李昂 袁志華 張玉清 張建平 趙紅燕

（1.長江大學(xué)2.中國石化集團(tuán)江漢石油工程有限公司）

元素錄井技術(shù)在涪陵頁巖氣田勘探中的應(yīng)用*

李昂1袁志華1張玉清1張建平2趙紅燕2

（1.長江大學(xué)2.中國石化集團(tuán)江漢石油工程有限公司）

以X射線衍射儀（XRD）、X射線熒光儀（XRF）為主要設(shè)備的元素錄井技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新的錄井技術(shù)，能夠有效解決特殊鉆井條件下的細(xì)小或粉末狀巖屑識(shí)別與描述難題?；诟⒘觏搸r氣田元素錄井技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐認(rèn)識(shí)，概括介紹了元素錄井技術(shù)及其資料在海相頁巖氣儲(chǔ)層巖性識(shí)別、儲(chǔ)層密度與孔隙度計(jì)算、可改造性評(píng)價(jià)方面應(yīng)用方法。涪陵頁巖氣田應(yīng)用結(jié)果顯示，元素錄井巖屑礦物含量測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析結(jié)果基本一致，計(jì)算的視儲(chǔ)層巖石密度、總孔隙度與測(cè)井、核磁共振錄井處理結(jié)果基本接近，已成為頁巖氣井鉆探的必要配套技術(shù)。圖5表2參10

元素錄井XRDXRF涪陵頁巖氣田勘探應(yīng)用

0 前言

涪陵頁巖氣田的初步勘探表明，焦石壩區(qū)塊志留系龍馬溪組下部—奧陶系五峰組富有機(jī)質(zhì)頁巖層分布穩(wěn)定，面積約400 km2，與美國Barnett、Marcellus等頁巖氣田具有近似的地質(zhì)特征，以X射線衍射（XRD）、X射線熒光（XRF）為主要設(shè)備的元素錄井新技術(shù)，為該區(qū)頁巖氣儲(chǔ)層巖性識(shí)別、儲(chǔ)層體積密度與孔隙度計(jì)算、可改造性評(píng)價(jià)提供了良好技術(shù)支持，已成為頁巖氣井鉆探的必要配套技術(shù)。

1 元素錄井簡介

X射線衍射（XRD）、X射線熒光（XRF）元素錄井技術(shù)是近年來興起的一項(xiàng)錄井新技術(shù)，通常簡稱為XRD或XRF錄井。XRD儀器是目前較權(quán)威的礦物含量定量分析測(cè)量設(shè)備。它的基本工作原理是，X射線投射到晶體中時(shí)出現(xiàn)因散射線加強(qiáng)而存在衍射圖像，將衍射圖像與礦物衍射數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)X射線衍射圖譜對(duì)比，能夠準(zhǔn)確識(shí)別出錄井巖屑粉末中的礦物成分與含量。在錄井現(xiàn)場(chǎng)，XRD能夠直接測(cè)定石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石、黃鐵礦、伊利石、高嶺石、蒙脫石、綠泥石等多種砂質(zhì)、泥質(zhì)和灰質(zhì)礦物成分。XRF儀器主要基于元素分析，在儲(chǔ)層礦物脆性判斷方面能起到良好效果。它通過X射線脈沖數(shù)來記錄元素產(chǎn)生的熒光能量和強(qiáng)度，數(shù)值單位為“脈沖/s”，能定量分析Si、Fe、S、P、Cl、K、Ca、Mg、Mn、Ti、Ba和Al等12種元素，可作為地層巖性識(shí)別的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用這些錄井方法能夠有效解決細(xì)小或粉末狀巖屑的錄井識(shí)別與描述難題[1-2]。

2 識(shí)別巖性

2.1 礦物成分分類法

巖石由礦物組成，不同巖性的巖石所含礦物成分及含量不同。頁巖氣儲(chǔ)層中常見礦物為石英、長石、碳酸鹽、黃鐵礦、伊利石、高嶺石等，組成元素主要為Si、Al、Fe、Ca、Mg、K等6種（表1）。因此，通過元素錄井實(shí)現(xiàn)元素和礦物的測(cè)量轉(zhuǎn)換，確定巖石礦物與元素組成，為巖性識(shí)別提供依據(jù)。

