渤海油田潛山界面元素組合識別模式及判別方法

張建斌 譚忠健 李鴻儒 郭明宇 苑仁國 陳 偉 陳銘帥

(①中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司；②中海石油(中國)有限公司天津分公司；③中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司)

0 引 言

在渤海油田現(xiàn)場鉆井施工過程中，及時準(zhǔn)確地識別地層界面有助于現(xiàn)場地層對比，預(yù)測地層巖性，判斷鉆遇的層位，特別是對古潛山界面的準(zhǔn)確識別意義重大，是確保鉆井安全、提高油氣勘探效率的重要保障。X射線熒光(XRF)元素錄井巖屑的檢測結(jié)果對生產(chǎn)現(xiàn)場鑒定巖性，特別是潛山界面卡取、潛山內(nèi)幕特殊巖性的識別有很大幫助作用[1-2]。

X射線熒光元素錄井技術(shù)(簡稱元素錄井技術(shù))是近年來興起的一項新技術(shù)，通過化學(xué)分析的手段確定樣品中元素的含量[3]，進(jìn)行元素分析時，需要的樣品質(zhì)量少(單個樣品需要的最低質(zhì)量為8 g)，分析周期短(單個樣品分析周期低于3 min)，分析精度高，對樣品形狀沒有要求。因此，該項技術(shù)能夠有效地解決目前細(xì)小(粉末)巖屑的錄井難題[4]。

1 潛山類型劃分

“潛山”一詞最早指潛伏的基巖古地貌山，指被覆蓋、潛伏、埋藏于現(xiàn)今盆地充填地層之下，在盆地沉積前已形成的基巖古地貌山丘。目前所使用的古潛山概念為廣義的古潛山，泛指一切潛伏的基巖突起，包括古地貌山(先成)、同成和后成潛山[5]。

潛山分類方案很多，劃分標(biāo)準(zhǔn)主要包括：埋藏時代發(fā)育位置、構(gòu)造特征及成因、潛山頂面形態(tài)特征、上覆地層層位特征及潛山地層地質(zhì)年代等。趙賢正等[6]將潛山按照勘探難易程度劃分為顯性潛山和隱蔽性潛山；按照成因差異劃分為地貌山、構(gòu)造山和構(gòu)造-地貌山；按照潛山形成時期和成因特點劃分為先成潛山、同生潛山和后成潛山。郭良川等[7]按成因?qū)撋椒譃榍治g、斷塊、褶皺和隆起四大類。李丕龍等[8-9]據(jù)成因及結(jié)構(gòu)把潛山分為內(nèi)幕單斜塊斷山、內(nèi)幕單斜斷塊山和內(nèi)幕單斜滑脫山等8種潛山類型。侯方輝等[5]按照成因及形態(tài)把潛山分為剝蝕殘丘型潛山、拉張翹傾斷塊型潛山、拉張斷階型潛山、拉張斷壘型潛山、擠壓褶皺型潛山、拱張褶皺型潛山和褶皺-斷塊復(fù)合型潛山。徐長貴等[10]則在前人多種潛山劃分方案基礎(chǔ)上，綜合考慮內(nèi)外地質(zhì)作用、動力成因以及地層結(jié)構(gòu)分類與成因分類相結(jié)合，將渤海海域潛山進(jìn)一步細(xì)分出侵蝕殘丘型、拉張斷壘型、拉張斷塊-斷階型、反轉(zhuǎn)斜坡型等30種不同的潛山類型。

綜上所述，關(guān)于潛山類型的分類方案較多，本文以研究潛山界面上下元素組合變化特征為主，主要按照潛山披覆組合類型進(jìn)行分類。渤海油田潛山界面類型較為復(fù)雜[11]，潛山結(jié)構(gòu)由上到下為上覆地層、風(fēng)化殼、潛山主體，結(jié)構(gòu)樣式主要分為無風(fēng)化殼和有風(fēng)化殼兩種，因此有多種潛山披覆組合類型。為了研究需要，選定6個區(qū)塊進(jìn)行研究，通過選定區(qū)塊180多口潛山探井的潛山界面統(tǒng)計分析，主要有17種潛山披覆界面類型(表1)。

