元素錄井技術在鄂爾多斯盆地長7頁巖油巖性識別中的應用

張文雅 劉治恒 郝晉美 朱更更 張春陽 吳明松

（①中國石油渤海鉆探第二錄井公司；②中國石油長慶油田公司勘探開發研究院；③低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室）

0 引言

鄂爾多斯盆地長7段地層由于強烈的構造活動引起湖盆快速擴張，形成了大范圍的深水沉積，發育了大規模的深湖-半深湖相泥頁巖層，加上多期的火山活動產生的火山灰沉積物，致使鄂爾多斯盆地長7 段地層巖性十分復雜，其最大特點是頁巖與薄夾層砂巖呈頻繁互層沉積，除了常見的石英、長石、伊利石等陸源碎屑礦物外，還含有大量的有機質與黃鐵礦、火山灰質及少量自生礦物碳酸鹽巖等[1]。從巖性組合特征來看，長7 段湖相泥頁巖層主要發育砂巖-泥頁巖互層與厚層狀泥頁巖層兩種地層組合類型，其中厚層狀泥頁巖層中的薄砂巖夾層是頁巖油勘探的重要“甜點”，但其展布規律復雜，對比性較差，巖性識別較為困難[2-3]。

傳統的人工巖性識別分為實物觀察和鏡下鑒定兩種方法。實物觀察作為現場的第一手資料，對定名人員的地質經驗要求較高，加之快速鉆井造成的巖屑細小甚至呈粉末狀，以及現場人員的經驗存在差異，可能會造成巖性的誤判；鏡下鑒定則是通過巖屑組成成分定性描述地層巖性，雖然較為精準，但工序復雜，對人員、設備要求較高，鑒定周期長，現場應用受限。元素錄井技術能夠定量化提供不同巖石所包含的元素數據，從而快速、準確識別巖性，輔助導向及壓裂選層，為油氣顯示的發現，測井、測試及綜合研究等勘探開發決策提供可靠依據[4]。

1 元素錄井技術

1.1 技術原理

元素錄井技術是建立在巖石地球化學和X 射線熒光分析兩項成熟理論基礎上的一項新技術。巖石地球化學是以地殼廣泛存在的巖石作為研究對象，結合地球化學中元素基本理論，揭示不同巖石中各類礦物所包含的主量元素和微量元素；X 射線熒光分析是利用X 射線激發待測樣品中的原子，使之產生熒光（次級X 射線），通過測量不同次級X 射線的強度與元素的一一對應關系，進行樣品的化學成分分析，從而得出樣品的礦物含量及其縱向變化趨勢的一種方法。元素錄井技術通?？梢詸z測14 種主量元素和20 種微量元素[5]。

1.2 沉積巖中元素特征

地殼由巖石組成，巖石由礦物組成，礦物由化學元素集合組成，地殼上有數百種巖石，數千種礦物，近百種元素。巖石類型是多種多樣的，組成巖石的化學成分也是復雜多變的，而這些化學成分含量又因沉積物類型不同會有較大差別，例如砂巖富含硅（Si）、鈉（Na）元素，泥巖富含鋁（Al）、鐵（Fe）元素，碳酸鹽巖富含鈣（Ca）、鎂（Mg）元素等。因此，當礦物的化學成分比較穩定時，其元素的百分含量基本保持不變，這是利用元素含量判別礦物種類的前提條件[6]。

2 長7段巖性特征

2.1 分層特征

長7 頁巖油段從底部長73亞段到長71亞段，巖性從高自然伽馬泥頁巖到致密砂巖呈規律性變化，具有縱向上巖性變化快、非均質性強，橫向上不連續的特殊性。其中，長73亞段發育優質湖相黑色泥頁巖夾薄層灰色粉-細砂巖，底部發育特征明顯的灰黃色凝灰巖等火山碎屑巖；長72亞段泥質含量逐漸減少，發育暗色泥巖夾不等厚灰色泥質粉-細砂巖、灰綠色細砂巖；長71亞段主要以灰色細砂巖為主夾薄層暗色泥巖（表1）。根據研究區沉積背景以及前人研究成果，長7頁巖油段巖性主要分為砂巖、泥巖、頁巖、凝灰巖4大類[7]。

