利用地层元素识别沉积岩岩性和矿物含量计算方法

章海宁, 张金功, 岳爱忠, 樊云峰, 赵毅, 李孜虎

(1.中国石油集团测井有限公司, 陕西 西安 710077; 2.西北大学地质学系, 陕西 西安 710069)

0 引 言

随着地层元素测井仪测量的元素含量精度不断提高、元素种类不断丰富,并实现绿色环保测量,其在复杂岩性地层、非常规油气储层评价领域中发挥越来越重要的作用[1-4]。一些学者已经开展了大量关于利用地层元素测井资料进行沉积岩岩性分析和矿物含量计算的方法研究,并取得较好的应用效果[5-9]。中国实际应用主要借鉴国外公司的应用方法,其局限性是处理解释前需要根据岩心分析资料先明确矿物组合,再进行矿物计算,在没有岩心分析资料的井中确定矿物组合模型是个难题,而矿物组合模型直接决定了矿物含量计算结果是否准确,一定程度上阻碍了地层元素测井在中国油田勘探开发中的大规模应用[10]。

本文针对以上问题开展研究,探索直接用元素含量进行岩性识别的技术和方法,对于发展具有自主知识产权的地层元素测井数据处理和解释技术,拓展地层元素测井的应用能力具有现实意义。

1 地层元素识别沉积岩岩性和计算矿物含量方法思路

不同于国内外先确定矿物组合、再计算矿物含量的地层元素测井资料的应用方法,先统计常见造岩矿物的分子式以及其中各种元素的含量,并按照含量的多少对元素进行排序,了解掌握造岩矿物的元素含量特征;建立沉积岩命名分类方法和标准;利用元素含量交会的方法划分沉积岩大类,然后针对每个大类选取主量元素识别亚类;针对每种沉积岩分析其矿物含与元素的相关性,优选元素并进行组合建立各沉积岩类型的矿物含量计算模型,根据岩性类型选取不同模型计算得到矿物含量。元素识别沉积岩岩性和矿物含量计算流程见图1。

图1 元素识别沉积岩岩性和矿物含量计算流程

2 矿物元素组成特征及沉积岩命名分类

通过对大量资料整理,统计常见造岩矿物的分子式以及其中各种元素的含量,并按照含量的多少对元素进行排序。表1列出了部分矿物的主量元素含量和含量的排序情况,便于处理解释人员掌握了解不同矿物元素含量特征。

沉积岩命名分类是通过镜下薄片鉴定岩石的碎屑颗粒结构、杂基和胶结物结构、孔隙结构以及碎屑颗粒与填隙物的关系和矿物在镜下大致百分比确定。通过岩石的结构特征(粒度)再进一步划分,如砾岩(d>2 mm)、砂岩(0.1 mm

表1 部分矿物主量元素特征表

表1(续)

矿物大类矿物元素排序分子式元素含量/%斜长石钠长石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(0≤x≤1)Na(0～878) Aa(0～14406)Al(1031～19396) Si(2019～3206)O(4608～4882)更长石(奥长石)Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(01≤x≤03)Na(7843～6027) Ca(1519～4503)Al(11249～13135) Si(30875～28402)O(48514～47934)中长石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(03≤x≤05)Na(6027～4254) Ca(7416～4503)Al(14984～13135) Si(28402～25987)O(47367～47934)拉长石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(05≤x≤07)Na(2522～4254) Ca(7416～1026)Al(14984～16775) Si(23629～25987)O(47367～46813)倍长石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(07≤x≤09)Na(2552～0831) Ca(10261～1304) Al(16774～18531) Si(23629～21325)O(46813～46273)钙长石Si、Al、CaNa1-xCaxAl1+xSi3-xO8(09≤x≤1)Na(0～0831) Ca(14406～1304)Al(19396～18531) Si(2019～21325) O(4608～46273)云母族黑云母Si、Mg、K、AlK(Mg，Fe2+)3(Al，Fe3+)Si3O10(OH，F)2Si(21037) Mg(1018) Al(5536)K(8451)白云母Si、Al、KK2Al4[Si6Al2O20](OH，F)4Si(2337) Al(1746) K(913)金云母Si、Mg、Al、KK2(Mg，Fe2+)b[Si5Al2O20](OH，F)4Si(21034) Mg(16283) Al(8997)K(8301)黏土矿物绿泥石Fe、Al、Mg、Si(Mg，Fe，Al)12[(Si，Al)uO20](OH)16Fe(29016) Al(23316) Mg(12435)Si(9672)蒙脱石Si、Fe、Al、Mg、Ca(1/2Ca，Na)07(Al，Mg，Fe)4[(Si，Al)8O20](OH)4·nH2OSi(1858～2377) Fe(2083～2602)Al(1069～149) Mg(13～14)Ca(05～063)伊利石Si、Al、KKxAl4[Si8-x，Alx]O20(OH)4(1≤x≤15)K(515～753) Al(1781～1911)Si(2342～2586) O(4943～5066)H(051～052)高岭石Si、AlAl4[Si4O10](OH)5Al(20901) Si(21761) O(5577)H(1562)

