引用本文
金力新, 李秀彬, 付连明, 张小虎, 李怀军, 张媛媛. 深层石炭-二叠系岩性快速识别方法研究与应用[J]. 录井工程, 2025,36(2): 65-70.
JIN Lixin, LI Xiubin, FU Lianming, ZHANG Xiaohu, LI Huaijun, ZHANG Yuanyuan. Research and application of rapid identification method for deep Carboniferous-Permian lithology[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(2): 65-70.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.02.010  
Permissions
Copyright©2025, 《录井工程》杂志社
《录井工程》杂志社 所有
深层石炭-二叠系岩性快速识别方法研究与应用
金力新①, 李秀彬②, 付连明①, 张小虎②, 李怀军②, 张媛媛②
①中国石油新疆油田公司勘探事业部
②中国石油西部钻探地质研究院（录井工程分公司）
通讯作者：张小虎 高级技师,1986年生,2011年毕业于中国地质大学（北京）资源勘查工程专业,现任中国石油西部钻探地质研究院实验检测中心技术监督,从事岩矿录井技术研究及新技术推广工作。通信地址：834000 新疆克拉玛依市南新路2号西部钻探地质研究院（录井工程分公司）。E-mail：344852568@qq.com

作者简介：金力新 高级工程师,1968年生,1988年毕业于西南石油学院石油地质勘查专业,现任中国石油新疆油田公司勘探事业部钻井地质专业一级工程师,从事录井测井管理、科研工作。通信地址：834000 新疆克拉玛依市迎宾路66号油田公司机关二号楼新疆油田公司勘探事业部。E-mail：jinlx@petrochina.com.cn

收稿日期: 2025-02-20
基金: 中国石油新疆油田分公司科技项目“深层石炭系二叠系岩性识别及油气显示发现项目”（编号：2023-N/G-39404）
摘要

随着油气勘探向纵深推进,由中浅层向深层开发已成必然趋势,尤其在准噶尔盆地的玛湖凹陷二叠系、沙湾凹陷石炭系的深层勘探接连取得重大突破,深层已成为油田增储上产重要接替领域。然而,二叠系、石炭系岩类多样、成分复杂、钻屑细碎,导致岩性快速识别难,制约了深层油气勘探效率。因此,针对深层主要发育的二叠系、石炭系地层研究需要,引进X射线衍射矿物录井、随钻伽马能谱录井技术,结合薄片鉴定,分别通过岩矿指数模型和标志性矿物优选分区块、分层位建立岩性识别图板,为快速识别岩性、精准卡层提供新方法,为钻井安全提供保障,同时进一步完善录井技术体系。目前,研究区共应用13口井,岩性识别符合率82%以上,在深层油气勘探开发领域,应用效果明显。

关键词: 深层; 二叠系; 石炭系; 岩性识别; XRD; 随钻伽马能谱录井技术
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Research and application of rapid identification method for deep Carboniferous-Permian lithology
JIN Lixin①, LI Xiubin②, FU Lianming①, ZHANG Xiaohu②, LI Huaijun②, ZHANG Yuanyuan②
①Exploration Department, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay, Xinjiang 834000, China
②Geological Institute of XDEC（Logging Engineering Branch）,CNPC, Karamay, Xinjiang 834000, China
Abstract

With the deepening of oil and gas exploration, it has become an inevitable trend to develop from middle-shallow to deep layers. In particular, major breakthroughs have been made in the deep exploration of the Permian in Mahu Sag and the Carboniferous in Shawan Sag, Junggar Basin, and the deep exploration has become an important replacement field for oil field reserve increase and production increase. However, in the Permian and Carboniferous strata, there are diverse rock types, complex compositions, fine drill cuttings, leading to difficulty in quickly identifying lithology, which restrict the efficiency deep oil and gas exploration. Therefore, X-ray diffraction mineral logging and Gamma spectrometry logging while drilling technologies have been introduced for research on the deep and mainly developed Permian and Carboniferous strata. Combined with thin section identification, the lithology identification charts can be established by dividing blocks and layering positions through the rock-mineral index model and the optimization of typical minerals. This provides a new method for rapid identification of lithology and precise horizon determination, guaranteeing drilling safety and further improving mud logging technology system. At present, a total of 13 wells have been applied, with the coincidence rate of over 82% for lithology identification. In the field of deep oil and gas exploration and development, the application effect is obvious.

