元素录井也称XRF录井, 是X 射线荧光元素录井的简称。元素录井仪的X射线管发出一次射线激发样品, 使样品产生与所含元素辐射特征相对应的荧光X射线（二次射线）, 不同元素发出的特征X射线能量和波长各不相同, 元素录井仪将探测系统所收集到的信息与标定信息进行对比, 可确定样品中各种元素的种类及含量^[1]。

岩石由矿物组成, 矿物由各种元素组成; 不同岩石的矿物含量不同, 不同矿物的元素含量不同; 根据这种差异, 就可以确定矿物含量和岩石种类。元素录井以X射线荧光分析理论、岩石地球化学理论为基础, 对岩屑等分析样品进行X射线荧光分析, 能够采集到样品中Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、Ba、Mn、Fe、V、Ni、Sr、Zr等主要造岩元素含量; 通过分析样品的元素和元素组合特征的变化, 可有效识别岩性、评价地层^[2]。

1.2.1 反映矿物组成的主要元素

（1）反映碎屑岩泥砂质含量的主要元素。Fe、Al、K、Ti元素主要反映泥质含量, 与岩石泥质含量正相关, 泥岩段Fe、Al、K、Ti元素正异常, 砂岩段和碳酸盐岩段Fe、Al、K、Ti元素负异常。沉积岩中砂岩主体成分为石英, 而石英中主要元素为Si, 因此Si元素反映砂质参数, 与岩石砂质含量正相关, 砂岩段Si元素正异常。虽然普遍认为Al元素反映泥质含量, Si元素反映砂质含量, 但实际上, 不同区块不同元素对泥质反映的敏感程度不同, 如图1所示, Y 1井的Fe元素含量曲线与自然伽马曲线相似度极高, Fe元素对砂泥岩的反映比Al元素和Si元素更为敏感, 当钻遇砂岩地层时, Fe元素含量曲线与自然伽马曲线一样, 均呈明显负异常。

图1

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	图1 Y 1井元素录井图

（2）反映碳酸盐岩含量的主要元素。碳酸盐岩主体为灰岩与白云岩, 这两者所含主要元素为Ca与Mg, 因此Ca、Mg元素能够反映碳酸盐岩含量, 利用Ca、Mg元素可以准确计算碳酸盐岩中灰岩含量和白云岩含量。

（3）反映岩浆岩含量的主要元素。岩浆岩主要元素为K、Si、Fe、Mg等, 其中Fe、Mg元素是识别超基性岩和基性岩的主要元素, K、Na元素是反映中性岩和酸性岩的主要元素。当Fe、Mg元素同时升高（Fe元素比区域上泥岩值还高）, K、Si元素降低时, 若Mg元素大幅升高为超基性岩, 若Mg元素略有升高而Na元素明显升高为基性岩。当Fe、Si元素在砂岩范围, Al元素在泥岩范围, K、Na元素同时升高（K元素比区域上泥岩值还高）时为中性岩和酸性岩。

1.2.2 反映沉积环境的主要元素

（1）反映有机质含量变化趋势的主要元素。P元素与阴离子元素往往与岩石中有机质伴生, 一定程度上反映岩石中有机质含量变化趋势。将P、S、Cl元素与其他元素进行组合对比, 可判断相应地质时期生产力高低, 进而定性分析有机质含量高低。

（2）反映古水体深浅的主要元素。Sr、Ba元素化学性质十分相似, 均可以形成可溶性重碳酸盐、氧化物和硫酸盐进入水溶液中。与Sr元素相比, Ba元素的化合物溶解度要低, 与Ba元素相比, Sr元素的迁移能力要高。同时河水中携带的Ba²⁺在与SO₄^2-相遇时易形成难溶的BaSO₄, 多数近岸沉积物中富含Ba元素。因此, Sr/Ba能够反映水体深浅, 数值越大表明水体越深^[3]。Zr元素是典型的亲陆性元素, 离陆源区越远岩石中Zr元素含量越低。沉积岩中Zr元素的分布受Al元素支配, 因此Zr/Al值能代表近距离搬运的陆源组分及水体深度的变化, 其值越小表示离岸越远, 水体越深^[4]。在沉积环境研究中, Sr/Ba不仅用来判断水深, 更主要的是用于判断湖盆咸度, Sr/Ba< 0.5水体为淡水环境, 0.5< Sr/Ba< 1.0水体为半咸水环境, Sr/Ba> 1.0水体为咸水环境^[4]。

