元素錄井在羌塘盆地半島湖地區(qū)雀莫錯組三段地層巖性識別中的應用

◇西南石油大學地球科學與技術(shù)學院 顧天甫 黃鵬 張沛凌

快速鉆井技術(shù)的推廣和應用使得井下返出的巖屑顆粒細小、混雜，導致巖屑錄井過程中巖屑巖性識別的難度較大。本次擬利用羌科1井雀莫錯組三段元素錄井資料（856個）對復雜巖性層位開展巖性的定性、定量識別研究。結(jié)果表明，前人利用特征元素建立的Si-(Ca+Mg)、(Al+Si+Fe+K)-(Ca+S)/Mg和(Al+Fe)-(Si-0.1)交會巖性判別圖版在羌塘地區(qū)具有較好的適用性，其總體吻合率分別為90.3%，78.1%和83.7%。但是，(Si+Al+Fe)-(Ca+Mg+S)判別圖解適用性則較差，其總體吻合率僅為59.2%。本文創(chuàng)建的(Si+Al+Fe)-(Ca+Mg)和Si-Al巖性判別圖版的總體吻合率達均在85%以上。定量識別方法可以有效的區(qū)分粉砂巖，砂巖和碳酸鹽巖，其吻合率在80%以上。綜合定性判別圖解和定量計算方法能夠滿足半島湖地區(qū)隨鉆巖性快速識別的需求，巖屑錄井可進一步提高其精度。

1 引言

羌塘盆地是青藏高原地區(qū)規(guī)模最大的海相沉積盆地，具有巨大的油氣資源潛力，但勘探程度較低。近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心在半島湖地區(qū)實施了第一口油氣探井—羌科1井，這對盆地油氣資源潛力再評估及后續(xù)勘探部署都具有重要的意義[1]。巖性識別、沉積環(huán)境演化及地層劃分對比是油氣高效勘探的基礎，但羌科1井施工過程中采用的PDC鉆頭+螺桿組合鉆井工藝使得井下返出的巖屑顆粒細小、混雜，導致巖屑錄井過程中巖屑巖性識別及地層劃分的難度較大。隨鉆過程中的元素錄井技術(shù)在細碎狀巖屑及復雜巖性識別方面具有一定的優(yōu)勢，并在國內(nèi)外得到廣泛的推廣和應用[2-4]。羌科1井是目前羌塘盆地實施的唯一科探井，針對元素錄井技術(shù)應用和研究尚處于起步階段[5]，其對巖性快速判別的準確率如何，目前尚不可知。加大羌塘盆地油氣勘探力度是目前的大趨勢，加強羌塘盆地元素錄井技術(shù)在巖性識別中的研究與應用，為評價研究區(qū)生儲蓋和提高油氣勘探成功率奠定基礎，是非常必要的。本文選取羌科1井雀莫錯組三段地層為重點解剖對象（具有厚度大，巖石類型豐富、鑒別特征明顯和巖屑錄井準確率高的特點），在巖屑錄井巖性識別準確率評估的基礎上，借鑒前人基于元素錄井定性判別巖性的方法，建立羌塘盆地巖性判別的適用方法，解決現(xiàn)場高效識別巖性等問題。

2 元素錄井原理和方法

X射線熒光分析理論表明不同元素產(chǎn)生的X射線熒光具有不同的特征（如不同能量與波長等），對這些X射線熒光的特征進行分析可以確定樣品中元素的種類與含量。X射線熒光錄井（元素錄井）正是采用X射線熒光儀照射巖心/巖屑樣品獲取其元素含量，結(jié)合元素地球化學理論明確巖石中元素及元素組合特征，進而進行巖性識別和地層評價的一種隨鉆錄井方法[2,6]。由于其分析周期短，數(shù)據(jù)全面，誤差小等優(yōu)點，該項技術(shù)近年來在渤海灣、四川、塔里木和松遼等盆地巖性隨鉆識別和地層劃分對比方面得到了較廣泛的應用[4,7-8]。

