碳酸盐岩古潜山风化壳随钻快速识别

许廷生

（中国石油冀东油田分公司勘探处，河北唐山 063004）

碳酸盐岩古潜山风化壳随钻快速识别

许廷生

（中国石油冀东油田分公司勘探处，河北唐山 063004）

针对碳酸盐岩古潜山风化壳随钻快速识别在古潜山勘探中的重要性及利用传统录井方法难以准确识别地层岩性的现状，在各种岩石化学成分和碳酸盐岩古潜山风化壳附近地层元素特征、元素组合特征及元素录井技术原理、工艺流程等分析基础上，通过现场应用和室内分析认为，元素录井分析研究结果，结合地质分析及钻井工程特征，能够较准确地快速识别古潜山风化壳，元素录井技术可为随钻快速识别古潜山风化壳提供科学依据，在碳酸盐岩古潜山油气勘探开发中具有良好的应用前景。

古潜山；碳酸盐；风化壳；元素录井；快速识别

碳酸盐岩储层在世界油气生产中占有极其重要的地位。据统计，世界碳酸盐岩储层的油气产量约占世界油气总产量的60%；中东地区石油产量约占全世界产量的2／3，其中80%的含油层是碳酸盐岩；北美的碳酸盐岩产量约占北美整个石油产量的1／2；在前苏联的生物礁油田内，石油储量约占整个碳酸盐岩储量的31%，天然气占29%［1］。在我国古潜山油气田占有极其重要的位置，渤海湾盆地古潜山油气田绝大部分地质储量都蕴藏在这类储集岩中［2］。随着油气勘探开发的不断深入，深层古潜山油气藏在勘探领域中变得越来越重要。

在碳酸盐岩古潜山钻探过程中，快速准确识别古潜山风化壳是决定钻探成败的关键环节，直接影响着碳酸盐岩古潜山油气藏的勘探进程、分析研究及油气田的合理开发。传统的录井对岩性的识别主要通过人的肉眼直接观察或借助光学仪器观察，获取岩性资料为定性的描述性资料，这已不能满足碳酸盐岩古潜山等复杂油气藏勘探开发的需要。同时，PDC钻头、空气钻井等钻井工程工艺造成岩屑细小、混杂，使常规的录井方法难以准确识别岩性。本文在各种岩石化学成分分析基础上，对碳酸盐岩古潜山风化壳及其上下地层元素特征及元素组合特征进行分析研究，发现了碳酸盐岩古潜山风化壳及其上下地层元素的变化规律，据此对碳酸盐岩古潜山风化壳进行识别，通过现场应用取得了良好效果，为古潜山中途测试及完钻决策提供了科学依据。

1 快速识别风化壳的意义

由于组成古潜山的地层、岩性和油气显示等都比较复杂，尤其是以碳酸盐岩为储集体的古潜山油气藏，在很多情况下风化壳上下的地层压力系统不一致，风化壳往往还是古潜山型油气藏，为此在古潜山钻探过程中，及时准确的识别风化壳就变得很重要。如果风化壳预测不准，出现误卡或漏卡的情况，将会造成多下技术套管和继续钻井的困难；若一旦钻入古潜山内部缝洞发育段，泥浆突然大量漏失，就会引起井壁垮塌，造成油井报废。所以正确预测、及时发现和辨识古潜山及风化壳，避免钻井事故的发生、取全取准古潜山风化壳上下的地质资料，对于古潜山的勘探开发具有重要的意义［3－4］。

在古潜山钻探过程中，随钻动态跟踪分析和随钻资料录取工作尤其重要。特别对于预探井，随钻动态跟踪分析和随钻资料录取工作质量的好坏，所取资料、数据齐全正确与否，将直接影响着古潜山勘探进程、油气藏分析研究以及油气田的合理开发。我国古潜山油气藏勘探、开发实践表明，古潜山风化壳的识别，油气显示的判断，缝洞发育层的确定是古潜山钻探过程中的主要工作［2］。

