元素录井技术在鄂尔多斯盆地长7页岩油岩性识别中的应用

2024-01-14 02:33张文雅刘治恒郝晋美朱更更张春阳吴明松
录井工程 2023年4期
关键词:图板录井岩性

张文雅 刘治恒 郝晋美 朱更更 张春阳 吴明松

(①中国石油渤海钻探第二录井公司;②中国石油长庆油田公司勘探开发研究院;③低渗透油气田勘探开发国家工程实验室)

0 引言

鄂尔多斯盆地长7段地层由于强烈的构造活动引起湖盆快速扩张,形成了大范围的深水沉积,发育了大规模的深湖-半深湖相泥页岩层,加上多期的火山活动产生的火山灰沉积物,致使鄂尔多斯盆地长7 段地层岩性十分复杂,其最大特点是页岩与薄夹层砂岩呈频繁互层沉积,除了常见的石英、长石、伊利石等陆源碎屑矿物外,还含有大量的有机质与黄铁矿、火山灰质及少量自生矿物碳酸盐岩等[1]。从岩性组合特征来看,长7 段湖相泥页岩层主要发育砂岩-泥页岩互层与厚层状泥页岩层两种地层组合类型,其中厚层状泥页岩层中的薄砂岩夹层是页岩油勘探的重要“甜点”,但其展布规律复杂,对比性较差,岩性识别较为困难[2-3]。

传统的人工岩性识别分为实物观察和镜下鉴定两种方法。实物观察作为现场的第一手资料,对定名人员的地质经验要求较高,加之快速钻井造成的岩屑细小甚至呈粉末状,以及现场人员的经验存在差异,可能会造成岩性的误判;镜下鉴定则是通过岩屑组成成分定性描述地层岩性,虽然较为精准,但工序复杂,对人员、设备要求较高,鉴定周期长,现场应用受限。元素录井技术能够定量化提供不同岩石所包含的元素数据,从而快速、准确识别岩性,辅助导向及压裂选层,为油气显示的发现,测井、测试及综合研究等勘探开发决策提供可靠依据[4]。

1 元素录井技术

1.1 技术原理

元素录井技术是建立在岩石地球化学和X 射线荧光分析两项成熟理论基础上的一项新技术。岩石地球化学是以地壳广泛存在的岩石作为研究对象,结合地球化学中元素基本理论,揭示不同岩石中各类矿物所包含的主量元素和微量元素;X 射线荧光分析是利用X 射线激发待测样品中的原子,使之产生荧光(次级X 射线),通过测量不同次级X 射线的强度与元素的一一对应关系,进行样品的化学成分分析,从而得出样品的矿物含量及其纵向变化趋势的一种方法。元素录井技术通常可以检测14 种主量元素和20 种微量元素[5]。

1.2 沉积岩中元素特征

地壳由岩石组成,岩石由矿物组成,矿物由化学元素集合组成,地壳上有数百种岩石,数千种矿物,近百种元素。岩石类型是多种多样的,组成岩石的化学成分也是复杂多变的,而这些化学成分含量又因沉积物类型不同会有较大差别,例如砂岩富含硅(Si)、钠(Na)元素,泥岩富含铝(Al)、铁(Fe)元素,碳酸盐岩富含钙(Ca)、镁(Mg)元素等。因此,当矿物的化学成分比较稳定时,其元素的百分含量基本保持不变,这是利用元素含量判别矿物种类的前提条件[6]。

2 长7段岩性特征

2.1 分层特征

长7 页岩油段从底部长73亚段到长71亚段,岩性从高自然伽马泥页岩到致密砂岩呈规律性变化,具有纵向上岩性变化快、非均质性强,横向上不连续的特殊性。其中,长73亚段发育优质湖相黑色泥页岩夹薄层灰色粉-细砂岩,底部发育特征明显的灰黄色凝灰岩等火山碎屑岩;长72亚段泥质含量逐渐减少,发育暗色泥岩夹不等厚灰色泥质粉-细砂岩、灰绿色细砂岩;长71亚段主要以灰色细砂岩为主夹薄层暗色泥岩(表1)。根据研究区沉积背景以及前人研究成果,长7页岩油段岩性主要分为砂岩、泥岩、页岩、凝灰岩4大类[7]。

