張文雅 劉治恒 郝晉美 朱更更 張春陽(yáng) 吳明松

（①中國(guó)石油渤海鉆探第二錄井公司；②中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田公司勘探開(kāi)發(fā)研究院；③低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7段地層由于強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)引起湖盆快速擴(kuò)張，形成了大范圍的深水沉積，發(fā)育了大規(guī)模的深湖-半深湖相泥頁(yè)巖層，加上多期的火山活動(dòng)產(chǎn)生的火山灰沉積物，致使鄂爾多斯盆地長(zhǎng)7 段地層巖性十分復(fù)雜，其最大特點(diǎn)是頁(yè)巖與薄夾層砂巖呈頻繁互層沉積，除了常見(jiàn)的石英、長(zhǎng)石、伊利石等陸源碎屑礦物外，還含有大量的有機(jī)質(zhì)與黃鐵礦、火山灰質(zhì)及少量自生礦物碳酸鹽巖等[1]。從巖性組合特征來(lái)看，長(zhǎng)7 段湖相泥頁(yè)巖層主要發(fā)育砂巖-泥頁(yè)巖互層與厚層狀泥頁(yè)巖層兩種地層組合類(lèi)型，其中厚層狀泥頁(yè)巖層中的薄砂巖夾層是頁(yè)巖油勘探的重要“甜點(diǎn)”，但其展布規(guī)律復(fù)雜，對(duì)比性較差，巖性識(shí)別較為困難[2-3]。

傳統(tǒng)的人工巖性識(shí)別分為實(shí)物觀察和鏡下鑒定兩種方法。實(shí)物觀察作為現(xiàn)場(chǎng)的第一手資料，對(duì)定名人員的地質(zhì)經(jīng)驗(yàn)要求較高，加之快速鉆井造成的巖屑細(xì)小甚至呈粉末狀，以及現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)存在差異，可能會(huì)造成巖性的誤判；鏡下鑒定則是通過(guò)巖屑組成成分定性描述地層巖性，雖然較為精準(zhǔn)，但工序復(fù)雜，對(duì)人員、設(shè)備要求較高，鑒定周期長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用受限。元素錄井技術(shù)能夠定量化提供不同巖石所包含的元素?cái)?shù)據(jù)，從而快速、準(zhǔn)確識(shí)別巖性，輔助導(dǎo)向及壓裂選層，為油氣顯示的發(fā)現(xiàn)，測(cè)井、測(cè)試及綜合研究等勘探開(kāi)發(fā)決策提供可靠依據(jù)[4]。

1 元素錄井技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

元素錄井技術(shù)是建立在巖石地球化學(xué)和X 射線熒光分析兩項(xiàng)成熟理論基礎(chǔ)上的一項(xiàng)新技術(shù)。巖石地球化學(xué)是以地殼廣泛存在的巖石作為研究對(duì)象，結(jié)合地球化學(xué)中元素基本理論，揭示不同巖石中各類(lèi)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(fā)待測(cè)樣品中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級(jí)X 射線），通過(guò)測(cè)量不同次級(jí)X 射線的強(qiáng)度與元素的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行樣品的化學(xué)成分分析，從而得出樣品的礦物含量及其縱向變化趨勢(shì)的一種方法。元素錄井技術(shù)通常可以檢測(cè)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(xué)元素集合組成，地殼上有數(shù)百種巖石，數(shù)千種礦物，近百種元素。巖石類(lèi)型是多種多樣的，組成巖石的化學(xué)成分也是復(fù)雜多變的，而這些化學(xué)成分含量又因沉積物類(lèi)型不同會(huì)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(dāng)?shù)V物的化學(xué)成分比較穩(wěn)定時(shí)，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(lèi)的前提條件[6]。

2 長(zhǎng)7段巖性特征

2.1 分層特征

長(zhǎng)7 頁(yè)巖油段從底部長(zhǎng)73亞段到長(zhǎng)71亞段，巖性從高自然伽馬泥頁(yè)巖到致密砂巖呈規(guī)律性變化，具有縱向上巖性變化快、非均質(zhì)性強(qiáng)，橫向上不連續(xù)的特殊性。其中，長(zhǎng)73亞段發(fā)育優(yōu)質(zhì)湖相黑色泥頁(yè)巖夾薄層灰色粉-細(xì)砂巖，底部發(fā)育特征明顯的灰黃色凝灰?guī)r等火山碎屑巖；長(zhǎng)72亞段泥質(zhì)含量逐漸減少，發(fā)育暗色泥巖夾不等厚灰色泥質(zhì)粉-細(xì)砂巖、灰綠色細(xì)砂巖；長(zhǎng)71亞段主要以灰色細(xì)砂巖為主夾薄層暗色泥巖（表1）。根據(jù)研究區(qū)沉積背景以及前人研究成果，長(zhǎng)7頁(yè)巖油段巖性主要分為砂巖、泥巖、頁(yè)巖、凝灰?guī)r4大類(lèi)[7]。

