元素錄井在頁巖油水平井開發(fā)中的應(yīng)用
----以吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組為例

高 陽, 郭海平, 程樂利, 許長福, 張 方, 印森林, 彭壽昌, 李映艷

(1.中國石油新疆油田分公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油新疆油田分公司 吉慶油田作業(yè)區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000；3.長江大學(xué) 錄井技術(shù)與工程研究院，湖北 荊州 434023；4.中國石油新疆油田分公司 準(zhǔn)東采油廠，新疆 阜康 831511)

頁巖油氣作為非常規(guī)油氣資源重要類型之一，已成為油氣增儲上產(chǎn)的“重點領(lǐng)域”與“亮點類型”[1]。在頁巖油開發(fā)評價過程中，水平井+壓裂的開發(fā)模式是近年來頁巖油開發(fā)取得成功的關(guān)鍵方法[2]；而開發(fā)井水平段的“甜點”鉆遇率和分段壓裂方案的優(yōu)化設(shè)計，一直是困擾頁巖油開發(fā)效果的重要問題。

頁巖油氣儲層的“甜點”分布十分復(fù)雜，橫向連續(xù)性差、縱向單層厚度薄[3-4]，且?guī)r性復(fù)雜多樣，多為碎屑沉積和化學(xué)沉積的過渡性巖類，常規(guī)的測錄井手段難以較好地識別“甜點層”[5-10]。氣測和鉆時曲線特征不明顯、地層對比難，在鉆進(jìn)過程中實施導(dǎo)向難度大[11-13]。目前在水平井鉆進(jìn)過程中，國內(nèi)主要采用綜合錄井+MWD等技術(shù)進(jìn)行隨鉆地質(zhì)導(dǎo)向[2]。作為實驗室技術(shù)引入到鉆探現(xiàn)場的典型代表，元素錄井技術(shù)可視為巖屑錄井的延伸，已被廣泛應(yīng)用于水平井地質(zhì)導(dǎo)向中。經(jīng)實踐證實，元素錄井技術(shù)在巖性識別方面可有效避免資料多解性，且具有實時性和時效性強的特點[14]，可解決無測井資料情況下的巖性識別問題[15]，有效提升頁巖氣[16]、礁灘體[17]等復(fù)雜勘探對象[18-19]的地質(zhì)導(dǎo)向成功率。

地層脆性指數(shù)的分布是分段壓裂方案優(yōu)化的主要依據(jù)，目前最可靠的地層脆性指數(shù)評價是聲波法，即通過泊松比、彈性模量等巖石力學(xué)參數(shù)的綜合分析計算巖石脆性指數(shù)[20]。該方法精度較高，但依賴陣列聲波或偶極聲波測井資料[21]，有著成本高的缺點。通過巖石礦物組分來計算巖石脆性指數(shù)是脆性評價的另一種主要方法，特別是高采樣精度的元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，用于計算脆性指數(shù)有著天然的優(yōu)勢。元素分析資料是巖石礦物組分的直接響應(yīng)[22]，其脆性指數(shù)計算結(jié)果與ECS測井解釋結(jié)果對應(yīng)良好[23]，在頁巖氣勘探中已得到了成功的應(yīng)用[24-25]。而使用元素錄井技術(shù)對頁巖油儲層進(jìn)行脆性評價尚未見報道。

針對上述問題，本文以準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層為例，在巖屑錄井資料基礎(chǔ)上，結(jié)合XRF技術(shù)，對元素錄井技術(shù)在頁巖油水平井開發(fā)中的應(yīng)用前景進(jìn)行研究。

1 研究區(qū)概況

吉木薩爾凹陷位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部，在下石炭統(tǒng)褶皺基底上覆蓋了一套自二疊系至第四系的沉積地層[3-4]。目的層二疊系蘆草溝組沉積期為快速穩(wěn)定裂陷階段，沉積物主要為富含有機質(zhì)的淤泥或粉砂質(zhì)淤泥；該時期沉降速率大于沉積速率，形成了一套陸源碎屑物質(zhì)、碳酸鹽組分和少量火山碎屑混積的復(fù)雜巖類[3-10]；沉積水體較深且分層結(jié)構(gòu)明顯，為深湖-半深湖環(huán)境下的一套混積巖[3-5]；礦物的成分包括石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、赤鐵礦、黃鐵礦、菱鐵礦、方沸石、濁沸石以及黏土礦物等多種礦物類型，構(gòu)成了復(fù)雜的混積巖[6,9-10]。通過對研究區(qū)重點井(J174)的高精度XRF掃描(采樣間距≤0.12 m)，蘆草溝組中主要以Si、Ca、Al、Mg、K、Mn、Fe、P為主，其相對含量(本文均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)w)依次遞減(圖1)。