礦物成分分類法識(shí)別巖性的核心是利用泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)三類成分含量的組合關(guān)系識(shí)別巖性。在涪陵地區(qū)，泥質(zhì)、砂巖、灰?guī)r的代表元素分別為K、Si、Ca，利用元素含量計(jì)算視泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)視含量公式[5]:

表1 八種元素和十種礦物的轉(zhuǎn)換系數(shù)表[3-4]

式中：

φ（泥質(zhì)）、φ（砂質(zhì)）、φ（灰質(zhì)）—泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)視含量，%；

φ（K）、（Si）、φ（Ca）—鉀、硅、鈣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

φ（K）min、φ（Si）min、φ（Ca）min—純砂巖中鉀、硅、鈣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小值，%；

（K）max、（Si）max、（Ca）max—純泥巖鉀、硅、鈣元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的最大值，%。

XRF錄井計(jì)算泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)相對(duì)百分含量Vsh、Vsand、Vlime公式:

式中：

Vsh、Vsand、Vlime—泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)相對(duì)百分含量，%；

XRD錄井直接通過合并石英、碳酸鹽、黏土礦物含量方法確定泥質(zhì)、砂質(zhì)、灰質(zhì)成分的相對(duì)百分含量。

2.2 譜圖判別法

識(shí)別巖性的譜圖法主要是根據(jù)XRD、XRF譜圖特征來識(shí)別。在涪陵頁巖氣田志留系龍馬溪組石英樣品XRD實(shí)驗(yàn)譜圖中，橫向?yàn)檠苌浣嵌龋v向?yàn)橄鄬?duì)強(qiáng)度，每個(gè)峰標(biāo)出的對(duì)應(yīng)的值為晶面間距d。d值滿足布拉格定律（Braggs Law），2dsinθ=nλ，θ為衍射角度，λ為X射線波長。石英的XRD曲線出峰較多，可以明顯看到7個(gè)峰，其中特征非常明顯的特征峰的衍射角為26.64°、20.86°，晶面間距為0.335、0.426。圖上各峰的衍射角的角度、晶面間距與儀器出廠配備的石英標(biāo)樣X射線衍射數(shù)據(jù)基本吻合。對(duì)巖屑XRF譜圖分析發(fā)現(xiàn)，相同巖性的XRF譜圖具有相似特征，根據(jù)這一特征對(duì)測(cè)量樣品的XRF譜圖進(jìn)行相似性分析，可判別測(cè)量樣品的巖性。

圖1 涪陵頁巖氣田龍馬溪組典型石英礦物XRD圖譜

3 判斷儲(chǔ)層可改造性

頁巖脆性特征是儲(chǔ)層是否易于改造的重要參數(shù)[6]，而礦物成分是其主要影響因素之一。統(tǒng)計(jì)顯示，在其他條件相似的情況下，石英、方解石、菱鐵礦3種礦物含量的增大會(huì)使儲(chǔ)層的抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈上升趨勢(shì)，而泊松比則呈下降趨勢(shì)，有利于儲(chǔ)層改造。

錄井現(xiàn)場(chǎng)通常是根據(jù)巖屑或巖心脆性礦物含量與脆性指數(shù)判別。脆性礦物含量估算公式[7]：

式中：

VBRIT—儲(chǔ)層脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

Vsi—儲(chǔ)層石英質(zhì)（石英、長石）礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

Vco3—儲(chǔ)層碳酸鹽礦物（方解石、白云石）質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

式中：

BRIT—儲(chǔ)層脆性指數(shù)，無量綱；

Vth—儲(chǔ)層黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

在錄井現(xiàn)場(chǎng)，BRIT≥0.5、Vsi+lime≥60，頁巖氣儲(chǔ)層改造被認(rèn)為是易形成放射狀網(wǎng)絡(luò)裂縫（圖2）；BRIT≤0.2、Vsi+lime≤30，頁巖氣儲(chǔ)層改造被認(rèn)為是易形成單縫[8]。

