兴隆台古潜山面元素录井识别方法研究及应用

沈柏坪 王 琦 田士伟 杨志博 段志勇 徐守辉

(①中国石油长城钻探工程有限公司录井公司；②中国石油长城钻探工程有限公司苏里格气田分公司)

0 引 言

随着勘探开发的不断深入，古潜山油藏已经成为辽河油田勘探开发的重点目标之一[1]。古潜山的勘探、开发已经成为辽河油田增产、上储的主要增长点。其中，兴隆台古潜山油藏是辽河油田发现最早、最有潜力的古潜山油藏[2]。兴隆台古潜山属于复合潜山，具有双层结构，由太古界结晶基底与中生界沉积岩、火山岩构成[3]。受地质构造和沉积影响，中生界底部的角砾岩主要来源于太古界潜山，其岩性特征与潜山岩性几乎一致，常规录井对兴隆台古潜山面的卡取存在困难。传统现场录井主要依据岩屑，并结合钻进时的工程参数判断潜山地层，由于潜山不同部位遭受风化剥蚀的强度和程度不同，不同井其岩屑、工程参数特征并不一致，导致潜山面卡取的准确率偏低。在复杂井，甲方需要通过取心来落实岩性、判断地层，延长了建井周期，增加了钻进成本。为了解决这个难题，在兴隆台古潜山开展了元素录井技术研究。研究初期，通过对元素数据和地质特征的归纳，总结了一套基于元素参数判别兴隆台古潜山面的方法[4]，但是随着兴隆台古潜山勘探范围的不断扩大，原来的判别标准已经不再适用于复杂的兴隆台古潜山。随着对兴隆台古潜山地质特征的深入认识及元素数据的深度挖掘，建立了元素拟合电阻率曲线的方法、风化指数法，形成了拟合电阻率、风化指数二维参数识别潜山面的标准，并在兴隆台古潜山油藏开发中取得了较好的效果。

1 区域概况

1.1 兴隆台潜山带构造特征

兴隆台古潜山带位于辽河坳陷西部凹陷中段，西接盘山洼陷，东临冷家断阶带，南靠清水洼陷，北部为陈家洼陷，为典型的“洼中之隆”[5]。 在太古宙时期，兴隆台古潜山为辽河坳陷中央凸起的一部分，总体呈东西展布、南北洼隆相间格局。中生代早期，南北大断裂活动使得该区相对隆起，形成潜山雏形。沙三时期为裂谷演化期，潜山与中央凸起断裂加深并逐渐脱离，成为西部凹陷的一部分。喜山期，在近北东-南西向的拉张力作用下，形成了北西向断层，控制了潜山展布。最终形成了受北东-南西向、近东西向断裂控制，向北、向南倾伏，沿北东向呈条带展布的背斜隆起潜山带[6]。

1.2 兴隆台潜山带地层特征

兴隆台潜山带自下而上主要发育太古界，中生界，古近系东营组、沙河街组，新近系明化镇组、馆陶组及新生界第四系平原组地层。

兴隆台古潜山太古宇地层主要由变质岩与岩浆岩组成，变质岩以区域变质岩与混合岩为主。

变质岩岩性主要分为两类：一类是以浅色矿物为主的黑云母斜长片麻岩、混合花岗岩(花岗片麻岩)，该类岩石长英质矿物较多，脆性较高，在构造应力作用下，易产生裂缝，为优势储集岩；另一类是以暗色矿物为主的角闪岩、斜长角闪岩，该类岩石韧性较强，不易产生裂缝，为非储集岩。岩浆岩主要发育中酸性火山岩岩脉及基性煌斑岩岩脉，以层状分布于潜山内部，这类裂缝不发育，往往为封隔层。

中生界岩石类型多样，储集空间类型丰富，主要储集岩为砂砾岩、角砾岩和火山岩[7-9]。

2 元素录井技术

对兴隆台潜山带研究井的岩屑样品进行X射线荧光光谱分析，获取了其岩石化学组分数据。通过对获取的岩石化学数据进行挖掘，拟合岩石骨架电阻率参数；根据太古宇潜山的风化特征，建立风化指数和特征元素比值参数，进而形成了一套三维参数识别潜山面的方法。