2 古潜山风化壳快速识别

碳酸盐岩古潜山风化壳是深埋地下的古潜山顶部碳酸盐岩，因构造作用而被抬升到地表，并长期裸露地表遭受风化和溶蚀作用形成了裂隙和孔洞发育的古潜山风化表层。地质历史时期碳酸盐岩古潜山风化壳的岩溶作用（包括溶蚀作用、充填作用、胶结作用及因溶蚀引起的岩体的机械破碎作用等）所留下的岩溶形迹（矿物－岩石学特征和地球化学特征等），均可作为识别古潜山风化壳的标志［5－7］。其中，以矿物岩石学标志最为直接。因此，通过不同岩石化学成分的分析，提取录井岩屑中反映碳酸盐岩古潜山风化壳相应敏感的化学元素建立碳酸盐岩古潜山风化壳识别与评价方法，以实现在钻井过程中对碳酸盐岩古潜山风化壳的快速识别［8］。

2.1 岩石学理论基础

在古潜山钻探过程中，可能会钻遇火成岩、沉积岩、变质岩等三大岩类。火成岩按照SiO2的质量百分含量可分为超基性（＜45%）、基性（45%～52%）、中性（52%～65%）和酸性（＞65%）岩；沉积岩主要可分为碳酸盐岩和碎屑岩两大类；而变质岩则可分为正负变质岩，其化学成分特点分别与火成岩（正变质岩）和沉积岩（负变质岩）相当。表1为由标准矿物组成进行理论计算（徐登科，1979）的典型岩石的主要化学成分数据［9］。由表1可看出，不同的岩石具有不同的化学成分。由橄榄岩到石英岩SiO2质量百分含量由34%增加到100%，MgO质量百分含量由23%降低到0，FeO质量百分含量由42%降低到0；由石英砂岩到页岩SiO2质量百分含量由100%降低到48%，而Al2O3的质量百分含量由0增加到25%；碳酸盐岩富含CaO。这些变化和各种岩石的化学成分特征为元素录井的岩性乃至地层分析奠定了基础。将元素录井测试的数据与这些数据进行比较，就可以得出测试样品的岩性。

表1 计算的典型岩石的氧化物质量百分含量 %

据周德全等人的研究表明，碳酸盐岩风化壳形成地球化学过程遵循碳酸盐岩风化的两阶段模式：第一阶段（母岩－酸不溶物），大量可溶性物质Ca、Mg、Mn、P淋失，难溶或不溶物质Si、K、Fe、Al、Ti等相对富集；第二阶段（酸不溶物－土层以及土层的演化），K、Si不断淋失、转化，Al、Fe逐渐累积，体现出脱Si、富（或相对富集）A1、Fe过程。因此，在碳酸盐岩岩性界面的风化壳附近，Ca元素由于被淋失，其质量百分含量相对较低。而难溶性元素Si、Fe、Ti元素质量百分含量较高［10］。通过分析风化壳及其之上的元素特征及元素组合特征，找出元素变化规律，据此快速识别风化壳［11］。

2.2 元素录井技术原理

X射线是电磁波谱中的某些特定波长范围内（0.005～10 nm）的电磁波。一个稳定的原子结构由原子核及核外电子组成，其核外电子都以各自特有的能量在各自的固定轨道上运行。当X射线作为高能粒子束轰击介质时，原子的内层电子（如K层）在足够能量的X射线照射下脱离原子的束缚释放出来，电子的逐放会导致该电子壳层出现相应电子空位。这时处于高能量电子壳层的电子（如L层）会跃迁到该低能量电子壳层来填补相应的电子空位。由于不同电子壳层之间存在着能量差距，这些能量上的差以二次X射线的形式释放出来（图1）。不同的元素所释放出来的二次X射线具有特定的能量特性，因此，二次X射线又叫特征X射线，或叫X射线荧光（XRF），它具有物质元素的指纹效应［12］。

用X射线照射岩屑样品时，岩屑可以被激发出各种波长的特征X射线，为了把混合的X射线按波长（或能量）分开，可分别测量不同波长（或能量）的X射线强度，并通过计算机处理区分元素的种类和含量，以实现对岩屑中各种元素进行定性和定量分析的目的。

