基于XRF的综合解释技术研究

◇长江大学地球科学学院 张 佳 张 哲 冯 伟

为更加便捷地进行元素录井工作，降低技术难度，研究了不同种类岩石的元素组成特征，通过XRF得到岩样元素组成分布数据，以元素交汇图、比值关系图等进行岩类详细划分，结合岩石学与地球化学的岩性解释方法，绘制出岩性分析图版。同时结合指数分析法、古盐度特征、古氧相特征、古水深特征完成了沉积环境分析。XRF技术主要通过化学分析测定样本中各元素含量，并根据这些数据对储层进行岩性识别、沉积相分析以及岩石脆性评价。最后结合脆性公式对岩石作出较全面的岩性解释分析。

1 前言

近年来，随着测井技术、钻井工艺及定向钻井的飞速发展，录井领域不断推广和应用各种新技术和新工艺。特别是特殊钻井服务的条件下有关岩性识别、界面卡取、特殊地层以及孔隙、溶洞和裂缝的发育层段的超前预测等，一直是现场钻井技术面临的实际困难，钻井现场的综合测井面对了严峻的考验。

元素录井技术在一定程度上解决了细小岩屑以及特殊岩性随钻识别的难题，根据元素含量的差异可形成多类不同的岩性区分图版，为钻井现场的岩性识别和解释提供了更多的依据。

2 岩性判别

2.1 岩浆岩与沉积岩的判别

火成岩的主要化学成分为Na2O、K2O、CaO、MgO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、TiO2和H2O。地球表层或近地表沉积岩主要包括砂岩、泥岩和碳酸盐三大类，其化学成分因主要沉积物中的造岩矿物含量差异而不同。可用Fe、Mg、Na、K四种元素的含量来区分这两种岩石，如图1所示。

图1 火成岩和沉积岩的区分图版

2.2 碳酸盐岩和砂泥岩的判别

砂泥岩的化学成分主要取决于碎屑组分及其含量和胶结物的成分。其中，SiO2的含量较高，而Al2O3的含量则大量减少。泥岩的化学成分主要以SiO2、Al2O3、H2O为主，其次为Na、K、Ca、Mg、Fe的对应氧化物及一些微量元素。可利用Si、Mg、Ca三种元素的含量差别制作图版来区分这两类岩石，如图2所示。

图2 碳酸盐岩和砂泥岩的区分图版

2.3 综合对比判别

由于火成岩、碳酸盐岩、砂泥岩三大类岩石主要化学成分有重合的部分，而这些相同元素在不同岩石中的含量不同。因此利用相同元素的含量差别来区分这三类岩石。下方是两个Si-Ti交汇图模板，也可用其来识别岩浆岩、碳酸盐岩、砂泥岩三大类岩石。图中大致可以以Si和Ti的相对含量的差别将图版分为三大部分。图版的左下角，Si、Ti的相对含量均较低，岩性以碳酸盐岩为主。图版的中部，岩性以岩浆岩为主：当Si的相对含量在19%～25%时，当Ti的相对含量小于0.6%时，岩性为超基性岩，若Ti的相对含量大于0.6%，则其岩性为基性岩；若Si的相对含量在25%～30%，Ti的相对含量在0.4%～0.8%，则岩性为中性岩。图右下角Si相对含量较高，Ti相对含量较低，岩性主要为砂泥岩。而中性岩浆岩与泥页岩的Si、Ti百分含量较接近，需进一步的区分。

图3 Si-Ti交汇图模板

图4 Si-Ti交汇图模板

2.4 以元素交汇图、比值关系图等进行岩类的详细划分

（1）火山岩岩性划分。用岩浆岩中SiO2的质量分数ω1进行酸性划分，将其分为四类：当ω1＜45%时，称为超基性岩；当ω1在45%～52%时，称为基性岩；当ω1在52%～63%时，称为中性岩；当ω1＞63%时，称为酸性岩。然后，根据岩浆岩中Na2O和K2O总的质量分数ω2进行碱性划分。首先分别计算出火成岩中SiO2的质量分数ω1以及Na2O和K2O总的质量分数ω2，再将结果投影到如下图所示TAS图版中，图5将火山岩细分为15种类型。

图5 TAS火山岩区分图版

（2）碳酸盐岩岩性划分。如图6所示，图版用的是Ca、Mg以及Si三种元素的百分含量来区分不同类型的碳酸盐岩，对其进行进一步的分类和命名。当Si的百分含量在14%以下，该图版按Ca以及Mg的含量将碳酸盐岩分为灰岩以及云岩两大类，每类岩石分为5种不同的类型，一共将碳酸盐岩分为10类：灰岩，含云灰岩、云质灰岩、含泥灰岩、泥灰岩以及云岩、含灰云岩、灰质云岩、含泥云岩、泥云岩。该图版上部，当Si的百分含量大于14%时，岩石为泥岩，再根据Ca和Mg的含量区分泥岩类型为灰质还是云质等。