2 基于元素錄井技術(shù)的巖性分類

2.1 混積巖的巖性分類方案

利用元素錄井進(jìn)行巖性解釋的本質(zhì)是，利用元素錄井手段獲取巖石的地球化學(xué)性質(zhì)在元素分析儀器上的相應(yīng)特征，將不同元素相應(yīng)特征與相應(yīng)的礦物種類相結(jié)合，最終分析地層巖石的巖性特征[26-27]。巖性分類的正確與否，直接決定了解釋方案的應(yīng)用效果。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組的元素含量分布直方圖Fig.1 Histogram of element distribution of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

蘆草溝組巖性以細(xì)粒級粉細(xì)砂巖和薄層碳酸鹽巖為主，且多為二者之間的過渡性巖類，在巖心上常見二者呈互層狀，縱向上的巖性變化復(fù)雜[5-10]。吉木薩爾頁巖油作為國內(nèi)近年來的勘探熱點，吸引了大量學(xué)者參與這一地區(qū)的研究工作，對于蘆草溝組的巖性劃分提出了多種方案(表1)。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組巖性劃分方案Table 1 Lithology division scheme of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

考慮到蘆草溝組巖性的發(fā)育特征、成因類型、巖性對物性的控制作用以及現(xiàn)場分類方案的可操作性，本文采用匡立春等[6]的分類方案，將其主要巖性分為6種：泥巖類、長石巖屑粉細(xì)砂巖類(基本不含碳酸鹽礦物)、云質(zhì)/鈣質(zhì)粉細(xì)砂巖類(合稱粉細(xì)砂巖)、云屑砂巖類、砂屑云巖類、泥晶/微晶云巖類(合稱云巖)。

2.2 XRF巖性識別方法

結(jié)合XRF資料的數(shù)據(jù)特點，總結(jié)了如下3種方法。

2.2.1 圖譜法

蘆草溝組中的主要巖性為細(xì)粒級粉細(xì)砂巖和薄層碳酸鹽巖及其過渡巖類。結(jié)合前述的混積分類方案，Si、Al、K元素可代表陸源碎屑含量，而Ca、Mg、Mn元素可代表碳酸鹽礦物含量。通過觀察Si、K、Al、Ca、Mg、Mn這6種元素的含量變化圖譜，可以大致判斷巖性(圖2)。

長石巖屑砂巖的元素含量圖譜特點為：極低的Ca、Mg、Fe元素值，Si值較高，Al、K值極高。即基本不含碳酸鹽礦物，陸源碎屑組分極為發(fā)育。Si值較高和Al、K值極高，說明陸源碎屑組分中長石含量較高，這與長石巖屑砂巖較好的物性相一致。

粉細(xì)砂巖的元素含量圖譜特點為：Ca、Mg值較低，Si值極高，K、Al值極低。Si值極高和K、Al值極低，說明陸源碎屑組分中以石英為主，長石含量少，與粉細(xì)砂巖的物性較差相匹配。

泥巖的元素含量圖譜特點為：K、Al、Ca、Fe值較高，Mg、Si值較低。

白云巖的元素含量圖譜特點為：K、Al、Si值極低，而Mg、Ca值高。說明陸源碎屑組分極少，以碳酸鹽礦物為主。

云屑砂巖的元素含量圖譜特點為：Mg、Ca值較高，而Si、Al、K值較低。元素分布特征說明陸源碎屑與碳酸鹽礦物共存。

砂屑云巖的元素含量圖譜特點與云屑砂巖類似，但前者的Si值含量較后者要低，而Ca、Mg值更高，說明前者的碳酸鹽礦物含量較陸源碎屑要高，而后者以陸源碎屑含量占優(yōu)。

圖譜法的優(yōu)點在于能夠快速直接地凸顯新元素的出現(xiàn)，在巖性突變面的卡層過程中[2,18-19]可以第一時間為現(xiàn)場地質(zhì)人員提供預(yù)警；但該方法在以過渡巖類為主的混積巖中的應(yīng)用效果不佳。其缺點在于，一些主元素(如Si、Ca)的含量在圖譜特征上的變化并不明顯，難以通過肉眼直接判斷，較為依賴主觀經(jīng)驗得到分析結(jié)論。

2.2.2 數(shù)值法

通過對J174井蘆草溝組取心段精細(xì)巖心描述成果的整理，統(tǒng)計得到了6種巖性的主元素含量(表2)。6種主要巖性的兩類元素組合變化趨勢為：從上往下，代表陸源碎屑組分的元素(Si、K、Al)含量依次升高，而碳酸鹽礦物組分的元素(Ca、Mg、Fe)依次降低。

