元素录井在页岩油水平井开发中的应用----以吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组为例

高 阳, 郭海平, 程乐利, 许长福, 张 方, 印森林, 彭寿昌, 李映艳

(1.中国石油新疆油田分公司 勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田分公司 吉庆油田作业区，新疆 克拉玛依 834000；3.长江大学 录井技术与工程研究院，湖北 荆州 434023；4.中国石油新疆油田分公司 准东采油厂，新疆 阜康 831511)

页岩油气作为非常规油气资源重要类型之一，已成为油气增储上产的“重点领域”与“亮点类型”[1]。在页岩油开发评价过程中，水平井+压裂的开发模式是近年来页岩油开发取得成功的关键方法[2]；而开发井水平段的“甜点”钻遇率和分段压裂方案的优化设计，一直是困扰页岩油开发效果的重要问题。

页岩油气储层的“甜点”分布十分复杂，横向连续性差、纵向单层厚度薄[3-4]，且岩性复杂多样，多为碎屑沉积和化学沉积的过渡性岩类，常规的测录井手段难以较好地识别“甜点层”[5-10]。气测和钻时曲线特征不明显、地层对比难，在钻进过程中实施导向难度大[11-13]。目前在水平井钻进过程中，国内主要采用综合录井+MWD等技术进行随钻地质导向[2]。作为实验室技术引入到钻探现场的典型代表，元素录井技术可视为岩屑录井的延伸，已被广泛应用于水平井地质导向中。经实践证实，元素录井技术在岩性识别方面可有效避免资料多解性，且具有实时性和时效性强的特点[14]，可解决无测井资料情况下的岩性识别问题[15]，有效提升页岩气[16]、礁滩体[17]等复杂勘探对象[18-19]的地质导向成功率。

地层脆性指数的分布是分段压裂方案优化的主要依据，目前最可靠的地层脆性指数评价是声波法，即通过泊松比、弹性模量等岩石力学参数的综合分析计算岩石脆性指数[20]。该方法精度较高，但依赖阵列声波或偶极声波测井资料[21]，有着成本高的缺点。通过岩石矿物组分来计算岩石脆性指数是脆性评价的另一种主要方法，特别是高采样精度的元素录井数据，用于计算脆性指数有着天然的优势。元素分析资料是岩石矿物组分的直接响应[22]，其脆性指数计算结果与ECS测井解释结果对应良好[23]，在页岩气勘探中已得到了成功的应用[24-25]。而使用元素录井技术对页岩油储层进行脆性评价尚未见报道。

针对上述问题，本文以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组页岩油储层为例，在岩屑录井资料基础上，结合XRF技术，对元素录井技术在页岩油水平井开发中的应用前景进行研究。

1 研究区概况

吉木萨尔凹陷位于新疆准噶尔盆地东部，在下石炭统褶皱基底上覆盖了一套自二叠系至第四系的沉积地层[3-4]。目的层二叠系芦草沟组沉积期为快速稳定裂陷阶段，沉积物主要为富含有机质的淤泥或粉砂质淤泥；该时期沉降速率大于沉积速率，形成了一套陆源碎屑物质、碳酸盐组分和少量火山碎屑混积的复杂岩类[3-10]；沉积水体较深且分层结构明显，为深湖-半深湖环境下的一套混积岩[3-5]；矿物的成分包括石英、钾长石、斜长石、方解石、白云石、赤铁矿、黄铁矿、菱铁矿、方沸石、浊沸石以及黏土矿物等多种矿物类型，构成了复杂的混积岩[6,9-10]。通过对研究区重点井(J174)的高精度XRF扫描(采样间距≤0.12 m)，芦草沟组中主要以Si、Ca、Al、Mg、K、Mn、Fe、P为主，其相对含量(本文均为质量分数w)依次递减(图1)。

