元素錄井技術(shù)在塔中奧陶系碳酸鹽巖地層中的應(yīng)用

蘇 偉 明

(中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司)

0 引 言

近年來，塔里木盆地油氣勘探、開發(fā)、工程等方面均取得了重大進(jìn)展，塔中油區(qū)奧陶系先后發(fā)現(xiàn)了上奧陶統(tǒng)良里塔格組臺(tái)緣高位域礁灘型凝析氣藏與下奧陶統(tǒng)鷹山組巖溶型凝析氣藏，主要儲(chǔ)層為發(fā)育縫洞集合體的碳酸鹽巖地層，油氣分布受斷裂、不整合、巖性和古地貌等多種因素控制，橫縱向非均質(zhì)強(qiáng)，預(yù)測難度大。但是，由于碳酸鹽巖巖性單一，常規(guī)現(xiàn)場地質(zhì)錄井無法準(zhǔn)確識(shí)別各個(gè)地層頂?shù)捉?，且鉆探過程中揭開縫洞集合體極易發(fā)生井漏現(xiàn)象，甚至井漏失返使得鉆井施工難以繼續(xù)進(jìn)行，以至于無法實(shí)現(xiàn)鉆探目的，并造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。元素錄井可以滿足現(xiàn)場鉆井實(shí)時(shí)跟蹤的需求。其在塔中油區(qū)的應(yīng)用，證實(shí)元素錄井技術(shù)在巖性準(zhǔn)確識(shí)別的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)層位準(zhǔn)確卡取、碳酸鹽巖礁灘體與巖溶型儲(chǔ)層預(yù)警及現(xiàn)場快速評價(jià)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

塔中油田位于塔里木盆地中央隆起中部。塔中隆起是一個(gè)在寒武紀(jì)-奧陶紀(jì)巨型褶皺背斜基礎(chǔ)上形成并長期發(fā)育的繼承性隆起，其隆起發(fā)育始于中晚奧陶世，至石炭紀(jì)已基本定型，后期經(jīng)歷了加里東期、海西期、印支期、燕山期、喜馬拉雅期等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加改造，發(fā)育了復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)。由于加里東中期強(qiáng)烈隆升，塔中地區(qū)經(jīng)歷了較長時(shí)間的剝蝕和沉積缺失，多數(shù)地區(qū)缺少一間房組和吐木休克組，鷹山組頂部發(fā)育準(zhǔn)層狀不整合面[1]。塔中油田主要目的層為奧陶系，自上而下依次發(fā)育上統(tǒng)桑塔木組、良里塔格組、吐木休克組，中統(tǒng)一間房組，中-下統(tǒng)鷹山組、蓬萊壩組。其中，桑塔木組以泥質(zhì)巖為主，良里塔格組、吐木休克組以灰?guī)r為主，一間房組及鷹山組上部以灰?guī)r為主，鷹山組下部為灰質(zhì)白云巖與白云質(zhì)灰?guī)r互層，蓬萊壩組以白云巖為主[2]。

塔中隆起中-上奧陶統(tǒng)良里塔格組及一間房組發(fā)育了大規(guī)模穩(wěn)定的鑲邊臺(tái)緣礁灘體，中-下奧陶統(tǒng)鷹山組上部發(fā)育了大規(guī)模的巖溶體。結(jié)合碳酸鹽巖儲(chǔ)層發(fā)育的主控因素，可進(jìn)一步分為礁灘體儲(chǔ)層、風(fēng)化殼儲(chǔ)層、白云巖儲(chǔ)層三大類，分別受沉積相、表生巖溶、巖性控制。結(jié)合勘探的主體需要，可將上述三大類儲(chǔ)層細(xì)分為鑲邊型臺(tái)緣礁灘儲(chǔ)層、緩坡型臺(tái)緣礁灘儲(chǔ)層、層間風(fēng)化殼儲(chǔ)層、潛山風(fēng)化殼儲(chǔ)層、白云巖儲(chǔ)層共5種類型(表1)[1]。

