XRF元素录井技术在鄂尔多斯盆地西缘乌拉力克组页岩储层识别评价中的应用

刘有武 杨春龙 曾志勇 孟繁涛 张培鑫

(中国石油长城钻探工程有限公司录井公司)

0 引 言

近年来随着天然气在能源结构中占比不断加大，页岩气逐渐成为国内重要的天然气来源，并且进入了勘探开发的黄金阶段[1]。随着四川盆地及周缘奥陶系五峰组-志留系龙马溪组页岩气勘探开发的成功[1-2]，全国多地掀起了勘探开发海相页岩储层的热潮。鄂尔多斯盆地海相页岩气勘探仍处于持续探索阶段，主要针对盆地西部地区中奥陶统乌拉力克组泥页岩层[3]。由于下古生界奥陶系出露层位不同，笔者通过查阅相关文献发现，目前国内学者对鄂尔多斯盆地西缘石炭系下伏奥陶系地层出露规律未能形成统一的认识[4-5]，导致钻井现场常规录井手段很难准确划分下古生界拉什仲组、乌拉力克组层位。乌拉力克组页岩储层属于非常规储层，现场地化录井技术只能完成烃源岩有机质丰度的分析和评价，而脆性和孔隙度等储层物性参数往往依靠完井、测井来获取，现场缺乏行之有效的脆性、孔隙度评价手段，导致钻井现场乌拉力克组优质页岩储层识别及随钻储层评价工作未能及时开展，影响了整体的钻探效果。

针对以上技术难题，通过XRF元素录井选取Si、Al、Mg、Ca特征元素进行曲线组合交会，结合特征元素比值、生物硅区别和划分拉什仲组和乌拉力克组，实现准确卡取乌拉力克组底部优质页岩储层的功能；运用XRF元素录井技术中的生物硅(SiO2生物)、页岩脆性指数(BI)、有机质丰度指数(OI)3项参数结合创建乌拉力克组页岩储层元素评价标准。本研究解决了乌拉力克组层位划分及其底部优质页岩储层识别和随钻储层评价难题，可以为钻探工区目的层精准卡取、钻探优质储层提供更多的参考依据，对工区中奥陶统乌拉力克组海相页岩储层钻探开发工作能起到很好的辅助作用。

1 地质背景

中-晚奥陶世时期，全球海平面大幅上升，鄂尔多斯盆地西部地区克里摩里期到乌拉力克期是一个海平面持续上升的过程，在乌拉力克早期发生快速海侵，出现了奥陶纪最大海泛事件；同时乌拉力克期为构造活跃期，盆地东部抬升，西部地区发生明显的差异沉降[5]；古地理及构造运动同时作用在盆地天环坳陷及西缘冲断带，形成一个由东至西水体逐渐加深的镶边陆缘海沉积环境，发育深水斜坡相-广海陆棚相-盆地相沉积体系。前人研究表明[6]，乌拉力克组优质页岩主要在鄂尔多斯盆地西缘中北段深水斜坡的低洼带较发育(图1)。晚奥陶世在加里东构造运动影响下，鄂尔多斯盆地西部古隆起大幅抬升，导致前石炭纪及部分地区的晚奥陶世地层遭受强烈的剥蚀[7]。复杂的古地理环境、构造运动、地质作用背景导致鄂尔多斯盆地西部普遍存在乌拉力克组上覆地层不固定、乌拉力克组厚度差异较大的异常现象。

图1 鄂尔多斯盆地西缘中北段乌拉力克期岩相古地理图

2 研究方法

2.1 样品分析及数据处理

本次研究选取位于鄂尔多斯盆地西缘天环坳陷中北段的A、B、C、D共4口井作为研究井，在研究井北偏东及南面低洼带各选一口井(E井、F井)作为应用效果验证井。样品均为现场捞取的岩屑样，岩屑捞取及烘干执行Q/SY 01128-2020《录井资料采集处理解释规范》；XRF元素录井设备的安装、校验以及样品的制作和分析执行Q/SY 1862-2016《元素录井技术规范》。样品分析间距为1点/m，每个样品分析34种元素，包括Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe共14种主元素和20种微量元素。根据XRF元素录井技术分析所得元素及矿物相对百分含量，对岩性进行定名解释[8]。