2 基于元素录井技术的岩性分类

2.1 混积岩的岩性分类方案

利用元素录井进行岩性解释的本质是，利用元素录井手段获取岩石的地球化学性质在元素分析仪器上的相应特征，将不同元素相应特征与相应的矿物种类相结合，最终分析地层岩石的岩性特征[26-27]。岩性分类的正确与否，直接决定了解释方案的应用效果。

图1 吉木萨尔凹陷芦草沟组的元素含量分布直方图Fig.1 Histogram of element distribution of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

芦草沟组岩性以细粒级粉细砂岩和薄层碳酸盐岩为主，且多为二者之间的过渡性岩类，在岩心上常见二者呈互层状，纵向上的岩性变化复杂[5-10]。吉木萨尔页岩油作为国内近年来的勘探热点，吸引了大量学者参与这一地区的研究工作，对于芦草沟组的岩性划分提出了多种方案(表1)。

表1 吉木萨尔凹陷芦草沟组岩性划分方案Table 1 Lithology division scheme of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

考虑到芦草沟组岩性的发育特征、成因类型、岩性对物性的控制作用以及现场分类方案的可操作性，本文采用匡立春等[6]的分类方案，将其主要岩性分为6种：泥岩类、长石岩屑粉细砂岩类(基本不含碳酸盐矿物)、云质/钙质粉细砂岩类(合称粉细砂岩)、云屑砂岩类、砂屑云岩类、泥晶/微晶云岩类(合称云岩)。

2.2 XRF岩性识别方法

结合XRF资料的数据特点，总结了如下3种方法。

2.2.1 图谱法

芦草沟组中的主要岩性为细粒级粉细砂岩和薄层碳酸盐岩及其过渡岩类。结合前述的混积分类方案，Si、Al、K元素可代表陆源碎屑含量，而Ca、Mg、Mn元素可代表碳酸盐矿物含量。通过观察Si、K、Al、Ca、Mg、Mn这6种元素的含量变化图谱，可以大致判断岩性(图2)。

长石岩屑砂岩的元素含量图谱特点为：极低的Ca、Mg、Fe元素值，Si值较高，Al、K值极高。即基本不含碳酸盐矿物，陆源碎屑组分极为发育。Si值较高和Al、K值极高，说明陆源碎屑组分中长石含量较高，这与长石岩屑砂岩较好的物性相一致。

粉细砂岩的元素含量图谱特点为：Ca、Mg值较低，Si值极高，K、Al值极低。Si值极高和K、Al值极低，说明陆源碎屑组分中以石英为主，长石含量少，与粉细砂岩的物性较差相匹配。

泥岩的元素含量图谱特点为：K、Al、Ca、Fe值较高，Mg、Si值较低。

白云岩的元素含量图谱特点为：K、Al、Si值极低，而Mg、Ca值高。说明陆源碎屑组分极少，以碳酸盐矿物为主。

云屑砂岩的元素含量图谱特点为：Mg、Ca值较高，而Si、Al、K值较低。元素分布特征说明陆源碎屑与碳酸盐矿物共存。

砂屑云岩的元素含量图谱特点与云屑砂岩类似，但前者的Si值含量较后者要低，而Ca、Mg值更高，说明前者的碳酸盐矿物含量较陆源碎屑要高，而后者以陆源碎屑含量占优。

图谱法的优点在于能够快速直接地凸显新元素的出现，在岩性突变面的卡层过程中[2,18-19]可以第一时间为现场地质人员提供预警；但该方法在以过渡岩类为主的混积岩中的应用效果不佳。其缺点在于，一些主元素(如Si、Ca)的含量在图谱特征上的变化并不明显，难以通过肉眼直接判断，较为依赖主观经验得到分析结论。

2.2.2 数值法

通过对J174井芦草沟组取心段精细岩心描述成果的整理，统计得到了6种岩性的主元素含量(表2)。6种主要岩性的两类元素组合变化趋势为：从上往下，代表陆源碎屑组分的元素(Si、K、Al)含量依次升高，而碳酸盐矿物组分的元素(Ca、Mg、Fe)依次降低。