3 半島湖地區(qū)雀莫錯組三段地層特征

半島湖地區(qū)雀莫錯組三段地層的主要巖石類型包括碎屑巖、碳酸鹽巖、石膏及其過渡型巖類。羌參1井雀莫錯組三段視厚度約 855 m（2502-3357 m），底部為混積潮坪相沉積（3357-3120 m），巖性為灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖夾少量淺灰色灰?guī)r。測井曲線上自然伽瑪曲線垂向上呈不規(guī)則鋸齒狀，但總體值較高，表現(xiàn)為多種巖性彼此相互混雜，主體以細粒碎屑巖為主（圖1）。元素硅含量曲線垂向上呈不規(guī)則鋸齒狀，鉀含量較高，且與自然伽瑪曲線波動較一致，陸源碎屑供應增多。中部為咸化瀉湖沉積（3120-2575 m），巖性主要為灰色-深灰色灰?guī)r夾少量灰綠色泥巖、灰色粉砂巖、灰白色石膏和鹽巖。自然伽馬呈鋸齒狀特征減弱。CaCO3含量變化幅度較大，硅和鉀含量較高，呈鋸齒狀（圖1）。頂部為混積潮坪相沉積（2575-2502），巖性主要為灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和少量紫紅色泥巖。自然伽馬曲線呈鋸齒狀，與硅含量曲線變化一致，但與 CaCO3 含量變化趨勢相反（圖1）。

圖1 羌科1井下侏羅統(tǒng)雀莫錯組三段柱狀圖

4 元素錄井巖性識別

4.1 定性識別

自然界中Mg、Al、Si、Ca、Fe、Mn、K、Cl、S、Ti和P等造巖元素占地殼物質(zhì)總量的99%以上，但不同的巖石組成，其元素的含量和分布也具有明顯的差異[9]，表現(xiàn)出明顯的特征性。例如，元素Si、Al和Fe是碎屑巖中的主要元素；Ca和Mg是碳酸鹽中的主要元素；Ca和S是石膏的主要構(gòu)成元素；而過渡型巖類因巖石中礦物組成不同，其主要元素也存在一定的差異。孫哲等（2017）認為碎屑巖中Si含量為 15%-45%，且Ca+Mg含量低于10%；而碳酸鹽巖中Ca+Mg含量為20% -40%，且Si含量小于10%。在Ca+Mg和Si交匯圖中，若Si/（Ca+Mg）值大于1.5時，則為碎屑巖；若Si/（Ca+Mg）值小于0.25時，則為碳酸鹽巖；而當Si/（Ca+Mg）值介于0.25-1.5之間，則為過渡型巖類[8]。尹平等（2017）通過元素錄井數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析認為Si+Al+Fe含量等于25%是碎屑巖和碳酸鹽巖的分界線，其值介于25%-31%之間為碎屑巖的過渡型巖類，大于31%為碎屑巖類；其值介于8%-25%之間為碳酸鹽的過渡型巖類，小于8%且Ca+Mg+S含量小于36%則為碳酸鹽類，其值小于5%，且Ca+Mg+S含量大于36%則為硫酸鹽類（尹平等，2017）。該方法在碳酸鹽巖、碳酸鹽過渡型巖類、碎屑巖過渡型巖類和碎屑巖類具有較好的識別性，線性關(guān)系明顯，但碳酸鹽和硫酸鹽類無明顯線性關(guān)系，分布雜亂[4]。通過856個元素錄井數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Ca+Mg 和Si交匯法（圖2A）識別的雀莫錯組三段巖性總體吻合率達90.3%，其中碳酸鹽類吻合率達90.5%,過渡型巖類吻合率達88.9%，碎屑巖類吻合率達93.4%。而Si+Al+Fe和Ca+Mg+S交會法（圖2B）識別的雀莫錯組三段巖性總體吻合率達59.2%（507/856），其中碳酸鹽類吻合率達23.1%（91/394），硫酸鹽吻合率達63.0%（17/27），過渡型碳酸鹽巖吻合率為73.3（63/86），過渡型碎屑巖類吻合率達33.3%（1/3），碎屑巖類吻合率達96.8%（335/346）。硫酸鹽巖的混入是造成Si+Al+Fe和Ca+Mg+S交會法吻合率低的主要原因，在實際研究中應謹慎分析。

