XRF与XRD技术在膏盐岩层地质卡层及沉积环境分析中的应用研究

卿元华 薛晓军 王 晨 李秀彬 马树明 苑传江

(①成都理工大学能源学院；②中国石油西部钻探克拉玛依录井工程公司；③中国石油塔里木油田分公司勘探事业部)

0 引 言

基于X射线荧光元素分析技术(XRF)和X射线衍射分析技术(XRD)在录井领域10余年的应用，形成了系统的岩性识别[1]、沉积环境研究[2]、地层划分和对比[3]以及页岩储集层评价[4]方法。朱根庆等(2008)[5]，王晓阳(2014)[6]，杜雨佳(2017)[7]基于XRF元素分析技术提供的地质信息，提出了针对岩性解释的曲线法、图板法等，针对沉积环境分析的指数法、比值法等，以及针对页岩储集层评价的回归分析法等。方锡贤(2016)[8]的研究拓展了XRD分析技术的应用领域，包括识别渗透层与非渗透层、初步评估储集层流体性质以及对储集层压裂改造进行前期评估。在实际应用中，需将XRF、XRD分析技术与其他技术(如岩屑录井、显微薄片)相结合[9]，才能获得准确的结果。

近几年XRF分析技术以及近期引入的XRD分析技术在塔里木盆地库车坳陷复杂膏盐岩层多口井卡层中得到运用，但缺乏对膏盐岩层矿物与元素组成变化规律的系统总结，有关膏盐岩层卡层公开发表的文献极少。本次研究以该地区K 1A02井古近系膏盐岩地层卡层为例，探讨适合膏盐岩层岩性识别和沉积环境判别的特征元素、矿物指标，总结盐间和盐下元素、矿物组成变化规律，为准确卡取盐底提供依据。

1 地质背景

在塔里木盆地库车坳陷古近系库姆格列木群(E1-2km)沉积期，气候炎热干燥，普遍发育膏盐岩[10]。KS 1A地区古近系库姆格列木群自下而上可划分为4段，分别是下泥岩段(E1-2km4)、白云岩段(E1-2km3)、膏盐岩段(E1-2km2)、上泥岩段(E1-2km1)。钻达目的层(K1bs)之前，需下入技术套管封固膏盐岩层，准确卡取膏盐岩层底界(简称盐底)是确保顺利封固膏盐岩层的关键。

与膏盐岩地层相关的泥岩大致可分为两类：一是软泥岩，分布于盐间(盐底至膏盐岩段顶界)，包括纯泥岩、含膏(或膏质)泥岩、含盐(或盐质)泥岩，岩屑为团块状，不具钻头切削面，钻时较低；二是硬泥岩，分布于盐上(上泥岩段)、盐下(盐底至下泥岩段底界)，包括纯泥岩、含膏(或膏质)泥岩和粉砂质泥岩，岩屑为片状，具明显的钻头切削面，钻时明显大于软泥岩钻时。盐层钻完的主要地质录井标志包括：钻遇一定厚度的盐下高钻时硬泥岩；井漏；出现气测显示或大段的砂层。正常情况下，膏盐岩地层卡层的重点在于区分盐间泥岩和盐下泥岩。库车坳陷古近系库姆格列木群盐底一般对应膏盐岩段底界，即钻遇白云岩表明下部地层无盐岩发育，但是，有相当数量的钻井，白云岩段之下的下泥岩段顶部发育少量盐岩。因此，应结合岩性、钻时、元素和矿物变化等参数综合判断是否钻穿膏盐岩地层。

盐底卡层重要性在于：采用钻盐层的钻井液密度钻开盐下地层极易发生井漏；膏盐岩段若不封固完，会给后续钻井带来困难。膏盐岩层卡层难点主要在于：构造挤压使盐层厚度、岩性横向变化大，盐下地层没有固定的岩性组合模式，井间对比性差，难以准确预测地质层位。

