XRD矿物分析技术在杨税务潜山勘探中的应用

于伟高 张瑞雪 苗 雪 徐 婕 谢静平 陈金平 张玉新

(①中国石油华北油田公司勘探事业部；②中国石油华北油田公司勘探开发研究院；③中国石油渤海钻探工程公司第二录井公司)

0 引 言

杨税务潜山带位于冀中坳陷廊固凹陷东部[1-2]，是受河西务及大北伊断层控制的呈北东向展布的大型“地垒”潜山，勘探面积约400 km2。杨税务潜山顶部主要为中、下奥陶统，包括峰峰组(O2f)、上马家沟组(O2s)、下马家沟组(O2x)、亮甲山组(O1l)和冶里组(O2y)，发育以灰岩和白云岩为主的碳酸盐岩地层，储集层埋藏深度大(4 900～6 400 m)、温度高(170～230℃)、非均质性极强，纵向发育三套油气层岩性差异大、类型复杂、横向岩性变化快[3]，属于超深、超高温隐蔽型非均质储集层潜山。

岩屑录井是恢复井筒地质剖面、地层对比和层位确定的基础。但受岩石类型多样性及复合钻井工艺的广泛应用导致钻速提高等条件影响，通过人工或借助放大镜等简单光学仪器的传统岩性识别方法，难以准确地观察岩屑成分、定性描述地层岩性，造成岩性辨识难度大、潜山界面卡取难，已不能适应目前随钻岩性识别、实时建立地质岩性剖面的要求。此外，潜山储集层非均质性强，储集空间多为裂缝-孔隙型，其中脆性矿物(白云石、铁白云石、方解石)含量直接影响裂缝的发育程度，脆性矿物越高，越利于储集层压裂改造[4-5]，但目前缺少有效的储集层脆性评价方法，制约着储集层压裂改造适用性的评价。

通过应用XRD矿物分析技术，优选敏感矿物建立解释图板，进行岩石成分精细、定量分析，并结合人工辨识、薄片鉴定综合分析，以矿物检测为主、人工鉴定为辅的岩性识别技术组合，建立了碳酸盐岩XRD矿物分析定名标准及脆性指数计算标准，形成了碳酸盐岩储集层岩性识别、脆性和物性录井评价技术。

1 XRD矿物分析理论基础

X 射线是一种波长很短且频率很高的电磁波，当X射线激发晶体后，不同晶体产生不同的衍射效应并生成相应的谱图。XRD(X-ray Diffraction)技术可以揭示晶体的结构并用于检测物质精细结构[6]。任何结晶物质都有其特定的化学组成和结构参数，因此其衍射谱图也不同。该技术在石油化工领域可用于未知物物相鉴定、催化研究、结晶性聚合物研究等，在石油地质领域则是鉴定矿物及其品质。目前，XRD分析技术是研究与识别晶体结构的最主要方法之一[7]。

矿物是由地质作用形成的天然单质或化合物，具有一定的化学成分和内部结构。在一定的物理化学条件下相对稳定的相界面和结晶，是组成岩石和矿石的基本单位。构成岩石的矿物，称为造岩矿物，造岩矿物绝大部分是结晶质的，如常见的石英、正长石、方解石等。描述矿物晶体形状与大小的参数叫晶胞参数d，每一种矿物的d值都是唯一的。而当X射线与矿物晶体发生相互作用时，其中的一种情形就是被物质中原子的壳层电子相干弹性散射，在满足布拉格定律的特定晶面取向上相干性增强，而在其他方向上相干性减弱或湮灭[8-9](图1)。根据衍射的角度可以算出矿物晶体的d值，形成相应的谱图，通过与标准物质d值进行对比，就可以检测矿物，确定物质成分。布拉格定律公式为：

2dsinθ=nλ

式中：λ为X射线的波长；θ为衍射角；d为晶胞参数结晶面间隔；n为整数。

图1 XRD原理图

XRD矿物分析技术基本原理是根据晶体矿物在X射线下的特殊衍射效应来判断岩样中晶体矿物的组成及其相应含量。不同的晶体衍射出峰的位置不同，峰值大小也不同，因此根据XRD谱图中的出峰位置来确定岩样的晶体矿物组成，以其峰值的大小确定对应晶体的含量(图2)。通过检测岩屑、壁心、岩心中各种矿物(包括石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石等)的相对含量，根据其谱图构成特征的变化确定岩石类型，为现场岩性定名提供定量化的参考依据。

图2 标准岩样矿物原始谱图

2 建立基于XRD岩性识别的定名标准

杨税务奥陶系主要发育受潮汐作用控制的潮上、潮间、局限潮下和开阔潮下4个亚相，潜山储集层以灰岩、白云岩为主，随着沉积相的变化灰岩和白云岩的成分也发生变化，并夹杂复杂类型的过渡岩性。通过常规的镜下观察、滴酸、碳酸盐含量分析等方式，只能对灰岩、白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩等几种通用岩性定名。但对于一些过渡岩性如含泥灰岩、含泥云岩、含灰白云岩、含白云灰岩等无法精准定名，而精准的岩性定名不仅可以准确划分地层，判别有利的“甜点”区，而且对后期措施改造具有重要意义。

