基于XRF的綜合解釋技術(shù)研究

◇長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院 張 佳 張 哲 馮 偉

為更加便捷地進(jìn)行元素錄井工作，降低技術(shù)難度，研究了不同種類巖石的元素組成特征，通過XRF得到巖樣元素組成分布數(shù)據(jù)，以元素交匯圖、比值關(guān)系圖等進(jìn)行巖類詳細(xì)劃分，結(jié)合巖石學(xué)與地球化學(xué)的巖性解釋方法，繪制出巖性分析圖版。同時(shí)結(jié)合指數(shù)分析法、古鹽度特征、古氧相特征、古水深特征完成了沉積環(huán)境分析。XRF技術(shù)主要通過化學(xué)分析測定樣本中各元素含量，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)對儲(chǔ)層進(jìn)行巖性識(shí)別、沉積相分析以及巖石脆性評價(jià)。最后結(jié)合脆性公式對巖石作出較全面的巖性解釋分析。

1 前言

近年來，隨著測井技術(shù)、鉆井工藝及定向鉆井的飛速發(fā)展，錄井領(lǐng)域不斷推廣和應(yīng)用各種新技術(shù)和新工藝。特別是特殊鉆井服務(wù)的條件下有關(guān)巖性識(shí)別、界面卡取、特殊地層以及孔隙、溶洞和裂縫的發(fā)育層段的超前預(yù)測等，一直是現(xiàn)場鉆井技術(shù)面臨的實(shí)際困難，鉆井現(xiàn)場的綜合測井面對了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

元素錄井技術(shù)在一定程度上解決了細(xì)小巖屑以及特殊巖性隨鉆識(shí)別的難題，根據(jù)元素含量的差異可形成多類不同的巖性區(qū)分圖版，為鉆井現(xiàn)場的巖性識(shí)別和解釋提供了更多的依據(jù)。

2 巖性判別

2.1 巖漿巖與沉積巖的判別

火成巖的主要化學(xué)成分為Na2O、K2O、CaO、MgO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、TiO2和H2O。地球表層或近地表沉積巖主要包括砂巖、泥巖和碳酸鹽三大類，其化學(xué)成分因主要沉積物中的造巖礦物含量差異而不同。可用Fe、Mg、Na、K四種元素的含量來區(qū)分這兩種巖石，如圖1所示。

圖1 火成巖和沉積巖的區(qū)分圖版

2.2 碳酸鹽巖和砂泥巖的判別

砂泥巖的化學(xué)成分主要取決于碎屑組分及其含量和膠結(jié)物的成分。其中，SiO2的含量較高，而Al2O3的含量則大量減少。泥巖的化學(xué)成分主要以SiO2、Al2O3、H2O為主，其次為Na、K、Ca、Mg、Fe的對應(yīng)氧化物及一些微量元素。可利用Si、Mg、Ca三種元素的含量差別制作圖版來區(qū)分這兩類巖石，如圖2所示。

圖2 碳酸鹽巖和砂泥巖的區(qū)分圖版

2.3 綜合對比判別

由于火成巖、碳酸鹽巖、砂泥巖三大類巖石主要化學(xué)成分有重合的部分，而這些相同元素在不同巖石中的含量不同。因此利用相同元素的含量差別來區(qū)分這三類巖石。下方是兩個(gè)Si-Ti交匯圖模板，也可用其來識(shí)別巖漿巖、碳酸鹽巖、砂泥巖三大類巖石。圖中大致可以以Si和Ti的相對含量的差別將圖版分為三大部分。圖版的左下角，Si、Ti的相對含量均較低，巖性以碳酸鹽巖為主。圖版的中部，巖性以巖漿巖為主：當(dāng)Si的相對含量在19%～25%時(shí)，當(dāng)Ti的相對含量小于0.6%時(shí)，巖性為超基性巖，若Ti的相對含量大于0.6%，則其巖性為基性巖；若Si的相對含量在25%～30%，Ti的相對含量在0.4%～0.8%，則巖性為中性巖。圖右下角Si相對含量較高，Ti相對含量較低，巖性主要為砂泥巖。而中性巖漿巖與泥頁巖的Si、Ti百分含量較接近，需進(jìn)一步的區(qū)分。