2.1 拟合岩石骨架电阻率参数

兴隆台古潜山岩石致密，导电性差，电阻率高，主要岩性为混合花岗岩、片麻岩、斜长片麻岩、花岗岩，而中生界角砾岩及上部沉积岩，由于孔隙发育，其导电性好，电阻率低。因此，通过电性特征可以识别潜山。太古宇潜山变质岩与中生界沉积岩，均由石英、长石、角闪石、黏土等矿物组成，主要差别是矿物的含量不同。不同矿物其电阻率不同，由不同矿物含量组成的岩石，其岩石骨架电阻率也必然不同(表1)。长英质浅色矿物主要由Na、K、Ca、Al、Si等元素组成，其电阻率较高；暗色矿物主要由Al、Si、Fe、Mg、Cr、Ti等元素组成，其电阻率较低。

表1 常温下常见矿物的电阻率

对兴隆台潜山带研究井潜山上覆角砾岩和潜山混合变质岩的元素特征进行统计，利用ReliefF算法，根据各个特征和类别的相关性赋予特征不同的权重，权值越大表示该特征对样本的区分能力越强。通过设置阈值可以选择新的特征子集，提取敏感参数。选出相关性好的元素作为主要考量元素，相关性一般的元素作为次要元素。该研究区与岩性高度相关的元素为Na2O、∑Fe2O3、Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、CaO、K2O，最终得出拟合岩石骨架电阻率参数(图1)。

图1 岩性权重元素分布

拟合岩石骨架电阻率=a1WNa2O+a2W∑Fe2O3+a3WAl2O3+a4WSiO2+a5WMgO+a6WTiO2+a7WCaO+a8WK2O+常数

式中：a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8为系数；W为岩石化学成分百分含量(重量百分比)，%。

通过与测井深浅侧向电阻率对比，拟合岩石骨架电阻率曲线变化趋势与测井电阻率一致，在进入潜山面时，拟合电阻率值大幅增大，变化比较明显。在X 2井中，通过拟合电阻率曲线可以看出(图2)，井深4 306.00 m起电阻率值明显升高，判定进入潜山。由于潜山顶部风化强度不同，其岩石成分较复杂，只通过拟合电阻率曲线难以有效判别。因此，引入了风化指数参数。

图2 X 2井拟合电阻率曲线变化

2.2 风化指数和特征元素比值

兴隆台太古宇潜山在地质历史时期长期暴露地表，经过长期的风化淋滤作用，形成了较厚的风化壳。在不同的构造部分，由于遭受的风化强度不同，其形成的风化壳厚度也有所不同。为了衡量风化强度，引入风化指数用于表征岩石风化程度，一般情况下为岩石中相对稳定的矿物或元素含量与易流失的矿物或元素含量的比值。通过风化指数，可以了解潜山中的相对位置，卡取潜山面。

在母岩的风化过程中，岩石中的矿物抗风化能力存在较大差异性，与之相应地发生元素的迁移与富集。活性元素如Na、K、Mg 、Ca等容易受流体的迁移而流失，惰性元素如Si、Al、Fe、Mn、Ti等由于活性较弱容易残留在风化壳中，形成元素的相对富集。为了表征风化作用的强度，国内外学者根据岩石中元素的流失和迁移特性，提出了不同的风化指数计算公式，如：Vogt根据富集元素与活性元素的关系在1927年提出了威格特残积指数V；Parker根据活性元素的迁移情况在1970年提出了风化指数IWP；Ruxton根据硅铝比在1986年提出了风化指标R；Harnois在1988年提出了化学风化指数ICW；Fedo通过研究斜长石的蚀变规律在1995年提出了斜长石蚀变系数IPA。前人基于活性元素与惰性元素的关系，根据(Na+K+Ca)/Al来计算风化指数。

