吉木萨尔凹陷芦草沟组混积岩元素特征及水平井导向控制点技术

印森林，李弘林，许长福，郭海平，程乐利，吴有鑫

1.长江大学录井技术与工程研究院，湖北 荆州 430023 2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100 3.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000

MOUNT首次提出“混合沉积物”的概念后[1]，杨朝青在20世纪90年代提出了“混积岩”的概念并总结了混积岩的6个特点[2]。混积岩岩性混合复杂，命名方案多样[2-10]，目前未取得统一认识。混积岩岩性分类和沉积机理等相关基础理论研究刚刚开始[11-16]。随着混积细粒页岩油气勘探开发的不断突破，特别是页岩油成为全球非常规油气勘探开发的重要领域，美国先后发现巴肯(Bakken)、鹰滩(EagleFord)、尤蒂卡(Utica)等主要页岩油产层，显示了良好的勘探开发前景。中国页岩油分布范围广、类型多，截至2013年底，在准噶尔盆地二叠系、鄂尔多斯盆地延长组和松辽盆地青山口组发现多个亿吨级储量规模区[17]。

近年来勘探发现的准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组为一套典型混积岩储层，包含陆源碎屑粉砂岩、细砂岩、泥岩，碳酸盐岩的泥晶白云岩、微晶白云岩、砂质白云岩和生物灰岩等岩性，其页岩油的评价开发成为了关注的热点[18-21]。截止目前，多口井试油获得工业油流，取得重大突破。最新资源评价表明，研究区页岩油技术可采资源约0.91×108t，油气资源丰度最大可达14.0m3/m2，平均油气资源丰度为1.7m3/m2[18-21]。然而，对研究区前期10口水平井统计发现，Ⅰ类“甜点”的钻遇率在60%～93%之间，平均仅在77.2%(效益开发的钻遇率约为95.0%)(见图1(a))，且Ⅰ类“甜点”油层钻遇率仅为22.9%[22]，产能效果不理想。分析表明，最大程度地追求水平段优质甜点(Ⅰ类“甜点”)钻遇率是获得高产的关键(见图1(b))。因此，如何通过钻井现场快速识别混积岩岩性，以保证水平井轨迹在目的层中穿行(即Ⅰ类“甜点”的高钻遇率)成为目前生产上面临的巨大难题[23-26]。

图1 吉木萨尔凹陷芦草沟组水平井Ⅰ类“甜点”钻遇率及其与日产油量关系图Fig.1 The relationship between the sweet point drilling rate of class I of horizontal well and daily oil production of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

目前，针对混积岩岩性的复杂性，学者们采用了更加精密的仪器开展岩性识别研究，发现X射线荧光(XRF)对于分析复杂、特殊的岩性识别效果显著[23]。然而，元素特征如何作为导向控制点及其成因解释上还存在较大不足，迫切需要一套利用XRF元素录井技术对岩性快速识别的方法来辅助判断井轨迹和关键靶点位置。为此，笔者针对准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组混积岩，以XRF元素录井技术为主，X射线衍射(XRD)和薄片分析等技术为辅，通过对元素特征进行分析，建立了研究区水平井导向的关键控制点。

1 区域地质概况

图2 吉木萨尔凹陷芦草沟组标准井综合柱状图Fig.2 Comprehensive bar chart of standard well of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

2 研究方法

1)现场全井段岩心扫描数据取样。利用S1-TITAN便携式手持XRF分析仪对研究区吉174井目的层160m取心井段以0.1m间隔点扫描，并记录每点深度值，获取了1564个XRF元素点资料。

2)XRF元素数据曲线处理。对XRF元素数据进行去除异常值、误差校正及深度归位，把元素曲线与测井曲线归位匹配好。

3)岩性特征分析及导向控制点建立。以取心井岩心分析化验数据(铸体薄片、XRD分析、扫描电镜和核磁共振试验数据)为基础，确定研究区主要岩石类别特征并定义岩性；再利用元素之间的关系开展岩性特征分析并建立岩性识别图版。

4)水平井导向控制点确立。分析“甜点”层岩性及元素特征，确定“甜点”层的元素特征和水平井导向关键控制点，辅助水平井地质导向工作。

5)水平井导向实例分析。以研究区实钻水平井为例，分析验证元素岩性识别和导向控制点在水平井地质导向中的应用效果。

3 XRF元素录井特征

3.1 不同岩性的元素特征

研究区目的层岩石类型丰富多样，主要为陆源碎屑和碳酸盐矿物的频繁互层的混合沉积物。主要矿物为石英、斜长石、钾长石、黏土矿物、方解石和白云石等，元素包含Si、Al、K、Ca、Mg、S、P、Fe、Mn等。其中，除w(Si)较高(多数超过50%)外，w(K)、w(Al)、w(Ca)、w(Mg)多数小于20%(见表1)。导致常规的岩性定名方法在工区适应性不强，若不借助分析化验手段，钻井现场肉眼几乎无法快速判断岩性。根据XRF元素录井及岩心铸体薄片数据，研究区6类主要岩性的矿物特征及元素特征如下：