表1 延长组长7-长8段分层岩性特征

2.2 元素特征

元素测试结果表明,不同的岩性表现出的元素含量有所不同。长7 段砂岩富Si、Na,平均含量为54.38%、1.41%;泥岩富Al、Fe,平均含量为16.84%、10.34%;页岩呈富P、S、Fe 特征,平均含量为0.31%、1.81%、10.60%,相对贫Al,平均含量为12.91%;凝灰岩类含更高的Si、K,平均含量达66.3%、2.98%,较低的Fe、Ti,平均含量仅为2.97%、0.24%(图1)。长7 段优质烃源岩富含P、S、Fe,岩石化学组成特征反映出其发育于富营养的还原环境,具有非常好的生烃条件[8]。

图1 长7页岩油段不同岩性元素平均含量统计

2.3 岩电组合特征

基于长7 段不同岩性元素及其地质意义,结合电性组合特征对长7 段岩性进一步识别,主要有以下5类岩性。细砂岩具有高Si 元素含量及富集于砂岩储层的Na、Mn 元素,电性上具有高地层电阻率(Rt)、高密度(DEN),中-低自然伽马(GR)、光电吸收截面指数(PE)、声波时差(AC)、补偿中子(CNL)的特征;暗色泥岩具有高Al、Fe 元素含量,电性上具有中GR、PE、AC、CNL和低Rt、DEN的特征;碳质泥岩具有高Fe、S、P 元素含量,电性上具有中-高GR、Rt、PE、AC、CNL和低DEN的特征;黑色页岩(高含烃)具有比碳质泥岩更高的S、P 元素含量,电性上具有高GR、PE、AC、CNL,中-高Rt,低DEN的特征;凝灰岩具有高Si、K 元素含量,电性上具有中GR、AC、CNL和低Rt、PE、DEN的特征[9-10](表2)。

表2 长7段取心井岩性与电性特征对应表

3 岩性识别方法

通过分析区域岩性特征,结合前人研究结果,在地层对比的基础上,分析总结长7 全取心段202 个样本的元素数据及其地质意义,优选出Al、Si、Mg、P、S、K、Ca、Ti、Fe、Mn 共10 种特征元素,运用多种分析方法实现岩性的精细定名。下面介绍3种应用元素识别岩性的方法。

3.1 曲线交会

在长7页岩油段优选特征元素及其比值作为岩性变化的标志。选择最能代表泥质和砂质含量的Si、Al元素和Mn/Fe、Al/Si元素比值进行曲线交会,可以定性反映岩性及其砂质、泥质成分的变化情况,正交会为砂岩,负交会为泥岩,交会幅度代表岩性纯度,幅度越大表示岩性越纯;选择泥页岩的特征元素Fe、S、P进行叠合交会,能反映泥岩中高Fe、碳质泥岩中高S、页岩中高P 的明显特征(图2)。在采用曲线交会的同时考虑了多种元素的变化特征,更加直观、快捷,作为辅助手段在录井现场可以快速判断岩性变化,使岩性识别准确率得到明显的提高,在水平井段还能快速掌握有效储层的钻遇情况[11]。

图2 CY 1井元素录井综合图

3.2 特征图谱

通过10 种优选的特征元素制作不同岩石类型的特征图谱,由图3可见,每种岩性均有相对明显的特征元素,可以作为岩性识别的另一种依据。从长7 段不同岩石类型元素平均含量(表3)看,Si 作为主量元素的量级较大(图3a),分别放大量级较小的Ca、Mg、K、Fe(图3b)及P、S、Mn、Ti 元素(图3c)的纵坐标比例,元素图谱特征表现更为明显。细砂岩在图谱中表现为高Si、Ti,低Fe、S 的特征;碳质泥岩表现为高S、低Si 的特征;黑色页岩表现为高P、次高S 的特征;暗色泥岩多数表现为介于细砂岩和碳质泥岩之间的元素特征;而凝灰岩表现为5 种岩性中最高Si,最低Fe、Ti含量的特征[12]。

图3 长7段不同岩石类型特征图谱

表3 长7段不同岩石类型元素平均含量 单位:%

3.3 SPSS 软件判别分析

SPSS 是集数据录入、整理、分析功能于一身的数学统计软件。判别分析是SPSS软件中常用的一种判别和分类的多元统计方法,基本原理是利用已知分类样本的数据信息,寻找出该样本的客观分类规律,将待判别的对象与已知类型进行类比,根据最大隶属原则以确定待判对象归属类别[13]。

