元素錄井分析在復(fù)雜構(gòu)造帶超深鉆井地層識(shí)別的應(yīng)用
——以準(zhǔn)噶爾南緣中段上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)為例

古榕， 朱銳*， 袁波， 冀冬生， 王澤宇

(1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院， 武漢 430100; 2.中國(guó)石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院地球物理研究所， 烏魯木齊 830013)

地層的元素富集和遷移受到沉積時(shí)期環(huán)境的影響，因此元素的地球化學(xué)特征能從一定程度上反映和判斷沉積時(shí)的地質(zhì)環(huán)境。元素錄井是一種新的錄井技術(shù)，其以X射線熒光分析、地球化學(xué)為理論基礎(chǔ)，用X射線熒光光譜儀獲取巖心、巖屑的元素含量，該分析技術(shù)于2007年引入鉆井地質(zhì)行業(yè)[1-3]。前人通過(guò)元素含量及其比值分析沉積環(huán)境特點(diǎn)、物源特征和巖性類型[4-11]。隨著鉆井技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)場(chǎng)采用聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact bit，PDC)鉆頭進(jìn)行鉆井，導(dǎo)致巖屑很小且破碎，傳統(tǒng)的錄井巖屑識(shí)別工作量煩瑣，人為因素影響大，元素錄井可以識(shí)別粉末狀巖屑的巖性及地層。在構(gòu)造復(fù)雜、地層較深的地區(qū)，巖性識(shí)別、地層判別困難，元素錄井能運(yùn)用元素測(cè)量對(duì)巖性和地層進(jìn)行定量識(shí)別。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造分布圖[12]Fig.1 Tectonic distribution map of Junggar Basin[12]

準(zhǔn)噶爾盆地南緣是典型的前陸盆地，深層構(gòu)造逆沖推覆于淺層斷層之上[12]?？碧竭^(guò)程中對(duì)南緣中段新生界劃分上油氣成藏組合(新近系、第四系)、中油氣成藏組合(上白堊統(tǒng)、古近系)以及下油氣成藏組合(侏羅系、下白堊統(tǒng))[13]，下組合是現(xiàn)今石油勘探的重點(diǎn)層段，然而巖性識(shí)別的元素定量標(biāo)準(zhǔn)未建立，且地層埋藏深度大，地震反射特征比較模糊，位于山前沖斷帶，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，地層識(shí)別較為困難。

