XRF元素錄井技術在鄂爾多斯盆地西緣烏拉力克組頁巖儲層識別評價中的應用

劉有武 楊春龍 曾志勇 孟繁濤 張培鑫

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

近年來隨著天然氣在能源結構中占比不斷加大，頁巖氣逐漸成為國內重要的天然氣來源，并且進入了勘探開發(fā)的黃金階段[1]。隨著四川盆地及周緣奧陶系五峰組-志留系龍馬溪組頁巖氣勘探開發(fā)的成功[1-2]，全國多地掀起了勘探開發(fā)海相頁巖儲層的熱潮。鄂爾多斯盆地海相頁巖氣勘探仍處于持續(xù)探索階段，主要針對盆地西部地區(qū)中奧陶統(tǒng)烏拉力克組泥頁巖層[3]。由于下古生界奧陶系出露層位不同，筆者通過查閱相關文獻發(fā)現(xiàn)，目前國內學者對鄂爾多斯盆地西緣石炭系下伏奧陶系地層出露規(guī)律未能形成統(tǒng)一的認識[4-5]，導致鉆井現(xiàn)場常規(guī)錄井手段很難準確劃分下古生界拉什仲組、烏拉力克組層位。烏拉力克組頁巖儲層屬于非常規(guī)儲層，現(xiàn)場地化錄井技術只能完成烴源巖有機質豐度的分析和評價，而脆性和孔隙度等儲層物性參數(shù)往往依靠完井、測井來獲取，現(xiàn)場缺乏行之有效的脆性、孔隙度評價手段，導致鉆井現(xiàn)場烏拉力克組優(yōu)質頁巖儲層識別及隨鉆儲層評價工作未能及時開展，影響了整體的鉆探效果。

針對以上技術難題，通過XRF元素錄井選取Si、Al、Mg、Ca特征元素進行曲線組合交會，結合特征元素比值、生物硅區(qū)別和劃分拉什仲組和烏拉力克組，實現(xiàn)準確卡取烏拉力克組底部優(yōu)質頁巖儲層的功能；運用XRF元素錄井技術中的生物硅(SiO2生物)、頁巖脆性指數(shù)(BI)、有機質豐度指數(shù)(OI)3項參數(shù)結合創(chuàng)建烏拉力克組頁巖儲層元素評價標準。本研究解決了烏拉力克組層位劃分及其底部優(yōu)質頁巖儲層識別和隨鉆儲層評價難題，可以為鉆探工區(qū)目的層精準卡取、鉆探優(yōu)質儲層提供更多的參考依據，對工區(qū)中奧陶統(tǒng)烏拉力克組海相頁巖儲層鉆探開發(fā)工作能起到很好的輔助作用。

1 地質背景

中-晚奧陶世時期，全球海平面大幅上升，鄂爾多斯盆地西部地區(qū)克里摩里期到烏拉力克期是一個海平面持續(xù)上升的過程，在烏拉力克早期發(fā)生快速海侵，出現(xiàn)了奧陶紀最大海泛事件；同時烏拉力克期為構造活躍期，盆地東部抬升，西部地區(qū)發(fā)生明顯的差異沉降[5]；古地理及構造運動同時作用在盆地天環(huán)坳陷及西緣沖斷帶，形成一個由東至西水體逐漸加深的鑲邊陸緣海沉積環(huán)境，發(fā)育深水斜坡相-廣海陸棚相-盆地相沉積體系。前人研究表明[6]，烏拉力克組優(yōu)質頁巖主要在鄂爾多斯盆地西緣中北段深水斜坡的低洼帶較發(fā)育(圖1)。晚奧陶世在加里東構造運動影響下，鄂爾多斯盆地西部古隆起大幅抬升，導致前石炭紀及部分地區(qū)的晚奧陶世地層遭受強烈的剝蝕[7]。復雜的古地理環(huán)境、構造運動、地質作用背景導致鄂爾多斯盆地西部普遍存在烏拉力克組上覆地層不固定、烏拉力克組厚度差異較大的異?，F(xiàn)象。

圖1 鄂爾多斯盆地西緣中北段烏拉力克期巖相古地理圖

2 研究方法

2.1 樣品分析及數(shù)據處理

本次研究選取位于鄂爾多斯盆地西緣天環(huán)坳陷中北段的A、B、C、D共4口井作為研究井，在研究井北偏東及南面低洼帶各選一口井(E井、F井)作為應用效果驗證井。樣品均為現(xiàn)場撈取的巖屑樣，巖屑撈取及烘干執(zhí)行Q/SY 01128-2020《錄井資料采集處理解釋規(guī)范》；XRF元素錄井設備的安裝、校驗以及樣品的制作和分析執(zhí)行Q/SY 1862-2016《元素錄井技術規(guī)范》。樣品分析間距為1點/m，每個樣品分析34種元素，包括Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe共14種主元素和20種微量元素。根據XRF元素錄井技術分析所得元素及礦物相對百分含量，對巖性進行定名解釋[8]。

