馬樹明 李秀彬 李懷軍 經儉波 張小虎 張媛媛

(中國石油西部鉆探工程有限公司地質研究院(克拉瑪依錄井公司))

0 引 言

巖性識別是地質分層、儲集層評價、鉆井工程服務的基礎[1]。準噶爾盆地經過近60年的勘探開發(fā)，其淺層常規(guī)油氣資源日益減少，勘探開發(fā)逐漸向巖性復雜的腹部石炭系、西北緣二疊系等區(qū)塊轉移。同時，新工藝的應用，如氮氣鉆、空氣鉆、新型PDC鉆頭等[2]，給錄井的巖性識別帶來了諸多難題，種種原因使得復雜的火成巖巖性難以快速識別，因而可能導致巖性定名錯誤，卡層失準，有利巖相帶劃分失誤，給勘探開發(fā)帶來了一定的地質風險。通過開展X射線衍射礦物分析技術應用研究，建立常見準噶爾盆地腹部區(qū)塊火成巖巖性識別方法，為巖性定名、地層劃分、鉆井安全施工提供技術支持。

1 準噶爾盆地火成巖的分布概況

準噶爾盆地的火成巖主要分布在腹部、西北緣和東部等區(qū)塊的石炭系地層及二疊系地層，其中腹部區(qū)塊面積最大，涵蓋了中央坳陷、陸梁隆起以及輪古坳陷三個主要構造帶[3]。腹部區(qū)塊多以火山碎屑巖及中、基性噴出巖為主，部分區(qū)塊發(fā)育酸性的淺成侵入巖和噴出巖。常見的巖性有凝灰?guī)r、安山巖、流紋巖、玄武巖等，其中個別區(qū)塊發(fā)育花崗巖、花崗斑巖、英安巖、石英霏細斑巖及火山角礫巖等。

2 錄井現場火成巖識別現狀

當前針對火成巖鉆井提速的手段較為多樣，各種鉆頭和工具及工藝層出不窮，鉆出的巖屑細小，甚至成為粉末狀已經常態(tài)化。以前依靠鉆時的比較、巖屑的形狀、顏色的觀察等來識別巖性的方法，已經存在明顯不足?，F場地質人員在識別巖性上也僅能借助于刻度放大鏡或顯微鏡，這對于砂、泥巖的觀察描述能起到一定作用，但是對于成分、結構復雜的火成巖作用不大。尤其當巖屑細小時，現場基本不能識別，只能依靠鉆井取心或井壁取心等方法來落實巖性，增加了鉆井成本，延長了鉆探周期。

3 X射線衍射礦物分析技術原理現狀

3.1 X射線衍射礦物分析技術原理

X射線激發(fā)樣品后，不同晶體產生不同的衍射效應，任何結晶物質因都有特定的化學組成和結構參數，而獲得各自樣品的衍射譜圖，每一種礦物晶胞參數d值是唯一的(d值是描述晶體形狀與大小的參數，可根據衍射的角度計算)。將分析樣品晶胞參數d值與標準物質比對，就能檢測礦物[4]。

3.2 目前的應用方向

目前國內大部分油田均引進了X射線衍射礦物分析技術，但大多數油田都用在沉積巖中砂、泥巖的巖性識別上。滕工生等[5]利用X射線衍射礦物分析技術建立了華北油田的砂、泥巖及碳酸鹽巖的巖性識別方法，取得了較好的應用效果。付連明等[2]在準噶爾盆地車排子油田火成巖的巖性識別上對X射線衍射礦物分析技術也有一定研究，但是限于X射線衍射礦物分析技術引進初期解釋方法的不完備及研究手段的單一性，其劃分標準中也僅能從石英、斜長石礦物含量區(qū)分，而對于火成巖中常見的角閃石、輝石、云母等副礦物成分則未進行說明?？傮w上來看，因各個油田的巖性種類不同，各自的研究目的也不盡相同，現階段X射線衍射礦物分析技術仍然傾向于沉積巖的研究，僅有新疆油田用于火成巖的巖性識別研究。

4 巖性識別方法的研究與建立

4.1 基礎研究

巖心分析、薄片定名是建立巖性識別方法的基礎。研究收集并分析了1998年以來準噶爾盆地腹部區(qū)塊30余口已鉆及正鉆井的石炭系巖心及巖屑樣品共計7 000余個(包)，對收集的巖屑樣品進行鏡下薄片巖性定名，同時鏡下確定礦物種類，依據巖性進行歸類(表1)，然后分類進行礦物分析，確定不同巖性的礦物組成和含量并建立數據庫和衍射譜圖庫。依據礦物的組成種類、含量的區(qū)間范圍進行分類統(tǒng)計，結合譜圖的形態(tài)等確定不同巖性火成巖的礦物含量。

