元素錄井技術(shù)在渤中A區(qū)塊潛山界面卡取中的應(yīng)用

余 意 倪朋勃 王建立 陳 偉

(①中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司；②中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

渤中A區(qū)塊潛山上覆地層為沙一段的泥巖、灰質(zhì)泥巖、砂巖，沙三段砂礫巖。潛山地層為古生界海相碳酸鹽巖，巖性主要為白云巖、鮞粒灰?guī)r；部分區(qū)域元古界、古生界地層缺失，潛山巖性為太古界的花崗巖。該區(qū)塊識別潛山界面存在三大難點。

(1)由于沙一段存在灰質(zhì)泥巖，潛山巖性為白云巖，依靠傳統(tǒng)的滴鹽酸觀察氣泡的方法很難第一時間確定古生界潛山界面。

(2)太古界花崗巖頂部發(fā)育有風化殼，潛山風化殼與上覆砂礫巖在礦物成分上高度相似，經(jīng)PDC鉆頭破碎后更加難以區(qū)分。

(3)常規(guī)技術(shù)手段只能在鉆開潛山后才能對潛山進行識別，缺乏進山預(yù)警的能力。

元素錄井技術(shù)是基于X射線熒光分析的一項錄井技術(shù)，已在渤海油田得到成功的應(yīng)用[1-3]。在使用SPECTRO XEPOS Ⅲ型臺式X射線熒光分析儀對渤中A區(qū)塊已鉆5口探井的巖屑樣品進行分析后，發(fā)現(xiàn)K、Na、Fe等造巖元素以及Co、Cu、Ni等微量元素的含量在進山前后有明顯的變化。結(jié)合元素地球化學原理，對上述幾種元素的含量及變化趨勢進行分析，總結(jié)出適用于該區(qū)塊的“進山預(yù)警”方法與潛山界面識別方法。該區(qū)塊元素特征的研究對渤海油田其他區(qū)塊的元素錄井特征研究也具有一定的參考價值。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 進山模式

通過對該區(qū)塊地質(zhì)資料進行分析表明，進山模式分為以下4種(圖1)：(1)由沙一段泥巖進古生界白云巖潛山；(2)沙三段砂礫巖進入太古界花崗巖潛山；(3)沙三段砂巖進古生界白云巖潛山；(4)沙一段泥巖直接進入太古界花崗巖潛山。其中前兩種進山模式在該區(qū)塊探井中已經(jīng)出現(xiàn)過。

1.2 渤中A區(qū)塊地層及其巖性組合

地層自上而下分別為：新生界第四系，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營組、沙河街組，下古生界奧陶系馬家溝組、亮甲山組、冶里組和寒武系鳳山組、長山組、崮山組、張夏組、徐莊組、毛莊組、饅頭組及府君山組，太古界地層?？撋缴婕暗降牡貙佑泄沤瞪澈咏纸M沙一段、沙三段，中奧陶系馬家溝組，下奧陶系亮甲山組、冶里組，上寒武系鳳山組以及太古界(表1)。

表1 渤中A區(qū)塊地層及巖性組合

2 不同進山模式的潛山界面識別方法

2.1 古生界白云巖潛山界面識別方法

沙一段灰質(zhì)泥巖進古生界白云巖是渤中A區(qū)塊最常見的兩種進山模式之一。這種進山模式在礦物含量以及元素絕對值上呈現(xiàn)“遞變”特征，沙一段灰質(zhì)泥巖的存在使得Ca元素含量同樣在曲線上呈現(xiàn)“遞變”特征，是難以劃分出潛山界面的原因。僅依靠碳酸鹽測定以及Ca、Mg元素含量不能滿足渤中A區(qū)塊古生界潛山界面識別要求。

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)對比研究，得出了元素絕對含量與巖性之間的關(guān)系。將Si、Fe、Al三種元素作為碎屑巖的特征元素，Ca、Mg作為碳酸鹽巖的特征元素。通過SPSS統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)它們之間存在線性關(guān)系：

Ca+Mg=33.98-0.843(Si+Al+Fe)

上述關(guān)系由4口井數(shù)據(jù)取平均得來，r2介于0.920～0.991之間(圖2)。4口井的“元素-巖性散點圖”顯示：Ca+Mg含量17.285%～19.843%為臨界值，超過這個范圍就進入了古生界白云巖地層。在現(xiàn)場錄井過程中，當Ca+Mg含量開始上升且百分含量接近17%時就要考慮進山的可能性。該方法不需要進行復雜的數(shù)據(jù)處理，適用于現(xiàn)場錄井。

