元素录井在川渝地区关键层位岩性识别中的应用
尹平1, 漆麟1, 朱茜霞1, 罗利1, 唐家琼1, 阮聪1, 赵磊1, 梁红2
1.中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院
2.中国石油长庆油田公司第四采气厂

作者简介:尹平,1969年生,高级工程师,学士;主要从事石油地质、录井技术方面的研究工作。地址:(610051)四川省市成都建设北路一段83号。ORCID: 0000-0002-1270-6575。E-mail:yinp_sc@cnpc.com.cn

摘要

随着川渝地区快速钻井工艺的推广应用,返出岩屑呈细碎甚至粉末状,传统的岩屑岩性识别方法已不能满足要求。为此,根据元素地球化学原理,对该区关键层位开展了元素录井岩性定性识别及定量解释工作。结果表明:①不同岩性元素录井特征差异明显,易于识别,如玄武岩为0.350.55;②沉积岩中可依据(Al+Si+Fe)和(Ca+Mg+S)组合识别出碎屑岩、碳酸盐岩和硫酸盐岩及其过渡岩类,其中(Al+Si+Fe)>31%者为碎屑岩,(Al+Si+Fe)<8%且(Ca+Mg+S)<36%为碳酸盐岩,而(Al+Si+Fe)<5%且(Ca+Mg+S)>36%则为硫酸盐岩。进一步可根据(Si+K+Ca)和Si/Al、(Al+Si+Fe+K)和(Ca+S)/Mg识别出砂岩、泥(页)岩、石膏、白云岩、石灰岩及其过渡岩类。为便于该方法在现场应用,建立了该区关键层位元素录井岩性识别定性图版并开发了定量解释软件。在川渝地区MX207井等10口井现场应用的效果表明:该方法岩性识别符合率介于88.75%~95.22%,平均符合率达92.42%,能够满足该区关键油气层位随钻岩性快速识别的要求。

关键词: 川渝地区; 关键层位; 元素录井; 随钻岩性识别; 岩性定量解释; 定性识别图版; 解释软件
Application of element logging to lithologic identification of key horizons in Sichuan-Chongqing gas provinces
Yin Ping1, Qi Lin1, Zhu Qianxia1, Luo Li1, Tang Jiaqiong1, Ruan Cong1, Zhao Lei1, Liang Hong2
1. Geology Exploration and Development Research Institute, CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610051, China
2. No.4 Gas Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Yinchuan, Ningxia 750006, China
Abstract

With the popularization and application of fast drilling technology in Sichuan-Chongqing gas provinces, the returned cuttings are fine and even powdered, so the traditional cutting lithology identification methods are not applicable any longer. In this paper, qualitative lithology identification and quantitative interpretation based on element logging were conducted on the key oil and gas bearing layers in this area according to the principle of elemental geochemistry. It is shown that different lithologies can be identified easily because of their different element logging characteristics. For example, basalt has the element characteristics of 0.35 < Fe/Si < 0.55 and Ca/(Na+K) < 4.00, while sedimentary rocks has Fe/Si < 0.35 or > 0.55. Clastic rocks, carbonate rocks, sulphate rocks and transition rocks in the category of sedimentary rocks can be identified based on the element combination of (Al+Si+Fe) and (Ca+Mg+S). It is clastic rocks if (Al+Si+Fe) > 31%, carbonate rocks if (Al+Si+Fe ) < 8% and (Ca+Mg+S) < 36%, and sulphate rocks if (Al+Si+Fe ) < 5% and (Ca+Mg+S) > 36%. Then, based on the element combination of (Si+K+Ca)+Si/Al and (Al+Si+Fe+K)+(Ca+S)/Mg, sandstone, mudstone (shale), gypsum, dolomite, limestone and transition rock lithology are identified. Finally, a qualitative identification chart and a quantitative interpretation software of element logging on key horizons in Sichuan-Chongqing gas provinces were developed to make this method convenient for field application. This method was applied on site in ten wells such as Well MX207 in Sichuan and Chongqing gas provinces. It is indicated that the coincidence rate of lithology identification is in the range of 88.75-95.22%, averaging 92.42%. Obviously, it can satisfy the requirements of fast lithology identification while drilling of key oil and gas horizons in Sichuan-Chongqing gas provinces.

