章海寧, 張金功, 岳愛忠, 樊云峰, 趙毅, 李孜虎

(1.中國石油集團(tuán)測井有限公司, 陜西 西安 710077; 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系, 陜西 西安 710069)

0 引 言

隨著地層元素測井儀測量的元素含量精度不斷提高、元素種類不斷豐富,并實現(xiàn)綠色環(huán)保測量,其在復(fù)雜巖性地層、非常規(guī)油氣儲層評價領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用[1-4]。一些學(xué)者已經(jīng)開展了大量關(guān)于利用地層元素測井資料進(jìn)行沉積巖巖性分析和礦物含量計算的方法研究,并取得較好的應(yīng)用效果[5-9]。中國實際應(yīng)用主要借鑒國外公司的應(yīng)用方法,其局限性是處理解釋前需要根據(jù)巖心分析資料先明確礦物組合,再進(jìn)行礦物計算,在沒有巖心分析資料的井中確定礦物組合模型是個難題,而礦物組合模型直接決定了礦物含量計算結(jié)果是否準(zhǔn)確,一定程度上阻礙了地層元素測井在中國油田勘探開發(fā)中的大規(guī)模應(yīng)用[10]。

本文針對以上問題開展研究,探索直接用元素含量進(jìn)行巖性識別的技術(shù)和方法,對于發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地層元素測井?dāng)?shù)據(jù)處理和解釋技術(shù),拓展地層元素測井的應(yīng)用能力具有現(xiàn)實意義。

1 地層元素識別沉積巖巖性和計算礦物含量方法思路

不同于國內(nèi)外先確定礦物組合、再計算礦物含量的地層元素測井資料的應(yīng)用方法,先統(tǒng)計常見造巖礦物的分子式以及其中各種元素的含量,并按照含量的多少對元素進(jìn)行排序,了解掌握造巖礦物的元素含量特征;建立沉積巖命名分類方法和標(biāo)準(zhǔn);利用元素含量交會的方法劃分沉積巖大類,然后針對每個大類選取主量元素識別亞類;針對每種沉積巖分析其礦物含與元素的相關(guān)性,優(yōu)選元素并進(jìn)行組合建立各沉積巖類型的礦物含量計算模型,根據(jù)巖性類型選取不同模型計算得到礦物含量。元素識別沉積巖巖性和礦物含量計算流程見圖1。

圖1 元素識別沉積巖巖性和礦物含量計算流程

2 礦物元素組成特征及沉積巖命名分類

通過對大量資料整理,統(tǒng)計常見造巖礦物的分子式以及其中各種元素的含量,并按照含量的多少對元素進(jìn)行排序。表1列出了部分礦物的主量元素含量和含量的排序情況,便于處理解釋人員掌握了解不同礦物元素含量特征。

沉積巖命名分類是通過鏡下薄片鑒定巖石的碎屑顆粒結(jié)構(gòu)、雜基和膠結(jié)物結(jié)構(gòu)、孔隙結(jié)構(gòu)以及碎屑顆粒與填隙物的關(guān)系和礦物在鏡下大致百分比確定。通過巖石的結(jié)構(gòu)特征(粒度)再進(jìn)一步劃分,如礫巖(d>2 mm)、砂巖(0.1 mm

表1 部分礦物主量元素特征表

表1(續(xù))

礦物大類礦物元素排序分子式元素含量/%斜長石鈉長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(0≤x≤1)Na(0～878) Aa(0～14406)Al(1031～19396) Si(2019～3206)O(4608～4882)更長石(奧長石)Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(01≤x≤03)Na(7843～6027) Ca(1519～4503)Al(11249～13135) Si(30875～28402)O(48514～47934)中長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(03≤x≤05)Na(6027～4254) Ca(7416～4503)Al(14984～13135) Si(28402～25987)O(47367～47934)拉長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(05≤x≤07)Na(2522～4254) Ca(7416～1026)Al(14984～16775) Si(23629～25987)O(47367～46813)倍長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(07≤x≤09)Na(2552～0831) Ca(10261～1304) Al(16774～18531) Si(23629～21325)O(46813～46273)鈣長石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(09≤x≤1)Na(0～0831) Ca(14406～1304)Al(19396～18531) Si(2019～21325) O(4608～46273)云母族黑云母Si、Mg、K、AlK(Mg，F(xiàn)e2+)3(Al，F(xiàn)e3+)Si3O10(OH，F(xiàn))2Si(21037) Mg(1018) Al(5536)K(8451)白云母Si、Al、KK2Al4[Si6Al2O20](OH，F(xiàn))4Si(2337) Al(1746) K(913)金云母Si、Mg、Al、KK2(Mg，F(xiàn)e2+)b[Si5Al2O20](OH，F(xiàn))4Si(21034) Mg(16283) Al(8997)K(8301)黏土礦物綠泥石Fe、Al、Mg、Si(Mg，F(xiàn)e，Al)12[(Si，Al)uO20](OH)16Fe(29016) Al(23316) Mg(12435)Si(9672)蒙脫石Si、Fe、Al、Mg、Ca(1/2Ca，Na)07(Al，Mg，F(xiàn)e)4[(Si，Al)8O20](OH)4·nH2OSi(1858～2377) Fe(2083～2602)Al(1069～149) Mg(13～14)Ca(05～063)伊利石Si、Al、KKxAl4[Si8-x，Alx]O20(OH)4(1≤x≤15)K(515～753) Al(1781～1911)Si(2342～2586) O(4943～5066)H(051～052)高嶺石Si、AlAl4[Si4O10](OH)5Al(20901) Si(21761) O(5577)H(1562)

