吳 萍，尹 平，黃定友，羅 芳，伍 燚

中石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都

元素、伽馬能譜錄井在川東地區(qū)下二疊統(tǒng)分層中的應(yīng)用

吳 萍，尹 平，黃定友，羅 芳，伍 燚

中石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都

川東地區(qū)下二疊統(tǒng)除梁山組外是以大套灰?guī)r為主的地層，巖性單一，傳統(tǒng)錄井主要依靠巖屑顏色來劃分地層，隨著鉆井工藝的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，粉末狀巖屑顏色普遍變淺，小層劃分難度加大。川東地區(qū)下二疊統(tǒng)歷經(jīng)多個(gè)沉積小旋回，應(yīng)用元素錄井，通過元素含量、元素比值的細(xì)微差別可以直觀地反映巖石成分的變化，從而劃分出小層；同時(shí)鑒于川東地區(qū)茅口組、棲霞組各小層顏色差異的主要原因?yàn)楦缓袡C(jī)質(zhì)多少，應(yīng)用巖屑伽馬能譜錄井更有助于小層劃分。通過對(duì)川東地區(qū)下二疊統(tǒng)元素錄井、巖屑伽馬能譜錄井特征分析，形成了特征參數(shù)趨勢(shì)法、比值法、指數(shù)法等錄井地層劃分方法，并在現(xiàn)場應(yīng)用取得了較好效果，為下步在該區(qū)推廣奠定了基礎(chǔ)。

川東地區(qū)，下二疊統(tǒng)，元素錄井，伽馬能譜錄井，小層劃分

AbstractThe Lower Permian in the eastern Sichuan Area was dominated by a large set of limestone except Liangshan Formation, it was simple lithology. Previously, traditional logging mainly relied on cuttings color for stratigraphic division. With the development and wide application of new drilling technology, powder-like cuttings were generally lighter in color; it was more difficult for division of sublayers. The Lower Permian in eastern Sichuan Area experienced several small cycles of deposition. Based on element logging, the subtle differences in element content and element ratio could visually reflect rock composition changes between sublayers, therefore identify the sublayers. Since the color difference of sublayers in Maokou Formation, Qixia Formation form eastern Sichuan Area was mainly due to organic matter content, the application of cuttings gamma spectrometer logging was more conducive to sublayer division. Based on the characteristics of element logging and gamma-ray spectrum logging in Lower Permian of the eastern Sichuan Area, characteristic parameter trend method, ratio method, and exponential method are established for strata division. Good results are achieved in the field application; they provide foundation for further promotion in the area.

KeywordsEastern Sichuan Area, Lower Permian, Element Logging, Gamma-Ray Spectrum Logging, Sublayer Division

1. 前言

近年來川東地區(qū)石炭系氣藏開發(fā)井主要以水平井和大斜度井為主，由于該區(qū)屬高陡構(gòu)造，井眼軌跡的調(diào)整主要集中在下二疊統(tǒng)，能否準(zhǔn)確地劃分出下二疊統(tǒng)各層段，是順利鉆達(dá)地質(zhì)目標(biāo)靶區(qū)的關(guān)鍵。

川東地區(qū)茅口組、棲霞組巖屑具有深淺相間特征，以棲霞組二段顏色最淺，易于識(shí)別，為區(qū)域性分層標(biāo)志，而其余各小層間雖有顏色差，但差異不大，但巖性基本一致，通常難以隨鉆準(zhǔn)確地識(shí)別出地層歸屬。近年來，隨鉆井工藝水平的大幅提升，PDC鉆頭 + 螺桿鉆井工藝廣泛應(yīng)用，粉末狀巖屑的顏色差異就更不明顯，極大程度地制約了錄井分層的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響地質(zhì)目標(biāo)靶區(qū)的順利鉆達(dá)。茅口組-棲霞組各小層間除了顏色上存在差異外，巖石組分及含有物也各有不同，深色地層富含泥質(zhì)，淺色地層多具白云巖化。伽馬能譜錄井通過檢測(cè)巖屑中泥質(zhì)的含量、元素錄井測(cè)量出的各特征元素含量來識(shí)別巖性。因此，在川東地區(qū)下二疊統(tǒng)開展元素錄井、伽馬能譜錄井，能及時(shí)、準(zhǔn)確地劃分各組、段、亞段。通過2口井的實(shí)際應(yīng)用，分層效果明顯。

