引用本文
何成山. 元素录井技术在大港油田奥陶系潜山界面卡取中的应用[J]. 录井工程, 2023,34(2): 28-33.
HE Chengshan. Application of element logging technology to the interface determination of Ordovician buried hill in Dagang Oilfield[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(2): 28-33.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.02.005  
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元素录井技术在大港油田奥陶系潜山界面卡取中的应用
何成山
中国石油大港油田公司勘探事业部

作者简介：何成山 工程师,1970年生,2009年毕业于河北工业大学石油工程专业,现在中国石油大港油田公司勘探事业部从事录井技术管理工作。通信地址：300280 天津市滨海新区海滨街三号院经贸大厦。电话：（022）25939447。E-mail：hechengshan@petrochina.com.cn

收稿日期: 2023-04-09
摘要

大港油田奥陶系潜山构造复杂,实钻潜山界面与地质设计出入较大,录取的岩屑比较细碎甚至呈现粉末状,难以直观识别岩性,给潜山界面卡取带来了极大的困难,录井现场需要一种快速、精准识别岩性的方法。元素录井具有很好的时效性、准确性,通过总结奥陶系潜山界面附近地层主要造岩元素、重要组成元素及微量元素含量在潜山界面处的变化规律,综合应用卡层敏感元素、进入潜山预警元素、水体环境指数来辅助奥陶系潜山界面准确卡取,减少了钻井施工过程中存在的风险,提高了钻探时效,取得了良好的效果。

关键词: 潜山界面; 元素录井; 预警元素; 铝土岩; 卡层; 奥陶系
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Application of element logging technology to the interface determination of Ordovician buried hill in Dagang Oilfield
HE Chengshan
Exploration Enterprise of PetroChina Dagang Oilfield Company, Tianjin 300280,China
Abstract

The structures of the Ordovician buried hill in Dagang Oilfield are complex, and the actual drilled buried hill interface differs greatly from the geological design. The collected cuttings are relatively fine or even powdery, making it difficult to visually identify the lithology, which brings great difficulties to the determination of the buried hill interface. A fast and precise lithology identification method is needed on mud logging sites. Element logging is fast and accurate for analyzing the samples. By summarizing the variation regularity of the content of principal rock-forming elements, important constituent elements and trace elements in the strata near the buried hill interface of the Ordovician system, comprehensively applying the sensitive elements of layer determination, the early warning elements of entering the buried hill and the water environment index to assist the accurate determination of the buried hill interface, the risks existing in the drilling operation are reduced and drilling cycle is shortened. Good results have been obtained.

Keyword: buried hill interface; element logging; early warning element; bauxitite; layer determination; Ordovician system
0 引言

潜山油气藏是中国东部陆相断陷盆地油气资源接力的重要战场[1]。1964年港1井奥陶系试油获得工业油气流, 揭开了大港油田碳酸盐岩潜山勘探的序幕, 通过对多个潜山进行系统勘探, 证实了奥陶系碳酸盐岩潜山具备形成工业油气藏的基本条件[1, 2]。大港油田奥陶系潜山储层类型主要为裂缝-溶孔型碳酸盐岩[3], 在揭开潜山界面时易发生井漏、卡钻等工程复杂情况, 给钻井带来安全风险的同时, 也会对油气层造成一定的损害。因此及时、准确、高效地卡取潜山界面是需要解决的重要问题之一。

在大港油田潜山勘探过程中, 可参考的区域资料较少, 且受断层等构造复杂的影响, 实钻潜山界面与设计出入较大。目前现场卡取潜山界面过程中, 如何准确地识别潜山界面附近的岩性变化, 是准确卡取潜山的关键; 同时在当前PDC钻头钻井技术条件下, 录取的岩屑比较细碎甚至呈现粉末状, 肉眼难以识别岩性, 尤其是一些特殊岩性。奥陶系潜山地层大多被石炭系地层覆盖, 石炭系灰岩对潜山碳酸盐岩界面卡取具有一定的干扰, 石炭系底部铝土岩肉眼识别困难, 部分岩性识别分析化验技术时效性无法有效保障。上述问题均制约了现场潜山界面的准确卡取与高效钻探工作。