2.2 研究思路及方法

首先，根據完井后測井自然伽馬及深感應、中感應電阻率對元素數(shù)據進行深度校正，繪制以羊虎溝組頂煤拉平對齊的XRF元素錄井技術多井對比(圖2)。通過對比圖查找4口研究井中拉什仲組與烏拉力克組各層位元素特征及變化規(guī)律，篩選出SiO2、Al2O3、MgO、CaO共4種特征成分，并對其進行曲線組合和數(shù)據相比處理。為了更加準確地識別烏拉力克組優(yōu)質儲層并進行隨鉆儲層評價，本研究選取與頁巖儲層評價密切相關的生物硅(SiO2生物)、頁巖脆性指數(shù)(BI)和有機質豐度指數(shù)(OI)作為綜合評判指標。

圖2 XRF元素錄井技術多井對比及隨鉆儲層評價

海相頁巖中包含4類石英即陸源碎屑石英、生物遺骸轉化形成的自生石英、黏土礦物轉化形成的陸源石英次生加大部分石英、黏土礦物轉化形成的納米級石英顆粒[9]。前人研究表明，石英總量與頁巖脆性和孔隙度呈正相關，而4類石英中的生物石英含量與有機碳含量呈正相關，因此生物石英含量越高說明頁巖儲層綜合物性越好。頁巖儲層研究中將高于正常陸源碎屑成因的SiO2含量稱為生物硅(SiO2生物)，也稱之為過量硅，其計算公式如下[10]：

SiO2生物=SiO2樣品-(SiO2/Al2O3)背景×Al2O3樣品

式中:SiO2生物為XRF元素錄井技術計算所得生物硅相對百分含量，%；SiO2樣品為實測樣品的SiO2相對百分含量，%；(SiO2/Al2O3)背景為陸源碎屑沉積形成的頁巖中SiO2和Al2O3之比，本研究采用頁巖中二者平均比值3.11；Al2O3樣品為實測樣品的Al2O3相對百分含量，%。

脆性是影響地層可壓裂性的重要因素，是評價工程甜點的重要指標[11]。在前人提出的利用元素成分評價海相頁巖脆性方法[12]的基礎上，本研究運用XRF元素錄井技術反演所得礦物含量，通過礦物組分法建立烏拉力克組頁巖脆性指數(shù)(BI)計算方法。

式中:W石英、W方解石、W白云石、W黏土分別為XRF元素錄井技術反演計算得到的石英、方解石、白云石、黏土礦物相對百分含量，%。需要注意的是，本研究只對頁巖儲層進行脆性評價，因此當W方解石與W白云石之和超過50%即主巖性為碳酸鹽巖時，公式不進行脆性指數(shù)計算，此時BI默認為0。

有機質豐度指數(shù)(OI)與頁巖中有機質豐度呈正相關關系，而有機質豐度又與油氣的產出有著密切的聯(lián)系[13]。本研究使用的有機質豐度指數(shù)公式為：

OI=SO3/Al2O3

式中: SO3、Al2O3為樣品實測巖石化學百分含量，%。

頁巖儲層評價方法步驟：(1)將歸位后的數(shù)據按上列各式分別處理得到對應的生物硅、頁巖脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)；(2)與測井解釋結論進行對比，確定各類儲層對應評判指標的參數(shù)范圍；(3)綜合生物硅、頁巖脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)3項參數(shù)指標，建立烏拉力克組XRF元素錄井技術頁巖儲層評價標準。

3 烏拉力克組層位卡取方法及頁巖評價標準

3.1 巖石化學特征規(guī)律總結實現(xiàn)層位準確卡取

本次研究選取鄂爾多斯盆地西緣深水斜坡低洼帶的A、B、C、D共4口井進行烏拉力克組上下層位劃分及優(yōu)質頁巖儲層識別和隨鉆儲層評價展示。首先是層位劃分，通過XRF元素錄井技術多井對比及隨鉆儲層評價圖(圖2)可以得出：拉什仲組中CaO/MgO曲線整體上比烏拉力克組要高一個臺階；SiO2在烏拉力克組底部有逐步上升趨勢，SiO2與Al2O3曲線組合在烏拉力克組中下部開始出現(xiàn)分異且越接近烏拉力克組底分異程度呈現(xiàn)越大的趨勢；同時SiO2生物在進入烏拉力克組中下部后也出現(xiàn)明顯上升，并在烏拉力克組底部達到最大值?，F(xiàn)分別對A、B、C、D 4口井的拉什仲組、烏拉力克組、克里摩里組3個層位巖石化學百分含量及比值進行統(tǒng)計，結果如表1。

