元素录井在大牛地气田奥陶系水平井中的应用

0 引 言

大牛地气田奥陶系马家沟组马五段储集层属海相沉积的碳酸盐岩储集层,马五段上部碳酸盐岩地层,因构造作用而被抬升到地表,受大气、淡水的长期改造和大规模的岩溶作用,形成孔洞缝发育的风化壳储集层。受沉积相、古岩溶地貌及成岩作用的共同影响,该风化壳储集层非均质性强、岩性复杂、横向变化大^[1,2]。在水平井钻井过程中,及时准确地识别地层岩性是进行地层卡层、轨迹调整、提高储集层钻遇成功率的重要保证。常规录井主要是通过人工或借助双目镜观察岩屑样和用稀盐酸滴定观察岩屑起泡反应程度判断碳酸盐岩成分,进而定性描述地层岩性。这种方法往往由于现场人员的经验存在差异,对同一个岩屑样品的岩石定名或特征描述会有较大的差别^[3],甚至造成对地层岩性的误判。尤其在碳酸盐岩储集层水平井中,钻井采用“PDC钻头+螺杆”的复合钻进方式,钻井过程中产生的岩屑极为细小,使常规录井岩性识别方法应用更加困难,出现误判的概率更大^[4]。因此,笔者利用随钻元素录井技术测量岩屑中的元素含量,通过主量元素与不同岩性的岩石矿物成分之间的相关关系,计算出主要矿物成分含量,从而精确识别岩性,在此基础上进行地层对比,能准确预测储集层位置和进行轨迹调整使A靶点准确着陆,水平段用该方法判别岩性可提高储集层钻遇成功率。

1 元素录井原理

用于岩石元素成分分析的X射线荧光分析仪可分为波长色散型和能量色散型两种。波长色散分析仪是用多个衍射晶体分开待测样品中各元素的特征谱的波长,由此对元素进行测量;能量色散分析仪只有一个探测器,不受测量X射线能量范围的限制,可同时测量所有能量的X射线,只需激发样品的X射线的能量和强度能满足激发所测样品的条件,一组待分析元素能同时测定。

元素录井是在油气钻井过程中,以井内返出的岩屑为试样,利用X射线荧光分析仪对样品进行分析,通过X射线荧光光谱分析获得元素信息,包括直接的谱图信息和由谱图解析的元素含量信息。元素含量信息最初由元素的特征X射线强度得出,其单位为“脉冲计数”,元素的特征X射线强度与元素的含量呈正相关关系。 因此,可以通过数学模型及一定的校正方法获得元素含量数据^[5,6,7,8]。

2 奥陶系风化壳地层岩性精细识别

大牛地气田奥陶系马家沟组碳酸盐岩主要由方解石、白云石以及陆源碎屑(粉砂)和黏土等矿物组成,其主要岩石类型为灰岩(方解石>50%)、白云岩(白云石>50%)和两者与陆源碎屑(粉砂)及黏土组成的过渡类型的岩石。按照沉积岩的地球化学理论及其元素富集规律,Mg、Ca元素主要在碳酸盐岩中富集,Si、Al、Fe元素主要在碎屑岩中富集。因此,在碳酸盐岩地层中,Mg、Ca元素的含量反映碳酸盐岩含量(灰岩和白云岩含量),Si、Al、Fe元素含量反映砂泥质含量。

图1为某井本溪组至马家沟组井段的岩屑中测得的Mg、Ca元素含量之和Mg+Ca与Si、Al、Fe元素含量之和Si+Al+Fe的交会图。从图上可看出,两者呈线性负相关关系:随着Si+Al+Fe增大,Mg+Ca减小;随着Si+Al+Fe减小,Mg+Ca增大。

利用两者的线性负相关公式,可以计算出岩屑中砂泥质含量和碳酸盐岩含量。将趋势线相交于y轴的点Y作为砂泥质含量的最大值100%,Si+Al+Fe≥Y,砂泥质含量均为100%;将y轴的0点作为砂泥质含量的最小值0。Si+Al+Fe介于0与Y值之间时,其岩屑的砂泥质含量C_snz=(Si+Al+Fe)/Y,而碳酸盐岩含量C_tsy=100%-C_snz。

碳酸盐岩含量中包括了灰岩和白云岩的含量。灰岩和白云岩的含量,可根据Ca、Mg元素的含量,利用化学的方法直接计算^[9],但通过化学公式直接计算的方法存在一定的误差。由于不同的仪器所激发样品的X射线的能量和强度不同,测得的元素含量也有所差异,从而造成误差,因此需要寻找新的方法进行灰岩、白云岩含量的计算。

