劉慶山 王 新 白殿剛 劉 朔 毛勇軍 李長洪 李 晨

(①中國石油渤海鉆探第一錄井公司；②中國石油大港油田公司第四采油廠；③中國石油渤海鉆探第二錄井公司)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段受燕山運(yùn)動(dòng)影響，侏羅系-白堊系地層發(fā)育不連續(xù)，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，在正常層序基礎(chǔ)上存在不同程度的變形、剝蝕，導(dǎo)致區(qū)域性地層復(fù)雜程度高，為探索準(zhǔn)噶爾盆地南緣沖斷帶霍瑪吐背斜帶安集海背斜圈閉下組合含油氣性，突破以安集海背斜為代表的走滑背斜型目標(biāo)，在此區(qū)域設(shè)立風(fēng)險(xiǎn)探井。作為該構(gòu)造區(qū)塊的第一口風(fēng)險(xiǎn)探井，鄰區(qū)資料可參考性弱，在鉆井過程中，可能鉆遇未知地質(zhì)條件，鉆井施工風(fēng)險(xiǎn)增大。及時(shí)準(zhǔn)確提供可靠的現(xiàn)場錄井地質(zhì)資料、識(shí)別區(qū)分地層巖性，預(yù)測地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，是保障施工安全的關(guān)鍵。僅僅依靠傳統(tǒng)錄井手段難以滿足對現(xiàn)場關(guān)鍵細(xì)小層位判別的需求，盡管元素錄井技術(shù)能夠通過硅(Si)、鋁(Al)、鈣(Ca)、鐵(Fe)等元素組合進(jìn)行區(qū)分，但由于新區(qū)塊數(shù)據(jù)庫資料匱乏，對新地層的認(rèn)識(shí)不全面，其對細(xì)小關(guān)鍵層位的判別所能發(fā)揮的作用有限。巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)的應(yīng)用在一定程度上提高了錄井現(xiàn)場地質(zhì)資料的可參考性，為地質(zhì)工程一體化的實(shí)時(shí)決策提供了充分依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)構(gòu)造特征

準(zhǔn)噶爾盆地位于準(zhǔn)噶爾地塊中部，被哈薩克斯坦古板塊、西伯利亞古板塊和塔里木古板塊環(huán)繞，內(nèi)部構(gòu)造穩(wěn)定，從石炭世到第四紀(jì)沉積連續(xù)，其中在侏羅世-白堊世有兩次主要的構(gòu)造活動(dòng)，分別為晚印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)[1-2]，此次探井位于所處的安集海背斜受控于天山山前沖斷帶。

受燕山運(yùn)動(dòng)影響，在侏羅系-白堊系準(zhǔn)噶爾盆地南緣以坳陷型盆地為主，由隆坳間的河流三角洲相轉(zhuǎn)為統(tǒng)一的大型內(nèi)陸湖盆，陸相沉積為主，湖盆發(fā)育。在此期間的兩次區(qū)域性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是：燕山Ⅰ幕運(yùn)動(dòng)在中侏羅世末期，以盆地整體上隆水退為特點(diǎn)，在盆地邊緣形成了局部的西山窯組與頭屯河組之間角度不整合；燕山Ⅱ幕運(yùn)動(dòng)，大致在晚侏羅世，整體上隆伴隨基底斷裂，上侏羅統(tǒng)的齊古組、喀拉扎組遭受的剝蝕程度不一[3-6]，探井所處的安集海背斜上侏羅統(tǒng)剝蝕嚴(yán)重，從中侏羅統(tǒng)頭屯河組直接沉積了早白堊下統(tǒng)的清水河組。

