卿元華 薛曉軍 王 晨 李秀彬 馬樹明 苑傳江

(①成都理工大學能源學院；②中國石油西部鉆探克拉瑪依錄井工程公司；③中國石油塔里木油田分公司勘探事業(yè)部)

0 引 言

基于X射線熒光元素分析技術(XRF)和X射線衍射分析技術(XRD)在錄井領域10余年的應用，形成了系統(tǒng)的巖性識別[1]、沉積環(huán)境研究[2]、地層劃分和對比[3]以及頁巖儲集層評價[4]方法。朱根慶等(2008)[5]，王曉陽(2014)[6]，杜雨佳(2017)[7]基于XRF元素分析技術提供的地質信息，提出了針對巖性解釋的曲線法、圖板法等，針對沉積環(huán)境分析的指數(shù)法、比值法等，以及針對頁巖儲集層評價的回歸分析法等。方錫賢(2016)[8]的研究拓展了XRD分析技術的應用領域，包括識別滲透層與非滲透層、初步評估儲集層流體性質以及對儲集層壓裂改造進行前期評估。在實際應用中，需將XRF、XRD分析技術與其他技術(如巖屑錄井、顯微薄片)相結合[9]，才能獲得準確的結果。

近幾年XRF分析技術以及近期引入的XRD分析技術在塔里木盆地庫車坳陷復雜膏鹽巖層多口井卡層中得到運用，但缺乏對膏鹽巖層礦物與元素組成變化規(guī)律的系統(tǒng)總結，有關膏鹽巖層卡層公開發(fā)表的文獻極少。本次研究以該地區(qū)K 1A02井古近系膏鹽巖地層卡層為例，探討適合膏鹽巖層巖性識別和沉積環(huán)境判別的特征元素、礦物指標，總結鹽間和鹽下元素、礦物組成變化規(guī)律，為準確卡取鹽底提供依據(jù)。

1 地質背景

在塔里木盆地庫車坳陷古近系庫姆格列木群(E1-2km)沉積期，氣候炎熱干燥，普遍發(fā)育膏鹽巖[10]。KS 1A地區(qū)古近系庫姆格列木群自下而上可劃分為4段，分別是下泥巖段(E1-2km4)、白云巖段(E1-2km3)、膏鹽巖段(E1-2km2)、上泥巖段(E1-2km1)。鉆達目的層(K1bs)之前，需下入技術套管封固膏鹽巖層，準確卡取膏鹽巖層底界(簡稱鹽底)是確保順利封固膏鹽巖層的關鍵。

與膏鹽巖地層相關的泥巖大致可分為兩類：一是軟泥巖，分布于鹽間(鹽底至膏鹽巖段頂界)，包括純泥巖、含膏(或膏質)泥巖、含鹽(或鹽質)泥巖，巖屑為團塊狀，不具鉆頭切削面，鉆時較低；二是硬泥巖，分布于鹽上(上泥巖段)、鹽下(鹽底至下泥巖段底界)，包括純泥巖、含膏(或膏質)泥巖和粉砂質泥巖，巖屑為片狀，具明顯的鉆頭切削面，鉆時明顯大于軟泥巖鉆時。鹽層鉆完的主要地質錄井標志包括：鉆遇一定厚度的鹽下高鉆時硬泥巖；井漏；出現(xiàn)氣測顯示或大段的砂層。正常情況下，膏鹽巖地層卡層的重點在于區(qū)分鹽間泥巖和鹽下泥巖。庫車坳陷古近系庫姆格列木群鹽底一般對應膏鹽巖段底界，即鉆遇白云巖表明下部地層無鹽巖發(fā)育，但是，有相當數(shù)量的鉆井，白云巖段之下的下泥巖段頂部發(fā)育少量鹽巖。因此，應結合巖性、鉆時、元素和礦物變化等參數(shù)綜合判斷是否鉆穿膏鹽巖地層。

鹽底卡層重要性在于：采用鉆鹽層的鉆井液密度鉆開鹽下地層極易發(fā)生井漏；膏鹽巖段若不封固完，會給后續(xù)鉆井帶來困難。膏鹽巖層卡層難點主要在于：構造擠壓使鹽層厚度、巖性橫向變化大，鹽下地層沒有固定的巖性組合模式，井間對比性差，難以準確預測地質層位。