依据沉积岩岩石X衍射全岩矿物相对含量把沉积岩划分为7大类(见表2),又把其中的砂岩、碳酸盐岩和杂岩分别划分为若干种亚类(见表3)。

表2 沉积岩大类命名分类

表3 砂岩、碳酸盐岩和杂岩亚类命名分类

3 沉积岩性识别方法

沉积岩性识别方法研究的样本涵盖了中国大部分含油气盆地,共9 067个岩石X衍射数据(见表4),在此基础上编制了中国主要含油气盆地X衍射全岩和黏土矿物组分相对含量数据表。

表4 沉积岩样品数分布

根据表1主要矿物的元素组成及其元素的质量分数计算岩样中元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量,并以此为基础编制中国主要含油气盆地沉积岩X衍射数据计算元素含量及主要矿物含量数据表。

3.1 元素识别沉积岩大类

研究沉积岩元素与岩性的关系,将收集的9 067个X衍射数据,按矿物含量命名分类,其中有砂岩样品6 329个、碳酸盐岩样品949个、黏土岩样品325个、杂岩样品1 457个。利用这些样品的X衍射数据计算元素Si、Al、K、Ca、Mg、Fe、S含量并进行交会分析,从多个交会图版中筛选区分能力强的元素交会图版识别岩性,如从图2中Si和Ca交会图版可以较好识别岩性。

图2 元素Si与Ca交会划分沉积岩岩性大类

在分析以上元素两两交会图中元素含量对沉积岩岩性区域的影响基础上,可将元素进行不同方式的组合,利用多元素信息进行岩性划分(见图3)。

图3 10Si+5Ca+3Mg-5Al-5Fe与5Ca+0.1Mg-5Al-1.5K+5Fe交会划分沉积岩岩性大类图版

图3中①至⑧的计算公式

①y=-0.5712x+195.43;②y=2.5469x-232.78;③y=-0.4487x+55.066;④y=3.5317x-824.39;⑤y=0.4307x-39.205;⑥y=-0.6277x+150.77;⑦y=3.5753x-694.99。其中,(-0.5712x+195.43-y)<0,(0.4307x-39.205-y)<0区域为碳酸盐岩区;(-0.4487x+55.066-y)<0,(3.5317x-824.39-y)≥0,(0.4307x-39.205-y)≥0区域为砂岩区;(2.5469x-232.78-y≥)0,(-0.4487x+55.066-y)≥0区域为黏土岩区;(-0.4487x+55.066-y)≥0,(2.5469x-232.78-y)<0区域为煤区;(-0.6277x+150.77-y)≥0,(3.5753x-694.99-y)<0,y≥6.05区域为杂岩区;图版中剩余的区域为混合区。

3.2 元素沉积岩亚类

利用以上交会图版识别出沉积岩岩性大类后,进一步分析不同沉积岩亚类岩性的敏感元素,建立有针对性的亚类识别图版进行识别。如石灰岩与白云岩的识别,可采用Ca与Mg交会图版(见图4)。