1)长石岩屑砂岩。是“甜点”层主要储集岩性类型，其典型矿物长石的平均质量分数为43.5%；石英平均质量分数28.2%；白云石质量分数小于10%。从元素特征来看，w(Mg)、w(Ca)较低；w(K)在3%～5%之间，平均3.7%，是重要的元素标志特征；w(Al)在15%～25%之间，平均质量分数15.9%；w(Si)在60%～75%之间，平均68.1%(见表1，图3(a)、(b))。

2)粉细砂岩。主要矿物为石英，平均质量分数较高，达47.7%；长石平均质量分数30.5%；白云石和黏土矿物质量分数均低于10%。从元素特征来看，w(K)、w(Mg)、w(Ca)低；w(Si)极高，可达75%；w(Al)平均13.2%(见表1，图3(c)、(d)，)。

3)云质砂岩。为陆源碎屑岩与碳酸盐岩过渡岩石类型。其白云石质量分数显著增高，相应的w(Mg)、w(Ca)增高(平均质量分数分别为8.3%、11.6%)，w(K)、w(Al)、w(Si)等较低(见表1，图3(e)、(f))。

4)砂质白云岩。为碳酸盐岩与陆源碎屑岩过渡岩石类型，白云石平均质量分数较高，达29.8%，石英质量分数在10%～30%之间，长石平均质量分数32.5%。从元素特征来看，w(Mg)平均12.8%，w(K)、w(Al)、w(Si)等均较低(见表1，图3(g)、(h))。

5)泥晶白云岩。主要由碳酸盐岩类白云石组成，平均质量分数49.7%；陆源碎屑质量分数少，石英质量分数小于20%。从元素特征来看，w(Si)小于50%，w(Mg)大于15%(见表1，图3(i)、(j))。

6)泥岩。黏土矿物质量分数较高，大于20%，长石质量分数在20%～35%之间，平均31.1%，而石英、白云石质量分数则偏低。从元素特征来看，w(Mg)、w(Ca)较低，w(K)、w(Al)、w(Si)较高(见表1，图3(k)、(l))。

表1 吉木萨尔凹陷芦草沟组6类岩性的矿物和元素质量分数Table 1 Six types of lithological minerals and element mass fractions of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

图3 吉木萨尔凹陷芦草沟组6类岩性的岩心及铸体薄片Fig.3 Core and cast thin sections of six lithologies of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

3.2 岩性解释模型建立

在上述6类主要岩性的矿物及元素分析和标定的基础上，为了随钻现场能够开展岩性快速识别，需要建立以不同元素质量分数交会的岩性解释模型，辅助开展地质导向工作。通过岩心、铸体薄片和XRD标定6类主要岩性，然后开展6类岩性与各种元素质量分数交会，再通过对多个交会图进行分析，优选出相关性和区分度最好的交会图作为岩性解释模型。

对w(Si)-w(Mg)、w(Al)-w(Mg)、w(Mg)-w(Ca)和w(K)-w(Mg)交会图(见图4)分析发现，在研究区矿物所含的Si、Al、K、Ca、Mg等主要元素中，K元素主要来自于陆源碎屑的长石之中，其用于区分陆源碎屑类岩性效果较好，而Mg元素与碳酸盐岩类白云石质量分数的对应关系较好，因此代表陆源碎屑组分的K元素与代表碳酸盐岩组分的Mg元素交会区分6类岩性的效果最好(见图4(d))；而Al元素主要来自于陆源碎屑的长石和黏土矿物，与矿物对应关系不明显，w(Si)变化很大，Ca元素在陆源碎屑胶结物与碳酸盐岩中共同存在，用于区分岩性可靠性较差。通过w(K)-w(Mg)交会图可以识别研究区的6类主要岩性，进一步研究发现，长石岩屑砂岩、云质砂岩、砂质白云岩、粉细砂岩属于含油气储层岩性类，泥岩、泥晶白云岩属于非储层岩性类。

图4 吉木萨尔凹陷芦草沟组基于元素质量分数交会的岩性解释模型Fig.4 Lithological interpretation model based on element mass fraction intersection of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

4 导向控制点及其特征

研究区“甜点”层厚度薄(0.5～2m)，对于确定随钻水平井轨迹存在较大难度。利用已有完钻井测井资料或直接看岩心、岩屑资料都很难直接区分该套混积岩的岩性，现场迫切需要建立水平井导向控制点以帮助精确预测和调整水平井钻井轨迹。基于此，笔者对研究区典型井进行了岩性的系统解释与处理，利用XRF技术开展了研究区元素录井特征分析。研究发现，不同导向控制点的元素特征明显，其对应不同的岩性特征，研究区6个水平井导向控制点的元素特征如表2所示。

