吉木薩爾凹陷蘆草溝組混積巖元素特征及水平井導(dǎo)向控制點技術(shù)

印森林，李弘林，許長福，郭海平，程樂利，吳有鑫

1.長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北 荊州 430023 2.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100 3.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000

MOUNT首次提出“混合沉積物”的概念后[1]，楊朝青在20世紀(jì)90年代提出了“混積巖”的概念并總結(jié)了混積巖的6個特點[2]?；旆e巖巖性混合復(fù)雜，命名方案多樣[2-10]，目前未取得統(tǒng)一認(rèn)識。混積巖巖性分類和沉積機理等相關(guān)基礎(chǔ)理論研究剛剛開始[11-16]。隨著混積細粒頁巖油氣勘探開發(fā)的不斷突破，特別是頁巖油成為全球非常規(guī)油氣勘探開發(fā)的重要領(lǐng)域，美國先后發(fā)現(xiàn)巴肯(Bakken)、鷹灘(EagleFord)、尤蒂卡(Utica)等主要頁巖油產(chǎn)層，顯示了良好的勘探開發(fā)前景。中國頁巖油分布范圍廣、類型多，截至2013年底，在準(zhǔn)噶爾盆地二疊系、鄂爾多斯盆地延長組和松遼盆地青山口組發(fā)現(xiàn)多個億噸級儲量規(guī)模區(qū)[17]。

近年來勘探發(fā)現(xiàn)的準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組為一套典型混積巖儲層，包含陸源碎屑粉砂巖、細砂巖、泥巖，碳酸鹽巖的泥晶白云巖、微晶白云巖、砂質(zhì)白云巖和生物灰?guī)r等巖性，其頁巖油的評價開發(fā)成為了關(guān)注的熱點[18-21]。截止目前，多口井試油獲得工業(yè)油流，取得重大突破。最新資源評價表明，研究區(qū)頁巖油技術(shù)可采資源約0.91×108t，油氣資源豐度最大可達14.0m3/m2，平均油氣資源豐度為1.7m3/m2[18-21]。然而，對研究區(qū)前期10口水平井統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，Ⅰ類“甜點”的鉆遇率在60%～93%之間，平均僅在77.2%(效益開發(fā)的鉆遇率約為95.0%)(見圖1(a))，且Ⅰ類“甜點”油層鉆遇率僅為22.9%[22]，產(chǎn)能效果不理想。分析表明，最大程度地追求水平段優(yōu)質(zhì)甜點(Ⅰ類“甜點”)鉆遇率是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵(見圖1(b))。因此，如何通過鉆井現(xiàn)場快速識別混積巖巖性，以保證水平井軌跡在目的層中穿行(即Ⅰ類“甜點”的高鉆遇率)成為目前生產(chǎn)上面臨的巨大難題[23-26]。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組水平井Ⅰ類“甜點”鉆遇率及其與日產(chǎn)油量關(guān)系圖Fig.1 The relationship between the sweet point drilling rate of class I of horizontal well and daily oil production of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

目前，針對混積巖巖性的復(fù)雜性，學(xué)者們采用了更加精密的儀器開展巖性識別研究，發(fā)現(xiàn)X射線熒光(XRF)對于分析復(fù)雜、特殊的巖性識別效果顯著[23]。然而，元素特征如何作為導(dǎo)向控制點及其成因解釋上還存在較大不足，迫切需要一套利用XRF元素錄井技術(shù)對巖性快速識別的方法來輔助判斷井軌跡和關(guān)鍵靶點位置。為此，筆者針對準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組混積巖，以XRF元素錄井技術(shù)為主，X射線衍射(XRD)和薄片分析等技術(shù)為輔，通過對元素特征進行分析，建立了研究區(qū)水平井導(dǎo)向的關(guān)鍵控制點。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組標(biāo)準(zhǔn)井綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive bar chart of standard well of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

2 研究方法

1)現(xiàn)場全井段巖心掃描數(shù)據(jù)取樣。利用S1-TITAN便攜式手持XRF分析儀對研究區(qū)吉174井目的層160m取心井段以0.1m間隔點掃描，并記錄每點深度值，獲取了1564個XRF元素點資料。

