岩屑伽马能谱录井技术在准噶尔盆地南缘地区的应用

刘庆山 王 新 白殿刚 刘 朔 毛勇军 李长洪 李 晨

(①中国石油渤海钻探第一录井公司；②中国石油大港油田公司第四采油厂；③中国石油渤海钻探第二录井公司)

0 引 言

准噶尔盆地南缘西段受燕山运动影响，侏罗系-白垩系地层发育不连续，构造活动频繁，在正常层序基础上存在不同程度的变形、剥蚀，导致区域性地层复杂程度高，为探索准噶尔盆地南缘冲断带霍玛吐背斜带安集海背斜圈闭下组合含油气性，突破以安集海背斜为代表的走滑背斜型目标，在此区域设立风险探井。作为该构造区块的第一口风险探井，邻区资料可参考性弱，在钻井过程中，可能钻遇未知地质条件，钻井施工风险增大。及时准确提供可靠的现场录井地质资料、识别区分地层岩性，预测地质风险，是保障施工安全的关键。仅仅依靠传统录井手段难以满足对现场关键细小层位判别的需求，尽管元素录井技术能够通过硅(Si)、铝(Al)、钙(Ca)、铁(Fe)等元素组合进行区分，但由于新区块数据库资料匮乏，对新地层的认识不全面，其对细小关键层位的判别所能发挥的作用有限。岩屑伽马能谱录井技术的应用在一定程度上提高了录井现场地质资料的可参考性，为地质工程一体化的实时决策提供了充分依据。

1 区域地质概况

1.1 地质构造特征

准噶尔盆地位于准噶尔地块中部，被哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块和塔里木古板块环绕，内部构造稳定，从石炭世到第四纪沉积连续，其中在侏罗世-白垩世有两次主要的构造活动，分别为晚印支运动和燕山运动[1-2]，此次探井位于所处的安集海背斜受控于天山山前冲断带。

受燕山运动影响，在侏罗系-白垩系准噶尔盆地南缘以坳陷型盆地为主，由隆坳间的河流三角洲相转为统一的大型内陆湖盆，陆相沉积为主，湖盆发育。在此期间的两次区域性构造运动是：燕山Ⅰ幕运动在中侏罗世末期，以盆地整体上隆水退为特点，在盆地边缘形成了局部的西山窑组与头屯河组之间角度不整合；燕山Ⅱ幕运动，大致在晚侏罗世，整体上隆伴随基底断裂，上侏罗统的齐古组、喀拉扎组遭受的剥蚀程度不一[3-6]，探井所处的安集海背斜上侏罗统剥蚀严重，从中侏罗统头屯河组直接沉积了早白垩下统的清水河组。

1.2 沉积环境与沉积相分析

准噶尔盆地南缘沉积相发育程度和时空展布在侏罗-白垩纪不同时期均有所不同。早侏罗世沉积物源背景相对稳定，原始沉积边界距现今最远；而自中侏罗世开始受控于车莫古隆起演化影响，北部物源得以加强，同时地层发育不均衡并存在不同程度的剥蚀现象；晚侏罗世开始至早白垩世，周缘沉积岩系山体隆升不断加大，结晶变质岩系山体物源供给受到阻隔，沉积边界也随之逐渐萎缩，这一时期北部物源可为优势物源，准噶尔盆地南缘整体处于“填平补齐”状态，齐古组在安集海背斜所处的天山山前地区不发育，下白垩统清水河组沉积前与下部地层为平行不整合，故地层产状相近[7-9]。

侏罗系地层以发育扇三角洲-辫状河三角洲-河流湖沼-滨浅湖成因的砂砾岩、砂岩、泥岩及煤层为特征，而下白垩统清水河组则表现为辫状河三角洲砂砾岩、砂岩及滨浅湖-半深湖暗色泥岩沉积[10-13]，具体如图1所示。

图1 准噶尔盆地南缘中断带安集海地区侏罗系-白垩系沉积相及物源分析

2 岩屑伽马能谱录井技术原理

U、Th、K作为天然放射性元素，具有稳定、指示性强的特点，通过传感器对岩样中所含的放射性元素发出的能谱进行识别，得到放射性元素的混合谱，再通过能谱解析将U、Th、K识别出来[14-15]，从而获得岩样的原始数据：铀(U，单位为μg/g)、无U伽马(CGR，单位为API)、钍(Th，单位为μg/g)以及钾(K，单位为μg/g)，根据研究目的再经过整理组合，得到Th/K、Th/U等参数值比较分析[11]。该录井技术多用于页岩气储层的判别，辅助水平井地质导向以及自然伽马能谱录井。本文主要应用于岩性与沉积环境的判别，辅助卡层取心、地层对比，提高现场地质资料的可参考性，进而为现场地质工程一体化工作决策提供相关依据，降低钻井风险。

