大牛地气田位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东北部, 根据已有探井及相关地质研究成果, 奥陶系地层在大牛地气田内广泛发育和分布, 自下而上分为冶里组、亮甲山组、马家沟组^[1], 其中马家沟组是大牛地气田奥陶系地层的主体, 也是勘探开发的重点层位。

马家沟组存在厚度大、非均质性强、储集层薄且分散的特点, 现场钻井施工时应确保探井钻达目的层位和水平井在目的层中穿行。而现场录井地层划分主要依据标志层和地层厚度, 对于碳酸盐岩地层的岩屑来说, 由于岩屑细小破碎, 即便是标志层, 其“ 标志” 也非显而易见, 往往受制于现场鉴定人员的经验和岩屑状态, 存在误判的可能性。

元素录井(XRF)技术可以测量岩屑(心)样品中的元素含量, 定量解释矿物类型和百分含量, 并按照岩石学分类命名方案进行准确的岩性识别和解释^{[2, 3]}。同时, 元素录井技术能够获取录井井段的元素曲线、元素比值曲线, 这些曲线能够反映岩性、沉积环境的变化。利用元素矿物变化特征结合元素、元素比值曲线等可以准确识别出标志层, 进而指导现场地层划分对比, 确保录井工作顺利实施和后期气层开采取得良好效果。

对于鄂尔多斯盆地马家沟组的研究和划分前人做了大量工作, 华北油气分公司为了满足科研及生产需要, 结合邻区地层划分方案与成果, 将马家沟组自上而下划分为五段, 其中马五段又细分为10个亚段, 根据研究深入程度的差异又将马五₁至马五₅亚段细分为若干小层(表1)。

表1

表1

表1 大牛地气田奥陶系下统马家沟组地层划分方案(据华北油气分公司, 略改) 组 段 亚段 小层 厚度/m 标志层 备注 上马家沟组 马五段 马五1 马五11 0~6 马五12 6.8~7.2 马五13 3~4 马五14 4.0~5.5 K 1 底部凝灰质层 上马家沟组 马五段 马五2 马五21 2~4 马五22 3.2~6.0 K 2 微-粉晶白云岩 上马家沟组 马五段 马五3 马五31 3.5~6.6 马五32 8.0~12.8 马五33 9 上马家沟组 马五段 马五4 马五41 5 K 3 微-粉晶白云岩 马五42 8.9~22.0 马五43 8.0~14.0 上马家沟组 马五段 马五5 马五51 10 K 4 灰黑色微晶灰岩 马五52 18 上马家沟组 马五段 马五6 上马家沟组 马五段 马五7 K 5 含灰白云岩 上马家沟组 马五段 马五8 上马家沟组 马五段 马五9 K 6 灰质白云岩 上马家沟组 马五段 马五10 上马家沟组 马四段 K 7 豹斑灰岩 下马家沟组 马三段 下马家沟组 马二段 K 8 微-粉晶白云岩 下马家沟组 马一段 K 9 泥质粉砂岩

表1 大牛地气田奥陶系下统马家沟组地层划分方案(据华北油气分公司, 略改)

大牛地气田奥陶系地层现场录井地层划分首先是依据区域性特殊岩性段。大牛地气田上马家沟组标志层普遍认为有4个^[4], 自上而下分别是K 1(马五₁⁴薄凝灰质层)、K 2(马五₂²微-粉晶白云岩段)、K 3(马五₄¹微-粉晶白云岩)、K 4(马五₅黑灰岩段)。除此之外, 根据岩性特征和分层需要, 本文在下伏地层中确定出5个标志层, 为了论述方便, 将各标志层进行逐一编号, 分别是K 5(马五₇含灰白云岩)、K 6(马五₉灰质白云岩)、K 7(马四段豹斑灰岩)、K 8(马二段微-粉晶白云岩)、K 9(马一段泥质粉砂岩), 它们也是重要的辅助性分层标志。