2 膏盐岩层卡层方法

为卡准盐底，K 1A02井元素分析采用CIT-3000SY型XRF元素分析仪(分析范围：Na-U，分析精度0.1%)。全岩矿物检测采用YST-1型XRD便携式分析仪，测量范围(2θ)为5°～55°，分析精度(2θ)为0.02°。根据膏盐岩地层录井的需要，检测11种常量元素(Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti、Mn、S、Cl)和13种微量元素(P、V、Cr、Cu、Zn、As、Se、Sr、Co、Ni、Y、Zr、Nb)；检测10种矿物(方解石、石英、斜长石、蒙脱石、硬石膏、石盐、伊利石、方沸石、磁铁矿、白云石)。第三次开钻钻进井段(2 695.00～4 662.05 m)，下入封固膏盐岩层套管(下深4 650.95 m)。井段4 200～4 800 m采用相对密度为1.86～2.31的油基钻井液，确保了对易溶矿物——石盐的准确检测。膏盐岩地层中石膏与石盐共生，为便于现场应用，主要根据XRD分析成果简化其定名，同时考虑XRD取样误差(主要是样品用量小于2 g以及真假岩屑的混杂)，因此结合岩屑录井和测井资料对岩性进行综合解释和定名。充分利用XRF分析技术获得的元素含量和XRD分析技术测定的矿物参数反映的地球化学本质(沉积环境、氧化还原条件、水体深度等)，可以对地层的划分和层位的卡取提供更丰富、更有说服力的依据。

3 XRD全岩矿物分析

K 1A02井在XRD全岩矿物分析中，井段4 568～4 572 m白云石含量急剧增加，对应白云岩段(录井井段4 566～4 572 m)；井段4 596.00～4 662.05 m石英、斜长石、方解石含量明显上升，石膏、石盐含量明显下降，上下地层中这5种矿物含量的整体变化趋势明显(图1)，结合岩屑录井，可以确定盐底界线为4 596 m。

与盐间泥岩相比，盐下泥岩具有更高的石英、斜长石、白云石、黏土矿物含量，更低的方解石、石膏、石盐含量；盐间与盐下泥岩同类岩性矿物组成也显示相同的变化规律(表1)。从盐下泥岩到盐间泥岩，上述矿物组成特征变化表明：(1)陆源碎屑(主要是石英、斜长石)供给减少，内源物质(主要是石膏、石盐)供给增加；(2)溶解度较小的白云石含量减少，方解石、石膏、石盐等溶解度相对较大的矿物则相应增加。这与盐湖蒸发盐沉积顺序一致[11]，尤其是盐下泥岩，随深度增加，方解石增加而白云石显著减少(图1)，且方解石与白云石含量呈显著负相关(相关系数为-0.91，图2a)，说明从盐下到盐间，沉积水体不断蒸发浓缩、盐度逐渐上升。

盐间泥岩与盐下泥岩矿物组成具有一些相似的变化规律：

(1)石膏与陆源碎屑含量呈显著负相关(图2b、图2c)，说明随湖泊的逐渐咸化，陆源物质与内源物质供给此消彼长。

(2)石盐与陆源碎屑含量不具相关性。

(3)石盐与石膏含量具弱负相关关系，这与盐湖中石膏先于石盐析出的蒸发盐结晶顺序有关[11]。

(4)黏土矿物与陆源碎屑含量相关性差，说明黏土矿物包括沉积水体新生成和陆源风化产物两种来源。但是，盐间泥岩石英与斜长石含量呈中等正相关，相关系数为0.51(图2d)，盐下泥岩中二者不具相关性，说明在盐湖发育阶段中-后期(相当于盐间泥岩沉积期)，陆源物质主要是近源供给，且物源较单一；而盐湖发育阶段早期(相当于盐下泥岩沉积期)，陆源物质供给复杂。

图1 K 1A02井XRD全岩矿物分析剖面图(井段4 200～4 666 m)

