基于敏感元素特征譜圖的巖性識(shí)別方法

夏良冰 趙彥澤 胡 云 王建立 苑仁國(guó) 闞留杰

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

0 引 言

在鉆井過(guò)程中，地層巖性識(shí)別是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的重要工作，及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別地層巖性是正確選擇施工參數(shù)、確保鉆井安全、提高油氣勘探效率的重要保證。隨著石油鉆井工藝技術(shù)的發(fā)展和油氣勘探開發(fā)難度的加大，由井底返出的巖屑十分細(xì)碎、混亂、復(fù)雜。常規(guī)巖性識(shí)別方法直接或借助簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器觀察巖屑組成成分，這種方法往往由于錄井人員經(jīng)驗(yàn)不同，對(duì)同一個(gè)巖屑樣品的巖石定名或特征描述差別較大，難以準(zhǔn)確描述地層巖性，甚至造成對(duì)地層巖性的誤判[1-4]。

元素錄井技術(shù)采用元素光譜分析方法，用X射線激發(fā)巖屑樣品，檢測(cè)樣品中化學(xué)元素的相對(duì)含量，通過(guò)元素組合特征分析識(shí)別巖性[5-8]。元素錄井技術(shù)的推廣應(yīng)用，給巖性識(shí)別增添了新的手段，但目前該技術(shù)的應(yīng)用研究還不夠深入，巖性解釋方法欠缺，因此尋找其規(guī)律性，建立有效的元素錄井技術(shù)解釋評(píng)價(jià)方法具有重要意義。

1 研究思路

通過(guò)對(duì)各類巖石典型樣品元素含量數(shù)據(jù)采集分析，可以了解其元素組成及分布規(guī)律，由于不同性質(zhì)的巖石其礦物組成不同，其中元素的含量也就不同，但由于地層巖性多樣，部分巖性之間的元素組成及含量的差異性較小，只有少數(shù)幾種元素含量差異性較大，可以將這些元素稱之為敏感元素，通過(guò)篩選和提取各類典型巖石的敏感元素，建立對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖，再通過(guò)被檢測(cè)樣品的元素特征與典型巖石標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖對(duì)比分析，即可實(shí)現(xiàn)判別巖性的目的。但由于巖性復(fù)雜多樣，元素種類繁多，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖種類多，依靠人為主觀進(jìn)行譜圖對(duì)比顯然是不科學(xué)的，且判斷準(zhǔn)確性難以保證[9-10]。因此在對(duì)研究區(qū)元素資料采集分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入線性回歸分析方法，實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)元素?cái)?shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的量化計(jì)算，以最大相關(guān)性為原則尋求最佳匹配結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)特征譜圖對(duì)比進(jìn)行巖性識(shí)別的目的。其分析流程如圖1所示。

圖1 巖性識(shí)別分析流程

2 方法的建立

2.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

將研究區(qū)塊已采集的同一地層單元不同巖性巖石的各元素含量進(jìn)行均值計(jì)算，建立區(qū)塊內(nèi)各層段的巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫(kù)。以渤中區(qū)塊東營(yíng)組為例，按照不同巖性分別對(duì)采集的17種元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，形成巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫(kù)(表1)。

表1 渤中區(qū)塊東營(yíng)組巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫(kù) %

2.2 敏感元素篩選

根據(jù)渤中區(qū)塊東營(yíng)組統(tǒng)計(jì)情況，該區(qū)主要包括泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、碳酸鹽巖、玄武巖及安山巖6種巖性。結(jié)合已有地質(zhì)錄井資料，選取元素交會(huì)分析法對(duì)該區(qū)東營(yíng)組各層段的巖石元素含量進(jìn)行交會(huì)分析，提取對(duì)巖性反映較為敏感的元素。通過(guò)對(duì)采集的17種元素兩兩交會(huì)建立圖板，可以得到136個(gè)交會(huì)對(duì)比圖。從交會(huì)對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn)Si、Fe、Al、Ca元素相對(duì)砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖具有較好的區(qū)分性，Si、Mg、Mn、K、Ca、Ti元素相對(duì)玄武巖、安山巖、碳酸鹽巖具有較好的區(qū)分性。這些元素對(duì)于該區(qū)東營(yíng)組的巖性具有較好的區(qū)分性，可以確定為該區(qū)的敏感元素(圖2)。

圖2 渤中區(qū)塊東營(yíng)組巖性元素交會(huì)圖

2.3 標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖的建立

根據(jù)研究區(qū)各地層單元篩選出的敏感元素，將每種巖性主要元素特征含量按出峰順序投入到坐標(biāo)系中，建立該區(qū)塊巖性元素特征含量標(biāo)準(zhǔn)譜圖。

以渤中區(qū)塊東營(yíng)組地層為例，對(duì)元素進(jìn)行兩兩交會(huì)，綜合分析后發(fā)現(xiàn)Mg、Si、Al、Fe、K、Ca、Mn、Ti八種元素對(duì)巖性識(shí)別較為敏感，之后建立該區(qū)塊東營(yíng)組地層巖性敏感元素特征含量標(biāo)準(zhǔn)譜圖，如圖3所示。

2.4 利用相關(guān)性分析判別巖性

采集在鉆井的元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，提取實(shí)測(cè)樣品的特征峰值數(shù)據(jù)，得到下列n組數(shù)據(jù):

