元素錄井在碳酸鹽巖地層分層中的應用
——以鄂爾多斯盆地馬家溝組為例

楊琳 唐家瓊 趙磊 唐謝 韓貴生 王君

（中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院，四川成都 610051）

元素錄井在碳酸鹽巖地層分層中的應用
——以鄂爾多斯盆地馬家溝組為例

楊琳 唐家瓊 趙磊 唐謝 韓貴生 王君

（中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院，四川成都 610051）

PDC鉆進導致巖屑細小，代表性差，常規錄井方法難以識別巖屑和劃分地層層位。元素錄井具有樣品需求少，分析周期短，分析數據全，誤差小的特點。不同沉積環境的沉積物所含元素也不同。應用元素錄井數據可識別巖屑巖性，結合區域沉積相特征可有效劃分地層層位。

元素錄井 鄂爾多斯盆地 馬家溝組 海相 海侵 海退

0 引言

PDC鉆進巖屑細小，常規錄井巖性識別困難，易導致巖性定名、層位劃分等地質復雜。巖屑錄井結合沉積巖石學和地球化學可有效解決上述難題。

1 元素錄井的原理

樣品在受X射線照射時，帶電粒子和光子與物質中的原子相互作用，使得原子電離或激發。原子內殼層電離后，該殼層留下空位。具有殼層電子空位的原子處于激發狀態，殼層的電子從能量較高外層向能量較低的內層躍遷，填補內殼層的電子空位，同時將多余能量以X熒光的形式釋放出來，或者將能量轉移給同一軌道的另一個電子，使該電子發射出X熒光，這個電子成為俄歇電子。當K層電子被擊出后，L層或M層的電子躍遷到K層，填補K層的電子空位，同時以一定的概率發射X熒光。K層電子被逐出后，其空穴可以被外層中任一電子所填充，從而可產生一系列的譜線，稱為K系譜線。由L層躍遷到K層輻射的X射線叫Kα射線，由M層躍遷到K層輻射的X射線叫Kβ射線。類似地，當L層出現電子空位時，M層向L層躍遷，產生的X熒光叫L線系。X熒光的能量等于兩個殼層中電子結合能的差值。各種元素的X熒光的能量范圍在數千電子伏特到數萬電子伏特之間。由于每種原子殼層之間的結合能各為定值，故殼層躍遷產生的X熒光能量和波長亦為定值，即表現為該元素的特征，故稱為特征X射線（圖1、圖2）［1-2］。不同元素產生的X射線熒光具有不同能量與波長，對這些X射線熒光的能量或波長進行分析可以確定被分析物質的元素種類與數量。

圖1 XRF分析原理圖

圖2 XRF分析流程圖

2 元素錄井的特點

XRF元素錄井具有樣品需求少，分析周期短，數據全，誤差小等特點。使用10 g巖屑樣品即可開展元素分析；樣品純分析時間僅需1 min；分析數據包括了Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg、K等主要的地層元素以及一些重要的微量元素；分析數據誤差可以控制在5%以內。

3 元素錄井在長慶氣區碳酸鹽巖的應用

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，為一矩形構造盆地，面積約2.5×105km2。中奧陶統馬家溝組在鄂爾多斯盆地有廣泛分布，最大厚度超過1 000 m，其地層自下而上可劃分為馬一段至馬六段共6個巖性段，構成3個完整海退—海進的沉積旋回，其中，馬一、馬三、馬五段為海退旋回的臺內蒸發巖段，巖性主要為鹽巖、硬石膏巖夾白云巖和石灰巖；馬二、馬四、馬六段為海進旋回的淺海沉積，巖性主要為石灰巖和白云巖夾膏巖和泥云巖。因加里東運動后1.3億年漫長的剝蝕，鄂爾多斯盆地內僅少數井見馬六段石灰巖地層，大多數地區均已被剝蝕［3-4］。

隨著鉆井工藝的發展，馬家溝組地層以PDC鉆進為主，隨鉆返出的巖屑細小，代表性差，常規錄井方法難以識別巖性和劃分層位。通過鄂爾多斯盆地某井石盒子組至馬家溝組3919組元素錄井數據分析表明，可應用元素錄井數據對馬家溝組進行層位劃分。下面從馬家溝組內部層段劃分和馬五段小層劃分說明元素錄井進行層位劃分的可行性。