一般情况下, 潜山界面的卡取是通过参考钻时、气测曲线与工程参数的异常, 结合岩屑、井漏等录井数据进行综合判断, 该传统卡层方法具有很大的局限性。近年来虽然采用了XRD矿物录井技术方法进行岩性判断, 但是从样品分析的周期来看, 元素录井技术在时效性上更具优势。元素录井技术是以X射线荧光分析理论、岩石地球化学理论为基础[4, 5, 6], 以现场录取的岩屑、岩心为主要分析对象, 通过分析岩屑、岩心样品中各种元素的种类、含量, 确定岩石的元素组成及其组合特征, 实现对岩性的识别和地层界面的卡取。元素录井分析周期短, 一般为1~2 min, 分析样品制备简单, 相较于其他岩性分析仪器, 可以实现实时跟踪分析, 在录井现场应用较为广泛。

通过多口潜山井元素录井技术的应用分析发现, 在进入潜山前后主要造岩元素及微量金属元素均有明显的变化。可根据潜山界面岩性组合变化模式分析, 并结合元素组合特征的变化来判断、卡取潜山界面, 这对于提高潜山界面卡取的时效性、准确性起到了较大的作用, 同时也减少了钻井施工的风险, 提高了钻探成效。

1 区域地质概况

华北地台在加里东运动时期总体抬升后遭受剥蚀, 导致大港油田地区地层缺失志留系、泥盆系和下石炭统, 灰岩、白云岩是构成该地区奥陶系的主体岩类[7]。大港油田奥陶系潜山进山组合模式总体可以分为两种：第一种是受构造等复杂因素影响, 由中生界地层进入奥陶系潜山, 上覆地层以碎屑岩岩性组合为主, 多为砂泥岩互层或薄互层, 夹薄层灰岩, 泥岩颜色多为红色, 部分地区在靠近潜山界面附近岩石具有含灰质特征（图1）, 给潜山卡层带来一定的困难; 第二种是奥陶系潜山顶部与石炭系地层呈不整合接触, 石炭系地层岩性颜色多为灰色、深灰色, 夹薄层灰岩, 潜山顶部不整合面之上本溪组底部发育有褐铁矿和铝土岩（图2）, 其中褐铁矿颜色多为褐红色, 呈致密块状或炉渣状, 而铝土岩颜色大部分呈灰色, 部分受铁质浸染影响呈紫红色, 部分地区褐铁矿和铝土岩特征不明显, 为正常的砂泥岩岩性组合（图3）。

图1 N 1井元素录井图

图2 Y 3井元素录井图

图3 F 1井元素录井图

2 潜山界面岩性元素响应特征
2.1 潜山界面元素分类

奥陶系潜山界面上覆地层以砂泥岩组合为主, 夹薄层灰岩, 潜山地层岩性以碳酸盐岩为主。砂泥岩中最主要的化学元素为Si、Al、Fe、K和Na元素, 砂岩以Si元素为主, 其中Al、Fe元素含量较低, 泥岩与之相反。铝土岩属于泥岩类, 主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3、FeO、TiO2, 其中Al元素的含量高于一般的泥岩, 是与普通泥岩区分的重要参考。碳酸盐岩中最主要的化学元素Ca、Mg一般含量大于10%, 在灰岩中Ca元素的含量要高于白云岩, Mg元素则明显低于其在白云岩中的含量。S、P元素一般小于1%, S、P元素在碳酸盐岩中含量比在碎屑岩沉积物中含量要高, 是区分碳酸盐岩和碎屑岩的重要元素。Mn、Sr、Zr等微量元素在碎屑岩与碳酸盐岩中表现出较大的差异, 是卡层的重要参考。

根据组成岩石的矿物差异, 可以将潜山界面的元素分为3类进行研究：Ca、Mg、Si为主要的造岩元素, 是潜山地层岩石矿物的主要组成部分; 以S、P、Al、Fe、K等为代表的组成元素, 是除主要造岩元素外构成矿物的重要元素, 含量虽然低于主要造岩元素, 但仍占有一定的比例; 以Mn、Sr、Zr等元素为代表的微量元素, 总体含量很少, 但在不同类型岩石中具有明显的变化特征。