2.3 元素录井技术工艺流程

（1）按照随钻地质岩屑录井要求，按钻井深度由浅至深在钻井液或压缩气体出口处连续获取岩屑样品。

（2）用清水对岩屑样品进行清洗，再烘干岩屑样品。

（3）将岩屑样品进行研磨成粉，并将样品粉末装入挤压模具，用压片机将岩屑粉末压制成片状样品。

（4）将片状样品放入分析仓，启动仪器进入分析程序。

（5）将分析结果（岩石成分数据及图谱）按井深序号依次存入相应数据库和图谱库中。

（6）根据数据及图谱的分析，进行岩性与层位的判断及其他研究。

2.4 实例分析

2.4.1 实例1

图1是预探井例1井在奥陶系顶界附近的元素录井图，从图1可以看出，在井深6 226 m向上Si、Fe和Ti元素质量百分含量突然增大，但Ca、Mg元素质量百分含量大幅度降低；在6 222～6 226 m井段为元素变化过渡段；在井深6 222 m向上，Si元素质量百分含量达到高值，Ca、Mg元素质量百分含量达到低值；综合分析区域地质特征及元素特征变化认为，该井在井深6 222 m处钻遇了碳酸盐岩古潜山风化壳，风化壳上覆地层为砂质岩，6 222～6 226 m井段为风化淋滤带（即碳酸盐岩古潜山风化壳），在井深6 226 m以下为碳酸盐岩古潜山内幕。常规测井、录井等资料录取分析结果与上述元素录井分析结果基本一致。

2.4.2 实例2

例2井是以预探奥陶系碳酸盐岩古潜山含油气情况为目的的预探井，该井在钻探过程中，钻至井深4840m附近时，元素录井分析结果显示，从井深4 840 m开始Ca、Mg元素质量百分含量突然增大，Si元素质量百分含量突然降低（表2），根据元素变化特征结合区域构造及地层对比分析认为，该井在井深4 840 m处钻遇了碳酸盐岩古潜山风化壳，为此决定对该井实施中途完井，将技术套管下到古潜山面（及风化壳），之后对碳酸盐岩古潜山井段实施欠平衡钻进，并在碳酸盐岩古潜山风化壳钻进过程中获得了良好油气显示，完井试油获得了日产油44.4 m3，日产气10.6×104m3的高产工业油气流，该区碳酸盐岩古潜山勘探取得重大突破。该井碳酸盐岩古潜山风化壳的准确快速识别，为该区碳酸盐岩古潜山勘探取得重大突破奠定了良好的基础。

图1 例1井碳酸盐岩古潜山风化壳元素特征图

表2 例2井碳酸盐岩古潜山风化壳附近元素特征变化 %

3 结 论

（1）准确快速识别古潜山风化壳，对于碳酸盐岩古潜山的勘探开发具有重要意义。

（2）在区域地质构造情况，钻井地质设计，地层对比等分析研究基础上，结合钻井工程特征，利用元素录井技术，通过分析研究可快速准确识别碳酸盐岩古潜山风化壳。

（3）现场应用及室内分析结果表明，元素录井资料对于风化壳的识别具有较好的效果，可在随钻过程中实现风化壳的快速识别。

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Quick identification of weathering crust of carbonate rock while drilling plays an important part in buried hill exploration，while the formation lithology is hard to identify by traditional logging method.Based on the analysis of formation elements characteristics，elements combination characteristics，elements logging technology principles and processes，in combination with field application，laboratory analysis，geological analysis and drilling engineering characteristics，quick identification of weathering crust of carbonate rock can be realized.The field application results indicate element logging technology can provide scientific guidance for the quick identification and be of good application prospects in exploration and production of buried hill.

36Quick identification of weathering crust of carbonate rock in buried hill while drilling

Xu Tingsheng（Exploration Department of Jidong Oilfield Branch Company， PetroChina， Tangshan， Hebei 063004）

buried hill；carbonate rock；weathering crust；element logging；quick identification

TE132

A

1673－8217（2012）03－0036－04

2011－08－04；改回日期：2011－09－27

许廷生，工程师，1976年生，2001年毕业于江汉石油学院石油与天然气地质勘查专业，现从事石油地质方面的工作。基金项目：中国石油股份公司科技攻关项目“以MDT、成像、常规测井为核心的油气层快速识别与评价技术”（2008ZX05050）部分研究成果。

吴官生