楊廷紅 曾令奇 龔 勛 何成貴 張 雷 羅謀兵 魏建強

(中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院)

0 引 言

自2014年ST 1井發(fā)現(xiàn)棲霞組氣藏以來，雙魚石構造便作為川渝地區(qū)天然氣接力區(qū)塊進行了大力的勘探開發(fā)。該區(qū)塊二疊系茅口組和棲霞組分屬兩個不同的壓力系統(tǒng)且壓差較大，其地層壓力系數(shù)分別為1.8和1.3，為封隔不同壓力系統(tǒng)，避免發(fā)生“因漏轉(zhuǎn)噴”的井控風險，設計要求進棲霞組頂2～3 m固井，甚至有的井設計在茅口組底部固井。所以，茅口組底界井深的卡取顯得尤為重要。

川西北地區(qū)二疊系整體為均斜臺地沉積，沉積了一套由深水低能型富含泥機質(zhì)的灰?guī)r向淺緩坡環(huán)境的淺色微晶生屑灰?guī)r變化的碳酸鹽巖地層。棲霞組上覆地層為茅口組，其巖性以灰?guī)r為主，顏色總體呈上淺下深，由于發(fā)生過多次次級海水的升降，其沉積物中的微量成分和沉積環(huán)境的地化指標有所差異。目前錄井現(xiàn)場分層卡層技術比較單一，不能滿足棲霞組固井卡層的需要。本文嘗試通過巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術探索在不同沉積環(huán)境條件下，茅口組沉積物質(zhì)的微觀特征和地層化學特征，以發(fā)現(xiàn)具有明顯標志的特征層，利用這種特征層對茅口組地層進行對比分析，為卡準棲霞組固井層位提供可靠依據(jù)。

1 棲霞組卡層難點

1.1 復雜的構造形態(tài)導致地層層序復雜

雙魚石構造中深層均為斷層發(fā)育的斷皺帶，具有褶皺幅度大、形態(tài)復雜的特點。構造西側(cè)發(fā)育有對區(qū)域構造具控制作用的逆斷層，呈北東-南西向延伸，其長度近180 km，斷距600～1 500 m，傾角30°～40°。其東側(cè)下盤具有明顯的牽引斷凹特征，受印支和喜山兩期構造運動擠壓，伴生形成與構造走向大體平行展布的斷層多達59條，主要斷開二疊系、三疊系地層。如此復雜的構造形態(tài)，易導致地層層序混亂，嚴重影響層位的跟蹤和判斷。如ST 3井飛仙關組與長興組鉆遇斷距為65 m的斷層，ST 7井吳家坪組與茅口組鉆遇斷距達100 m的斷層，而位于構造西側(cè)的ST 9井甚至缺失須家河組地層，并且在嘉陵江組-飛仙關組鉆遇揉皺、斷層和陡帶等復雜地層。

1.2 鉆井新技術的應用對巖性鑒定的影響

為了提高機械鉆速、縮短建井周期、減少鉆井風險，PDC鉆頭得到大量使用。由于鉆屑細小，且顏色失真、結(jié)構破壞，給傳統(tǒng)巖屑鑒定帶來較大困難。尤其是在依靠地層微觀特征進行層位跟蹤的情況下，給層位判斷帶來較大挑戰(zhàn)。如前所述，雙魚石構造茅口組發(fā)生過多次次級海水升降旋回，導致沉積物中泥質(zhì)、有機質(zhì)含量和地層化學特征存在差異，而這些差異特征往往就是進行茅口組層位跟蹤對比，乃至是棲霞組固井卡層的關鍵。但在PDC鉆頭鉆進的情況下，這些微觀特征靠傳統(tǒng)的錄井技術根本無法識別，嚴重影響對茅口組的巖性鑒定和地層跟蹤對比，容易導致棲霞組固井卡層失誤。

1.3 傳統(tǒng)分層卡層的輔助技術參考性較差

傳統(tǒng)分層卡層技術主要是以巖性鑒定為基礎，輔以鉆時、碳酸鹽巖分析、錄井顯示資料進行分析對比的技術。在該區(qū)塊茅口組除頂部見一塊狀低鉆時特征外，其余井段的鉆時曲線形態(tài)各異，且無明顯可對比的特征鉆時，同時受到控時鉆井措施和調(diào)整鉆井參數(shù)等因素影響，降低了鉆時的適用性；碳酸鹽巖分析技術受巖屑中雜質(zhì)和鉆井液材料成分影響，導致其數(shù)據(jù)失真，所以僅參考白云石和酸不溶物含量進行巖性定名準確性較差；同時茅口組一般用密度1.90～2.05 g/cm3的鉆井液鉆進，雖可見不同類型的顯示，但其顯示分布位置不一。由此可見，采用鉆時、碳酸鹽巖分析、錄井顯示等資料卡層的可比性差、參考性不強。