2. 川東地區(qū)下二疊統(tǒng)巖性組合

川東地區(qū)下二疊統(tǒng)自上而下發(fā)育茅口組、棲霞組、梁山組。茅口組、棲霞組為一套廣海碳酸鹽巖沉積。茅口組以顏色變化分為4段，即茅四段、茅三段、茅二段和茅一段。茅四段為深灰–黑灰色灰?guī)r，局部夾燧石結(jié)核灰?guī)r或頁巖，泥質(zhì)含量重。茅三段以淺灰褐、灰褐色灰?guī)r為主，顏色較上、下層淺，底部夾薄層深灰色、深灰黑色灰?guī)r，局部具重結(jié)晶、白云巖化作用，以生物碎屑含量高為特征。茅二段、茅一段自上而下均可分為a、b、c共3個(gè)亞段。其中茅二段a亞段為深灰、深灰黑、黑灰色灰?guī)r，底部見燧石及具白云巖化現(xiàn)象，泥質(zhì)含量較重，局部形成泥質(zhì)薄層；b亞段為深灰褐色、深灰、灰褐色灰?guī)r，白云巖化普遍，局部夾云巖或云質(zhì)灰?guī)r，底部局部地區(qū)有燧石分布；c亞段為深灰–黑灰色灰?guī)r，含泥質(zhì)重，硅化、白云巖化普遍且明顯。茅一段a亞段為深灰黑-黑灰色灰?guī)r，夾黑色泥質(zhì)薄層，局部具硅化及滑石化，偶見“透鏡狀”泥質(zhì)顆粒；b亞段為深灰–灰色灰?guī)r，局部含泥質(zhì)或燧石，色較上、下層淺，俗稱“中灰?guī)r”，厚度較為穩(wěn)定(6～10 m)，分層標(biāo)志作用較強(qiáng)；c亞段為深灰–灰黑色灰?guī)r，以含拱石(滑石化)為特征，局部硅化，夾泥質(zhì)條帶或薄層。棲霞組分為2段，其中棲二段為淺灰–灰褐色灰?guī)r，重結(jié)晶作用明顯，局部具硅化，底部具白云巖化，生物結(jié)構(gòu)或內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)特征明顯，厚度穩(wěn)定(15～25 m)，具有區(qū)域標(biāo)志層作用；棲一段為深灰–灰黑色灰?guī)r，夾白云石化灰?guī)r，多含泥質(zhì)，上部硅化明顯，中部燧石較多，下部常夾泥質(zhì)條帶，距底15～20 m見一套燧石結(jié)核(硅質(zhì))灰?guī)r，為區(qū)域性輔助標(biāo)志層。梁山組為灰黑色頁巖夾碳質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖，灰、灰綠色鋁土質(zhì)泥巖，深灰色泥灰?guī)r薄層、粉砂巖及煤，巖性以種類多、厚度薄為特點(diǎn)。

3. 元素錄井分層技術(shù)

元素錄井技術(shù)是建立在X射線熒光光譜分析理論基礎(chǔ)上，并結(jié)合巖石地球化學(xué)理論的一種創(chuàng)新技術(shù)[1]。該技術(shù)為克服傳統(tǒng)巖屑巖性識(shí)別依靠肉眼觀察或借助光學(xué)儀器觀察產(chǎn)生的局限性提供了新渠道。