表1 延長組長7-長8段分層巖性特征

2.2 元素特征

元素測試結果表明，不同的巖性表現出的元素含量有所不同。長7 段砂巖富Si、Na，平均含量為54.38%、1.41%；泥巖富Al、Fe，平均含量為16.84%、10.34%；頁巖呈富P、S、Fe 特征，平均含量為0.31%、1.81%、10.60%，相對貧Al，平均含量為12.91%；凝灰巖類含更高的Si、K，平均含量達66.3%、2.98%，較低的Fe、Ti，平均含量僅為2.97%、0.24%（圖1）。長7 段優質烴源巖富含P、S、Fe，巖石化學組成特征反映出其發育于富營養的還原環境，具有非常好的生烴條件[8]。

圖1 長7頁巖油段不同巖性元素平均含量統計

2.3 巖電組合特征

基于長7 段不同巖性元素及其地質意義，結合電性組合特征對長7 段巖性進一步識別，主要有以下5類巖性。細砂巖具有高Si 元素含量及富集于砂巖儲層的Na、Mn 元素，電性上具有高地層電阻率（Rt）、高密度（DEN），中-低自然伽馬（GR）、光電吸收截面指數（PE）、聲波時差（AC）、補償中子（CNL）的特征；暗色泥巖具有高Al、Fe 元素含量，電性上具有中GR、PE、AC、CNL和低Rt、DEN的特征；碳質泥巖具有高Fe、S、P 元素含量，電性上具有中-高GR、Rt、PE、AC、CNL和低DEN的特征；黑色頁巖（高含烴）具有比碳質泥巖更高的S、P 元素含量，電性上具有高GR、PE、AC、CNL，中-高Rt，低DEN的特征；凝灰巖具有高Si、K 元素含量，電性上具有中GR、AC、CNL和低Rt、PE、DEN的特征[9-10]（表2）。

表2 長7段取心井巖性與電性特征對應表

3 巖性識別方法

通過分析區域巖性特征，結合前人研究結果，在地層對比的基礎上，分析總結長7 全取心段202 個樣本的元素數據及其地質意義，優選出Al、Si、Mg、P、S、K、Ca、Ti、Fe、Mn 共10 種特征元素，運用多種分析方法實現巖性的精細定名。下面介紹3種應用元素識別巖性的方法。

3.1 曲線交會

在長7頁巖油段優選特征元素及其比值作為巖性變化的標志。選擇最能代表泥質和砂質含量的Si、Al元素和Mn/Fe、Al/Si元素比值進行曲線交會，可以定性反映巖性及其砂質、泥質成分的變化情況，正交會為砂巖，負交會為泥巖，交會幅度代表巖性純度，幅度越大表示巖性越純；選擇泥頁巖的特征元素Fe、S、P進行疊合交會，能反映泥巖中高Fe、碳質泥巖中高S、頁巖中高P 的明顯特征（圖2）。在采用曲線交會的同時考慮了多種元素的變化特征，更加直觀、快捷，作為輔助手段在錄井現場可以快速判斷巖性變化，使巖性識別準確率得到明顯的提高，在水平井段還能快速掌握有效儲層的鉆遇情況[11]。

圖2 CY 1井元素錄井綜合圖

3.2 特征圖譜

通過10 種優選的特征元素制作不同巖石類型的特征圖譜，由圖3可見，每種巖性均有相對明顯的特征元素，可以作為巖性識別的另一種依據。從長7 段不同巖石類型元素平均含量（表3）看，Si 作為主量元素的量級較大（圖3a），分別放大量級較小的Ca、Mg、K、Fe（圖3b）及P、S、Mn、Ti 元素（圖3c）的縱坐標比例，元素圖譜特征表現更為明顯。細砂巖在圖譜中表現為高Si、Ti，低Fe、S 的特征；碳質泥巖表現為高S、低Si 的特征；黑色頁巖表現為高P、次高S 的特征；暗色泥巖多數表現為介于細砂巖和碳質泥巖之間的元素特征；而凝灰巖表現為5 種巖性中最高Si，最低Fe、Ti含量的特征[12]。

圖3 長7段不同巖石類型特征圖譜

表3 長7段不同巖石類型元素平均含量 單位：%

3.3 SPSS 軟件判別分析

SPSS 是集數據錄入、整理、分析功能于一身的數學統計軟件。判別分析是SPSS軟件中常用的一種判別和分類的多元統計方法，基本原理是利用已知分類樣本的數據信息，尋找出該樣本的客觀分類規律，將待判別的對象與已知類型進行類比，根據最大隸屬原則以確定待判對象歸屬類別[13]。