2)XRF元素數(shù)據(jù)曲線處理。對XRF元素數(shù)據(jù)進行去除異常值、誤差校正及深度歸位，把元素曲線與測井曲線歸位匹配好。

3)巖性特征分析及導(dǎo)向控制點建立。以取心井巖心分析化驗數(shù)據(jù)(鑄體薄片、XRD分析、掃描電鏡和核磁共振試驗數(shù)據(jù))為基礎(chǔ)，確定研究區(qū)主要巖石類別特征并定義巖性；再利用元素之間的關(guān)系開展巖性特征分析并建立巖性識別圖版。

4)水平井導(dǎo)向控制點確立。分析“甜點”層巖性及元素特征，確定“甜點”層的元素特征和水平井導(dǎo)向關(guān)鍵控制點，輔助水平井地質(zhì)導(dǎo)向工作。

5)水平井導(dǎo)向?qū)嵗治?。以研究區(qū)實鉆水平井為例，分析驗證元素巖性識別和導(dǎo)向控制點在水平井地質(zhì)導(dǎo)向中的應(yīng)用效果。

3 XRF元素錄井特征

3.1 不同巖性的元素特征

研究區(qū)目的層巖石類型豐富多樣，主要為陸源碎屑和碳酸鹽礦物的頻繁互層的混合沉積物。主要礦物為石英、斜長石、鉀長石、黏土礦物、方解石和白云石等，元素包含Si、Al、K、Ca、Mg、S、P、Fe、Mn等。其中，除w(Si)較高(多數(shù)超過50%)外，w(K)、w(Al)、w(Ca)、w(Mg)多數(shù)小于20%(見表1)。導(dǎo)致常規(guī)的巖性定名方法在工區(qū)適應(yīng)性不強，若不借助分析化驗手段，鉆井現(xiàn)場肉眼幾乎無法快速判斷巖性。根據(jù)XRF元素錄井及巖心鑄體薄片數(shù)據(jù)，研究區(qū)6類主要巖性的礦物特征及元素特征如下：

1)長石巖屑砂巖。是“甜點”層主要儲集巖性類型，其典型礦物長石的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43.5%；石英平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)28.2%；白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10%。從元素特征來看，w(Mg)、w(Ca)較低；w(K)在3%～5%之間，平均3.7%，是重要的元素標(biāo)志特征；w(Al)在15%～25%之間，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.9%；w(Si)在60%～75%之間，平均68.1%(見表1，圖3(a)、(b))。

2)粉細砂巖。主要礦物為石英，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達47.7%；長石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)30.5%；白云石和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于10%。從元素特征來看，w(K)、w(Mg)、w(Ca)低；w(Si)極高，可達75%；w(Al)平均13.2%(見表1，圖3(c)、(d)，)。

3)云質(zhì)砂巖。為陸源碎屑巖與碳酸鹽巖過渡巖石類型。其白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增高，相應(yīng)的w(Mg)、w(Ca)增高(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.3%、11.6%)，w(K)、w(Al)、w(Si)等較低(見表1，圖3(e)、(f))。

4)砂質(zhì)白云巖。為碳酸鹽巖與陸源碎屑巖過渡巖石類型，白云石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達29.8%，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%～30%之間，長石平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)32.5%。從元素特征來看，w(Mg)平均12.8%，w(K)、w(Al)、w(Si)等均較低(見表1，圖3(g)、(h))。

5)泥晶白云巖。主要由碳酸鹽巖類白云石組成，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.7%；陸源碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)少，石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于20%。從元素特征來看，w(Si)小于50%，w(Mg)大于15%(見表1，圖3(i)、(j))。

6)泥巖。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，大于20%，長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～35%之間，平均31.1%，而石英、白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)則偏低。從元素特征來看，w(Mg)、w(Ca)較低，w(K)、w(Al)、w(Si)較高(見表1，圖3(k)、(l))。

表1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組6類巖性的礦物和元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Six types of lithological minerals and element mass fractions of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

圖3 吉木薩爾凹陷蘆草溝組6類巖性的巖心及鑄體薄片F(xiàn)ig.3 Core and cast thin sections of six lithologies of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