針對(duì)上述問(wèn)題，現(xiàn)選取準(zhǔn)噶爾南緣中段呼探1井(HT1)、樂(lè)探1井(HT1)和天安1井(TA1)為研究對(duì)象，該3口井鉆遇超深層下組合地層，完鉆深度均大于6 800 m。對(duì)井的巖屑進(jìn)行取樣，采用元素錄井方法獲取627個(gè)巖屑樣品的元素含量，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析為準(zhǔn)噶爾南緣的巖性和地層認(rèn)識(shí)提供一套元素?cái)?shù)值判別標(biāo)準(zhǔn)。元素定量判別標(biāo)準(zhǔn)加快巖性判別速度，減少人為因素的影響，能夠建立標(biāo)志層的定量元素含量標(biāo)志，以期為復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)巖性迅速識(shí)別與標(biāo)志層準(zhǔn)確標(biāo)定提供新的定量手段。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于中國(guó)西北部，是中國(guó)重要的含油氣盆地之一。該盆地發(fā)育多個(gè)構(gòu)造區(qū)，盆地周圍為高大山系(圖1)。準(zhǔn)噶爾南緣位于天山北麓，該地區(qū)侏羅系、白堊系地層出露完整(圖2)，構(gòu)造條件復(fù)雜，受海西、印支、燕山、喜馬拉雅等運(yùn)動(dòng)的影響，經(jīng)歷了5個(gè)構(gòu)造演化階段，形成了多期次復(fù)合與疊加的構(gòu)造格架，使得地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。在二疊紀(jì)、侏羅紀(jì)時(shí)，盆地的構(gòu)造特點(diǎn)為先伸展后擠壓，三疊紀(jì)、白堊紀(jì)和新生代由穩(wěn)定構(gòu)造轉(zhuǎn)換為擠壓構(gòu)造。新生代時(shí)期，印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞，使青藏高原隆升，并對(duì)其北方和東方造成擠壓，使該區(qū)域產(chǎn)生走滑構(gòu)造和逆沖推覆構(gòu)造，形成了準(zhǔn)噶爾南緣前陸盆地。該前陸盆地油氣資源豐富，具有良好的構(gòu)造圈閉和油氣成藏過(guò)程[14-17]。準(zhǔn)噶爾南緣的構(gòu)造特點(diǎn)為“東西分段，南北分相”，南緣中段經(jīng)歷晚侏羅世高陡斷裂、中新世逆沖推覆2期變形，發(fā)育3排褶皺，第一排是山前齊古斷褶帶，第二排是霍瑪吐背斜帶，第三排是安集海背斜和呼圖壁背斜，這3排褶皺是油氣勘探的重點(diǎn)[12]。研究的區(qū)域位于霍瑪吐背斜帶，該區(qū)域發(fā)育多層逆沖推覆構(gòu)造，構(gòu)造極其復(fù)雜。準(zhǔn)噶爾南緣晚二疊世以沖積扇、河流三角洲和濱淺湖相沉積為主，主要巖性為砂礫巖。三疊紀(jì)以干旱和半干旱氣候?yàn)橹?，發(fā)育紅色巖層。早侏羅世氣候濕潤(rùn)，中侏羅世以來(lái)氣候條件干旱，發(fā)育紅色碎屑巖沉積，白堊紀(jì)到古近紀(jì)以濱淺湖相沉積為主，新近紀(jì)到第四紀(jì)形成河流、湖泊相沉積[15，18]。準(zhǔn)噶爾南緣下組合地層自下而上可以劃分為八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組、齊古組、喀拉扎組、清水河組、呼圖壁組、勝金口組以及連木沁組(圖3)。其中西山窯組與頭屯河組呈不整合接觸，頭屯河組與喀拉扎組呈整合接觸，喀拉扎組與清水河組呈角度不整合接觸[19-21]。西山窯組以灰綠色砂巖、泥巖為主。頭屯河組以雜色泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖為主[18]。齊古組以紅色砂質(zhì)泥巖為主[21]?？M為灰褐色礫巖、褐色泥巖[17]。清水河組底部發(fā)育灰綠色底礫巖，中部為灰綠色細(xì)砂巖、泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，上部為灰綠色、黃綠色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖[22]。準(zhǔn)噶爾南緣沖斷帶油氣豐富，位于深層的下組合的砂巖與砂礫巖是主要的儲(chǔ)層，具有巨大的勘探前景[23]。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段地質(zhì)圖[19]Fig.2 Geological map of the middle part ofthe southern Junggar Basin[19]

2 樣品獲取與元素分析

對(duì)準(zhǔn)噶爾南緣中段鉆遇下組合地層的三口井喀拉扎組(J3k)和清水河組(K1q)巖屑進(jìn)行取樣(圖4)。在兩組交界處取樣精度為1個(gè)/m，其他層段取樣間隔為5 m或10 m，每個(gè)樣品15～30 g。對(duì)樣品進(jìn)行清潔和烘干，按照井號(hào)和深度進(jìn)行整理和編號(hào)。