3.1. 元素錄井原理

地殼中各元素的平均含量稱為克拉克值。地殼中最多的化學(xué)元素是氧，它占總重量的 48.6%，其次是硅占26.3%，以下依次是鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂，這8種元素占地殼總重量的98.04%，稱為主量元素。除氧以外的7種元素在地殼中與氧結(jié)合形成的氧化物，是構(gòu)成3大類巖石的主體。

XRF是X射線熒光光譜分析的簡稱，通過分析物質(zhì)被高速運(yùn)動(dòng)電子或帶電離子轟擊后輻射出的二次X射線及光譜的特征，達(dá)到檢測(cè)或分析物質(zhì)元素組成的目的[2]。

該次研究采用的元素錄井儀為SYX-1型X射線熒光元素錄井儀。該元素錄井儀是針對(duì)地質(zhì)錄井行業(yè)設(shè)計(jì)的X射線熒光光譜儀。SYX-1型X射線熒光元素錄井儀由主機(jī)、真空泵、采集分析計(jì)算機(jī)、軟件及其他附件組成(圖1)。該儀器最多能測(cè)量26種元素，所需樣品量小，僅需要10 g左右樣品洗凈烤干后即可進(jìn)行巖屑的粉碎、制樣、測(cè)量工作。該設(shè)備測(cè)量誤差較小，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性較好。

Figure 1. The sketch of structure of SYX-1 X-ray fluorescence elemental logging tool圖1. SYX-1型X射線熒光元素錄井儀構(gòu)成示意圖

3.2. 元素錄井分層方法

碎屑巖敏感元素有Al、Si、Fe、K等，Si元素含量可以間接地認(rèn)為代表砂質(zhì)含量，F(xiàn)e元素含量代表泥質(zhì)含量；碳酸鹽巖敏感元素有Ca、Mg、S等，在碳酸鹽巖為主的地層中，Ca元素代表石灰?guī)r的含量，Mg元素代表白云巖含量。下面以 Z201-H1井作為標(biāo)準(zhǔn)井進(jìn)行介紹，利用各層段特征元素含量的細(xì)微差別進(jìn)行地層劃分。

3.2.1. 曲線趨勢(shì)法

川東地區(qū)茅口組和棲霞組均以灰?guī)r為主，總體上茅口組泥質(zhì)含量比棲霞組高，各組內(nèi)茅一段和棲一段底部泥質(zhì)增高，特征元素主要表現(xiàn)為Si升高、Ca降低(圖2)。

Figure 2. The plot for elemental division in Lower Permian圖2. 下二疊統(tǒng)元素劃分圖

Si元素特征變化最明顯，茅口組整體表現(xiàn)為中-高值，茅一段b亞段與上、下鄰層相比含量均低。棲二段Si元素為極低值，地層厚度20 m左右，是表現(xiàn)最穩(wěn)定的地層，可作為該區(qū)下二疊統(tǒng)劃分的標(biāo)準(zhǔn)層。到梁山組Si元素升至高值。

其次是Ca、Mg元素，整個(gè)下二疊統(tǒng)灰?guī)rCa是主量元素，部分層段含云質(zhì)，茅口組Mg元素含量高于棲霞組，進(jìn)入棲霞組后Ca元素相對(duì)上升，Mg元素相對(duì)下降。梁山組Ca、Mg元素降低。

曲線趨勢(shì)法簡便快捷、直觀明了，是最靈活適用的元素地層劃分方法，該方法不但考慮了元素的絕對(duì)含量變化，還遵從了元素含量的相對(duì)變化趨勢(shì)，非常符合基于混合巖屑元素的錄井分層。