2.1 优选岩性识别敏感参数

为了明确杨税务潜山不同类型岩石在 XRD 上的响应特征，优选550块岩心标准样品进行实验分析，并依据Flok分类方法，结合电性曲线对XRD分析数据进行统计，最终确定砂岩、泥岩、碳酸盐岩、泥灰岩中的敏感矿物含量：砂岩敏感矿物为石英、长石，且石英+长石的含量大于55%，黏土矿物小于35%；泥岩敏感矿物为黏土矿物、石英、长石，其中黏土矿物含量大于30%，石英+长石的含量小于50%；碳酸盐岩敏感矿物为方解石、白云石，其中方解石+白云石含量大于60%，黏土矿物含量小于30%；泥灰岩敏感矿物为黏土矿物、石英、长石、方解石、白云石，其中方解石+白云石含量大于50%，黏土矿物含量大于25%，石英+长石矿物含量小于30%(图3)。

图3 不同岩性敏感矿物含量

2.2 建立碳酸盐岩识别标准

依据碳酸盐岩在 XRD上的响应特征研究，建立以方解石、白云石、黏土矿物为敏感矿物的图板识别法、单点三角图板识别法、交会曲线法、差值识别法4种岩性识别方法，实现了岩性定名的可视化、标准化。

2.2.1 图板识别法

图板识别法是根据岩样中碳酸盐岩矿物含量对应变化关系，选取碳酸盐矿物成分以及石英、长石成分作为敏感矿物，将碳酸盐含量作为横坐标，将石英、长石以及黏土的含量作为纵坐标，以优选的550块岩心样品分析数据为依据建立图板，根据数据投点所处区域进行岩性识别，从图板上可以看到不同岩性都具有较好的区分性(图4)。

图4 图板识别法

2.2.2 单点三角图板识别法

单点三角图板识别法以优选出岩样中的方解石+白云石含量、石英+长石含量、黏土矿物含量三种敏感矿物作为三角形图板的三点坐标，按照岩石矿物成分岩石定名标准，对主名、副名进行界定分区，形成单点三角形解释图板；同时针对碳酸盐岩优选白云石、方解石以及碎屑矿物为三角形图板坐标，实现碳酸盐岩岩性定名的标准化及精确化(图5)。

图5 单点三角图板识别法

2.2.3 交会曲线法

交会曲线法选取碳酸盐岩两种敏感矿物或矿物组合，形成连续含量交会曲线包络面(图6)，直观、简捷划分岩性界面。根据包络面的面积大小来判断岩性：如果XRD分析碳酸盐岩含量小于50%，碎屑+黏土矿物含量大于碳酸盐含量，在交会曲线图上，方解石+白云石与碎屑+黏土矿物曲线无包络面时，则岩性判断为灰质泥岩；当XRD分析碳酸盐岩含量50%～65%，碎屑+黏土矿物含量小于碳酸盐含量，差值在25%左右，在交会曲线图上，碳酸盐含量与碎屑+黏土矿物含量二条曲线接近或重叠时，则岩性判断为泥灰岩；当XRD分析碳酸盐岩含量65%～75%，碎屑+黏土矿物含量小于碳酸盐含量，差值在50%左右，在交会曲线图上碳酸盐在右侧，碎屑+黏土矿物在左侧，包络面明显时，则岩性判断为含砾泥灰岩；当XRD分析碳酸盐含量大于75%，碎屑+黏土矿物含量小于碳酸盐含量，在交会图上碳酸盐在右侧，碎屑+黏土矿物在左侧，包络面非常明显时，则岩性判断为砾岩。

图6 交会曲线法

2.2.4 差值识别法

差值识别法根据岩性矿物识别标准，利用碳酸盐岩矿物成分的含量与石英、长石、黏土矿物含量进行差值计算，差值在-50%～5%之间的定为灰质泥岩，差值在5%～35%之间的定为泥灰岩，差值在35%～50%之间的定为砾质泥灰岩，差值在50%～95%之间的定为砾岩。建立敏感矿物与其他单种矿物或矿物组合差值岩性分区，将分析的样品差值数据投影在图板中识别岩性，例如如果碳酸盐岩矿物成分的含量与石英、长石、黏土矿物含量差值为75%，则落在图板内砾岩的区域，因此可以确定岩性为砾岩；同样，如果差值为20%，则落在泥灰岩的区域，因此可以确定岩性为泥灰岩。该方法较曲线交会法可直接判定单点样品岩性(图7)。

图7 差值识别法

2.3 碳酸盐岩定名标准

通过上述4种岩性识别方法，在大量实物分析实验的基础上，结合矿物薄片鉴定分析等技术，以方解石作为灰岩主要判定矿物，以白云石+铁白云石作为白云岩主要判定矿物，以黏土矿物作为泥岩主要判定组合，参考沉积岩定名方法，形成了XRD矿物分析碳酸盐岩定名标准(表1)。