（3）反映陆源碎屑物质输入程度的主要元素。通过元素迁移和沉积分异源进行陆源碎屑物质输入程度的定性研究, 发现Ti元素能够用来指示陆源碎屑物质的输入程度。Ti元素主要集中在黏土矿物中, 需通过水流的搬运才能进入湖相, 其含量高低受制于陆源碎屑物质的输入量, 一般而言, Ti元素含量越高, 陆源碎屑物质输入量越多。不同元素及其比值所包含地层信息不同, 充分分析这些资料, 将使元素录井资料在页岩油勘探中起到独特的作用。

优质的页岩油勘探目标首先必须具有一定资源量, 而资源量的基础首先是页岩体积, 如果没有一定体积的页岩为基础, 将难以有效进行页岩油勘探。页岩体积评价从页岩厚度和页岩分布面积两方面进行。

2.1.1 页岩厚度

元素录井基本功能是通过元素组合辅助识别岩性, 因此利用元素录井资料结合岩心、岩屑录井资料, 可以建立地质剖面, 确定页岩厚度。页岩厚度除可以通过Si、Fe、Al、K、Ti 等传统识别砂泥岩元素曲线结合岩性进行划分外, 还可以通过反映生产力的P/Ti值、反映水深的Zr/Al值曲线结合岩性进行识别, 如图1所示, 岩性剖面与P/Ti、Zr/Al曲线对应性良好。

2.1.2 页岩分布面积

通常页岩分布面积是通过地层对比结合地震资料确定的。元素录井中确定水深的元素组合可为定性判断页岩分布面积提供更多支持。通常情况下, 同一位置水体深度变化反映湖盆面积变化, 水深则湖盆面积增大, 对应页岩面积增大; 反之页岩面积减小。

元素的聚集和分布与水盆深度具有一定的相关性。这一性质主要是元素在沉积过程中机械分异、化学分异和生物化学分异作用的结果。上文所述, Sr/Ba、Zr/Al反映古水深变化, 比值随着水体的增加而变化, 其中Sr/Ba随着水深增加而增大, Zr/Al随着水深增加而减小。

Y 1井是一口页岩油探井, 元素录井资料显示该井中H3Ⅲ 亚段（古近系核桃园组三段Ⅲ 亚段, 下同）中部的Sr/Ba值较其他亚段地层高, Zr/Al值比其他亚段地层低（图2、表1）, 表明该井所在凹陷H3Ⅲ 亚段中部沉积时期湖盆古水深最深, 对应页岩分布面积最大; 其他沉积期, 古水深变浅, 相应的页岩分布面积较小。多年地质综合研究成果表明, Y 1井所在凹陷整体上H3段自下而上泥地比由低-高-低, 反映水体由浅到深再到浅, 其中H3Ⅲ 亚段水体最深, 盐度大, 泥页岩最为发育, 该沉积期为凹陷最大湖泛期。对比元素录井对水体深度反映与地质综合研究结果, 两者相吻合, 这说明元素录井资料可以辅助判断页岩面积, 一定程度上可解决单井资料对平面资料反映的不足。

图2

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	图2 Y 1井部分元素比值曲线图

表1

表1

表1 Y 1井部分元素比值 地层 Sr/Ba Zr/Al P/Ti Al/Ti H3Ⅱ 0.558 0.002 0.449 21.041 H3Ⅲ 上 0.516 0.002 0.533 17.711 H3Ⅲ 中 0.811 0.002 0.745 25.462 H3Ⅲ 下 0.791 0.003 0.566 22.223 H3Ⅳ 0.552 0.003 0.509 15.997 H3Ⅴ 0.580 0.003 0.392 16.426 H3Ⅵ 0.570 0.003 0.578 14.160 H3Ⅶ 0.548 0.002 0.631 14.118 注：各地层元素比值为平均值。