由于Si+Al+Fe和Ca+Mg+S交會法中碳酸鹽類和硫酸鹽類識別率低，Ca+Mg 和Si交匯法無法識別過渡型碎屑巖類和過渡型碳酸鹽類，而Si/（Ca+Mg）和（Si+Al+Fe）/（Ca+Mg+S）之間具有很好的正相關(guān)性（R=0.99,p(α)<0.1,n=856;圖2B）。因此，本文采用Si+Al+Fe和Ca+Mg交會法優(yōu)先識別碳酸鹽巖、過渡型碳酸鹽巖類、過渡型碎屑巖類和碎屑巖類，而不將硫酸鹽類混入該方法中識別。Si+Al+Fe和Ca+Mg交會圖版中（圖2 C），Si+Al+Fe含量大于31%，且Ca+Mg含量低于10%為碎屑巖；Si+Al+Fe含量小于8%，且Ca+Mg含量為20%則為碳酸鹽巖；Si+Al+Fe含量為25%-31%和8%-25% 分別為碎屑巖和碳酸鹽巖的過渡型巖類。本文通過Si+Al+Fe和Ca+Mg交匯法識別的雀莫組錯組巖性總體吻合率達86.5%（717/829），其中碳酸鹽類吻合率達82.2%（324/394）,過渡型碳酸鹽巖吻合率為66.3%（57/86），過渡型碎屑巖類吻合率為33.3%（1/3），碎屑巖類吻合率達96.8%（335/346）。相比而言，Si+Al+Fe和Ca+Mg交會法明顯提高了雀莫錯組三段地層中碳酸鹽巖、碳酸鹽過渡型巖類、碎屑巖過渡型巖類和碎屑巖巖性識別的準確性。

研究表明，碳酸鹽巖中Al+Si+Fe+K含量由低到高分別為白云巖-石灰?guī)r-砂質(zhì)云巖-泥質(zhì)灰?guī)r，而(Ca+S)/Mg比值由低到高分別為砂質(zhì)云巖-白云巖-泥質(zhì)灰?guī)r-石灰?guī)r?；诖嗽?，尹平等（2017）建立了用于碳酸鹽巖進一步識別的（A1+Si +Fe +K）與（Ca+S）/Mg交匯圖版。當（A1+Si+Fe+K）含量在2%-8.5%且（Ca+S）/Mg比值小于6為白云巖；當（A1+Si+Fe+K）含量在2%-8.5且（Ca+S）/Mg比值大于6為石灰?guī)r；當（A1+Si+Fe+K）含量大于8.5%且（Ca+S）/Mg比值小于6為砂泥質(zhì)白云巖；當（A1+Si+Fe+K）含量大于8.5%且（Ca+S）/Mg比值大于6為泥質(zhì)石灰?guī)r[4]。在上述研究的基礎上，本文選取86件過渡型灰?guī)r和394件灰?guī)r樣品開展進一步驗證其吻合率工作。（A1+Si +Fe+K）與（Ca+S）/Mg交匯圖（圖2D）表明雀莫錯組三段碳酸鹽巖總體吻合率為78.1%（375/480），其中灰?guī)r吻合率為74.4%（293/394），過渡型灰?guī)r（主要為泥質(zhì)灰?guī)r）吻合率為95.3%（82/86）。