表1 塔里木盆地碳酸鹽巖儲(chǔ)層分類

2 技術(shù)方法

元素錄井技術(shù)是以巖石化學(xué)為理論基礎(chǔ)，通過對隨鉆巖石樣品進(jìn)行X射線熒光光譜分析(XRF)獲取巖石化學(xué)組分，進(jìn)而研究巖石化學(xué)特征及其應(yīng)用的一項(xiàng)錄井技術(shù)，也可稱之為巖石化學(xué)錄井技術(shù)。

在塔中油區(qū)，中國石油長城鉆探錄井公司將元素錄井技術(shù)應(yīng)用于隨鉆錄井施工中。通過對碳酸鹽巖特征元素選取及元素組合特征分析，對所檢測的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立了各類巖石礦物含量計(jì)算方法，能夠快速準(zhǔn)確落實(shí)巖性。通過擬合近鉆頭GR曲線，判斷鉆頭所處層位，為下步鉆井施工提供技術(shù)支撐。

2.1 特征元素選取

元素錄井所應(yīng)用的能量色散型X射線熒光光譜儀(ED-XRF)理論上可測量Na-U共88種元素。目前，根據(jù)儀器性能和元素錄井特點(diǎn)，通過國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，可測量Si、Al等14種主量元素和Sr、Ba等20種微量元素，完全可以滿足巖性識(shí)別等各方面的技術(shù)需求。

塔中油田奧陶系主要巖性為碳酸鹽巖，根據(jù)巖石礦物組成及元素分布特征，重點(diǎn)分析SiO2、Al2O3、CaO、MgO、∑Fe2O3(或SO3)、TiO2共6種主要化學(xué)成分含量及其組合特征(表2)，作為巖石定名、儲(chǔ)層識(shí)別與評價(jià)的主要參數(shù)。

表2 塔中奧陶系巖性主要元素分布特征

2.2 巖性定名方法

塔中地區(qū)奧陶系良里塔格組和鷹山組為海相碳酸鹽巖地層，主要為灰?guī)r、白云巖及其過渡類型。由于不同深度地層成藏條件和遭受改造程度存在很大差異，這些因素對元素含量的變化也有很大影響，因而可以通過元素含量對碳酸鹽巖地層進(jìn)行巖性識(shí)別。定名方法主要有圖板法、分類表法、CaO/MgO比值法等。

2.2.1 圖板法

根據(jù)構(gòu)成碳酸鹽巖礦物的化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)，對方解石、白云石、黏土及其他礦物含量進(jìn)行計(jì)算，然后在碳酸鹽巖礦物成分分類圖板投點(diǎn)進(jìn)行巖性定名[3-4]。

(1)礦物含量計(jì)算：白云石、方解石及黏土類等其他礦物組分含量計(jì)算公式如下。

WCaMg(CO3)2=184WMgO/40

(1)

WCaCO3=100(WCaO-56WMgO/40)/56

(2)

W黏土類=100%-WCaMg(CO3)2-WCaCO3

(3)

式中：WCaMg(CO3)2為CaMg(CO3)2百分含量,%;WCaCO3為CaCO3百分含量，%；W黏土類為黏土類百分含量，%。

公式(1)中，WCaMg(CO3)2依據(jù)CaMg(CO3)2與MgO分子量比值及MgO含量計(jì)算所得，184為CaMg(CO3)2分子量，40為MgO分子量；公式(2)中，依據(jù)MgO與CaO分子量比值，先計(jì)算出CaMg(CO3)2中CaO含量，CaO總量減去CaMg(CO3)2中CaO含量，即為CaCO3中CaO含量，換算即可得出WCaCO3，100為CaCO3分子量，56為CaO分子量；公式(3)中，從總量100%中減去CaCO3和CaMg(CO3)2含量，即得黏土及其他礦物組分含量。

