楊鎖衛(wèi)，許澤君，劉巖松

中石油冀東油田分公司工程監(jiān)督中心，河北 唐山

利用元素錄井進(jìn)行碳酸鹽巖巖性精細(xì)解釋研究

楊鎖衛(wèi)，許澤君，劉巖松

中石油冀東油田分公司工程監(jiān)督中心，河北 唐山

元素錄井(XRF)技術(shù)能夠獲取巖石中的化學(xué)元素信息，通過(guò)化學(xué)元素的組合與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，可以進(jìn)一步鑒定巖性、劃分地層。利用元素錄井資料，通過(guò)建立碳酸鹽巖解釋模型，計(jì)算碳酸鹽巖主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖性識(shí)別，能有效提高碳酸鹽巖地層巖性識(shí)別能力?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該方法解釋效果良好，與斯倫貝謝ECS測(cè)井解釋結(jié)果相當(dāng)，該方法對(duì)其他地區(qū)具有借鑒和指導(dǎo)意義。

元素錄井，解釋模型，碳酸鹽巖，巖性定量解釋

AbstractX Radial Fluorescence Mud Logging (XRF) technology could obtain chemical elements information in rocks. The lithologic characters and strata could be further identified through the combination and content variations of chemical elements. Based on the element mud logging data, the carbonate chemical composition was used to guide the field identification of lithology by establishing carbonate interpretation model, which could effectively improve the ability of identification of carbonate formation. Field application shows that the method is effective and the effect is equal to Schlumberger ECS log. This method can be the reference and guidance for other regions.

KeywordsX Radial Fluorescence Mud Logging, Interpretation Model, Carbonate, Quantitative Interpretation of Lithology

1. 背景

元素錄井技術(shù)(即X射線熒光巖屑錄井技術(shù)，也簡(jiǎn)稱XRF)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖屑中的化學(xué)元素信息進(jìn)行定性和定量分析，該項(xiàng)技術(shù)是常規(guī)巖屑錄井的補(bǔ)充，可有效解決復(fù)雜巖性、細(xì)碎巖屑的巖性識(shí)別問(wèn)題。李一超、李春山、何國(guó)賢、謝元軍、邱田民等分別對(duì)X射線熒光巖屑錄井技術(shù)進(jìn)行了適用性研究，并初步建立了定性化巖性識(shí)別和地層劃分解釋方法[1][2][3][4]。張國(guó)龍、楊鎖衛(wèi)等人對(duì)該技術(shù)在冀東油田大斜度井中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為該技術(shù)可以較好解決大斜度井的巖性識(shí)別、潛山界面識(shí)別與卡取以及地層劃分對(duì)比等問(wèn)題[5][6]。

隨著油田對(duì)寒武系潛山、奧陶系潛山內(nèi)幕的鉆探與元素錄井工作的深入開展，對(duì)碳酸鹽巖潛山地層巖性定量化識(shí)別需求顯得尤為突出。

2. 元素、礦物與巖石之間的關(guān)系

2.1. 巖石與元素

巖石形成的過(guò)程就是母巖中元素在各種內(nèi)外作用下的再分配、重新組合的過(guò)程。由于沉積作用的復(fù)雜性和多樣性，所以沉積巖的元素組成變化非常大，不同元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，同一種巖石中不同元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不相同。

如對(duì)于陸源碎屑沉積巖來(lái)說(shuō)，Si元素以極大優(yōu)勢(shì)富集于砂巖中，而Al和Si元素傾向于在頁(yè)巖和黏土巖類中聚集；對(duì)于碳酸鹽巖沉積而言Ca和Mg元素則最為富集；其他例如Fe、Al、Ti等元素也可能大量富集以礦石的形式出現(xiàn)，而微量元素在頁(yè)巖和黏土巖類中的豐度高于它們?cè)谏皫r及碳酸鹽巖中的豐度，如Mn和Sr元素則顯著地富集于碳酸鹽巖中。

對(duì)于單元素來(lái)說(shuō)，Mg與Ca元素普遍存在于各類巖石中，但質(zhì)量分?jǐn)?shù)各有不同，在碳酸鹽巖中Ca、Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)占主導(dǎo)地位，在灰?guī)r中Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高可達(dá)40%，白云巖中Mg元素最高可達(dá)14%以上，它們是碳酸鹽巖中最為突出的元素。

2.2. 元素、礦物與巖石

1) 元素與礦物之間的關(guān)系

礦物是由化學(xué)元素組成的，它具有穩(wěn)定的化學(xué)組成和較為固定的分子式，化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同決定了礦物種類的不同，其化學(xué)成分是區(qū)別不同礦物的重要依據(jù)，反映礦物形成條件。