Keyword: deep zone; Permian; Carboniferous; lithology identification; XRD; Gamma spectroscopy logging while drilling technology
0 引言

准噶尔盆地油气资源丰富, 尤其是深层二叠系、石炭系发育主力烃源岩, 是钻探的重点生产和开发地层。该层系储层类型多样, 岩性包括岩浆岩、砾岩、砂岩及碳酸盐岩型混积岩等。近年来, 通过地质认识创新, 突出风险勘探, 强化集中勘探与精细勘探, 准噶尔盆地走向深层-超深层领域的勘探取得了丰硕成果[1]。

然而, 随着PDC钻头的广泛应用以及气体钻井、大位移井、水平井等钻井工艺技术的飞速发展, 由井底返出的岩屑愈发细碎, 甚至呈粉末状, 使得现场对地层岩性难以识辨, 层位难以判断。因此, 在钻探施工中, 特别是在目的层段, 往往要限制这些钻井新技术的使用, 以方便识别岩性和层位, 否则将可能导致分层、卡层失准, 套管下错, 取心漏失等地质事故发生。岩性识别的准确性已经成为石油工程的瓶颈之一[2]。

针对深层石炭-二叠系在构造复杂区域岩相变化大、肉眼识别困难的问题, 采用X射线衍射（XRD）矿物录井（简称XRD录井）、随钻伽马能谱录井技术, 结合区域地质构造特征、岩性特征, 总结不同层系矿物序列的组合特征, 再分区块、分层位建立适用于深层二叠系和石炭系的岩性识别图板, 从而实现录井现场岩性快速识别。

1 技术原理

基于X射线衍射矿物录井、随钻伽马能谱录井技术, 在准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系和沙湾凹陷石炭系深层录井中进行岩性识别和油气发现的研究具有重要意义。这两项技术各有优势, 能够为复杂地质环境下的岩性识别提供有效手段, 从而为油气勘探开发提供科学依据。

XRD录井技术可以识别和定量分析样品中的矿物成分, 尤其适用于全岩定量分析, 能够对样品中的非黏土矿物和黏土矿物进行区分。在地质勘探中, 该技术通过对样品进行X射线衍射分析获得样品的矿物组成信息, 进而确定测试样品的岩石名称, 实现岩屑岩性的准确识别[3]。

随钻伽马能谱录井技术是一种在钻井过程中实时获取地层信息的技术, 其原理是通过探测器检测地层中天然放射性元素（如铀、钍、钾）衰变时释放的伽马射线并将其转换为电信号, 经过处理后可以得到地层中放射性元素的含量。沉积岩中放射性元素铀、钍、钾的含量主要取决于岩石中泥质的含量, 而泥质含量的高低是判别沉积岩类别的主要依据[4]。

2 地质概况

准噶尔盆地的玛湖凹陷和沙湾凹陷在地质构造和岩性特征方面具有显著的差异性和复杂性。玛湖凹陷以二叠系和三叠系的砂砾岩扇体沉积为主, 具有丰富的油气资源; 而沙湾凹陷则以石炭系和新近系的沉积物为主, 具有独特的构造特征和良好的储层条件[5]。

2.1 玛湖凹陷二叠系

玛湖凹陷二叠系风城组为本次主要研究地层, 主要发育砂砾岩、细粉砂岩、泥岩、碳酸盐岩及火山碎屑岩。其中, 西部断裂带沉积了厚层砂砾岩, 向玛湖凹陷内粒度逐渐变细, 过渡为湖相泥岩; 中西部发育云质碎屑岩, 碱性矿物含量较高; 北部发育火山碎屑岩[6, 7]。该地层矿物组成复杂, 主要发育长石英类、黏土类、化学岩类等11种矿物[7, 8, 9], 包括石英、斜长石、伊蒙混层、伊利石、蒙脱石、高岭土、方解石、白云石、硬石膏、重晶石、碳钠镁石。

2.2 沙湾凹陷石炭系

沙湾凹陷石炭系岩性主要包括安山岩、凝灰岩（岩屑以安山质为主）、火山角砾岩（爆发相）等。这些岩石的形成与蚀变作用有关, 表明在沙湾凹陷的石炭系中, 火山活动是重要的地质过程之一。此外, 沙湾凹陷石炭系以长英质岩浆岩为主, 蕴含丰富的岩浆岩类矿物, 为油气勘探提供了物质基础。依据文献调研[10], 沙湾凹陷石炭系主要发育矿物为石英、斜长石、伊蒙混层、斜绿泥石、云母、蒙脱石、高岭土、方解石、白云石、硬石膏、重晶石、磁铁矿、方沸石、透辉石、角闪石。

