元素錄井分析在復雜構造帶超深鉆井地層識別的應用
——以準噶爾南緣中段上侏羅統-下白堊統為例

古榕， 朱銳*， 袁波， 冀冬生， 王澤宇

(1.長江大學地球科學學院， 武漢 430100; 2.中國石油新疆油田分公司勘探開發研究院地球物理研究所， 烏魯木齊 830013)

地層的元素富集和遷移受到沉積時期環境的影響，因此元素的地球化學特征能從一定程度上反映和判斷沉積時的地質環境。元素錄井是一種新的錄井技術，其以X射線熒光分析、地球化學為理論基礎，用X射線熒光光譜儀獲取巖心、巖屑的元素含量，該分析技術于2007年引入鉆井地質行業[1-3]。前人通過元素含量及其比值分析沉積環境特點、物源特征和巖性類型[4-11]。隨著鉆井技術的進步，現場采用聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact bit，PDC)鉆頭進行鉆井，導致巖屑很小且破碎，傳統的錄井巖屑識別工作量煩瑣，人為因素影響大，元素錄井可以識別粉末狀巖屑的巖性及地層。在構造復雜、地層較深的地區，巖性識別、地層判別困難，元素錄井能運用元素測量對巖性和地層進行定量識別。

圖1 準噶爾盆地構造分布圖[12]Fig.1 Tectonic distribution map of Junggar Basin[12]

準噶爾盆地南緣是典型的前陸盆地，深層構造逆沖推覆于淺層斷層之上[12]。勘探過程中對南緣中段新生界劃分上油氣成藏組合(新近系、第四系)、中油氣成藏組合(上白堊統、古近系)以及下油氣成藏組合(侏羅系、下白堊統)[13]，下組合是現今石油勘探的重點層段，然而巖性識別的元素定量標準未建立，且地層埋藏深度大，地震反射特征比較模糊，位于山前沖斷帶，地質構造強烈，地層識別較為困難。

針對上述問題，現選取準噶爾南緣中段呼探1井(HT1)、樂探1井(HT1)和天安1井(TA1)為研究對象，該3口井鉆遇超深層下組合地層，完鉆深度均大于6 800 m。對井的巖屑進行取樣，采用元素錄井方法獲取627個巖屑樣品的元素含量，運用數理統計分析為準噶爾南緣的巖性和地層認識提供一套元素數值判別標準。元素定量判別標準加快巖性判別速度，減少人為因素的影響，能夠建立標志層的定量元素含量標志，以期為復雜構造地區巖性迅速識別與標志層準確標定提供新的定量手段。