(2)定名圖板投點(diǎn)：據(jù)SY/T 5368-2016《巖石薄片鑒定》中的碳酸鹽巖礦物成分分類圖板投點(diǎn)。

2.2.2 分類表法

依據(jù)礦物成分分類表進(jìn)行定名(表3)，屬于三角圖板法的另一種表達(dá)方法。若黏土類礦物中含有石英等，則在定名時(shí)要將石英等礦物含量考慮其中[3]。

表3 碳酸鹽巖按礦物成分相對含量劃分

2.2.3 CaO/MgO比值法

對于較純的碳酸鹽巖，則可依據(jù)XRF分析數(shù)據(jù)的CaO/MgO比值對其進(jìn)行定名[5](表4、圖1)，此方法簡單明了。

表4 碳酸鹽巖CaO/MgO比值法劃分[5]

圖1 ZG 113井巖性定名投點(diǎn)

2.3 擬合GR曲線

通過對塔中地區(qū)16口井元素?cái)?shù)據(jù)的分析總結(jié)，選取XRF分析或伽馬能譜錄井中的U、Th、K含量擬合近鉆頭GR曲線(用擬合GR表示)，在隨鉆中用以替代測井GR曲線。通過與測井GR對比，發(fā)現(xiàn)二者吻合度超過90%(圖2)。

圖2 ZG 113-1井元素?cái)M合GR與測井GR對比

近鉆頭擬合GR曲線公式：

GR=(104U+104Th+K×a)×b

(4)

其中a、b為擬合系數(shù)，不同勘探地區(qū)可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整取值。

3 元素錄井在塔中地區(qū)奧陶系中的應(yīng)用

3.1 巖性定名

巖性定名是元素錄井技術(shù)的首要功能，是隨鉆錄井進(jìn)行地層劃分與對比、儲(chǔ)層識(shí)別與評價(jià)的基礎(chǔ)。

3.1.1 區(qū)域地層巖石組合特征

塔中地區(qū)奧陶系儲(chǔ)層主要以灰?guī)r為主，該類巖性組成了主力油氣層較發(fā)育的礁灘體和巖溶儲(chǔ)層。巖石類型主要以顆粒灰?guī)r和生物灰?guī)r為主，其次為泥晶灰?guī)r及其過渡類型[1-2]。碳酸鹽巖儲(chǔ)層巖性的細(xì)分，對儲(chǔ)層識(shí)別有重要意義。因此，元素錄井的首要任務(wù)是將這幾類碳酸鹽巖進(jìn)行區(qū)分。

3.1.2 巖性定名

(1)灰?guī)r、白云巖、泥巖及其過渡巖性:選取ZG 113井元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)-公式(3)，計(jì)算出巖石中各種主要礦物含量(表5)，利用圖板法進(jìn)行巖性定名(圖1)，建立元素錄井剖面(圖3)。

表5 ZG 113井部分樣品礦物含量計(jì)算及巖性定名

圖3 ZG 113井元素錄井剖面

從圖1中可以看出，桑塔木組巖性主要為灰質(zhì)泥巖、含云泥巖；良里塔格組巖性主要為灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r；鷹山組一段和二段巖性主要為灰?guī)r、含云灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r。

選取ZG 113井元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，利用碳酸鹽巖CaO/MgO比值法進(jìn)行定名(圖4)。在6 631～6 661 m井段的巖性為灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r。