3 岩性图板建立

二叠系地层以沉积岩为主, 石炭系地层以岩浆岩为主。一种岩石中主要（造岩）矿物只有1~3种, 通常不超过6种。由于成因、形成条件的不同, 沉积岩的矿物具有与岩浆岩不同的特点。本文基于区域地质构造、沉积环境、岩性特征、矿物特征, 结合XRD录井、随钻伽马能谱录井分析技术, 建立了玛湖凹陷二叠系、沙湾凹陷石炭系岩性识别图板。

3.1 二叠系岩性识别图板

3.1.1 建立岩矿指数模型

依据XRD录井分析数据, 选取具有代表性的特征矿物建立岩矿指数模型, 即搬运风化指数、化学分异指数、凝灰质指数。搬运风化指数能够反映岩屑的风化程度、粒径大小; 在化学分异原理中白云石与方解石分异强度及序列不同, 反映了环境的变化, 依据此理论建立化学分异指数[11], 用来反映古环境特征; 凝灰质指数主要反映岩浆迅速冷却未形成结晶的玻璃质成分, 非晶质是不具有格子晶体结构的固体, 在凝灰岩中以玻璃质形式存在。岩矿指数模型公式如下：

Kfh=Knt/Kcy

Khx=0.4Kf-1.5Kb

Knh≈ Kfj

式中：Kfh、Khx、Knh分别为搬运风化指数、化学分异指数、凝灰质指数; Knt、Kcy、Kf、Kb、Kfj分别为黏土矿物、长英质矿物、方解石矿物、白云石矿物、非晶质矿物含量, %。

3.1.2 图板建立

基于玛湖凹陷M 1井区二叠系6口井4 563个样品点的XRD录井数据, 通过大数据分析构建岩矿指数模型。经归一化处理后, 结合相关沉积环境研究成果, 建立了二叠系岩矿指数岩性定名标准（表1）。在此基础上, 利用归一化岩矿指数构建二叠系岩性识别三角形图板（图1）, 实现了研究区的岩性精细刻画。

表1 岩矿指数岩性定名标准

图1 二叠系沉积岩岩性识别图板

3.2 石炭系岩性识别图板

岩浆岩分为基性岩浆岩、中性岩浆岩、酸性岩浆岩[7]。基性岩类：以玄武岩为代表, 矿物成分以斜长石和辉石为主, 不含或者含少量石英。中性岩类：以安山岩为代表, 以长石为主, 石英含量中等, 含有少量的辉石及云母。酸性岩类：以流纹岩为代表, 特点是石英含量是所有岩浆岩中最高的。

石炭系作为沙湾凹陷主力开发目的层系, 基性、中性、酸性岩浆岩及火山碎屑均发育, 纵横向分布与展布变化极大, 现场识别手段有限。利用测井对石炭系岩性进行识别时, 通常利用GR测井曲线（伽马射线曲线）对岩相进行划分, 该曲线通过测量岩石对伽马射线的吸收能力来反映其成分和结构特性, 进而区分不同类型的岩石。

3.2.1 随钻伽马能谱与测井曲线的GR值对比

目前大部分井无法随钻测井, 所以引进随钻伽马能谱录井技术。为了验证随钻伽马能谱录井GR的准确性, 选取WT 1井883个连续样品点, 将其伽马能谱录井GR与测井曲线GR进行比对（图2）, 相关性为0.746, 达到了中强相关, 说明随钻伽马能谱录井可以在无测井条件下, 随钻分析出GR曲线数据。

图2 WT 1井伽马能谱录井GR与测井曲线GR对比

3.2.2 岩相划分

准噶尔盆地沙湾凹陷基性岩通常具有较低的GR值, 但随着碎屑含量的增加, GR值会增高, 通常为0~20 API; 酸性岩因富含硅酸盐矿物, 如英安岩、流纹岩[11], GR值较高, 一般为35~60 API; 中性岩的GR值介于基性岩和酸性岩之间, 但具体值会因地质环境和矿物成分的不同而有所变化。

3.2.3 图板建立

针对石炭系岩浆岩的复杂性, 本研究收集沙湾凹陷30余口井的石炭系岩浆岩岩心或岩屑样品, 结合XRD录井分析和薄片鉴定, 总结出不同岩性对应的矿物组成种类和含量区间范围, 从而形成基于矿物的岩性识别标准（表2）。