3.2.2. 曲線比值法

下二疊統(tǒng)下部梁山組碎屑巖具有高Si、高Al、高Fe，低Ca、低Mg的特點(diǎn)。茅口組和棲霞組灰?guī)r具有高Ca、低Mg、低Al、低Fe的元素特征，曲線變化幅度小，但Si元素隨泥質(zhì)含量高低而變化，總體呈現(xiàn)出兩段由低到高的趨勢(shì)，即茅口組由上至下Si含量逐漸增加，進(jìn)入棲二段泥質(zhì)減少，至棲一段泥質(zhì)再增加，因此棲霞組Si含量上、中部低，底部升高?？v向上，茅口組以茅一段c亞段、棲霞組以棲一段b亞段灰?guī)r的Si/Al最高，特征最為明顯，茅一段b亞段和棲二段相對(duì)較低，呈逐漸升高的趨勢(shì)。梁山組 Si/Al最低(圖 2)。

茅口組和棲霞組灰?guī)r除Si元素有變化外，F(xiàn)e元素也具有高→低→高的趨勢(shì)，Si/Fe對(duì)地層劃分有一定的輔助作用。Si/Fe在縱向上表現(xiàn)出茅一段底部高值，進(jìn)入棲二段Si/Fe降低。因此，可利用Si/Al比、Si/Fe比變化特征劃分地層。

3.2.3. 指數(shù)法

為了便于地層劃分，將多種元素含量通過數(shù)學(xué)方法建立一個(gè)函數(shù)關(guān)系，即：

Ish是Al、Si、Fe、K幾種元素含量的函數(shù)，巖性的變化必然會(huì)引起Ish的變化，通過Ish在縱向上的變化進(jìn)行地層劃分(圖2)?？傮w上，上二疊統(tǒng)Ish在茅口組、棲霞組二段由上至下呈逐漸升高的趨勢(shì)。Z201-H1井Ish與Si元素變化趨勢(shì)相同，Ish隨泥質(zhì)含量高低而變化，茅四段–茅二段主要為低值，茅二段a亞段底部有一尖峰狀高值，下部茅一段曲線呈峰狀高低值變化，茅一段b亞段比上、下鄰層低，為輔助標(biāo)志層。進(jìn)入棲霞組Ish明顯降低，棲一段近底部逐漸升高。梁山組Ish為高值。

4. 巖屑伽馬能譜分層技術(shù)

4.1. 伽馬能譜錄井原理

巖屑的放射性是由巖屑中所含的鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)系放射性同位素引起的。上述元素在自然界衰變過程中，原子核中多余的能量以高能電磁波的形式輻射出去，即放出γ射線，通過探測(cè)γ射線的數(shù)量，能確定巖屑放射性元素的含量，并進(jìn)一步用來研究巖層性質(zhì)[3]。自然伽馬能譜錄井是根據(jù)U、Th、K的自然伽馬能譜特征，用能譜分析的方法將測(cè)量到的U、Th、K的伽馬射線的混合譜，進(jìn)行譜的解析，從而確定巖樣中U、Th、K含量的一種錄井技術(shù)[4]。

該次測(cè)量使用CIT-3000F低本底γ能譜錄井儀完成。CIT-3000F低本底γ能譜錄井儀由四川新先達(dá)測(cè)控技術(shù)有限公司研制。通過室內(nèi)標(biāo)定及在川渝地區(qū)的使用經(jīng)驗(yàn)，該設(shè)備滿足現(xiàn)場快速測(cè)定并記錄γ放射性測(cè)量的要求。

由NaI晶體采集到的自然放射性劑量經(jīng)放大后進(jìn)入多道脈沖分析器，根據(jù)不同核素具有不同放射性能量的特點(diǎn)，在脈沖分析器中解析出不同核素的含量，再由單片機(jī)根據(jù)特有的算法計(jì)算出活度值。

多道脈沖幅度分析器是核譜測(cè)量中的關(guān)鍵部件，它的作用是把被測(cè)得的模擬量轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)可以接受的數(shù)值量，即完成對(duì)脈沖幅度的甄別。工作過程是：獲取核譜信號(hào)(采樣脈沖峰值)，ADC將脈沖轉(zhuǎn)換成與幅度成正比的數(shù)值量，再以數(shù)值量作為存儲(chǔ)器的道址碼記錄脈沖數(shù)，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的各道計(jì)數(shù)即表征了脈沖按幅度大小的分布情況，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

