X射线元素录井技术在胜利油区泥页岩脆性评价中的应用

2014-03-06曾溅辉周开富李向峰

油气地质与采收率 2014年1期

关键词：油区录井脆性

牛强，曾溅辉，王鑫，周开富，李向峰，孙鹏

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石化胜利石油工程有限公司地质录井公司，山东东营257064）

X射线元素录井技术在胜利油区泥页岩脆性评价中的应用

牛强1，2，曾溅辉1，王鑫2，周开富2，李向峰2，孙鹏2

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石化胜利石油工程有限公司地质录井公司，山东东营257064）

泥页岩脆性是泥页岩油气勘探开发过程中最关键的评价因素之一，目前主要通过岩石力学实验对其进行评价，虽然精度高，但成本亦高且实验周期长。X射线元素录井技术可以定性和定量确定岩样中的元素含量，具有分析速度快、准确度高等特点，能够满足泥页岩勘探过程中随钻快速、准确评价的要求。基于胜利油区泥页岩元素组成特征及元素含量与矿物含量的相关性研究，认为Si，Ca和Mg等元素的含量可以反映石英、碳酸盐岩等刚性矿物的含量。通过X射线元素录井技术测定的元素含量计算得到的硅质指数、灰质指数和脆性指数，可以用于针对不同地区的泥页岩脆性进行现场快速定量评价。根据泥页岩岩石学特征及中外泥页岩脆性评价标准，建立了胜利油区利用灰质指数（CI）定量评价泥页岩脆性的四级标准：当CI≥0.6时，泥页岩脆性高；0.4≤CI＜0.6时，泥页岩脆性中等；0.2≤CI＜0.4时，泥页岩脆性较低；CI＜0.2时，泥页岩脆性低。

X射线元素录井泥页岩脆性评价灰质指数硅质指数脆性指数胜利油区

泥页岩油气作为一种非常规油气资源已成为中外重要的勘探对象。胜利油区针对泥页岩油气的勘探相继完钻了罗69、渤页平1、渤页平2、牛页1、樊页1、利页1和梁页1HF等井，在泥页岩段均获得较好的油气显示，表明胜利油区泥页岩油气资源丰富，具有良好的勘探前景。在泥页岩油气勘探开发过程中往往采用多级分段压裂工艺才能获得工业油气流［1-2］，泥页岩脆性评价成为划分有利泥页岩储层以及制定压裂方案的一项重要工作。前人主要通过岩石力学实验对泥页岩脆性进行评价，虽然精度高，但成本亦高且实验周期长［3］。为此，笔者利用X射线元素录井技术，通过泥页岩元素特征及与矿物含量相关性分析，建立了胜利油区泥页岩脆性录井评价标准，对今后研究区泥页岩有利压裂层段的选取及压裂方案的制定具有一定的指导意义。

1 X射线元素录井技术

X射线元素录井技术是通过X射线照射岩样，产生各种波长的特征X射线，分别测量不同能量的X射线强度，从而定量地确定岩样中元素含量的一项技术。该技术具有分析速度快、准确度高、与化学状态无关以及制样简单等特点，能够满足泥页岩勘探过程中随钻快速、准确评价的要求［4-5］。胜利油区泥页岩油气勘探采用EDX3600B型X光谱仪来测定岩样中Si，Al，Fe，Ca，K，Mg，Ti，P，Mn，S，Ti和V共12种元素的含量。为保障X射线元素录井检测数据的准确性，采集研究区3口井的岩样与广州澳实实验室的元素分析数据进行对比，结果表明，二者的绝对误差较小，12种元素分析数据的绝对误差为0.007 5～3.724，平均误差为0.718 5，说明X射线元素录井技术可满足现场随钻评价泥页岩脆性精度的要求。

2 泥页岩元素组成特征及与矿物含量的相关性

2.1 泥页岩元素组成特征

岩石地球化学研究表明，构成沉积岩的主要元素为O，Si，Al，Fe，Ca，Mg，K和Na等10余种，一般占岩石总元素的99.5%以上。泥页岩化学成分以SiO2，Al2O3和H2O为主，其次为Fe，Mg，Ca，Na和K的氧化物以及一些微量元素，其中以硅酸盐矿物为主要存在形式的SiO2和Al2O3的含量最高。由于元素的富集和迁移与沉积环境密切相关［6］，因此不同的岩石类型甚至同一种岩石在不同的沉积环境下，其元素含量存在一定差异。例如位于沾化凹陷的渤页平2井沙三段下亚段的泥页岩元素组成主要为Ca，Si，Al和Mg，平均含量分别为45.22%，27.14%，11.41%和8.59%；东营凹陷利页1井的泥页岩元素组成主要为Si，Ca，Al和Mg，平均含量分别为24.71%，11.15%，7.73%和2.87%；因此，沾化凹陷和东营凹陷泥页岩的元素组成基本一致，但含量存在一定差异，主要表现为沾化凹陷的Ca元素含量大于Si元素含量，而东营凹陷则相反。