3.1 馬家溝組內部層段劃分

根據地球化學可知，元素的聚集和分散與水盆深度有一定關系［5-7］。這種關系是元素沉積過程中機械、化學、生物、生物化學作用的結果。化學性質的差異導致元素鐵和錳在沉積過程中受水介質Eh值與pH值控制而產生的分異現象較明顯。鐵的氧化物在pH值小于3時溶解度最大，進入海盆后，由于pH值明顯增高，其溶解度大大降低，發生沉淀作用，因而常在濱岸地帶有大量富集。錳的氧化物、硫化物的穩定性大于鐵，可在海盆內發生長距離遷移，在遠離濱岸的盆地中心沉積下來。因此，可以用Mn/Fe反映沉積物在海盆中搬運的相對距離與水深。鄂爾多斯盆地馬家溝組為海相沉積環境，馬一、馬三、馬五段為海退沉積旋回，相對馬二、馬四、馬六段海進沉積旋回水體深度更淺，因此，Mn/Fe比值相對較低，從圖3中可知能夠依據Mn/Fe進行沉積旋回判斷，從而劃分馬家溝組各段的地層。

圖3 馬家溝組亞段劃分圖

3.2 馬五段小層劃分

隨著對鄂爾多斯盆地勘探的不斷深入，將馬家溝組劃分為上（馬五1—馬五4亞段風化殼）、中（馬五5—馬五10亞段白云巖）、下（馬四段及以下白云巖）3套含氣組合，馬家溝組含氣中組合形成了海侵—海退旋回控制的多層膏巖層—碳酸鹽巖的互層狀沉積。其中馬五6、馬五8、馬五10亞段為海退期沉積，巖性以蒸發巖為主，馬五5、馬五7、馬五9亞段為夾在蒸發巖層序中的短期海侵沉積，以碳酸鹽巖沉積為主。

海退時期的潮上帶經常沉積一些陸源泥，一般泥巖的SiO2、Al2O3以及H2O三者總量可達80%以上。因此，通過Si、Al元素可有效識別碳酸鹽巖中的泥質含量。從圖4可知馬五6、馬五8、馬五10的Si、Al含量明顯升高，表明泥質含量上升，符合海退旋回元素沉積特征。潮上帶沉積特征受氣候影響較大。干旱氣候條件下，潮上帶常見石膏巖層，白云巖廣泛發育。鄂爾多斯盆地馬五時華北地臺的古氣候周期型轉變為干熱，盆地基底復又抬升，海平面下降，表現出快速海侵和緩慢海退的特征，其潮上帶以含膏云坪為主夾藻泥云坪。圖4上體現為馬五6下部、馬五8硫元素含量明顯上升。

圖4 馬五段小層劃分圖

海侵時期的潮下帶位于平均低潮面之下，很少暴露于水上，泥質含量少，因此馬五5、馬五7、馬五9亞段硅、鋁、硫元素含量少。鄂爾多斯盆地馬五5亞段普遍有云化現象，云化后生成的半自行粉晶白云石晶粒多呈游離狀分布，局部云化劇烈形成白云巖。實驗井的白云巖化明顯，巖性以白云巖為主，元素錄井鎂含量明顯上升。

4 結論

1）XRF元素錄井對巖屑樣品要求少，數據分析周期短，數據誤差小，現場操作性強，可有效地識別巖屑中的各類元素含量。

2）鄂爾多斯盆地馬家溝組的實踐表明，可以通過元素錄井資料識別沉積相，結合區域地質認識可以劃分地層層位。

［1］朱根慶，許邵俊，楊銳，等.X射線熒光巖屑錄井儀器［J］.錄井工程，2009，20（1）：47-50，60.

［2］李一超，李春山，何國賢.X射線熒光分析在巖屑錄井中的應用［J］.巖石礦物學，2009，28（1）：58-68.

［3］侯方浩，方少仙，董兆雄，等.鄂爾多斯盆地中奧陶系馬家溝組沉積環境與巖相發育特征［J］.沉積學報，2003，21（1）：106-112.

［4］陳威，李仲東，楊冬，等.鄂爾多斯西南緣奧陶系風化殼巖溶儲層特征［J］.天然氣技術與經濟，2013，7（1）：11-15.

［5］鄧宏文，錢凱.沉積地球化學與環境分析［M］.甘肅：甘肅科學技術出版社，1993.

［6］趙澄林，朱筱敏.沉積巖石學［M］.北京：石油工業出版社，2006.

［7］胡元.XRF元素錄井技術在四川地區的地質應用研究［J］.中外能源，2013，18（11）：58-62.

（編輯：盧櫟羽）

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2095-1132（2016）06-0009-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.003

修訂回稿日期：2016-11-09

中國石油天然氣集團公司重大專項“隨鉆電磁波成像與測錄井解釋支持系統研發”（編號：2013E-38-09）。

楊琳（1981-），碩士，工程師，從事錄井解釋評價工作。E-mail：yanglin9078@126.com。