夏良冰 趙彥澤 胡 云 王建立 苑仁國 闞留杰

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司；②中海石油(中國)有限公司天津分公司)

0 引 言

在鉆井過程中，地層巖性識別是一項基礎性的重要工作，及時準確地識別地層巖性是正確選擇施工參數(shù)、確保鉆井安全、提高油氣勘探效率的重要保證。隨著石油鉆井工藝技術的發(fā)展和油氣勘探開發(fā)難度的加大，由井底返出的巖屑十分細碎、混亂、復雜。常規(guī)巖性識別方法直接或借助簡單的光學儀器觀察巖屑組成成分，這種方法往往由于錄井人員經(jīng)驗不同，對同一個巖屑樣品的巖石定名或特征描述差別較大，難以準確描述地層巖性，甚至造成對地層巖性的誤判[1-4]。

元素錄井技術采用元素光譜分析方法，用X射線激發(fā)巖屑樣品，檢測樣品中化學元素的相對含量，通過元素組合特征分析識別巖性[5-8]。元素錄井技術的推廣應用，給巖性識別增添了新的手段，但目前該技術的應用研究還不夠深入，巖性解釋方法欠缺，因此尋找其規(guī)律性，建立有效的元素錄井技術解釋評價方法具有重要意義。

1 研究思路

通過對各類巖石典型樣品元素含量數(shù)據(jù)采集分析，可以了解其元素組成及分布規(guī)律，由于不同性質的巖石其礦物組成不同，其中元素的含量也就不同，但由于地層巖性多樣，部分巖性之間的元素組成及含量的差異性較小，只有少數(shù)幾種元素含量差異性較大，可以將這些元素稱之為敏感元素，通過篩選和提取各類典型巖石的敏感元素，建立對應的標準特征譜圖，再通過被檢測樣品的元素特征與典型巖石標準特征譜圖對比分析，即可實現(xiàn)判別巖性的目的。但由于巖性復雜多樣，元素種類繁多，對應的標準特征譜圖種類多，依靠人為主觀進行譜圖對比顯然是不科學的，且判斷準確性難以保證[9-10]。因此在對研究區(qū)元素資料采集分析的基礎上，通過引入線性回歸分析方法，實現(xiàn)實測元素數(shù)據(jù)與標準特征譜圖數(shù)據(jù)之間相關性的量化計算，以最大相關性為原則尋求最佳匹配結果，進而實現(xiàn)通過特征譜圖對比進行巖性識別的目的。其分析流程如圖1所示。

圖1 巖性識別分析流程

2 方法的建立

2.1 建立數(shù)據(jù)庫

將研究區(qū)塊已采集的同一地層單元不同巖性巖石的各元素含量進行均值計算，建立區(qū)塊內各層段的巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫。以渤中區(qū)塊東營組為例，按照不同巖性分別對采集的17種元素數(shù)據(jù)進行均值計算，形成巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫(表1)。

表1 渤中區(qū)塊東營組巖性與元素含量均值數(shù)據(jù)庫 %

2.2 敏感元素篩選

根據(jù)渤中區(qū)塊東營組統(tǒng)計情況，該區(qū)主要包括泥巖、砂巖、泥質砂巖、碳酸鹽巖、玄武巖及安山巖6種巖性。結合已有地質錄井資料，選取元素交會分析法對該區(qū)東營組各層段的巖石元素含量進行交會分析，提取對巖性反映較為敏感的元素。通過對采集的17種元素兩兩交會建立圖板，可以得到136個交會對比圖。從交會對比圖中可以發(fā)現(xiàn)Si、Fe、Al、Ca元素相對砂巖、泥巖、泥質砂巖具有較好的區(qū)分性，Si、Mg、Mn、K、Ca、Ti元素相對玄武巖、安山巖、碳酸鹽巖具有較好的區(qū)分性。這些元素對于該區(qū)東營組的巖性具有較好的區(qū)分性，可以確定為該區(qū)的敏感元素(圖2)。

圖2 渤中區(qū)塊東營組巖性元素交會圖

2.3 標準特征譜圖的建立

根據(jù)研究區(qū)各地層單元篩選出的敏感元素，將每種巖性主要元素特征含量按出峰順序投入到坐標系中，建立該區(qū)塊巖性元素特征含量標準譜圖。

以渤中區(qū)塊東營組地層為例，對元素進行兩兩交會，綜合分析后發(fā)現(xiàn)Mg、Si、Al、Fe、K、Ca、Mn、Ti八種元素對巖性識別較為敏感，之后建立該區(qū)塊東營組地層巖性敏感元素特征含量標準譜圖，如圖3所示。

2.4 利用相關性分析判別巖性

采集在鉆井的元素錄井數(shù)據(jù)，提取實測樣品的特征峰值數(shù)據(jù)，得到下列n組數(shù)據(jù):