表1 渤海油田潛山披覆界面類型

2 潛山界面元素組合識別模式及判別方法

2.1 潛山界面元素組合識別流程

元素錄井技術(shù)是采用X射線熒光光譜分析儀器，對樣品(細(xì)碎的巖屑、井壁心及巖心樣品)中的Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、V、Ni、Sr及Zr共17種元素進(jìn)行檢測分析，依據(jù)元素構(gòu)成礦物、礦物組成巖石、巖石組合成地層的關(guān)系，給出相應(yīng)巖性解釋，進(jìn)而判斷地層界面的一項錄井技術(shù)[12]。

由于不同組段時期形成的地層、沉積環(huán)境的不同，其沉積物源與沉積背景也表現(xiàn)不同，其地層元素含量也存在明顯差異變化。因此，通過元素分析可反推出巖石的種類，判斷地層界面。

通過對元素錄井在渤海油田的實際應(yīng)用分析，總結(jié)出識別潛山界面的流程分析圖(圖1)。

2.2 潛山界面元素組合判別方法

本文通過研究區(qū)大量X射線熒光錄井?dāng)?shù)據(jù)，從正演的角度，先從已知潛山界面巖性組合特征與元素錄井?dāng)?shù)據(jù)對應(yīng)結(jié)果，總結(jié)不同巖性組合特征所揭示的不同元素特征，建立識別巖性組合特征的標(biāo)準(zhǔn)，然后反過來，利用所建立的識別標(biāo)準(zhǔn)，歸納總結(jié)出潛山界面元素組合判別基本方法有曲線異常組合法、巖性組合法、特征元素法3種。

2.2.1 曲線異常組合法

在不同時代地層分界面處，一般組合元素背景值在該界面處會出現(xiàn)明顯的突變，且具有整體突變的特征。以旅大區(qū)塊X 36-1井為例，東三段地層直接披覆在古生界地層之上，在元素錄井曲線組合上出現(xiàn)了明顯的突變，Ca、P元素整體臺階式上升，Si、Fe、Al、Na、Ti、Mn、K、Cl、Ba、V、Ni和Zr元素組合整體臺階式下降，表明由東三段地層進(jìn)入了古生界潛山(圖2)。

圖1 元素錄井技術(shù)判斷潛山界面流程

圖2 曲線異常組合法識別潛山界面 (東三段進(jìn)古生界潛山類)

2.2.2 巖性組合法

不同時代沉積的環(huán)境不同，其沉積物源與沉積背景表現(xiàn)也不同，由此巖性組合也會發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而導(dǎo)致其元素含量組合相應(yīng)存在明顯的差異，尤其在巖性組合轉(zhuǎn)換界面處，特征尤為明顯。以蓬萊區(qū)塊X 9-2井為例，館陶組地層直接披覆在元古界地層之上，由淺水三角洲沉積環(huán)境的砂泥巖(含礫)進(jìn)入酸性侵入的花崗巖，元素含量組合存在明顯的變化，Ca元素突變式鋸齒上升，Sr元素整體臺階式上升，F(xiàn)e、Mg、Cl、Ba、V元素整體臺階式下降(圖3)。

2.2.3 特征元素法

一般在關(guān)鍵地層界面處，由于界面上下所處年代不同，具有不同的沉積背景條件，不同沉積環(huán)境，物源不同，水介質(zhì)中離子成分必然存在差異，尤其某一特征優(yōu)勢元素，界面上下富集程度必然不同。因此，利用某一特征元素在地層界面處上下的差異及敏感性，即可判斷鉆遇層位的所屬年代，從而可以依據(jù)某種特征元素界定地層界面，元素曲線在地層界線處都具有較明顯的變化。以蓬萊區(qū)塊X 20-1井為例，東營組地層直接披覆在元古界潛山之上，元古界潛山為厚層灰?guī)r，Ca元素在灰?guī)r中含量高，作為灰?guī)r的特征元素呈現(xiàn)臺階式上升趨勢(圖4)。