依據(jù)沉積巖巖石X衍射全巖礦物相對含量把沉積巖劃分為7大類(見表2),又把其中的砂巖、碳酸鹽巖和雜巖分別劃分為若干種亞類(見表3)。

表2 沉積巖大類命名分類

表3 砂巖、碳酸鹽巖和雜巖亞類命名分類

3 沉積巖性識別方法

沉積巖性識別方法研究的樣本涵蓋了中國大部分含油氣盆地,共9 067個巖石X衍射數(shù)據(jù)(見表4),在此基礎(chǔ)上編制了中國主要含油氣盆地X衍射全巖和黏土礦物組分相對含量數(shù)據(jù)表。

表4 沉積巖樣品數(shù)分布

根據(jù)表1主要礦物的元素組成及其元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算巖樣中元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量,并以此為基礎(chǔ)編制中國主要含油氣盆地沉積巖X衍射數(shù)據(jù)計算元素含量及主要礦物含量數(shù)據(jù)表。

3.1 元素識別沉積巖大類

研究沉積巖元素與巖性的關(guān)系,將收集的9 067個X衍射數(shù)據(jù),按礦物含量命名分類,其中有砂巖樣品6 329個、碳酸鹽巖樣品949個、黏土巖樣品325個、雜巖樣品1 457個。利用這些樣品的X衍射數(shù)據(jù)計算元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量并進(jìn)行交會分析,從多個交會圖版中篩選區(qū)分能力強(qiáng)的元素交會圖版識別巖性,如從圖2中Si和Ca交會圖版可以較好識別巖性。

圖2 元素Si與Ca交會劃分沉積巖巖性大類

在分析以上元素兩兩交會圖中元素含量對沉積巖巖性區(qū)域的影響基礎(chǔ)上,可將元素進(jìn)行不同方式的組合,利用多元素信息進(jìn)行巖性劃分(見圖3)。

圖3 10Si+5Ca+3Mg-5Al-5Fe與5Ca+0.1Mg-5Al-1.5K+5Fe交會劃分沉積巖巖性大類圖版

圖3中①至⑧的計算公式

①y=-0.5712x+195.43;②y=2.5469x-232.78;③y=-0.4487x+55.066;④y=3.5317x-824.39;⑤y=0.4307x-39.205;⑥y=-0.6277x+150.77;⑦y=3.5753x-694.99。其中,(-0.5712x+195.43-y)<0,(0.4307x-39.205-y)<0區(qū)域為碳酸鹽巖區(qū);(-0.4487x+55.066-y)<0,(3.5317x-824.39-y)≥0,(0.4307x-39.205-y)≥0區(qū)域為砂巖區(qū);(2.5469x-232.78-y≥)0,(-0.4487x+55.066-y)≥0區(qū)域為黏土巖區(qū);(-0.4487x+55.066-y)≥0,(2.5469x-232.78-y)<0區(qū)域為煤區(qū);(-0.6277x+150.77-y)≥0,(3.5753x-694.99-y)<0,y≥6.05區(qū)域為雜巖區(qū);圖版中剩余的區(qū)域為混合區(qū)。

3.2 元素沉積巖亞類

利用以上交會圖版識別出沉積巖巖性大類后,進(jìn)一步分析不同沉積巖亞類巖性的敏感元素,建立有針對性的亞類識別圖版進(jìn)行識別。如石灰?guī)r與白云巖的識別,可采用Ca與Mg交會圖版(見圖4)。