2 膏鹽巖層卡層方法

為卡準鹽底，K 1A02井元素分析采用CIT-3000SY型XRF元素分析儀(分析范圍：Na-U，分析精度0.1%)。全巖礦物檢測采用YST-1型XRD便攜式分析儀，測量范圍(2θ)為5°～55°，分析精度(2θ)為0.02°。根據(jù)膏鹽巖地層錄井的需要，檢測11種常量元素(Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、Mn、S、Cl)和13種微量元素(P、V、Cr、Cu、Zn、As、Se、Sr、Co、Ni、Y、Zr、Nb)；檢測10種礦物(方解石、石英、斜長石、蒙脫石、硬石膏、石鹽、伊利石、方沸石、磁鐵礦、白云石)。第三次開鉆鉆進井段(2 695.00～4 662.05 m)，下入封固膏鹽巖層套管(下深4 650.95 m)。井段4 200～4 800 m采用相對密度為1.86～2.31的油基鉆井液，確保了對易溶礦物——石鹽的準確檢測。膏鹽巖地層中石膏與石鹽共生，為便于現(xiàn)場應用，主要根據(jù)XRD分析成果簡化其定名，同時考慮XRD取樣誤差(主要是樣品用量小于2 g以及真假巖屑的混雜)，因此結合巖屑錄井和測井資料對巖性進行綜合解釋和定名。充分利用XRF分析技術獲得的元素含量和XRD分析技術測定的礦物參數(shù)反映的地球化學本質(沉積環(huán)境、氧化還原條件、水體深度等)，可以對地層的劃分和層位的卡取提供更豐富、更有說服力的依據(jù)。

3 XRD全巖礦物分析

K 1A02井在XRD全巖礦物分析中，井段4 568～4 572 m白云石含量急劇增加，對應白云巖段(錄井井段4 566～4 572 m)；井段4 596.00～4 662.05 m石英、斜長石、方解石含量明顯上升，石膏、石鹽含量明顯下降，上下地層中這5種礦物含量的整體變化趨勢明顯(圖1)，結合巖屑錄井，可以確定鹽底界線為4 596 m。

與鹽間泥巖相比，鹽下泥巖具有更高的石英、斜長石、白云石、黏土礦物含量，更低的方解石、石膏、石鹽含量；鹽間與鹽下泥巖同類巖性礦物組成也顯示相同的變化規(guī)律(表1)。從鹽下泥巖到鹽間泥巖，上述礦物組成特征變化表明：(1)陸源碎屑(主要是石英、斜長石)供給減少，內源物質(主要是石膏、石鹽)供給增加；(2)溶解度較小的白云石含量減少，方解石、石膏、石鹽等溶解度相對較大的礦物則相應增加。這與鹽湖蒸發(fā)鹽沉積順序一致[11]，尤其是鹽下泥巖，隨深度增加，方解石增加而白云石顯著減少(圖1)，且方解石與白云石含量呈顯著負相關(相關系數(shù)為-0.91，圖2a)，說明從鹽下到鹽間，沉積水體不斷蒸發(fā)濃縮、鹽度逐漸上升。

鹽間泥巖與鹽下泥巖礦物組成具有一些相似的變化規(guī)律：

(1)石膏與陸源碎屑含量呈顯著負相關(圖2b、圖2c)，說明隨湖泊的逐漸咸化，陸源物質與內源物質供給此消彼長。

(2)石鹽與陸源碎屑含量不具相關性。

(3)石鹽與石膏含量具弱負相關關系，這與鹽湖中石膏先于石鹽析出的蒸發(fā)鹽結晶順序有關[11]。

(4)黏土礦物與陸源碎屑含量相關性差，說明黏土礦物包括沉積水體新生成和陸源風化產(chǎn)物兩種來源。但是，鹽間泥巖石英與斜長石含量呈中等正相關，相關系數(shù)為0.51(圖2d)，鹽下泥巖中二者不具相關性，說明在鹽湖發(fā)育階段中-后期(相當于鹽間泥巖沉積期)，陸源物質主要是近源供給，且物源較單一；而鹽湖發(fā)育階段早期(相當于鹽下泥巖沉積期)，陸源物質供給復雜。

圖1 K 1A02井XRD全巖礦物分析剖面圖(井段4 200～4 666 m)