2.2 研究思路及方法

首先，根据完井后测井自然伽马及深感应、中感应电阻率对元素数据进行深度校正，绘制以羊虎沟组顶煤拉平对齐的XRF元素录井技术多井对比(图2)。通过对比图查找4口研究井中拉什仲组与乌拉力克组各层位元素特征及变化规律，筛选出SiO2、Al2O3、MgO、CaO共4种特征成分，并对其进行曲线组合和数据相比处理。为了更加准确地识别乌拉力克组优质储层并进行随钻储层评价，本研究选取与页岩储层评价密切相关的生物硅(SiO2生物)、页岩脆性指数(BI)和有机质丰度指数(OI)作为综合评判指标。

图2 XRF元素录井技术多井对比及随钻储层评价

海相页岩中包含4类石英即陆源碎屑石英、生物遗骸转化形成的自生石英、黏土矿物转化形成的陆源石英次生加大部分石英、黏土矿物转化形成的纳米级石英颗粒[9]。前人研究表明，石英总量与页岩脆性和孔隙度呈正相关，而4类石英中的生物石英含量与有机碳含量呈正相关，因此生物石英含量越高说明页岩储层综合物性越好。页岩储层研究中将高于正常陆源碎屑成因的SiO2含量称为生物硅(SiO2生物)，也称之为过量硅，其计算公式如下[10]：

SiO2生物=SiO2样品-(SiO2/Al2O3)背景×Al2O3样品

式中:SiO2生物为XRF元素录井技术计算所得生物硅相对百分含量，%；SiO2样品为实测样品的SiO2相对百分含量，%；(SiO2/Al2O3)背景为陆源碎屑沉积形成的页岩中SiO2和Al2O3之比，本研究采用页岩中二者平均比值3.11；Al2O3样品为实测样品的Al2O3相对百分含量，%。

脆性是影响地层可压裂性的重要因素，是评价工程甜点的重要指标[11]。在前人提出的利用元素成分评价海相页岩脆性方法[12]的基础上，本研究运用XRF元素录井技术反演所得矿物含量，通过矿物组分法建立乌拉力克组页岩脆性指数(BI)计算方法。

式中:W石英、W方解石、W白云石、W黏土分别为XRF元素录井技术反演计算得到的石英、方解石、白云石、黏土矿物相对百分含量，%。需要注意的是，本研究只对页岩储层进行脆性评价，因此当W方解石与W白云石之和超过50%即主岩性为碳酸盐岩时，公式不进行脆性指数计算，此时BI默认为0。

有机质丰度指数(OI)与页岩中有机质丰度呈正相关关系，而有机质丰度又与油气的产出有着密切的联系[13]。本研究使用的有机质丰度指数公式为：

OI=SO3/Al2O3

式中: SO3、Al2O3为样品实测岩石化学百分含量，%。

页岩储层评价方法步骤：(1)将归位后的数据按上列各式分别处理得到对应的生物硅、页岩脆性指数、有机质丰度指数；(2)与测井解释结论进行对比，确定各类储层对应评判指标的参数范围；(3)综合生物硅、页岩脆性指数、有机质丰度指数3项参数指标，建立乌拉力克组XRF元素录井技术页岩储层评价标准。

3 乌拉力克组层位卡取方法及页岩评价标准

3.1 岩石化学特征规律总结实现层位准确卡取

本次研究选取鄂尔多斯盆地西缘深水斜坡低洼带的A、B、C、D共4口井进行乌拉力克组上下层位划分及优质页岩储层识别和随钻储层评价展示。首先是层位划分，通过XRF元素录井技术多井对比及随钻储层评价图(图2)可以得出：拉什仲组中CaO/MgO曲线整体上比乌拉力克组要高一个台阶；SiO2在乌拉力克组底部有逐步上升趋势，SiO2与Al2O3曲线组合在乌拉力克组中下部开始出现分异且越接近乌拉力克组底分异程度呈现越大的趋势；同时SiO2生物在进入乌拉力克组中下部后也出现明显上升，并在乌拉力克组底部达到最大值。现分别对A、B、C、D 4口井的拉什仲组、乌拉力克组、克里摩里组3个层位岩石化学百分含量及比值进行统计，结果如表1。

