胡 云 李戰(zhàn)奎 郭明宇 戴 珩 崔國宏 張學(xué)斌

(①中海石油(中國)有限公司天津分公司；②中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司)

0 引 言

隨著渤海油田在渤中凹陷西南部渤中19-6構(gòu)造深層太古界變質(zhì)巖潛山獲得天然氣勘探重大突破，深層潛山油氣藏將是未來儲(chǔ)量增長的重要領(lǐng)域[1-6]。潛山巖性的識(shí)別是評(píng)價(jià)和判斷潛山儲(chǔ)集層的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，準(zhǔn)確識(shí)別潛山界面對(duì)潛山內(nèi)部油氣勘探具有重要意義[7-8]。隨著鉆井工藝不斷更新，PDC鉆頭和扭沖工具的使用使得鉆速不斷加快，巖屑細(xì)碎，更隨著總井深的不斷加大，常規(guī)錄井巖性識(shí)別和地層界面判斷面臨著巨大的困難和挑戰(zhàn)。針對(duì)這些難題，創(chuàng)新引入X射線衍射儀器[9-15]，使用X射線衍射全巖分析來對(duì)潛山界面巖性進(jìn)行識(shí)別。

X射線衍射全巖礦物分析(XRD)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型錄井技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)能夠很好地解決使用PDC鉆頭鉆探、使用扭沖等加速鉆具、井深及井斜較大等復(fù)雜鉆井條件下返出巖屑細(xì)碎難辨識(shí)的問題。在砂泥巖剖面劃分、復(fù)雜巖性識(shí)別、潛山界面判斷等方面發(fā)揮了重要的作用[16]。目前渤海油田還未建立衍射礦物含量識(shí)別巖性圖板和巖性界面識(shí)別方法，本文利用渤海油田M構(gòu)造各個(gè)地層鉆井巖屑、壁心、巖屑的X射線衍射全巖礦物含量數(shù)據(jù)及測井曲線等資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景對(duì)各類巖性進(jìn)行識(shí)別，為復(fù)雜巖性識(shí)別和潛山界面判斷提供了依據(jù)，極大提高了潛山界面的識(shí)別率，為成功勘探潛山油氣藏奠定了基礎(chǔ)[17-23]。

1 M構(gòu)造的巖性及衍射礦物特征

1.1 巖石類型

渤海油田M構(gòu)造鉆遇層位包括新生界、中生界、古生界和太古界；巖性主要包括沉積巖、火成巖和變質(zhì)巖，其中沉積巖包括砂礫巖、砂巖、泥巖和碳酸鹽巖，火成巖包括玄武巖、流紋巖和閃長玢巖等，變質(zhì)巖為花崗片麻巖和變質(zhì)花崗巖。由于該構(gòu)造花崗片麻巖和變質(zhì)花崗巖原巖屬于花崗巖和花崗閃長巖，本文將其作為火成巖類進(jìn)行分類識(shí)別。

應(yīng)用渤海油田現(xiàn)場巖屑、壁心和巖心的衍射分析數(shù)據(jù)，在20口井的大量數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，建立了衍射礦物含量與巖性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并利用巖心、壁心和薄片等資料相互進(jìn)行驗(yàn)證，最終形成了渤海油田M構(gòu)造衍射礦物含量與巖性數(shù)據(jù)庫，可得到各類巖性的礦物含量范圍及平均值。