圖2 渤中A區(qū)塊碎屑巖-碳酸鹽巖元素含量關(guān)系

2.2 太古界花崗巖潛山界面識別方法

根據(jù)已有的研究結(jié)果，潛山風化殼元素地球特征表現(xiàn)為不活動元素Al、Fe、Si的相對富集以及堿金屬和堿土金屬元素Ca、Na、K、Mg的流失[4-6]。沙三段砂礫巖與太古界花崗巖頂部的風化殼所含Si、K、Na元素與上覆沙三段砂礫巖呈遞變關(guān)系，沒有元素含量突變點可供確定潛山界面。沙三段砂礫巖進太古界花崗巖潛山是卡潛山的一大難點。

鉀長石抗風化程度弱于鈉長石，因此砂礫巖、風化殼以及花崗巖中鉀長石、鈉長石含量的比值存在顯著差異[7-8]。在統(tǒng)計了BZA-3井沙河街組以及太古界樣品后發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)沙一段泥巖K、Na元素含量之和小于3%并且K/Na值大于1。

(2)沙三段砂礫巖K、Na元素含量之和大于3%并且K/Na值小于1。

(3)太古界砂巖K、Na元素含量之和大于沙三段砂礫巖并且K/Na值大于1.13。

將K、Na之和以及K、Na比值繪制成圖板可以發(fā)現(xiàn)，不同地層的巖屑樣品測量結(jié)果落在不同的區(qū)域(圖3)。因此在錄井過程中，使用此圖板可以快速區(qū)分出沙河街組砂礫巖和太古界潛山風化殼的砂巖。

圖3 沙河街組與太古界元素圖板

2.3 其他類型潛山界面識別方法

前文已經(jīng)討論過渤中A區(qū)塊存在的兩種進山模式，根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析，渤中A區(qū)塊還可能存在沙三段砂巖進入古生界白云巖潛山以及沙一段泥巖進入太古界花崗巖潛山的可能。這兩種進山模式在元素錄井上會存在元素突變的特征。

沙三段以砂礫巖為主，元素特征是高Si、低Ca、低Mg，古生界巖性為白云巖，元素特征為低Si、高Ca、高Mg。由沙三段進入古生界后Si元素會出現(xiàn)下降，同時Ca、Mg元素突然升高。沙一段巖性為灰質(zhì)泥巖，太古界風化殼巖性為砂礫巖，太古界本體巖性為花崗巖。由沙一段進入太古界則會出現(xiàn)Si元素升高，F(xiàn)e、Mg元素含量下降的情況。

3 微量元素含量在潛山界面卡取中的應(yīng)用

3.1 劃分潛山界面

通過對渤中A區(qū)塊沙河街組砂巖、泥巖，古生界白云巖、鮞粒灰?guī)r中微量元素平均含量的分析，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律(表2)：

(1)在沙河街組泥巖、砂巖中Co、Ni、Cu、Zn、Zr含量遠高于古生界白云巖，其中：沙河街組Co元素平均值是潛山地層的2.24～7.42倍，沙河街組Ni元素是潛山地層的1.87～52.72倍，沙河街組Cu元素是潛山地層的2.83～45.92倍，沙河街組Zn元素是潛山地層的2.61～3.33倍，沙河街組Zr元素是潛山地層的3.70～16.52倍。

(2)受陸源碎屑影響，沙一段白云巖、灰?guī)r中微量元素含量也比古生界白云巖、灰?guī)r含量高，Cu、Zn等微量元素可以作為識別白云巖是來自古生界還是來自沙一段的依據(jù)，這一點在現(xiàn)場卡古生界潛山過程中會起到關(guān)鍵作用。

鑒于沙河街組Co、Ni、Cu、Zn、Zr等微量元素含量遠高于古生界、太古界，可以嘗試選取其中含量變化顯著的微量元素作為劃分潛山界面的依據(jù)。

3.2 進山預(yù)警

根據(jù)元素地球化學特征，可以將它們劃分為以下幾類[9]：易遷移元素、遷移元素、弱遷移元素、不遷移元素(表3)。

根據(jù)張朝生等[10]的研究,不同巖性的金屬元素含量有著明顯的區(qū)別，碎屑巖中金屬微量元素含量要遠遠高于碳酸鹽巖?？梢詫o、Ni、Cu、Zn、Zr等元素作為碎屑巖與碳酸鹽巖的區(qū)別標志。Co、Ni、Cu、Zn、Zr等元素的地球化學特征決定了含量變化會早于Si、Al、Fe等砂泥巖造巖元素。研究易遷移元素與遷移元素變化趨勢可以更早發(fā)現(xiàn)進山征兆，實現(xiàn)“進山預(yù)警”。在潛山頂部地層發(fā)育的“微量元素富集帶”也可以作為一個標志層指導現(xiàn)場卡潛山工作。