2 巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術

2.1 巖屑自然伽馬能譜錄井技術

巖屑自然伽馬能譜錄井技術是利用能譜分析方法將測得的鈾、釷、鉀混合譜進行解析, 從而確定巖樣總伽馬以及鈾、釷、鉀分量值的一種錄井技術。其測量原理與測井自然伽馬能譜相同，可以進行現(xiàn)場巖性解釋和層位劃分等方面的應用。對ST 7井和ST 8井的巖屑自然伽馬與測井自然伽馬數(shù)據(jù)分析可知，兩者相關性好，相關系數(shù)高達0.7～0.8(表1)。從擬合圖也可以看出(圖1、圖2)，兩者大多數(shù)數(shù)據(jù)處于擬合曲線的直線段上，同時通過巖屑自然伽馬與測井自然伽馬對比圖可見，兩者變化幅度相當，變化趨勢的一致性也較好(圖3)。

表1 自然伽馬相關性分析

圖1 ST 7井自然伽馬數(shù)據(jù)擬合

圖2 ST 8井自然伽馬數(shù)據(jù)擬合

2.2 巖屑元素錄井技術

巖屑元素錄井技術是以巖石地球化學理論為基礎，應用巖石X射線熒光分析，測量巖石中不同元素含量的技術。元素錄井能夠靈敏地捕捉到地層變化的信息，通過不同元素含量的變化，可以進行巖性解釋、地層判別以及巖相古地理研究等方面的應用[1-2]。根據(jù)ST 7井和ST 8井棲霞組-泥盆系的錄井元素和測井元素Ca、Si、Al、Fe等數(shù)據(jù)進行相關性分析，除ST 7井Al元素相關系數(shù)小于0.5外，其余元素相關系數(shù)大多大于或接近0.8(表2)。從元素Ca、Si擬合圖也可以看出(圖4、圖5)，兩者線性關系好，同時從兩者對比圖可見，其曲線變化幅度相當，變化趨勢一致性較好(圖6)。

圖3 自然伽馬對比

表2 元素相關性分析

圖4 Ca元素擬合

圖5 Si元素擬合

圖6 元素對比圖

3 棲霞組固井卡層方法

雙魚石構造棲霞組上覆地層為茅口組，所以棲霞組的固井卡層就是準確進行茅口組層位跟蹤，卡準茅口組底界井深的工作。

3.1 茅口組沉積旋回

雙魚石構造茅口組經(jīng)歷了兩次不同級別的海進海退過程，分別發(fā)生在茅口組初期-中期和茅口組晚期，受東吳運動影響，該區(qū)缺失茅口組晚期(茅四段)地層。在經(jīng)過棲霞組晚期海平面下降后，茅口組早期海平面快速上升，陸源物質(zhì)快速沉積，形成了一套深水低能型富含泥質(zhì)、有機質(zhì)的碳酸鹽巖；茅口組中期海侵達到高潮，沉積區(qū)水體最深，該期間發(fā)生的次級海水升降，導致沉積物中泥質(zhì)和有機質(zhì)含量發(fā)生差異；茅口組中晚期，海平面有所下降，沉積水體能量變強，沉積物純度較高，夾燧石條帶，局部見白云化作用[3](圖7)。

3.2 卡層方法

根據(jù)雙魚石構造茅口組沉積旋回可知，茅口組地層在巖性方面為大套灰?guī)r，下部含有機質(zhì)和泥質(zhì)，上部夾燧石條帶且局部見白云化作用；在沉積環(huán)境方面，茅口組水體經(jīng)歷了一次由淺變深再變淺的過程；在沉積物地化指標方面，茅口組沉積初期，沉積物搬運距離短，其成熟度較低，而茅口組中期處于最大海侵期，此時沉積水體最深。根據(jù)這些巖性、沉積環(huán)境及沉積物地化特征，選擇巖屑自然伽馬和元素Ca、Mg、Si、Sr、Ba、K、Th等參數(shù)進行茅口組特征層識別，并將茅口組地層劃分出三個特征層。棲霞組固井卡層就是利用茅口組的巖屑自然伽馬和元素特征層進行層位跟蹤的方法?，F(xiàn)將這三個特征層分述如下。

第Ⅰ特征層：位于茅口組頂部，巖性為一套質(zhì)純色淺灰?guī)r，局部少見白云化作用，底部含硅質(zhì)，受東吳運動影響，其厚度變化較大，一般厚40～80 m，局部厚達110 m。巖屑自然伽馬以低平“箱狀”為特征，其值一般為10～20 API；造巖元素Ca呈“箱狀”高值，局部少見元素Mg，元素Si整體為低值，僅在底部出現(xiàn)異常，呈“尖峰狀”高值(圖8)。