2.1 白云岩和灰岩含量计算

表1是方解石和白云石按一定比例混合及混入10%砂泥质时,理论计算得到的Mg元素含量、Ca元素含量、Mg/Ca比值。从表1可以看出,在无砂泥质混入和混入10%砂泥质情况下,Mg元素含量、Ca元素含量发生变化,而Mg/Ca比值不变,且随白云石含量的增大而增大;同样,在混入其他比例砂泥质时,Mg/Ca比值保持不变,说明Mg/Ca比值与方解石含量、白云石含量呈线性相关,且砂泥质的含量大小不会改变Mg/Ca比值。这表明,通过Mg/Ca比值的方法来计算灰岩、白云岩含量,可以降低因仪器不同造成的误差。

利用表1中无砂泥质混入时的白云石含量与Mg/Ca比值建立关系如图2所示。

当混入砂泥质时,白云石含量与Mg/Ca的关系式为:

C_dolo=[262.8(Mg/Ca)-167.3(Mg/Ca)²+1.441](1-C_snz)

式中:C_dolo为白云石即白云岩含量,%;Mg为Mg元素含量,%;Ca为Ca元素含量,%;C_snz为砂泥质含量,%。

白云岩含量算出后,灰岩含量可表示为:

C_lime=C_tsy-C_dolo

2.2 砂岩和泥岩含量计算

砂泥质含量包括砂质含量和泥质含量。在砂泥岩剖面中,砂质含量随Si元素含量的增大而增大,随Al+Fe元素含量的增大而减小;泥质含量则相反。图3为某井纯砂岩段和纯泥岩段Si元素含量与Si/(Al+Fe)的交会图。选取泥岩段中Si/(Al+Fe)的最大值X_nmax作为砂质含量最小值0,Si/(Al+Fe)≤X_nmax,砂质含量均为0;选取砂岩段中Si/(Al+Fe)的最小值X_smin作为砂质含量最大值100%,Si/(Al+Fe)≥X_smin,砂质含量均为100%。当Si/(Al+Fe)值介于两者之间时,其砂质含量的计算公式为:

C_sand=(X-X_nmax)/(X_smin-X_nmax)

式中:C_sand为砂质含量,%;X为样品的Si/(Al+Fe)检测值。

以上是砂泥岩剖面中的砂质含量计算公式,其中的泥质含量C_sh=100%-C_sand。在碳酸盐岩地层中,将算出的砂质含量、泥质含量值乘以碳酸盐岩中的砂泥质含量才是碳酸盐岩地层中真实的砂质含量和泥质含量值。

通过以上计算方法,可以较为准确地计算出碳酸盐岩地层中的灰岩、白云岩、砂质以及泥质含量,从而可以对岩性进行精细识别和定名。

3 元素录井在水平井地质导向中的应用

在水平井钻井施工中,地质导向技术是关系到水平井施工成败的关键技术之一。利用综合录井资料,随钻测量(MWD)、随钻测井(LWD)数据进行水平井地质导向,是目前国内外水平井地质导向普遍采用的手段^[10,11]。随钻伽马测井对于碳酸盐岩地层中灰岩、白云岩的区分能力较差,而元素录井可准确测定岩屑中灰质、白云质含量以及砂泥质含量,具有快速、准确、定量测定的特点,可实现岩石的准确定名,有效解决了水平井“PDC钻头+螺杆”复合钻进作业方式带来的细碎岩屑岩性识别难题。由于元素录井定名的岩性与测井解释岩性相比吻合率较高,达70%以上,利用元素录井技术进行地质导向,可较好地弥补常规录井和随钻测井(LWD)在地质导向技术上的不足。

在水平井施工中,通过多元素含量值及曲线变化特征,可快速识别岩性,及时准确发现标志层,进行地层划分与对比,准确预测下部地层,有利于卡准着陆点和井眼轨迹的及时调整。

3.1 PG 20井

PG 20井是大牛地气田的一口水平井,目的层为奥陶系马家沟组马五₅段,设计预测A靶点垂深为3 002 m,距马五₅段储集层顶18 m(垂深)。由于下古生界奥陶系碳酸盐岩的古岩溶作用,大牛地气田马五段上部地层遭受风化剥蚀,不同程度的溶蚀作用使马五段地层厚度在横向上变化较大,因此根据岩性特征对马五段各小层进行精确划分与对比是A靶点准确着陆的关键。马五段各小层岩性组合特征各不相同:马五₁₊₂段岩性主要为白云岩、含泥白云岩、泥质云岩、含灰白云岩、灰质白云岩夹少量白云质灰岩、含云质灰岩;马五₃段岩性主要为白云质泥岩、泥质白云岩、含泥白云岩夹灰质白云岩、白云质灰岩;马五₄段岩性主要为白云岩、含泥白云岩、含灰白云岩;马五₅段岩性一般为致密灰岩,储集层段为灰岩白云岩化形成的白云岩或白云岩化灰岩。

