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，橫縱向非均質強，預測難度大。但是，由于碳酸鹽巖巖性單一，常規(guī)現(xiàn)場地質錄井無法準確識別各個地層頂?shù)捉纾毅@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)進行，以至于無法實現(xiàn)鉆探目的，并造成巨大的經(jīng)濟損失。元素錄井可以滿足現(xiàn)場鉆井實時跟蹤的需求。其在塔中油區(qū)的應用，證實元素錄井技術在巖性準確識別的基礎上，可以實現(xiàn)層位準確卡取、碳酸鹽巖礁灘體與巖溶型儲層預警及現(xiàn)場快速評價。

1 區(qū)域地質概況

塔中油田位于塔里木盆地中央隆起中部。塔中隆起是一個在寒武紀-奧陶紀巨型褶皺背斜基礎上形成并長期發(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造運動疊加改造，發(fā)育了復雜的斷裂系統(tǒng)。由于加里東中期強烈隆升，塔中地區(qū)經(jīng)歷了較長時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，鷹山組下部為灰質白云巖與白云質灰?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。結合碳酸鹽巖儲層發(fā)育的主控因素，可進一步分為礁灘體儲層、風化殼儲層、白云巖儲層三大類，分別受沉積相、表生巖溶、巖性控制。結合勘探的主體需要，可將上述三大類儲層細分為鑲邊型臺緣礁灘儲層、緩坡型臺緣礁灘儲層、層間風化殼儲層、潛山風化殼儲層、白云巖儲層共5種類型(表1)[1]。

表1 塔里木盆地碳酸鹽巖儲層分類

2 技術方法

元素錄井技術是以巖石化學為理論基礎，通過對隨鉆巖石樣品進行X射線熒光光譜分析(XRF)獲取巖石化學組分，進而研究巖石化學特征及其應用的一項錄井技術，也可稱之為巖石化學錄井技術。

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應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)進行處理，建立了各類巖石礦物含量計算方法，能夠快速準確落實巖性。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支撐。

2.1 特征元素選取

元素錄井所應用的能量色散型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，通過國家標準物質標定，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別等各方面的技術需求。

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，重點分析SiO2、Al2O3、CaO、MgO、∑Fe2O3(或SO3)、TiO2共6種主要化學成分含量及其組合特征(表2)，作為巖石定名、儲層識別與評價的主要參數(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行巖性識別。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)構成碳酸鹽巖礦物的化學成分數(shù)據(jù)，對方解石、白云石、黏土及其他礦物含量進行計算，然后在碳酸鹽巖礦物成分分類圖板投點進行巖性定名[3-4]。

(1)礦物含量計算：白云石、方解石及黏土類等其他礦物組分含量計算公式如下。

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：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。

2.2.2 分類表法

依據(jù)礦物成分分類表進行定名(表3)，屬于三角圖板法的另一種表達方法。若黏土類礦物中含有石英等，則在定名時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

2.3 擬合GR曲線

通過對塔中地區(qū)16口井元素數(shù)據(jù)的分析總結，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井元素擬合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)實際情況調整取值。

3 元素錄井在塔中地區(qū)奧陶系中的應用

3.1 巖性定名

巖性定名是元素錄井技術的首要功能，是隨鉆錄井進行地層劃分與對比、儲層識別與評價的基礎。

3.1.1 區(qū)域地層巖石組合特征

塔中地區(qū)奧陶系儲層主要以灰?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層。巖石類型主要以顆?；?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]。碳酸鹽巖儲層巖性的細分，對儲層識別有重要意義。因此，元素錄井的首要任務是將這幾類碳酸鹽巖進行區(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井元素錄井數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)-公式(3)，計算出巖石中各種主要礦物含量(表5)，利用圖板法進行巖性定名(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泥巖、含云泥巖；良里塔格組巖性主要為灰?guī)r、泥質灰?guī)r；鷹山組一段和二段巖性主要為灰?guī)r、含云灰?guī)r及白云質灰?guī)r。