2.1 K 1标志层

马五₁⁴底部凝灰质层, 岩性为深灰色凝灰质泥岩, 钻井岩屑呈鳞片状, 因位于奥陶系风化壳上部, 故称为上含凝灰质层, 亦被视为奥陶系风化壳段的特殊标志之一。该标志层在元素录井曲线上显示Si、Al、K、Ti、Zr异常高, 呈尖峰状, Ca、Mg异常低的特征。在测井曲线上显示高伽马、高中子、中低电阻率特征。K 1标志层见于D 60、D 69、D 92、D 122等井。利用该标志层可将马五₁与马五₂进行区分(图1)。

图1

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	图1 D 69井奥陶系马五14底部凝灰质层元素录井特征

以D 69井为例, 在井段2 789~2 790 m, Ca、Mg含量相对较低, Si、Al含量增高, 且Ti含量呈明显尖峰状。对该段元素特征进行统计, 与盆地内已知凝灰岩地化数据^{[5, 6]}进行对比(表2), 发现特征较一致。结合测井曲线上高伽马、高中子、中低电阻率特征, 分析认为该段为凝灰质层, 是马五₁和马五₂的分界线。

表2

表2

表2 D 69等井五14底部凝灰质层元素录井数据统计及对比分析 % 样品 Si Al Fe Mg Ca Na K Ti 层位 来源 D 60井 14.60 10.25 1.95 3.97 8.20 0.14 3.48 0.56 马五14 岩屑 D 69井 12.11 10.23 1.70 1.20 12.25 1.02 1.68 1.10 马五14 岩屑 D 92井 18.16 6.23 1.26 3.70 12.26 0.56 3.75 0.35 马五14 岩屑 D 122井 18.63 13.25 2.65 3.71 7.31 2.60 0.99 0.62 马五14 岩屑 凝灰岩2 25.88 2.45 0.62 0.58 15.62 0.12 1.12 0.16 中奥陶统 岐山 凝灰岩3 28.77 6.55 0.35 2.54 7.34 0.16 1.41 0.11 中奥陶统 富平 凝灰岩4 27.53 6.35 0.27 2.57 8.40 0.16 1.36 0.11 中奥陶统 富平 凝灰岩5 27.69 5.06 2.94 2.60 9.10 0.37 0.95 0.11 中奥陶统 富平 凝灰岩6 31.20 4.39 0.61 1.87 8.66 0.19 0.31 0.12 中奥陶统 富平 凝灰岩7 41.47 5.37 0.19 0.41 0.40 2.33 1.09 0.13 中奥陶统 陇县 凝灰岩8 37.58 6.33 0.82 1.07 0.57 2.08 1.33 0.32 中奥陶统 陇县 熔结凝灰岩1 34.25 6.73 1.74 0.28 2.10 2.21 1.56 0.10 长7 铜川 熔结凝灰岩2 31.39 7.82 2.90 0.47 0.66 0.81 3.19 0.17 长7 铜川 熔结凝灰岩3 34.31 6.90 1.83 0.37 0.81 2.28 2.56 0.14 长7 铜川 熔结凝灰岩4 34.11 6.79 1.88 0.48 0.91 1.40 2.95 0.15 长7 铜川 熔结凝灰岩5 24.26 5.40 3.56 3.17 5.66 0.99 2.29 0.14 长7 铜川

表2 D 69等井五14底部凝灰质层元素录井数据统计及对比分析 %

2.2 K 2标志层

马五₂²微-粉晶白云岩, 岩性为准同生性质粉晶白云岩, 横向连续性较好, 原生晶间孔及次生溶蚀孔缝等储集空间较发育。测井上呈低伽马和中电阻率形态, 元素录井上呈低Ca高Mg, 在D 52、D 61、D 65、D 79、D 125等井都可观察到, 横向对比性较强, 是该区重要的分层对比标志和含气层位。以D 79井为例, 在井段2 790~2 795 m, Ca含量相对较低, Mg含量相对较高, Ca/Mg相对较低, 为白云岩特征, 需要指出的是, Si、Al含量整体较低夹一尖峰状高值, 与测井伽马曲线特征一致, 说明该段标志层发育泥质夹层, 内部并非都是白云岩(图2)。