表2 渤中A區(qū)塊沙河街組與古生界微量元素含量 10-6

表3 元素遷移能力

4 渤中A區(qū)塊潛山界面預(yù)警分析

4.1 古生界潛山界面識別特征及“進山預(yù)警元素”

BZA-1井是渤中A區(qū)塊的一口探井，由沙一段灰質(zhì)泥巖進入古生界白云巖，是典型的第一種進山模式。該區(qū)塊沙一段巖性為灰質(zhì)泥巖，方解石、白云石含量在進山前漸變式增加，很難找到潛山界面。Ca、Mg元素含量曲線和碳酸鹽含量曲線在趨勢上是一致的，同樣很難找到潛山界面。Si、Fe、Al三種元素在方解石及白云石中不存在，進入潛山后出現(xiàn)“斷崖式”下跌，可以作為劃分潛山標志層的特征元素。以BZA-1井為例，測井曲線顯示井深2 976 m進入潛山，Ca、Mg元素含量以及方解石、白云石含量曲線自井深2 960 m以后呈“臺階狀、漸變式”增加，含量逐漸上升難以作為進入潛山的標志。Si、Fe、Al三種元素在井深2 935 m進入沙一段后一直比較平穩(wěn)，在井深2 975 m時出現(xiàn)“斷崖式”下跌，可以作為進潛山標志元素(圖4)。

Co、Ni、Cu、Zn、Zr元素在進入潛山之前在2 945～2 960 m井段出現(xiàn)最高值并相繼出現(xiàn)下降趨勢，微量元素含量變化比Ca、Mg元素變化提前了5～15 m，比Si、Fe、Al元素變化提前了15～25 m(為現(xiàn)場工作人員爭取了10～30 min的決策時間)。這表明Co、Ni、Cu、Zn、Zr元素在進山預(yù)警上更具優(yōu)勢。

圖4 BZA-1井元素錄井圖

4.2 太古界潛山界面識別特征及“進山預(yù)警元素”

花崗巖潛山往往都存在風化殼，風化殼和上覆砂礫巖礦物組成一致，在元素含量變化上呈遞變關(guān)系，難以準確識別太古界潛山界面。根據(jù)前文的研究結(jié)論引入K/Na這個參數(shù)來輔助判斷。BZA-3井沙三段砂礫巖K/Na值為0.843～1.019，太古界花崗巖K/Na值為1.099～1.699，可以將K/Na值的升高作為渤中A構(gòu)造進山識別特征。以BZA-3井為例(圖5)，從單個元素含量變化很難確定出地層界面。從沙三段進入太古界，K/Na處于上升趨勢，將K/Na大于1.13作為判斷進山標準可以發(fā)現(xiàn)潛山界面位于3 075～3 080 m井段之間，該結(jié)論與電測曲線劃分出的潛山界面是一致的。

圖5 BZA-3井Na、K元素及微量元素圖

BZA-3井在距離潛山頂界面10 m處有一段Fe、Mn元素相對富集的巖性可以作為“微量元素標志層”。

5 結(jié) 論

結(jié)合渤中A區(qū)塊地層特點，利用巖性-礦物-元素之間的關(guān)系，總結(jié)出了不同進山模式下識別潛山界面的方法：

(1)采用(Ca+Mg)與(Si+Fe+Al)相對變化關(guān)系來識別古生界潛山界面以及使用K/Na值來識別太古界潛山界面。

(2)Co、Ni、Cu、Zn、Zr等微量元素進山前變化遠遠早于常規(guī)造巖元素，可以為現(xiàn)場卡潛山爭取更長的預(yù)警時間。

(3)得到了碎屑巖-碳酸鹽巖元素含量圖板，可以用于對沙河街組灰質(zhì)泥巖與古生界的石灰?guī)r、白云巖進行區(qū)分。

近年來渤海油田目的層位于潛山的深井越來越多。潛山地層巖性復雜而且缺乏可靠的鄰井資料，加強元素錄井資料的研究對卡準潛山有重要的意義。渤中A區(qū)塊潛山類型多樣，該區(qū)塊元素特征的研究結(jié)論和研究方法對渤海油田其他區(qū)塊的元素錄井特征研究也有著一定的參考價值。