表1 Y 1井部分元素比值

有机质是形成页岩油的物质基础, 通过岩石热解录井、实验室分析化验可以获得单位岩石有机质含量, 进而结合相关技术规范判断有机质优劣。

元素录井中阴离子元素往往与岩石中有机质伴生, 而P元素是有机质的组成部分, 因此通过P元素纵向比较可以判断有机质含量相对高低, P元素值越高, 水体营养物质越高。Ti元素能够用来指示陆源碎屑物质的输入程度, Ti元素值越高, 水体被陆源物质稀释越严重。P/Ti常反映湖盆的富养程度, P/Ti值高, 藻类数量繁盛, 有机质含量高, 生烃的物质基础丰富; P/Ti值低, 藻类等水生生物数量少, 有机质含量低, 生烃的物质基础弱。同样, Al/Ti也反映湖盆的富养程度, Al/Ti值高, 湖盆富养, 有利于藻类等水生生物生长, 有机质富集。

Y 1井H 3Ⅲ 亚段中部Al/Ti、P/Ti值最高（图2、表1）, 说明对应地质时期湖盆生产力为所在凹陷主要含油层系生产力最强地质时期。H3Ⅲ 亚段中部低含量的陆源碎屑物质输入（Ti元素平均值为0.358%）, 有利于有机质的富集。实验室分析结果表明, Y 1井H3段TOC值自上而下呈逐渐减小的趋势：H3Ⅱ 亚段TOC值0.5%~6.32%, 平均3.26%; H3Ⅲ 亚段上部TOC值0.53%~3.35%, 平均2.34%; H3Ⅲ 亚段中部TOC值0.54%~6.86%, 平均2.05%; H3Ⅲ 亚段下部TOC值0.51%~2.82%, 平均1.22%; H3Ⅳ 亚段TOC值0.53%~3.04%, 平均1.41%; H3Ⅴ 亚段TOC值0.5%~2.5%, 平均1.04%; H3Ⅵ -H3Ⅶ 亚段TOC值0.56%~1.94%, 平均1.0%。

因此, H3Ⅱ 亚段和H3Ⅲ 亚段上、中部有机质含量较高, 这与对应元素录井Al/Ti、P/Ti值相关性良好, 说明通过元素录井资料可以定性判断不同地质时期有机质丰度高低, 为页岩油纵向选层提供更多资料支持。

地下有资源是产出油气的物质基础, 但要产出油气, 还受制于物性、地层流体压力、烃类流体可流动性等众多因素^[5], 岩相也是影响页岩油储层储集性的因素之一。相关研究表明, 无夹层泥页岩段容易获得工业油气流的岩相是纹层状泥质灰岩或灰质泥岩相^{[6, 7]}。元素录井除可以通过经典图板识别判断泥质灰岩、灰质页岩、云质页岩、长英质页岩、黏土质页岩等岩相外, 还能通过Si、Ca、Mg元素值及元素曲线图识别砂质条纹、灰质条纹、云质条纹。Y 1井等页岩油探井岩心录井资料表明, 纹层状泥页岩发育灰质或砂质条纹, 此类地层元素录井值变化较大, 灰质条纹发育层段Ca、Si元素含量明显高于其他井段, 且Ca、Si元素曲线高值高幅高频起伏。钻井取心资料观察发现, H3Ⅲ 亚段中部地层灰质条纹发育, 对应的元素录井资料Ca元素值为全井最高, Ca元素曲线快速升降, 起伏幅度高（图1）。元素录井资料这一特征为在非取心段判断条纹页岩提供了依据。

在其他地质条件一致的情况下, 页岩油储层的可压性是影响探井产能的重要因素, 脆性矿物含量是评价页岩可压性的重要指标, 通过元素录井可以连续取得全井反映地层脆性的Si、Mg、Ca、K等元素含量, 通过计算获得脆性矿物含量, 这是其他技术所不具备的优势。

目前, 利用元素录井资料计算脆性矿物含量的方法较多, 既有应用单一元素或多种元素直接计算的, 也有将元素含量转化为矿物含量进行计算的。由于每一种元素并非只对应一种矿物, 如石英、蒙脱石、高岭石、伊利石、绿泥石均含Si元素, 同样, 白云石、蒙脱石、伊利石、绿泥石均含Mg元素, 石灰石、蒙脱石均含Ca元素, 不论哪种方法, 客观上都存在不足之处, 不能反映脆性矿物真实含量, 只能定性地判断脆性矿物含量相对高低。但即使这样, 在缺乏其他资料的情况下, 仍不失为判断地层可压性相对高低的简单快捷方法。