图4为PG 20井导眼段、侧钻段马五段小层划分与对比图。根据各小层岩性特征,利用元素录井对该井导眼段进行了划分。在垂深2 908 m,Al、Si、Fe元素含量由高值陡然降低,Mg、Ca元素含量陡然升高,判断进入马五段碳酸盐岩地层。在垂深2 908~2 931.14 m 井段Al、Si、Fe元素含量呈低值,Mg、Ca元素含量曲线呈高值锯齿状变化,计算C_sh为7.06%~31.49%,平均为14.51%,C_sand为0~1.3%,平均为0.05%,C_lime为2.72%~75.82%,平均为32.56%,C_dolo为11.70%~86.30%,平均为54.05%,与马五₁₊₂段岩性特征相符,划分为马五₁₊₂段;在垂深2 931.14~2 962.92 m井段泥质含量比上部地层明显增大,元素曲线特征表现为Al、Si、Fe元素含量增大,Mg、Ca元素含量降低,计算C_sh为0~66.28%,平均为27.43%,C_sand为0~71.58%,平均为12.62%,C_lime为0.19%~63.88%,平均为11.92%,C_dolo为23%~66.21%,平均为48.03%,与马五₃段岩性特征相符,划分为马五₃段;在垂深2 962.92~2 984.70 m 井段Al、Si、Fe元素含量较马五₃段有所降低,Ca元素含量变化不大,Mg元素含量有所增大,计算C_sh为5.08%~29.31%,平均为16.05%,C_sand为0~10.48%,平均为2.45%,C_lime为0~10.83%,平均为4.26%,C_dolo为65%~91.24%,平均为77.23%,与马五₄段岩性特征相符,划分为马五₄段;在垂深2 984.70~3 009.71 m 井段Al、Si、Fe元素含量呈箱状极低值,上部和底部Mg元素含量呈低值,Ca元素含量为高值,中部Mg元素含量增大,Ca元素含量降低,计算C_sh为1.22%~5.33%,平均为2.70%,C_sand为0~1.39%,平均为0.13%,C_lime为8.33%~91.34%,平均为63.94%,C_dolo为6.73%~87.67%,平均为33.23%,与马五₅段致密质纯灰岩、白云岩化灰岩岩性特征相符,划分为马五₅段。导眼完钻后通过与测井解释岩性对比,元素录井解释岩性与其高度一致。侧钻段通过元素录井曲线与导眼段进行对比,利用元素录井曲线特征的相似性及时准确划分出各小层地层界线。最终A靶点在垂深3 001.24 m处着陆,距马五₅段储集层顶17.63 m,达到设计要求。

3.2 DP 112H井

奥陶系马家沟组上部地层由于古岩溶作用,岩溶孔洞、岩溶沟槽发育,这些溶洞、沟槽多被上部本溪组、太原组的泥质、炭质等充填,造成马家沟组上部地层岩性复杂,既有奥陶系海相沉积的岩性,又有上部本溪组、太原组充填的岩性。在水平段利用元素录井元素含量及矿物成分含量数据可准确判断钻遇岩性是碳酸盐岩还是上部本溪组、太原组岩性。DP 112H井是大牛地气田的一口水平井,目的层为马五₁₊₂段,A靶点着陆后,在水平段全段实施元素录井辅助地质导向。图5为DP 112H井水平段实钻轨迹与元素录井综合分析图。

由图5可见,在水平段钻至井深3 451 m(垂深2 893.27 m),返出的岩屑中Si、Al、Fe元素含量增加,尤其是Al元素含量增加明显,达15%以上,同时Ca、Mg元素含量减少,泥质含量C_sh达到90%以上,判断为上部地层本溪组铝土质泥岩,结合物探反演分析认为是岩溶沟槽被上部地层充填所致。于是将轨迹向下调整,至井深3 620 m(垂深2 895.23 m)钻出泥岩段,重新进入白云岩储集层。由此可见,通过元素含量曲线变化及矿物成分含量分析,对碳酸盐岩地层水平井地质导向具有较好的指导作用,可有效提高储集层钻遇率。

4 结 论

通过对元素含量与岩石矿物成分之间的相关关系进行分析,推导出了针对大牛地气田奥陶系碳酸盐岩地层岩屑中的灰岩、白云岩、泥质、砂质含量的计算公式,形成了一套能够精确识别储集层岩性的元素录井方法,解决了奥陶系水平井现场岩性复杂、岩屑细碎识别困难、随钻测井不能区分灰岩和白云岩等难题。

将该方法应用到奥陶系水平井中,根据各元素含量的变化精确定名的岩性,能够及时确定标志层位置,准确地划分马五段各小层的地层界线,从而及时调整轨迹使A靶点准确着陆。在水平段,利用该方法可及时判断轨迹是否钻出储集层,钻入致密层或泥岩地层,便于及时准确调整轨迹,有效提高了储集层的钻遇率。

The authors have declared that no competing interests exist.

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参考文献

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