礦物成分一般都是以單元素的氧化物、硅酸鹽、硅鋁酸巖、碳酸鹽礦物的形式存在，它們與單元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間具有一定的換算關(guān)系(見表1、表2)。

當(dāng)已知某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為a時(shí)，其對(duì)應(yīng)氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)A的計(jì)算式如下：

式中：A為某元素對(duì)應(yīng)氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；a為某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；α為某元素化合物指數(shù)。

2) 化合物、礦物與巖石之間的關(guān)系

沉積巖的基本化學(xué)成分是表生環(huán)境穩(wěn)定非變價(jià)氧化物，其中Al2O3、SiO2、(MgO+CaO)這3種化學(xué)成分決定了3種沉積巖石及其過(guò)渡巖石類型的分布。砂質(zhì)沉積物主要由礦物石英、長(zhǎng)石組成，一般表現(xiàn)為Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低；頁(yè)巖、泥巖類巖石主要由黏土礦物及細(xì)碎屑組成，黏土礦物具有吸附水體中簡(jiǎn)單離子和絡(luò)合物的特點(diǎn)，所以頁(yè)巖、泥巖中富集堿金屬元素，Al2O3、鐵質(zhì)及鈣質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)砂巖較高。

Table 1. The transfer coefficients for elements and the other chemical compounds表1. 元素與其化合物之間的轉(zhuǎn)化系數(shù)表

Table 2. The contents of various elemental contents in commonly seen minerals表2. 常見礦物中各種元素組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表

碳酸鹽巖是一種化學(xué)沉積巖，常見于沉積巖體系中，一般富含CaCO3、MgCO3，Ba、Sr和Mn的元素，其他元素一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)都很低。

火成巖中的礦物成分變化隨SiO2的變化而變化：隨著SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，Na2O、K2O增加，F(xiàn)eO、MgO減少，Al2O3、CaO則由少增多，在輝石類及基性巖中達(dá)到最大值后降低。

2.3. 元素自身變化特征

1) 大量的分析研究表明：從巖石中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差別程度看，微量元素變化從其幅度上、規(guī)律性上要比常量元素要好。

2) 從元素在巖石成巖過(guò)程中的穩(wěn)定性來(lái)看，不同的沉積環(huán)境和物源體系中，各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有明顯的差異，具有指導(dǎo)巖性劃分的功能。在陸相沉積過(guò)程中，Si、Al、Fe、Ti等元素顯然沒有Cl、S、Na、K、Ca、Mg等元素活躍，因而在巖石的風(fēng)化搬運(yùn)過(guò)程中呈活躍元素逐漸減少而其他元素逐漸富集的狀態(tài)；而在化學(xué)沉積過(guò)程中，由于其特殊的沉積環(huán)境Ca、Mg、S、Cl等元素則更容易相對(duì)富集成巖。

3) 元素比值關(guān)系比少數(shù)元素更能反映成巖石的氣候、環(huán)境、母源特征。

3. 解釋方法研究

3.1. 現(xiàn)有XRF巖性解釋方法比較

1) 數(shù)據(jù)對(duì)比解釋法

通過(guò)對(duì)大量不同地區(qū)、不同層位、不同巖性的樣品進(jìn)行X射線熒光分析，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法研究各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與巖性之間的關(guān)系，建立不同層位、不同巖性元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布表，用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖性解釋。該方法在巖屑代表性好、特征明顯、層厚度較大時(shí)效果較好，對(duì)于薄層巖性，則需要進(jìn)行挑樣分析來(lái)提高巖性識(shí)別效果。

2) 規(guī)律解釋法

利用地質(zhì)作圖軟件分析各元素變化規(guī)律與巖性之間的變化關(guān)系是地質(zhì)工作中常規(guī)性的方法之一，解釋過(guò)程中可以參考多個(gè)元素曲線變化規(guī)律相互加以印證，從而進(jìn)行巖性解釋。

3) 方法優(yōu)劣

這兩種方法都具備較強(qiáng)的直觀性、方便性，但定性化解釋方法很難避免人為因素、經(jīng)驗(yàn)因素的影響，解釋結(jié)果因人而異；故筆者重點(diǎn)研究定量化解釋法。

3.2. 碳酸鹽巖定量化解釋方法研究

3.2.1. 碳酸鹽巖基本特征及分類

碳酸鹽巖主要分為石灰?guī)r(方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù) ＞ 50%)和白云巖(白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù) ＞ 50%)。構(gòu)成碳酸鹽巖的主要碳酸鹽礦物為方解石、白云石、文石(與方解石為同質(zhì)二相)、菱鎂礦、菱鐵礦、鐵白云石等，其他一些黏土礦物、有機(jī)質(zhì)、石膏、鹽巖、黃鐵礦、硅質(zhì)等(表3～5)。碳酸鹽巖定名方案(方解石和白云石)見表6。

