元素录井技术在渤中A区块潜山界面卡取中的应用

2021-04-20倪朋勃王建立

录井工程 2021年1期

关键词：潜山泥岩界面

余意倪朋勃王建立陈伟

(①中法渤海地质服务有限公司；②中海石油(中国)有限公司天津分公司)

0 引言

渤中A区块潜山上覆地层为沙一段的泥岩、灰质泥岩、砂岩，沙三段砂砾岩。潜山地层为古生界海相碳酸盐岩，岩性主要为白云岩、鲕粒灰岩；部分区域元古界、古生界地层缺失，潜山岩性为太古界的花岗岩。该区块识别潜山界面存在三大难点。

(1)由于沙一段存在灰质泥岩，潜山岩性为白云岩，依靠传统的滴盐酸观察气泡的方法很难第一时间确定古生界潜山界面。

(2)太古界花岗岩顶部发育有风化壳，潜山风化壳与上覆砂砾岩在矿物成分上高度相似，经PDC钻头破碎后更加难以区分。

(3)常规技术手段只能在钻开潜山后才能对潜山进行识别，缺乏进山预警的能力。

元素录井技术是基于X射线荧光分析的一项录井技术，已在渤海油田得到成功的应用[1-3]。在使用SPECTRO XEPOS Ⅲ型台式X射线荧光分析仪对渤中A区块已钻5口探井的岩屑样品进行分析后，发现K、Na、Fe等造岩元素以及Co、Cu、Ni等微量元素的含量在进山前后有明显的变化。结合元素地球化学原理，对上述几种元素的含量及变化趋势进行分析，总结出适用于该区块的“进山预警”方法与潜山界面识别方法。该区块元素特征的研究对渤海油田其他区块的元素录井特征研究也具有一定的参考价值。

1 区域地质概况

1.1 进山模式

通过对该区块地质资料进行分析表明，进山模式分为以下4种(图1)：(1)由沙一段泥岩进古生界白云岩潜山；(2)沙三段砂砾岩进入太古界花岗岩潜山；(3)沙三段砂岩进古生界白云岩潜山；(4)沙一段泥岩直接进入太古界花岗岩潜山。其中前两种进山模式在该区块探井中已经出现过。

1.2 渤中A区块地层及其岩性组合

地层自上而下分别为：新生界第四系，新近系明化镇组、馆陶组，古近系东营组、沙河街组，下古生界奥陶系马家沟组、亮甲山组、冶里组和寒武系凤山组、长山组、崮山组、张夏组、徐庄组、毛庄组、馒头组及府君山组，太古界地层。卡潜山涉及到的地层有古近系沙河街组沙一段、沙三段，中奥陶系马家沟组，下奥陶系亮甲山组、冶里组，上寒武系凤山组以及太古界(表1)。

表1 渤中A区块地层及岩性组合

2 不同进山模式的潜山界面识别方法

2.1 古生界白云岩潜山界面识别方法

沙一段灰质泥岩进古生界白云岩是渤中A区块最常见的两种进山模式之一。这种进山模式在矿物含量以及元素绝对值上呈现“递变”特征，沙一段灰质泥岩的存在使得Ca元素含量同样在曲线上呈现“递变”特征，是难以划分出潜山界面的原因。仅依靠碳酸盐测定以及Ca、Mg元素含量不能满足渤中A区块古生界潜山界面识别要求。

经过大量数据对比研究，得出了元素绝对含量与岩性之间的关系。将Si、Fe、Al三种元素作为碎屑岩的特征元素，Ca、Mg作为碳酸盐岩的特征元素。通过SPSS统计软件进行数据分析后发现它们之间存在线性关系：

Ca+Mg=33.98-0.843(Si+Al+Fe)

上述关系由4口井数据取平均得来，r2介于0.920～0.991之间(图2)。4口井的“元素-岩性散点图”显示：Ca+Mg含量17.285%～19.843%为临界值，超过这个范围就进入了古生界白云岩地层。在现场录井过程中，当Ca+Mg含量开始上升且百分含量接近17%时就要考虑进山的可能性。该方法不需要进行复杂的数据处理，适用于现场录井。

图2 渤中A区块碎屑岩-碳酸盐岩元素含量关系

2.2 太古界花岗岩潜山界面识别方法

根据已有的研究结果，潜山风化壳元素地球特征表现为不活动元素Al、Fe、Si的相对富集以及碱金属和碱土金属元素Ca、Na、K、Mg的流失[4-6]。沙三段砂砾岩与太古界花岗岩顶部的风化壳所含Si、K、Na元素与上覆沙三段砂砾岩呈递变关系，没有元素含量突变点可供确定潜山界面。沙三段砂砾岩进太古界花岗岩潜山是卡潜山的一大难点。

钾长石抗风化程度弱于钠长石，因此砂砾岩、风化壳以及花岗岩中钾长石、钠长石含量的比值存在显著差异[7-8]。在统计了BZA-3井沙河街组以及太古界样品后发现以下规律：

(1)沙一段泥岩K、Na元素含量之和小于3%并且K/Na值大于1。

(2)沙三段砂砾岩K、Na元素含量之和大于3%并且K/Na值小于1。

(3)太古界砂岩K、Na元素含量之和大于沙三段砂砾岩并且K/Na值大于1.13。

将K、Na之和以及K、Na比值绘制成图板可以发现，不同地层的岩屑样品测量结果落在不同的区域(图3)。因此在录井过程中，使用此图板可以快速区分出沙河街组砂砾岩和太古界潜山风化壳的砂岩。