1.2 巖石衍射礦物含量特征

通過對(duì)比各類巖石中石英含量可知，碎屑巖最高(20%～90%)，其次為變質(zhì)巖(9%～29%)和火成巖(5%～40%)，碳酸鹽巖最低(5%～12%)；對(duì)比長石含量可知，火成巖(25%～55%)和變質(zhì)巖(25%～60%)最高，其次為碎屑巖(10%～45%)，碳酸鹽巖最低(4%～15%)；對(duì)比方解石和白云石含量可知，碳酸鹽巖最高(50%～100%)，其余各類巖石含量較少(<20%)；對(duì)比暗色礦物(輝石+角閃石+黑云母)含量可知，玄武巖最高(15%～30%)，其次為流紋巖(6%～20%)，其余各類巖石含量較低(<10%)；對(duì)比副礦物(榍石+磁鐵礦+黃鐵礦+鈦鐵礦)含量可知，花崗片麻巖最高(6%～25%)，變質(zhì)花崗巖(7%～20%)、閃長玢巖(0～15%)和砂礫巖(0～10%)次之，砂泥巖(0～5%)和碳酸鹽巖(<3%)含量最低；榍石主要出現(xiàn)在火成侵入巖內(nèi)，閃長玢巖最高(12%～20%)，花崗片麻巖(5%～25%)和變質(zhì)花崗巖(7%～19%)次之。通過主要礦物含量可輔助判斷巖石大類。

2 巖性識(shí)別圖板的建立及應(yīng)用

為了準(zhǔn)確識(shí)別M構(gòu)造復(fù)雜巖性，以巖石化學(xué)成分和礦物成分分類為基礎(chǔ)，利用該區(qū)塊的衍射分析數(shù)據(jù)，選擇巖石響應(yīng)敏感的礦物進(jìn)行區(qū)域特征分析，通過不同礦物交會(huì)分析，建立了M構(gòu)造不同巖性特征圖板，并在井場巖性識(shí)別中進(jìn)行了應(yīng)用。

2.1 火成巖識(shí)別圖板

火成巖礦物成分和含量復(fù)雜多變，從超基性到酸性巖石礦物含量基本上是連續(xù)變化的，沒有明顯的界限。但總體上從酸性巖類到基性巖類，石英及長石的含量逐漸減少，暗色礦物(輝石+角閃石等)的含量逐漸增加[24-25]。利用由基性到酸性潛山石英和暗色礦物(角閃石+輝石+黑云母)，石英和長石礦物含量建立交會(huì)圖板，通過交會(huì)圖板結(jié)合巖石定名，得到M構(gòu)造火成巖識(shí)別圖板。

利用石英和長石礦物含量交會(huì)圖板能夠準(zhǔn)確區(qū)分出各類火成巖類別(圖1)，其中：Ⅰ區(qū)石英含量5%～10%，長石含量10%～50%，主要巖性為玄武巖；Ⅱ區(qū)石英含量10%～15%，長石含量20%～35%，主要巖性為閃長玢巖；Ⅲ區(qū)石英含量10%～25%，長石含量30%～60%，主要巖性為花崗片麻巖及變質(zhì)花崗巖；Ⅳ區(qū)石英含量30%～40%，長石含量30%～50%，主要巖性為流紋巖。

2.2 砂泥巖識(shí)別圖板

從礦物成分上來看，泥巖和砂巖主要礦物為石英和長石，砂巖石英含量明顯高于泥巖，而長石含量要低于泥巖。以M構(gòu)造東營組砂泥巖為例，利用石英和長石礦物含量交會(huì)圖板(圖2)，泥巖(Ⅰ區(qū))的石英含量小于40%，長石含量小于30%；砂巖(Ⅱ區(qū))的石英含量一般大于40%，長石含量大于25%。

2.3 碳酸鹽巖識(shí)別圖板

圖1 火成巖石英與長石交會(huì)圖板

圖2 砂泥巖識(shí)別圖板

從礦物成分上來看，碳酸鹽巖按照方解石和白云石含量的相對(duì)高低可以進(jìn)一步分為灰?guī)r、含云灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、含灰云巖、灰質(zhì)云巖和白云巖 6 種。通過對(duì)M構(gòu)造灰?guī)r衍射礦物分析的方解石和白云石含量與標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r、白云巖含量對(duì)比，將原標(biāo)準(zhǔn)的方解石和白云石含量與衍射礦物分析方解石和白云石含量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成了渤海油田M構(gòu)造X射線衍射全巖礦物分析碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)(表1)。通過M構(gòu)造已確定碳酸鹽巖不同巖性的X射線衍射全巖礦物數(shù)據(jù)點(diǎn)，利用方解石和白云石含量交會(huì)結(jié)合分類標(biāo)準(zhǔn)建立了碳酸鹽巖精準(zhǔn)定名圖板(圖3)。圖板劃分為6個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于白云巖、含灰云巖、灰質(zhì)云巖、云質(zhì)灰?guī)r、含云灰?guī)r以及灰?guī)r。