圖2 頁巖氣儲(chǔ)層改造裂縫形成條件示意圖

4 孔隙度計(jì)算

在利用元素錄井儀或其它裝置測(cè)得巖樣礦物含量的前提下，參考礦物和流體標(biāo)準(zhǔn)密度值[9]（表2）可求得巖樣的密度，計(jì)算公式：

式中：

ρb—視巖屑或巖心體積密度，g/cm3；

ρi—巖樣礦物密度，g/cm3；

Vi—巖樣礦物相對(duì)百分含量，%。

表2 涪陵頁巖氣田常見礦物和流體密度值（g/cm3）[11]

參照利用密度測(cè)井求取儲(chǔ)層總孔隙度公式得到視儲(chǔ)層孔隙度公式：

式中：

Φx—視儲(chǔ)層總孔隙度，%；

Dma—巖石骨架、流體密度值，g/cm3；

涪陵頁巖氣田Φx、Dma一般分別取2.65、0.56。

值得說明的是，Φx未進(jìn)行有機(jī)質(zhì)含量校正，不影響現(xiàn)場(chǎng)錄井應(yīng)用。

5 實(shí)例分析

涪陵頁巖氣田位于重慶市東面，在氣田南部焦石壩背斜帶海相頁巖氣勘探率先獲得突破[10]。元素錄井為區(qū)內(nèi)首口頁巖氣參數(shù)井—A井與B、C、D探井（圖3）及多口評(píng)價(jià)井巖性識(shí)別、儲(chǔ)層可改造性評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層總孔隙度等重要參數(shù)確定提供了重要技術(shù)支持。這里僅以A井為例闡述元素錄井技術(shù)應(yīng)用。

圖3 涪陵頁巖氣田A井井位示意圖

A井元素錄井采用XRD錄井儀，從井深1000 m開始錄井，錄井間距為1 m，到井深2450.0 m結(jié)束。

與其同步工作的氣測(cè)錄井于龍馬溪組井深2341.0 m開始出現(xiàn)烴類異常顯示（圖4），至五峰組井深2416.0 m異常顯示結(jié)束。

圖4 A井龍馬溪組下部——五峰組頁巖儲(chǔ)層錄井成果圖

A井龍馬溪組下部—五峰組巖屑錄井巖性主要為灰黑色粉砂質(zhì)泥巖、灰黑色泥巖與碳質(zhì)泥頁巖，自然伽馬呈高值顯示。2341.0～2416.0 m井段巖心元素錄井分析顯示，頁巖礦物成分以石英和黏土礦物為主，含斜長石、鉀長石、方解石、白云石和黃鐵礦等。黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小16.6%，最大62.8%，平均40.0%（圖5)。黏土礦物以伊蒙混層(I/S)為主，占54.0%，其次為伊利石40.0%；脆性礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小34.0%，最大80.0%，平均56.5%，以石英為主，占68.0%，其次是長石，占16.0%，脆性指數(shù)為0.47。依據(jù)元素錄井礦物成分，2341.0～2416.0 m井段巖性應(yīng)命名為（富含）硅質(zhì)頁巖，與巖屑巖性命名基本一致?？傮w上來看，A井龍馬溪組—五峰組2341.0～2416.0 m含氣頁巖儲(chǔ)層段脆性指數(shù)自上而下逐漸增大。類比北美地區(qū)海相頁巖氣層，龍馬溪組—五峰組2341.0～2416.0 m頁巖氣層脆性礦物含量適中，易壓裂改造成功。