1 區域地質概況

準噶爾盆地位于中國西北部，是中國重要的含油氣盆地之一。該盆地發育多個構造區，盆地周圍為高大山系(圖1)。準噶爾南緣位于天山北麓，該地區侏羅系、白堊系地層出露完整(圖2)，構造條件復雜，受海西、印支、燕山、喜馬拉雅等運動的影響，經歷了5個構造演化階段，形成了多期次復合與疊加的構造格架，使得地層結構復雜多變。在二疊紀、侏羅紀時，盆地的構造特點為先伸展后擠壓，三疊紀、白堊紀和新生代由穩定構造轉換為擠壓構造。新生代時期，印度板塊與歐亞板塊發生碰撞，使青藏高原隆升，并對其北方和東方造成擠壓，使該區域產生走滑構造和逆沖推覆構造，形成了準噶爾南緣前陸盆地。該前陸盆地油氣資源豐富，具有良好的構造圈閉和油氣成藏過程[14-17]。準噶爾南緣的構造特點為“東西分段，南北分相”，南緣中段經歷晚侏羅世高陡斷裂、中新世逆沖推覆2期變形，發育3排褶皺，第一排是山前齊古斷褶帶，第二排是霍瑪吐背斜帶，第三排是安集海背斜和呼圖壁背斜，這3排褶皺是油氣勘探的重點[12]。研究的區域位于霍瑪吐背斜帶，該區域發育多層逆沖推覆構造，構造極其復雜。準噶爾南緣晚二疊世以沖積扇、河流三角洲和濱淺湖相沉積為主，主要巖性為砂礫巖。三疊紀以干旱和半干旱氣候為主，發育紅色巖層。早侏羅世氣候濕潤，中侏羅世以來氣候條件干旱，發育紅色碎屑巖沉積，白堊紀到古近紀以濱淺湖相沉積為主，新近紀到第四紀形成河流、湖泊相沉積[15，18]。準噶爾南緣下組合地層自下而上可以劃分為八道灣組、三工河組、西山窯組、頭屯河組、齊古組、喀拉扎組、清水河組、呼圖壁組、勝金口組以及連木沁組(圖3)。其中西山窯組與頭屯河組呈不整合接觸，頭屯河組與喀拉扎組呈整合接觸，喀拉扎組與清水河組呈角度不整合接觸[19-21]。西山窯組以灰綠色砂巖、泥巖為主。頭屯河組以雜色泥巖、砂質泥巖、砂巖為主[18]。齊古組以紅色砂質泥巖為主[21]。喀拉扎組為灰褐色礫巖、褐色泥巖[17]。清水河組底部發育灰綠色底礫巖，中部為灰綠色細砂巖、泥巖、粉砂質泥巖，上部為灰綠色、黃綠色泥巖、粉砂質泥巖[22]。準噶爾南緣沖斷帶油氣豐富，位于深層的下組合的砂巖與砂礫巖是主要的儲層，具有巨大的勘探前景[23]。

圖2 準噶爾盆地南緣中段地質圖[19]Fig.2 Geological map of the middle part ofthe southern Junggar Basin[19]

2 樣品獲取與元素分析

對準噶爾南緣中段鉆遇下組合地層的三口井喀拉扎組(J3k)和清水河組(K1q)巖屑進行取樣(圖4)。在兩組交界處取樣精度為1個/m，其他層段取樣間隔為5 m或10 m，每個樣品15～30 g。對樣品進行清潔和烘干，按照井號和深度進行整理和編號。

圖4 典型巖屑樣品照片Fig.4 Photos of typical cuttings samples

X射線熒光光譜分析技術(X-ray fluorescence，XRF)是分析元素的重要方法，該方法分析周期短、局限性低、無損耗、連續性強，且不受樣品粒度大小的制約[24-25]。20世紀80年代，X射線熒光光譜儀投入使用[26]，隨著科技的進步，該分析技術已趨近成熟，用于現場分析的便攜式XRF以及手持式XRF廣泛投入應用。X 射線熒光分析技術的原理為：用X射線轟擊被測樣品，元素的內層電子獲得能量離開原來的位置，出現電子空位，外層的電子填補該空位，同時釋放出特征的X射線，元素的X射線具有唯一性，即不同元素釋放的X射線能量不同，通過X射線的特點判斷元素類型和質量分數[9]。采用手持式X射線熒光光譜儀對準噶爾盆地南緣中段3口井的巖屑樣品進行測量。該儀器為高性能Niton XL 3t-950手持式X射線熒光元素分析儀，靶料為Ag靶，探測器為Fast-SDD探測器，高分辨率，半導體電制冷，可以測量Fe、SiO2、Al2O3、MgO、Mn等多種元素含量。

對3口井所有巖屑樣品進行元素分析，測試時間為60 s，測試時平整放置巖屑樣品，使儀器的探測口呈水平狀態測試樣品。測試出MgO、Al2O3、SiO2、P、S、K、Ca、V、Mn、Ti、Fe、Sr、Ni、Ba、Zn、Pd、Ta、Cd、As、Sb、Nb、Ag、Hf、W、Pb、Sn等26種元素含量。3口井巖屑樣品中SiO2的含量占比最高，其次為Al2O3、S、MgO、Ca，Fe含量相對偏低 (表1)。