图3 沙河街组与太古界元素图板

2.3 其他类型潜山界面识别方法

前文已经讨论过渤中A区块存在的两种进山模式，根据区域地质资料分析，渤中A区块还可能存在沙三段砂岩进入古生界白云岩潜山以及沙一段泥岩进入太古界花岗岩潜山的可能。这两种进山模式在元素录井上会存在元素突变的特征。

沙三段以砂砾岩为主，元素特征是高Si、低Ca、低Mg，古生界岩性为白云岩，元素特征为低Si、高Ca、高Mg。由沙三段进入古生界后Si元素会出现下降，同时Ca、Mg元素突然升高。沙一段岩性为灰质泥岩，太古界风化壳岩性为砂砾岩，太古界本体岩性为花岗岩。由沙一段进入太古界则会出现Si元素升高，Fe、Mg元素含量下降的情况。

3 微量元素含量在潜山界面卡取中的应用

3.1 划分潜山界面

通过对渤中A区块沙河街组砂岩、泥岩，古生界白云岩、鲕粒灰岩中微量元素平均含量的分析，发现以下规律(表2)：

(1)在沙河街组泥岩、砂岩中Co、Ni、Cu、Zn、Zr含量远高于古生界白云岩，其中：沙河街组Co元素平均值是潜山地层的2.24～7.42倍，沙河街组Ni元素是潜山地层的1.87～52.72倍，沙河街组Cu元素是潜山地层的2.83～45.92倍，沙河街组Zn元素是潜山地层的2.61～3.33倍，沙河街组Zr元素是潜山地层的3.70～16.52倍。

(2)受陆源碎屑影响，沙一段白云岩、灰岩中微量元素含量也比古生界白云岩、灰岩含量高，Cu、Zn等微量元素可以作为识别白云岩是来自古生界还是来自沙一段的依据，这一点在现场卡古生界潜山过程中会起到关键作用。

鉴于沙河街组Co、Ni、Cu、Zn、Zr等微量元素含量远高于古生界、太古界，可以尝试选取其中含量变化显著的微量元素作为划分潜山界面的依据。

3.2 进山预警

根据元素地球化学特征，可以将它们划分为以下几类[9]：易迁移元素、迁移元素、弱迁移元素、不迁移元素(表3)。

根据张朝生等[10]的研究,不同岩性的金属元素含量有着明显的区别，碎屑岩中金属微量元素含量要远远高于碳酸盐岩。可以将Co、Ni、Cu、Zn、Zr等元素作为碎屑岩与碳酸盐岩的区别标志。Co、Ni、Cu、Zn、Zr等元素的地球化学特征决定了含量变化会早于Si、Al、Fe等砂泥岩造岩元素。研究易迁移元素与迁移元素变化趋势可以更早发现进山征兆，实现“进山预警”。在潜山顶部地层发育的“微量元素富集带”也可以作为一个标志层指导现场卡潜山工作。

表2 渤中A区块沙河街组与古生界微量元素含量 10-6

表3 元素迁移能力

4 渤中A区块潜山界面预警分析

4.1 古生界潜山界面识别特征及“进山预警元素”

BZA-1井是渤中A区块的一口探井，由沙一段灰质泥岩进入古生界白云岩，是典型的第一种进山模式。该区块沙一段岩性为灰质泥岩，方解石、白云石含量在进山前渐变式增加，很难找到潜山界面。Ca、Mg元素含量曲线和碳酸盐含量曲线在趋势上是一致的，同样很难找到潜山界面。Si、Fe、Al三种元素在方解石及白云石中不存在，进入潜山后出现“断崖式”下跌，可以作为划分潜山标志层的特征元素。以BZA-1井为例，测井曲线显示井深2 976 m进入潜山，Ca、Mg元素含量以及方解石、白云石含量曲线自井深2 960 m以后呈“台阶状、渐变式”增加，含量逐渐上升难以作为进入潜山的标志。Si、Fe、Al三种元素在井深2 935 m进入沙一段后一直比较平稳，在井深2 975 m时出现“断崖式”下跌，可以作为进潜山标志元素(图4)。

Co、Ni、Cu、Zn、Zr元素在进入潜山之前在2 945～2 960 m井段出现最高值并相继出现下降趋势，微量元素含量变化比Ca、Mg元素变化提前了5～15 m，比Si、Fe、Al元素变化提前了15～25 m(为现场工作人员争取了10～30 min的决策时间)。这表明Co、Ni、Cu、Zn、Zr元素在进山预警上更具优势。

图4 BZA-1井元素录井图

4.2 太古界潜山界面识别特征及“进山预警元素”

花岗岩潜山往往都存在风化壳，风化壳和上覆砂砾岩矿物组成一致，在元素含量变化上呈递变关系，难以准确识别太古界潜山界面。根据前文的研究结论引入K/Na这个参数来辅助判断。BZA-3井沙三段砂砾岩K/Na值为0.843～1.019，太古界花岗岩K/Na值为1.099～1.699，可以将K/Na值的升高作为渤中A构造进山识别特征。以BZA-3井为例(图5)，从单个元素含量变化很难确定出地层界面。从沙三段进入太古界，K/Na处于上升趋势，将K/Na大于1.13作为判断进山标准可以发现潜山界面位于3 075～3 080 m井段之间，该结论与电测曲线划分出的潜山界面是一致的。