表1 研究井部分層位巖石化學特征數(shù)據平均值統(tǒng)計

通過表1可以得出以下規(guī)律：

(1)4口研究井中B井和C井拉什仲組研究數(shù)據缺失，A井與D井拉什仲組SiO2平均含量變化范圍為46.76%～48.50%，4口井烏拉力克組SiO2平均含量變化范圍為57.12%～65.67%，克里摩里組SiO2含量變化范圍為14.95%～32.34%，3個層位中烏拉力克組的SiO2平均含量最高。

(2)A井與D井拉什仲組Al2O3含量變化范圍為11.35%～12.34%，4口研究井烏拉力克組Al2O3平均含量變化范圍為11.76%～13.66%，克里摩里組Al2O3含量變化范圍為2.55%～4.11%，3個層位中拉什仲組和烏拉力克組的Al2O3含量相當，均為克里摩里組Al2O3含量的3～5倍。

(3)A井與D井拉什仲組CaO/MgO比值變化范圍為6.79%～7.49%，4口研究井烏拉力克組CaO/MgO比值變化范圍為2.45%～4.19%，克里摩里組的CaO/MgO比值變化范圍為11.60%～88.28%，3個層位中烏拉力克組的CaO/MgO比值最小，克里摩里組CaO/MgO比值呈現(xiàn)異常高值。

(4)A井與D井拉什仲組SiO2生物平均含量9.65%～9.90%，4口井烏拉力克組SiO2生物含量變化范圍為16.07%～23.20%，克里摩里組SiO2生物含量變化范圍為0.44%～8.28%，3個層位中拉什仲組的SiO2生物較低、波動范圍較小，烏拉力克組的SiO2生物最高，克里摩里組的SiO2生物變化范圍較大，其含量的變化與層位中泥頁巖的發(fā)育程度相關。

總結以上4點規(guī)律可以得出以下結論：拉什仲組具有中高SiO2、Al2O3、CaO/MgO，低SiO2生物特征；烏拉力克組具有高SiO2、高SiO2生物，低CaO/MgO特征；克里摩里組具有高CaO/MgO，低Al2O3特征。再結合多井XRF元素錄井技術對比圖(圖2)可以看出:拉什仲組的CaO/MgO曲線整體要比烏拉力克組高一個臺階，在拉什仲組中CaO/MgO曲線基本有兩個大的隆起，拉什仲組以最后一個CaO/MgO曲線隆起下降點作為底界，而克里摩里組CaO/MgO曲線呈現(xiàn)異常高值現(xiàn)象；SiO2與Al2O3曲線組合在烏拉力克組中下部開始出現(xiàn)交會充填；SiO2生物在烏拉力克組中下部開始出現(xiàn)逐漸抬升趨勢，在烏拉力克組底部位置SiO2生物達到最高值。依據以上規(guī)律,XRF元素錄井技術在現(xiàn)場可以準確劃分拉什仲組、烏拉力克組、克里摩里組層位，并能實現(xiàn)準確卡取烏拉力克組底部優(yōu)質頁巖儲層。

3.2 烏拉力克組頁巖儲層的識別與評價

接下來利用4口研究井展示烏拉力克組頁巖儲層識別及隨鉆儲層評價技術。首先，分別計算出A、B、C、D井對應的生物硅、頁巖脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)。先由A井測井解釋結論中的氣層查找對應層段各儲層評價指標數(shù)值范圍，再根據其余3口研究井(B、C、D井)對評判指標范圍進行修正。同樣的方法，由A井測井解釋結論為干層、含氣水層的層段查找各儲層評價指標的范圍，再根據其他研究井進行范圍修正。最終得到XRF元素錄井技術烏拉力克組頁巖儲層評價標準(表2)。評價標準將烏拉力克組頁巖儲層分為好和差兩類。當生物硅、頁巖脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)同時滿足好儲層標準時儲層級別為好；當生物硅、頁巖脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)同時滿足差儲層標準時儲層級別為差；當生物硅、脆性指數(shù)、有機質豐度指數(shù)任何一個指標低于差儲層的下限時為非儲層。