表1 研究井部分层位岩石化学特征数据平均值统计

通过表1可以得出以下规律：

(1)4口研究井中B井和C井拉什仲组研究数据缺失，A井与D井拉什仲组SiO2平均含量变化范围为46.76%～48.50%，4口井乌拉力克组SiO2平均含量变化范围为57.12%～65.67%，克里摩里组SiO2含量变化范围为14.95%～32.34%，3个层位中乌拉力克组的SiO2平均含量最高。

(2)A井与D井拉什仲组Al2O3含量变化范围为11.35%～12.34%，4口研究井乌拉力克组Al2O3平均含量变化范围为11.76%～13.66%，克里摩里组Al2O3含量变化范围为2.55%～4.11%，3个层位中拉什仲组和乌拉力克组的Al2O3含量相当，均为克里摩里组Al2O3含量的3～5倍。

(3)A井与D井拉什仲组CaO/MgO比值变化范围为6.79%～7.49%，4口研究井乌拉力克组CaO/MgO比值变化范围为2.45%～4.19%，克里摩里组的CaO/MgO比值变化范围为11.60%～88.28%，3个层位中乌拉力克组的CaO/MgO比值最小，克里摩里组CaO/MgO比值呈现异常高值。

(4)A井与D井拉什仲组SiO2生物平均含量9.65%～9.90%，4口井乌拉力克组SiO2生物含量变化范围为16.07%～23.20%，克里摩里组SiO2生物含量变化范围为0.44%～8.28%，3个层位中拉什仲组的SiO2生物较低、波动范围较小，乌拉力克组的SiO2生物最高，克里摩里组的SiO2生物变化范围较大，其含量的变化与层位中泥页岩的发育程度相关。

总结以上4点规律可以得出以下结论：拉什仲组具有中高SiO2、Al2O3、CaO/MgO，低SiO2生物特征；乌拉力克组具有高SiO2、高SiO2生物，低CaO/MgO特征；克里摩里组具有高CaO/MgO，低Al2O3特征。再结合多井XRF元素录井技术对比图(图2)可以看出:拉什仲组的CaO/MgO曲线整体要比乌拉力克组高一个台阶，在拉什仲组中CaO/MgO曲线基本有两个大的隆起，拉什仲组以最后一个CaO/MgO曲线隆起下降点作为底界，而克里摩里组CaO/MgO曲线呈现异常高值现象；SiO2与Al2O3曲线组合在乌拉力克组中下部开始出现交会充填；SiO2生物在乌拉力克组中下部开始出现逐渐抬升趋势，在乌拉力克组底部位置SiO2生物达到最高值。依据以上规律,XRF元素录井技术在现场可以准确划分拉什仲组、乌拉力克组、克里摩里组层位，并能实现准确卡取乌拉力克组底部优质页岩储层。

3.2 乌拉力克组页岩储层的识别与评价

接下来利用4口研究井展示乌拉力克组页岩储层识别及随钻储层评价技术。首先，分别计算出A、B、C、D井对应的生物硅、页岩脆性指数、有机质丰度指数。先由A井测井解释结论中的气层查找对应层段各储层评价指标数值范围，再根据其余3口研究井(B、C、D井)对评判指标范围进行修正。同样的方法，由A井测井解释结论为干层、含气水层的层段查找各储层评价指标的范围，再根据其他研究井进行范围修正。最终得到XRF元素录井技术乌拉力克组页岩储层评价标准(表2)。评价标准将乌拉力克组页岩储层分为好和差两类。当生物硅、页岩脆性指数、有机质丰度指数同时满足好储层标准时储层级别为好；当生物硅、页岩脆性指数、有机质丰度指数同时满足差储层标准时储层级别为差；当生物硅、脆性指数、有机质丰度指数任何一个指标低于差储层的下限时为非储层。