表1 XRD全岩矿物分析数据

图2 盐间与盐下泥岩不同矿物相关关系图

4 XRF元素分析

4.1 元素整体变化特征

K 1A02井XRF元素分析表明，相较于井段4 522～4 596 m，井段4 596.00～4 662.05 m常量元素K、Si、Fe、Mn，微量元素Ti、Ni、Zn、Co、Cr、Nb、V含量以及Al/Mg比值明显增加，常量元素Na、Mg、Cl、S、Ca，微量元素P、Zr、Sr含量，以及Sr/Cu、Cu/Zn、V/Ni比值明显降低(表2、图3)。因此，确定盐底界线为4 596 m，与XRD录井划分的盐底界线一致。

根据元素含量及其变化的显著性，选择8种常量元素(Na，Si，S，Cl，K，Ca，Mn，Fe)和8种微量元素(P，V，Cr，Zn，Sr，Co，Ni，Zr)重点分析。盐间泥岩与盐下泥岩(或同类泥岩)具有相似的常量元素、微量元素配分模式(图4)，主要区别在于盐间泥岩具有明显更高的Na、Cl含量，盐下泥岩具有更高的微量元素含量，说明盐下泥岩受陆源物质的影响更大。盐湖泥岩(盐间泥岩+盐下泥岩)与平均泥岩具有大致相似的常量元素、微量元素配分模式(图4)，但是与平均泥岩相比，盐湖泥岩具有更低的K、Fe含量，更高的Ca、Na、Cl、V含量，其余微量元素含量更低，表明盐湖泥岩受陆源供给的影响更少，湖盆内蒸发盐(主要是石盐、石膏)是盐湖泥岩的重要组分。

4.2 沉积环境识别

4.2.1 沉积水体古盐度

K、Na、Cl、Mg、Ca、Sr等元素绝对含量以及元素Sr/Ca、Mg/Ca、K/Na等比值可作为判断盐度的标志[12-13]。盐间与盐下泥岩K/Na比值的平均值分别为1.42、2.97，高于盐湖或海相沉积K/Na下限值1。盐间与盐下泥岩V/Ni比值的平均值均大于盐湖或海相沉积V/Ni比值下限值1，盐间泥岩平均V/Ni比值18.26，明显大于盐下泥岩V/Ni比值10.54。盐间与盐下泥岩Cl平均含量分别为1.16%、6.02%(表2)，明显高于平均泥岩的0.018%；73%的盐间泥岩的Cl含量大于海相泥岩的平均Cl含量2.1%(图5)[14]。盐间与盐下泥岩Sr平均含量分别为0.025 8%、0.030 5%，高于海相泥岩Sr含量的下限值0.016%(表2、图5)。盐间与盐下泥岩S含量均大于淡水泥岩平均S含量0.15%(图5)[14]，其中，盐间泥岩S含量介于0.304%～1.966%(平均1.281%)，55%样品的S含量高于海相泥岩S平均的含量0.92%；盐下泥岩S含量介于0.421%～1.966%(平均0.848%)，67%样品的S含量介于陆相泥岩和海相泥岩平均S含量之间。说明研究区古近系盐湖盐间泥岩主要沉积于咸水-超咸水(盐度大于正常海水盐度3.5%)水体中，盐下泥岩主要沉积于半咸水-咸水环境。