3 岩屑伽马能谱录井技术分析方法

3.1 U、Th、K数据获取

对某风险探井从5 650～7 263 m逐米测量，共获取1 614个有效数据点。CIT-3600F型多道伽马能谱仪直接计算得到原始数据，对原始数据进行聚类分析以及投图，得出数据点群，通过前人资料以及实测剖面得到准噶尔盆地南缘地区沉积环境以及沉积相的整体认识，通过分析物源得出对应层位的U、Th、K分布特征，利用分析结果对地层岩性数据进行修正，辅助关键层位的卡层取心以及岩性定名。

3.2 U、Th、K在沉积盆地中的分布特征

U、Th、K在地层中的分布与地层岩性、有机物的含量以及地层水的活动有着密切的关系，为通过伽马能谱数据判别岩性、确定沉积环境提供了可能[16-17]。U、Th是两个地球化学性质相似的元素，在内生作用中它们经常以近似比例相伴而生。但是，在外生作用过程中，由于U、Th地球化学性质上存在差异，导致了U、Th的分离。

3.2.1 沉积岩中U、Th、K分布的主要控制因素

(1)U在外生作用过程中可氧化成铀酰离子(UO22+)，它在水中有很好的溶解度，Th则不具有这种特性。因此，在风化、淋滤过程中，沉积盆地物源区的U发生迁移，而Th则残留较多，故在底砾岩中U元素含量较低，Th元素含量较高，从而导致Th/U比值增大[18-19]。

(2)铀酰离子在还原环境，碳酸盐浓度中等的情况下，从溶液中沉淀出来，指示沉积中心的U元素含量会高于沉积盆地边界的氧化环境中的岩石。

整个下午，阿东都心情抑郁，他有一种对生活的无力感，他不知道自己应该怎么解决家里的事。他在办公室的电脑前，有些无聊地在网上转悠。处长让他查阅一点资料，他也做得不算尽心。处长翻着那些资料，目光敏锐，问他怎么回事，为什么会心不在焉？他犹豫片刻，还是说了父亲过地下通道摔倒的事。他说的时候，心内难过，声音低沉。

(3)黏土对于Th具有选择性吸附，故Th常富集于黏土，同时稳定矿物中的Th也是另一个重要来源。

(4)K作为一般地球化学元素，在沉积环境中广泛分布，类似Na易溶于水，通常在近岸浅水区K含量较高，而海洋的开阔部分K含量较少。沉积物中U、Th、K的分布在空间上显示出一定的规律性，通常U浓度向沉积盆地中心趋于增加，而Th、K相反，远离沉积中心趋于增加。

3.2.2 定量分析沉积岩的岩性[20]

(1)泥页岩-砂岩-碳酸岩，随着黏土矿物占比降低，U、Th、K含量以及Th/U比值有规律地递减。

(2)陆相沉积物中泥岩-粉砂岩-砂岩，U、Th、K含量和Th/U比值总趋势逐渐下降，K含量在砂岩中稍有增高。

(3)由于陆相沉积作用明显，泥岩中U浓度变化大，泥质粉砂岩的Th/U比值较低，而砂岩由于泥质含量减少，Th/U比值较高。

(4)沉积盆地在一段时期内稳定物源构成的沉积环境，会保持这一物源组合的U、Th、K和Th/U比值的固定特征，在物源发生转换时，会产生明显的变化。

4 岩屑伽马能谱录井技术的应用

4.1 卡层取心

晚侏罗世的基底上隆、地层剥蚀导致喀拉扎组、齐古组地层在安集海背斜不发育，故清水河组底取心标志层为清水河组与头屯河组不整合面上的底砾岩。在野外剖面上可以很清楚区分砂岩与砾岩，但由于高钻速低钻压的PDC钻头的应用使岩屑磨得粉碎，再加上油基钻井液的使用，使得返出岩屑很难辨别岩性，给卡层取心造成了一定的影响。