表1 3口井主量元素含量

3 基于元素含量的巖性定量識別

3.1 巖性與元素的相關性

3.1.1 箱型圖法

不同巖性的元素特征具有差異，李春山[10]認為Si主要富集在砂巖中，胡書林等[11]認為SiO2含量可以代表砂質含量，Fe含量可以代表泥質含量[11]。研究區3口井在目的層段內僅發育砂巖和泥巖兩種。統計兩種巖性的特征元素含量可見SiO2和Fe元素含量對砂泥巖的區分度最高，其他元素區分不明顯。砂巖的SiO2范圍為24.76%～56.65%，中值為41.46%，平均值為41.16%；泥巖的SiO2范圍為21.97%～49.75%，中值為35.72%，平均值為36.36%，SiO2含量在砂巖中較高，而在泥巖中較低。砂巖的Fe含量范圍為0.44%～2.06%，中值為1.21%，平均值為1.23%；泥巖的Fe含量范圍為0.34%～3.27%，中值為1.88%，平均值為1.88%，砂巖的Fe含量相較泥巖的Fe含量低。SiO2含量越高表示砂質含量越多；Fe含量越高代表泥質含量越多。砂巖和泥巖的MgO、Al2O3、Ba、Ca含量重合率較高，不能作為該區域判別巖性的元素(圖5)。

3.1.2 圖譜法

對巖屑樣品進行元素測量，可以獲得相應樣品的元素測試譜圖，各類元素的譜峰顏色不同。對巖屑樣品的圖譜特征進行分析，發現砂巖和泥巖的測試譜圖差異大。泥巖中的SiO2的峰值較低，為19，砂巖則為24； Fe元素在泥巖中峰值為347，砂巖峰值則為泥巖的50%(圖6)。通過圖譜法可以發現Fe和SiO2與巖性相關性強，可作為砂巖和泥巖的判別元素。圖譜法分析元素特征簡明直觀。

圖6 泥巖和砂巖的測試譜圖Fig.6 Test spectra of mudstone and sandstone

3.2 巖性定量解釋標準的建立

以樂探1井和天安1井為標準井，對其樣品的Fe和SiO2含量進行交會分析，建立巖性與元素的相關關系。砂巖和泥巖在交會圖中的分布范圍差異明顯(圖7)。為了精確界定砂巖和泥巖的分界，對巖屑樣品的元素進行數值分析。引入多元線性回歸方程，表達式為

(1)

圖7 標準井SiO2與Fe元素二維交會圖板Fig.7 Two-dimensional cross drawing board of SiO2 and Fe elements in standard wells

(2)

(3)

(4)

誤差判定項為

(5)

3.3 巖性定量解釋標準的檢驗

在所建立的一套準噶爾南緣中段上侏羅-下白堊統的巖性定量解釋標準的基礎上，對此標準進行巖屑錄井檢驗、薄片檢驗。

3.3.1 巖屑錄井檢驗

選取準噶爾南緣中段的呼探1井作為驗證井，對該井的巖屑樣品進行定量標準的驗證。將呼探1井的巖屑元素含量投點至二維坐標(圖8)，發現巖性符合率達到88.7%，表明該巖性解釋標準準確率高。

圖8 驗證井SiO2與Fe元素二維交會圖板Fig.8 Two-dimensional cross drawing board of SiO2 and Fe elements in verification wells

