于偉高 張瑞雪 苗 雪 徐 婕 謝靜平 陳金平 張玉新

(①中國石油華北油田公司勘探事業(yè)部；②中國石油華北油田公司勘探開發(fā)研究院；③中國石油渤海鉆探工程公司第二錄井公司)

0 引 言

楊稅務潛山帶位于冀中坳陷廊固凹陷東部[1-2]，是受河西務及大北伊斷層控制的呈北東向展布的大型“地壘”潛山，勘探面積約400 km2。楊稅務潛山頂部主要為中、下奧陶統(tǒng)，包括峰峰組(O2f)、上馬家溝組(O2s)、下馬家溝組(O2x)、亮甲山組(O1l)和冶里組(O2y)，發(fā)育以灰?guī)r和白云巖為主的碳酸鹽巖地層，儲集層埋藏深度大(4 900～6 400 m)、溫度高(170～230℃)、非均質(zhì)性極強，縱向發(fā)育三套油氣層巖性差異大、類型復雜、橫向巖性變化快[3]，屬于超深、超高溫隱蔽型非均質(zhì)儲集層潛山。

巖屑錄井是恢復井筒地質(zhì)剖面、地層對比和層位確定的基礎。但受巖石類型多樣性及復合鉆井工藝的廣泛應用導致鉆速提高等條件影響，通過人工或借助放大鏡等簡單光學儀器的傳統(tǒng)巖性識別方法，難以準確地觀察巖屑成分、定性描述地層巖性，造成巖性辨識難度大、潛山界面卡取難，已不能適應目前隨鉆巖性識別、實時建立地質(zhì)巖性剖面的要求。此外，潛山儲集層非均質(zhì)性強，儲集空間多為裂縫-孔隙型，其中脆性礦物(白云石、鐵白云石、方解石)含量直接影響裂縫的發(fā)育程度，脆性礦物越高，越利于儲集層壓裂改造[4-5]，但目前缺少有效的儲集層脆性評價方法，制約著儲集層壓裂改造適用性的評價。

通過應用XRD礦物分析技術(shù)，優(yōu)選敏感礦物建立解釋圖板，進行巖石成分精細、定量分析，并結(jié)合人工辨識、薄片鑒定綜合分析，以礦物檢測為主、人工鑒定為輔的巖性識別技術(shù)組合，建立了碳酸鹽巖XRD礦物分析定名標準及脆性指數(shù)計算標準，形成了碳酸鹽巖儲集層巖性識別、脆性和物性錄井評價技術(shù)。

1 XRD礦物分析理論基礎

X 射線是一種波長很短且頻率很高的電磁波，當X射線激發(fā)晶體后，不同晶體產(chǎn)生不同的衍射效應并生成相應的譜圖。XRD(X-ray Diffraction)技術(shù)可以揭示晶體的結(jié)構(gòu)并用于檢測物質(zhì)精細結(jié)構(gòu)[6]。任何結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的化學組成和結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此其衍射譜圖也不同。該技術(shù)在石油化工領(lǐng)域可用于未知物物相鑒定、催化研究、結(jié)晶性聚合物研究等，在石油地質(zhì)領(lǐng)域則是鑒定礦物及其品質(zhì)。目前，XRD分析技術(shù)是研究與識別晶體結(jié)構(gòu)的最主要方法之一[7]。

礦物是由地質(zhì)作用形成的天然單質(zhì)或化合物，具有一定的化學成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在一定的物理化學條件下相對穩(wěn)定的相界面和結(jié)晶，是組成巖石和礦石的基本單位。構(gòu)成巖石的礦物，稱為造巖礦物，造巖礦物絕大部分是結(jié)晶質(zhì)的，如常見的石英、正長石、方解石等。描述礦物晶體形狀與大小的參數(shù)叫晶胞參數(shù)d，每一種礦物的d值都是唯一的。而當X射線與礦物晶體發(fā)生相互作用時，其中的一種情形就是被物質(zhì)中原子的殼層電子相干彈性散射，在滿足布拉格定律的特定晶面取向上相干性增強，而在其他方向上相干性減弱或湮滅[8-9](圖1)。根據(jù)衍射的角度可以算出礦物晶體的d值，形成相應的譜圖，通過與標準物質(zhì)d值進行對比，就可以檢測礦物，確定物質(zhì)成分。布拉格定律公式為：