選取ZG 113井元素錄井數(shù)據(jù)，利用碳酸鹽巖CaO/MgO比值法進行定名(圖4)。在6 631～6 661 m井段的巖性為灰?guī)r、灰質白云巖和白云質灰?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，還需要結合特征元素含量進行定名。生屑灰?guī)r在沉積過程中會殘留大量富含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口井元素數(shù)據(jù)總結分析，得出以下結論：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，結合鄰井電測曲線、巖性描述對本井地層進行確定。元素錄井技術地層劃分的基礎為依據(jù)公式(4)所計算出元素近鉆頭擬合GR曲線，與鄰井電測GR曲線對比，實現(xiàn)地層的預測及準確卡取。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交會圖法：選取16口井桑塔木組與良一段巖石樣品進行元素分析，用分析所得CaO、Al2O3含量繪制交會圖，通過交會圖發(fā)現(xiàn)：桑塔木組巖石化學特征為Al2O3含量大于8%，CaO含量小于30%；良一段巖石化學特征為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特征。

圖5 TZ 83-8井CaO與Al2O3交會

(2)Sr/Ba、Sr/Th與擬合GR曲線交會法：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交會曲線來卡取界面，二者交會井深可以劃分為地層底界面(圖6)；同時引進Sr/Th，進入良里塔格組，由于黏土礦物減少，地層中吸附的Th會減少，而Sr會增高，因而Sr/Th也可以用來劃分地層。通過16口井的統(tǒng)計分析，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，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高GR頂部。

通過元素數(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；分層界線下部風化剝蝕地層GR較高，SiO2、Al2O3含量較高。同時通過擬合近鉆頭GR曲線可以及時與鄰井進行對比，實現(xiàn)地層準確卡取。

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依據(jù)有兩個方面(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特征；二是鷹山組經(jīng)過長期抬升，接受風化淋濾作用，頂部存在風化剝蝕殘積層，其巖石化學特征為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，分析認為該沉積時期，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造(圖9)。MgO含量越高，說明古構造較高，MgO含量越低，說明古構造較低。根據(jù)特征化學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 儲層識別

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

(1)良里塔格組礁灘體表生巖溶型儲層：良里塔格組礁灘體表生巖溶型儲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，反映在巖石化學成分上表現(xiàn)為SiO2、Al2O3異常。同時，良里塔格組儲層屬于礁灘體型儲層，其巖石化學特征為SO3異常(圖10)。

圖10 ZG 1-1X井良里塔格組礁灘體巖溶型儲層元素錄井剖面

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

圖11 ZG 296井一間房組儲層示意

(3)鷹山組巖層間風化巖溶儲層：鷹山組儲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期的風化剝蝕，結果為易溶的Na+、K+、Ca2+流失，SiO2、Al2O3及Fe2O3殘留，形成一套相對富含泥質的地表巖溶帶，與測井的第一高GR段相對應。SiO2、Al2O3含量越高，說明風化作用越強烈，據(jù)此，可對鷹山組頂部尖滅線變化進行進一步研究；垂直滲流巖溶帶以CaO為主，部分滲流縫為硅質及泥質所充填，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)勢儲層(圖13)。

圖12 塔里木盆地奧陶系巖溶分帶模式[8]

4 結 論

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

(1)通過應用圖板法、分類表法、CaO/MgO比值法，準確落實了奧陶系碳酸鹽巖巖性，并進行了較為精細的劃分，彌補了其他錄井技術的不足，為后續(xù)工作的開展奠定了堅實的基礎。

(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，并對礁灘體型儲層、巖溶型儲層進行有效識別和評價。

可以看出，元素錄井技術在塔中地區(qū)巖性識別與定名、地層卡取、優(yōu)勢儲層識別等方面具有獨到的優(yōu)勢，可為鉆井施工提供及時準確的地質預警服務，還可為壓裂試采井段的選取提供可靠的試油建議，進一步為油田的勘探與開發(fā)工作提供可靠的技術支持。