牛 強，曾濺輝，王 鑫，周開富，李向峰，孫 鵬

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營257064）

X射線元素錄井技術(shù)在勝利油區(qū)泥頁巖脆性評價中的應(yīng)用

牛 強1，2，曾濺輝1，王 鑫2，周開富2，李向峰2，孫 鵬2

（1.中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京102249；2.中國石化勝利石油工程有限公司地質(zhì)錄井公司，山東東營257064）

泥頁巖脆性是泥頁巖油氣勘探開發(fā)過程中最關(guān)鍵的評價因素之一，目前主要通過巖石力學(xué)實驗對其進行評價，雖然精度高，但成本亦高且實驗周期長。X射線元素錄井技術(shù)可以定性和定量確定巖樣中的元素含量，具有分析速度快、準(zhǔn)確度高等特點，能夠滿足泥頁巖勘探過程中隨鉆快速、準(zhǔn)確評價的要求?；趧倮蛥^(qū)泥頁巖元素組成特征及元素含量與礦物含量的相關(guān)性研究，認(rèn)為Si，Ca和Mg等元素的含量可以反映石英、碳酸鹽巖等剛性礦物的含量。通過X射線元素錄井技術(shù)測定的元素含量計算得到的硅質(zhì)指數(shù)、灰質(zhì)指數(shù)和脆性指數(shù)，可以用于針對不同地區(qū)的泥頁巖脆性進行現(xiàn)場快速定量評價。根據(jù)泥頁巖巖石學(xué)特征及中外泥頁巖脆性評價標(biāo)準(zhǔn)，建立了勝利油區(qū)利用灰質(zhì)指數(shù)（CI）定量評價泥頁巖脆性的四級標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)CI≥0.6時，泥頁巖脆性高；0.4≤CI＜0.6時，泥頁巖脆性中等；0.2≤CI＜0.4時，泥頁巖脆性較低；CI＜0.2時，泥頁巖脆性低。

X射線元素錄井泥頁巖脆性評價灰質(zhì)指數(shù)硅質(zhì)指數(shù)脆性指數(shù)勝利油區(qū)

泥頁巖油氣作為一種非常規(guī)油氣資源已成為中外重要的勘探對象。勝利油區(qū)針對泥頁巖油氣的勘探相繼完鉆了羅69、渤頁平1、渤頁平2、牛頁1、樊頁1、利頁1和梁頁1HF等井，在泥頁巖段均獲得較好的油氣顯示，表明勝利油區(qū)泥頁巖油氣資源豐富，具有良好的勘探前景。在泥頁巖油氣勘探開發(fā)過程中往往采用多級分段壓裂工藝才能獲得工業(yè)油氣流［1-2］，泥頁巖脆性評價成為劃分有利泥頁巖儲層以及制定壓裂方案的一項重要工作。前人主要通過巖石力學(xué)實驗對泥頁巖脆性進行評價，雖然精度高，但成本亦高且實驗周期長［3］。為此，筆者利用X射線元素錄井技術(shù)，通過泥頁巖元素特征及與礦物含量相關(guān)性分析，建立了勝利油區(qū)泥頁巖脆性錄井評價標(biāo)準(zhǔn)，對今后研究區(qū)泥頁巖有利壓裂層段的選取及壓裂方案的制定具有一定的指導(dǎo)意義。

1 X射線元素錄井技術(shù)

X射線元素錄井技術(shù)是通過X射線照射巖樣，產(chǎn)生各種波長的特征X射線，分別測量不同能量的X射線強度，從而定量地確定巖樣中元素含量的一項技術(shù)。該技術(shù)具有分析速度快、準(zhǔn)確度高、與化學(xué)狀態(tài)無關(guān)以及制樣簡單等特點，能夠滿足泥頁巖勘探過程中隨鉆快速、準(zhǔn)確評價的要求［4-5］。勝利油區(qū)泥頁巖油氣勘探采用EDX3600B型X光譜儀來測定巖樣中Si，Al，F(xiàn)e，Ca，K，Mg，Ti，P，Mn，S，Ti和V共12種元素的含量。為保障X射線元素錄井檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采集研究區(qū)3口井的巖樣與廣州澳實實驗室的元素分析數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果表明，二者的絕對誤差較小，12種元素分析數(shù)據(jù)的絕對誤差為0.007 5～3.724，平均誤差為0.718 5，說明X射線元素錄井技術(shù)可滿足現(xiàn)場隨鉆評價泥頁巖脆性精度的要求。