圖4 ZG 113井CaO/MgO比值法巖性定名

(2)生屑灰?guī)r、生屑砂屑灰?guī)r、砂(礫)屑灰?guī)r:對于礁灘體組成的這三種巖類，除依據(jù)圖板法和CaO/MgO比值法外，還需要結(jié)合特征元素含量進(jìn)行定名。生屑灰?guī)r在沉積過程中會(huì)殘留大量富含S元素的生物遺骸，在成巖期還原環(huán)境下形成黃鐵礦(FeS2)，因此其S元素會(huì)出現(xiàn)一定異常；砂(礫)屑灰?guī)r中含有一定量的砂屑或者礫屑，其元素特征表現(xiàn)為Si元素異常。通過塔中地區(qū)16口井元素?cái)?shù)據(jù)總結(jié)分析，得出以下結(jié)論：生屑灰?guī)rSO3含量大于1.5%；生屑砂屑灰?guī)rSO3含量為0.5%～1.5%，SiO2含量為10%～30%；砂(礫)屑灰?guī)rSiO2含量大于30%。

3.2 地層劃分與對比

常規(guī)錄井中，地層劃分的基本依據(jù)是通過鄰井對比，結(jié)合鄰井電測曲線、巖性描述對本井地層進(jìn)行確定。元素錄井技術(shù)地層劃分的基礎(chǔ)為依據(jù)公式(4)所計(jì)算出元素近鉆頭擬合GR曲線，與鄰井電測GR曲線對比，實(shí)現(xiàn)地層的預(yù)測及準(zhǔn)確卡取。在擬合GR曲線的支持下，針對特殊地層，分析各地層特征元素，總結(jié)出桑塔木組與良里塔格組地層劃分方法、良里塔格組與一間房組地層劃分方法、良里塔格組與鷹山組劃分方法。

3.2.1 桑塔木組底界劃分

(1)CaO與Al2O3交會(huì)圖法：選取16口井桑塔木組與良一段巖石樣品進(jìn)行元素分析，用分析所得CaO、Al2O3含量繪制交會(huì)圖，通過交會(huì)圖發(fā)現(xiàn)：桑塔木組巖石化學(xué)特征為Al2O3含量大于8%，CaO含量小于30%；良一段巖石化學(xué)特征為Al2O3含量小于8%，CaO含量大于30%(圖5)。這是桑塔木組與良里塔格組地層劃分的第一個(gè)特征。

圖5 TZ 83-8井CaO與Al2O3交會(huì)

(2)Sr/Ba、Sr/Th與擬合GR曲線交會(huì)法：Sr/Ba可以用來劃分沉積相屬于海相還是陸相，一般講Sr/Ba比值小于1的劃分為陸相，大于1的劃分為海相[6]。由于桑塔木組和良里塔格組都屬于海相，無法用此方法。然而桑塔木組為陸源碎屑陸棚相[1]，與良里塔格組在巖性組合上區(qū)分明顯，因此本文用Sr/Ba與GR交會(huì)曲線來卡取界面，二者交會(huì)井深可以劃分為地層底界面(圖6)；同時(shí)引進(jìn)Sr/Th，進(jìn)入良里塔格組，由于黏土礦物減少，地層中吸附的Th會(huì)減少，而Sr會(huì)增高，因而Sr/Th也可以用來劃分地層。通過16口井的統(tǒng)計(jì)分析，本文將地層劃分的Sr/Th界線定為150，Sr/Th<150的為桑塔木組，Sr/Th>150為良里塔格組。

圖6 ZG 291-5X井桑塔木組底界劃分示意

3.2.2 良里塔格組底界劃分

良里塔格組與下伏一間房組(或鷹山組)為不整合接觸，良里塔格組底部為正常沉積的含泥條帶灰?guī)r，一間房組頂部存在風(fēng)化剝蝕殘積層，二者在電性上均表現(xiàn)為高伽馬。按照以往經(jīng)驗(yàn)，參照測井曲線，一般把良里塔格組和一間房組分層界線劃分在GR降低的位置。但通過后期研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)化剝蝕殘留地層的GR較正常沉積的含泥條帶灰?guī)r要高，根據(jù)最新理論建議將分層界線劃分在最后一個(gè)高GR頂部。

