X射线衍射矿物分析技术在准噶尔盆地火成岩识别中的应用

马树明 李秀彬 李怀军 经俭波 张小虎 张媛媛

(中国石油西部钻探工程有限公司地质研究院(克拉玛依录井公司))

0 引 言

岩性识别是地质分层、储集层评价、钻井工程服务的基础[1]。准噶尔盆地经过近60年的勘探开发，其浅层常规油气资源日益减少，勘探开发逐渐向岩性复杂的腹部石炭系、西北缘二叠系等区块转移。同时，新工艺的应用，如氮气钻、空气钻、新型PDC钻头等[2]，给录井的岩性识别带来了诸多难题，种种原因使得复杂的火成岩岩性难以快速识别，因而可能导致岩性定名错误，卡层失准，有利岩相带划分失误，给勘探开发带来了一定的地质风险。通过开展X射线衍射矿物分析技术应用研究，建立常见准噶尔盆地腹部区块火成岩岩性识别方法，为岩性定名、地层划分、钻井安全施工提供技术支持。

1 准噶尔盆地火成岩的分布概况

准噶尔盆地的火成岩主要分布在腹部、西北缘和东部等区块的石炭系地层及二叠系地层，其中腹部区块面积最大，涵盖了中央坳陷、陆梁隆起以及轮古坳陷三个主要构造带[3]。腹部区块多以火山碎屑岩及中、基性喷出岩为主，部分区块发育酸性的浅成侵入岩和喷出岩。常见的岩性有凝灰岩、安山岩、流纹岩、玄武岩等，其中个别区块发育花岗岩、花岗斑岩、英安岩、石英霏细斑岩及火山角砾岩等。

2 录井现场火成岩识别现状

当前针对火成岩钻井提速的手段较为多样，各种钻头和工具及工艺层出不穷，钻出的岩屑细小，甚至成为粉末状已经常态化。以前依靠钻时的比较、岩屑的形状、颜色的观察等来识别岩性的方法，已经存在明显不足。现场地质人员在识别岩性上也仅能借助于刻度放大镜或显微镜，这对于砂、泥岩的观察描述能起到一定作用，但是对于成分、结构复杂的火成岩作用不大。尤其当岩屑细小时，现场基本不能识别，只能依靠钻井取心或井壁取心等方法来落实岩性，增加了钻井成本，延长了钻探周期。

3 X射线衍射矿物分析技术原理现状

3.1 X射线衍射矿物分析技术原理

X射线激发样品后，不同晶体产生不同的衍射效应，任何结晶物质因都有特定的化学组成和结构参数，而获得各自样品的衍射谱图，每一种矿物晶胞参数d值是唯一的(d值是描述晶体形状与大小的参数，可根据衍射的角度计算)。将分析样品晶胞参数d值与标准物质比对，就能检测矿物[4]。

3.2 目前的应用方向

目前国内大部分油田均引进了X射线衍射矿物分析技术，但大多数油田都用在沉积岩中砂、泥岩的岩性识别上。滕工生等[5]利用X射线衍射矿物分析技术建立了华北油田的砂、泥岩及碳酸盐岩的岩性识别方法，取得了较好的应用效果。付连明等[2]在准噶尔盆地车排子油田火成岩的岩性识别上对X射线衍射矿物分析技术也有一定研究，但是限于X射线衍射矿物分析技术引进初期解释方法的不完备及研究手段的单一性，其划分标准中也仅能从石英、斜长石矿物含量区分，而对于火成岩中常见的角闪石、辉石、云母等副矿物成分则未进行说明。总体上来看，因各个油田的岩性种类不同，各自的研究目的也不尽相同，现阶段X射线衍射矿物分析技术仍然倾向于沉积岩的研究，仅有新疆油田用于火成岩的岩性识别研究。

4 岩性识别方法的研究与建立

4.1 基础研究

岩心分析、薄片定名是建立岩性识别方法的基础。研究收集并分析了1998年以来准噶尔盆地腹部区块30余口已钻及正钻井的石炭系岩心及岩屑样品共计7 000余个(包)，对收集的岩屑样品进行镜下薄片岩性定名，同时镜下确定矿物种类，依据岩性进行归类(表1)，然后分类进行矿物分析，确定不同岩性的矿物组成和含量并建立数据库和衍射谱图库。依据矿物的组成种类、含量的区间范围进行分类统计，结合谱图的形态等确定不同岩性火成岩的矿物含量。