Table 3. The chemical compositions of carbonate表3. 碳酸鹽巖的化學(xué)成分

Table 4. The comparison of chemical compositions between the typical limestones and dolomites表4. 典型石灰?guī)r與白云巖的化學(xué)成分對(duì)比

Table 5. The comparison of chemical compositions of the key minerals in carbonates表5. 碳酸鹽巖中的主要礦物化學(xué)成分對(duì)比

Table 6. The named scheme of carbonates表6. 碳酸鹽巖定名方案(方解石和白云石)

3.2.2. 碳酸鹽巖定量解釋

1) 巖石組成基本模型的確立

沉積巖的組成無(wú)非是碎屑巖類(即石英、長(zhǎng)石等)、黏土礦物類(如伊利石、蒙脫石等)、化學(xué)沉積物(如碳酸鹽巖顆粒)及其他物質(zhì)(如巖屑、碳酸巖等)。據(jù)此，可以建立巖石組成的基本模型，即：

2) 碳酸鹽巖組成基本模型的確立

通過(guò)對(duì)碳酸鹽巖所含礦物、化學(xué)成分、組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分析，進(jìn)行碳酸鹽巖定量化解釋的關(guān)鍵在于Ca、Mg、Si、K、Fe、S等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其所對(duì)應(yīng)的碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)、黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及蒸發(fā)巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的計(jì)算上。結(jié)合式(1)，碳酸鹽巖組成基本模型可以寫作：

當(dāng)待定名巖屑中不含或含極少量黏土礦物時(shí)，該模型可以進(jìn)一步精簡(jiǎn)為：

3) 碳酸鹽巖解釋方程的建立

① Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分配方程：

② Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分配方程：

③ S元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分配方程：

式中：Mfjs、Mbys、Msg、Mysg、Mqt分別代表方解石、白云石、石膏、硬石膏、其他物質(zhì)的量，%；Cfjs、Cbys、Csg、Cysg、Cqt分別代表方解石、白云石、石膏、硬石膏、其他物質(zhì)對(duì)應(yīng)的元素分子含量，1；CCa、CMg、CS分別是Ca、Mg、S元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

實(shí)際過(guò)程中，由于Ca、Mg、S等元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)是可以通過(guò)元素錄井儀器分析獲得，通過(guò)方程(4)、(5)、(6)即可計(jì)算分別得到Mfjs、Mbys、Mysg等的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從而通過(guò)碳酸鹽巖相對(duì)含量劃分類型標(biāo)準(zhǔn)對(duì)待定名巖屑進(jìn)行類型確定。

4) 碳酸鹽巖的元素錄井定名

通過(guò)上述步驟，可以計(jì)算得到Mfjs、Mbys、Mysg類等的含量，從而通過(guò)碳酸鹽巖相對(duì)含量劃分類型標(biāo)準(zhǔn)(表6、表7)對(duì)待定名巖屑進(jìn)行類型確定。

在實(shí)際操作過(guò)程中，由于巖屑是連續(xù)撈取，且?guī)r屑是呈混雜連續(xù)變化狀態(tài)存在的，故將計(jì)算得到的Mfjs、Mbys含量與單元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、井深、其他分析數(shù)據(jù)等一并成圖，結(jié)合Mfjs、Mbys含量變化趨勢(shì)來(lái)確定巖性的頂?shù)?，具體定名的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于單點(diǎn)結(jié)論判斷結(jié)果。

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)碳酸鹽巖物質(zhì)、巖心及巖屑分析資料，給出碳酸鹽巖巖性快速定名標(biāo)準(zhǔn)(表7)。

Table 7. The named criterion for carbonates in elemental mud logging表7. 元素錄井碳酸鹽巖定名標(biāo)準(zhǔn)

5) 與薄片分析、元素測(cè)井、碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析的對(duì)比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，選取不通井相同位置的巖心分別進(jìn)行元素分析(表 8)、薄片鑒定(表 9)。與薄片分析結(jié)果對(duì)比，通過(guò)計(jì)算得到Mfjs、Mbys、Mysg類等的含量不能完全等同于薄片鑒定結(jié)果，存在一定誤差，但不影響對(duì)巖性的定名(表9)。