4.2. 伽馬能譜錄井分層方法

自然伽馬能譜錄井資料包含4個(gè)參數(shù)：巖樣自然伽馬(qAPI)和U、Th、K的含量。按一定錄井間距對(duì)巖樣的放射性強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，得到實(shí)時(shí)的隨深度變化的曲線。Z201-H1井下二疊統(tǒng)選取172個(gè)巖屑樣品進(jìn)行伽馬能譜測(cè)量，為地層劃分研究奠定了基礎(chǔ)。

不同的沉積巖中放射性核素含量變化范圍較大，普通黏土巖中鉀和釷的含量高，而鈾相對(duì)含量較低。在還原環(huán)境中，鈾的含量會(huì)增高，若黏土中富含有機(jī)物或硫化物時(shí)，鈾含量明顯增高[5]。通過比較分析認(rèn)為，巖屑qAPI和U曲線變化特征較明顯。從巖屑無鈾伽馬(qKTh)曲線可以看出，不包含鈾的曲線縱向上變化不大，說明茅口組、棲霞組各小層及梁山組含泥質(zhì)的多少對(duì)U含量高低有直接影響。

巖性變化以及泥質(zhì)含量高低會(huì)引起wsh(U)的變化，以此進(jìn)行地層劃分。wsh(U)曲線表現(xiàn)出與巖屑qAPI和U相似的變化特征。巖屑qAPI、U以及wsh(U)條曲線從茅三段到茅一段a亞段逐漸增大，到棲二段逐漸降至最低，到棲一段底又逐漸升高，到梁山組升至最高(圖3)。在下二疊統(tǒng)，茅三段、茅一段b亞段、棲二段巖屑qAPI、U、wsh(U)曲線比上下鄰層低(表1)。

Table 1. The gamma spectral parameters of the Lower Permian Formation表1. 下二疊統(tǒng)地層伽馬能譜參數(shù)表

Figure 3. The plot of gamma spectral stratigraphic division in Lower Permian圖3. 下二疊統(tǒng)伽馬能譜地層劃分圖

5. 應(yīng)用效果

Z202井和X203井是川東地區(qū)不同構(gòu)造的兩口評(píng)價(jià)井，為保障下二疊統(tǒng)各小層的劃分，采用元素錄井和伽馬能譜錄井技術(shù)輔助分層。

從巖性組合看茅二段c亞段、茅一段a亞段、茅一段c亞段以深色灰?guī)r為主，富含泥質(zhì)與泥質(zhì)。分層特征元素主要有Si、Ca、Mg，Si/Al、Si/Fe及Ish縱向上變化特征明顯。茅口組和棲霞組元素分層表現(xiàn)為Si、Mg降低，Ca升高，Si/Al、Si/Fe、Ish降低；顏色淺、泥質(zhì)含量較低的茅三段、茅一段b亞段、棲二段表現(xiàn)為Si低、Ca高，Si/Al、Si/Fe、Ish低。進(jìn)梁山組分層特征明顯，為Si大幅升高，Ca、Mg降低，Si/Al、Si/Fe降低，Ish升高分界。

從巖屑伽馬能譜資料分析，巖屑qAPI、U、φsh(U)幾項(xiàng)參數(shù)相對(duì)于下二疊統(tǒng)各小層劃分特征明顯，從茅口組具有由上到下逐漸增大、到棲二段降低、到梁山組升高的特征。茅口組和棲霞組以巖屑qAPI、U、wsh(U)降低分層，純灰?guī)r段茅三段、茅一段b亞段、棲二段具有巖屑qAPI、U、wsh(U)低值的特點(diǎn)(圖4、圖5)。