第Ⅱ特征層：位于茅口組中下部，相當于茅口組海侵高潮階段，層頂距茅口組底約120 m，該層分布穩(wěn)定，巖性為深色灰?guī)r，含泥質(zhì)和有機質(zhì)較豐富，厚度一般40～50 m。巖屑自然伽馬明顯高于上下鄰層，為中高值“箱型或鐘型”特征，其值一般為40～100 API；造巖元素Ca變化不明顯，但元素Si呈明顯上升趨勢，由于該層為茅口組水體最深期，表征水體深度的元素Sr/Ba比值大于1，且明顯高于上下鄰層，曲線形態(tài)相為一“鋸齒狀”高值(圖8)。

第Ⅲ特征層：位于茅口組底部，相當于茅口組海侵初期，巖性為深色灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶，泥質(zhì)和有機質(zhì)含量豐富，該層厚度穩(wěn)定，一般40 m左右。巖屑自然伽馬與第Ⅱ特征層相似，為“箱狀”中高值，一般為40～100 API；造巖元素Ca呈“箱狀”高值，元素Si雖明顯高值，但具“拖尾”趨勢，由于茅口組海侵時水體快速上升，陸源物質(zhì)迅速沉積，沉積物搬運距離較短，其成熟度較低，所以表征沉積物成熟度的K/Th比值大于0.15，呈明顯的高值。該層底即茅口組底，以巖屑自然伽馬和K/Th比值下降、元素Si“拖尾”為特征與下伏棲霞組分層[4-6](圖8)。

圖7 川西北地區(qū)茅口組沉積旋回示意

圖8 雙魚石構造茅口組巖屑自然伽馬能譜及元素錄井圖

4 應用效果

應用巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術，對雙魚石構造ST 10、ST 12、ST 101和SY 132井4口井分別進行了茅口組地層層位跟蹤，茅口組底界井深與測井分層誤差普遍小于5 m，棲霞組固井卡層準確率達到100%(表3)。

表3 雙魚石構造茅口組分層對比

現(xiàn)以ST 101井棲霞組固井卡層為例，將巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術應用情況簡述如下。

ST 101井位于雙魚石-河灣場構造帶ST 1井區(qū)東北部，由于茅口組-棲霞組地層壓力存在高低壓轉(zhuǎn)換，為防止發(fā)生“因漏轉(zhuǎn)噴”的井控風險，設計要求進棲霞組頂2 m固井。該井自長興組開始進行巖屑自然伽馬能譜和元素錄井，從圖9可以看出，進入茅口組井段7 305～7 360 m，巖屑自然伽馬呈明顯的低平“箱狀”特征，同時底部見一元素Si“尖峰狀”高值，與鄰井第Ⅰ特征層相符；繼鉆至井段7 513～7 557 m發(fā)現(xiàn)巖屑自然伽馬呈明顯上升趨勢，由40 API升至80 API，為“鐘型”高值特征，同時元素Si也由4%升至10%，上升趨勢明顯，尤其是表征水體深度的Sr/Ba由0.5升至1.5，局部高達3，較上部地層明顯上升，該段厚44 m，從巖屑自然伽馬和元素特征及地層厚度分析，與鄰井第Ⅱ特征層相符；繼續(xù)鉆至井段7 591～7 633 m發(fā)現(xiàn)巖屑自然伽馬和元素Si整體呈“塊狀”高值，且底部具下降趨勢，但反映沉積物成熟度的K/Th比值由0.1升至0.2，升高趨勢明顯，該段厚42 m，從巖屑自然伽馬和元素特征及地層厚度分析，與鄰井第Ⅲ特征層可比性好。根據(jù)巖屑自然伽馬和元素錄井的三層特征層的對比分析，確定茅口組底界井深為7 633 m，其后鉆至井深7 635 m進行中完測井，測井解釋茅口組底界井深為7 634 m，與錄井分層相差1 m。

圖9 ST 101井自然伽馬能譜及元素錄井圖

5 結(jié)束語

巖屑自然伽馬能譜和元素錄井技術在雙魚石構造棲霞組固井卡層的現(xiàn)場應用證實，巖屑自然伽馬總量及元素Ca、Mg、Si、Sr、Ba、K、Th等特征參數(shù)能很好地反映茅口組地層微觀特征和沉積環(huán)境指標，應用這些指標對雙魚石構造茅口組地層進行跟蹤分析，為棲霞組固井卡層提供了可靠的技術手段。