Keyword: Sichuan-Chongqing gas provinces; Key horizon; Element logging; Lithologic identification while drilling; Quantitative lithologic interpretation; Qualitative identification chart; Interpretation software

随着川渝地区油气勘探开发工作的不断推进, 加之如PDC钻头+螺杆、气体钻井等快速钻井工艺技术的推广应用, 井下返出的岩屑呈细碎甚至粉末状, 岩石结构破坏严重, 采用肉眼、镜下等传统方法识别岩屑岩性变得十分困难, 直接影响了关键层位卡层准确率乃至工程进度。而元素录井则能较好地实现细粉状岩屑的随钻岩性快速识别和地层层位判断[1]

元素录井是利用X射线荧光仪分析岩心、岩屑的元素含量, 并根据元素含量信息进行岩性识别的一项录井技术[2, 3, 4, 5]。该技术是通过测量地层岩石的元素含量, 进而通过岩石元素和元素组合特征的变化进行岩性识别和地层评价[6], 且不受井眼、钻井液性质、钻井方式及人员经验等影响。经过多年的发展, 元素录井技术已在长庆、塔里木、渤海湾、辽河、大庆、元坝、涪陵、吐哈等油气田碎屑岩、碳酸盐岩、火山岩及变质岩岩性随钻判识、地层划分对比及沉积相分析等方面取得了较好的应用[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13]

笔者通过对四川盆地东部(川东)地区YA24井、川中地区MX105井、川南地区G2井、川西地区HS1井等4口井共超过1.2× 104个岩屑样品开展岩屑元素录井测量, 并对测量数据进行标准化处理及统计分析, 建立了川渝地区关键层位元素录井岩性识别方法, 以期解决在钻井过程中关键层位岩性的快速识别问题。

1 川渝地区关键层位的确定

震旦纪— 中三叠世时期, 四川盆地以海相沉积为主, 沉积物为碳酸盐岩夹泥页岩或其他碎屑岩; 晚三叠世以后以陆相沉积为主, 沉积物为陆源碎屑岩夹湖相碳酸盐岩[14, 15, 16]。由于各个地质历史时期沉积环境的不同, 各层段的岩性及组合具有较大差异, 同时, 由于受构造运动影响, 造成各地剥蚀程度不一, 在风化剥蚀界面上、下接触层位也有所不同。根据目前川渝地区的油气勘探开发情况, 将套管(技术、油层)固井卡层层位、钻探目的层及兼探目的层确定为关键层位。勘探开发实践表明, 川渝地区的关键层位主要包括上三叠统须家河组, 中三叠统雷口坡组雷四段、雷一段, 下三叠统嘉陵江组嘉二段、飞仙关组, 上二叠统长兴组, 中二叠统茅口组, 下二叠统栖霞组, 石炭系, 下寒武统龙王庙组, 震旦系灯影组等(表1)。

表1 川渝地区关键层位及其主要岩性特征表
2 元素录井岩性识别
2.1 定性识别

地球化学的研究表明, 岩石是由C、H、O、Na、Mg、Al、Si、S、Ca、K、Fe、Mn等主要元素的氧化物构成的, 岩性不同其主要元素的含量也不相同[17]。这些元素的氧化物在酸性岩中平均为98.3%, 在中性岩中平均为97.7%, 在基性和超基性中平均为95.9%, 在砂岩中平均为94.9%, 在泥岩中平均为91.4%, 在碳酸盐岩中为60%[18]。由于沉积作用的复杂性和多样性, 所以沉积岩的元素组成变化更大。在碎屑岩地层中, 特征元素以Si、Fe为主, 其中Si代表砂质, Fe代表泥质, Ca表明含一定量的灰质, 而煤则具有低Si、中Fe、高S特征(图1-a); 在碳酸盐岩地层中, 特征元素为Ca、Mg、S, Ca代表灰质, Mg代表云质, S代表膏质(图1-b)。因此, 可以根据元素及其组合的特征变化识别岩性。