3.2 巖性解釋模型建立

在上述6類主要巖性的礦物及元素分析和標(biāo)定的基礎(chǔ)上，為了隨鉆現(xiàn)場能夠開展巖性快速識別，需要建立以不同元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會的巖性解釋模型，輔助開展地質(zhì)導(dǎo)向工作。通過巖心、鑄體薄片和XRD標(biāo)定6類主要巖性，然后開展6類巖性與各種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會，再通過對多個交會圖進行分析，優(yōu)選出相關(guān)性和區(qū)分度最好的交會圖作為巖性解釋模型。

對w(Si)-w(Mg)、w(Al)-w(Mg)、w(Mg)-w(Ca)和w(K)-w(Mg)交會圖(見圖4)分析發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)礦物所含的Si、Al、K、Ca、Mg等主要元素中，K元素主要來自于陸源碎屑的長石之中，其用于區(qū)分陸源碎屑類巖性效果較好，而Mg元素與碳酸鹽巖類白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的對應(yīng)關(guān)系較好，因此代表陸源碎屑組分的K元素與代表碳酸鹽巖組分的Mg元素交會區(qū)分6類巖性的效果最好(見圖4(d))；而Al元素主要來自于陸源碎屑的長石和黏土礦物，與礦物對應(yīng)關(guān)系不明顯，w(Si)變化很大，Ca元素在陸源碎屑膠結(jié)物與碳酸鹽巖中共同存在，用于區(qū)分巖性可靠性較差。通過w(K)-w(Mg)交會圖可以識別研究區(qū)的6類主要巖性，進一步研究發(fā)現(xiàn)，長石巖屑砂巖、云質(zhì)砂巖、砂質(zhì)白云巖、粉細砂巖屬于含油氣儲層巖性類，泥巖、泥晶白云巖屬于非儲層巖性類。

圖4 吉木薩爾凹陷蘆草溝組基于元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)交會的巖性解釋模型Fig.4 Lithological interpretation model based on element mass fraction intersection of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

4 導(dǎo)向控制點及其特征

研究區(qū)“甜點”層厚度薄(0.5～2m)，對于確定隨鉆水平井軌跡存在較大難度。利用已有完鉆井測井資料或直接看巖心、巖屑資料都很難直接區(qū)分該套混積巖的巖性，現(xiàn)場迫切需要建立水平井導(dǎo)向控制點以幫助精確預(yù)測和調(diào)整水平井鉆井軌跡?；诖?，筆者對研究區(qū)典型井進行了巖性的系統(tǒng)解釋與處理，利用XRF技術(shù)開展了研究區(qū)元素錄井特征分析。研究發(fā)現(xiàn)，不同導(dǎo)向控制點的元素特征明顯，其對應(yīng)不同的巖性特征，研究區(qū)6個水平井導(dǎo)向控制點的元素特征如表2所示。

表2 吉木薩爾凹陷蘆草溝組水平井導(dǎo)向控制點元素特征Table 2 Element characteristics of horizontal well geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

1)1#導(dǎo)向控制點及其特征。1#導(dǎo)向控制點是水平井進入上“甜點”層前的重要參考導(dǎo)向點(見圖2)，根據(jù)元素曲線特征發(fā)現(xiàn)，具有高的w(Si)、w(P)，低的w(Ca)、w(Mg)的特點，主要為一套生物化石(魚化石)質(zhì)量分?jǐn)?shù)很高的粉砂質(zhì)泥巖沉積(見圖5(a)、(b))，含油氣級別顯示為油斑級別。綜合分析發(fā)現(xiàn)，因其主要為陸源碎屑巖，因此代表陸源碎屑巖的w(Si)較高，達72.2%，而代表碳酸鹽巖的w(Ca)、w(Mg)則非常低，分別為8.2%、1.7%。同時，因其含有生物化石，w(P)較高，為2.5%，是一個明顯的識別標(biāo)志層點。

圖5 吉木薩爾凹陷蘆草溝組導(dǎo)向控制點薄片特征Fig.5 Slice characteristics of geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

圖6 吉木薩爾凹陷蘆草溝組導(dǎo)向控制點XRD礦物分布特征Fig. 6 XRD mineral distribution characteristics of geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