4.2 巖性識別方法的建立

通過建立不同巖性火成巖的譜圖庫和礦物含量數據庫，依據巖性分類、數學統(tǒng)計、人工區(qū)分、軟件計算等處理，初步形成了礦物含量數值識別、譜圖比對、三端元圖板等一系列巖性識別方法。

4.2.1 礦物含量數值識別法

不同巖性的火成巖其礦物組合和含量有所不同：以流紋巖為代表的酸性巖類，礦物成分特點是石英含量高，其石英含量是所有類型火成巖中最高的[6]；以玄武巖為代表的基性巖類，礦物成分以斜長石和輝石為主，不含或含少量石英；以安山巖為代表的中性巖類，特點為礦物成分以長石為主，石英含量中等，含有少量的輝石及云母。筆者以管守銳等[7]對巖漿巖的分類為理論依據，結合X射線衍射礦物分析的準噶爾盆地腹部區(qū)塊火成巖的具體礦物種類及含量范圍的實際，建立了礦物含量數值識別常見火成巖的方法(表2)。

4.2.2 譜圖比對識別法

衍射譜圖反映衍射角度和衍射強度相同的巖性具有相同譜圖形態(tài)[8]。本研究以準噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖巖心為標準，這類巖心均經過鏡下薄片鑒定且證實未經次生蝕變及風化，對上述不同巖性的巖心進行精細衍射分析(曝光次數均為200次以上)，獲得的衍射譜圖即認定為腹部區(qū)塊常見火成巖標準譜圖(圖1-圖4)。利用標準譜圖與未知樣品的譜圖進行比對，從而進行單井縱向上巖性的識別及區(qū)塊各井橫向上的巖性對比識別。

根據X射線衍射進行礦物成分分析原理可知，任何礦物的特征峰衍射角度都是一定的，例如石英特征峰衍射角度為26.5°、長石特征峰衍射角度為27.8°、輝石特征峰衍射角度為30.4°、角閃石特征峰衍射角度為10.4°、云母特征峰衍射角度為9.2°、磁鐵礦特征峰衍射角度為35.4°，所以各種礦物對應譜圖橫坐標的衍射特征峰的角度是不變的。但是，因為礦物含量的不同造成了衍射譜圖縱坐標衍射能量的較大變化。通過衍射譜圖的縱坐標可以看出，不同火成巖的礦物衍射能量不同(表3)，也就使得不同巖性的譜圖形態(tài)出現差異變化，從而可以通過譜圖形態(tài)特征來達到識別不同巖性的目的。

表1 準噶爾盆地腹部區(qū)塊部分巖性定名及X射線衍射分析礦物含量

表2 準噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖礦物含量 %

4.2.3 三端元圖板識別法

三端元圖板識別法是一種數學統(tǒng)計的方法。研究中以準噶爾盆地腹部區(qū)塊不同火成巖的主、副礦物為坐標極，對不同礦物的占比進行了歸一化的數學計算處理，在參與計算的礦物選取中，考慮到黏土、沸石等礦物可能為火成巖次生蝕變或者原生孔隙被后期充填的產物，故以上兩類礦物不參與圖板計算。三端元識別圖板在建立過程中既參考了不同火成巖主、副礦物含量的差別，又依據火成巖酸、堿度的不同，確立了不同巖性的火成巖在圖板上的分區(qū)(圖5)。

圖1 M 001井井深4 697.00 m凝灰?guī)r標準衍射譜圖

圖2 M 8井井深4 134.00 m安山巖標準衍射譜圖

圖3 M 6井井深4 075.00 m流紋巖標準衍射譜圖

圖4 M 8井井深4 031.00 m玄武巖標準衍射譜圖

表3 常見火成巖譜圖衍射強度區(qū)間 CPS

圖5 準噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖識別三端元圖板

三端元圖板識別法以主、副礦物作為選取依據，形成了石英、長石類、副礦物三個坐標極，其中長石類礦物主要為斜長石(個別井也可見鉀長石以及其他類型的長石)，副礦物主要為云母、角閃石、輝石及磁鐵礦，其中酸性火成巖角閃石的含量極低甚至不含。通過圖板可以看出不同巖性的主、副礦物加權計算后在圖板上的分布區(qū)間(表4)。