表1 延長(zhǎng)組長(zhǎng)7-長(zhǎng)8段分層巖性特征

2.2 元素特征

元素測(cè)試結(jié)果表明，不同的巖性表現(xiàn)出的元素含量有所不同。長(zhǎng)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(yè)巖呈富P、S、Fe 特征，平均含量為0.31%、1.81%、10.60%，相對(duì)貧Al，平均含量為12.91%；凝灰?guī)r類(lèi)含更高的Si、K，平均含量達(dá)66.3%、2.98%，較低的Fe、Ti，平均含量?jī)H為2.97%、0.24%（圖1）。長(zhǎng)7 段優(yōu)質(zhì)烴源巖富含P、S、Fe，巖石化學(xué)組成特征反映出其發(fā)育于富營(yíng)養(yǎng)的還原環(huán)境，具有非常好的生烴條件[8]。

圖1 長(zhǎng)7頁(yè)巖油段不同巖性元素平均含量統(tǒng)計(jì)

2.3 巖電組合特征

基于長(zhǎng)7 段不同巖性元素及其地質(zhì)意義，結(jié)合電性組合特征對(duì)長(zhǎng)7 段巖性進(jìn)一步識(shí)別，主要有以下5類(lèi)巖性。細(xì)砂巖具有高Si 元素含量及富集于砂巖儲(chǔ)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(shù)（PE）、聲波時(shí)差（AC）、補(bǔ)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(zhì)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(yè)巖（高含烴）具有比碳質(zhì)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?guī)r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(zhǎng)7段取心井巖性與電性特征對(duì)應(yīng)表

3 巖性識(shí)別方法

通過(guò)分析區(qū)域巖性特征，結(jié)合前人研究結(jié)果，在地層對(duì)比的基礎(chǔ)上，分析總結(jié)長(zhǎng)7 全取心段202 個(gè)樣本的元素?cái)?shù)據(jù)及其地質(zhì)意義，優(yōu)選出Al、Si、Mg、P、S、K、Ca、Ti、Fe、Mn 共10 種特征元素，運(yùn)用多種分析方法實(shí)現(xiàn)巖性的精細(xì)定名。下面介紹3種應(yīng)用元素識(shí)別巖性的方法。

3.1 曲線交會(huì)

在長(zhǎng)7頁(yè)巖油段優(yōu)選特征元素及其比值作為巖性變化的標(biāo)志。選擇最能代表泥質(zhì)和砂質(zhì)含量的Si、Al元素和Mn/Fe、Al/Si元素比值進(jìn)行曲線交會(huì)，可以定性反映巖性及其砂質(zhì)、泥質(zhì)成分的變化情況，正交會(huì)為砂巖，負(fù)交會(huì)為泥巖，交會(huì)幅度代表巖性純度，幅度越大表示巖性越純；選擇泥頁(yè)巖的特征元素Fe、S、P進(jìn)行疊合交會(huì)，能反映泥巖中高Fe、碳質(zhì)泥巖中高S、頁(yè)巖中高P 的明顯特征（圖2）。在采用曲線交會(huì)的同時(shí)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(xiàn)場(chǎng)可以快速判斷巖性變化，使巖性識(shí)別準(zhǔn)確率得到明顯的提高，在水平井段還能快速掌握有效儲(chǔ)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(guò)10 種優(yōu)選的特征元素制作不同巖石類(lèi)型的特征圖譜，由圖3可見(jiàn)，每種巖性均有相對(duì)明顯的特征元素，可以作為巖性識(shí)別的另一種依據(jù)。從長(zhǎng)7 段不同巖石類(lèi)型元素平均含量（表3）看，Si 作為主量元素的量級(jí)較大（圖3a），分別放大量級(jí)較小的Ca、Mg、K、Fe（圖3b）及P、S、Mn、Ti 元素（圖3c）的縱坐標(biāo)比例，元素圖譜特征表現(xiàn)更為明顯。細(xì)砂巖在圖譜中表現(xiàn)為高Si、Ti，低Fe、S 的特征；碳質(zhì)泥巖表現(xiàn)為高S、低Si 的特征；黑色頁(yè)巖表現(xiàn)為高P、次高S 的特征；暗色泥巖多數(shù)表現(xiàn)為介于細(xì)砂巖和碳質(zhì)泥巖之間的元素特征；而凝灰?guī)r表現(xiàn)為5 種巖性中最高Si，最低Fe、Ti含量的特征[12]。

圖3 長(zhǎng)7段不同巖石類(lèi)型特征圖譜

表3 長(zhǎng)7段不同巖石類(lèi)型元素平均含量 單位：%

3.3 SPSS 軟件判別分析

SPSS 是集數(shù)據(jù)錄入、整理、分析功能于一身的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件。判別分析是SPSS軟件中常用的一種判別和分類(lèi)的多元統(tǒng)計(jì)方法，基本原理是利用已知分類(lèi)樣本的數(shù)據(jù)信息，尋找出該樣本的客觀分類(lèi)規(guī)律，將待判別的對(duì)象與已知類(lèi)型進(jìn)行類(lèi)比，根據(jù)最大隸屬原則以確定待判對(duì)象歸屬類(lèi)別[13]。