2)2#導(dǎo)向控制點及其特征。2#導(dǎo)向控制點是水平井進入上“甜點”層后的重要參考導(dǎo)向點(見圖2)，根據(jù)元素曲線特征發(fā)現(xiàn)，具有極高的w(K)、w(Si)、w(Al)，低w(Ca)、w(Mg)的特點，主要為一套長石巖屑砂巖(含鉀長石)(見圖5(c))，含油氣顯示為熒光級別。綜合分析發(fā)現(xiàn)，因其主要為陸源碎屑巖，故代表陸源碎屑巖的w(Si)非常高，可達70.6%，代表碳酸鹽巖的w(Ca)、w(Mg)則非常低，分別為1.5%、1.2%。同時，因其含鉀長石，其w(K)較高，達4.1%，為一個比較明顯的識別標(biāo)志層。通過XRD礦物分析也可以較好地區(qū)別出來，其斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(見圖6(a))，遠遠高于其他層位。

3)3#導(dǎo)向控制點及其特征。3#導(dǎo)向控制點是水平井出上“甜點”層后的重要參考導(dǎo)向點(見圖2)，根據(jù)元素曲線特征發(fā)現(xiàn)，具有高w(K)、w(Si)、w(Al)，極高w(Fe)，低w(Ca)的特點，主要為一套粉砂巖(見圖5(d))，含油氣顯示為油浸級別。綜合分析發(fā)現(xiàn)，因其主要為陸源碎屑巖，因此代表陸源碎屑巖的w(Si)較高，達66.14%，代表碳酸鹽巖的wCa)、w(Mg)則非常低，分別為4.4%、3.84%。同時，因其含有鉀長石，其w(K)較高，為3.05%，是一個比較明顯的識別標(biāo)志層。通過XRD礦物分析也可以較好地區(qū)別出來，其斜長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(見圖6(b))，遠遠高于其他層位。

4)4#導(dǎo)向控制點及其特征。4#導(dǎo)向控制點是開發(fā)上“甜點”層的重要參考導(dǎo)向點(見圖2)，根據(jù)元素曲線特征發(fā)現(xiàn)，具有高w(Ca)、w(Mg)，低w(Si)、w(Al)的特點，主要為一套白云巖，含油氣級別顯示為油斑級別。綜合分析發(fā)現(xiàn)，因其主要為碳酸鹽巖，代表碳酸鹽巖的w(Ca)、w(Mg)非常高，分別為24.49%、12.25%。

5)5#和6#導(dǎo)向控制點，因其不在開發(fā)的主力層段附近，因此不作為該次研究的重點。

5 應(yīng)用實例

圖7 吉木薩爾凹陷蘆草溝組實鉆井水平段導(dǎo)向控制點軌跡分析(JHW00a井)Fig.7 Trajectory analysis of geosteering control points in horizontal section of actual drilling of Lucaogou Formation in Jimsar Sag (well JHW00a)

4)從2938～3162.0m回調(diào)階段與上面構(gòu)成完整的對稱曲線(棕色箭頭線)(A5、A6點)，兩次鉆遇4#導(dǎo)向控制點(見圖7(a)、(b))。

綜上所述，通過XRF元素錄井技術(shù)分析其元素特征(見圖8)，可以對水平井鉆遇元素特征進行分析，進而通過元素交會圖版對其鉆遇巖性進行快速識別，以輔助生產(chǎn)水平井的高效地質(zhì)導(dǎo)向。

圖8 吉木薩爾凹陷蘆草溝組實鉆井XRF元素錄井分析Fig.8 XRF element logging analysis for actual drilling of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

6 結(jié)論

1)基于巖性分類及標(biāo)定結(jié)果，建立了基于XRF元素錄井的交會圖版來解釋混積巖巖性。6種典型混積巖巖性可以利用代表碳酸鹽巖的w(Mg)與代表陸源碎屑的w(K)交會圖版區(qū)分。

2)基于XRF密集取樣形成的連續(xù)曲線數(shù)據(jù)，總結(jié)了研究區(qū)1#～6#導(dǎo)向控制點的元素特征，特別對1#～4#導(dǎo)向控制點的元素及礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征進行了詳細描述，為水平井地質(zhì)導(dǎo)向奠定了良好的基礎(chǔ)。

3)通過實鉆井的XRF元素錄井，結(jié)合基于元素交會的巖性解釋圖版，可以快速巖性識別，明確鉆井的軌跡位置，對水平井準(zhǔn)確命中靶點及井軌跡調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義。