2dsinθ=nλ

式中：λ為X射線的波長；θ為衍射角；d為晶胞參數(shù)結(jié)晶面間隔；n為整數(shù)。

圖1 XRD原理圖

XRD礦物分析技術(shù)基本原理是根據(jù)晶體礦物在X射線下的特殊衍射效應來判斷巖樣中晶體礦物的組成及其相應含量。不同的晶體衍射出峰的位置不同，峰值大小也不同，因此根據(jù)XRD譜圖中的出峰位置來確定巖樣的晶體礦物組成，以其峰值的大小確定對應晶體的含量(圖2)。通過檢測巖屑、壁心、巖心中各種礦物(包括石英、鉀長石、斜長石、方解石、白云石等)的相對含量，根據(jù)其譜圖構(gòu)成特征的變化確定巖石類型，為現(xiàn)場巖性定名提供定量化的參考依據(jù)。

圖2 標準巖樣礦物原始譜圖

2 建立基于XRD巖性識別的定名標準

楊稅務奧陶系主要發(fā)育受潮汐作用控制的潮上、潮間、局限潮下和開闊潮下4個亞相，潛山儲集層以灰?guī)r、白云巖為主，隨著沉積相的變化灰?guī)r和白云巖的成分也發(fā)生變化，并夾雜復雜類型的過渡巖性。通過常規(guī)的鏡下觀察、滴酸、碳酸鹽含量分析等方式，只能對灰?guī)r、白云巖、灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r等幾種通用巖性定名。但對于一些過渡巖性如含泥灰?guī)r、含泥云巖、含灰白云巖、含白云灰?guī)r等無法精準定名，而精準的巖性定名不僅可以準確劃分地層，判別有利的“甜點”區(qū)，而且對后期措施改造具有重要意義。

2.1 優(yōu)選巖性識別敏感參數(shù)

為了明確楊稅務潛山不同類型巖石在 XRD 上的響應特征，優(yōu)選550塊巖心標準樣品進行實驗分析，并依據(jù)Flok分類方法，結(jié)合電性曲線對XRD分析數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，最終確定砂巖、泥巖、碳酸鹽巖、泥灰?guī)r中的敏感礦物含量：砂巖敏感礦物為石英、長石，且石英+長石的含量大于55%，黏土礦物小于35%；泥巖敏感礦物為黏土礦物、石英、長石，其中黏土礦物含量大于30%，石英+長石的含量小于50%；碳酸鹽巖敏感礦物為方解石、白云石，其中方解石+白云石含量大于60%，黏土礦物含量小于30%；泥灰?guī)r敏感礦物為黏土礦物、石英、長石、方解石、白云石，其中方解石+白云石含量大于50%，黏土礦物含量大于25%，石英+長石礦物含量小于30%(圖3)。

圖3 不同巖性敏感礦物含量

2.2 建立碳酸鹽巖識別標準

依據(jù)碳酸鹽巖在 XRD上的響應特征研究，建立以方解石、白云石、黏土礦物為敏感礦物的圖板識別法、單點三角圖板識別法、交會曲線法、差值識別法4種巖性識別方法，實現(xiàn)了巖性定名的可視化、標準化。

2.2.1 圖板識別法

圖板識別法是根據(jù)巖樣中碳酸鹽巖礦物含量對應變化關(guān)系，選取碳酸鹽礦物成分以及石英、長石成分作為敏感礦物，將碳酸鹽含量作為橫坐標，將石英、長石以及黏土的含量作為縱坐標，以優(yōu)選的550塊巖心樣品分析數(shù)據(jù)為依據(jù)建立圖板，根據(jù)數(shù)據(jù)投點所處區(qū)域進行巖性識別，從圖板上可以看到不同巖性都具有較好的區(qū)分性(圖4)。

圖4 圖板識別法

2.2.2 單點三角圖板識別法

單點三角圖板識別法以優(yōu)選出巖樣中的方解石+白云石含量、石英+長石含量、黏土礦物含量三種敏感礦物作為三角形圖板的三點坐標，按照巖石礦物成分巖石定名標準，對主名、副名進行界定分區(qū)，形成單點三角形解釋圖板；同時針對碳酸鹽巖優(yōu)選白云石、方解石以及碎屑礦物為三角形圖板坐標，實現(xiàn)碳酸鹽巖巖性定名的標準化及精確化(圖5)。