表2 XRF元素錄井技術烏拉力克組頁巖儲層評價標準

將研究井烏拉力克組頁巖儲層評價結果與測井解釋結論進行對比(圖2)，可以看出：A井中XRF元素錄井技術儲層評價為好儲層的位置與測井解釋結論為氣層位置基本吻合，XRF元素錄井技術儲層評價為差儲層的井段基本上涵蓋了測井解釋結論為干層位置；B井烏拉力克組頁巖測井解釋結論以干層為主，XRF元素錄井技術儲層評價都為差儲層；C井測井解釋結論為致密層和含氣水層，XRF元素錄井技術儲層評價以差儲層為主，在底部解釋了兩套薄的好儲層；D井測井解釋結論以水層和干層為主，本井XRF元素錄井技術儲層評價指標未達到評級要求，XRF元素錄井技術儲層評價解釋為非儲層。通過4口研究井XRF元素錄井技術儲層評價結論與測井解釋結論對比可以得出：烏拉力克組頁巖XRF元素錄井技術儲層評價結論基本與測井解釋結論相吻合。

4 應用效果驗證

為了驗證本研究內容的普遍適用性，從研究井工區(qū)南、北兩個深水斜坡低洼帶各選取一口井(E、F井)來驗證XRF元素錄井技術對烏拉力克組層位卡取及頁巖儲層識別和隨鉆儲層評價功能。

4.1 層位卡取方法驗證

通過驗證井層位巖石化學特征統(tǒng)計表(表3)及驗證井XRF元素錄井技術多井對比圖(圖3)可以看出，兩口驗證井的層位巖石化學特征規(guī)律基本與研究井規(guī)律相符。具體巖石化學特征表現(xiàn)如下：

表3 驗證井部分層位巖石化學特征數(shù)據平均值統(tǒng)計

(1)兩口驗證井中拉什仲組CaO/MgO曲線整體上要比烏拉力克組要高一個臺階，拉什仲組中發(fā)育兩套中厚層灰?guī)r層，對應CaO/MgO曲線呈兩個山峰狀凸起，拉什仲組以第二個CaO/MgO峰值結束為底界。

(2)烏拉力克組SiO2、SiO2生物均為3個層位中最高者，SiO2生物、Al2O3與SiO2交會面積從層位的中下部位置開始逐步上升，在靠近烏拉力克組底部時皆達到最大值。

(3)進入克里摩里組后SiO2、Al2O3、SiO2生物均呈斷崖式下降，而CaO/MgO表現(xiàn)異常高值的特征。

依據以上巖石化學特征，鉆探現(xiàn)場準確劃分了拉什仲組、烏拉力克組、克里摩里組3個層位，助力鉆井現(xiàn)場順利完成烏拉力克組高硅頁巖段的鉆井取心任務。

4.2 隨鉆頁巖儲層識別及評價方法驗證

在鉆進過程中對驗證井E井和F井烏拉力克組按照XRF元素錄井技術烏拉力克組頁巖儲層評價標準進行隨鉆儲層評價(圖3)。通過與最終測井解釋結論對比可以得出：E井的測井解釋結論為干層、水層、含氣水層，XRF元素錄井技術隨鉆儲層評價均為差儲層，證明本套儲層品質較差，在F井烏拉力克組底部位置測井解釋一套厚14.8 m的氣層，對應層段XRF元素錄井共解釋7層，其中差儲層5層厚7 m，好儲層2層厚5 m(表4)。通過兩口驗證井烏拉力克組XRF元素錄井技術頁巖儲層隨鉆評價結論與測井解釋結論對比效果可以證實：測井解釋結論為含氣水層或氣層的儲層XRF元素錄井技術也都有隨鉆評價，證明XRF元素錄井技術隨鉆評價對優(yōu)質儲層的識別率為100%；由于二者采用的評判指標和方法不同，解釋的層段厚度及儲層品級略有差異，整體上烏拉力克組XRF元素錄井技術隨鉆儲層評價結論要比測井解釋結論更加精細(圖3)，完全能夠滿足現(xiàn)場隨鉆儲層識別及評價的要求。

圖3 驗證井XRF元素錄井技術多井對比

表4 驗證井測井解釋與XRF元素錄井技術儲層評價結果對比

5 結 論

XRF元素錄井技術在鄂爾多斯盆地西緣烏拉力克組的研究成果可以在鉆井現(xiàn)場發(fā)揮以下作用：

(1)準確劃分拉什仲組、烏拉力克組、克里摩里組層位界面。

(2)完成對烏拉力克組底部優(yōu)質頁巖的準確識別和層位卡取任務。

(3)具備對烏拉力克組優(yōu)質頁巖儲層進行隨鉆評價的功能。

隨著XRF元素錄井技術在鄂爾多斯盆地西緣烏拉力克組的深入研究和廣泛應用，其在烏拉力克組海相頁巖勘探和開發(fā)中發(fā)揮的作用也越來越明顯，不但可以減少勘探井不必要的取心，縮短工期，提質增效，同時也能為勘探井頁巖儲層的評價及完井壓裂選層提供更多參考依據，甚至可以為將來開展烏拉力克組頁巖水平井鉆井施工提高優(yōu)質儲層鉆遇率提供強有力的技術支撐。