通過(guò)與斯倫貝謝ECS測(cè)井解釋剖面相對(duì)比，該方法得到的解釋剖面與其一致性好，但在石膏巖的解釋上存在差距，主要原因是常規(guī)鉆井液體系下，石膏易水化膨脹，很難獲取代表性好的巖屑樣品，因此導(dǎo)致解釋存在一定偏差；而與碳酸鹽巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果定名對(duì)比，利用本方法計(jì)算結(jié)果在巖性定名上具有明顯的優(yōu)勢(shì)(圖1)。

Figure 1. The lithogical interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX圖1. 南堡XX井元素錄井巖性解釋圖

Table 8. The data (part) of rock core element analysis表8. 巖心元素分析數(shù)據(jù)(部分)

Table 9. The comparison between calculated data and identified rock slice data表9. 計(jì)算數(shù)據(jù)與薄片鑒定數(shù)據(jù)對(duì)比表

4. 應(yīng)用實(shí)例

4.1. 南堡構(gòu)造寒武系碳酸鹽巖潛山巖性解釋

研究區(qū)鉆遇寒武系地層自上而下鉆遇地層分別為徐莊組、毛莊組、饅頭組和府君山組4套地層(圖2)，其中毛莊組和府君山組主要以碳酸鹽巖為主。

1) 毛莊組地層元素特征及巖性解釋

毛莊組巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r。從元素錄井特征看，毛莊組一般具有較高的Ca、Mg、P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及較低的Si、Al、Fe、K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，毛莊組主體儲(chǔ)層2/3段Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于底部，經(jīng)計(jì)算上部白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近50%，下部質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高達(dá)50%以上，綜合解釋該段上部分為泥質(zhì)白云巖，下部為灰?guī)r。

2) 饅頭組地層元素特征及巖性解釋

設(shè)計(jì)提示表明該地饅頭組巖性主要為紫紅、灰綠色泥頁(yè)巖，灰色泥灰?guī)r及薄層灰色白云巖，其中以紫色、灰綠色泥頁(yè)巖為主。但從元素錄井特征看，饅頭組具有較高的Si、Al、Fe、Mg、K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及較低的Ca、P、Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高，多在25%～40%之間，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍小于5%，解釋結(jié)果為白云質(zhì)泥巖。

3) 府君山組地層元素特征及巖性解釋

寒武系府君山組地層巖性主要以灰?guī)r及灰質(zhì)白云巖為主。從元素錄井特征看，府君山組具有較高的Ca、Mg、P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及較低的Si、Al、Fe、K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算結(jié)果表明該地層普遍白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%，方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均8%，解釋為泥質(zhì)白云巖和白云巖。

4.2. 南堡構(gòu)造奧陶系碳酸鹽巖巖性解釋

Figure 2. The comprehensive logging interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX1圖2. 南堡XX1井元素錄井綜合解釋圖

南堡構(gòu)造奧淘系主要鉆遇地層為馬家溝組，巖性主要為灰?guī)r。從元素錄井特征看，該段具有較高的Ca元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及較低的Si、Al、Fe、Mn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算結(jié)果表明該地層方解石質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于70%，白云石質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～15%之間，故解釋為灰?guī)r和含云灰?guī)r(圖3)。

Figure 3. The comprehensive logging interpreting diagram of elemental mud logging in Well Nanpu XX2圖3. 南堡XX2井元素錄井綜合解釋圖

5. 結(jié)論

在元素錄井技術(shù)出現(xiàn)前，現(xiàn)場(chǎng)錄井主要依靠肉眼觀察和碳酸鹽巖分析進(jìn)行碳酸鹽巖的巖性劃分。元素錄井技術(shù)出現(xiàn)后，通過(guò)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)從而指導(dǎo)巖性劃分，為錄井確定巖性提供了一種新方法。應(yīng)用表明，該解釋方法可行，且解釋效果良好，能有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)錄井工作。

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[編輯]黃鸝

A Study on Fine Interpretation of Carbonate Lithology Based on X Radial Fluorescence Mud Logging Information

Suowei Yang, Zejun Xu, Yansong Liu
Engineering Supervision Center of Jidong Oilfield Company, PetroChina, Tangshan Hebei

楊鎖衛(wèi)(1983-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事地質(zhì)錄井研究及監(jiān)督管理工作。

2017年4月12日；錄用日期：2017年7月6日；發(fā)布日期：2017年8月15日

Copyright ? 2017 by authors, Yangtze University and Hans Publishers Inc.

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Received: Apr. 12th, 2017; accepted: Jul. 6th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 楊鎖衛(wèi), 許澤君, 劉巖松. 利用元素錄井進(jìn)行碳酸鹽巖巖性精細(xì)解釋研究[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2017, 39(4):83-92.

10.12677/jogt.2017.394041