在實際應(yīng)用中，數(shù)值法比圖譜法更為準(zhǔn)確。如果通過鉆前精細(xì)地層對比，掌握了目的層的巖性-元素變化特征，在實際鉆進(jìn)過程中結(jié)合元素錄井和巖屑描述數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以較為準(zhǔn)確地進(jìn)行地層卡層和巖性定名。但該方法對于樣本代表性要求較高，要求在元素分析之前進(jìn)行精細(xì)挑樣，對于巖性變化簡單的厚層的識別效果好；而對于過渡巖類頻繁薄互層發(fā)育的混積巖，元素數(shù)值變化并不明顯[27]。

2.2.3 曲線法

曲線法在應(yīng)用時綜合了元素數(shù)值和曲線變化的信息，是元素錄井解釋最常用的方法[16-17]。由于巖屑在井底隨泥漿返回地面過程中受較多的客觀環(huán)境影響，如井眼規(guī)則性等，地質(zhì)人員得到的巖屑是正鉆地層及其上一定深度地層的混合樣，因此利用巖屑分析得到的元素含量數(shù)據(jù)實質(zhì)上是一系列的平滑曲線，其曲線形態(tài)仍然保留了地層變化的關(guān)鍵信息。具體做法為，在鉆遇薄層巖層時，以目標(biāo)曲線的突變點為頂界，以下一突變點為底界；在鉆遇厚層巖層時，頂界仍為曲線突變點，而底界則為曲線的趨勢拐點[27]。

圖2 蘆草溝組不同巖性圖譜特征Fig.2 Characteristics of different lithology graphs of Lucaogou Formation

表2 蘆草溝組6種巖性的主元素含量(w/%)Table 2 Major element content of six types of lithologies from Lucaogou Formation

對混積巖而言，通過對比分析陸源碎屑含量曲線(Si、Al、K)和碳酸鹽含量曲線(Ca、Mg、Mn)的變化，可以快速便捷地進(jìn)行巖性定名。本次采樣獲得的J174井蘆草溝組高精度元素分布曲線，可以為混合樣條件下的XRF曲線分析提供標(biāo)準(zhǔn)的對比依據(jù)(圖3)。

3 地層對比及關(guān)鍵層位特征

通過對吉木薩爾凹陷蘆草溝組的地層特征、巖性特征、測井響應(yīng)特征、地震資料、地球化學(xué)資料等綜合分析，劃分出9個標(biāo)志層，其中上“甜點”體標(biāo)志層5個，下“甜點”體標(biāo)志層4個(表3)。

將蘆草溝組第一段第一層(P2l11)分為3個小層，分別為P2l11-1、P2l11-2、P2l11-3，總厚度為56 m，巖性主要為灰色泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖。將蘆草溝組一段第二層(P2l12)分為P2l12-0、P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6、P2l12-7共8個小層，其中P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6再各自細(xì)分為2個次小層，分別為P2l12-1a、P2l12-1b、P2l12-2a、P2l12-2b、P2l12-3a、P2l12-3b、P2l12-4a、P2l12-4b、P2l12-5a、P2l12-5b、P2l12-6a、P2l12-6b(表3)。P2l12-0厚2.35 m，巖性為灰色白云質(zhì)粉砂巖；P2l12-1a厚3.05 m，巖性主要為灰色白云質(zhì)粉砂巖；P2l12-1b厚1.86 m，巖性主要是灰色細(xì)晶白云巖和泥巖；P2l12-2a厚6.74 m，主要是灰色白云質(zhì)砂巖和灰色白云質(zhì)粉細(xì)砂巖；P2l12-2b厚5.75 m，自下而上巖性依次為泥巖、灰色白云質(zhì)粉細(xì)砂巖、細(xì)砂巖；P2l12-3a厚4.05 m，灰色白云質(zhì)粉細(xì)砂巖與泥巖互層；P2l12-3b厚4.71 m，底部為灰質(zhì)泥巖，上部為灰色白云質(zhì)粉細(xì)砂巖；P2l12-4a厚2.49 m，巖性為泥巖；P2l12-4b厚5.55 m，巖性為灰色粉砂質(zhì)白云巖；P2l12-5a厚5.45 m，巖性為灰色粉砂質(zhì)白云巖；P2l12-5b厚4.56 m，巖性為灰色粉砂質(zhì)泥巖；P2l12-6a厚9.49 m，巖性為灰色泥巖；P2l12-6b厚7.8 m，底部為泥巖，上部為白云質(zhì)粉細(xì)砂巖夾灰質(zhì)泥巖；P2l12-7厚34.36 m，巖性為泥巖夾灰色細(xì)晶白云巖和灰色粉晶白云巖。

