闞留杰 譚忠健 胡 云 譚偉雄 楊 鋒 陳瓊浩

(①中海石油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；②中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司；③中國(guó)石油華北油田分公司技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)處)

0 引 言

目前，元素錄井資料的應(yīng)用主要集中于巖性識(shí)別、地層劃分等方面，基本能識(shí)別各類(lèi)巖性，并建立了元素錄井的巖性解釋模型和地層特征剖面，但應(yīng)用于沉積相分析方面的研究較少，目前仍處于初始階段。

元素地球化學(xué)分析可用于研究巖相古地理。前人在地球化學(xué)研究中，廣泛應(yīng)用元素比值法，如Al、Ti、Fe是陸源的代表性元素，而Mn是典型的大洋型沉積元素，Mn/Fe比值則代表了沉積水體的深度[1]，藉此可幫助識(shí)別沉積環(huán)境。地層沉積過(guò)程中，隨著水體深度的變化，巖石中元素的含量也將發(fā)生明顯變化，利用元素曲線特征及錄井剖面，可以判斷沉積水體深度的變化，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特征，可依次劃分出沖積扇、河流、湖泊等沉積相。因此，元素錄井對(duì)地層層序、體系域邊界識(shí)別及層序框架內(nèi)的沉積巖相古地理特征(古鹽度、古水深、水體的pH值、氧化還原條件、湖平面升降變化等)恢復(fù)的研究都具有重要意義。

1 元素錄井預(yù)測(cè)巖相可行性分析

元素遷移是指在各種自然環(huán)境下，元素結(jié)合與分離(一種賦存狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N賦存狀態(tài))、集中與分散的重新分配過(guò)程。元素的遷移不但發(fā)生在大規(guī)模的宏觀地質(zhì)作用中，同時(shí)發(fā)生在微觀地質(zhì)變化中。元素的遷移使得元素在地殼的不同地點(diǎn)集中或分散，并造成不同的共生組合，是礦床形成的前提，也是元素錄井利用元素信息進(jìn)行巖性識(shí)別、地層評(píng)價(jià)的依據(jù)[2]。

在一定的巖相古地理環(huán)境下，元素遷移是有規(guī)律的(圖1)。元素的遷移可分兩個(gè)階段，第一階段為從原來(lái)的固定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入遷移介質(zhì)發(fā)生空間位移；第二階段為在新的環(huán)境條件下，元素形成新的相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)合關(guān)系。

圖1 元素遷移模式

元素的遷移能力與風(fēng)化作用息息相關(guān)。巖石風(fēng)化作用與濕度和溫度密切相關(guān)，濕度越大，溫度越高，風(fēng)化作用越強(qiáng)。在干燥的環(huán)境中，以物理風(fēng)化作用為主，且隨著溫度的升高物理風(fēng)化作用逐漸加強(qiáng)；在濕潤(rùn)的環(huán)境中，以化學(xué)風(fēng)化作用為主，且隨著溫度的升高化學(xué)風(fēng)化作用逐漸加強(qiáng)，如圖2所示，從①到④物理風(fēng)化作用和③到②化學(xué)風(fēng)化作用均逐漸加強(qiáng)。物理風(fēng)化作用主要受溫度變化影響，化學(xué)風(fēng)化作用受溫度和濕度變化影響都較大，元素的遷移能力也隨著風(fēng)化作用增強(qiáng)而增強(qiáng)。

圖2 不同氣候條件下物理、化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)弱變化

不同元素由固定狀態(tài)轉(zhuǎn)化為活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入遷移介質(zhì)的能力不同。實(shí)際上，不同元素遷移能力表現(xiàn)大不相同，如S、Cl、B、Br、I等元素的離子遷移能力最強(qiáng)，最易搬運(yùn)進(jìn)入水體中，因此這些元素在母巖區(qū)巖石中含量相對(duì)較低；而Al、Fe、Ti、Zr等元素遷移能力最弱，因此這些元素在母巖區(qū)巖石中含量相對(duì)較高。在新的環(huán)境條件下，元素形成新的穩(wěn)定結(jié)合關(guān)系所需要的環(huán)境也不同。綜上所述，利用元素錄井進(jìn)行巖相古地理分析從理論上是可行的。