圖3 Si-Ti交匯圖模板

圖4 Si-Ti交匯圖模板

2.4 以元素交匯圖、比值關(guān)系圖等進(jìn)行巖類的詳細(xì)劃分

（1）火山巖巖性劃分。用巖漿巖中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω1進(jìn)行酸性劃分，將其分為四類：當(dāng)ω1＜45%時(shí)，稱為超基性巖；當(dāng)ω1在45%～52%時(shí)，稱為基性巖；當(dāng)ω1在52%～63%時(shí)，稱為中性巖；當(dāng)ω1＞63%時(shí)，稱為酸性巖。然后，根據(jù)巖漿巖中Na2O和K2O總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω2進(jìn)行堿性劃分。首先分別計(jì)算出火成巖中SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω1以及Na2O和K2O總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω2，再將結(jié)果投影到如下圖所示TAS圖版中，圖5將火山巖細(xì)分為15種類型。

圖5 TAS火山巖區(qū)分圖版

（2）碳酸鹽巖巖性劃分。如圖6所示，圖版用的是Ca、Mg以及Si三種元素的百分含量來區(qū)分不同類型的碳酸鹽巖，對其進(jìn)行進(jìn)一步的分類和命名。當(dāng)Si的百分含量在14%以下，該圖版按Ca以及Mg的含量將碳酸鹽巖分為灰?guī)r以及云巖兩大類，每類巖石分為5種不同的類型，一共將碳酸鹽巖分為10類：灰?guī)r，含云灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、含泥灰?guī)r、泥灰?guī)r以及云巖、含灰云巖、灰質(zhì)云巖、含泥云巖、泥云巖。該圖版上部，當(dāng)Si的百分含量大于14%時(shí)，巖石為泥巖，再根據(jù)Ca和Mg的含量區(qū)分泥巖類型為灰質(zhì)還是云質(zhì)等。

圖6 碳酸鹽巖三角解釋圖版

（3）砂泥巖巖性劃分。對于砂泥巖的識(shí)別，一般情況下泥質(zhì)含量可用Al元素和Fe元素的含量表示，砂質(zhì)含量可用Si的含量表示[6]。在此使用各類元素交匯圖判別出砂泥巖大類后，進(jìn)一步使用Si、Al、Fe三種元素的百分含量區(qū)分砂巖和泥巖。如圖7所示，該圖版橫坐標(biāo)為Si的百分含量，縱坐標(biāo)為Al+Fe的總百分含量，將圖版分為兩個(gè)部分，左上角為泥巖，右下角為砂巖。

圖7 砂巖和泥巖的區(qū)分圖版

2.5 以各類巖性含量比例關(guān)系進(jìn)行沉積巖巖性綜合定名

（1）根據(jù)特征元素的含量來解釋物質(zhì)含量。

（2）各類巖性的含量比例關(guān)系可以用規(guī)定的巖性混合模型來確定。

（3）按巖性命名規(guī)則綜合巖性命名。

3 沉積相分析

基于元素錄井的沉積相分析著眼于用指數(shù)分析法研究氣候條件以及古鹽度、古氧相、古水深的特征研究。

3.1 指數(shù)分析法

這里介紹四種指數(shù)分析法用以判斷沉積環(huán)境，主要是用來研究氣候條件，判斷沉積環(huán)境的濕潤程度。

（1）氣候指數(shù)“C”值。對于沉積巖，如果氣候相對濕潤，巖石中的Fe、Mn、V、Co、Ni、Cr等元素相對豐富。如果氣候條件相對干燥，大量的K、Na、Ca、Mg、Ba、Sr等元素沉淀在底部，沉積形成各種鹽類，所以這些元素的含量相對豐富。這兩種元素的總含量之比用氣候指數(shù)的“C”值表示。計(jì)算公式如下：