2 泥頁巖元素組成特征及與礦物含量的相關(guān)性

2.1 泥頁巖元素組成特征

巖石地球化學(xué)研究表明，構(gòu)成沉積巖的主要元素為O，Si，Al，F(xiàn)e，Ca，Mg，K和Na等10余種，一般占巖石總元素的99.5%以上。泥頁巖化學(xué)成分以SiO2，Al2O3和H2O為主，其次為Fe，Mg，Ca，Na和K的氧化物以及一些微量元素，其中以硅酸鹽礦物為主要存在形式的SiO2和Al2O3的含量最高。由于元素的富集和遷移與沉積環(huán)境密切相關(guān)［6］，因此不同的巖石類型甚至同一種巖石在不同的沉積環(huán)境下，其元素含量存在一定差異。例如位于沾化凹陷的渤頁平2井沙三段下亞段的泥頁巖元素組成主要為Ca，Si，Al和Mg，平均含量分別為45.22%，27.14%，11.41%和8.59%；東營凹陷利頁1井的泥頁巖元素組成主要為Si，Ca，Al和Mg，平均含量分別為24.71%，11.15%，7.73%和2.87%；因此，沾化凹陷和東營凹陷泥頁巖的元素組成基本一致，但含量存在一定差異，主要表現(xiàn)為沾化凹陷的Ca元素含量大于Si元素含量，而東營凹陷則相反。

2.2 泥頁巖元素含量與礦物含量的相關(guān)性

泥頁巖的脆性主要通過石英、碳酸鹽巖等剛性礦物的含量來反映，因此，可利用X射線元素錄井技術(shù)檢測的元素含量對泥頁巖脆性進行評價，須首先研究泥頁巖元素含量與礦物含量的相關(guān)性，尤其是Si，Ca，Mg和Al元素含量與石英、方解石、白云石和粘土礦物含量之間的相關(guān)性。東營凹陷牛莊洼陷牛頁1井的泥頁巖元素含量與礦物含量之間具有較好的相關(guān)性（圖1），其中Ca和Mg元素含量與碳酸鹽巖礦物含量的相關(guān)性最好，Al元素含量與粘土礦物含量的相關(guān)性稍差，Si元素含量與石英含量呈指數(shù)相關(guān)。因此，利用X射線元素錄井技術(shù)檢測的元素含量可以反映石英、碳酸鹽巖等剛性礦物的含量，根據(jù)元素含量即可對泥頁巖脆性進行評價。

圖1 牛頁1井泥頁巖元素含量與礦物含量的相關(guān)性

3 泥頁巖脆性評價方法及應(yīng)用

3.1 評價方法

Si，Ca和Mg元素含量在一定程度上可以反映石英和碳酸鹽巖礦物的含量，因此，可以利用這3種元素含量隨埋深的變化對泥頁巖脆性進行定性評價，同時引入硅質(zhì)指數(shù)、灰質(zhì)指數(shù)和脆性指數(shù)3個評價參數(shù)進行定量評價。

硅質(zhì)指數(shù)、灰質(zhì)指數(shù)和脆性指數(shù)分別用于表征地層中石英礦物、碳酸鹽巖礦物和脆性礦物的含量，其計算式分別為

式中：SI為硅質(zhì)指數(shù)；ω(Si)為Si元素含量的測量值，%；CI為灰質(zhì)指數(shù)；ω(Ca+Mg)為Ca和Mg元素含量的測量值，%；BI為脆性指數(shù)；ω(Ca+Mg+Si) 為Ca，Mg和Si元素含量的測量值，%。

在應(yīng)用過程中，由于石英、碳酸鹽巖等剛性礦物含量的差異對泥頁巖脆性的貢獻程度不同，選用的評價參數(shù)應(yīng)有所不同。以石英為泥頁巖脆性主要貢獻的地區(qū)采用硅質(zhì)指數(shù)，碳酸鹽巖礦物為泥頁巖脆性主要貢獻的地區(qū)采用灰質(zhì)指數(shù)，石英和碳酸鹽巖礦物同時為泥頁巖脆性主要貢獻的地區(qū)采用脆性指數(shù)。如北美泥頁巖的石英賦存于薄層砂巖條帶［7］，為泥頁巖脆性的主要貢獻，因此以石英含量即硅質(zhì)指數(shù)作為泥頁巖脆性評價的主要參數(shù)。