圖4 典型巖屑樣品照片F(xiàn)ig.4 Photos of typical cuttings samples

X射線熒光光譜分析技術(shù)(X-ray fluorescence，XRF)是分析元素的重要方法，該方法分析周期短、局限性低、無(wú)損耗、連續(xù)性強(qiáng)，且不受樣品粒度大小的制約[24-25]。20世紀(jì)80年代，X射線熒光光譜儀投入使用[26]，隨著科技的進(jìn)步，該分析技術(shù)已趨近成熟，用于現(xiàn)場(chǎng)分析的便攜式XRF以及手持式XRF廣泛投入應(yīng)用。X 射線熒光分析技術(shù)的原理為：用X射線轟擊被測(cè)樣品，元素的內(nèi)層電子獲得能量離開原來(lái)的位置，出現(xiàn)電子空位，外層的電子填補(bǔ)該空位，同時(shí)釋放出特征的X射線，元素的X射線具有唯一性，即不同元素釋放的X射線能量不同，通過(guò)X射線的特點(diǎn)判斷元素類型和質(zhì)量分?jǐn)?shù)[9]。采用手持式X射線熒光光譜儀對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段3口井的巖屑樣品進(jìn)行測(cè)量。該儀器為高性能Niton XL 3t-950手持式X射線熒光元素分析儀，靶料為Ag靶，探測(cè)器為Fast-SDD探測(cè)器，高分辨率，半導(dǎo)體電制冷，可以測(cè)量Fe、SiO2、Al2O3、MgO、Mn等多種元素含量。

對(duì)3口井所有巖屑樣品進(jìn)行元素分析，測(cè)試時(shí)間為60 s，測(cè)試時(shí)平整放置巖屑樣品，使儀器的探測(cè)口呈水平狀態(tài)測(cè)試樣品。測(cè)試出MgO、Al2O3、SiO2、P、S、K、Ca、V、Mn、Ti、Fe、Sr、Ni、Ba、Zn、Pd、Ta、Cd、As、Sb、Nb、Ag、Hf、W、Pb、Sn等26種元素含量。3口井巖屑樣品中SiO2的含量占比最高，其次為Al2O3、S、MgO、Ca，F(xiàn)e含量相對(duì)偏低 (表1)。

表1 3口井主量元素含量

3 基于元素含量的巖性定量識(shí)別

3.1 巖性與元素的相關(guān)性

3.1.1 箱型圖法

不同巖性的元素特征具有差異，李春山[10]認(rèn)為Si主要富集在砂巖中，胡書林等[11]認(rèn)為SiO2含量可以代表砂質(zhì)含量，F(xiàn)e含量可以代表泥質(zhì)含量[11]。研究區(qū)3口井在目的層段內(nèi)僅發(fā)育砂巖和泥巖兩種。統(tǒng)計(jì)兩種巖性的特征元素含量可見SiO2和Fe元素含量對(duì)砂泥巖的區(qū)分度最高，其他元素區(qū)分不明顯。砂巖的SiO2范圍為24.76%～56.65%，中值為41.46%，平均值為41.16%；泥巖的SiO2范圍為21.97%～49.75%，中值為35.72%，平均值為36.36%，SiO2含量在砂巖中較高，而在泥巖中較低。砂巖的Fe含量范圍為0.44%～2.06%，中值為1.21%，平均值為1.23%；泥巖的Fe含量范圍為0.34%～3.27%，中值為1.88%，平均值為1.88%，砂巖的Fe含量相較泥巖的Fe含量低。SiO2含量越高表示砂質(zhì)含量越多；Fe含量越高代表泥質(zhì)含量越多。砂巖和泥巖的MgO、Al2O3、Ba、Ca含量重合率較高，不能作為該區(qū)域判別巖性的元素(圖5)。

3.1.2 圖譜法

對(duì)巖屑樣品進(jìn)行元素測(cè)量，可以獲得相應(yīng)樣品的元素測(cè)試譜圖，各類元素的譜峰顏色不同。對(duì)巖屑樣品的圖譜特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)砂巖和泥巖的測(cè)試譜圖差異大。泥巖中的SiO2的峰值較低，為19，砂巖則為24； Fe元素在泥巖中峰值為347，砂巖峰值則為泥巖的50%(圖6)。通過(guò)圖譜法可以發(fā)現(xiàn)Fe和SiO2與巖性相關(guān)性強(qiáng)，可作為砂巖和泥巖的判別元素。圖譜法分析元素特征簡(jiǎn)明直觀。