2.2 泥页岩元素含量与矿物含量的相关性

泥页岩的脆性主要通过石英、碳酸盐岩等刚性矿物的含量来反映，因此，可利用X射线元素录井技术检测的元素含量对泥页岩脆性进行评价，须首先研究泥页岩元素含量与矿物含量的相关性，尤其是Si，Ca，Mg和Al元素含量与石英、方解石、白云石和粘土矿物含量之间的相关性。东营凹陷牛庄洼陷牛页1井的泥页岩元素含量与矿物含量之间具有较好的相关性（图1），其中Ca和Mg元素含量与碳酸盐岩矿物含量的相关性最好，Al元素含量与粘土矿物含量的相关性稍差，Si元素含量与石英含量呈指数相关。因此，利用X射线元素录井技术检测的元素含量可以反映石英、碳酸盐岩等刚性矿物的含量，根据元素含量即可对泥页岩脆性进行评价。

图1 牛页1井泥页岩元素含量与矿物含量的相关性

3 泥页岩脆性评价方法及应用

3.1 评价方法

Si，Ca和Mg元素含量在一定程度上可以反映石英和碳酸盐岩矿物的含量，因此，可以利用这3种元素含量随埋深的变化对泥页岩脆性进行定性评价，同时引入硅质指数、灰质指数和脆性指数3个评价参数进行定量评价。

硅质指数、灰质指数和脆性指数分别用于表征地层中石英矿物、碳酸盐岩矿物和脆性矿物的含量，其计算式分别为

式中：SI为硅质指数；ω(Si)为Si元素含量的测量值，%；CI为灰质指数；ω(Ca+Mg)为Ca和Mg元素含量的测量值，%；BI为脆性指数；ω(Ca+Mg+Si) 为Ca，Mg和Si元素含量的测量值，%。

在应用过程中，由于石英、碳酸盐岩等刚性矿物含量的差异对泥页岩脆性的贡献程度不同，选用的评价参数应有所不同。以石英为泥页岩脆性主要贡献的地区采用硅质指数，碳酸盐岩矿物为泥页岩脆性主要贡献的地区采用灰质指数，石英和碳酸盐岩矿物同时为泥页岩脆性主要贡献的地区采用脆性指数。如北美泥页岩的石英赋存于薄层砂岩条带［7］，为泥页岩脆性的主要贡献，因此以石英含量即硅质指数作为泥页岩脆性评价的主要参数。

通过对胜利油区58口井300多个泥页岩薄片的镜下观察发现，其纹层类型主要有富有机质纹层、隐晶碳酸盐纹层和粘土纹层［8-9］3种。其中，富有机质纹层的矿物成分主要为伊利石（含量为70%），其次为铁白云石（含量小于20%）、细粒方解石、粉砂级石英和微量黄铁矿；隐晶碳酸盐纹层主要由密集的隐晶方解石（粒径为1～4 μm）构成，混有少量的稍粗粒方解石（粒径为10～20 μm）和铁白云石；粘土纹层主要由粘土矿物和少量的极细粉砂组成，常含少量的碳酸盐岩矿物。前人对胜利油区泥页岩微观特征的研究表明［8-9］，石英以粉砂级和极细粉砂级的颗粒赋存于富有机质纹层和粘土纹层中，且石英矿物含量较少，方解石和白云石是隐晶碳酸盐纹层的重要组成矿物；因此，在胜利油区碳酸盐岩矿物是泥页岩脆性的主要贡献［10-11］，应以方解石和白云石的含量作为泥页岩脆性评价的主要指标，即采用灰质指数对泥页岩脆性进行定量评价。根据罗69、渤页平1和牛页1等井的钻探资料以及中外关于泥页岩脆性的评价标准［7，12］，建立胜利油区利用灰质指数定量评价泥页岩脆性的四级标准：当CI≥0.6时，泥页岩脆性高；0.4≤CI＜0.6时，脆性中等；0.2≤CI＜0.4时，脆性较低；CI＜0.2时，脆性低。

