渤海油田潜山界面元素组合识别模式及判别方法

张建斌 谭忠健 李鸿儒 郭明宇 苑仁国 陈 伟 陈铭帅

(①中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司；②中海石油(中国)有限公司天津分公司；③中法渤海地质服务有限公司)

0 引 言

在渤海油田现场钻井施工过程中，及时准确地识别地层界面有助于现场地层对比，预测地层岩性，判断钻遇的层位，特别是对古潜山界面的准确识别意义重大，是确保钻井安全、提高油气勘探效率的重要保障。X射线荧光(XRF)元素录井岩屑的检测结果对生产现场鉴定岩性，特别是潜山界面卡取、潜山内幕特殊岩性的识别有很大帮助作用[1-2]。

X射线荧光元素录井技术(简称元素录井技术)是近年来兴起的一项新技术，通过化学分析的手段确定样品中元素的含量[3]，进行元素分析时，需要的样品质量少(单个样品需要的最低质量为8 g)，分析周期短(单个样品分析周期低于3 min)，分析精度高，对样品形状没有要求。因此，该项技术能够有效地解决目前细小(粉末)岩屑的录井难题[4]。

1 潜山类型划分

“潜山”一词最早指潜伏的基岩古地貌山，指被覆盖、潜伏、埋藏于现今盆地充填地层之下，在盆地沉积前已形成的基岩古地貌山丘。目前所使用的古潜山概念为广义的古潜山，泛指一切潜伏的基岩突起，包括古地貌山(先成)、同成和后成潜山[5]。

潜山分类方案很多，划分标准主要包括：埋藏时代发育位置、构造特征及成因、潜山顶面形态特征、上覆地层层位特征及潜山地层地质年代等。赵贤正等[6]将潜山按照勘探难易程度划分为显性潜山和隐蔽性潜山；按照成因差异划分为地貌山、构造山和构造-地貌山；按照潜山形成时期和成因特点划分为先成潜山、同生潜山和后成潜山。郭良川等[7]按成因将潜山分为侵蚀、断块、褶皱和隆起四大类。李丕龙等[8-9]据成因及结构把潜山分为内幕单斜块断山、内幕单斜断块山和内幕单斜滑脱山等8种潜山类型。侯方辉等[5]按照成因及形态把潜山分为剥蚀残丘型潜山、拉张翘倾断块型潜山、拉张断阶型潜山、拉张断垒型潜山、挤压褶皱型潜山、拱张褶皱型潜山和褶皱-断块复合型潜山。徐长贵等[10]则在前人多种潜山划分方案基础上，综合考虑内外地质作用、动力成因以及地层结构分类与成因分类相结合，将渤海海域潜山进一步细分出侵蚀残丘型、拉张断垒型、拉张断块-断阶型、反转斜坡型等30种不同的潜山类型。

综上所述，关于潜山类型的分类方案较多，本文以研究潜山界面上下元素组合变化特征为主，主要按照潜山披覆组合类型进行分类。渤海油田潜山界面类型较为复杂[11]，潜山结构由上到下为上覆地层、风化壳、潜山主体，结构样式主要分为无风化壳和有风化壳两种，因此有多种潜山披覆组合类型。为了研究需要，选定6个区块进行研究，通过选定区块180多口潜山探井的潜山界面统计分析，主要有17种潜山披覆界面类型(表1)。

表1 渤海油田潜山披覆界面类型

2 潜山界面元素组合识别模式及判别方法

2.1 潜山界面元素组合识别流程

元素录井技术是采用X射线荧光光谱分析仪器，对样品(细碎的岩屑、井壁心及岩心样品)中的Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、V、Ni、Sr及Zr共17种元素进行检测分析，依据元素构成矿物、矿物组成岩石、岩石组合成地层的关系，给出相应岩性解释，进而判断地层界面的一项录井技术[12]。

由于不同组段时期形成的地层、沉积环境的不同，其沉积物源与沉积背景也表现不同，其地层元素含量也存在明显差异变化。因此，通过元素分析可反推出岩石的种类，判断地层界面。

通过对元素录井在渤海油田的实际应用分析，总结出识别潜山界面的流程分析图(图1)。

2.2 潜山界面元素组合判别方法

本文通过研究区大量X射线荧光录井数据，从正演的角度，先从已知潜山界面岩性组合特征与元素录井数据对应结果，总结不同岩性组合特征所揭示的不同元素特征，建立识别岩性组合特征的标准，然后反过来，利用所建立的识别标准，归纳总结出潜山界面元素组合判别基本方法有曲线异常组合法、岩性组合法、特征元素法3种。