通過元素?cái)?shù)據(jù)與電測曲線對比可以發(fā)現(xiàn)(圖7)，分層界線上部含泥條帶灰?guī)rGR相對較低，SiO2、Al2O3含量也較低，CaO含量較高；分層界線下部風(fēng)化剝蝕地層GR較高，SiO2、Al2O3含量較高。同時(shí)通過擬合近鉆頭GR曲線可以及時(shí)與鄰井進(jìn)行對比，實(shí)現(xiàn)地層準(zhǔn)確卡取。

圖7 ZG 296井良里塔格組與一間房組地層劃分

3.2.3 鷹山組頂界劃分

鷹山組與上覆良里塔格組為不整合接觸，其地層劃分的巖石化學(xué)依據(jù)有兩個(gè)方面(圖8)。一是良里塔格組底部為正常沉積的含泥條帶灰?guī)r、含云泥巖等，鉆穿本組底部有一厚層MgO箱狀異常，巖性為其第一巖石化學(xué)特征；二是鷹山組經(jīng)過長期抬升，接受風(fēng)化淋濾作用，頂部存在風(fēng)化剝蝕殘積層，其巖石化學(xué)特征為SiO2、Al2O3較高，擬合GR曲線幅度也較高，這是地層劃分的第二巖石化學(xué)特征。

圖8 ZG 113井鷹山組頂界劃分

對于良里塔格組底部MgO的富集，分析認(rèn)為該沉積時(shí)期，海水較淺，古溫度較高，為潮坪相沉積，從而形成了MgO較高的特征。根據(jù)MgO含量變化，可以大致判斷所在井位的古構(gòu)造(圖9)。MgO含量越高，說明古構(gòu)造較高，MgO含量越低，說明古構(gòu)造較低。根據(jù)特征化學(xué)成分含量的分布情況，對于研究本區(qū)域古地理、古氣候、古構(gòu)造等均有一定的幫助。

圖9 良里塔格組底部MgO含量分布

3.3 儲(chǔ)層識(shí)別

塔中油田良里塔格組至一間房組、鷹山組碳酸鹽巖儲(chǔ)層成因種類較多[1](表1)，總體上可以概括為礁灘體型儲(chǔ)層和巖溶型儲(chǔ)層兩種類型。

(1)良里塔格組礁灘體表生巖溶型儲(chǔ)層：良里塔格組礁灘體表生巖溶型儲(chǔ)層成因是礁灘體所在地層遭受表生大氣淡水淋溶形成溶蝕孔洞，后期經(jīng)過各種建設(shè)性成巖作用的疊加改造而形成的。在大氣水淋濾過程中，易于溶蝕的灰質(zhì)成分隨流體流失，不易溶蝕的黏土礦物等成分在地層中富集，反映在巖石化學(xué)成分上表現(xiàn)為SiO2、Al2O3異常。同時(shí)，良里塔格組儲(chǔ)層屬于礁灘體型儲(chǔ)層，其巖石化學(xué)特征為SO3異常(圖10)。

圖10 ZG 1-1X井良里塔格組礁灘體巖溶型儲(chǔ)層元素錄井剖面

(2)一間房組巖溶型儲(chǔ)層：依據(jù)元素錄井?dāng)?shù)據(jù)，將一間房組分為上、下兩段。上段為主要儲(chǔ)層發(fā)育層段，主要發(fā)育三套巖性，頂部與底部均為藻結(jié)灰?guī)r，中間夾顆?；?guī)r(圖11)。頂部與底部對應(yīng)氣測值較高，表明儲(chǔ)層發(fā)育較好，其巖石化學(xué)特征表現(xiàn)為SO3正異常，這是由于生物成因的藻結(jié)灰?guī)r中因含有富有機(jī)硫生物(成巖期轉(zhuǎn)化為黃鐵礦)造成的；中部對應(yīng)的氣測值相對較低，說明本段儲(chǔ)層發(fā)育偏差，其巖石化學(xué)特征表現(xiàn)為SO3相對較低。下段主要發(fā)育一套泥晶灰?guī)r與生物灰?guī)r互層。泥晶灰?guī)rSO3含量相對較低，為致密灰?guī)r，儲(chǔ)層發(fā)育較差。生物灰?guī)rSO3含量相對較高，為礁灘體型儲(chǔ)層，儲(chǔ)層發(fā)育較好。