3.3.1 圖板識別

前文所述方法對5 種巖性能夠進行較好的分類，然而由于細砂巖與泥質粉砂巖中元素含量僅有較小的區分，無法得到較好的體現。通過收集總結6 類巖性（泥質粉砂巖、細砂巖、暗色泥巖、碳質泥巖、黑色頁巖、凝灰巖）特征元素數據，嘗試應用SPSS 軟件進行判別分析，得出函數F1 和函數F2 兩個綜合指標，根據這兩個函數建立長7頁巖油巖性識別二維圖板。從圖板上看，相同巖性聚集度較高，而不同巖性間分區明顯，雖然細砂巖與泥質粉砂巖還是略有重疊，但是整體上分區明顯，最終實現了6 類巖性的識別（圖4）。在實際應用過程中，對任何一個已知10種特征元素未知巖性的樣品數據，均可以通過以下模型計算函數F1和函數F2的值，在二維圖板上進行投點，得出巖石類型。

圖4 長7頁巖油巖性識別二維圖板

3.3.2 解釋模型建立

有時在圖板上會存在分類不理想，不能明確待評價樣品具體分類的問題，就要應用Fisher線性判別建立差別準則進行分類。根據10種特征元素在不同巖性上的分類函數系數（表4），建立6種巖性的判別模型。對已知元素數據未知巖性的樣品，將特征元素代入以下Fisher 線性判別式函數計算出F函數值，然后進行比較，判別函數值最大的就是巖性所屬的類別。這種方法避免了人工識別巖性的多解性和個別圖板投點的交叉性，實現了對長7頁巖油巖性的自動、快速判別。

表4 10種特征元素在不同巖性上的分類函數系數

Fisher線性判別式函數：

4 應用實例

以上3 種不同的巖性識別方法，在長7 頁巖油段直井17口、水平井35口共52口井應用，剖面符合率達90%以上，充分發揮了元素錄井特色技術的優勢。

根據優選出的特征元素縱向的變化及曲線交會，可以較為準確地識別前文所提及的5 種巖性。以CY 1井井段2020.70～2022.95 m為例，單獨的Si、Al元素交會為砂巖，原巖屑定名為泥質粉砂巖，而元素比值Mn/Fe 與Al/Si 交會砂質含量并不明顯，最終定名為碳質泥巖；在長73亞段底部井段2 053.95～2055.70 m 具有更高的Si 和更低的Fe、Ti 及Al/Si 特征，定名為凝灰巖（圖2）。

SPSS軟件識別巖性的剖面道（圖2），與錄井剖面對比具有較強的一致性，兩者的剖面符合率高達95%；在井段2 020.70～2 022.95 m、2 053.95～2055.70 m 通過計算函數F1和函數F2的值在二維圖板上進行投點，以及Fisher 線性判別式函數判別結果分別為碳質泥巖、凝灰巖，充分展示了應用SPSS判別分析識別巖性的準確性（表5）。

表5 CY 1井長7段元素識別巖性數據

5 結論

準確識別地層巖性是錄井行業的基礎工作，同時也為安全、快速鉆進提供了正確選擇施工參數的依據。元素錄井技術作為近年來興起的一項新技術，所能提供的地質信息極為豐富，除解決井筒巖屑混雜、錄井分析樣品代表性差等隨鉆識別巖性的棘手問題外，也為后續地質研究、儲層的評價、工程參數的優選提供了一定依據。

（1）通過統計大量元素錄井分析數據，對已鉆井進行錄井、測井響應特征的總結，運用曲線交會、特征圖譜、SPSS 軟件判別分析3 種識別巖性的方法，解決了長7頁巖油段巖性識別的問題，為儲層分類、水平井地質導向及有效儲層鉆遇率的提升提供了一定的技術支撐。

（2）應用元素識別巖性必須強調區域性，針對各類沉積巖分析有其特殊的復雜性以及多解性。在實際應用過程中，應分區域、分地層建立各種巖石主要特征元素數據庫和巖性變化元素理論剖面，以便更加及時、準確地識別巖性。