2 巖相古地理研究

2.1 元素在古環(huán)境分析中的應(yīng)用

前人根據(jù)元素錄井及微量元素分析對(duì)巖相古地理分析進(jìn)行了一些嘗試，其分析內(nèi)容包括：古鹽度分析、氧化還原環(huán)境分析、離岸距離分析、濱岸線和主河道線分析[3-5]。古鹽度分析指標(biāo)包括B、B/Ca、Sr/Ba、C/S、Fe/Mn、Na/Ca、Rb/K、V/Ni、Mg/Ca；氧化還原環(huán)境分析指標(biāo)包括 Fe2+/Fe3+、Cu/Zn、(Cu+Mo)/Zn。濱岸線和主河道線分析是指通過(guò)元素主要客體的抗風(fēng)化磨蝕性分析，在元素或元素比值平面分析的基礎(chǔ)上，刻畫(huà)出巖相古地理框架。如在濱湖區(qū)和濱海區(qū)，由于波浪作用，石英相對(duì)富集，因而在濱湖區(qū)和濱海區(qū)形成一個(gè)硅相對(duì)高值帶。在水下分流河道區(qū)，也會(huì)形成一個(gè)硅相對(duì)高值帶。

2.2 元素分異規(guī)律

本研究所需基礎(chǔ)元素?cái)?shù)據(jù)及測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自渤海油田曹妃甸區(qū)塊，鉆遇地層從上至下分別為第四系平原組，新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組，古近系東營(yíng)組、沙河街組等，其中東營(yíng)組及以上地層以碎屑巖為主，沙河街組主要為碎屑巖和碳酸鹽巖。該區(qū)塊沉積相相對(duì)較全，有利于沉積相的識(shí)別及判斷。鑒于由陸地向湖盆中心不同元素的遷移富集規(guī)律不同，利用已知的測(cè)井資料結(jié)合元素錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取相應(yīng)不同元素含量分布特征，最終建立了曹妃甸區(qū)塊元素沉積環(huán)境分異規(guī)律，結(jié)果(圖3)表明：Ca元素易在水體中富集，水體中易發(fā)育湖泊相；Ti、Si等元素易在陸上富集，陸地上易發(fā)育河流三角洲相。

圖3 元素由陸向海遷移分異規(guī)律示意

3 相敏感元素分析

不同元素含量的多少，可以反映相應(yīng)的沉積環(huán)境。Mn/Fe比值反映水體深淺，Mn元素在陸地相對(duì)富集，遷移性偏差， Fe元素在水體中相對(duì)富集，遷移能力強(qiáng)，Mn/Fe比值越大，證明水體越深；Ti/Ca比值反映氣候干濕，Ca元素在干熱條件下易富集，Ti元素是金紅石主要成分，不易風(fēng)化[3-5]。據(jù)此需要把不同沉積環(huán)境的敏感元素篩選出來(lái)，以便于判斷沉積環(huán)境。

3.1 曹妃甸區(qū)域沉積相敏感元素

在由已知錄井、測(cè)井資料明確具體沉積相的基礎(chǔ)上，通過(guò)單井相元素統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)沖積扇、河流相、湖泊相的敏感元素為Si、Al，并用這兩種敏感元素進(jìn)行沉積相的分析，曹妃甸區(qū)域鉆井過(guò)程中主要揭示了沖積扇相、河流相和湖泊相等相類(lèi)型，其中：沖積扇相Si分辨范圍為28%～30%，Al元素為6.5%～7.5%；河流相Si分辨范圍為大于30%，Al元素為3%～6.5%；湖泊相Si分辨范圍為22%～28%，Al元素為7.5%～10%。

3.2 Si/Al比值指示粒度粗細(xì)

在源-渠-匯沉積體系中，受機(jī)械分異等因素的影響，越向湖中心(沉積中心)，沉積物粒度越細(xì)，Si的含量越低，黏土礦物中Al元素越高；相反距離物源區(qū)越近，沉積物粒度越粗，Si的含量越高， Al元素越低。這表明Si/Al比值能在一定程度上體現(xiàn)沉積物粒度指標(biāo)。圖4為曹妃甸區(qū)域15口井的Si/Al比值等值線圖，其中Si/Al比值為2.83～3.75，用藍(lán)色-紅色共16種顏色，代表沉積物粒度從小到大。