在兴隆台古潜山带，太古宇潜山主要岩性为混合花岗岩和花岗片麻岩，其矿物组成以长石为主，石英次之，云母含量最少。长石分为钾长石和斜长石，其化学成分分别为K[AlSi3O8]和(Na,Ca)[AlSi3O8]；石英化学成分为SiO2；黑云母化学成分为K(Mg,Fe)3[AlSi3O10](OH)2。在风化淋滤阶段，长石、云母抗风化能力较弱，容易发生蚀变，长石主要蚀变为高岭石，其化学式为Al4Si4O10(OH)8，这一过程中Na、K元素发生迁移，而Al元素发生富集；黑云母蚀变为绿泥石，其化学式为(Mg,Fe)5Al[AlSi3O10](OH)8，这一过程中，K元素发生流失；石英抗风化能力较强，一般原地富集。根据矿物的蚀变机理和兴隆台古潜山的地质特征，提出了该地区的风化指数IW以及Al/Na、Al/K，并划分了风化带的识别范围，IW越大， Al/Na和Al/K值越小，则风化程度越低；Iw越小， Al/Na和Al/K值越大，则风化程度越高(表2)。

IW=f(Na2O、MgO、K2O、CaO、Al2O3)

在实钻过程中，通过风化指数IW以及Al/Na、Al/K比值可以较好地识别潜山。在潜山上覆角砾岩地层，风化指数IW与Al/Na的交会曲线中，IW为低值，而Al/Na、Al/K为高值；进入潜山后，IW为高值，而Al/Na、Al/K相对降低。

表2 岩石风化指数计算公式及界限值

例如X 9井中(图3)，根据IW、Al/Na、Al/K参数识别，井深4 048.00 m起IW值升高，而Al/Na、Al/K降低，判定进入潜山。

图3 X 9井风化指数录井图

2.3 潜山面卡取标准

由于兴隆台古潜山带上覆中生代角砾岩化学成分与下伏潜山几乎一致，加之风化作用导致潜山风化壳的存在，使得潜山面的卡取十分困难。对此，只通过拟合电阻率曲线或者风化指数，都难以卡准潜山面。通过对兴隆台古潜山17口井拟合电阻率曲线与风化指数的总结分析，形成一套适用于兴隆台古潜山面卡取的标准(表3)。

表3 兴隆台古潜山判别标准

3 应用效果

通过对研究区目标井进行拟合电阻率、风化指数参数法的计算、分析所建立的潜山面综合判别标准在生产中得到了很好的运用。在兴隆台古潜山带应用的16口井中，除一口井(X 4井)误差较大(比测井深12 m)外，其余都在误差范围(3 m)之内，潜山面卡取的准确率高达93.75%(表4)。

表4 元素识别潜山面与测井识别潜山面对比

在X 6井随钻施工过程中，在井深4 172 m，拟合电阻率曲线突然抬升；Al/Na值逐渐减小，IW值逐渐升高，并出现交会；Al/K值逐渐减小。判断进入潜山地层，根据测井曲线定潜山面为4 170.2 m，元素识别潜山面井深比测井深1.8 m(图4)。

图4 X 6井元素录井图

4 结 论

通过对兴隆台潜山带区域元素数据的分析、研究，总结了兴隆台古潜山的元素规律，得出以下结论：

(1)利用元素数据进行潜山面的识别是可行的。通过元素数据，采用线性相关法拟合岩石骨架电阻率曲线，可以识别兴隆台古潜山面。

(2)根据兴隆台古潜山的岩性特征、矿物的风化剥蚀规律，提出了风化指数IW以及Al/Na、Al/K，通过这三个风化指数参数，也可以识别兴隆台古潜山面。

(3)由于潜山面遭受长期的风化淋滤作用，潜山面电性特征及化学特征十分复杂，根据单一参数识别潜山面，准确率不高。为此建立了电阻率、风化指数、Al/Na和Al/K综合判别标准。潜山带的拟合电阻率大幅升高，一般大于500 Ω·m。风化指数IW与Al/Na的交会曲线中，IW为高值，Al/Na、Al/K为低值，IW与Al/Na发生交会。

(4)基于元素的潜山面综合判别法在兴古潜山取得较好效果，潜山面卡取的准确率达93.75%，为辽河油田兴隆台古潜山界面的准确卡取提供了技术保障。