2.2 潜山界面敏感元素特征

奥陶系潜山两种进山组合模式中, 主要造岩元素Ca、Mg、Si元素的变化特征基本一致, 在进入潜山后Ca、Mg元素含量与Si元素含量呈负相关。进入潜山后岩性为以白云石与方解石为主的碳酸盐岩类, Ca、Mg元素的含量迅速升高, Si元素含量迅速降低, 呈现此消彼长的特征。

在第一种进山组合模式下, 重要组成元素Al、Fe、K在上覆地层进入潜山后含量明显减少; S元素含量在进入潜山前相对较低, 在进入潜山界面时迅速升高, 进入潜山后逐渐降低并趋于平稳; P元素含量在进入潜山后会有所增加; 微量元素Ba、Sr、V、Zr、Ti含量在进入潜山界面前先增长, 进入潜山后迅速降低, 是除主要造岩元素外的卡层敏感元素（图1）。在第二种进山组合模式下, 当奥陶系潜山与上覆石炭系地层底部铝土岩层呈不整合接触时, 重要组成元素Al、Fe、K含量在进入潜山后含量明显降低, P元素在进入潜山后含量升高, S元素含量在潜山界面附近会有先上升后下降的特征, Al+Fe元素的含量在本溪组底部铝土岩中有明显的升高, 可以作为底部铝土岩特征的标志性元素组合, 微量元素Ba、Sr、V、Zr、Ti在进入潜山后含量明显降低（图2）; 当石炭系地层底部铝土岩特征不明显时, 进山前后S元素的含量变化不明显（图3）。

部分区域在进入潜山前的地层中夹有一定厚度的灰岩, 对潜山卡层具有一定的干扰。通过元素含量对比分析表明, 进入潜山前的灰岩与奥陶系灰岩存在差异, 主要表现在微量元素含量差异上比较突出, 进入潜山前灰岩Sr、Zr元素的平均含量高于进入潜山后的灰岩元素Sr、Zr含量（图1、图2、图3）, 可以通过这个特征, 提高对区域潜山界面的识别效果。

2.3 潜山界面卡层预警元素

大部分元素在进入潜山后含量发生明显变化, 有部分元素在上覆地层靠近潜山界面前会出现含量上的明显变化, 可以为潜山界面卡层提供警示, 这类元素可以称为预警元素, 为潜山界面的准确卡取提供更多的提前量, 进一步提高卡层的准确性。总体上, 潜山界面上下岩石中的金属元素含量差异较大, 碎屑岩中的金属元素含量要高于碳酸盐岩, 部分金属元素的含量变化要比主要造岩元素更早, 可以作为进入潜山的预警元素。

在大港油田奥陶系潜山界面上覆地层中, 重要组成元素Al、Fe、K亦是预警元素。在潜山上覆地层进入潜山界面前, 重要组成元素Al、Fe与微量元素Ti、Zr 、Sr在进入潜山界面前含量先增加并保持一定的数值, 进入潜山后急剧减少, 这套元素组合特征在两种进山组合模式下具有相同表现, 可以作为预警元素, 并结合钻时等工程参数, 提前做好卡层准备。在第二种进山组合模式下, K元素在进入潜山界面前含量均有不同程度的减少, 在进入潜山后含量较低, 比其他元素变化更早, 可以进一步提升进入潜山界面前的预警提前量（图2、图3）。

2.4 元素录井水体环境指数

海平面升降导致的海侵海退会引起海岸线变迁, 气候变化导致的区域降雨量与蒸发量的多少会引起内陆湖泊水体的盐度变化, 通过沉积物中微量元素的古盐度重建, 可以了解地质历史时期的海平面升降和海岸线变迁、内陆湖泊地区的古气候变化。Sr/Ba值可以作为古盐度的标志[8], 由于Sr的强迁移能力, 淡水中溶解的Ba2+、Sr2+在流入大海后与海水中硫酸根离子相结合, BaSO4首先沉淀, Sr2+可随着水流迁移, 在生物作用下进入湖（海）深处并沉淀下来, 因而Sr/Ba值随着远离湖（海）岸而逐渐变大, 其比值可以定性反映古盐度。