表2 基于矿物的岩性识别标准 %

不同类型岩浆岩中石英、斜长石含量普遍超过10%, 非晶质、辉石含量为2%~10%。由于形成条件不同, 岩浆岩中石英含量高低能反映酸-基性程度; 斜长石的含量和成分决定了岩石的颜色、硬度、密度、熔点等特征; 非晶质主要表现为玻屑特征, 未形成晶体结构的物质; 辉石为安山岩、玄武岩的标志性矿物。

选取玄武岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩的特征矿物石英、非晶质+辉石、斜长石, 进行归一化处理, 利用归一化后的数据建立石炭系岩浆岩岩性识别三角形图板（图3）, 使岩性识别更加直观化, 有利于录井现场的快速识别。由于黏土矿物在流纹岩、玄武岩、安山岩中差异较小, 因此未作为评价参数。

图3 石炭系岩浆岩岩性识别图板

在随钻伽马能谱录井技术的岩性分类体系基础上, 结合石炭系岩浆岩岩性识别图板, 针对沙湾凹陷近1.7万个样品点进行岩性识别, 同时对样品点进行矿物薄片鉴定, 结果显示, 基于XRD特征矿物归一化图板的识别结果与薄片鉴定平均符合率达到了82%以上（表3）。

表3 薄片鉴定定名及图板分析统计
4 实例应用

利用本文建立的岩性识别图板在准噶尔盆地二叠系和石炭系应用13口井, 应用效果较好, 总体符合率82%以上。

4.1 二叠系沉积岩岩性识别

选取X 8井进行二叠系沉积岩岩性识别图板验证。X 8井为准噶尔盆地玛北页岩油区块的一口重点风险探井, 钻探目标是玛页X井风城组优质的云质粉砂岩甜点。对风城组二段、三段进行岩性识别, 利用XRD录井分析数据, 计算相应岩矿指数, 将归一化后数值进行投点（图4）, 并随机抽取部分样品点, 进行薄片鉴定, 符合率达到了82%, 达到了快速、准确识别岩性的目的。

图4 X 8井二叠系岩性识别图板

4.2 石炭系岩浆岩岩性识别

J 1井为准噶尔盆地西部隆起沙湾凹陷中拐凸起的一口风险探井, 旨在探索二叠系佳木河组广大前缘有利相带的含油气性, 开辟新的战略接替领域。利用随钻伽马能谱录井技术划分岩相（图5）, 其中井段6 456~6 508 m, 对应的伽马能谱总GR形态为槽状低值, 表现为基性的岩浆岩特征, 通过石炭系岩浆岩岩性识别图板进行解释（图6）, 投点落在玄武岩区域, 结合矿物分析综合判断为玄武岩。井段6 522~6 532 m对应的伽马能谱总GR形态为齿状中值, U值偏低, Th和K值中等, 初步判断为偏酸性的过渡岩性, 图板投点落在凝灰岩区域, 结合矿物特征综合判断为凝灰岩。抽取部分样品点进行薄片鉴定, 符合率达到了83.6%。利用该图板判断岩性, 可以对复杂地质卡层及工程复杂风险进行预警, 为下一步安全钻井提供保障措施。

图5 J 1井随钻伽马能谱岩相综合图

图6 J 1井石炭系岩性识别图板

5 结论

（1）基于玛湖凹陷二叠系X射线衍射矿物含量特征, 创新性构建搬运风化指数、化学分异指数、凝灰质指数的岩矿指数模型, 通过归一化处理建立二叠系沉积岩三角形识别图板, 实现了二叠系沉积岩的定量化快速识别。

（2）针对沙湾凹陷石炭系岩浆岩, 优选敏感矿物石英、非晶质+辉石、斜长石, 经归一化处理后, 建立石炭系岩浆岩三角形识别图板, 实现了玄武岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩的定量化精准识别。

（3）针对深层石炭-二叠系岩类多样、成分复杂、钻屑细碎、现场识别困难的问题, 融合XRD录井技术与随钻伽马能谱录井技术建立一套岩性快速评价方法。通过薄片鉴定验证, 二叠系、石炭系岩性回判符合率分别达到82%、83.6%, 实现了录井现场岩性快速、准确识别的目的。