表2 吉木萨尔凹陷芦草沟组水平井导向控制点元素特征Table 2 Element characteristics of horizontal well geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

1)1#导向控制点及其特征。1#导向控制点是水平井进入上“甜点”层前的重要参考导向点(见图2)，根据元素曲线特征发现，具有高的w(Si)、w(P)，低的w(Ca)、w(Mg)的特点，主要为一套生物化石(鱼化石)质量分数很高的粉砂质泥岩沉积(见图5(a)、(b))，含油气级别显示为油斑级别。综合分析发现，因其主要为陆源碎屑岩，因此代表陆源碎屑岩的w(Si)较高，达72.2%，而代表碳酸盐岩的w(Ca)、w(Mg)则非常低，分别为8.2%、1.7%。同时，因其含有生物化石，w(P)较高，为2.5%，是一个明显的识别标志层点。

图5 吉木萨尔凹陷芦草沟组导向控制点薄片特征Fig.5 Slice characteristics of geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

图6 吉木萨尔凹陷芦草沟组导向控制点XRD矿物分布特征Fig. 6 XRD mineral distribution characteristics of geosteering control points of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

2)2#导向控制点及其特征。2#导向控制点是水平井进入上“甜点”层后的重要参考导向点(见图2)，根据元素曲线特征发现，具有极高的w(K)、w(Si)、w(Al)，低w(Ca)、w(Mg)的特点，主要为一套长石岩屑砂岩(含钾长石)(见图5(c))，含油气显示为荧光级别。综合分析发现，因其主要为陆源碎屑岩，故代表陆源碎屑岩的w(Si)非常高，可达70.6%，代表碳酸盐岩的w(Ca)、w(Mg)则非常低，分别为1.5%、1.2%。同时，因其含钾长石，其w(K)较高，达4.1%，为一个比较明显的识别标志层。通过XRD矿物分析也可以较好地区别出来，其斜长石质量分数较高(见图6(a))，远远高于其他层位。

3)3#导向控制点及其特征。3#导向控制点是水平井出上“甜点”层后的重要参考导向点(见图2)，根据元素曲线特征发现，具有高w(K)、w(Si)、w(Al)，极高w(Fe)，低w(Ca)的特点，主要为一套粉砂岩(见图5(d))，含油气显示为油浸级别。综合分析发现，因其主要为陆源碎屑岩，因此代表陆源碎屑岩的w(Si)较高，达66.14%，代表碳酸盐岩的wCa)、w(Mg)则非常低，分别为4.4%、3.84%。同时，因其含有钾长石，其w(K)较高，为3.05%，是一个比较明显的识别标志层。通过XRD矿物分析也可以较好地区别出来，其斜长石质量分数较高(见图6(b))，远远高于其他层位。

4)4#导向控制点及其特征。4#导向控制点是开发上“甜点”层的重要参考导向点(见图2)，根据元素曲线特征发现，具有高w(Ca)、w(Mg)，低w(Si)、w(Al)的特点，主要为一套白云岩，含油气级别显示为油斑级别。综合分析发现，因其主要为碳酸盐岩，代表碳酸盐岩的w(Ca)、w(Mg)非常高，分别为24.49%、12.25%。

5)5#和6#导向控制点，因其不在开发的主力层段附近，因此不作为该次研究的重点。

5 应用实例

图7 吉木萨尔凹陷芦草沟组实钻井水平段导向控制点轨迹分析(JHW00a井)Fig.7 Trajectory analysis of geosteering control points in horizontal section of actual drilling of Lucaogou Formation in Jimsar Sag (well JHW00a)

4)从2938～3162.0m回调阶段与上面构成完整的对称曲线(棕色箭头线)(A5、A6点)，两次钻遇4#导向控制点(见图7(a)、(b))。

综上所述，通过XRF元素录井技术分析其元素特征(见图8)，可以对水平井钻遇元素特征进行分析，进而通过元素交会图版对其钻遇岩性进行快速识别，以辅助生产水平井的高效地质导向。

图8 吉木萨尔凹陷芦草沟组实钻井XRF元素录井分析Fig.8 XRF element logging analysis for actual drilling of Lucaogou Formation in Jimsar Sag

6 结论

1)基于岩性分类及标定结果，建立了基于XRF元素录井的交会图版来解释混积岩岩性。6种典型混积岩岩性可以利用代表碳酸盐岩的w(Mg)与代表陆源碎屑的w(K)交会图版区分。

2)基于XRF密集取样形成的连续曲线数据，总结了研究区1#～6#导向控制点的元素特征，特别对1#～4#导向控制点的元素及矿物质量分数特征进行了详细描述，为水平井地质导向奠定了良好的基础。

3)通过实钻井的XRF元素录井，结合基于元素交会的岩性解释图版，可以快速岩性识别，明确钻井的轨迹位置，对水平井准确命中靶点及井轨迹调整具有重要的指导意义。