图6 碳酸盐岩三角解释图版

（3）砂泥岩岩性划分。对于砂泥岩的识别，一般情况下泥质含量可用Al元素和Fe元素的含量表示，砂质含量可用Si的含量表示[6]。在此使用各类元素交汇图判别出砂泥岩大类后，进一步使用Si、Al、Fe三种元素的百分含量区分砂岩和泥岩。如图7所示，该图版横坐标为Si的百分含量，纵坐标为Al+Fe的总百分含量，将图版分为两个部分，左上角为泥岩，右下角为砂岩。

图7 砂岩和泥岩的区分图版

2.5 以各类岩性含量比例关系进行沉积岩岩性综合定名

（1）根据特征元素的含量来解释物质含量。

（2）各类岩性的含量比例关系可以用规定的岩性混合模型来确定。

（3）按岩性命名规则综合岩性命名。

3 沉积相分析

基于元素录井的沉积相分析着眼于用指数分析法研究气候条件以及古盐度、古氧相、古水深的特征研究。

3.1 指数分析法

这里介绍四种指数分析法用以判断沉积环境，主要是用来研究气候条件，判断沉积环境的湿润程度。

（1）气候指数“C”值。对于沉积岩，如果气候相对湿润，岩石中的Fe、Mn、V、Co、Ni、Cr等元素相对丰富。如果气候条件相对干燥，大量的K、Na、Ca、Mg、Ba、Sr等元素沉淀在底部，沉积形成各种盐类，所以这些元素的含量相对丰富。这两种元素的总含量之比用气候指数的“C”值表示。计算公式如下：

（2）Sr、Cu比值。古气候的变化也可用Sr/Cu的数值来简单判断。研究表明，当比值在1～10之间时，沉积环境为温暖湿润气候；如果比值大于10，说明沉积环境逐渐转变为干旱气候。

（3）风化指数。风化沉积产物的化学风化指数可用于确定土壤矿物或岩石的风化强度。风化指数计算如下：

（4）化学蚀变指数。化学蚀变指数主要用来判断沉积地区化学风化的程度，也可应用在分析沉积物沉积环境的古气候条件上。化学蚀变指数计算公式如下：

3.2 古盐度特征

利用元素录井的方法研究古盐度特征中，涉及到多种元素，主要有V、B、Ga、Sr、Ba、Fe、Mn、Ca、Mg等，通过分析这些元素的相对含量以及某些元素含量的比值，即可判断是淡水环境还是咸水环境，从而得知是海相还是陆相。

3.3 古氧相特征

古氧相是指沉积物沉积和成岩作用过程中，水环境（特别是底水水体）中溶解氧的特征，以及环境中各种岩石变化和地球化学特征的结合。

3.4 古水深特征

随着沉积物的不断运移，其包含的元素不断发生变化，搬运距离越远，化学成分越稳定。由此可以根据相关元素的含量变化从一定程度上分析出沉积物搬运的距离以及沉积物沉积成岩时的古水深。通常把Co/Ti、Ni/Ti、Mn/Ti和Mn/Fe等比值通常作为离岸距离的标志，这些比值常会随着离岸距离的增加而增大。

4 储层脆性评价

脆性是指岩石在受到应力时容易破碎的性质。对地层岩石来说脆性是一项非常重要的性质，它是研究地层可钻性、进行压裂选层以及优选施工参数的重要手段。储层脆性指数的计算公式如下：

式中：BI-储层脆性指数；Cth-储层中的泥质含量，%。

当BI≥0.6时，判断储层易发生裂缝。当BI<0.6时，判断储层不易破裂。

5 结语

（1）基于元素录井技术的岩性识别与划分是对储层岩性进行简单快速识别，每一类岩石的岩性大类以及它们的细分均有不同的研究图版用作参考，方便实用。对储层岩性的识别和细分具有重要的参考价值。

（2）基于元素录井技术的沉积相分析主要是用元素含量得出的各种指数进行气候条件的判断以及用各种特征元素对沉积区进行古盐相、古氧相和古水深的判断。对于沉积环境的分析均有特殊元素作为分析重点，潮湿或是干旱，淡水或是咸水，湖相或是海相所对应的元素以及它们的含量均有差别。

（3）基于元素录井技术的脆性评价是把脆性物质作为参考点，如石英以及碳酸盐岩矿物均为脆性矿物，以它们所对应的Si、Ca以及Mg元素的含量作为脆性评价的指数来评价储层脆性，进而判断储层可压裂程度。此外，泥质矿物属于塑性矿物，其含量可作为与储层脆性呈负相关的参数来评价储层脆性。