3.3.1 图板识别

前文所述方法对5 种岩性能够进行较好的分类,然而由于细砂岩与泥质粉砂岩中元素含量仅有较小的区分,无法得到较好的体现。通过收集总结6 类岩性(泥质粉砂岩、细砂岩、暗色泥岩、碳质泥岩、黑色页岩、凝灰岩)特征元素数据,尝试应用SPSS 软件进行判别分析,得出函数F1 和函数F2 两个综合指标,根据这两个函数建立长7页岩油岩性识别二维图板。从图板上看,相同岩性聚集度较高,而不同岩性间分区明显,虽然细砂岩与泥质粉砂岩还是略有重叠,但是整体上分区明显,最终实现了6 类岩性的识别(图4)。在实际应用过程中,对任何一个已知10种特征元素未知岩性的样品数据,均可以通过以下模型计算函数F1和函数F2的值,在二维图板上进行投点,得出岩石类型。

图4 长7页岩油岩性识别二维图板

3.3.2 解释模型建立

有时在图板上会存在分类不理想,不能明确待评价样品具体分类的问题,就要应用Fisher线性判别建立差别准则进行分类。根据10种特征元素在不同岩性上的分类函数系数(表4),建立6种岩性的判别模型。对已知元素数据未知岩性的样品,将特征元素代入以下Fisher 线性判别式函数计算出F函数值,然后进行比较,判别函数值最大的就是岩性所属的类别。这种方法避免了人工识别岩性的多解性和个别图板投点的交叉性,实现了对长7页岩油岩性的自动、快速判别。

表4 10种特征元素在不同岩性上的分类函数系数

Fisher线性判别式函数:

4 应用实例

以上3 种不同的岩性识别方法,在长7 页岩油段直井17口、水平井35口共52口井应用,剖面符合率达90%以上,充分发挥了元素录井特色技术的优势。

根据优选出的特征元素纵向的变化及曲线交会,可以较为准确地识别前文所提及的5 种岩性。以CY 1井井段2020.70~2022.95 m为例,单独的Si、Al元素交会为砂岩,原岩屑定名为泥质粉砂岩,而元素比值Mn/Fe 与Al/Si 交会砂质含量并不明显,最终定名为碳质泥岩;在长73亚段底部井段2 053.95~2055.70 m 具有更高的Si 和更低的Fe、Ti 及Al/Si 特征,定名为凝灰岩(图2)。

SPSS软件识别岩性的剖面道(图2),与录井剖面对比具有较强的一致性,两者的剖面符合率高达95%;在井段2 020.70~2 022.95 m、2 053.95~2055.70 m 通过计算函数F1和函数F2的值在二维图板上进行投点,以及Fisher 线性判别式函数判别结果分别为碳质泥岩、凝灰岩,充分展示了应用SPSS判别分析识别岩性的准确性(表5)。

表5 CY 1井长7段元素识别岩性数据

5 结论

准确识别地层岩性是录井行业的基础工作,同时也为安全、快速钻进提供了正确选择施工参数的依据。元素录井技术作为近年来兴起的一项新技术,所能提供的地质信息极为丰富,除解决井筒岩屑混杂、录井分析样品代表性差等随钻识别岩性的棘手问题外,也为后续地质研究、储层的评价、工程参数的优选提供了一定依据。

(1)通过统计大量元素录井分析数据,对已钻井进行录井、测井响应特征的总结,运用曲线交会、特征图谱、SPSS 软件判别分析3 种识别岩性的方法,解决了长7页岩油段岩性识别的问题,为储层分类、水平井地质导向及有效储层钻遇率的提升提供了一定的技术支撑。

(2)应用元素识别岩性必须强调区域性,针对各类沉积岩分析有其特殊的复杂性以及多解性。在实际应用过程中,应分区域、分地层建立各种岩石主要特征元素数据库和岩性变化元素理论剖面,以便更加及时、准确地识别岩性。

猜你喜欢
图板录井岩性
一种识别薄岩性气藏的地震反射特征分析
二维码在录井设备管理上的应用
K 近邻分类法在岩屑数字图像岩性分析中的应用
国有录井公司做赢低效地热录井市场举措
录井工程2017年第1~4期分类目次
气测录井储集层流体性质识别的新方法——正-异烷烃比值图板法
气测交会图板解释方法在渤海X 油田的应用研究
新硬件条件下地理板图板画教学实践与反思
装配定位技巧在CAXA电子图板中的应用
彬长区块核磁共振录井T2截止值确定方法