图1 元素录井曲线特征图

对4口典型井岩屑元素录井测量数据统计研究发现(表2、3), 川渝地区岩浆岩(玄武岩)与沉积岩的Fe/Si和Ca/(Na+K)元素组合特征差异明显:玄武岩0.35< Fe/Si< 0.55且Ca/(Na+K)< 4.00, 而沉积岩Fe/Si< 0.35或> 0.55。根据上述元素组合及变化特征建立了川渝地区岩浆岩与沉积岩岩性分区识别图版(图2)。

表2 川渝地区关键层位主要岩石类型特征元素组合百分含量统计表
表3 川渝地区关键层位主要岩石类型特征元素组合比值统计表

图2 川渝地区岩浆岩与沉积岩元素录井岩性识别图版

沉积岩是川渝地区关键层位的主要岩石类型, 包括碎屑岩、碳酸盐岩、硫酸盐岩及过渡岩类。其中Al、Si、Fe为碎屑岩的主要构成元素; Ca、Mg为碳酸盐岩的主要构成元素, Ca、S、Na、Cl、K元素为蒸发岩的主要构成元素, 由于受钻井液影响, 岩屑中难以保留石盐、钾石盐。因此, 蒸发岩的主要构成元素为Ca和S; 过渡岩类因所含矿物成分不同, 其主要构成元素有所不同。对表2进一步分析可知, (Al+Si+Fe)含量(质量分数, 下同)25%为碎屑岩与碳酸盐岩、硫酸盐岩的分界线, 其值在25%~31%间为碎屑岩的过渡岩类, 大于31%者为碎屑岩类; 其值在8%~25%间为碳酸盐岩的过渡性岩类, 小于8%且(Ca+Mg+S)含量小于36%为碳酸盐岩; 其值小于5%且(Ca+Mg+S)含量大于36%为硫酸盐岩(图3)。虽然碳酸盐岩中石灰岩、白云岩及过渡岩类具有较好的分离度, 线性关系明显, 但碎屑岩类无明显线性关系, 分布杂乱, 分离度差。

图3 川渝地区沉积岩元素录井岩性识别图版

图4 砂岩与泥(页)岩元素录井岩性识别图版

统计分析还发现, 碎屑岩中砂岩及过渡岩类(Si+K+Ca)含量大于32%、Si/Al大于4; 泥(页)岩及过渡岩类(Si+K+Ca)含量低于32%、Si/Al小于4。其中, 碳质页岩具有高的(P+S)/Cl值(大于80); 泥质砂岩具有低Si/Al比值(1.7)、高Al+Fe含量(16.88%); 灰质页岩具有高Si/Al比值(5.28)、中低Al+Fe含量(10.41%)。据此, 建立了碎屑岩元素录井岩性识别图版(图4)。

川渝地区碳酸盐岩及硫酸盐岩在三叠系及以下地层广泛分布, 由于岩相变化快, 其过渡性岩类较发育。研究表明, (Al+Si+Fe+K)含量由高至低为泥质石灰岩— 砂质云岩— 石灰岩— 白云岩— 石膏, (Ca+S)/Mg值由高至低分别为石膏— 泥质灰岩— 石灰岩— 白云岩— 砂质云岩。因此, 以(Al+Si+Fe+K)与(Ca+S)/Mg关系建立了碳酸盐岩与硫酸盐岩岩性识别图版(图5)。当(Al+Si+Fe+K)含量小于2%为石膏; 当(Al+Si+Fe+K)含量在2%~8.5%且(Ca+S)/Mg比值小于6为白云岩; 当(Al+Si+Fe+K)含量在2%~8.5%且(Ca+S)/Mg比值大于6为石灰岩; 当(Al+Si+Fe+K)含量大于8.5%且(Ca+S)/Mg比值小于6为砂泥质白云岩; 当(Al+Si+Fe+K)含量大于8.5%且(Ca+S)/Mg比值大于6为泥质石灰岩。