（编辑 陈娟）

参考文献
[1] 宋永, 唐勇, 何文军, 等. 准噶尔盆地油气勘探新领域、新类型及勘探潜力[J]. 石油学报, 2024, 45(1): 52-68.
SONG Yong, TANG Yong, HE Wenjun, et al. New fields, new types and exploration potentials of oil-gas exploration in Junggar Basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 2024, 45(1): 52-68. [本文引用:1]
[2] 刘国勇, 宋永, 毛新军, 等. 准噶尔盆地高效勘探主要策略与方向[J]. 中国石油勘探, 2024, 29(1): 47-64.
LIU Guoyong, SONG Yong, MAO Xinjun, et al. Main strategies and orientations for high-efficiency exploration in Junggar Basin[J]. China Petroleum Exploration, 2024, 29(1): 47-64. [本文引用:1]
[3] 方锡贤. X射线衍射全岩矿物分析录井技术应用拓展[J]. 录井工程, 2016, 27(1): 14-18.
FANG Xixian. Expansion of application of X-ray diffraction whole-rock mineral analysis logging technology[J]. Mud Logging Engineering, 2016, 27(1): 14-18. [本文引用:1]
[4] 张小虎, 李秀彬, 马树明, 等. 随钻伽马能谱录井技术在准噶尔盆地的研究与应用[J]. 录井工程, 2022, 33(2): 8-12.
ZHANG Xiaohu, LI Xiubin, MA Shuming, et al. Research and application of natural gamma-ray spectral logging while drilling in Junggar Basin[J]. Mud Logging Engineering, 2022, 33(2): 8-12. [本文引用:1]
[5] 何登发, 吴松涛, 赵龙, 等. 环玛湖凹陷二叠-三叠系沉积构造背景及其演化[J]. 新疆石油地质, 2018, 39(1): 35-47.
HE Dengfa, WU Songtao, ZHAO Long, et al. Tectono-depositional setting and its evolution during Permian to Triassic around Mahu Sag, Junggar Basin[J]. Xinjiang Petroleum Geology, 2018, 39(1): 35-47. [本文引用:1]
[6] 白雨, 汪飞, 牛志杰, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩生烃动力学特征[J]. 岩性油气藏, 2022, 34(4): 116-127.
BAI Yu, WANG Fei, NIU Zhijie, et al. Hydrocarbon generation kinetics of source rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag, Junggar Basin[J]. Lithologic Reservoirs, 2022, 34(4): 116-127. [本文引用:1]
[7] 余宽宏, 操应长, 邱隆伟, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷早二叠世风城组沉积时期古湖盆卤水演化及碳酸盐矿物形成机理[J]. 天然气地球科学, 2016, 27(7): 1248-1263.
YU Kuanhong, CAO Yingchang, QIU Longwei, et al. Brine evolution of ancient lake and mechanism of carbonate minerals during the sedimentation of Early Permian Fengcheng Formation in Mahu Depression, Junggar Basin, China[J]. Natural Gas Geoscience, 2016, 27(7): 1248-1263. [本文引用:3]
[8] 张枝焕, 刘洪军, 李伟, 等. 准噶尔盆地车排子地区稠油成因及成藏过程[J]. 地球科学与环境学报, 2014, 36(2): 18-32.
ZHANG Zhihuan, LIU Hongjun, LI Wei, et al. Origin and accumulation process of heavy oil in Chepaizi area of Junggar Basin[J]. Journal of Earth Sciences and Environment, 2014, 36(2): 18-32. [本文引用:1]
[9] 郭佩, 柏淑英, 李长志, 等. 准噶尔盆地玛湖凹陷风城组页岩自生长英质矿物的成因机理及其储层改造意义[J]. 地质学报, 2023, 97(7): 2311-2331.
GUO Pei, BAI Shuying, LI Changzhi, et al. Formation of authigenic quartz and feldspars in the Fengcheng Formation of the Mahu Sag, Junggar Basin, and their reservoir modification significance[J]. Acta Geologica Sinica, 2023, 97(7): 2311-2331. [本文引用:1]
[10] 吴松涛, 何登发, 郑孟林, 等. 沙湾凹陷及邻区石炭-二叠纪伸展构造特征及其构造演化[J]. 地质科学, 2018, 53(1): 185-206.
WU Songtao, HE Dengfa, ZHENG Menglin, et al. Extensional structural feature and the stage of tectonic evolution of Shawan Sag, Junggar in Carboniferous-Permian[J]. Chinese Journal of Geology, 2018, 53(1): 185-206. [本文引用:1]
[11] 岑况, 陈媛. 大陆地壳中元素地球化学分异指数排序模式[J]. 地学前缘, 2011, 18(1): 56-62.
CEN Kuang, CHEN Yuan. The ordering mode of geochemical differentiation index of elements in continental crust[J]. Earth Science Frontiers, 2011, 18(1): 56-62. [本文引用:2]