A井2341.0～2368 m井段頁巖氣層元素錄井視巖性密度、孔隙度平均值為2.53 g/cm3、6.0%，2368～2416.0 m元素錄井視巖性密度、總孔隙度平均值為2.56 g/cm3、4.2%,與實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析和測(cè)井、核磁共振錄井處理結(jié)果基本接近，視密度絕對(duì)誤差小于±0.03 g/cm3，總孔隙度絕對(duì)誤差小于1.0%，能滿足元素錄井評(píng)價(jià)儲(chǔ)層需要。

圖5 A井2341.0~2416.0 m井段儲(chǔ)層礦物分類剖面示意圖

A井完鉆后，對(duì)應(yīng)龍馬溪組2395.0～2410.0 m井段，進(jìn)行了側(cè)鉆水平井，水平段長1008.0 m，分15段進(jìn)行水力壓裂，日產(chǎn)天然氣20.3×104m3，儲(chǔ)層多級(jí)分段壓裂改造效果良好，可改造性強(qiáng)。

6 結(jié)論

（1）元素錄井技術(shù)在涪陵頁巖氣田應(yīng)用實(shí)踐證明，能夠準(zhǔn)確定量測(cè)量儲(chǔ)層礦物成分，為特殊鉆井條件下的錄井細(xì)小、粉末狀巖屑巖性識(shí)別提供可靠依據(jù)，已成為頁巖氣井鉆探的必要配套技術(shù)；

（2）利用元素錄井測(cè)量的礦物成分含量計(jì)算頁巖儲(chǔ)層視體積密度、總孔隙度有可行性。

（3）文中建立的龍馬溪組下部—五峰組礦物、礦物分類剖面可以作為涪陵頁巖氣田元素錄井分析標(biāo)準(zhǔn)剖面。

1朱根慶，李實(shí)榮.X射線熒光巖屑元素錄井儀器[R].江蘇;全國油氣田鉆探工程技術(shù)與裝備研討會(huì)文集[C]，2012.

2占蓉，鄒筱春，李芳.隨鉆X射線衍射分析錄井技術(shù)應(yīng)用研究[J].錄井工程，2012，23（4）:1-5.

3孫建孟，姜東，尹璐.地層元素測(cè)井確定礦物含量的新方法[J].天然氣工業(yè)，2014，34（02）:42-47.

4張鋒，劉軍濤，冀秀文，等.地層元素測(cè)井技術(shù)最新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].同位素，2011，24（12）:21-28.

5蔣裕強(qiáng)，董大忠，漆麟，等.頁巖氣儲(chǔ)層的基本特征及其評(píng)價(jià)[J].天然氣工業(yè)，2012，30（10）:7-12.

6董丙響，程遠(yuǎn)方，劉鈺川，等.頁巖氣儲(chǔ)層巖石物理性質(zhì)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，28（1）:25-28,36.

7趙靖舟，方朝強(qiáng)，張潔，等.由北美頁巖氣勘探開發(fā)看我國頁巖氣選區(qū)評(píng)價(jià)[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，26（2）:20-24.

8石文睿，張占松，張智琳，等.偶極陣列聲波測(cè)井在頁巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào).2013，26（06）:54-57.

9馮愛國，張建平，石元會(huì)，等.中揚(yáng)子地區(qū)涪陵區(qū)塊海相頁巖氣層特征[J].特種油氣藏，2013，20（6）：15-19.

10雍世和，張超謨，高楚橋，等.測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)處理與綜合解釋[M].山東：中國石油大學(xué)出版社，2007.

（修改回稿日期2014-09-29編輯王曉清）

中國石化石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司科技攻關(guān)項(xiàng)目（SG1305）“涪陵地區(qū)頁巖氣試范區(qū)石油工程集成技術(shù)”，中國石化集團(tuán)公司工程先導(dǎo)項(xiàng)目（SG12068）“頁巖油氣藏礦物錄井定量分析技術(shù)”。

李昂，男，1990年出生，長江大學(xué)礦產(chǎn)普查專業(yè)在讀碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)。地址：（430100）武漢市蔡甸區(qū)大學(xué)路特一號(hào)。電話：15623022167。E-mail：767424461@qq.com