以上述標(biāo)志層在空間上的分布為框架，結(jié)合等時地層對比模式，依據(jù)沉積旋回對全區(qū)進(jìn)行了精細(xì)地層對比。最終以閉合的三維地層對比結(jié)果為精細(xì)地層框架，為實鉆中的地質(zhì)導(dǎo)向提供了參考依據(jù)。

4 應(yīng)用實例

4.1 水平井導(dǎo)向應(yīng)用實例

目前蘆草溝組頁巖油開發(fā)的主要對象為P2l12-2a小層，其主要巖性為長石巖屑粉細(xì)砂巖(圖4)，該小層的元素含量曲線特點表現(xiàn)為高K、Si、Al和低Ca、Mg、P。向上鉆出該層的元素含量曲線特點主要為低K、Si、Al和高Ca、Mg、P，而向下鉆出該層的元素含量曲線特點主要為低K、Si、Al和高Ca、Mg、P。鉆出該層的元素含量曲線區(qū)別主要為P元素，即K、Si、Al含量降低和Ca、Mg元素升高即為出層，而P元素不變?yōu)樯洗┏鰧樱?P元素升高為下穿出層。

圖3 元素含量隨巖性變化及巖層厚度變化示意圖Fig.3 Diagram of element content change with lithology and thickness of rock layer

圖4 蘆草溝組上“甜點”元素導(dǎo)向示意圖Fig.4 Schematic diagram of dessert element orientation for the Lucaogou Formation

A井為研究區(qū)的已經(jīng)完鉆的水平井，目的層為蘆草溝組上“甜點”P2l12-2a小層，相當(dāng)于J174井 3 267～3 274 m油層井段，厚度7 m。設(shè)計a、b、c靶點垂直深度分別為 2 650.00 m、3 030.00 m、3 090.00 m，a-b、b-c靶點之間的水平位移分別為352.80 m、1 639.10 m，要求水平段在目的層頂界以下2～4 m按穩(wěn)斜角89°鉆進(jìn)。在水平段 3 578.00～3 614.00 m深度鉆到目的層，元素含量曲線表現(xiàn)為K、Si、Al元素降低和Ca、Mg、P元素同時升高(圖5)，判斷為向下出層。后經(jīng)完鉆后的井-震對比證實，該處發(fā)育一條小規(guī)模逆斷層，在該處地層抬高，造成地層缺失。

4.2 脆性評價應(yīng)用實例

研究區(qū)測井資料脆性評價的統(tǒng)計結(jié)果顯示[21]，砂屑云巖、云屑砂巖、微晶云巖的整體脆性較好，而泥晶云巖和長石巖屑砂巖的脆性中等，炭質(zhì)泥巖和泥巖的脆性最差。對比上述巖類及蘆草溝組的主要礦物類型，可以發(fā)現(xiàn)碳酸鹽礦物為巖石的主要脆性礦物。據(jù)此，以研究程度較高的J174井為對象，在XRD錄井資料中提取碳酸鹽礦物指數(shù)，在XRF錄井資料中提取碳酸鹽元素指數(shù)，分別計算了該井的脆性指數(shù)分布。計算結(jié)果顯示(圖6)， XRD脆性指數(shù)由于數(shù)據(jù)密度過小的原因，匹配效果不佳；而XRF脆性指數(shù)與測井脆性指數(shù)的總體變化趨勢基本相同，證明利用高精度的元素錄井資料進(jìn)行頁巖油脆性評價的方法效果良好。

圖5 A井水平段導(dǎo)向效果圖Fig.5 Guide effect of horizontal section of Well A

5 結(jié) 論

a. 從混積巖的巖石學(xué)特征出發(fā)，將蘆草溝組劃分為6大類巖性，利用XRF資料提出了利用圖譜法、數(shù)值法和曲線法來輔助隨鉆巖性分層定名。結(jié)合精細(xì)地層對比資料，總結(jié)了蘆草溝組主要標(biāo)志層的元素響應(yīng)特征，并以此為地質(zhì)導(dǎo)向的輔助判別手段，在實際鉆進(jìn)過程中效果良好。

b. 在基于脆性礦物分布的地層脆性評價中，高精度的元素錄井資料可以實現(xiàn)與ECS測井資料相當(dāng)?shù)脑u價效果，但在實時性和經(jīng)濟(jì)性方面更具優(yōu)勢。

c. 實現(xiàn)元素錄井資料指導(dǎo)地質(zhì)導(dǎo)向和地層脆性評價，關(guān)鍵點在于元素錄井資料的高精度采樣分析，體現(xiàn)了在地質(zhì)錄井工作中進(jìn)一步發(fā)掘已有資料的價值，也契合了現(xiàn)有油氣勘探行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益追求。