基于XRF的綜合解釋技術研究

◇長江大學地球科學學院 張 佳 張 哲 馮 偉

為更加便捷地進行元素錄井工作，降低技術難度，研究了不同種類巖石的元素組成特征，通過XRF得到巖樣元素組成分布數據，以元素交匯圖、比值關系圖等進行巖類詳細劃分，結合巖石學與地球化學的巖性解釋方法，繪制出巖性分析圖版。同時結合指數分析法、古鹽度特征、古氧相特征、古水深特征完成了沉積環境分析。XRF技術主要通過化學分析測定樣本中各元素含量，并根據這些數據對儲層進行巖性識別、沉積相分析以及巖石脆性評價。最后結合脆性公式對巖石作出較全面的巖性解釋分析。

1 前言

近年來，隨著測井技術、鉆井工藝及定向鉆井的飛速發展，錄井領域不斷推廣和應用各種新技術和新工藝。特別是特殊鉆井服務的條件下有關巖性識別、界面卡取、特殊地層以及孔隙、溶洞和裂縫的發育層段的超前預測等，一直是現場鉆井技術面臨的實際困難，鉆井現場的綜合測井面對了嚴峻的考驗。

元素錄井技術在一定程度上解決了細小巖屑以及特殊巖性隨鉆識別的難題，根據元素含量的差異可形成多類不同的巖性區分圖版，為鉆井現場的巖性識別和解釋提供了更多的依據。

2 巖性判別

2.1 巖漿巖與沉積巖的判別

火成巖的主要化學成分為Na2O、K2O、CaO、MgO、SiO2、FeO、Fe2O3、Al2O3、TiO2和H2O。地球表層或近地表沉積巖主要包括砂巖、泥巖和碳酸鹽三大類，其化學成分因主要沉積物中的造巖礦物含量差異而不同。可用Fe、Mg、Na、K四種元素的含量來區分這兩種巖石，如圖1所示。

圖1 火成巖和沉積巖的區分圖版

2.2 碳酸鹽巖和砂泥巖的判別

砂泥巖的化學成分主要取決于碎屑組分及其含量和膠結物的成分。其中，SiO2的含量較高，而Al2O3的含量則大量減少。泥巖的化學成分主要以SiO2、Al2O3、H2O為主，其次為Na、K、Ca、Mg、Fe的對應氧化物及一些微量元素。可利用Si、Mg、Ca三種元素的含量差別制作圖版來區分這兩類巖石，如圖2所示。

圖2 碳酸鹽巖和砂泥巖的區分圖版

2.3 綜合對比判別

由于火成巖、碳酸鹽巖、砂泥巖三大類巖石主要化學成分有重合的部分，而這些相同元素在不同巖石中的含量不同。因此利用相同元素的含量差別來區分這三類巖石。下方是兩個Si-Ti交匯圖模板，也可用其來識別巖漿巖、碳酸鹽巖、砂泥巖三大類巖石。圖中大致可以以Si和Ti的相對含量的差別將圖版分為三大部分。圖版的左下角，Si、Ti的相對含量均較低，巖性以碳酸鹽巖為主。圖版的中部，巖性以巖漿巖為主：當Si的相對含量在19%～25%時，當Ti的相對含量小于0.6%時，巖性為超基性巖，若Ti的相對含量大于0.6%，則其巖性為基性巖；若Si的相對含量在25%～30%，Ti的相對含量在0.4%～0.8%，則巖性為中性巖。圖右下角Si相對含量較高，Ti相對含量較低，巖性主要為砂泥巖。而中性巖漿巖與泥頁巖的Si、Ti百分含量較接近，需進一步的區分。

圖3 Si-Ti交匯圖模板

圖4 Si-Ti交匯圖模板

2.4 以元素交匯圖、比值關系圖等進行巖類的詳細劃分

（1）火山巖巖性劃分。用巖漿巖中SiO2的質量分數ω1進行酸性劃分，將其分為四類：當ω1＜45%時，稱為超基性巖；當ω1在45%～52%時，稱為基性巖；當ω1在52%～63%時，稱為中性巖；當ω1＞63%時，稱為酸性巖。然后，根據巖漿巖中Na2O和K2O總的質量分數ω2進行堿性劃分。首先分別計算出火成巖中SiO2的質量分數ω1以及Na2O和K2O總的質量分數ω2，再將結果投影到如下圖所示TAS圖版中，圖5將火山巖細分為15種類型。

圖5 TAS火山巖區分圖版

（2）碳酸鹽巖巖性劃分。如圖6所示，圖版用的是Ca、Mg以及Si三種元素的百分含量來區分不同類型的碳酸鹽巖，對其進行進一步的分類和命名。當Si的百分含量在14%以下，該圖版按Ca以及Mg的含量將碳酸鹽巖分為灰巖以及云巖兩大類，每類巖石分為5種不同的類型，一共將碳酸鹽巖分為10類：灰巖，含云灰巖、云質灰巖、含泥灰巖、泥灰巖以及云巖、含灰云巖、灰質云巖、含泥云巖、泥云巖。該圖版上部，當Si的百分含量大于14%時，巖石為泥巖，再根據Ca和Mg的含量區分泥巖類型為灰質還是云質等。