表2 XRF元素平均含量分析数据 %

岩性NaSiSClKCaMnFePVCrZnSrCoNiZr盐间泥质盐岩3.435.251.4617.6100.457.340.051.460.005 40.020 10.002 40.002 70.019 80.000 20.000 90.005 4盐间盐质泥岩1.857.851.0710.0500.739.790.062.240.005 20.022 90.003 10.005 40.018 30.000 40.001 20.006 1盐间含盐泥岩0.848.620.887.3100.8210.650.072.430.005 10.024 70.003 80.006 60.020 50.000 50.001 40.006 5盐间泥膏岩0.833.584.062.6800.6117.330.061.510.02300.02760.003 70.003 90.351 10.000 30.001 90.013 9盐间灰质泥岩0.447.720.561.3601.5216.720.092.480.006 40.029 40.004 40.004 30.026 20.000 50.002 00.006 2盐间泥质云岩0.710.861.724.8500.0622.640.050.350.009 50.02580.002 80.001 30.434 40.000 10.000 70.015 9盐间膏质泥岩1.016.622.304.9300.8513.740.072.220.008 70.02640.003 90.004 80.031 30.000 40.001 40.006 2盐间含膏泥岩0.508.140.952.1501.4711.770.082.830.005 50.02710.005 40.009 20.037 30.000 70.002 70.007 9盐间纯泥岩0.419.100.501.0101.8110.200.093.250.004 40.025 70.007 20.01090.028 30.000 90.005 40.007 8盐下泥膏岩0.524.304.130.8400.4218.340.051.710.021 30.017 30.002 70.003 70.348 80.000 20.001 20.012 1盐下膏质泥岩0.4410.431.680.5400.8912.380.082.570.006 50.019 40.005 40.008 70.037 00.000 60.001 40.019 0盐下含膏泥岩0.449.360.761.3001.3910.290.102.990.004 70.031 30.006 80.01020.029 10.000 70.003 80.010 4盐下纯泥岩0.429.490.721.1001.5911.050.093.000.004 80.024 20.006 20.009 80.030 30.000 70.003 60.008 2盐下泥岩0.449.510.851.1601.3810.740.102.950.005 00.028 30.006 50.009 90.030 50.000 70.003 40.010 7盐间泥岩1.127.761.286.0201.0111.650.072.440.006 10.025 30.004 20.006 30.025 80.000 50.001 90.006 5平均泥岩0.967.300.240.0182.602.200.0854.720.070 00.013 00.009 00.009 50.0300.001 90.006 80.016

注：“平均泥岩”数据引自Turekian和Wedepohl(1961)[12]，下同

图3 K 1A02井XRF元素分析剖面图

盐间、盐下岩性从纯泥岩→含膏泥岩→膏质泥岩→泥膏岩(即随沉积水体盐度增加)，常量元素Cl、Ca、S和微量元素P、Sr含量递增(图6)；但是，盐间Cl含量在膏质泥岩处达到最大值，至泥膏岩时反而下降，原因是石膏沉淀需要的沉积水体盐度15%小于石盐沉淀的盐度26%[11]，从而先于石盐沉淀。

图4 盐间与盐下泥岩常量元素与微量元素配分模式

4.2.2 古气候

气候潮湿时，Al、Fe、V、Ni、Co等元素含量较高；气候干旱时，Na、Mg、Ca、Sr等元素含量相对增大，这些元素含量及其比值可以指示古气候变化[13,15]。利用Sr含量y(μg/g)与沉积温度T(℃)的关系建立的计算古温度的经验公式[15](T=(2578-y)/80.8)，计算出盐间泥岩、盐下泥岩沉积古温度区间范围分别为25.6～30.4℃、24.4～29.5℃，平均值分别为28.8℃、28.1℃，属于亚热带-热带气候。P元素对古气候变化也较敏感，气候炎热干旱的高盐度环境P含量较高[15]。盐间泥岩平均P含量为0.006 1%，明显高于盐下泥岩的0.005 0%。因此，盐间泥岩沉积时期的温度、盐度高于盐下泥岩沉积温度、盐度。

图6 盐间与盐下同类泥岩盐度敏感元素组成分布

研究认为，Sr/Cu比值介于1～10时指示温湿气候，Sr/Cu比值大于10时指示干热气候。81%的盐间泥岩和83%的盐下泥岩样品Sr/Cu比值大于10，且盐间泥岩平均Sr/Cu比值明显更高(图7)。温湿气候下沉积物中Mg/Sr比值较高，而干热气候下该值则较低，Mg/Sr比值随温度升高而升高。盐间泥岩平均Mg/Sr比值为14.95，明显高于盐下泥岩相应比值10.75(图7)，表明盐间泥岩沉积期气候干热。Al/Mg比值也常用作气候指标，值越小表示气候越干旱，盐间泥岩Al/Mg平均比值为0.81，低于盐下泥岩相应比值0.91(图7)。因此，研究区古近系盐湖泥岩沉积期气候炎热干燥，由盐下到盐间泥岩古气候干热程度增加。