圖4 元素Ca與Mg交會劃分沉積巖巖性亞類

圖4中,(0.5308x-9.1845-y)≤0區(qū)域為白云巖區(qū);(0.5308x-9.1845-y)>0區(qū)域為石灰?guī)r區(qū)。其他亞類的識別,如石英砂巖與長石砂巖的識別可采用Si與K圖版,黏土雜巖、方解石雜巖、白云石雜巖和石英、長石雜巖的識別可采用Si與Al圖版。

對于一些通過以上方法仍然無法有效識別巖性的樣本點,實際應(yīng)用中可以采用以上方法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行識別。

4 沉積巖礦物含量計算方法

建立沉積巖礦物含量計算模型,首先要明確不同礦物的主要相關(guān)元素,因此需要統(tǒng)計分析樣本元素含量與礦物含量的關(guān)系,通過分析不同礦物與元素的擬合公式相關(guān)系數(shù),明確不同巖性中不同礦物含量的主要相關(guān)元素,從而為礦物含量模型建立奠定基礎(chǔ)。元素Si含量與石英含量關(guān)系見圖5。

圖5 元素Si含量與石英含量關(guān)系圖

在確定不同巖性礦物含量與元素含量的相關(guān)性后,通過構(gòu)建多元素組合的方式建立礦物含量計算模型,從而提高礦物含量計算精度。在礦物模型建立過程中,如何篩選相關(guān)元素和元素組合形式是提高模型精度的關(guān)鍵,需要作大量的對比分析工作,列舉2種巖性礦物含量計算模型

(1) 石英砂巖中Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)元素含量與主要造巖礦物含量的關(guān)系見圖6。

圖6 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量與石英砂巖中5種主要造巖礦物含量的關(guān)系

圖7 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量與石英砂巖中石英含量的關(guān)系

圖7曲線公式為

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(1)

式中,a=95.1,b=0.015 82,c=-2.835E-06,d=-28.38;Y為礦物含量,X為元素組合變量,即Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4),Ys為元素含量。

(2) 石灰?guī)r中Ys3/(Ys1+Ys2)元素含量與主要造巖礦物含量的關(guān)系見圖8、圖9。

圖8 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量與石灰?guī)r中5種主要造巖礦物含量的關(guān)系

圖9 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量與石灰?guī)r中石英含量的關(guān)系

圖9曲線公式為

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(2)

式中,a=16.82,b=-0.159 5,c=1.555,d=0.001 61;Y為礦物含量,X為元素組合變量,即Ys3/(Ys1+Ys2)。

5 方法應(yīng)用

以上方法和成果有2個層次的應(yīng)用,巖性定性識別和根據(jù)礦物定量計算結(jié)果的巖性分類。巖性定性分析可以應(yīng)用交會圖版,在圖版上直觀進(jìn)行分區(qū)識別。這項工作可以借助軟件平臺交互功能,直接讀取當(dāng)前深度地層元素含量,調(diào)取相應(yīng)巖性識別圖版,根據(jù)當(dāng)前層位元素含量數(shù)值在識別圖版上的分區(qū)位置直觀識別。

定量應(yīng)用以交會識別圖版和礦物定量計算模型為基礎(chǔ)開發(fā)相應(yīng)的處理軟件模塊,連續(xù)處理得到井剖面礦物含量,解釋人員根據(jù)不同礦物含量可明確界定地層巖性。圖10為長慶油田榆××井處理成果圖,圖10中右起第2道為本文方法處理得到的礦物含量剖面,礦物含量與哈里伯頓公司的GEM處理結(jié)果基本一致,可有效進(jìn)行巖性識別。

圖10 榆××井地層元素測井巖性識別成果圖

6 結(jié) 論

(1) 以大量的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開展利用元素含量直接進(jìn)行沉積巖礦物含量計算和巖性識別的方法研究,形成了沉積巖巖性分類、元素交會識別圖版分區(qū)識別和分巖性進(jìn)行多元素組合計算礦物含量的一套完整的技術(shù)。

(2) 研究采用的樣本覆蓋了中國各大油田地層,使得到的方法有較好的適應(yīng)性;利用元素含量可較好地區(qū)分沉積巖巖性;砂巖、碳酸鹽巖識別精度最高,黏土巖和雜巖區(qū)分精度相對較低;多元素組合進(jìn)行巖性識別效果可得到進(jìn)一步提高。

(3) 提高礦物含量模型計算精度,必須分沉積巖大類進(jìn)行多元素組合建立礦物含量計算模型,需要優(yōu)選相關(guān)性較高的元素。

(4) 巖心實驗數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果表明,根據(jù)元素含量計算得到礦物含量識別巖性有較高的符合率。

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