確性，將M 017井井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段的礦物分析數(shù)據(jù)代入三端元圖板，經(jīng)過計(jì)算，四段巖性分別落入安山巖、凝灰?guī)r、流紋巖及玄武巖樣本點(diǎn)區(qū)(圖5)。最后將以上四段巖屑及巖心樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鏡下薄片鑒定，最終鑒定結(jié)果與X射線衍射礦物分析定名結(jié)果一致(表6)，驗(yàn)證了X射線衍射礦物分析巖性定名的可靠性。

表6 M 017井石炭系薄片觀察與X射線衍射礦物分析對(duì)比

6 結(jié)論及建議

(1)通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊巖心、巖屑X射線衍射礦物分析，收集薄片定名及相關(guān)資料，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了火成巖巖性識(shí)別方法，形成了X射線衍射復(fù)雜巖性識(shí)別技術(shù)體系，特別是準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖礦物含量數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖庫、火成巖巖性識(shí)別圖板的建立，為盆地火成巖現(xiàn)場(chǎng)巖性快速識(shí)別和石炭系層位的準(zhǔn)確卡取奠定了基礎(chǔ)。

(2)X射線衍射礦物分析技術(shù)在很大程度上解決了空氣鉆井、PDC鉆頭下巖屑礦物組成定量分析及定名的問題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方便快捷，實(shí)用性強(qiáng)。通過礦物含量數(shù)值識(shí)別、譜圖比對(duì)識(shí)別、三端元圖板識(shí)別等方法在準(zhǔn)噶爾盆地腹部區(qū)塊20余口井的應(yīng)用，及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)火成巖巖性進(jìn)行隨鉆定名，為巖屑剖面的建立、中完井深的卡取、鉆井工程的提速提供了必要的輔助手段。

(3)X射線衍射礦物分析技術(shù)進(jìn)行巖性定名基于巖石的礦物組成及含量，對(duì)于那些依據(jù)結(jié)構(gòu)定名及次生蝕變嚴(yán)重的火成巖則無法做到具體定名，只能劃分大類，比如石英斑巖、霏細(xì)斑巖、火山角礫巖以及蝕變安山巖等。但這類巖性可以在X射線衍射礦物分析的同時(shí)，用鏡下薄片定名加以校正，再劃分小區(qū)塊進(jìn)行總結(jié)分析及認(rèn)識(shí)，仍然可以提高X射線衍射礦物分析火成巖定名的準(zhǔn)確性。