1.2 沉積環(huán)境與沉積相分析

準(zhǔn)噶爾盆地南緣沉積相發(fā)育程度和時(shí)空展布在侏羅-白堊紀(jì)不同時(shí)期均有所不同。早侏羅世沉積物源背景相對穩(wěn)定，原始沉積邊界距現(xiàn)今最遠(yuǎn)；而自中侏羅世開始受控于車莫古隆起演化影響，北部物源得以加強(qiáng)，同時(shí)地層發(fā)育不均衡并存在不同程度的剝蝕現(xiàn)象；晚侏羅世開始至早白堊世，周緣沉積巖系山體隆升不斷加大，結(jié)晶變質(zhì)巖系山體物源供給受到阻隔，沉積邊界也隨之逐漸萎縮，這一時(shí)期北部物源可為優(yōu)勢物源，準(zhǔn)噶爾盆地南緣整體處于“填平補(bǔ)齊”狀態(tài)，齊古組在安集海背斜所處的天山山前地區(qū)不發(fā)育，下白堊統(tǒng)清水河組沉積前與下部地層為平行不整合，故地層產(chǎn)狀相近[7-9]。

侏羅系地層以發(fā)育扇三角洲-辮狀河三角洲-河流湖沼-濱淺湖成因的砂礫巖、砂巖、泥巖及煤層為特征，而下白堊統(tǒng)清水河組則表現(xiàn)為辮狀河三角洲砂礫巖、砂巖及濱淺湖-半深湖暗色泥巖沉積[10-13]，具體如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣中斷帶安集海地區(qū)侏羅系-白堊系沉積相及物源分析

2 巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)原理

U、Th、K作為天然放射性元素，具有穩(wěn)定、指示性強(qiáng)的特點(diǎn)，通過傳感器對巖樣中所含的放射性元素發(fā)出的能譜進(jìn)行識(shí)別，得到放射性元素的混合譜，再通過能譜解析將U、Th、K識(shí)別出來[14-15]，從而獲得巖樣的原始數(shù)據(jù)：鈾(U，單位為μg/g)、無U伽馬(CGR，單位為API)、釷(Th，單位為μg/g)以及鉀(K，單位為μg/g)，根據(jù)研究目的再經(jīng)過整理組合，得到Th/K、Th/U等參數(shù)值比較分析[11]。該錄井技術(shù)多用于頁巖氣儲(chǔ)層的判別，輔助水平井地質(zhì)導(dǎo)向以及自然伽馬能譜錄井。本文主要應(yīng)用于巖性與沉積環(huán)境的判別，輔助卡層取心、地層對比，提高現(xiàn)場地質(zhì)資料的可參考性，進(jìn)而為現(xiàn)場地質(zhì)工程一體化工作決策提供相關(guān)依據(jù)，降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)。

3 巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)分析方法

3.1 U、Th、K數(shù)據(jù)獲取

對某風(fēng)險(xiǎn)探井從5 650～7 263 m逐米測量，共獲取1 614個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。CIT-3600F型多道伽馬能譜儀直接計(jì)算得到原始數(shù)據(jù)，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析以及投圖，得出數(shù)據(jù)點(diǎn)群，通過前人資料以及實(shí)測剖面得到準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)沉積環(huán)境以及沉積相的整體認(rèn)識(shí)，通過分析物源得出對應(yīng)層位的U、Th、K分布特征，利用分析結(jié)果對地層巖性數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，輔助關(guān)鍵層位的卡層取心以及巖性定名。

3.2 U、Th、K在沉積盆地中的分布特征

U、Th、K在地層中的分布與地層巖性、有機(jī)物的含量以及地層水的活動(dòng)有著密切的關(guān)系，為通過伽馬能譜數(shù)據(jù)判別巖性、確定沉積環(huán)境提供了可能[16-17]。U、Th是兩個(gè)地球化學(xué)性質(zhì)相似的元素，在內(nèi)生作用中它們經(jīng)常以近似比例相伴而生。但是，在外生作用過程中，由于U、Th地球化學(xué)性質(zhì)上存在差異，導(dǎo)致了U、Th的分離。

3.2.1 沉積巖中U、Th、K分布的主要控制因素

(1)U在外生作用過程中可氧化成鈾酰離子(UO22+)，它在水中有很好的溶解度，Th則不具有這種特性。因此，在風(fēng)化、淋濾過程中，沉積盆地物源區(qū)的U發(fā)生遷移，而Th則殘留較多，故在底礫巖中U元素含量較低，Th元素含量較高，從而導(dǎo)致Th/U比值增大[18-19]。