图4 元素Ca与Mg交会划分沉积岩岩性亚类

图4中,(0.5308x-9.1845-y)≤0区域为白云岩区;(0.5308x-9.1845-y)>0区域为石灰岩区。其他亚类的识别,如石英砂岩与长石砂岩的识别可采用Si与K图版,黏土杂岩、方解石杂岩、白云石杂岩和石英、长石杂岩的识别可采用Si与Al图版。

对于一些通过以上方法仍然无法有效识别岩性的样本点,实际应用中可以采用以上方法结合神经网络的方法进行识别。

4 沉积岩矿物含量计算方法

建立沉积岩矿物含量计算模型,首先要明确不同矿物的主要相关元素,因此需要统计分析样本元素含量与矿物含量的关系,通过分析不同矿物与元素的拟合公式相关系数,明确不同岩性中不同矿物含量的主要相关元素,从而为矿物含量模型建立奠定基础。元素Si含量与石英含量关系见图5。

图5 元素Si含量与石英含量关系图

在确定不同岩性矿物含量与元素含量的相关性后,通过构建多元素组合的方式建立矿物含量计算模型,从而提高矿物含量计算精度。在矿物模型建立过程中,如何筛选相关元素和元素组合形式是提高模型精度的关键,需要作大量的对比分析工作,列举2种岩性矿物含量计算模型

(1) 石英砂岩中Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)元素含量与主要造岩矿物含量的关系见图6。

图6 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量与石英砂岩中5种主要造岩矿物含量的关系

图7 元素Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4)含量与石英砂岩中石英含量的关系

图7曲线公式为

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(1)

式中,a=95.1,b=0.015 82,c=-2.835E-06,d=-28.38;Y为矿物含量,X为元素组合变量,即Ys1/(Ys2+Ys3+Ys4),Ys为元素含量。

(2) 石灰岩中Ys3/(Ys1+Ys2)元素含量与主要造岩矿物含量的关系见图8、图9。

图8 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量与石灰岩中5种主要造岩矿物含量的关系

图9 元素Ys3/(Ys1+Ys2)含量与石灰岩中石英含量的关系

图9曲线公式为

Y=a×e(b×X)+c×e(d×X)

(2)

式中,a=16.82,b=-0.159 5,c=1.555,d=0.001 61;Y为矿物含量,X为元素组合变量,即Ys3/(Ys1+Ys2)。

5 方法应用

以上方法和成果有2个层次的应用,岩性定性识别和根据矿物定量计算结果的岩性分类。岩性定性分析可以应用交会图版,在图版上直观进行分区识别。这项工作可以借助软件平台交互功能,直接读取当前深度地层元素含量,调取相应岩性识别图版,根据当前层位元素含量数值在识别图版上的分区位置直观识别。

定量应用以交会识别图版和矿物定量计算模型为基础开发相应的处理软件模块,连续处理得到井剖面矿物含量,解释人员根据不同矿物含量可明确界定地层岩性。图10为长庆油田榆××井处理成果图,图10中右起第2道为本文方法处理得到的矿物含量剖面,矿物含量与哈里伯顿公司的GEM处理结果基本一致,可有效进行岩性识别。

图10 榆××井地层元素测井岩性识别成果图

6 结 论

(1) 以大量的实验数据为基础,开展利用元素含量直接进行沉积岩矿物含量计算和岩性识别的方法研究,形成了沉积岩岩性分类、元素交会识别图版分区识别和分岩性进行多元素组合计算矿物含量的一套完整的技术。

(2) 研究采用的样本覆盖了中国各大油田地层,使得到的方法有较好的适应性;利用元素含量可较好地区分沉积岩岩性;砂岩、碳酸盐岩识别精度最高,黏土岩和杂岩区分精度相对较低;多元素组合进行岩性识别效果可得到进一步提高。

(3) 提高矿物含量模型计算精度,必须分沉积岩大类进行多元素组合建立矿物含量计算模型,需要优选相关性较高的元素。

(4) 岩心实验数据检验结果表明,根据元素含量计算得到矿物含量识别岩性有较高的符合率。

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