4.2 岩性识别方法的建立

通过建立不同岩性火成岩的谱图库和矿物含量数据库，依据岩性分类、数学统计、人工区分、软件计算等处理，初步形成了矿物含量数值识别、谱图比对、三端元图板等一系列岩性识别方法。

4.2.1 矿物含量数值识别法

不同岩性的火成岩其矿物组合和含量有所不同：以流纹岩为代表的酸性岩类，矿物成分特点是石英含量高，其石英含量是所有类型火成岩中最高的[6]；以玄武岩为代表的基性岩类，矿物成分以斜长石和辉石为主，不含或含少量石英；以安山岩为代表的中性岩类，特点为矿物成分以长石为主，石英含量中等，含有少量的辉石及云母。笔者以管守锐等[7]对岩浆岩的分类为理论依据，结合X射线衍射矿物分析的准噶尔盆地腹部区块火成岩的具体矿物种类及含量范围的实际，建立了矿物含量数值识别常见火成岩的方法(表2)。

4.2.2 谱图比对识别法

衍射谱图反映衍射角度和衍射强度相同的岩性具有相同谱图形态[8]。本研究以准噶尔盆地腹部区块常见火成岩岩心为标准，这类岩心均经过镜下薄片鉴定且证实未经次生蚀变及风化，对上述不同岩性的岩心进行精细衍射分析(曝光次数均为200次以上)，获得的衍射谱图即认定为腹部区块常见火成岩标准谱图(图1-图4)。利用标准谱图与未知样品的谱图进行比对，从而进行单井纵向上岩性的识别及区块各井横向上的岩性对比识别。

根据X射线衍射进行矿物成分分析原理可知，任何矿物的特征峰衍射角度都是一定的，例如石英特征峰衍射角度为26.5°、长石特征峰衍射角度为27.8°、辉石特征峰衍射角度为30.4°、角闪石特征峰衍射角度为10.4°、云母特征峰衍射角度为9.2°、磁铁矿特征峰衍射角度为35.4°，所以各种矿物对应谱图横坐标的衍射特征峰的角度是不变的。但是，因为矿物含量的不同造成了衍射谱图纵坐标衍射能量的较大变化。通过衍射谱图的纵坐标可以看出，不同火成岩的矿物衍射能量不同(表3)，也就使得不同岩性的谱图形态出现差异变化，从而可以通过谱图形态特征来达到识别不同岩性的目的。

表1 准噶尔盆地腹部区块部分岩性定名及X射线衍射分析矿物含量

表2 准噶尔盆地腹部区块常见火成岩矿物含量 %

4.2.3 三端元图板识别法

三端元图板识别法是一种数学统计的方法。研究中以准噶尔盆地腹部区块不同火成岩的主、副矿物为坐标极，对不同矿物的占比进行了归一化的数学计算处理，在参与计算的矿物选取中，考虑到黏土、沸石等矿物可能为火成岩次生蚀变或者原生孔隙被后期充填的产物，故以上两类矿物不参与图板计算。三端元识别图板在建立过程中既参考了不同火成岩主、副矿物含量的差别，又依据火成岩酸、碱度的不同，确立了不同岩性的火成岩在图板上的分区(图5)。

图1 M 001井井深4 697.00 m凝灰岩标准衍射谱图

图2 M 8井井深4 134.00 m安山岩标准衍射谱图

图3 M 6井井深4 075.00 m流纹岩标准衍射谱图

图4 M 8井井深4 031.00 m玄武岩标准衍射谱图

表3 常见火成岩谱图衍射强度区间 CPS

图5 准噶尔盆地腹部区块常见火成岩识别三端元图板

三端元图板识别法以主、副矿物作为选取依据，形成了石英、长石类、副矿物三个坐标极，其中长石类矿物主要为斜长石(个别井也可见钾长石以及其他类型的长石)，副矿物主要为云母、角闪石、辉石及磁铁矿，其中酸性火成岩角闪石的含量极低甚至不含。通过图板可以看出不同岩性的主、副矿物加权计算后在图板上的分布区间(表4)。