圖4 曹妃甸區(qū)域Si/Al比值等值線

4 元素相分析

4.1 單井相分析

利用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相分析，可參考傳統(tǒng)相分析方法，借鑒點(diǎn)-線-面互相刻畫(huà)思路，在元素單井相分析基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建單井元素相剖面、連井元素相剖面，最終為實(shí)現(xiàn)相平面的刻畫(huà)建立研究基礎(chǔ)。在曹妃甸區(qū)塊，以單井元素錄井資料為基礎(chǔ)，首先建立單井元素相剖面(圖5)，進(jìn)而構(gòu)建連井相剖面。

圖5 元素單井相分析

以Mn/Fe比值指示離岸遠(yuǎn)近，Ti/Ca比值指示氣候干濕，Si/Al比值指示粒度粗細(xì)，三者結(jié)合反映沉積環(huán)境。從圖5可以看出，曹妃甸區(qū)塊館陶組以三角洲平原和河床為主，具有河流相沉積特征，三角洲平原相對(duì)具有離岸近、氣候干、粒度粗的特征，河床相對(duì)具有離岸遠(yuǎn)、氣候濕、粒度細(xì)的特征。東營(yíng)組具有三角洲前緣亞相沉積特征，河床相對(duì)具有離岸近、氣候干、粒度粗的特征，漫灘具有離岸遠(yuǎn)、氣候濕、粒度細(xì)的特征。

4.2 連井相分析

以曹妃甸五口井的單井元素分析剖面為基礎(chǔ)，制作連井剖面，即把河流相、三角洲前緣亞相、湖泊相等連線，制作出元素連井相剖面圖(圖6)。從圖中可以看出，曹妃甸區(qū)域的河流相沉積厚度不同，館陶組地層為河流相沉積特征，東營(yíng)組為三角洲前緣亞相，由此可將沉積相與地層層位相對(duì)應(yīng)。

4.3 巖相古地理分析

基于傳統(tǒng)沉積學(xué)理論，利用上述元素單井相分析、元素連井相分析結(jié)果，結(jié)合元素遷移規(guī)律，最終完成曹妃甸區(qū)巖相古地理環(huán)境的識(shí)別(圖7)。識(shí)別結(jié)果表明：在東營(yíng)組地層沉積時(shí)期，該區(qū)域北部主要發(fā)育由沖積扇-河流相-濱淺湖相的過(guò)渡連續(xù)沉積，南部主要發(fā)育三角洲相-濱淺湖相；在區(qū)域中心部位地勢(shì)最低、離岸最遠(yuǎn)、巖性也最細(xì)，發(fā)育濱淺湖相。

圖6 元素連井相剖面

圖7 曹妃甸區(qū)域巖東營(yíng)組沉積相古地理圖

5 結(jié) 論

在分析渤海油田曹妃甸區(qū)塊大量已鉆井地層元素圖譜和元素變化曲線的基礎(chǔ)上，作出單井元素剖面圖，繼而由點(diǎn)及線作出連井元素剖面圖，通過(guò)區(qū)域?qū)Ρ?，最終作出本區(qū)塊的元素巖相古地理圖，據(jù)此判斷曹妃甸區(qū)塊館陶組是以三角洲平原和河床為主，具有河流相沉積特征。三角洲平原相對(duì)具有離岸近、氣候干、粒度粗的特征，河床相對(duì)具有離岸遠(yuǎn)、氣候濕、粒度細(xì)的特征。東營(yíng)組具有三角洲前緣亞相沉積特征，河床相對(duì)具有離岸近、氣候干、粒度粗的特征，漫灘具有離岸遠(yuǎn)、氣候濕、粒度細(xì)的特征。應(yīng)用元素錄井可在一定程度上進(jìn)行沉積相的解釋及巖相古地理環(huán)境探索研究，雖然還在初步探索階段，但隨著元素錄井技術(shù)研究的深入與應(yīng)用的推廣，其解釋方法將日趨完善。