表4 不同巖性主、副礦物含量在三端元圖板分布區(qū)間 %

5 應用實例

利用X射線衍射礦物分析技術進行常見火成巖巖性識別的研究成果先后在準噶爾盆地腹部區(qū)塊的15口井得到了驗證，經過與原有識別手段進行對比，常見火成巖現場巖性識別的準確率由80%提高至85%，石炭系地層判準率達到95%，應用效果較好。

M 017井是準噶爾盆地腹部區(qū)塊的一口評價井，目的層為石炭系。該井從井深4 250 m開始隨鉆進行X射線衍射礦物分析，目的是輔助現場地質卡準石炭系層位、識別火成巖巖性，建立石炭系巖性剖面。隨鉆X射線衍射分析過程中依據石英、長石及黏土礦物的變化，結合現場巖屑實物資料判定該井于井深4 302 m進入石炭系地層，二疊系與石炭系界面礦物變化特征明顯(圖6)。

同時結合火成巖主、副礦物含量的變化，并以黏土、沸石礦物含量為參考，確定井段4 302～4 376 m巖性以火山碎屑巖及火成巖為主，推斷該段存在石炭系風化殼特征。

現場利用X射線衍射礦物分析技術通過礦物含量數值法、譜圖比對法及三端元圖板法等，確定了井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段礦物含量變化較為明顯的火成巖分別為安山巖、凝灰?guī)r、流紋巖及玄武巖(表5)，后續(xù)該井巖性定名均以該四段巖性為參考。為該井準確卡取石炭系層位，順利鉆開目的層提供了技術支持。

在利用礦物含量數值法分析的基礎上，提取了M 017井這四段不同巖性的X射線衍射譜圖，并利用譜圖的形態(tài)與該區(qū)塊的標準巖性譜圖進行對比，通過待解釋巖性譜圖與腹部區(qū)塊石炭系標準巖性譜圖進行比對，基本可以確定其巖性(圖7-圖10)。

圖6 M 017井X射線衍射分析礦物含量圖

表5 M 017井火成巖段X射線衍射礦物含量及巖性定名

圖7 M 017井4 307 m X射線衍射譜圖(定名安山巖)

圖8 M 017井4 313.58 m X射線衍射譜圖(定名凝灰?guī)r)

圖9 M 017井4 353 m X射線衍射譜圖(定名流紋巖)

圖10 M 017井4 390.20 m X射線衍射譜圖(定名玄武巖)

為了更好地驗證定名的準確性，將M 017井井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段的礦物分析數據代入三端元圖板，經過計算，四段巖性分別落入安山巖、凝灰?guī)r、流紋巖及玄武巖樣本點區(qū)(圖5)。最后將以上四段巖屑及巖心樣品送至實驗室進行鏡下薄片鑒定，最終鑒定結果與X射線衍射礦物分析定名結果一致(表6)，驗證了X射線衍射礦物分析巖性定名的可靠性。

表6 M 017井石炭系薄片觀察與X射線衍射礦物分析對比

6 結論及建議

(1)通過對準噶爾盆地腹部區(qū)塊巖心、巖屑X射線衍射礦物分析，收集薄片定名及相關資料，進行統(tǒng)計分析，建立了火成巖巖性識別方法，形成了X射線衍射復雜巖性識別技術體系，特別是準噶爾盆地腹部區(qū)塊常見火成巖礦物含量數據庫、標準衍射譜圖庫、火成巖巖性識別圖板的建立，為盆地火成巖現場巖性快速識別和石炭系層位的準確卡取奠定了基礎。

(2)X射線衍射礦物分析技術在很大程度上解決了空氣鉆井、PDC鉆頭下巖屑礦物組成定量分析及定名的問題，現場應用方便快捷，實用性強。通過礦物含量數值識別、譜圖比對識別、三端元圖板識別等方法在準噶爾盆地腹部區(qū)塊20余口井的應用，及時準確地對火成巖巖性進行隨鉆定名，為巖屑剖面的建立、中完井深的卡取、鉆井工程的提速提供了必要的輔助手段。

(3)X射線衍射礦物分析技術進行巖性定名基于巖石的礦物組成及含量，對于那些依據結構定名及次生蝕變嚴重的火成巖則無法做到具體定名，只能劃分大類，比如石英斑巖、霏細斑巖、火山角礫巖以及蝕變安山巖等。但這類巖性可以在X射線衍射礦物分析的同時，用鏡下薄片定名加以校正，再劃分小區(qū)塊進行總結分析及認識，仍然可以提高X射線衍射礦物分析火成巖定名的準確性。