圖2 羌科1井下侏羅統(tǒng)雀莫錯組三段特征元素巖性判別圖版

孫哲等（2017）通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)碎屑巖中Al+Fe與Si含量相互交匯可以有效的區(qū)分砂巖和泥巖，在此基礎上提出了判別經(jīng)驗參數(shù)R=（Al+Fe）/（Si-0.1）。當R>0.5時為泥巖，而當R<0.5時則為粉砂巖和砂巖。另一方面，碎屑巖中Si/Al比值常常用于反映碎屑顆粒粒徑的大小。統(tǒng)計分析表明，碎屑巖中砂巖Si/Al比值往往大于4.0[4]，全球平均頁巖Si/Al比值為3.1[10]。基于此，當Si/Al比值大于4時為砂巖，當Si/Al值介于3.1-4之間為粉砂巖，而當Si/Al比值小于3.1時為泥頁巖。在雀莫錯組三段碎屑巖樣品中，（Al+Fe）/（Si-0.1）與Si/Al比值顯示顯著的負相關(guān)（R=-0.84,p(α)<0.1,n=349），進一步表明上述參數(shù)在識別碎屑巖中是可行，且可以相互驗證的?；诖耍疚倪x取349件雀莫錯組三段碎屑巖開展進一步的巖性識別工作，研究表明（Al+Fe）/（Si-0.1）識別碎屑巖的總體吻合率為83.7%（292/349），其泥巖吻合率為99.3%（279/281），粉砂巖和砂巖吻合率為19.1%（13/68）（圖2E）。而利用Si/Al比值識別碎屑巖的總體吻合率為87.7%（306/349），其中砂巖吻合率為63.6%（7/11），泥頁巖吻合率為94.7%（266/281），粉砂巖吻合率為57.9%（33/57）（圖2F）?？傮w而言，上述兩種參數(shù)巖性識別準確率均較高，且Si/Al 參數(shù)識別率略高于（Al+Fe）/（Si-0.1）。

4.2 定量識別

申華梁等（2020）在半島湖地區(qū)利用砂質(zhì)、泥質(zhì)、灰質(zhì)和膏質(zhì)的含量來定量識別巖性，而這一方法的關(guān)鍵就是利用特征元素來表征砂質(zhì)、泥質(zhì)、灰質(zhì)和膏質(zhì)的含量，如Si 表征砂質(zhì)，Al表征泥質(zhì)，Ca-(S+Mg)表征灰質(zhì)，S表征鈣質(zhì)[5]。當某成分含量≥50%時參與主體命名，當其介于50-25%之間時為某質(zhì)（如砂質(zhì)），當其介于25-10%之間為含某成分（如含膏）或不參與命名，當其≤10%則不參與定名?；诘V物計算模型（申華梁等，2020），在雀莫錯組三段地層中識別出粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r和石膏等多種巖石類型，其總體吻合率為84.9%（727/856），其中泥巖吻合率為75.4%（212/281），粉砂巖吻合率為91.2（52/57），砂巖吻合率81.8%（9/11），碳酸鹽巖吻合率98.5%（388/394），過渡型碳酸鹽巖吻合率為54.7%（47/86），膏巖吻合率66.7%（18/27）。總體而言，定量識別方法具有較高的吻合率，可以有效的區(qū)分粉砂巖，砂巖和碳酸鹽巖，但在過渡型碳酸鹽巖（砂質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r）和膏巖識別過程中存在一定困難，可以結(jié)合(Al+Si+Fe+K)-(Ca+S)/Mg定性判別圖解相互校正。

5 結(jié)論

（1）前人基于元素錄井數(shù)據(jù)（特征元素）建立Si-(Ca+Mg)、(Al+Si+Fe+K)-(Ca+S)/Mg和(Al+Fe)-(Si-0.1)交會巖性判別圖解在羌塘地區(qū)具有較好的適用性，但(Si+Al+Fe)-(Ca+Mg+S)判別圖解適用性較差。

（2）利用相關(guān)性原理，本次研究創(chuàng)建的(Si+Al+Fe)-(Ca+Mg)巖性判別圖解可以有效的區(qū)分碳酸鹽巖、過渡型碳酸鹽巖、過渡型碎屑巖和碎屑巖等不同巖石類型，總體吻合率達86.5%。而Si-Al巖性判別圖解可以有效的區(qū)分碎屑巖中的泥頁巖、粉砂巖和砂巖，總體吻合率達87.7%。

（3）定量識別方法可以有效的區(qū)分粉砂巖，砂巖和碳酸鹽巖，其吻合率在80%以上，但在過渡型碳酸鹽巖（砂質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r）和膏巖識別過程中存在一定困難。

（4）定性判別圖解和定量計算方法結(jié)合元素錄井可以有效的提高現(xiàn)場巖性識別的效率，在羌塘盆地后期鉆井過程中可以作為一種經(jīng)驗方法推廣應用，但需要更多不同元素錄井數(shù)據(jù)加以校正。