表1 杨税务潜山碳酸盐岩XRD岩性定名标准

3 基于XRD矿物分析的脆性指数研究

杨税务奥陶系潜山储集层的储集类型主要为孔隙型和裂缝-孔隙型，孔隙度0.93%～2.64%，渗透率0.35～0.72 mD，总体上属于低孔低渗、低孔特低渗储集层，因此需要通过压裂改造才能形成工业产能。压裂改造时，是否易于被改造，取决于岩石脆性大小，岩石脆性是表征岩石在外力作用下形成缝网能力的一项重要指标，脆性越大，储集层越容易被改造，越易形成复杂的裂缝网络，改造效果越理想。岩石脆性指数是反映储集层压裂品质的重要参数，旨在优选有利于规模压裂的储集层段。因此，通过分析储集层的岩性、矿物类型开展岩石脆性研究，对压前可行性评估、优选压裂层段、为储集层改造方案提供依据有着重要意义[10-12]。

通过XRD矿物分析优选出杨税务潜山碳酸盐岩的敏感矿物为：方解石、白云石及黏土矿物。研究表明：方解石和白云石都为脆性矿物，二者主要矿物成分都为碳酸钙，但白云石中含有一定量的碳酸镁，使得白云石脆性要好于方解石。而黏土矿物为片状矿物，且结构疏松，在外力作用下，容易产生较大的弹性形变，所以黏土矿物增加不利于岩石脆性的提高。杨税务潜山油气显示多集中在白云岩地层，且该区内AT 1X、AT 2X等多口探井在白云岩发育区酸压均获得较好效果，因此优选白云石为该区主要的脆性矿物，建立了杨税务潜山碳酸盐岩脆性指数(BC)计算模型，并结合已压裂井形成脆性指数分类方法(表2)，为后期试油选层提供科学依据。

表2 脆性指数等级

4 应用实例分析

XRD矿物分析技术在杨税务潜山地区应用多口探井，不仅可以精准定名岩性，判断卡取潜山层位，还可以随钻快速判断地层层位，为随钻地层对比及下步决策提供第一手资料。通过AT 1X、AT 2X等井XRD分层与电测分层结果对比(表3)可以看出：电测数据与XRD随钻地质分层数据非常接近，达到现场地质对比的要求。

表3 AT 1X、AT 2X等井地层分层对比 m

地层AT 1X井电测分层XRD分层AT 2X井电测分层XRD分层AT 3井电测分层XRD分层AT 4X井电测分层XRD分层AT 5X井电测分层XRD分层O2f4 9945 0005 0325 0424 8734 8654 8754 8805 4085 400O2s5 4185 4205 3365 3105 1545 1505 2195 1805 6825 690O2x5 4965 4965 6795 6735 3705 3645 4235 4205 8905 895O1l--5 8625 8685 528.55 5305 5685 5306 0276 027

在杨税务潜山AT 3井钻探过程中，结合碳酸盐岩XRD岩性定名标准，建立AT 3井地质剖面，与斯伦贝谢测井元素俘获吻合率高，提高了现场岩性定名的准确度，确保地质剖面准确还原，为随钻地层对比提供了准确依据(图8)。在该井5 277～5 387 m井段下马家沟组+亮甲山组，全烃具有块状峰型显示特征，岩性以白云岩为主，脆性指数为优，介于0.8～1之间。录井综合评价建议为首选试油层。酸化压裂后获产油28.8 t/d、气501 173 m3/d的高产工业油气流，取得了杨税务潜山新层系勘探突破。

图8 AT 3井综合评价图

5 结束语

XRD矿物分析技术突破了传统的岩屑录井方法，使录井由定性向定量的发展成为现实。通过其相对含量就可以确定岩石岩性，为现场岩性定名提供定量化的参考依据，提高特殊钻井条件下岩性识别准确度，克服了传统录井岩性识别主要通过直接观察或借助光学显微镜观察和碳酸盐岩分析仪分析产生的局限性，为岩性识别及岩屑样品矿物含量的定量分析提供了新的解决方法。

本文针对杨税务奥陶系潜山碳酸盐岩储集层岩石类型复杂造成的难点，通过应用 XRD矿物分析技术，优选标准岩样精细分析，明确砂岩、泥岩、碳酸盐岩、泥灰岩等不同岩石的敏感矿物，并结合XRD响应特征分析建立图板识别法、单点三角图板识别法、交会曲线法、差值识别法4种岩性识别方法，最终建立碳酸盐岩识别标准，解决了现场岩性识别难的问题，对潜山卡层、建立地层岩性剖面及随钻地层对比起到重要作用；同时根据碳酸盐岩敏感矿物构建杨税务潜山碳酸盐岩脆性指数计算模型，结合已压裂井形成脆性指数分类方法，为压裂试油选层提供依据，为科研人员获得可靠、优质资料提供保障。XRD矿物分析技术在杨税务奥陶系潜山的成功应用对不同地区同等类型储集层的评价具有较好的借鉴意义。