在实际应用中，数值法比图谱法更为准确。如果通过钻前精细地层对比，掌握了目的层的岩性-元素变化特征，在实际钻进过程中结合元素录井和岩屑描述数据进行对比分析，可以较为准确地进行地层卡层和岩性定名。但该方法对于样本代表性要求较高，要求在元素分析之前进行精细挑样，对于岩性变化简单的厚层的识别效果好；而对于过渡岩类频繁薄互层发育的混积岩，元素数值变化并不明显[27]。

2.2.3 曲线法

曲线法在应用时综合了元素数值和曲线变化的信息，是元素录井解释最常用的方法[16-17]。由于岩屑在井底随泥浆返回地面过程中受较多的客观环境影响，如井眼规则性等，地质人员得到的岩屑是正钻地层及其上一定深度地层的混合样，因此利用岩屑分析得到的元素含量数据实质上是一系列的平滑曲线，其曲线形态仍然保留了地层变化的关键信息。具体做法为，在钻遇薄层岩层时，以目标曲线的突变点为顶界，以下一突变点为底界；在钻遇厚层岩层时，顶界仍为曲线突变点，而底界则为曲线的趋势拐点[27]。

图2 芦草沟组不同岩性图谱特征Fig.2 Characteristics of different lithology graphs of Lucaogou Formation

表2 芦草沟组6种岩性的主元素含量(w/%)Table 2 Major element content of six types of lithologies from Lucaogou Formation

对混积岩而言，通过对比分析陆源碎屑含量曲线(Si、Al、K)和碳酸盐含量曲线(Ca、Mg、Mn)的变化，可以快速便捷地进行岩性定名。本次采样获得的J174井芦草沟组高精度元素分布曲线，可以为混合样条件下的XRF曲线分析提供标准的对比依据(图3)。

3 地层对比及关键层位特征

通过对吉木萨尔凹陷芦草沟组的地层特征、岩性特征、测井响应特征、地震资料、地球化学资料等综合分析，划分出9个标志层，其中上“甜点”体标志层5个，下“甜点”体标志层4个(表3)。

将芦草沟组第一段第一层(P2l11)分为3个小层，分别为P2l11-1、P2l11-2、P2l11-3，总厚度为56 m，岩性主要为灰色泥质白云岩和白云质泥岩。将芦草沟组一段第二层(P2l12)分为P2l12-0、P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6、P2l12-7共8个小层，其中P2l12-1、P2l12-2、P2l12-3、P2l12-4、P2l12-5、P2l12-6再各自细分为2个次小层，分别为P2l12-1a、P2l12-1b、P2l12-2a、P2l12-2b、P2l12-3a、P2l12-3b、P2l12-4a、P2l12-4b、P2l12-5a、P2l12-5b、P2l12-6a、P2l12-6b(表3)。P2l12-0厚2.35 m，岩性为灰色白云质粉砂岩；P2l12-1a厚3.05 m，岩性主要为灰色白云质粉砂岩；P2l12-1b厚1.86 m，岩性主要是灰色细晶白云岩和泥岩；P2l12-2a厚6.74 m，主要是灰色白云质砂岩和灰色白云质粉细砂岩；P2l12-2b厚5.75 m，自下而上岩性依次为泥岩、灰色白云质粉细砂岩、细砂岩；P2l12-3a厚4.05 m，灰色白云质粉细砂岩与泥岩互层；P2l12-3b厚4.71 m，底部为灰质泥岩，上部为灰色白云质粉细砂岩；P2l12-4a厚2.49 m，岩性为泥岩；P2l12-4b厚5.55 m，岩性为灰色粉砂质白云岩；P2l12-5a厚5.45 m，岩性为灰色粉砂质白云岩；P2l12-5b厚4.56 m，岩性为灰色粉砂质泥岩；P2l12-6a厚9.49 m，岩性为灰色泥岩；P2l12-6b厚7.8 m，底部为泥岩，上部为白云质粉细砂岩夹灰质泥岩；P2l12-7厚34.36 m，岩性为泥岩夹灰色细晶白云岩和灰色粉晶白云岩。