表2 XRF元素录井技术乌拉力克组页岩储层评价标准

将研究井乌拉力克组页岩储层评价结果与测井解释结论进行对比(图2)，可以看出：A井中XRF元素录井技术储层评价为好储层的位置与测井解释结论为气层位置基本吻合，XRF元素录井技术储层评价为差储层的井段基本上涵盖了测井解释结论为干层位置；B井乌拉力克组页岩测井解释结论以干层为主，XRF元素录井技术储层评价都为差储层；C井测井解释结论为致密层和含气水层，XRF元素录井技术储层评价以差储层为主，在底部解释了两套薄的好储层；D井测井解释结论以水层和干层为主，本井XRF元素录井技术储层评价指标未达到评级要求，XRF元素录井技术储层评价解释为非储层。通过4口研究井XRF元素录井技术储层评价结论与测井解释结论对比可以得出：乌拉力克组页岩XRF元素录井技术储层评价结论基本与测井解释结论相吻合。

4 应用效果验证

为了验证本研究内容的普遍适用性，从研究井工区南、北两个深水斜坡低洼带各选取一口井(E、F井)来验证XRF元素录井技术对乌拉力克组层位卡取及页岩储层识别和随钻储层评价功能。

4.1 层位卡取方法验证

通过验证井层位岩石化学特征统计表(表3)及验证井XRF元素录井技术多井对比图(图3)可以看出，两口验证井的层位岩石化学特征规律基本与研究井规律相符。具体岩石化学特征表现如下：

表3 验证井部分层位岩石化学特征数据平均值统计

(1)两口验证井中拉什仲组CaO/MgO曲线整体上要比乌拉力克组要高一个台阶，拉什仲组中发育两套中厚层灰岩层，对应CaO/MgO曲线呈两个山峰状凸起，拉什仲组以第二个CaO/MgO峰值结束为底界。

(2)乌拉力克组SiO2、SiO2生物均为3个层位中最高者，SiO2生物、Al2O3与SiO2交会面积从层位的中下部位置开始逐步上升，在靠近乌拉力克组底部时皆达到最大值。

(3)进入克里摩里组后SiO2、Al2O3、SiO2生物均呈断崖式下降，而CaO/MgO表现异常高值的特征。

依据以上岩石化学特征，钻探现场准确划分了拉什仲组、乌拉力克组、克里摩里组3个层位，助力钻井现场顺利完成乌拉力克组高硅页岩段的钻井取心任务。

4.2 随钻页岩储层识别及评价方法验证

在钻进过程中对验证井E井和F井乌拉力克组按照XRF元素录井技术乌拉力克组页岩储层评价标准进行随钻储层评价(图3)。通过与最终测井解释结论对比可以得出：E井的测井解释结论为干层、水层、含气水层，XRF元素录井技术随钻储层评价均为差储层，证明本套储层品质较差，在F井乌拉力克组底部位置测井解释一套厚14.8 m的气层，对应层段XRF元素录井共解释7层，其中差储层5层厚7 m，好储层2层厚5 m(表4)。通过两口验证井乌拉力克组XRF元素录井技术页岩储层随钻评价结论与测井解释结论对比效果可以证实：测井解释结论为含气水层或气层的储层XRF元素录井技术也都有随钻评价，证明XRF元素录井技术随钻评价对优质储层的识别率为100%；由于二者采用的评判指标和方法不同，解释的层段厚度及储层品级略有差异，整体上乌拉力克组XRF元素录井技术随钻储层评价结论要比测井解释结论更加精细(图3)，完全能够满足现场随钻储层识别及评价的要求。

图3 验证井XRF元素录井技术多井对比

表4 验证井测井解释与XRF元素录井技术储层评价结果对比

5 结 论

XRF元素录井技术在鄂尔多斯盆地西缘乌拉力克组的研究成果可以在钻井现场发挥以下作用：

(1)准确划分拉什仲组、乌拉力克组、克里摩里组层位界面。

(2)完成对乌拉力克组底部优质页岩的准确识别和层位卡取任务。

(3)具备对乌拉力克组优质页岩储层进行随钻评价的功能。

随着XRF元素录井技术在鄂尔多斯盆地西缘乌拉力克组的深入研究和广泛应用，其在乌拉力克组海相页岩勘探和开发中发挥的作用也越来越明显，不但可以减少勘探井不必要的取心，缩短工期，提质增效，同时也能为勘探井页岩储层的评价及完井压裂选层提供更多参考依据，甚至可以为将来开展乌拉力克组页岩水平井钻井施工提高优质储层钻遇率提供强有力的技术支撑。