3.3.1 圖板識(shí)別

前文所述方法對(duì)5 種巖性能夠進(jìn)行較好的分類(lèi)，然而由于細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖中元素含量?jī)H有較小的區(qū)分，無(wú)法得到較好的體現(xiàn)。通過(guò)收集總結(jié)6 類(lèi)巖性（泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖、黑色頁(yè)巖、凝灰?guī)r）特征元素?cái)?shù)據(jù)，嘗試應(yīng)用SPSS 軟件進(jìn)行判別分析，得出函數(shù)F1 和函數(shù)F2 兩個(gè)綜合指標(biāo)，根據(jù)這兩個(gè)函數(shù)建立長(zhǎng)7頁(yè)巖油巖性識(shí)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(qū)明顯，雖然細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖還是略有重疊，但是整體上分區(qū)明顯，最終實(shí)現(xiàn)了6 類(lèi)巖性的識(shí)別（圖4）。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)任何一個(gè)已知10種特征元素未知巖性的樣品數(shù)據(jù)，均可以通過(guò)以下模型計(jì)算函數(shù)F1和函數(shù)F2的值，在二維圖板上進(jìn)行投點(diǎn)，得出巖石類(lèi)型。

圖4 長(zhǎng)7頁(yè)巖油巖性識(shí)別二維圖板

3.3.2 解釋模型建立

有時(shí)在圖板上會(huì)存在分類(lèi)不理想，不能明確待評(píng)價(jià)樣品具體分類(lèi)的問(wèn)題，就要應(yīng)用Fisher線性判別建立差別準(zhǔn)則進(jìn)行分類(lèi)。根據(jù)10種特征元素在不同巖性上的分類(lèi)函數(shù)系數(shù)（表4），建立6種巖性的判別模型。對(duì)已知元素?cái)?shù)據(jù)未知巖性的樣品，將特征元素代入以下Fisher 線性判別式函數(shù)計(jì)算出F函數(shù)值，然后進(jìn)行比較，判別函數(shù)值最大的就是巖性所屬的類(lèi)別。這種方法避免了人工識(shí)別巖性的多解性和個(gè)別圖板投點(diǎn)的交叉性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長(zhǎng)7頁(yè)巖油巖性的自動(dòng)、快速判別。

表4 10種特征元素在不同巖性上的分類(lèi)函數(shù)系數(shù)

Fisher線性判別式函數(shù)：

4 應(yīng)用實(shí)例

以上3 種不同的巖性識(shí)別方法，在長(zhǎng)7 頁(yè)巖油段直井17口、水平井35口共52口井應(yīng)用，剖面符合率達(dá)90%以上，充分發(fā)揮了元素錄井特色技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)優(yōu)選出的特征元素縱向的變化及曲線交會(huì)，可以較為準(zhǔn)確地識(shí)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(dú)的Si、Al元素交會(huì)為砂巖，原巖屑定名為泥質(zhì)粉砂巖，而元素比值Mn/Fe 與Al/Si 交會(huì)砂質(zhì)含量并不明顯，最終定名為碳質(zhì)泥巖；在長(zhǎng)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?guī)r（圖2）。

SPSS軟件識(shí)別巖性的剖面道（圖2），與錄井剖面對(duì)比具有較強(qiáng)的一致性，兩者的剖面符合率高達(dá)95%；在井段2 020.70～2 022.95 m、2 053.95～2055.70 m 通過(guò)計(jì)算函數(shù)F1和函數(shù)F2的值在二維圖板上進(jìn)行投點(diǎn)，以及Fisher 線性判別式函數(shù)判別結(jié)果分別為碳質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r，充分展示了應(yīng)用SPSS判別分析識(shí)別巖性的準(zhǔn)確性（表5）。

表5 CY 1井長(zhǎng)7段元素識(shí)別巖性數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

準(zhǔn)確識(shí)別地層巖性是錄井行業(yè)的基礎(chǔ)工作，同時(shí)也為安全、快速鉆進(jìn)提供了正確選擇施工參數(shù)的依據(jù)。元素錄井技術(shù)作為近年來(lái)興起的一項(xiàng)新技術(shù)，所能提供的地質(zhì)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(shí)別巖性的棘手問(wèn)題外，也為后續(xù)地質(zhì)研究、儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)、工程參數(shù)的優(yōu)選提供了一定依據(jù)。

（1）通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量元素錄井分析數(shù)據(jù)，對(duì)已鉆井進(jìn)行錄井、測(cè)井響應(yīng)特征的總結(jié)，運(yùn)用曲線交會(huì)、特征圖譜、SPSS 軟件判別分析3 種識(shí)別巖性的方法，解決了長(zhǎng)7頁(yè)巖油段巖性識(shí)別的問(wèn)題，為儲(chǔ)層分類(lèi)、水平井地質(zhì)導(dǎo)向及有效儲(chǔ)層鉆遇率的提升提供了一定的技術(shù)支撐。

（2）應(yīng)用元素識(shí)別巖性必須強(qiáng)調(diào)區(qū)域性，針對(duì)各類(lèi)沉積巖分析有其特殊的復(fù)雜性以及多解性。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)分區(qū)域、分地層建立各種巖石主要特征元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和巖性變化元素理論剖面，以便更加及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別巖性。