Figure 4. The plot of stratigraphic division using elemental spectral curve in the Lower Permian of Well Z202圖4. Z202井下二疊統(tǒng)元素能譜曲線地層劃分圖

Figure 5. The plot of stratigraphic division using elemental spectral curve in the Lower Permian of Well X203圖5. X203井下二疊統(tǒng)元素能譜曲線地層劃分圖

利用元素錄井和伽馬能譜錄井資料實(shí)時(shí)進(jìn)行地層對(duì)比，通過精細(xì)分析驗(yàn)證了分層方法的適用性。將Z202井與X203井元素錄井、伽馬能譜分層與巖屑分層、電測(cè)分層進(jìn)行對(duì)比(表2)，測(cè)井分層、巖屑分層均只分到組，利用特殊錄井技術(shù)可以進(jìn)行小層劃分，其分層底界井深與測(cè)井分層的誤差在2 m以內(nèi)，在巖電允許誤差范圍內(nèi)，滿足現(xiàn)場錄井要求。

Table 2. The statistics of contrast of stratification between special element logging and well logging in Well Z202 and Well X203表2. Z202井、X203井特殊錄井分層與測(cè)井分層對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

6. 結(jié)論

1) 相比傳統(tǒng)的地層劃分方法，元素錄井和伽馬能譜錄井受鉆井工藝技術(shù)影響較小，具有分析周期短、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、參數(shù)特征突出的優(yōu)勢(shì)，適用性強(qiáng)，值得大力推廣。

2) 對(duì)于川東地區(qū)下二疊統(tǒng)巖性主要特征為Si、Mg降低，Ca升高，Si/Al、Si/Fe、Ish以及巖屑qAPI、U、wsh(U)降低。茅一段b亞段灰?guī)r較純，泥質(zhì)含量低，但由于該段厚度較薄(10 m左右)，各項(xiàng)特征參數(shù)表現(xiàn)有差異，需結(jié)合現(xiàn)場巖屑進(jìn)行認(rèn)識(shí)。棲二段也為純灰?guī)r，地層厚度20 m左右，是各項(xiàng)特征表現(xiàn)最穩(wěn)定的層段，可作為該區(qū)下二疊統(tǒng)劃分的標(biāo)準(zhǔn)層。

3) 由于區(qū)域間的橫向變化，不同構(gòu)造、不同區(qū)塊以及不同的單井在巖性成分上存在差別，也導(dǎo)致地層元素含量存在變化，各井曲線變化趨勢(shì)不盡一致，在參考特征參數(shù)和各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分層時(shí)，還要更多地進(jìn)行綜合分析。

4) 在應(yīng)用這兩項(xiàng)錄井技術(shù)分層的過程中，為保證資料的可靠性，在鉆井過程中應(yīng)盡量使用同一套設(shè)備，并保證儀器調(diào)試準(zhǔn)確；另外巖屑錄取數(shù)量和質(zhì)量也是利用好這兩項(xiàng)技術(shù)的重要前提，不可忽視。

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[編輯]鄧?yán)?/p>

The Application of Element and Gamma-Ray Spectrum Logging in Lower Permian Strata in the Eastern Sichuan Area

Ping Wu, Ping Yin, Dingyou Huang, Fang Luo, Yi Wu
Research Institute of Geological Exploration and Development, PetroChina Chuanqing Drilling Engineering Co.Ltd., Chengdu Sichuan

吳萍(1973-)，女，高級(jí)工程師，主要從事石油地質(zhì)、錄井技術(shù)研究工作。

2017年2月10日；錄用日期：2017年5月10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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Received: Feb. 10th, 2017; accepted: May 10th, 2017; published: Aug. 15th, 2017

文章引用: 吳萍, 尹平, 黃定友, 羅芳, 伍燚. 元素、伽馬能譜錄井在川東地區(qū)下二疊統(tǒng)分層中的應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報(bào), 2017, 39(4): 93-102.

10.12677/jogt.2017.394042