元素录井分析样品能够获得Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ti、Ba、Mn、Fe、V、Ni、Sr、Zr等主要造岩元素含量数据, 利用这些数据可以建立元素的含量曲线, 不同曲线包含的地层信息不同, 地质导向利用这些信息进行地层识别对比及井身轨迹调整。

3.1.1 不同沉积时期地层元素含量存在差异

页岩是由不同时期沉积物经过长时间成岩作用而形成, 不同沉积时期的沉积环境、物源不同, 导致同一页岩内部矿物成分、矿物含量不同, 不同元素含量更是存在差异。利用这一差异可将同一页岩层划分为更细页岩的微层, 判断钻井轨迹钻遇地层。

3.1.2 同一沉积时期地层元素含量相近

同一沉积时期地层沉积环境一致, 物源一致, 同时页岩沉积时距岸相对较远、水动力条件相对较弱、沉积相对稳定。因此, 同一沉积时期的页岩元素含量相近, 并呈现规律变化, 在水平段地层依据这种同一性可以判断轨迹是否在预定层位钻进。据此确定钻井轨迹钻遇地层与预测地层的差异, 进而确定钻井轨迹调整方向。

3.1.3 砂泥岩元素含量曲线与自然伽马曲线相关性

如图1所示, 泥质、砂质的含量与自然伽马曲线具有良好对应性, 特别是反映泥质含量的元素含量曲线与自然伽马曲线相似度极高, 因而可以利用元素含量曲线代替自然伽马曲线与邻井进行对比、卡层。

正是由于元素录井能够提供丰富的地质信息, 元素录井资料才能在页岩油气水平井、碳酸盐岩水平井地质导向中得到广泛应用。

利用元素录井资料进行水平井地质导向的方法基本一致, 都包括钻前分析、选择对比标志、地质建模; 斜井段对比跟踪卡层, 计算预测目的层视倾角、目的层埋深, 确定着陆角、着陆深度; 水平段轨迹调整这3个阶段, 其技术方法大同小异, 公开刊物有较多介绍^{[8, 9, 10, 11, 12, 13]}, 本文不再赘述。由于元素录井具有自身特点, 在资料应用时应强化精细优选及综合分析。

3.2.1 优选对比曲线

尽管不同型号元素录井仪分析的元素范围不同, 但一般能够分析17种以上元素, 加上各种元素间比值, 能够形成数量庞大的数据体及众多的元素录井曲线, 由于不同元素、元素比值包含的地质信息不同, 在地质导向中的作用不同, 如果选择曲线不当, 将事倍功半, 甚至会出现错误的结论, 故应结合区块地质特点、邻井资料及不同导向阶段需要解决的主要问题来优选用于对比分析的元素曲线。

优选元素曲线, 首先要考虑敏感性, 优选对地层岩性反映敏感的元素, 以利于辅助建立地质剖面; 其次是考虑使用目的。进行斜井段地层对比卡层、预测“ 入窗” 埋深及靶心分属不同微层时卡层对比, 故应选择不同微层差异明显、容易识别、对地层岩性敏感的元素曲线, 例如：Y 2井是水平井Y 3井的导眼井, Y 3井的A、B靶点分别位于F、G微层, 分析Y 2井不同元素含量曲线（图3）可以发现, F微层的Ca、Mg、K元素含量与G微层差异明显, 特别是F微层中上部与F微层下部、F微层下部与G微层上部Mg元素含量曲线差异非常明显。因此, 选择Mg元素含量曲线作为Y 3井地层跟踪对比分析曲线, 同时结合Ca、K元素曲线含量变化情况进行对比分析。分析靶点属于同一微层的水平段地层, 应选择层内稳定、与上下地层有明显差异、容易识别的元素曲线用于地层对比。