表1 XRD全巖礦物分析數(shù)據(jù)

圖2 鹽間與鹽下泥巖不同礦物相關關系圖

4 XRF元素分析

4.1 元素整體變化特征

K 1A02井XRF元素分析表明，相較于井段4 522～4 596 m，井段4 596.00～4 662.05 m常量元素K、Si、Fe、Mn，微量元素Ti、Ni、Zn、Co、Cr、Nb、V含量以及Al/Mg比值明顯增加，常量元素Na、Mg、Cl、S、Ca，微量元素P、Zr、Sr含量，以及Sr/Cu、Cu/Zn、V/Ni比值明顯降低(表2、圖3)。因此，確定鹽底界線為4 596 m，與XRD錄井劃分的鹽底界線一致。

根據(jù)元素含量及其變化的顯著性，選擇8種常量元素(Na，Si，S，Cl，K，Ca，Mn，F(xiàn)e)和8種微量元素(P，V，Cr，Zn，Sr，Co，Ni，Zr)重點分析。鹽間泥巖與鹽下泥巖(或同類泥巖)具有相似的常量元素、微量元素配分模式(圖4)，主要區(qū)別在于鹽間泥巖具有明顯更高的Na、Cl含量，鹽下泥巖具有更高的微量元素含量，說明鹽下泥巖受陸源物質的影響更大。鹽湖泥巖(鹽間泥巖+鹽下泥巖)與平均泥巖具有大致相似的常量元素、微量元素配分模式(圖4)，但是與平均泥巖相比，鹽湖泥巖具有更低的K、Fe含量，更高的Ca、Na、Cl、V含量，其余微量元素含量更低，表明鹽湖泥巖受陸源供給的影響更少，湖盆內蒸發(fā)鹽(主要是石鹽、石膏)是鹽湖泥巖的重要組分。

4.2 沉積環(huán)境識別

4.2.1 沉積水體古鹽度

K、Na、Cl、Mg、Ca、Sr等元素絕對含量以及元素Sr/Ca、Mg/Ca、K/Na等比值可作為判斷鹽度的標志[12-13]。鹽間與鹽下泥巖K/Na比值的平均值分別為1.42、2.97，高于鹽湖或海相沉積K/Na下限值1。鹽間與鹽下泥巖V/Ni比值的平均值均大于鹽湖或海相沉積V/Ni比值下限值1，鹽間泥巖平均V/Ni比值18.26，明顯大于鹽下泥巖V/Ni比值10.54。鹽間與鹽下泥巖Cl平均含量分別為1.16%、6.02%(表2)，明顯高于平均泥巖的0.018%；73%的鹽間泥巖的Cl含量大于海相泥巖的平均Cl含量2.1%(圖5)[14]。鹽間與鹽下泥巖Sr平均含量分別為0.025 8%、0.030 5%，高于海相泥巖Sr含量的下限值0.016%(表2、圖5)。鹽間與鹽下泥巖S含量均大于淡水泥巖平均S含量0.15%(圖5)[14]，其中，鹽間泥巖S含量介于0.304%～1.966%(平均1.281%)，55%樣品的S含量高于海相泥巖S平均的含量0.92%；鹽下泥巖S含量介于0.421%～1.966%(平均0.848%)，67%樣品的S含量介于陸相泥巖和海相泥巖平均S含量之間。說明研究區(qū)古近系鹽湖鹽間泥巖主要沉積于咸水-超咸水(鹽度大于正常海水鹽度3.5%)水體中，鹽下泥巖主要沉積于半咸水-咸水環(huán)境。