在物源相同的情况下, 元素的迁移和富集与沉积环境关系紧密。陆源物质中主要含有Fe、Al、Ti、Si等代表性元素, 而湖盆内沉积物质中以Ca、K、Na、Mn等元素为代表。根据上述元素迁移和富集规律, 构建了离岸指数Dis, Dis=（Ca+Mg+Mn+K+Na）/（Fe+Al+Ti+Si）。通常离岸指数越大, 代表水体越深, 离岸越远。

利用Sr/Ba值与离岸指数可以辅助潜山界面卡取, 通过研究发现, Sr/Ba值与离岸指数在潜山界面处均有明显的变化。同时Sr与Ba元素在进入潜山后含量呈现一致减小的特征, 在海陆交互相的灰岩地层中, Sr元素含量上升, Ba元素含量降低, 呈现此消彼长的特征（图1、图2、图3）, 利用这两种元素含量的组合变化特征也可以辅助卡取岩性变化界面。

3 元素录井潜山界面识别应用实例

目前, 元素录井技术在大港油田岩性识别与卡层方面进行了广泛应用, 在7口井辅助潜山界面卡取应用中, 潜山界面卡准率100%, 取得良好的应用效果。

以大港油田T 1井为例, 该井是位于沧县隆起白塘口向斜东翼隐伏断块构造高点的一口预探井, 地层由石炭系本溪组进入奥陶系潜山, 属于典型的第二种进山组合模式, 在本溪组底部发育一套铝土岩, 进入奥陶系潜山时为一套灰岩地层。为准确卡取潜山界面, 该井录井现场应用了元素录井技术。当钻进至井深2 664 m时发现, Ca、Si元素含量出现断崖式下降的现象, 而Al、Fe、Ti、Zr、Sr、Ba元素在本溪组底部表现为较高的含量, 但在井深2 664 m处出现了台阶式下降, 反映这是一套比较好的预警元素。K元素比这一套预警元素提前16 m开始降低, 在潜山界面处仅有微幅升高, 进入潜山后为低值特征, 是一种更加灵敏的预警元素, 在进入潜山预警方面更具优势。P元素在进入奥陶系潜山地层后含量明显升高。Sr/Ba值在潜山界面处明显变大, 离岸指数在进入潜山后明显变大。由上述一系列元素变化特征综合判断认为, 该井自2 664 m深度进入潜山, 可见元素录井技术在潜山界面卡取方面具有独特优势（图4）。

图4 T 1井元素录井图

4 结论

（1）大港油田奥陶系潜山有两种进山组合模式, 第一种组合模式为中生界地层进入奥陶系潜山地层, 第二种组合模式为石炭系地层进入奥陶系潜山地层。

（2）大港油田奥陶系潜山主要造岩元素Ca、Mg元素与Si元素含量呈现负相关关系。重要组成元素K、Al、Fe在进入潜山后含量明显降低, P元素在进入潜山后含量升高, 微量元素Ba、Sr、V、Zr、Mn、Ti在进入潜山后含量明显降低, 均是卡层的敏感元素。若潜山界面顶部的本溪组底部发育铝土岩, 其中Al+Fe元素的含量明显升高, 可以作为潜山界面前铝土岩层的特征标志。

（3）Al、Fe、Ti、Zr、Sr、K元素含量在进入潜山前变化特征要早于主要造岩元素, 可以为潜山卡取提前预警, 尤其是K元素的变化特征更早显现, 可以为卡取潜山界面争取更多的预警提前量。

（4）Sr/Ba值结合离岸指数可以更加有效地利用元素组合特征来判断水体环境, 综合应用于卡取潜山岩性界面。

（5）现场应用实例表明, 元素录井技术具有较好的时效性, 为现场潜山界面的准确卡取提供了较好的参考依据, 对于提高潜山界面卡取的时效性、准确性起到了较大的作用, 同时也减少了钻井施工的风险, 提高了钻探成效。

（编辑 王丙寅）

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