(2)鈾酰離子在還原環(huán)境，碳酸鹽濃度中等的情況下，從溶液中沉淀出來，指示沉積中心的U元素含量會(huì)高于沉積盆地邊界的氧化環(huán)境中的巖石。

整個(gè)下午，阿東都心情抑郁，他有一種對生活的無力感，他不知道自己應(yīng)該怎么解決家里的事。他在辦公室的電腦前，有些無聊地在網(wǎng)上轉(zhuǎn)悠。處長讓他查閱一點(diǎn)資料，他也做得不算盡心。處長翻著那些資料，目光敏銳，問他怎么回事，為什么會(huì)心不在焉？他猶豫片刻，還是說了父親過地下通道摔倒的事。他說的時(shí)候，心內(nèi)難過，聲音低沉。

(3)黏土對于Th具有選擇性吸附，故Th常富集于黏土，同時(shí)穩(wěn)定礦物中的Th也是另一個(gè)重要來源。

(4)K作為一般地球化學(xué)元素，在沉積環(huán)境中廣泛分布，類似Na易溶于水，通常在近岸淺水區(qū)K含量較高，而海洋的開闊部分K含量較少。沉積物中U、Th、K的分布在空間上顯示出一定的規(guī)律性，通常U濃度向沉積盆地中心趨于增加，而Th、K相反，遠(yuǎn)離沉積中心趨于增加。

3.2.2 定量分析沉積巖的巖性[20]

(1)泥頁巖-砂巖-碳酸巖，隨著黏土礦物占比降低，U、Th、K含量以及Th/U比值有規(guī)律地遞減。

(2)陸相沉積物中泥巖-粉砂巖-砂巖，U、Th、K含量和Th/U比值總趨勢逐漸下降，K含量在砂巖中稍有增高。

(3)由于陸相沉積作用明顯，泥巖中U濃度變化大，泥質(zhì)粉砂巖的Th/U比值較低，而砂巖由于泥質(zhì)含量減少，Th/U比值較高。

(4)沉積盆地在一段時(shí)期內(nèi)穩(wěn)定物源構(gòu)成的沉積環(huán)境，會(huì)保持這一物源組合的U、Th、K和Th/U比值的固定特征，在物源發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的變化。

4 巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)的應(yīng)用

4.1 卡層取心

晚侏羅世的基底上隆、地層剝蝕導(dǎo)致喀拉扎組、齊古組地層在安集海背斜不發(fā)育，故清水河組底取心標(biāo)志層為清水河組與頭屯河組不整合面上的底礫巖。在野外剖面上可以很清楚區(qū)分砂巖與礫巖，但由于高鉆速低鉆壓的PDC鉆頭的應(yīng)用使巖屑磨得粉碎，再加上油基鉆井液的使用，使得返出巖屑很難辨別巖性，給卡層取心造成了一定的影響。

通過沉積環(huán)境分析，從晚侏羅世頭屯河組為三角洲-濱湖相沉積，經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)盆地上隆，水體變淺，該期間齊古組、喀拉扎組被風(fēng)化剝蝕，后經(jīng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)沉降，沉積清水河組。由圖1可知，在此期間頭屯河組底部的物源供給主要為克拉美麗山東部物源系、烏倫古北部物源系、德倫山北部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊爾山西部物源系、四棵樹西南物源系、依林黑比爾根山南部物源系、博格達(dá)東南部物源系。隨著地殼抬升盆地上隆，頭屯河組頂部克拉美麗山東部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊爾山西部物源系逐漸減少，經(jīng)歷風(fēng)化剝蝕后，重新沉積的清水河組的物源供給主要為克拉美麗山東部物源系、烏倫古北部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊爾山西部物源系、博格達(dá)東南部物源系，與頭屯河組頂部之間存在著明顯的物源轉(zhuǎn)換。