(X1，Peak11)，(X2，Peak12)，…，(Xn，Peak1n)

式中：X1，X2，…,Xn為研究區(qū)篩選出的反映巖性特征的主要元素，例如Na、Mg、Al等；Peak11，Peak12，…，Peak1n為相應(yīng)元素的特征峰值數(shù)據(jù)。

然后在標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)中查找相應(yīng)的n組數(shù)據(jù):

(X1，Peak21)，(X2，Peak22)，…，(Xn，Peak2n)

式中：Peak21，Peak22，…，Peak2n為相應(yīng)元素在標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)中的特征峰值數(shù)據(jù)。

將X坐標(biāo)相同的兩個(gè)峰值相除，得到下列n組數(shù)據(jù):(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(Xn，Yn)。

從這n組數(shù)據(jù)來(lái)看，如果兩個(gè)譜圖完全相似，則坐標(biāo)連接成一條直線，可以判定兩個(gè)譜圖對(duì)應(yīng)相同的巖性；但是，實(shí)際情況不可能完全相同，因此要對(duì)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸處理，步驟如下：

最后用相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，相關(guān)系數(shù)反映了變量x和y之間的密切程度，用下式定義：

用實(shí)測(cè)樣品譜圖依次與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)比對(duì)，找出其中|r|值最大的譜圖，表明兩個(gè)譜圖最為相似，并以此譜圖對(duì)應(yīng)的巖性來(lái)判別實(shí)測(cè)樣品的巖性。

3 應(yīng)用效果

3.1 渤中A井巖性識(shí)別應(yīng)用實(shí)例

將渤中區(qū)塊A井東營(yíng)組2 705～2 740 m井段實(shí)鉆中元素錄井采集數(shù)據(jù)(表2)，與該區(qū)塊已建立的東營(yíng)組巖性敏感元素特征含量標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比(表1)。

表2 A井2 705～2 740 m井段特征元素含量

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖巖性相關(guān)系數(shù)計(jì)算(表3)，A井2 705～2 720 m井段的巖屑與泥巖標(biāo)準(zhǔn)譜圖相關(guān)系數(shù)最大，判斷為泥巖；2 720～2 725 m井段的巖屑與玄武巖標(biāo)準(zhǔn)譜圖相關(guān)系數(shù)最大，判斷為玄武巖；2 725～2 730 m井段的巖屑與泥質(zhì)砂巖標(biāo)準(zhǔn)譜圖相關(guān)系數(shù)最大，判斷為泥質(zhì)砂巖；2 730～2 740 m井段的巖屑與砂巖標(biāo)準(zhǔn)譜圖相關(guān)系數(shù)最大，判斷為砂巖。

表3 A井2 705～2 740 m井段巖性與標(biāo)準(zhǔn)譜圖巖性相關(guān)系數(shù)

2 700～2 740 m井段的電測(cè)資料、井壁取心資料、薄片鑒定分析結(jié)果都支持該段巖性的上述特征譜圖巖性識(shí)別解釋判斷結(jié)果，證實(shí)了該解釋評(píng)價(jià)方法的可靠性，如圖4所示。

圖4 A井2 700～2 740 m井段地質(zhì)綜合圖

3.2 渤海探區(qū)應(yīng)用情況

渤海探區(qū)2015-2017年有15口探井應(yīng)用元素錄井項(xiàng)目，主要應(yīng)用于深井勘探，針對(duì)復(fù)雜儲(chǔ)層識(shí)別、潛山界面卡取、潛山巖性識(shí)別等?；诿舾性靥卣髯V圖巖性解釋方法的應(yīng)用，取得了較好的效果，復(fù)雜巖性解釋符合率大于80%，潛山界面卡準(zhǔn)率100%(表4、表5)。

表4 復(fù)雜巖性解釋符合情況

表5 潛山界面卡取情況

4 結(jié) 論

采用基于敏感元素特征譜圖的巖性識(shí)別方法時(shí)，首先要建立研究區(qū)不同地層單元巖性與元素含量均值對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)。如果數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)較少，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中建立的巖性標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值與真實(shí)巖性誤差較大，因此在研究區(qū)選井盡量多，覆蓋范圍盡量廣；如果已鉆井?dāng)?shù)不能滿足需求，則不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行算數(shù)平均，需要利用均值-方差原理進(jìn)行數(shù)據(jù)校正，完成不同巖性-元素特征值的提取。其次要在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，利用元素交會(huì)分析法提取巖性敏感元素，建立研究區(qū)不同地層單元反映不同巖性的主要元素特征含量標(biāo)準(zhǔn)譜圖。最后通過(guò)線性回歸相關(guān)性分析，將研究區(qū)或鄰區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)元素含量譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對(duì)比，識(shí)別巖性判斷潛山地層。

以上分析及應(yīng)用效果表明，基于敏感元素特征譜圖的巖性識(shí)別方法，能實(shí)現(xiàn)地層巖性的定量化解釋識(shí)別，尤其對(duì)于復(fù)雜巖性更能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，具有較好的解釋符合率。利用該方法可為復(fù)雜巖性識(shí)別、潛山界面卡取提供判斷依據(jù)，為確保鉆井安全、提高油氣勘探效率提供重要保障。