圖5 單點三角圖板識別法

2.2.3 交會曲線法

交會曲線法選取碳酸鹽巖兩種敏感礦物或礦物組合，形成連續(xù)含量交會曲線包絡面(圖6)，直觀、簡捷劃分巖性界面。根據(jù)包絡面的面積大小來判斷巖性：如果XRD分析碳酸鹽巖含量小于50%，碎屑+黏土礦物含量大于碳酸鹽含量，在交會曲線圖上，方解石+白云石與碎屑+黏土礦物曲線無包絡面時，則巖性判斷為灰質(zhì)泥巖；當XRD分析碳酸鹽巖含量50%～65%，碎屑+黏土礦物含量小于碳酸鹽含量，差值在25%左右，在交會曲線圖上，碳酸鹽含量與碎屑+黏土礦物含量二條曲線接近或重疊時，則巖性判斷為泥灰?guī)r；當XRD分析碳酸鹽巖含量65%～75%，碎屑+黏土礦物含量小于碳酸鹽含量，差值在50%左右，在交會曲線圖上碳酸鹽在右側(cè)，碎屑+黏土礦物在左側(cè)，包絡面明顯時，則巖性判斷為含礫泥灰?guī)r；當XRD分析碳酸鹽含量大于75%，碎屑+黏土礦物含量小于碳酸鹽含量，在交會圖上碳酸鹽在右側(cè)，碎屑+黏土礦物在左側(cè)，包絡面非常明顯時，則巖性判斷為礫巖。

圖6 交會曲線法

2.2.4 差值識別法

差值識別法根據(jù)巖性礦物識別標準，利用碳酸鹽巖礦物成分的含量與石英、長石、黏土礦物含量進行差值計算，差值在-50%～5%之間的定為灰質(zhì)泥巖，差值在5%～35%之間的定為泥灰?guī)r，差值在35%～50%之間的定為礫質(zhì)泥灰?guī)r，差值在50%～95%之間的定為礫巖。建立敏感礦物與其他單種礦物或礦物組合差值巖性分區(qū)，將分析的樣品差值數(shù)據(jù)投影在圖板中識別巖性，例如如果碳酸鹽巖礦物成分的含量與石英、長石、黏土礦物含量差值為75%，則落在圖板內(nèi)礫巖的區(qū)域，因此可以確定巖性為礫巖；同樣，如果差值為20%，則落在泥灰?guī)r的區(qū)域，因此可以確定巖性為泥灰?guī)r。該方法較曲線交會法可直接判定單點樣品巖性(圖7)。

圖7 差值識別法

2.3 碳酸鹽巖定名標準

通過上述4種巖性識別方法，在大量實物分析實驗的基礎上，結(jié)合礦物薄片鑒定分析等技術(shù)，以方解石作為灰?guī)r主要判定礦物，以白云石+鐵白云石作為白云巖主要判定礦物，以黏土礦物作為泥巖主要判定組合，參考沉積巖定名方法，形成了XRD礦物分析碳酸鹽巖定名標準(表1)。

表1 楊稅務潛山碳酸鹽巖XRD巖性定名標準

3 基于XRD礦物分析的脆性指數(shù)研究

楊稅務奧陶系潛山儲集層的儲集類型主要為孔隙型和裂縫-孔隙型，孔隙度0.93%～2.64%，滲透率0.35～0.72 mD，總體上屬于低孔低滲、低孔特低滲儲集層，因此需要通過壓裂改造才能形成工業(yè)產(chǎn)能。壓裂改造時，是否易于被改造，取決于巖石脆性大小，巖石脆性是表征巖石在外力作用下形成縫網(wǎng)能力的一項重要指標，脆性越大，儲集層越容易被改造，越易形成復雜的裂縫網(wǎng)絡，改造效果越理想。巖石脆性指數(shù)是反映儲集層壓裂品質(zhì)的重要參數(shù)，旨在優(yōu)選有利于規(guī)模壓裂的儲集層段。因此，通過分析儲集層的巖性、礦物類型開展巖石脆性研究，對壓前可行性評估、優(yōu)選壓裂層段、為儲集層改造方案提供依據(jù)有著重要意義[10-12]。