表2 XRF元素平均含量分析數(shù)據(jù) %

巖性NaSiSClKCaMnFePVCrZnSrCoNiZr鹽間泥質鹽巖3.435.251.4617.6100.457.340.051.460.005 40.020 10.002 40.002 70.019 80.000 20.000 90.005 4鹽間鹽質泥巖1.857.851.0710.0500.739.790.062.240.005 20.022 90.003 10.005 40.018 30.000 40.001 20.006 1鹽間含鹽泥巖0.848.620.887.3100.8210.650.072.430.005 10.024 70.003 80.006 60.020 50.000 50.001 40.006 5鹽間泥膏巖0.833.584.062.6800.6117.330.061.510.02300.02760.003 70.003 90.351 10.000 30.001 90.013 9鹽間灰質泥巖0.447.720.561.3601.5216.720.092.480.006 40.029 40.004 40.004 30.026 20.000 50.002 00.006 2鹽間泥質云巖0.710.861.724.8500.0622.640.050.350.009 50.02580.002 80.001 30.434 40.000 10.000 70.015 9鹽間膏質泥巖1.016.622.304.9300.8513.740.072.220.008 70.02640.003 90.004 80.031 30.000 40.001 40.006 2鹽間含膏泥巖0.508.140.952.1501.4711.770.082.830.005 50.02710.005 40.009 20.037 30.000 70.002 70.007 9鹽間純泥巖0.419.100.501.0101.8110.200.093.250.004 40.025 70.007 20.01090.028 30.000 90.005 40.007 8鹽下泥膏巖0.524.304.130.8400.4218.340.051.710.021 30.017 30.002 70.003 70.348 80.000 20.001 20.012 1鹽下膏質泥巖0.4410.431.680.5400.8912.380.082.570.006 50.019 40.005 40.008 70.037 00.000 60.001 40.019 0鹽下含膏泥巖0.449.360.761.3001.3910.290.102.990.004 70.031 30.006 80.01020.029 10.000 70.003 80.010 4鹽下純泥巖0.429.490.721.1001.5911.050.093.000.004 80.024 20.006 20.009 80.030 30.000 70.003 60.008 2鹽下泥巖0.449.510.851.1601.3810.740.102.950.005 00.028 30.006 50.009 90.030 50.000 70.003 40.010 7鹽間泥巖1.127.761.286.0201.0111.650.072.440.006 10.025 30.004 20.006 30.025 80.000 50.001 90.006 5平均泥巖0.967.300.240.0182.602.200.0854.720.070 00.013 00.009 00.009 50.0300.001 90.006 80.016

注：“平均泥巖”數(shù)據(jù)引自Turekian和Wedepohl(1961)[12]，下同

圖3 K 1A02井XRF元素分析剖面圖

鹽間、鹽下巖性從純泥巖→含膏泥巖→膏質泥巖→泥膏巖(即隨沉積水體鹽度增加)，常量元素Cl、Ca、S和微量元素P、Sr含量遞增(圖6)；但是，鹽間Cl含量在膏質泥巖處達到最大值，至泥膏巖時反而下降，原因是石膏沉淀需要的沉積水體鹽度15%小于石鹽沉淀的鹽度26%[11]，從而先于石鹽沉淀。

圖4 鹽間與鹽下泥巖常量元素與微量元素配分模式

4.2.2 古氣候

氣候潮濕時，Al、Fe、V、Ni、Co等元素含量較高；氣候干旱時，Na、Mg、Ca、Sr等元素含量相對增大，這些元素含量及其比值可以指示古氣候變化[13,15]。利用Sr含量y(μg/g)與沉積溫度T(℃)的關系建立的計算古溫度的經(jīng)驗公式[15](T=(2578-y)/80.8)，計算出鹽間泥巖、鹽下泥巖沉積古溫度區(qū)間范圍分別為25.6～30.4℃、24.4～29.5℃，平均值分別為28.8℃、28.1℃，屬于亞熱帶-熱帶氣候。P元素對古氣候變化也較敏感，氣候炎熱干旱的高鹽度環(huán)境P含量較高[15]。鹽間泥巖平均P含量為0.006 1%，明顯高于鹽下泥巖的0.005 0%。因此，鹽間泥巖沉積時期的溫度、鹽度高于鹽下泥巖沉積溫度、鹽度。

圖6 鹽間與鹽下同類泥巖鹽度敏感元素組成分布

研究認為，Sr/Cu比值介于1～10時指示溫濕氣候，Sr/Cu比值大于10時指示干熱氣候。81%的鹽間泥巖和83%的鹽下泥巖樣品Sr/Cu比值大于10，且鹽間泥巖平均Sr/Cu比值明顯更高(圖7)。溫濕氣候下沉積物中Mg/Sr比值較高，而干熱氣候下該值則較低，Mg/Sr比值隨溫度升高而升高。鹽間泥巖平均Mg/Sr比值為14.95，明顯高于鹽下泥巖相應比值10.75(圖7)，表明鹽間泥巖沉積期氣候干熱。Al/Mg比值也常用作氣候指標，值越小表示氣候越干旱，鹽間泥巖Al/Mg平均比值為0.81，低于鹽下泥巖相應比值0.91(圖7)。因此，研究區(qū)古近系鹽湖泥巖沉積期氣候炎熱干燥，由鹽下到鹽間泥巖古氣候干熱程度增加。

