杨琳 唐家琼 赵磊 唐谢 韩贵生 王君

（中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院，四川成都 610051）

元素录井在碳酸盐岩地层分层中的应用
——以鄂尔多斯盆地马家沟组为例

杨琳 唐家琼 赵磊 唐谢 韩贵生 王君

（中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院，四川成都 610051）

PDC钻进导致岩屑细小，代表性差，常规录井方法难以识别岩屑和划分地层层位。元素录井具有样品需求少，分析周期短，分析数据全，误差小的特点。不同沉积环境的沉积物所含元素也不同。应用元素录井数据可识别岩屑岩性，结合区域沉积相特征可有效划分地层层位。

元素录井 鄂尔多斯盆地 马家沟组 海相 海侵 海退

0 引言

PDC钻进岩屑细小，常规录井岩性识别困难，易导致岩性定名、层位划分等地质复杂。岩屑录井结合沉积岩石学和地球化学可有效解决上述难题。

1 元素录井的原理

样品在受X射线照射时，带电粒子和光子与物质中的原子相互作用，使得原子电离或激发。原子内壳层电离后，该壳层留下空位。具有壳层电子空位的原子处于激发状态，壳层的电子从能量较高外层向能量较低的内层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时将多余能量以X荧光的形式释放出来，或者将能量转移给同一轨道的另一个电子，使该电子发射出X荧光，这个电子成为俄歇电子。当K层电子被击出后，L层或M层的电子跃迁到K层，填补K层的电子空位，同时以一定的概率发射X荧光。K层电子被逐出后，其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线。由L层跃迁到K层辐射的X射线叫Kα射线，由M层跃迁到K层辐射的X射线叫Kβ射线。类似地，当L层出现电子空位时，M层向L层跃迁，产生的X荧光叫L线系。X荧光的能量等于两个壳层中电子结合能的差值。各种元素的X荧光的能量范围在数千电子伏特到数万电子伏特之间。由于每种原子壳层之间的结合能各为定值，故壳层跃迁产生的X荧光能量和波长亦为定值，即表现为该元素的特征，故称为特征X射线（图1、图2）［1-2］。不同元素产生的X射线荧光具有不同能量与波长，对这些X射线荧光的能量或波长进行分析可以确定被分析物质的元素种类与数量。

图1 XRF分析原理图

图2 XRF分析流程图

2 元素录井的特点

XRF元素录井具有样品需求少，分析周期短，数据全，误差小等特点。使用10 g岩屑样品即可开展元素分析；样品纯分析时间仅需1 min；分析数据包括了Si、Al、Fe、Ca、Na、Mg、K等主要的地层元素以及一些重要的微量元素；分析数据误差可以控制在5%以内。

3 元素录井在长庆气区碳酸盐岩的应用

鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，为一矩形构造盆地，面积约2.5×105km2。中奥陶统马家沟组在鄂尔多斯盆地有广泛分布，最大厚度超过1 000 m，其地层自下而上可划分为马一段至马六段共6个岩性段，构成3个完整海退—海进的沉积旋回，其中，马一、马三、马五段为海退旋回的台内蒸发岩段，岩性主要为盐岩、硬石膏岩夹白云岩和石灰岩；马二、马四、马六段为海进旋回的浅海沉积，岩性主要为石灰岩和白云岩夹膏岩和泥云岩。因加里东运动后1.3亿年漫长的剥蚀，鄂尔多斯盆地内仅少数井见马六段石灰岩地层，大多数地区均已被剥蚀［3-4］。

随着钻井工艺的发展，马家沟组地层以PDC钻进为主，随钻返出的岩屑细小，代表性差，常规录井方法难以识别岩性和划分层位。通过鄂尔多斯盆地某井石盒子组至马家沟组3919组元素录井数据分析表明，可应用元素录井数据对马家沟组进行层位划分。下面从马家沟组内部层段划分和马五段小层划分说明元素录井进行层位划分的可行性。