3.2 应用实例

利页1井位于东营凹陷利津洼陷东坡，钻探目的是为了解利津洼陷东坡沙四段上亚段和沙三段下亚段泥页岩的储集性能。自埋深为3 570 m开始X射线元素录井，共分析样品194个，其中岩心样品148个，岩屑样品46个。结果表明，泥页岩脆性自下而上逐渐变低，其中沙四段上亚段纯上次亚段的泥页岩脆性为中等—高，沙三段下亚段的泥页岩脆性为低或较低，局部薄层泥页岩脆性较高（图2）；因此，利页1井最有利的压裂层段为沙四段上亚段纯上次亚段埋深为3 800 m以下地层。

图2 利页1井X射线元素录井评价泥页岩脆性

罗69井位于沾化凹陷罗家鼻状构造带，钻探目的是为了解罗家地区沙三段下亚段泥页岩的储集性能及含油气情况［13］。自埋深为2 912 m开始X射线元素录井，共分析岩心样品62个。结果表明，沙三段下亚段的泥页岩脆性整体为中等—高，且表现为自下而上脆性逐渐变低；埋深为3 044 m处是泥页岩脆性的主要变化点，向下脆性增高，为压裂的有利层段（图3）。

图3 罗69井X射线元素录井评价泥页岩脆性

4 结论

通过X射线元素录井测试数据与实验室分析数据对比表明，其绝对误差较小，可满足现场随钻快速、准确评价泥页岩脆性数据精度的要求。元素含量与矿物含量的相关性研究表明，Si，Ca，Mg和Al元素与石英、方解石、白云石和粘土矿物含量具有一定的相关性，因此可以利用元素含量对泥页岩脆性进行评价。在胜利油区碳酸盐岩矿物是泥页岩脆性的主要贡献，应以方解石和白云石矿物含量作为泥页岩脆性评价的主要指标，即可利用灰质指数对泥页岩脆性进行定量评价。根据钻井资料及中外泥页岩脆性的评价标准，建立了胜利油区利用灰质指数定量评价泥页岩脆性的四级标准：当CI≥0.6时，泥页岩脆性高；0.4≤CI＜0.6时，泥页岩脆性中等；0.2≤CI＜0.4时，泥页岩脆性较低；CI＜0.2时，泥页岩脆性低。

［1］张德良，张烈辉，赵玉龙，等.低渗透气藏多级压裂水平井稳态产能模型［J］.油气地质与采收率，2013，20（3）：107-110.

［2］任闽燕，姜汉桥，李爱山，等.非常规天然气增产改造技术研究进展及其发展方向［J］.油气地质与采收率，2013，20（2）：103-107.

［3］李庆辉，陈勉，金衍，等.页岩脆性的室内评价方法及改进［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（8）：1 680-1 685.

［4］李一超，李春山，刘德伦.X射线荧光岩屑录井技术［J］.录井工程，2008，19（1）：1-9.

［5］谢元军，邱田民，李琴，等.X射线荧光元素录井技术应用方法研究［J］.录井工程，2011，22（3）：22-28.

［6］邓宏文，钱凯.深湖相泥岩的成因类型和组合演化［J］.沉积学报，1990，8（3）：1-15.

［7］ Curtis J B.Fractured shale-gas system［J］.AAPG Bulletin，2002，86（11）：1 921-1 938.

［8］王冠民.济阳坳陷古近系页岩的纹层组合及成因分类［J］.吉林大学学报：地球科学版，2012，42（3）：666-671.

［9］刘传联，舒小辛，刘志伟.济阳坳陷下第三系湖相生油岩的微观特征［J］.沉积学报，2001，19（2）：293-297.

［10］耿生臣.罗家地区泥页岩矿物组分含量解释模型构建方法［J］.油气地质与采收率，2013，20（1）：24-27.

［11］刘惠民，张守鹏，王朴，等.沾化凹陷罗家地区沙三段下亚段页岩岩石学特征［J］.油气地质与采收率，2012，19（6）：11-15.

［12］张善文，张林晔，李政，等.济阳坳陷古近系页岩油气形成条件［J］.油气地质与采收率，2012，19（6）：1-5.