通過XRD礦物分析優(yōu)選出楊稅務潛山碳酸鹽巖的敏感礦物為：方解石、白云石及黏土礦物。研究表明：方解石和白云石都為脆性礦物，二者主要礦物成分都為碳酸鈣，但白云石中含有一定量的碳酸鎂，使得白云石脆性要好于方解石。而黏土礦物為片狀礦物，且結(jié)構(gòu)疏松，在外力作用下，容易產(chǎn)生較大的彈性形變，所以黏土礦物增加不利于巖石脆性的提高。楊稅務潛山油氣顯示多集中在白云巖地層，且該區(qū)內(nèi)AT 1X、AT 2X等多口探井在白云巖發(fā)育區(qū)酸壓均獲得較好效果，因此優(yōu)選白云石為該區(qū)主要的脆性礦物，建立了楊稅務潛山碳酸鹽巖脆性指數(shù)(BC)計算模型，并結(jié)合已壓裂井形成脆性指數(shù)分類方法(表2)，為后期試油選層提供科學依據(jù)。

表2 脆性指數(shù)等級

4 應用實例分析

XRD礦物分析技術(shù)在楊稅務潛山地區(qū)應用多口探井，不僅可以精準定名巖性，判斷卡取潛山層位，還可以隨鉆快速判斷地層層位，為隨鉆地層對比及下步?jīng)Q策提供第一手資料。通過AT 1X、AT 2X等井XRD分層與電測分層結(jié)果對比(表3)可以看出：電測數(shù)據(jù)與XRD隨鉆地質(zhì)分層數(shù)據(jù)非常接近，達到現(xiàn)場地質(zhì)對比的要求。

表3 AT 1X、AT 2X等井地層分層對比 m

地層AT 1X井電測分層XRD分層AT 2X井電測分層XRD分層AT 3井電測分層XRD分層AT 4X井電測分層XRD分層AT 5X井電測分層XRD分層O2f4 9945 0005 0325 0424 8734 8654 8754 8805 4085 400O2s5 4185 4205 3365 3105 1545 1505 2195 1805 6825 690O2x5 4965 4965 6795 6735 3705 3645 4235 4205 8905 895O1l--5 8625 8685 528.55 5305 5685 5306 0276 027

在楊稅務潛山AT 3井鉆探過程中，結(jié)合碳酸鹽巖XRD巖性定名標準，建立AT 3井地質(zhì)剖面，與斯倫貝謝測井元素俘獲吻合率高，提高了現(xiàn)場巖性定名的準確度，確保地質(zhì)剖面準確還原，為隨鉆地層對比提供了準確依據(jù)(圖8)。在該井5 277～5 387 m井段下馬家溝組+亮甲山組，全烴具有塊狀峰型顯示特征，巖性以白云巖為主，脆性指數(shù)為優(yōu)，介于0.8～1之間。錄井綜合評價建議為首選試油層。酸化壓裂后獲產(chǎn)油28.8 t/d、氣501 173 m3/d的高產(chǎn)工業(yè)油氣流，取得了楊稅務潛山新層系勘探突破。

圖8 AT 3井綜合評價圖

5 結(jié)束語

XRD礦物分析技術(shù)突破了傳統(tǒng)的巖屑錄井方法，使錄井由定性向定量的發(fā)展成為現(xiàn)實。通過其相對含量就可以確定巖石巖性，為現(xiàn)場巖性定名提供定量化的參考依據(jù)，提高特殊鉆井條件下巖性識別準確度，克服了傳統(tǒng)錄井巖性識別主要通過直接觀察或借助光學顯微鏡觀察和碳酸鹽巖分析儀分析產(chǎn)生的局限性，為巖性識別及巖屑樣品礦物含量的定量分析提供了新的解決方法。

本文針對楊稅務奧陶系潛山碳酸鹽巖儲集層巖石類型復雜造成的難點，通過應用 XRD礦物分析技術(shù)，優(yōu)選標準巖樣精細分析，明確砂巖、泥巖、碳酸鹽巖、泥灰?guī)r等不同巖石的敏感礦物，并結(jié)合XRD響應特征分析建立圖板識別法、單點三角圖板識別法、交會曲線法、差值識別法4種巖性識別方法，最終建立碳酸鹽巖識別標準，解決了現(xiàn)場巖性識別難的問題，對潛山卡層、建立地層巖性剖面及隨鉆地層對比起到重要作用；同時根據(jù)碳酸鹽巖敏感礦物構(gòu)建楊稅務潛山碳酸鹽巖脆性指數(shù)計算模型，結(jié)合已壓裂井形成脆性指數(shù)分類方法，為壓裂試油選層提供依據(jù)，為科研人員獲得可靠、優(yōu)質(zhì)資料提供保障。XRD礦物分析技術(shù)在楊稅務奧陶系潛山的成功應用對不同地區(qū)同等類型儲集層的評價具有較好的借鑒意義。