（2）Sr、Cu比值。古氣候的變化也可用Sr/Cu的數(shù)值來簡單判斷。研究表明，當(dāng)比值在1～10之間時(shí)，沉積環(huán)境為溫暖濕潤氣候；如果比值大于10，說明沉積環(huán)境逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦珊禋夂颉?/p>

（3）風(fēng)化指數(shù)。風(fēng)化沉積產(chǎn)物的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)可用于確定土壤礦物或巖石的風(fēng)化強(qiáng)度。風(fēng)化指數(shù)計(jì)算如下：

（4）化學(xué)蝕變指數(shù)。化學(xué)蝕變指數(shù)主要用來判斷沉積地區(qū)化學(xué)風(fēng)化的程度，也可應(yīng)用在分析沉積物沉積環(huán)境的古氣候條件上。化學(xué)蝕變指數(shù)計(jì)算公式如下：

3.2 古鹽度特征

利用元素錄井的方法研究古鹽度特征中，涉及到多種元素，主要有V、B、Ga、Sr、Ba、Fe、Mn、Ca、Mg等，通過分析這些元素的相對含量以及某些元素含量的比值，即可判斷是淡水環(huán)境還是咸水環(huán)境，從而得知是海相還是陸相。

3.3 古氧相特征

古氧相是指沉積物沉積和成巖作用過程中，水環(huán)境（特別是底水水體）中溶解氧的特征，以及環(huán)境中各種巖石變化和地球化學(xué)特征的結(jié)合。

3.4 古水深特征

隨著沉積物的不斷運(yùn)移，其包含的元素不斷發(fā)生變化，搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)，化學(xué)成分越穩(wěn)定。由此可以根據(jù)相關(guān)元素的含量變化從一定程度上分析出沉積物搬運(yùn)的距離以及沉積物沉積成巖時(shí)的古水深。通常把Co/Ti、Ni/Ti、Mn/Ti和Mn/Fe等比值通常作為離岸距離的標(biāo)志，這些比值常會(huì)隨著離岸距離的增加而增大。

4 儲(chǔ)層脆性評價(jià)

脆性是指巖石在受到應(yīng)力時(shí)容易破碎的性質(zhì)。對地層巖石來說脆性是一項(xiàng)非常重要的性質(zhì)，它是研究地層可鉆性、進(jìn)行壓裂選層以及優(yōu)選施工參數(shù)的重要手段。儲(chǔ)層脆性指數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：BI-儲(chǔ)層脆性指數(shù)；Cth-儲(chǔ)層中的泥質(zhì)含量，%。

當(dāng)BI≥0.6時(shí)，判斷儲(chǔ)層易發(fā)生裂縫。當(dāng)BI<0.6時(shí)，判斷儲(chǔ)層不易破裂。

5 結(jié)語

（1）基于元素錄井技術(shù)的巖性識(shí)別與劃分是對儲(chǔ)層巖性進(jìn)行簡單快速識(shí)別，每一類巖石的巖性大類以及它們的細(xì)分均有不同的研究圖版用作參考，方便實(shí)用。對儲(chǔ)層巖性的識(shí)別和細(xì)分具有重要的參考價(jià)值。

（2）基于元素錄井技術(shù)的沉積相分析主要是用元素含量得出的各種指數(shù)進(jìn)行氣候條件的判斷以及用各種特征元素對沉積區(qū)進(jìn)行古鹽相、古氧相和古水深的判斷。對于沉積環(huán)境的分析均有特殊元素作為分析重點(diǎn)，潮濕或是干旱，淡水或是咸水，湖相或是海相所對應(yīng)的元素以及它們的含量均有差別。

（3）基于元素錄井技術(shù)的脆性評價(jià)是把脆性物質(zhì)作為參考點(diǎn)，如石英以及碳酸鹽巖礦物均為脆性礦物，以它們所對應(yīng)的Si、Ca以及Mg元素的含量作為脆性評價(jià)的指數(shù)來評價(jià)儲(chǔ)層脆性，進(jìn)而判斷儲(chǔ)層可壓裂程度。此外，泥質(zhì)礦物屬于塑性礦物，其含量可作為與儲(chǔ)層脆性呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)來評價(jià)儲(chǔ)層脆性。