以上述标志层在空间上的分布为框架，结合等时地层对比模式，依据沉积旋回对全区进行了精细地层对比。最终以闭合的三维地层对比结果为精细地层框架，为实钻中的地质导向提供了参考依据。

4 应用实例

4.1 水平井导向应用实例

目前芦草沟组页岩油开发的主要对象为P2l12-2a小层，其主要岩性为长石岩屑粉细砂岩(图4)，该小层的元素含量曲线特点表现为高K、Si、Al和低Ca、Mg、P。向上钻出该层的元素含量曲线特点主要为低K、Si、Al和高Ca、Mg、P，而向下钻出该层的元素含量曲线特点主要为低K、Si、Al和高Ca、Mg、P。钻出该层的元素含量曲线区别主要为P元素，即K、Si、Al含量降低和Ca、Mg元素升高即为出层，而P元素不变为上穿出层， P元素升高为下穿出层。

图3 元素含量随岩性变化及岩层厚度变化示意图Fig.3 Diagram of element content change with lithology and thickness of rock layer

图4 芦草沟组上“甜点”元素导向示意图Fig.4 Schematic diagram of dessert element orientation for the Lucaogou Formation

A井为研究区的已经完钻的水平井，目的层为芦草沟组上“甜点”P2l12-2a小层，相当于J174井 3 267～3 274 m油层井段，厚度7 m。设计a、b、c靶点垂直深度分别为 2 650.00 m、3 030.00 m、3 090.00 m，a-b、b-c靶点之间的水平位移分别为352.80 m、1 639.10 m，要求水平段在目的层顶界以下2～4 m按稳斜角89°钻进。在水平段 3 578.00～3 614.00 m深度钻到目的层，元素含量曲线表现为K、Si、Al元素降低和Ca、Mg、P元素同时升高(图5)，判断为向下出层。后经完钻后的井-震对比证实，该处发育一条小规模逆断层，在该处地层抬高，造成地层缺失。

4.2 脆性评价应用实例

研究区测井资料脆性评价的统计结果显示[21]，砂屑云岩、云屑砂岩、微晶云岩的整体脆性较好，而泥晶云岩和长石岩屑砂岩的脆性中等，炭质泥岩和泥岩的脆性最差。对比上述岩类及芦草沟组的主要矿物类型，可以发现碳酸盐矿物为岩石的主要脆性矿物。据此，以研究程度较高的J174井为对象，在XRD录井资料中提取碳酸盐矿物指数，在XRF录井资料中提取碳酸盐元素指数，分别计算了该井的脆性指数分布。计算结果显示(图6)， XRD脆性指数由于数据密度过小的原因，匹配效果不佳；而XRF脆性指数与测井脆性指数的总体变化趋势基本相同，证明利用高精度的元素录井资料进行页岩油脆性评价的方法效果良好。

图5 A井水平段导向效果图Fig.5 Guide effect of horizontal section of Well A

5 结 论

a. 从混积岩的岩石学特征出发，将芦草沟组划分为6大类岩性，利用XRF资料提出了利用图谱法、数值法和曲线法来辅助随钻岩性分层定名。结合精细地层对比资料，总结了芦草沟组主要标志层的元素响应特征，并以此为地质导向的辅助判别手段，在实际钻进过程中效果良好。

b. 在基于脆性矿物分布的地层脆性评价中，高精度的元素录井资料可以实现与ECS测井资料相当的评价效果，但在实时性和经济性方面更具优势。

c. 实现元素录井资料指导地质导向和地层脆性评价，关键点在于元素录井资料的高精度采样分析，体现了在地质录井工作中进一步发掘已有资料的价值，也契合了现有油气勘探行业的经济效益追求。