圖11 ZG 296井一間房組儲(chǔ)層示意

(3)鷹山組巖層間風(fēng)化巖溶儲(chǔ)層：鷹山組儲(chǔ)層主要是由于碳酸鹽巖地層之間發(fā)生中-短期整體抬升、暴露、剝蝕，沿不整合面或斷層發(fā)生表生巖溶作用形成的孔洞縫。該類儲(chǔ)層自上而下劃分為地表巖溶帶、垂直滲流巖溶帶、水平潛流巖溶帶、深部循環(huán)巖溶帶[7-8](圖12)。

鷹山組上部遭受了長時(shí)期的風(fēng)化剝蝕，結(jié)果為易溶的Na+、K+、Ca2+流失，SiO2、Al2O3及Fe2O3殘留，形成一套相對富含泥質(zhì)的地表巖溶帶，與測井的第一高GR段相對應(yīng)。SiO2、Al2O3含量越高，說明風(fēng)化作用越強(qiáng)烈，據(jù)此，可對鷹山組頂部尖滅線變化進(jìn)行進(jìn)一步研究；垂直滲流巖溶帶以CaO為主，部分滲流縫為硅質(zhì)及泥質(zhì)所充填，表現(xiàn)為SiO2、Al2O3含量小幅上升，CaO、MgO含量小幅下降；水平潛流巖溶帶為主要儲(chǔ)層發(fā)育帶，表現(xiàn)為SiO2、Al2O3含量升高，CaO、MgO含量下降；深部循環(huán)巖溶帶裂縫零星發(fā)育，以CaO含量較高為主，其他成分無明顯變化(表6)。

表6 塔中地區(qū)巖溶垂向分帶特征

依據(jù)巖石化學(xué)特征，將ZG 112C井鷹山組不整合面上下劃分為地表巖溶帶、垂直滲流巖溶帶、水平潛流巖溶帶，通過與氣測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)水平潛流巖溶帶為最優(yōu)勢儲(chǔ)層(圖13)。

圖12 塔里木盆地奧陶系巖溶分帶模式[8]

4 結(jié) 論

元素錄井技術(shù)在塔中地區(qū)奧陶系碳酸鹽巖地層地質(zhì)錄井工作中發(fā)揮了極為重要的作用，得到廣泛推廣與應(yīng)用。從中可得出以下結(jié)論：

(1)通過應(yīng)用圖板法、分類表法、CaO/MgO比值法，準(zhǔn)確落實(shí)了奧陶系碳酸鹽巖巖性，并進(jìn)行了較為精細(xì)的劃分，彌補(bǔ)了其他錄井技術(shù)的不足，為后續(xù)工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(2)依據(jù)擬合GR以及巖性組合剖面、Sr/Ba、Sr/Th比值等手段，在隨鉆地層劃分及對比、沉積相判別方面發(fā)揮了重要作用。

(3)依據(jù)SiO2、Al2O3、CaO、SO3等特征化學(xué)成分，可區(qū)分生屑灰?guī)r、生屑砂屑灰?guī)r、砂(礫)屑灰?guī)r，并對礁灘體型儲(chǔ)層、巖溶型儲(chǔ)層進(jìn)行有效識(shí)別和評價(jià)。

可以看出，元素錄井技術(shù)在塔中地區(qū)巖性識(shí)別與定名、地層卡取、優(yōu)勢儲(chǔ)層識(shí)別等方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢，可為鉆井施工提供及時(shí)準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)警服務(wù)，還可為壓裂試采井段的選取提供可靠的試油建議，進(jìn)一步為油田的勘探與開發(fā)工作提供可靠的技術(shù)支持。