(X1，Peak11)，(X2，Peak12)，…，(Xn，Peak1n)

式中：X1，X2，…,Xn為研究區(qū)篩選出的反映巖性特征的主要元素，例如Na、Mg、Al等；Peak11，Peak12，…，Peak1n為相應元素的特征峰值數(shù)據(jù)。

然后在標準譜圖庫中查找相應的n組數(shù)據(jù):

(X1，Peak21)，(X2，Peak22)，…，(Xn，Peak2n)

式中：Peak21，Peak22，…，Peak2n為相應元素在標準譜圖庫中的特征峰值數(shù)據(jù)。

將X坐標相同的兩個峰值相除，得到下列n組數(shù)據(jù):(X1，Y1)，(X2，Y2)，…，(Xn，Yn)。

從這n組數(shù)據(jù)來看，如果兩個譜圖完全相似，則坐標連接成一條直線，可以判定兩個譜圖對應相同的巖性；但是，實際情況不可能完全相同，因此要對這組數(shù)據(jù)進行一元線性回歸處理，步驟如下：

最后用相關系數(shù)進行檢驗，相關系數(shù)反映了變量x和y之間的密切程度，用下式定義：

用實測樣品譜圖依次與標準譜圖庫比對，找出其中|r|值最大的譜圖，表明兩個譜圖最為相似，并以此譜圖對應的巖性來判別實測樣品的巖性。

3 應用效果

3.1 渤中A井巖性識別應用實例

將渤中區(qū)塊A井東營組2 705～2 740 m井段實鉆中元素錄井采集數(shù)據(jù)(表2)，與該區(qū)塊已建立的東營組巖性敏感元素特征含量標準譜圖對比(表1)。

表2 A井2 705～2 740 m井段特征元素含量

根據(jù)實測數(shù)據(jù)與標準譜圖巖性相關系數(shù)計算(表3)，A井2 705～2 720 m井段的巖屑與泥巖標準譜圖相關系數(shù)最大，判斷為泥巖；2 720～2 725 m井段的巖屑與玄武巖標準譜圖相關系數(shù)最大，判斷為玄武巖；2 725～2 730 m井段的巖屑與泥質砂巖標準譜圖相關系數(shù)最大，判斷為泥質砂巖；2 730～2 740 m井段的巖屑與砂巖標準譜圖相關系數(shù)最大，判斷為砂巖。

表3 A井2 705～2 740 m井段巖性與標準譜圖巖性相關系數(shù)

2 700～2 740 m井段的電測資料、井壁取心資料、薄片鑒定分析結果都支持該段巖性的上述特征譜圖巖性識別解釋判斷結果，證實了該解釋評價方法的可靠性，如圖4所示。

圖4 A井2 700～2 740 m井段地質綜合圖

3.2 渤海探區(qū)應用情況

渤海探區(qū)2015-2017年有15口探井應用元素錄井項目，主要應用于深井勘探，針對復雜儲層識別、潛山界面卡取、潛山巖性識別等?；诿舾性靥卣髯V圖巖性解釋方法的應用，取得了較好的效果，復雜巖性解釋符合率大于80%，潛山界面卡準率100%(表4、表5)。

表4 復雜巖性解釋符合情況

表5 潛山界面卡取情況

4 結 論

采用基于敏感元素特征譜圖的巖性識別方法時，首先要建立研究區(qū)不同地層單元巖性與元素含量均值對比數(shù)據(jù)庫。如果數(shù)據(jù)采樣點較少，則會導致對比數(shù)據(jù)庫中建立的巖性標準數(shù)值與真實巖性誤差較大，因此在研究區(qū)選井盡量多，覆蓋范圍盡量廣；如果已鉆井數(shù)不能滿足需求，則不能簡單地進行算數(shù)平均，需要利用均值-方差原理進行數(shù)據(jù)校正，完成不同巖性-元素特征值的提取。其次要在數(shù)據(jù)處理的基礎上，利用元素交會分析法提取巖性敏感元素，建立研究區(qū)不同地層單元反映不同巖性的主要元素特征含量標準譜圖。最后通過線性回歸相關性分析，將研究區(qū)或鄰區(qū)實測數(shù)據(jù)對應元素含量譜圖與標準譜圖進行對比，識別巖性判斷潛山地層。

以上分析及應用效果表明，基于敏感元素特征譜圖的巖性識別方法，能實現(xiàn)地層巖性的定量化解釋識別，尤其對于復雜巖性更能發(fā)揮其優(yōu)勢，具有較好的解釋符合率。利用該方法可為復雜巖性識別、潛山界面卡取提供判斷依據(jù)，為確保鉆井安全、提高油氣勘探效率提供重要保障。