图3

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	图3 Y 2井目的层段元素录井图

3.2.2 优选对比标志

对比标志首先应是特征明显, 与上下地层有明显差异, 容易识别的层（点）, 对比特征分布应稳定; 其次由于元素含量一定程度上受到沉积环境的影响, 对比标志应选择多种元素含量曲线共存的标志而不是仅单一元素含量曲线的对比标志。如图3所示, Y 2井2 780.5 m“ 高尖峰” 特征存在于Si、Ti、K、Fe、Al、Ba、V、Ca、P等元素含量曲线中, 其中Si、Ti、K、Fe、Al、Ba、V等元素含量曲线为“ 低值尖峰” , Ca、P等元素含量曲线为“ 高值尖峰” ; 井深2 808.5 m“ 高尖峰” 特征几乎存在于所有元素之中, 其中Ca、Mg、P等元素含量曲线为“ 高值尖峰” , Si、Ti、Fe、K、Al、S等元素含量曲线为“ 低值高峰” , 具有碳酸盐岩特征。这些多种元素共存的对比标志, 稳定性好, 在水平井地质导向卡层跟踪中能够快速、准确地对比判断实钻地层。

3.2.3 数据归一化处理

由于参照井（导眼井）与新钻井的钻井液通常不一致, 页岩油水平井通常使用油基钻井液, 而参照井（导眼井）为直井通常采用水基钻井液; 同时样品源也不一致, 导眼井常为岩心样, 而水平井则为受PDC钻头及钻柱研磨、岩屑床等因素影响的细碎岩屑样, 由于钻井液及不同添加剂进入样品内或包裹岩屑, 导致水平井元素录井分析结果与参照井（导眼井）不一致。因此, 应选择没有争议的地层元素分析数据, 分析不同元素新钻井与参照井（导眼井）分析值的差异, 通过回归分析寻找两井不同元素分析数据的关系式, 以此关系式对新钻井数据资料进行处理, 处理后新钻井不同元素曲线形态应保持不变。

3.2.4 强化综合分析

将元素录井资料用于地质导向通常是先对参照井（导眼井）资料进行精细分析, 优选对比曲线、对比标志, 再从上到下对目的层以上地层及目的层进行刻画, 掌握不同层段元素录井响应特征。新井钻进时, 结合井斜资料及地层视倾角资料, 分别确定新井与参照井元素曲线各自的深度比例, 各自编制元素曲线图, 结合各个对比标志进行对比, 进而运用多种方法预测目的层埋深, 调整钻井轨迹。在进行地质导向时会出现预测外情况, 这种情况下, 需要综合分析, 寻找各种因素, 消除矛盾。

（1）没有钻遇标志层

到预测深度没有钻遇预测目的层, 既可能是因为钻遇断层断失, 也可能是地层视倾角较预测角度大, 钻井轨迹未钻达相应地层。针对这种情况, 应寻找特征明显的曲线, 精细对比, 如果排除断失地层后, 分析地层变化趋势, 寻找未钻遇的依据。

对比Y 2井与Y 3井资料, 可以发现Y 3井没有钻遇Y 2井2 808.5 m井深Ca、Mg、P等元素含量曲线为“ 高值尖峰” , Si、Ti、Fe、K、Al、S等元素含量曲线为“ 低值高峰” 的对比标志, 部分专家分析认为“ Y 3井于井深3 526.0 m钻遇一条断距7.6 m的断层, 断失地层相当于Y 2井2 801.0~2 808.6 m井段, 钻井轨迹已由F微层进入G微层” 。但精细分析相关资料发现, Y 2井G微层顶部（2 808.0~2 813.0 m）Mg元素含量曲线异常明显（Mg元素含量为全井最高井段）, G微层中部井深2 817.5 m由黄铁矿（钻井取心在长度4.3 m岩心内多处见黄铁矿）引起Fe、S元素含量曲线“ 异常高值尖峰” （图3）。这两个特点是区分F、G微层最重要的标志, 但在Y 3井均没有钻遇（图4）, 据此可以判断Y 3井井深3 526.0 m以深没有钻遇Y 2井2 808.6 m以深地层。进一步分析相关资料发现, 沿轨迹方向地层视倾角有不断增大的特征, 同时结合在Y 3井B靶点附近的一口早期探井井斜资料分析表明, Y 3井钻井轨迹沿下倾方向钻进, 不符合自然造斜规律, Y 3井所在凹陷多口老井重新陀螺测斜结果也证实, 原始测斜资料与陀螺测斜资料显现的井身轨迹方位完全相反, 出现水平位移误差大于300 m的现象, 这充分说明这口早期探井的井斜资料不可采信。采信这口井资料所做的构造图导致Y 3井B靶点所在埋深远浅于实际地层埋深, 实际地层视倾角远大于设计预测地层视倾角, 采用预测地层视倾角确定的井斜角钻进, 导致Y 3井钻井轨迹有可能并未钻达相当于Y 2井2 808.5 m地层。综合多种资料分析, 判断Y 3井没有钻遇相当于Y 2井井深2 808.5 m标志层的地层, 是由于没有钻达该地层, 并非该地层缺失所致。