圖6 泥巖和砂巖的測(cè)試譜圖Fig.6 Test spectra of mudstone and sandstone

3.2 巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)的建立

以樂(lè)探1井和天安1井為標(biāo)準(zhǔn)井，對(duì)其樣品的Fe和SiO2含量進(jìn)行交會(huì)分析，建立巖性與元素的相關(guān)關(guān)系。砂巖和泥巖在交會(huì)圖中的分布范圍差異明顯(圖7)。為了精確界定砂巖和泥巖的分界，對(duì)巖屑樣品的元素進(jìn)行數(shù)值分析。引入多元線性回歸方程，表達(dá)式為

(1)

圖7 標(biāo)準(zhǔn)井SiO2與Fe元素二維交會(huì)圖板Fig.7 Two-dimensional cross drawing board of SiO2 and Fe elements in standard wells

(2)

(3)

(4)

誤差判定項(xiàng)為

(5)

3.3 巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)

在所建立的一套準(zhǔn)噶爾南緣中段上侏羅-下白堊統(tǒng)的巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行巖屑錄井檢驗(yàn)、薄片檢驗(yàn)。

3.3.1 巖屑錄井檢驗(yàn)

選取準(zhǔn)噶爾南緣中段的呼探1井作為驗(yàn)證井，對(duì)該井的巖屑樣品進(jìn)行定量標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)證。將呼探1井的巖屑元素含量投點(diǎn)至二維坐標(biāo)(圖8)，發(fā)現(xiàn)巖性符合率達(dá)到88.7%，表明該巖性解釋標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確率高。

圖8 驗(yàn)證井SiO2與Fe元素二維交會(huì)圖板Fig.8 Two-dimensional cross drawing board of SiO2 and Fe elements in verification wells

3.3.2 微觀薄片檢驗(yàn)

微觀薄片可以更直觀辨別巖性。挑選顆粒較大的巖屑制成薄片，總共制備45張。在顯微鏡下觀察薄片巖石結(jié)構(gòu)和識(shí)別巖性，進(jìn)而檢驗(yàn)巖性定量標(biāo)準(zhǔn)。隨機(jī)挑選呼探1井的巖屑樣品，該深度范圍為7 530～7 531 m，用XRF儀器測(cè)得該巖屑SiO2含量為28.06%，F(xiàn)e含量為1.70%，SiO2含量與Fe含量比小于24.53，用巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)判定該巖屑的巖性為泥巖。在電子顯微鏡下觀察該樣品制成的薄片，顆粒含量約43%，以粉砂為主，最大粒徑為0.12 mm，粒徑范圍是0.02～0.035 mm，顆粒分選磨圓較差，其成分以巖屑為主，石英次之，石英占比31%，長(zhǎng)石含量較低，膠結(jié)多為方解石膠結(jié)[圖9(a)]，通過(guò)薄片的特征可以判定該巖屑為泥巖，與巖性定量判定的結(jié)果一致。隨機(jī)挑選樂(lè)探1井的巖屑樣品，該深度范圍為6 951～6 952 m，測(cè)得SiO2含量為42.1%，F(xiàn)e含量為1.21%，SiO2含量比Fe含量大于24.53，判定該巖屑為砂巖。鏡下觀察此樣品的薄片，顆粒含量約90%，以細(xì)砂為主，最大粒徑為0.64 mm，粒徑范圍為0.2～0.3 mm，顆粒分選磨圓較差，其成分以巖屑為主，石英次之，石英占比38%，長(zhǎng)石含量較低，膠結(jié)多為方解石膠結(jié)，局部見有薄膜狀綠泥石膠結(jié)，可見兩個(gè)世代[圖9(b)]，通過(guò)薄片的特征判斷該巖性為砂巖，與巖性定量判定的結(jié)果一致。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確率，對(duì)所有薄片進(jìn)行巖性識(shí)別，發(fā)現(xiàn)符合率為87.1%，表明建立的巖屑判別標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確性高。