圖7 反映古氣候的平均元素比值分布

4.2.3 沉積環(huán)境氧化-還原狀態(tài)

U、V、Cr、Ni、Co等微量元素富集的程度都受到氧化還原條件的控制[13]，較可靠的氧化-還原判別指標有Ni/Co、V/Cr、Cu/Zn等[16-18]。

圖8 反映氧化-還原條件的平均元素比值分布

V/Cr 比值小于2 指示富氧環(huán)境，大于4.25 指示低氧-缺氧環(huán)境。鹽下泥巖V/Cr比值介于2.55～7.12(平均4.44)，53%的樣品V/Cr比值介于2.00～4.25之間；鹽間泥巖V/Cr比值介于2.00～18.77(平均6.83，圖8)，85%的樣品V/Cr比值大于4.25，表明鹽下泥巖、鹽間泥巖沉積環(huán)境還原性較強，主要分別沉積于氧化-還原過渡環(huán)境、還原環(huán)境。Cu/Zn 比值小于0.21指示還原環(huán)境，大于0.63指示氧化環(huán)境。鹽下泥巖Cu/Zn比值介于0.12～0.90(平均0.24)，63%的樣品Cu/Zn比值小于0.21，其余37%的樣品Cu/Zn比值介于0.21～0.63之間；鹽間泥巖Cu/Zn比值介于0.06～3.60(平均0.40，圖8)，40%的樣品Cu/Zn比值小于0.21，47%的樣品Cu/Zn比值介于0.21～0.63之間，表明鹽下泥巖、鹽間泥巖沉積環(huán)境還原性較強，但均有較大部分(約40%)沉積于氧化-還原過渡環(huán)境。Ni/Co比值小于5 指示富氧環(huán)境，大于7 指示低氧-缺氧環(huán)境。鹽下泥巖Ni/Co比值介于1.54～10.87(平均4.84)，63%的樣品Ni/Co比值小于5；鹽間泥巖Ni/Co比值介于1.13～10.85(平均3.85，圖8)，86%的樣品Ni/Co比值小于5，表明鹽下泥巖、鹽間泥巖主要沉積于氧化環(huán)境，但有近40%鹽下泥巖、14%的鹽間泥巖樣品沉積于弱氧化-氧化環(huán)境。鹽間泥巖V/Ni平均比值18.26，明顯大于鹽下泥巖V/Ni平均比值10.54，表明鹽下泥巖氧化程度高于鹽間泥巖的氧化程度。結合鹽下和鹽上泥巖的沉積環(huán)境，上述氧化-還原判別指標中V/Cr、Cu/Zn吻合度較高。因此，綜合分析認為，鹽湖泥巖沉積環(huán)境還原性較強，主要沉積于氧化-還原過渡環(huán)境，且鹽下泥巖氧化程度高于鹽間泥巖的氧化程度。

5 結 論

綜合運用XRD與XRF分析技術、巖屑錄井技術，可以準確判斷鹽底界線。鹽下泥巖比鹽間泥巖具有更高的石英、斜長石含量，更低的方解石、石膏、石鹽等蒸發(fā)礦物含量；鹽間泥巖與鹽下泥巖具有相似的常量、微量元素配分模式，主要區(qū)別在于鹽間泥巖具有更高的Na、Cl、V含量，鹽下泥巖中微量元素含量更高。鹽間泥巖主要沉積于咸水-超咸水水體、氧化-還原過渡環(huán)境，由鹽下到鹽間泥巖干熱程度增加、氧化強度降低。

利用XRD分析技術進行膏鹽巖地層巖性定名更準確有效，利用XRF分析技術可獲得更多的沉積環(huán)境信息。對XRD獲得的礦物成分和XRF獲得的元素組成進行沉積地球化學解釋，可為膏鹽巖層地質卡層提供理論和實踐方法支持；綜合運用巖屑錄井、XRD與XRF分析技術，可為準確卡取鹽底提供依據(jù)。