通过沉积环境分析，从晚侏罗世头屯河组为三角洲-滨湖相沉积，经构造运动盆地上隆，水体变浅，该期间齐古组、喀拉扎组被风化剥蚀，后经构造运动沉降，沉积清水河组。由图1可知，在此期间头屯河组底部的物源供给主要为克拉美丽山东部物源系、乌伦古北部物源系、德伦山北部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊尔山西部物源系、四棵树西南物源系、依林黑比尔根山南部物源系、博格达东南部物源系。随着地壳抬升盆地上隆，头屯河组顶部克拉美丽山东部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊尔山西部物源系逐渐减少，经历风化剥蚀后，重新沉积的清水河组的物源供给主要为克拉美丽山东部物源系、乌伦古北部物源系、哈拉阿拉特山西北部物源系、扎伊尔山西部物源系、博格达东南部物源系，与头屯河组顶部之间存在着明显的物源转换。

取心层位的底砾岩为典型的风化过程后的产物，与沉积环境以及物源密切相关的U、Th、K的含量存在明显变化。由表1、图2可知，清水河组-头屯河组顶部的Th/U平均值从由1.05升至3.46，TOC平均值从2.52%降至0.52%，U元素含量平均值从7.35 μg/g降至1.64 μg/g，Th元素含量平均值从7.13 μg/g降至5.25 μg/g，K元素含量平均值从1.38 μg/g降至1.24 μg/g。前文揭示风化过程会导致U元素的明显流失以及Th/U比值升高和黏土含量降低，进而导致Th元素含量减少，TOC表明水体中总有机物的含量，在风化过程中有机物含量大量减少，故高Th/U、低TOC、低U值、低Th值可作为底砾岩的识别特征。

表1 各层位岩屑伽马能谱特征值

图2 清水河组-头屯河组岩屑伽马能谱录井综合图

通过岩屑伽马能谱录井数据的实时更新，对U、Th元素含量、Th/U比值以及TOC数值快速对比，精确地识别出底砾岩所处位置，从而确定取心位置。最终岩心取心率100%，砾岩比例84%，荧光显示良好，从岩心可以清楚分辨清水河组底部砂砾岩(图3a)过渡至头屯河组顶部泥岩(图3b)，较好完成了取心目标，为后期的地层界定提供了准确详实的实物资料。

图3 岩心图片

4.2 岩性定名

K元素与泥质含量呈负相关，Th元素近岸含量高，而U元素则越靠近沉积中心越富集。通过分析沉积环境可知，砂岩多发育于河流相，泥岩含量较低，从三角洲相过渡至滨湖相，随着泥质含量增高，从泥质粉砂岩、粉砂质泥岩过渡为泥岩为主。泥岩过渡为砂泥岩的U、Th、K表现特征为U元素含量逐渐降低，Th元素含量逐渐升高，K元素含量逐渐升高，Th/U比值逐渐身高(表2)，据此可以对过渡性细小地层的岩性进行精准把握。

表2 各岩性伽马能谱特征值

准噶尔盆地南缘地区侏罗世中期，构造活动频繁，存在多次物源转换，导致头屯河组-西山窑组整体沉积环境多样，以辫状河流和三角洲相为主，存在多套细小的砂泥互层。结合U、Th、K在不同岩性中的特征以及本地区沉积环境对U、Th、K的影响，通过对所得到的岩屑伽马能谱数据进行分类整理，划分出泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩的U、Th、K的典型特征值(图4)，为岩性判别、地层的整体划分以及沉积相的识别提供重要依据。

图4 头屯河组-西山窑组岩屑伽马能谱录井综合图

5 结 论

(1)应用岩屑伽马能谱录井技术，辅助指导现场卡层取心、岩性定名取得了良好的实践效果。岩屑伽马能谱录井技术的应用显著提高了对岩性的识别划分效率和准确度，为准噶尔盆地南缘地区深部地层钻井施工提供了地质理论支撑。

(2)卡层取心的关键因素是对目标层位的沉积环境变化与构造在岩性上的趋势的及时反馈，从而实现准确卡取目标层位。通过岩屑的U、Th、K含量对沉积环境以及物源的响应，准确识别地层界限，为卡层取心作业提供参考依据。

(3)不同岩性的U、Th、K含量的变化，为沉积环境复杂、岩性变化不明显、区分度不高的细小岩层岩性定名提供重要依据。