利用M構(gòu)造7個(gè)樣品(壁心)衍射分析數(shù)據(jù)在圖板上投點(diǎn)驗(yàn)證 ，數(shù)據(jù)落點(diǎn)與圖板劃分的6個(gè)區(qū)域吻合(圖3)，顯示定名與薄片鑒定名稱一致，證實(shí)碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)適用于該研究區(qū)。

表1 M構(gòu)造X射線衍射全巖礦物分析碳酸鹽巖分類標(biāo)準(zhǔn)

圖3 渤海M構(gòu)造碳酸鹽巖分類圖板

3 M構(gòu)造巖性識(shí)別拓展應(yīng)用

在現(xiàn)場地質(zhì)作業(yè)過程中，不僅面臨著巖性識(shí)別的難題，還需要能夠準(zhǔn)確劃分地層巖性剖面，如潛山界面的識(shí)別、特殊巖性界面劃分和砂泥巖剖面劃分等。利用礦物含量縱向變化和各類特征礦物曲線的組合交會(huì)法能夠準(zhǔn)確判斷地層及巖性界面深度，結(jié)合不同巖性區(qū)分圖板，能夠?yàn)闈撋浇缑婵ㄈ　⑸澳鄮r剖面劃分和侵入巖等特殊巖性識(shí)別提供重要依據(jù)。

3.1 太古界潛山界面的識(shí)別

渤海M構(gòu)造主要目的層為太古界潛山，巖性主要為花崗片麻巖。準(zhǔn)確卡取太古界潛山的界面對(duì)該構(gòu)造勘探至關(guān)重要，潛山界面卡取不準(zhǔn)確不僅會(huì)帶來單井報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，同樣會(huì)對(duì)鉆井工程安全造成嚴(yán)重后果。由于該區(qū)塊巖性復(fù)雜，潛山上覆地層為砂泥巖和砂礫巖，特別是砂礫巖由于礫石來源于潛山本體，對(duì)現(xiàn)場卡取潛山界面造成很大困擾。通過XRD礦物含量在縱向上的變化，選擇合適的礦物含量曲線進(jìn)行交會(huì)，結(jié)合巖性識(shí)別圖板，能夠準(zhǔn)確卡取潛山界面。

以M 1井為例，該井從井深4 570 m開始鉆遇大套砂礫巖，巖屑中能看到花崗片麻巖礫石和部分火成巖礫石，通過衍射礦物成分投點(diǎn)，判斷與鄰井相似，為砂礫巖。現(xiàn)場鉆井至井深4 932 m，礦物成分含量發(fā)生明顯變化，長石含量由23.5%升高至38.8%，石英含量由31%下降至21%，榍石含量由10.1%升高至18.4%。利用石英和長石交會(huì)曲線及石英和榍石交會(huì)曲線，判斷井深4 932 m是一個(gè)地層巖性界面(圖4)。利用石英和長石礦物含量投點(diǎn)(圖1)，4 932～4 936 m井段落在花崗片麻巖區(qū)域，綜合分析認(rèn)為該井從井深4 932 m進(jìn)入太古界潛山，及時(shí)中完。通過測井曲線證實(shí)，在井深4 932 m之后電阻率由20 Ω·m上升至100 Ω·m以上，證實(shí)進(jìn)入太古界潛山，錄井卡準(zhǔn)潛山界面。

通過在該區(qū)塊10口井潛山井應(yīng)用，潛山界面和巖性識(shí)別準(zhǔn)確率100%，為鉆井施工安全、提速提效以及潛山儲(chǔ)集層綜合評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