2.2.1 曲线异常组合法

在不同时代地层分界面处，一般组合元素背景值在该界面处会出现明显的突变，且具有整体突变的特征。以旅大区块X 36-1井为例，东三段地层直接披覆在古生界地层之上，在元素录井曲线组合上出现了明显的突变，Ca、P元素整体台阶式上升，Si、Fe、Al、Na、Ti、Mn、K、Cl、Ba、V、Ni和Zr元素组合整体台阶式下降，表明由东三段地层进入了古生界潜山(图2)。

图1 元素录井技术判断潜山界面流程

图2 曲线异常组合法识别潜山界面 (东三段进古生界潜山类)

2.2.2 岩性组合法

不同时代沉积的环境不同，其沉积物源与沉积背景表现也不同，由此岩性组合也会发生明显的变化，进而导致其元素含量组合相应存在明显的差异，尤其在岩性组合转换界面处，特征尤为明显。以蓬莱区块X 9-2井为例，馆陶组地层直接披覆在元古界地层之上，由浅水三角洲沉积环境的砂泥岩(含砾)进入酸性侵入的花岗岩，元素含量组合存在明显的变化，Ca元素突变式锯齿上升，Sr元素整体台阶式上升，Fe、Mg、Cl、Ba、V元素整体台阶式下降(图3)。

2.2.3 特征元素法

一般在关键地层界面处，由于界面上下所处年代不同，具有不同的沉积背景条件，不同沉积环境，物源不同，水介质中离子成分必然存在差异，尤其某一特征优势元素，界面上下富集程度必然不同。因此，利用某一特征元素在地层界面处上下的差异及敏感性，即可判断钻遇层位的所属年代，从而可以依据某种特征元素界定地层界面，元素曲线在地层界线处都具有较明显的变化。以蓬莱区块X 20-1井为例，东营组地层直接披覆在元古界潜山之上，元古界潜山为厚层灰岩，Ca元素在灰岩中含量高，作为灰岩的特征元素呈现台阶式上升趋势(图4)。

2.3 潜山界面元素组合识别模式

本文通过研究区潜山界面元素组合效应特征进行研究，利用曲线异常组合法、岩性组合法及特征元素法等多种方法，针对研究区17种潜山披覆界面类型归纳出17种潜山界面元素组合识别模式。不同区块不同年代地层中具有不同的元素组合模式，这与不同区块所处古地理环境有关，不同的沉积位置，物源供给条件不同，甚至水体中饱含矿物成分都会有所差异，因此必然具有不同的元素组合模式及其变化特征，具体特征参见表2所示。

图3 岩性组合法识别潜山界面 (馆陶组进元古界潜山类)

图4 特征元素法识别潜山界面 (东营组进元古界潜山类)

表2 渤海油田潜山界面识别及组合元素特征

3 应用及效果分析

2017年至2019年渤中、曹妃甸和旅大区块(锦州、蓬莱、秦皇岛区块近几年潜山井较少，暂无应用元素录井技术井)潜山井元素识别结果检验表明，平均误差率为0.21%(表3)。实际验证表明，该技术符合率高，能作为常规卡地层界面方法的补充，为安全、快速钻井提供了重要技术支撑。以渤中区块X 13-4井为例(图5)，沙河街组地层直接披覆在太古界地层之上，岩性组合发生明显变化，由沙河街组厚层泥岩夹薄层砂岩变为顶部砂砾岩，主体为花岗片麻岩的太古界潜山岩性组合，在元素录井曲线组合上出现了明显的突变，Zr、Si元素整体上升，K、Na 元素锯齿状突变增加，Ca、Mg、Mn元素急剧减小，P、S、Cl、Ba、V、Ti、Fe、Sr元素阶梯状整体下降，与渤中区块沙二段披覆太古界模式特征一致。依据潜山界面元素组合识别技术，井场录井潜山界面深度为4 352 m，实钻完井潜山界面深度4 348 m，误差率仅为0.09%，应用效果明显好。

表3 潜山界面元素组合识别技术应用效果

图5 X 13-4井元素录井综合图

4 结束语

元素组合识别潜山界面技术在渤海油田典型区块的研究应用表明，该技术划分地质界面的流程及方法在潜山界面卡取方面具有独特的优势，根据特征元素纵向上的变化规律，有助于准确落实地层界面深度。检验结果表明，平均误差率为0.21%，能作为常规卡取地层界面方法的补充，为安全、快速钻井提供了重要技术支撑。

对渤海油田6个区块(渤中、锦州、曹妃甸、旅大、秦皇岛和蓬莱)元素录井特征剖面以及岩性识别进行了初步研究，归纳出17种潜山披覆界面类型，利用曲线异常组合法、岩性组合法及特征元素法等多种方法，针对性地形成17种潜山界面元素组合识别模式。

元素录井识别岩性技术受到样品代表性等因素影响存在一定的局限性，而且渤海油田潜山种类繁多，潜山界面识别复杂，渤海油田潜山界面元素组合识别技术还需不断研究完善。