取心層位的底礫巖為典型的風(fēng)化過程后的產(chǎn)物，與沉積環(huán)境以及物源密切相關(guān)的U、Th、K的含量存在明顯變化。由表1、圖2可知，清水河組-頭屯河組頂部的Th/U平均值從由1.05升至3.46，TOC平均值從2.52%降至0.52%，U元素含量平均值從7.35 μg/g降至1.64 μg/g，Th元素含量平均值從7.13 μg/g降至5.25 μg/g，K元素含量平均值從1.38 μg/g降至1.24 μg/g。前文揭示風(fēng)化過程會(huì)導(dǎo)致U元素的明顯流失以及Th/U比值升高和黏土含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致Th元素含量減少，TOC表明水體中總有機(jī)物的含量，在風(fēng)化過程中有機(jī)物含量大量減少，故高Th/U、低TOC、低U值、低Th值可作為底礫巖的識(shí)別特征。

表1 各層位巖屑伽馬能譜特征值

圖2 清水河組-頭屯河組巖屑伽馬能譜錄井綜合圖

通過巖屑伽馬能譜錄井?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，對U、Th元素含量、Th/U比值以及TOC數(shù)值快速對比，精確地識(shí)別出底礫巖所處位置，從而確定取心位置。最終巖心取心率100%，礫巖比例84%，熒光顯示良好，從巖心可以清楚分辨清水河組底部砂礫巖(圖3a)過渡至頭屯河組頂部泥巖(圖3b)，較好完成了取心目標(biāo)，為后期的地層界定提供了準(zhǔn)確詳實(shí)的實(shí)物資料。

圖3 巖心圖片

4.2 巖性定名

K元素與泥質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，Th元素近岸含量高，而U元素則越靠近沉積中心越富集。通過分析沉積環(huán)境可知，砂巖多發(fā)育于河流相，泥巖含量較低，從三角洲相過渡至濱湖相，隨著泥質(zhì)含量增高，從泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖過渡為泥巖為主。泥巖過渡為砂泥巖的U、Th、K表現(xiàn)特征為U元素含量逐漸降低，Th元素含量逐漸升高，K元素含量逐漸升高，Th/U比值逐漸身高(表2)，據(jù)此可以對過渡性細(xì)小地層的巖性進(jìn)行精準(zhǔn)把握。

表2 各巖性伽馬能譜特征值

準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)侏羅世中期，構(gòu)造活動(dòng)頻繁，存在多次物源轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致頭屯河組-西山窯組整體沉積環(huán)境多樣，以辮狀河流和三角洲相為主，存在多套細(xì)小的砂泥互層。結(jié)合U、Th、K在不同巖性中的特征以及本地區(qū)沉積環(huán)境對U、Th、K的影響，通過對所得到的巖屑伽馬能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，劃分出泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖的U、Th、K的典型特征值(圖4)，為巖性判別、地層的整體劃分以及沉積相的識(shí)別提供重要依據(jù)。

圖4 頭屯河組-西山窯組巖屑伽馬能譜錄井綜合圖

5 結(jié) 論

(1)應(yīng)用巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)，輔助指導(dǎo)現(xiàn)場卡層取心、巖性定名取得了良好的實(shí)踐效果。巖屑伽馬能譜錄井技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了對巖性的識(shí)別劃分效率和準(zhǔn)確度，為準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)深部地層鉆井施工提供了地質(zhì)理論支撐。

(2)卡層取心的關(guān)鍵因素是對目標(biāo)層位的沉積環(huán)境變化與構(gòu)造在巖性上的趨勢的及時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確卡取目標(biāo)層位。通過巖屑的U、Th、K含量對沉積環(huán)境以及物源的響應(yīng)，準(zhǔn)確識(shí)別地層界限，為卡層取心作業(yè)提供參考依據(jù)。

(3)不同巖性的U、Th、K含量的變化，為沉積環(huán)境復(fù)雜、巖性變化不明顯、區(qū)分度不高的細(xì)小巖層巖性定名提供重要依據(jù)。