3.2 地層侵入巖識(shí)別

以M 2井為例，該井從井深4 950 m進(jìn)入太古界，鉆遇花崗片麻巖，在井段5 105～5 145 m和井段5 175～5 192 m巖屑顏色發(fā)生明顯變化，由淺灰色變?yōu)榛揖G色，巖性細(xì)碎，無法直觀判斷具體巖性。通過衍射礦物含量曲線對(duì)比，在這兩個(gè)井段礦物成分含量有明顯變化，石英含量由18.7%降低至12.9%，長石含量由38.3%降低至30.6%，黏土礦物含量由9.9%升高至17.4%，榍石含量由19.8%降低至15.2%。利用石英和黏土礦物曲線交會(huì)(圖5)，判斷在井段5 105～5 145 m和5 175～5 192 m出現(xiàn)明顯的反向交會(huì)，充填顏色由紫色變?yōu)辄S色，巖性有明顯變化。利用火成巖礦物圖板投點(diǎn)，其落在閃長玢巖區(qū)域(圖1)。綜合分析認(rèn)為其巖性為侵入巖閃長玢巖，而不是花崗片麻巖。通過測井曲線證實(shí)，自然伽馬和電阻率在兩段明顯為低值，井壁取心薄片鑒定巖石名稱為閃長玢巖，證實(shí)了圖板判斷結(jié)果準(zhǔn)確。

圖4 M 1井礦物含量錄井圖(潛山界面)

3.3 砂泥巖剖面劃分

沉積巖中砂泥巖的主要礦物包括石英、長石、方解石和黏土礦物等，在同一沉積環(huán)境下，砂巖中石英和長石含量高，黏土類礦物含量低；泥巖中石英和長石含量低，黏土類礦物含量高，并且砂巖石英含量高于泥巖石英含量。因此，選取淺色礦物(石英+長石)和黏土礦物的曲線交會(huì)，能夠準(zhǔn)確劃分出砂泥巖，為剖面的建立提供根據(jù)。

以M 3井為例，在井段4 000～4 300 m，返出巖屑細(xì)碎混雜，無法準(zhǔn)確識(shí)別砂泥巖。通過衍射礦物含量曲線對(duì)比，4 030～4 060 m、4 160～4 170 m、4 205～4 235 m這3個(gè)井段礦物成分含量有明顯變化，石英含量由28.5%升高至39.8%，長石含量由19.8%升高至28.1%，黏土礦物含量由15.1%降低至6.4%，榍石含量由8.4%升高至15.5%。利用淺色礦物(石英+長石)和黏土礦物含量曲線交會(huì)(圖6)，這3個(gè)井段的曲線出現(xiàn)明顯反向交會(huì)。利用砂泥巖礦物圖板投點(diǎn)，均落在砂巖區(qū)域(圖2)。通過測井曲線可以看出黏土礦物含量曲線與自然伽馬曲線趨勢(shì)一致，淺色礦物曲線則與電阻率曲線趨勢(shì)一致。運(yùn)用淺色礦物和黏土礦物曲線交會(huì)法可以輔助完成砂泥巖剖面的劃分，保證剖面準(zhǔn)確性。

圖5 M 2井礦物含量錄井圖(潛山內(nèi)幕)

圖6 M 3井礦物含量錄井圖

4 結(jié) 論

(1)建立了渤海油田M構(gòu)造巖性衍射礦物含量數(shù)據(jù)庫，從不同成分礦物含量上能夠初步區(qū)分砂泥巖、火成巖、變質(zhì)巖和碳酸鹽巖，為后續(xù)鉆井提供幫助。

(2)通過不同礦物交會(huì)分析，建立了M構(gòu)造火成巖、砂泥巖和碳酸鹽巖識(shí)別圖板，能夠在現(xiàn)場作業(yè)過程中快速準(zhǔn)確識(shí)別各類巖性。

(3)建立了利用礦物含量縱向變化和各類礦物曲線的組合交會(huì)識(shí)別地層及巖性界面，為潛山界面卡取，砂泥巖剖面劃分和侵入巖識(shí)別提供了依據(jù)。

(4)該方法成功地輔助完成M構(gòu)造10口井的潛山界面識(shí)別和復(fù)雜巖性識(shí)別，為錄井剖面建立、鉆井作業(yè)安全和潛山油氣綜合評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持。