图5 碳酸盐岩与硫酸盐岩元素录井岩性识别图版

2.2 定量解释

川渝地区关键层位岩性种类较多, 通过图版可以定性确定测量样品的岩石类型, 但对于过渡岩类, 如砂质泥页岩与泥页质砂岩、灰质云岩与云质灰岩、砂质云岩与云质砂岩等, 则需要通过对元素录井数据进行处理计算, 进而定量解释准确定名。

鉴于测量设备的限制, C、H、O这3种元素无法测量。因此, 如富含这3种元素的煤、碳质页岩等, 其元素含量总和明显偏低, 一般煤的元素含量总和通常低于30%, 碳质页岩次之, 介于30%~40%, 依此可率先识别出这2种岩性。在此基础上, 对测量数据进行标准化处理, 然后根据图版定性识别结果, 按岩石中次要成分的元素含量开展定量计算。对碎屑岩, 按Si/Al=4进行砂、泥质含量配伍, 分别计算出砂质含量与泥质含量; 对碳酸盐岩与硫酸盐岩, 则按化学方法依沉积逆序进行分配, 分别计算膏质、云质、灰质含量, 并按照岩石定名标准解释样品岩性。

为方便现场应用, 开发了元素录井岩性识别定量解释软件以快速准确地识别岩性。通过现场试验, 元素录井岩性定量解释剖面与测井解释剖面对比(表4), 符合率为88.75%~95.22%, 平均符合率达到92.42%, 完全能满足现场录井要求。

表4 川渝地区关键层位元素录井岩性识别符合率统计表
3 应用实例

MX207井为川中地区的一口评价井, 钻探目的层为龙王庙组, 该井目的层与上覆地层渐变接触, PDC钻屑细小、难以区分。元素录井表明井深4676.00 m, Ca元素含量27.25%↓ 13.06%, Mg元素含量13.06%↓ 8.17%, Al元素含量0.66%↑ 3.89%, Si元素含量4.56%↑ 18.60%, Si元素含量上升明显, 识别岩性为砂质白云岩, 进入高台组; 至井深4 732.00 m, Mg、Ca元素与Al、Si元素含量出现4次升降交替变化, 元素岩性解释了3套砂质白云岩夹2套白云岩; 井深4 733 m, Ca元素含量10.81%↑ 24.37%, Mg元素含量4.88%↑ 11.26%, Al元素含量2.03%↓ 0.59%, Si元素含量14.06%↓ 3.58%, 元素岩性解释为白云岩, 进入龙王庙组。井深4 830.00 m, Ca元素含量25.15%↓ 16.97%, Mg元素含量12.76%↓ 9.06%, Si元素含量3.55%↑ 13.18%, Al元素含量0.75%↑ 4.10%, 元素录井岩性解释为砂质白云岩, 进入沧浪铺组。元素录井岩性解释与测井解释岩性一致(图6)。

图6 MX207井4 640.00~4 850.00 m元素录井岩性解释与测井解释剖面对比图

4 结论

1)元素录井技术提供了丰富的地层岩石元素分析数据, 在岩性识别方面具有独特的优势, 能很好解决因钻井工艺发展、沉积环境变化等原因导致的岩性识别难题。

2)元素录井作为一种特殊录井手段, 随钻过程中能够快速、准确识别岩性, 为重要地层界限、关键层位的确定划分及钻井工程提供了可靠的地质资料和技术支持。

3)在川渝地区MX207井等10口井现场应用的效果表明:元素录井方法识别的岩性符合率介于88.75%~ 95.22%, 平均符合率达92.42%。由此说明, 元素录井技术实用性和操作性强并已在勘探开发实践中得到了应用验证, 效果显著, 具有广阔的推广应用前景。

The authors have declared that no competing interests exist.

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