3.3.2 微觀薄片檢驗

微觀薄片可以更直觀辨別巖性。挑選顆粒較大的巖屑制成薄片，總共制備45張。在顯微鏡下觀察薄片巖石結構和識別巖性，進而檢驗巖性定量標準。隨機挑選呼探1井的巖屑樣品，該深度范圍為7 530～7 531 m，用XRF儀器測得該巖屑SiO2含量為28.06%，Fe含量為1.70%，SiO2含量與Fe含量比小于24.53，用巖性定量解釋標準判定該巖屑的巖性為泥巖。在電子顯微鏡下觀察該樣品制成的薄片，顆粒含量約43%，以粉砂為主，最大粒徑為0.12 mm，粒徑范圍是0.02～0.035 mm，顆粒分選磨圓較差，其成分以巖屑為主，石英次之，石英占比31%，長石含量較低，膠結多為方解石膠結[圖9(a)]，通過薄片的特征可以判定該巖屑為泥巖，與巖性定量判定的結果一致。隨機挑選樂探1井的巖屑樣品，該深度范圍為6 951～6 952 m，測得SiO2含量為42.1%，Fe含量為1.21%，SiO2含量比Fe含量大于24.53，判定該巖屑為砂巖。鏡下觀察此樣品的薄片，顆粒含量約90%，以細砂為主，最大粒徑為0.64 mm，粒徑范圍為0.2～0.3 mm，顆粒分選磨圓較差，其成分以巖屑為主，石英次之，石英占比38%，長石含量較低，膠結多為方解石膠結，局部見有薄膜狀綠泥石膠結，可見兩個世代[圖9(b)]，通過薄片的特征判斷該巖性為砂巖，與巖性定量判定的結果一致。為了進一步檢驗巖性定量解釋標準的準確率，對所有薄片進行巖性識別，發現符合率為87.1%，表明建立的巖屑判別標準準確性高。

4 討論

常規巖屑錄井認為清水河組底部發育底礫巖，但在準噶爾盆地南緣中段野外踏勘過程中發現該層位底部存在疊層石(圖10)。疊層石是一種微生物巖，由富藻紋層和富碳酸鹽紋層組成[27]，是微生物黏結作用或生物化學作用形成的鈣質沉積[28]。反映了該地區該時期發育碳酸鹽巖。疊層石的發現表明含鈣層是清水河組底部的標志層。

特殊巖石學特征的層段可作為地層對比分析中的標志層，而這類標志層往往具有特殊的元素響應特征。通過元素錄井分析，發現Ca元素含量在清水河組的底部存在突變增加的現象(圖11)，說明Ca元素含量的激增是清水河組底部的標志層，同樣也是清水河組與喀拉扎組的分界標志，表明元素含量的變化能夠指示地層的變化，在復雜構造地質條件下鈣元素的變化可以標定目的層。由圖11可知，以SiO2和Ca的比值建立的巖性判別標準與測井曲線資料和錄井巖性擬合程度較好(圖11)。

此外，地層的重復與缺失可以通過Ca元素含量的變化趨勢判斷。準噶爾南緣發育逆沖推覆構造，地質條件復雜。鈣元素含量在地層中出現兩次及以上快速增加，說明清水河組地層重復；與之相反鈣元素含量在地層中沒有出現快速增加，表明清水河組地層存在缺失。

5 結論

利用元素錄井分析獲取準噶爾南緣中段三口井巖屑樣品的元素含量，分析元素含量與巖性的對應關系，運用元素含量交會分析和數值分析，建立了準噶爾南緣中段巖性識別標準，對判別標準進行了驗證，根據元素含量變化識別了地層。研究結論如下。

(1)準噶爾盆地南緣中段構造復雜，地層深度大，對該區3口井的上侏羅統喀拉扎組和下白堊統清水河組巖屑取樣。運用元素錄井分析獲得各樣品SiO2、Al2O3、MgO、Ca、Fe等26種元素的含量。通過圖譜分析方法結合各元素箱型圖的規律發現SiO2含量和Fe含量與巖性相關性強。運用元素含量交會分析和數值分析，建立了準噶爾南緣中段的巖性定量解釋標準，即SiO2含量與Fe含量之比大于24.53為砂巖，反之若此兩種元素比值小于等于24.53則為泥巖。利用該區域未參與標準建立的井進行巖性驗證，發現巖性符合率高，達到88.7%。采用巖屑薄片檢驗，符合率為87.1%，巖性判別效果好。

(2)野外露頭調查發現含鈣層是清水河組底部的標志層，而3口井的Ca元素含量在清水河組底部出現激增，表示元素含量的變化可以指示地層變化，標志著目的層位的出現。

(3)X射線熒光元素錄井為準噶爾南緣巖屑識別提供了新方法，滿足該地區關鍵層位巖性快速準確識別的要求，為超深地層判別增加一種新方法，實現深層復雜構造區巖性的元素定量表征與應用，為石油勘探提供基礎資料。