3.1 马家沟组内部层段划分

根据地球化学可知，元素的聚集和分散与水盆深度有一定关系［5-7］。这种关系是元素沉积过程中机械、化学、生物、生物化学作用的结果。化学性质的差异导致元素铁和锰在沉积过程中受水介质Eh值与pH值控制而产生的分异现象较明显。铁的氧化物在pH值小于3时溶解度最大，进入海盆后，由于pH值明显增高，其溶解度大大降低，发生沉淀作用，因而常在滨岸地带有大量富集。锰的氧化物、硫化物的稳定性大于铁，可在海盆内发生长距离迁移，在远离滨岸的盆地中心沉积下来。因此，可以用Mn/Fe反映沉积物在海盆中搬运的相对距离与水深。鄂尔多斯盆地马家沟组为海相沉积环境，马一、马三、马五段为海退沉积旋回，相对马二、马四、马六段海进沉积旋回水体深度更浅，因此，Mn/Fe比值相对较低，从图3中可知能够依据Mn/Fe进行沉积旋回判断，从而划分马家沟组各段的地层。

图3 马家沟组亚段划分图

3.2 马五段小层划分

随着对鄂尔多斯盆地勘探的不断深入，将马家沟组划分为上（马五1—马五4亚段风化壳）、中（马五5—马五10亚段白云岩）、下（马四段及以下白云岩）3套含气组合，马家沟组含气中组合形成了海侵—海退旋回控制的多层膏岩层—碳酸盐岩的互层状沉积。其中马五6、马五8、马五10亚段为海退期沉积，岩性以蒸发岩为主，马五5、马五7、马五9亚段为夹在蒸发岩层序中的短期海侵沉积，以碳酸盐岩沉积为主。

海退时期的潮上带经常沉积一些陆源泥，一般泥岩的SiO2、Al2O3以及H2O三者总量可达80%以上。因此，通过Si、Al元素可有效识别碳酸盐岩中的泥质含量。从图4可知马五6、马五8、马五10的Si、Al含量明显升高，表明泥质含量上升，符合海退旋回元素沉积特征。潮上带沉积特征受气候影响较大。干旱气候条件下，潮上带常见石膏岩层，白云岩广泛发育。鄂尔多斯盆地马五时华北地台的古气候周期型转变为干热，盆地基底复又抬升，海平面下降，表现出快速海侵和缓慢海退的特征，其潮上带以含膏云坪为主夹藻泥云坪。图4上体现为马五6下部、马五8硫元素含量明显上升。

图4 马五段小层划分图

海侵时期的潮下带位于平均低潮面之下，很少暴露于水上，泥质含量少，因此马五5、马五7、马五9亚段硅、铝、硫元素含量少。鄂尔多斯盆地马五5亚段普遍有云化现象，云化后生成的半自行粉晶白云石晶粒多呈游离状分布，局部云化剧烈形成白云岩。实验井的白云岩化明显，岩性以白云岩为主，元素录井镁含量明显上升。

4 结论

1）XRF元素录井对岩屑样品要求少，数据分析周期短，数据误差小，现场操作性强，可有效地识别岩屑中的各类元素含量。

2）鄂尔多斯盆地马家沟组的实践表明，可以通过元素录井资料识别沉积相，结合区域地质认识可以划分地层层位。

［1］朱根庆，许邵俊，杨锐，等.X射线荧光岩屑录井仪器［J］.录井工程，2009，20（1）：47-50，60.

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（编辑：卢栎羽）

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2095-1132（2016）06-0009-03

10.3969/j.issn.2095-1132.2016.06.003

修订回稿日期：2016-11-09

中国石油天然气集团公司重大专项“随钻电磁波成像与测录井解释支持系统研发”（编号：2013E-38-09）。

杨琳（1981-），硕士，工程师，从事录井解释评价工作。E-mail：yanglin9078@126.com。