通過對勝利油區(qū)58口井300多個泥頁巖薄片的鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，其紋層類型主要有富有機質(zhì)紋層、隱晶碳酸鹽紋層和粘土紋層［8-9］3種。其中，富有機質(zhì)紋層的礦物成分主要為伊利石（含量為70%），其次為鐵白云石（含量小于20%）、細粒方解石、粉砂級石英和微量黃鐵礦；隱晶碳酸鹽紋層主要由密集的隱晶方解石（粒徑為1～4 μm）構(gòu)成，混有少量的稍粗粒方解石（粒徑為10～20 μm）和鐵白云石；粘土紋層主要由粘土礦物和少量的極細粉砂組成，常含少量的碳酸鹽巖礦物。前人對勝利油區(qū)泥頁巖微觀特征的研究表明［8-9］，石英以粉砂級和極細粉砂級的顆粒賦存于富有機質(zhì)紋層和粘土紋層中，且石英礦物含量較少，方解石和白云石是隱晶碳酸鹽紋層的重要組成礦物；因此，在勝利油區(qū)碳酸鹽巖礦物是泥頁巖脆性的主要貢獻［10-11］，應(yīng)以方解石和白云石的含量作為泥頁巖脆性評價的主要指標(biāo)，即采用灰質(zhì)指數(shù)對泥頁巖脆性進行定量評價。根據(jù)羅69、渤頁平1和牛頁1等井的鉆探資料以及中外關(guān)于泥頁巖脆性的評價標(biāo)準(zhǔn)［7，12］，建立勝利油區(qū)利用灰質(zhì)指數(shù)定量評價泥頁巖脆性的四級標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)CI≥0.6時，泥頁巖脆性高；0.4≤CI＜0.6時，脆性中等；0.2≤CI＜0.4時，脆性較低；CI＜0.2時，脆性低。

3.2 應(yīng)用實例

利頁1井位于東營凹陷利津洼陷東坡，鉆探目的是為了解利津洼陷東坡沙四段上亞段和沙三段下亞段泥頁巖的儲集性能。自埋深為3 570 m開始X射線元素錄井，共分析樣品194個，其中巖心樣品148個，巖屑樣品46個。結(jié)果表明，泥頁巖脆性自下而上逐漸變低，其中沙四段上亞段純上次亞段的泥頁巖脆性為中等—高，沙三段下亞段的泥頁巖脆性為低或較低，局部薄層泥頁巖脆性較高（圖2）；因此，利頁1井最有利的壓裂層段為沙四段上亞段純上次亞段埋深為3 800 m以下地層。

圖2 利頁1井X射線元素錄井評價泥頁巖脆性

羅69井位于沾化凹陷羅家鼻狀構(gòu)造帶，鉆探目的是為了解羅家地區(qū)沙三段下亞段泥頁巖的儲集性能及含油氣情況［13］。自埋深為2 912 m開始X射線元素錄井，共分析巖心樣品62個。結(jié)果表明，沙三段下亞段的泥頁巖脆性整體為中等—高，且表現(xiàn)為自下而上脆性逐漸變低；埋深為3 044 m處是泥頁巖脆性的主要變化點，向下脆性增高，為壓裂的有利層段（圖3）。

圖3 羅69井X射線元素錄井評價泥頁巖脆性

4 結(jié)論

通過X射線元素錄井測試數(shù)據(jù)與實驗室分析數(shù)據(jù)對比表明，其絕對誤差較小，可滿足現(xiàn)場隨鉆快速、準(zhǔn)確評價泥頁巖脆性數(shù)據(jù)精度的要求。元素含量與礦物含量的相關(guān)性研究表明，Si，Ca，Mg和Al元素與石英、方解石、白云石和粘土礦物含量具有一定的相關(guān)性，因此可以利用元素含量對泥頁巖脆性進行評價。在勝利油區(qū)碳酸鹽巖礦物是泥頁巖脆性的主要貢獻，應(yīng)以方解石和白云石礦物含量作為泥頁巖脆性評價的主要指標(biāo)，即可利用灰質(zhì)指數(shù)對泥頁巖脆性進行定量評價。根據(jù)鉆井資料及中外泥頁巖脆性的評價標(biāo)準(zhǔn)，建立了勝利油區(qū)利用灰質(zhì)指數(shù)定量評價泥頁巖脆性的四級標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)CI≥0.6時，泥頁巖脆性高；0.4≤CI＜0.6時，泥頁巖脆性中等；0.2≤CI＜0.4時，泥頁巖脆性較低；CI＜0.2時，泥頁巖脆性低。

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編輯鄒瀲滟

TE112.221 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A

A

：1009-9603（2014）01-0024-04

2013-12-10。

牛強，男，高級工程師，在讀博士研究生，從事綜合地質(zhì)和錄井技術(shù)等研究。聯(lián)系電話：（0546）8623271，E-mail：slniuq@126.com。