4 討論

常規(guī)巖屑錄井認(rèn)為清水河組底部發(fā)育底礫巖，但在準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段野外踏勘過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該層位底部存在疊層石(圖10)。疊層石是一種微生物巖，由富藻紋層和富碳酸鹽紋層組成[27]，是微生物黏結(jié)作用或生物化學(xué)作用形成的鈣質(zhì)沉積[28]。反映了該地區(qū)該時(shí)期發(fā)育碳酸鹽巖。疊層石的發(fā)現(xiàn)表明含鈣層是清水河組底部的標(biāo)志層。

特殊巖石學(xué)特征的層段可作為地層對(duì)比分析中的標(biāo)志層，而這類標(biāo)志層往往具有特殊的元素響應(yīng)特征。通過(guò)元素錄井分析，發(fā)現(xiàn)Ca元素含量在清水河組的底部存在突變?cè)黾拥默F(xiàn)象(圖11)，說(shuō)明Ca元素含量的激增是清水河組底部的標(biāo)志層，同樣也是清水河組與喀拉扎組的分界標(biāo)志，表明元素含量的變化能夠指示地層的變化，在復(fù)雜構(gòu)造地質(zhì)條件下鈣元素的變化可以標(biāo)定目的層。由圖11可知，以SiO2和Ca的比值建立的巖性判別標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)井曲線資料和錄井巖性擬合程度較好(圖11)。

此外，地層的重復(fù)與缺失可以通過(guò)Ca元素含量的變化趨勢(shì)判斷。準(zhǔn)噶爾南緣發(fā)育逆沖推覆構(gòu)造，地質(zhì)條件復(fù)雜。鈣元素含量在地層中出現(xiàn)兩次及以上快速增加，說(shuō)明清水河組地層重復(fù)；與之相反鈣元素含量在地層中沒(méi)有出現(xiàn)快速增加，表明清水河組地層存在缺失。

5 結(jié)論

利用元素錄井分析獲取準(zhǔn)噶爾南緣中段三口井巖屑樣品的元素含量，分析元素含量與巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，運(yùn)用元素含量交會(huì)分析和數(shù)值分析，建立了準(zhǔn)噶爾南緣中段巖性識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了驗(yàn)證，根據(jù)元素含量變化識(shí)別了地層。研究結(jié)論如下。

(1)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段構(gòu)造復(fù)雜，地層深度大，對(duì)該區(qū)3口井的上侏羅統(tǒng)喀拉扎組和下白堊統(tǒng)清水河組巖屑取樣。運(yùn)用元素錄井分析獲得各樣品SiO2、Al2O3、MgO、Ca、Fe等26種元素的含量。通過(guò)圖譜分析方法結(jié)合各元素箱型圖的規(guī)律發(fā)現(xiàn)SiO2含量和Fe含量與巖性相關(guān)性強(qiáng)。運(yùn)用元素含量交會(huì)分析和數(shù)值分析，建立了準(zhǔn)噶爾南緣中段的巖性定量解釋標(biāo)準(zhǔn)，即SiO2含量與Fe含量之比大于24.53為砂巖，反之若此兩種元素比值小于等于24.53則為泥巖。利用該區(qū)域未參與標(biāo)準(zhǔn)建立的井進(jìn)行巖性驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)巖性符合率高，達(dá)到88.7%。采用巖屑薄片檢驗(yàn)，符合率為87.1%，巖性判別效果好。

(2)野外露頭調(diào)查發(fā)現(xiàn)含鈣層是清水河組底部的標(biāo)志層，而3口井的Ca元素含量在清水河組底部出現(xiàn)激增，表示元素含量的變化可以指示地層變化，標(biāo)志著目的層位的出現(xiàn)。

(3)X射線熒光元素錄井為準(zhǔn)噶爾南緣巖屑識(shí)別提供了新方法，滿足該地區(qū)關(guān)鍵層位巖性快速準(zhǔn)確識(shí)別的要求，為超深地層判別增加一種新方法，實(shí)現(xiàn)深層復(fù)雜構(gòu)造區(qū)巖性的元素定量表征與應(yīng)用，為石油勘探提供基礎(chǔ)資料。