图4

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	图4 Y 3井目的层段元素录井图

（2）元素曲线特征出现重复

钻进过程中元素录井资料没有显示钻达预测地层的元素响应特征, 反而出现与上部已钻地层相似的元素响应特征。这一方面有可能是钻遇未预测到的断层, 断失预测地层进入新的地层; 另一方面有可能是地层视倾角较预测大, 井斜角较大, 导致钻井轨迹上切地层, 重复已钻地层现象。针对这种情况, 一方面要分析地层元素特征, 一方面要分析构造的变化, 寻找相应识别依据。分析Y 2井资料可以发现, G微层总体Ca元素曲线呈低值特征（图3）, 接近目的层段最低值。分析Y 3井资料, 井深4 530.0 m以深地层Ca元素呈明显高值, 与井深3 526.0 m以浅地层Ca元素含量一致（图4）, 符合F微层中上部特征而不符合G微层特征, 其他元素也具有这一特点。这说明虽然钻井井深及垂深不断增加, 但正如上文所述, 由于地层视倾角较预测的大而使井斜角较大, 导致钻井轨迹上切地层, 井深4 530.0 m以深地层重复井深3 526.0 m以浅地层曲线特征（这一点得到完井测井资料的证实）。

（3）多条元素含量曲线长井段低幅变化

实钻过程中一旦出现预测外长井段部分元素值比较稳定、含量曲线起伏幅度较低、实钻井与导眼井（参照井）元素对比性极差的现象, 就容易导致地层卡层误判。解决这一问题需要通过元素含量曲线判断是否存在地层重复, 计算实际地层钻厚, 利用方位伽马资料精细分析地层上下切信息。如图4所示, Y 3井井段3 540.0~4 230.0 m的Al、Fe、Mg、Ca、Ti等元素曲线总体较为稳定, 整体起伏幅度较低, 曲线形态不符合Y 2井F微层元素特点, 难以判断钻遇地层。通过分析Y 3井所有元素含量曲线, 发现以井深3 870.0 m为轴, 上、下地层对应性好, 呈“ 镜像” 关系, 综合认为地层存在着重复, 即钻井轨迹从井深3 540.0 m开始下切地层钻进, 至井深3 870.0 m钻达该井段最老地层, 其后钻井轨迹开始上切地层, 并在井深4 230.0 m钻遇与3 540.0 m同一时期沉积地层。近钻头方位伽马资料显示, 井段3 540.0~3 830.0 m的钻井轨迹下切地层, 3 900.0~4 213.0 m上切地层, 从另一方面支持元素录井资料判断的准确性。分析图3 各元素含量曲线, 可以发现Y 2井F微层各元素曲线起伏幅度较大, Y 3井井段3 540.0~4 230.0 m元素曲线总体较为稳定（图4）, 说明钻井轨迹顺层钻进, 钻遇地层真实厚度极小。计算Y 3井井段3 526.0~4 530.0 m地层平均视倾角为9.12° , 3 540.0~4 230.0 m地层平均视倾角为8.87° , 符合沿钻井轨迹方向地层视倾角不断增加的现实, 利用8.87° 这一视倾角计算3 540.0~3 870.0 m井段地层钻厚为0.14 m, 这与元素含量曲线形态判断相吻合。正是由于地层真实钻厚极小, 导致出现钻井段长较长、计算垂厚较厚却与邻井对比困难的问题。