图7 反映古气候的平均元素比值分布

4.2.3 沉积环境氧化-还原状态

U、V、Cr、Ni、Co等微量元素富集的程度都受到氧化还原条件的控制[13]，较可靠的氧化-还原判别指标有Ni/Co、V/Cr、Cu/Zn等[16-18]。

图8 反映氧化-还原条件的平均元素比值分布

V/Cr 比值小于2 指示富氧环境，大于4.25 指示低氧-缺氧环境。盐下泥岩V/Cr比值介于2.55～7.12(平均4.44)，53%的样品V/Cr比值介于2.00～4.25之间；盐间泥岩V/Cr比值介于2.00～18.77(平均6.83，图8)，85%的样品V/Cr比值大于4.25，表明盐下泥岩、盐间泥岩沉积环境还原性较强，主要分别沉积于氧化-还原过渡环境、还原环境。Cu/Zn 比值小于0.21指示还原环境，大于0.63指示氧化环境。盐下泥岩Cu/Zn比值介于0.12～0.90(平均0.24)，63%的样品Cu/Zn比值小于0.21，其余37%的样品Cu/Zn比值介于0.21～0.63之间；盐间泥岩Cu/Zn比值介于0.06～3.60(平均0.40，图8)，40%的样品Cu/Zn比值小于0.21，47%的样品Cu/Zn比值介于0.21～0.63之间，表明盐下泥岩、盐间泥岩沉积环境还原性较强，但均有较大部分(约40%)沉积于氧化-还原过渡环境。Ni/Co比值小于5 指示富氧环境，大于7 指示低氧-缺氧环境。盐下泥岩Ni/Co比值介于1.54～10.87(平均4.84)，63%的样品Ni/Co比值小于5；盐间泥岩Ni/Co比值介于1.13～10.85(平均3.85，图8)，86%的样品Ni/Co比值小于5，表明盐下泥岩、盐间泥岩主要沉积于氧化环境，但有近40%盐下泥岩、14%的盐间泥岩样品沉积于弱氧化-氧化环境。盐间泥岩V/Ni平均比值18.26，明显大于盐下泥岩V/Ni平均比值10.54，表明盐下泥岩氧化程度高于盐间泥岩的氧化程度。结合盐下和盐上泥岩的沉积环境，上述氧化-还原判别指标中V/Cr、Cu/Zn吻合度较高。因此，综合分析认为，盐湖泥岩沉积环境还原性较强，主要沉积于氧化-还原过渡环境，且盐下泥岩氧化程度高于盐间泥岩的氧化程度。

5 结 论

综合运用XRD与XRF分析技术、岩屑录井技术，可以准确判断盐底界线。盐下泥岩比盐间泥岩具有更高的石英、斜长石含量，更低的方解石、石膏、石盐等蒸发矿物含量；盐间泥岩与盐下泥岩具有相似的常量、微量元素配分模式，主要区别在于盐间泥岩具有更高的Na、Cl、V含量，盐下泥岩中微量元素含量更高。盐间泥岩主要沉积于咸水-超咸水水体、氧化-还原过渡环境，由盐下到盐间泥岩干热程度增加、氧化强度降低。

利用XRD分析技术进行膏盐岩地层岩性定名更准确有效，利用XRF分析技术可获得更多的沉积环境信息。对XRD获得的矿物成分和XRF获得的元素组成进行沉积地球化学解释，可为膏盐岩层地质卡层提供理论和实践方法支持；综合运用岩屑录井、XRD与XRF分析技术，可为准确卡取盐底提供依据。