表4 不同岩性主、副矿物含量在三端元图板分布区间 %

5 应用实例

利用X射线衍射矿物分析技术进行常见火成岩岩性识别的研究成果先后在准噶尔盆地腹部区块的15口井得到了验证，经过与原有识别手段进行对比，常见火成岩现场岩性识别的准确率由80%提高至85%，石炭系地层判准率达到95%，应用效果较好。

M 017井是准噶尔盆地腹部区块的一口评价井，目的层为石炭系。该井从井深4 250 m开始随钻进行X射线衍射矿物分析，目的是辅助现场地质卡准石炭系层位、识别火成岩岩性，建立石炭系岩性剖面。随钻X射线衍射分析过程中依据石英、长石及黏土矿物的变化，结合现场岩屑实物资料判定该井于井深4 302 m进入石炭系地层，二叠系与石炭系界面矿物变化特征明显(图6)。

同时结合火成岩主、副矿物含量的变化，并以黏土、沸石矿物含量为参考，确定井段4 302～4 376 m岩性以火山碎屑岩及火成岩为主，推断该段存在石炭系风化壳特征。

现场利用X射线衍射矿物分析技术通过矿物含量数值法、谱图比对法及三端元图板法等，确定了井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段矿物含量变化较为明显的火成岩分别为安山岩、凝灰岩、流纹岩及玄武岩(表5)，后续该井岩性定名均以该四段岩性为参考。为该井准确卡取石炭系层位，顺利钻开目的层提供了技术支持。

在利用矿物含量数值法分析的基础上，提取了M 017井这四段不同岩性的X射线衍射谱图，并利用谱图的形态与该区块的标准岩性谱图进行对比，通过待解释岩性谱图与腹部区块石炭系标准岩性谱图进行比对，基本可以确定其岩性(图7-图10)。

图6 M 017井X射线衍射分析矿物含量图

表5 M 017井火成岩段X射线衍射矿物含量及岩性定名

图7 M 017井4 307 m X射线衍射谱图(定名安山岩)

图8 M 017井4 313.58 m X射线衍射谱图(定名凝灰岩)

图9 M 017井4 353 m X射线衍射谱图(定名流纹岩)

图10 M 017井4 390.20 m X射线衍射谱图(定名玄武岩)

为了更好地验证定名的准确性，将M 017井井深4 302～4 312 m、4 312～4 324 m、4 350～4 356 m、4 378～4 434 m四段的矿物分析数据代入三端元图板，经过计算，四段岩性分别落入安山岩、凝灰岩、流纹岩及玄武岩样本点区(图5)。最后将以上四段岩屑及岩心样品送至实验室进行镜下薄片鉴定，最终鉴定结果与X射线衍射矿物分析定名结果一致(表6)，验证了X射线衍射矿物分析岩性定名的可靠性。

表6 M 017井石炭系薄片观察与X射线衍射矿物分析对比

6 结论及建议

(1)通过对准噶尔盆地腹部区块岩心、岩屑X射线衍射矿物分析，收集薄片定名及相关资料，进行统计分析，建立了火成岩岩性识别方法，形成了X射线衍射复杂岩性识别技术体系，特别是准噶尔盆地腹部区块常见火成岩矿物含量数据库、标准衍射谱图库、火成岩岩性识别图板的建立，为盆地火成岩现场岩性快速识别和石炭系层位的准确卡取奠定了基础。

(2)X射线衍射矿物分析技术在很大程度上解决了空气钻井、PDC钻头下岩屑矿物组成定量分析及定名的问题，现场应用方便快捷，实用性强。通过矿物含量数值识别、谱图比对识别、三端元图板识别等方法在准噶尔盆地腹部区块20余口井的应用，及时准确地对火成岩岩性进行随钻定名，为岩屑剖面的建立、中完井深的卡取、钻井工程的提速提供了必要的辅助手段。

(3)X射线衍射矿物分析技术进行岩性定名基于岩石的矿物组成及含量，对于那些依据结构定名及次生蚀变严重的火成岩则无法做到具体定名，只能划分大类，比如石英斑岩、霏细斑岩、火山角砾岩以及蚀变安山岩等。但这类岩性可以在X射线衍射矿物分析的同时，用镜下薄片定名加以校正，再划分小区块进行总结分析及认识，仍然可以提高X射线衍射矿物分析火成岩定名的准确性。