圖6 碳酸鹽巖三角解釋圖版

（3）砂泥巖巖性劃分。對于砂泥巖的識別，一般情況下泥質含量可用Al元素和Fe元素的含量表示，砂質含量可用Si的含量表示[6]。在此使用各類元素交匯圖判別出砂泥巖大類后，進一步使用Si、Al、Fe三種元素的百分含量區分砂巖和泥巖。如圖7所示，該圖版橫坐標為Si的百分含量，縱坐標為Al+Fe的總百分含量，將圖版分為兩個部分，左上角為泥巖，右下角為砂巖。

圖7 砂巖和泥巖的區分圖版

2.5 以各類巖性含量比例關系進行沉積巖巖性綜合定名

（1）根據特征元素的含量來解釋物質含量。

（2）各類巖性的含量比例關系可以用規定的巖性混合模型來確定。

（3）按巖性命名規則綜合巖性命名。

3 沉積相分析

基于元素錄井的沉積相分析著眼于用指數分析法研究氣候條件以及古鹽度、古氧相、古水深的特征研究。

3.1 指數分析法

這里介紹四種指數分析法用以判斷沉積環境，主要是用來研究氣候條件，判斷沉積環境的濕潤程度。

（1）氣候指數“C”值。對于沉積巖，如果氣候相對濕潤，巖石中的Fe、Mn、V、Co、Ni、Cr等元素相對豐富。如果氣候條件相對干燥，大量的K、Na、Ca、Mg、Ba、Sr等元素沉淀在底部，沉積形成各種鹽類，所以這些元素的含量相對豐富。這兩種元素的總含量之比用氣候指數的“C”值表示。計算公式如下：

（2）Sr、Cu比值。古氣候的變化也可用Sr/Cu的數值來簡單判斷。研究表明，當比值在1～10之間時，沉積環境為溫暖濕潤氣候；如果比值大于10，說明沉積環境逐漸轉變為干旱氣候。

（3）風化指數。風化沉積產物的化學風化指數可用于確定土壤礦物或巖石的風化強度。風化指數計算如下：

（4）化學蝕變指數。化學蝕變指數主要用來判斷沉積地區化學風化的程度，也可應用在分析沉積物沉積環境的古氣候條件上。化學蝕變指數計算公式如下：

3.2 古鹽度特征

利用元素錄井的方法研究古鹽度特征中，涉及到多種元素，主要有V、B、Ga、Sr、Ba、Fe、Mn、Ca、Mg等，通過分析這些元素的相對含量以及某些元素含量的比值，即可判斷是淡水環境還是咸水環境，從而得知是海相還是陸相。

3.3 古氧相特征

古氧相是指沉積物沉積和成巖作用過程中，水環境（特別是底水水體）中溶解氧的特征，以及環境中各種巖石變化和地球化學特征的結合。

3.4 古水深特征

隨著沉積物的不斷運移，其包含的元素不斷發生變化，搬運距離越遠，化學成分越穩定。由此可以根據相關元素的含量變化從一定程度上分析出沉積物搬運的距離以及沉積物沉積成巖時的古水深。通常把Co/Ti、Ni/Ti、Mn/Ti和Mn/Fe等比值通常作為離岸距離的標志，這些比值常會隨著離岸距離的增加而增大。

4 儲層脆性評價

脆性是指巖石在受到應力時容易破碎的性質。對地層巖石來說脆性是一項非常重要的性質，它是研究地層可鉆性、進行壓裂選層以及優選施工參數的重要手段。儲層脆性指數的計算公式如下：

式中：BI-儲層脆性指數；Cth-儲層中的泥質含量，%。

當BI≥0.6時，判斷儲層易發生裂縫。當BI<0.6時，判斷儲層不易破裂。

5 結語

（1）基于元素錄井技術的巖性識別與劃分是對儲層巖性進行簡單快速識別，每一類巖石的巖性大類以及它們的細分均有不同的研究圖版用作參考，方便實用。對儲層巖性的識別和細分具有重要的參考價值。

（2）基于元素錄井技術的沉積相分析主要是用元素含量得出的各種指數進行氣候條件的判斷以及用各種特征元素對沉積區進行古鹽相、古氧相和古水深的判斷。對于沉積環境的分析均有特殊元素作為分析重點，潮濕或是干旱，淡水或是咸水，湖相或是海相所對應的元素以及它們的含量均有差別。

（3）基于元素錄井技術的脆性評價是把脆性物質作為參考點，如石英以及碳酸鹽巖礦物均為脆性礦物，以它們所對應的Si、Ca以及Mg元素的含量作為脆性評價的指數來評價儲層脆性，進而判斷儲層可壓裂程度。此外，泥質礦物屬于塑性礦物，其含量可作為與儲層脆性呈負相關的參數來評價儲層脆性。