图2

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	图2 D 79井奥陶系马五22白云岩元素录井特征

2.3 K 3标志层

马五₄¹微-粉晶白云岩, 属马五₄亚段上部。岩性为灰色白云岩, 该层在大牛地气田特征较突出且分布稳定, 因而被视为奥陶系风化壳特殊标志层之一。利用该标志层可将马五₃与马五₄进行区分。以D 50井为例, 在井段2 863~2 867 m, Ca含量相对较低, Mg含量相对较高, K、Si、Al含量较低, Ca/Mg相对较低, 为白云岩特征(图3)。

图3

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	图3 D 50井奥陶系马五41白云岩元素录井特征

2.4 K 4标志层

马五₅亚段黑灰岩段, 岩性主要为大段灰黑色或深灰色厚层状微-泥晶灰岩, 质地较纯, 岩性致密, 易于辨认, 测井上表现为厚层明显箱状低伽马和特高电阻率曲线特征。横向发育极为稳定, 厚度及岩性变化极小(18~32 m), 为奥陶系重要标志层之一。在元素录井曲线上表现为高Ca、低Mg, 低K、Al、Si, 高P、高Ca/Mg、高P/S的特征。在D 49、D 52、D 112、D 126等井可见到该特征。利用马五₅亚段黑灰岩标志层可将马五₆、马五₅和马五₄分开。

以D 126井为例, 井段2 876~2 903 m, 厚度27 m, 岩性为深灰色、灰黑色泥晶灰岩, 元素曲线上表现为高Ca、低Mg, 同时K、Al、Si含量较低, 高含P的特征, 元素比值曲线上表现为高Ca/Mg、高P/S的特征(图4)。需要说明的是在工区局部区域, 马五₅亚段地层发生了程度不等的白云化作用, 如D 44、D 62、D 76、D 90、D 92、D 122、D 124等井其马五₅亚段的上部发育灰色白云岩, 再比如D 60、D 64、D 66等井其马五₅亚段的中部发育灰色白云岩。

图4

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	图4 D 126井奥陶系马五5泥晶灰岩元素录井特征

针对马五₅亚段以下的标志层, 行业系统内并无完善的阐述。为了论述方便, 对相关标志层做了系统梳理并初步给与代号, 下面将按照自上而下顺序逐一展开论述。

2.5 K 5标志层

马五₇亚段, 岩性主要为灰色含灰白云岩, 夹灰色含膏白云岩。测井上表现为低伽马和中低电阻率曲线特征。在元素录井曲线上表现为低Ca、高Mg, K、Al、Si、S含量相对较低, Ca/Mg较低, P/S相对较高的特征。以D 50井为例, 井段2 960~2 979 m, 厚度19 m, 岩性为灰色含灰白云岩, 元素曲线上表现为低Ca、高Mg的特征, 同时K、Al、Si、S、Sr含量较低, 元素比值曲线上表现为低Ca/Mg特征(图5)。

图5

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	图5 D 50井奥陶系马五7、马五9白云岩元素录井特征

2.7 K 7标志层

马四段, 岩性为厚层块状灰岩夹灰质白云岩、膏质白云岩。以D 50井为例, 井段3 044~3 220 m, 厚度176 m。测井上显示低平伽马、中高电阻率, 中低密度。元素录井曲线上表现为高Ca、低Mg、低S特征, 上部井段因夹膏质白云岩而显示S、Sr尖峰状高异常特征, 元素比值曲线上表现为高Ca/Mg、高P/S特征。据此可以把马四段的顶底界识别出来(图6)。

图6

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	图6 D 50井奥陶系马四段灰岩元素录井特征

2.8 K 8标志层

马二段, 岩性主要为灰色微-粉晶白云岩、含泥白云岩, 测井上表现为低平伽马夹尖峰状正异常, 电阻率为中低值。以D 67井为例, 井段3 347~3 383 m, 厚度36 m。元素曲线上表现为高Mg、低Ca, 同时S、Sr含量降低, P/S略有增加(图7)。

图7

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	图7 D 67井奥陶系马二段白云岩元素录井特征

2.9 K 9标志层

马一段泥质粉砂岩段, 位于马一段底部, 与下伏冶里组-亮甲山组呈角度不整合接触。属于海侵初期的产物。以D 125井为例, 井段3 284~3 290 m, 厚度6 m, 测井曲线上表现为中高伽马、中低电阻率、低密度、高声波时差; 元素录井曲线上显示低Ca、Mg, 高Si、Al特征。利用该标志层可以将马一段与下伏地层冶里组-亮甲山组区分开来(图8)。