2.3 潛山界面元素組合識別模式

本文通過研究區(qū)潛山界面元素組合效應(yīng)特征進(jìn)行研究，利用曲線異常組合法、巖性組合法及特征元素法等多種方法，針對研究區(qū)17種潛山披覆界面類型歸納出17種潛山界面元素組合識別模式。不同區(qū)塊不同年代地層中具有不同的元素組合模式，這與不同區(qū)塊所處古地理環(huán)境有關(guān)，不同的沉積位置，物源供給條件不同，甚至水體中飽含礦物成分都會有所差異，因此必然具有不同的元素組合模式及其變化特征，具體特征參見表2所示。

圖3 巖性組合法識別潛山界面 (館陶組進(jìn)元古界潛山類)

圖4 特征元素法識別潛山界面 (東營組進(jìn)元古界潛山類)

表2 渤海油田潛山界面識別及組合元素特征

3 應(yīng)用及效果分析

2017年至2019年渤中、曹妃甸和旅大區(qū)塊(錦州、蓬萊、秦皇島區(qū)塊近幾年潛山井較少，暫無應(yīng)用元素錄井技術(shù)井)潛山井元素識別結(jié)果檢驗表明，平均誤差率為0.21%(表3)。實際驗證表明，該技術(shù)符合率高，能作為常規(guī)卡地層界面方法的補(bǔ)充，為安全、快速鉆井提供了重要技術(shù)支撐。以渤中區(qū)塊X 13-4井為例(圖5)，沙河街組地層直接披覆在太古界地層之上，巖性組合發(fā)生明顯變化，由沙河街組厚層泥巖夾薄層砂巖變?yōu)轫敳可暗[巖，主體為花崗片麻巖的太古界潛山巖性組合，在元素錄井曲線組合上出現(xiàn)了明顯的突變，Zr、Si元素整體上升，K、Na 元素鋸齒狀突變增加，Ca、Mg、Mn元素急劇減小，P、S、Cl、Ba、V、Ti、Fe、Sr元素階梯狀整體下降，與渤中區(qū)塊沙二段披覆太古界模式特征一致。依據(jù)潛山界面元素組合識別技術(shù)，井場錄井潛山界面深度為4 352 m，實鉆完井潛山界面深度4 348 m，誤差率僅為0.09%，應(yīng)用效果明顯好。

表3 潛山界面元素組合識別技術(shù)應(yīng)用效果

圖5 X 13-4井元素錄井綜合圖

4 結(jié)束語

元素組合識別潛山界面技術(shù)在渤海油田典型區(qū)塊的研究應(yīng)用表明，該技術(shù)劃分地質(zhì)界面的流程及方法在潛山界面卡取方面具有獨特的優(yōu)勢，根據(jù)特征元素縱向上的變化規(guī)律，有助于準(zhǔn)確落實地層界面深度。檢驗結(jié)果表明，平均誤差率為0.21%，能作為常規(guī)卡取地層界面方法的補(bǔ)充，為安全、快速鉆井提供了重要技術(shù)支撐。

對渤海油田6個區(qū)塊(渤中、錦州、曹妃甸、旅大、秦皇島和蓬萊)元素錄井特征剖面以及巖性識別進(jìn)行了初步研究，歸納出17種潛山披覆界面類型，利用曲線異常組合法、巖性組合法及特征元素法等多種方法，針對性地形成17種潛山界面元素組合識別模式。

元素錄井識別巖性技術(shù)受到樣品代表性等因素影響存在一定的局限性，而且渤海油田潛山種類繁多，潛山界面識別復(fù)雜，渤海油田潛山界面元素組合識別技術(shù)還需不斷研究完善。