图8

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	图8 D 125井奥陶系马一段泥质粉砂岩元素录井特征

XH 1井位于大牛地气田西南部, 是部署在小壕兔低凸成藏带东部的一口评价井。2020年4月12日开钻, 2020年5月20日完钻, 完钻层位是中太古界, 完钻井深3 733.0 m。对现场岩屑(井段2 864 m至井底)逐包进行了元素录井分析。对元素数据进行处理分析、岩性解释后得到XH 1井马家沟组元素录井柱状图(图9)。

图9

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	图9 XH 1井马家沟组元素小层划分对比

纵观整个马家沟组元素录井剖面, 无Ti元素异常高的井段, 说明不存在K 1标志层, 即该井缺失马五₁亚段。井段2 947~2 980 m, 视厚33 m, 元素录井曲线显示高Ca、低Mg, K、Al、Si含量低, P、P/S异常高, 为K 4标志层典型元素录井特征, 即井段2 947~2 980 m为马五₅灰黑色灰岩段; 其上井段2 908~2 917 m, 视厚9 m, 元素曲线显示高Mg、低Ca, 为K 3标志层, 其下井段3 024~3 054 m, 视厚30 m, 元素录井曲线显示高Mg、低Ca, K、Al、Si含量较低, 为K 5标志层典型元素录井特征; 井段3 072~3 087 m, 视厚15 m, 元素录井曲线显示上部高Mg、低Ca, 下部低Mg、高Ca, 为K 6标志层典型元素录井特征; 井段3 111~3 284 m, 视厚173 m, 元素录井曲线整体显示高Ca、低Mg, 低Fe、Al、Si特征, P、P/S值高, 为K 7标志层典型元素录井特征; 井段3 414~3 469 m, 视厚55 m, 元素录井曲线显示高Mg、低Ca, S含量较低, P/S相对略高, 为K 8标志层典型元素录井特征; 井段3 484~3 493 m, 视厚9 m, 元素录井曲线显示低Ca、Mg, 高Si、Al, 岩性为泥质白云岩、泥质粉砂岩, 为K 9标志层。对照前述各标志层元素录井特征, 准确识别出K 3、K 4、K 5、K 6、K 7、K 8、K 9标志层。利用识别出的标志层完成元素地层的划分。

与现场录井地层划分方案对比, 首先是细分了马五_1-4亚段, 现场录井将本溪组之下、马五₅之上的地层笼统地划分为马五_1-4, 通过元素录井进一步识别出K 2、K 3标志层, 从而细分为马五₂、马五₃、马五₄三个亚段, 其中马五₂又细分为马五₂¹、马五₂², 马五₄又细分为马五₄¹、马五₄²、马五₄³。另外, 纠正了马一段底界分层错误, 现场录井将马一段底界定在3 519 m, 通过K 9标志层重新厘定马一段底界应在3 493 m, 与测井分层马一段底界3 495.42 m比较接近。

与测井分层划分方案对比, 两者分层界线基本一致, 元素录井分层误差平均为2.95 m。说明在大牛地气田奥陶系马家沟组层位, 单独运用元素录井进行层位划分的方法是可行的, 结果是可靠的。由于测井资料的滞后性, 在钻井现场, 直接根据元素录井特征便可开展层位划分、定位取心等工作, 具有及时、准确、高效的特点。

元素录井分析岩屑矿物成分准确度高, 可以有效识别大牛地气田奥陶系马家沟组标志层。标志层自上而下共发育9个, 各标志层岩性各异, 元素录井特征明显, 厚度变化小, 横向分布稳定。

利用元素录井数据对XH 1井的马家沟组进行了标志层识别, 元素录井小层划分工作, 其结果表明, 元素录井地层划分比现场录井地层划分结果更加完善、准确, 与测井分层结果相比其误差较小, 分层平均误差小于3 m, 说明准确度较高, 效果较为理想。

鉴于勘探开发节奏加快、测井资料滞后的特点, 在录井现场, 利用元素录井辅助层位划分、定位取心、完钻卡层等是可行可信的, 具有较好的推广应用价值。

(编辑 棘嘉琪)