碳酸鹽定量分析及時(shí)及其在四川盆地錄井工作中的應(yīng)用

摘 要

摘要：碳酸鹽巖儲層是四川盆地油氣勘探的主要層位之一。一直以來，錄井過程中對碳酸鹽巖巖屑的鑒別主要依據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)、化學(xué)分析和碳酸鹽巖分析儀。近年來，由于勘探的需要，鉆井大提
摘要：碳酸鹽巖儲層是四川盆地油氣勘探的主要層位之一。一直以來，錄井過程中對碳酸鹽巖巖屑的鑒別主要依據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)、化學(xué)分析和碳酸鹽巖分析儀。近年來，由于勘探的需要，鉆井大提速主要使用PDC鉆井、氣體鉆井新技術(shù)新工藝，四川盆地鉆速大幅度提高，給錄井工作中的巖屑鑒別增加了困難，影響了巖屑錄井剖面質(zhì)量和碳酸鹽巖白云巖儲層的發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)的碳酸鹽巖鑒別法滿足不了現(xiàn)代鉆井工藝條件下的錄井要求，為此研發(fā)了新型碳酸鹽巖分析技術(shù)，在現(xiàn)場能夠比較準(zhǔn)確地分析出巖石的主要成分如白云石、方解石和酸不溶物的含量，用于巖性定名、地層對比和白云巖儲層的發(fā)現(xiàn)。該項(xiàng)新技術(shù)主要是采用質(zhì)量分析法，和過去碳酸鹽巖儀的壓力法相比，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、分析時(shí)間短的優(yōu)勢。通過在四川盆地的應(yīng)用，取得了良好的效果。因此，對碳酸鹽巖定量分析新技術(shù)的原理、應(yīng)用條件、定量解釋方法和應(yīng)用效果進(jìn)行了介紹，評價(jià)了該技術(shù)的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：四川盆地；碳酸鹽巖；定量分析技術(shù)；巖屑鑒別；解釋方法；質(zhì)量-化學(xué)分析法；應(yīng)用
    隨著近幾年P(guān)DC鉆頭鉆井、空氣鉆井等新型鉆井工藝與裝備的應(yīng)用，巖屑細(xì)小或呈粉塵狀，巖屑描述的難度增大。在四川盆地復(fù)雜的三疊系、二疊系地層中，要準(zhǔn)確的描述巖屑，碳酸鹽巖分析儀器是不可缺少的設(shè)備，其結(jié)果的可靠性影響對地層巖性的判斷。傳統(tǒng)的碳酸鹽巖鑒別方法滿足不了現(xiàn)代鉆井工藝條件下的錄井要求，為此研發(fā)了新型碳酸鹽巖分析技術(shù)。
1 碳酸鹽巖定量分析技術(shù)
1.1 基本原理
    碳酸鹽巖主要由石灰?guī)r和白云巖組成。其主要化學(xué)成分為Ca0、Mg0及C02，其余氧化物還有Si02、Ti02、Al203、Fe0、Fe203、K20、Na20和H20等。純石灰?guī)r的理論化學(xué)成分為Ca0、C02；純白云巖(白云石)的理論化學(xué)成分為Ca0、Mg0、C02。此外，還有一些微量元素或痕跡元素，如Sr、Ba、Mn、Ni、C0、Pn、Zn、Cu、Cr、V、Ca、Ti等，可利用這些元素的種類、含量的比值來劃分和對比地層、判斷沉積環(huán)境和研究巖石成因。
    鹽酸與方解石和白云石的反應(yīng)方程如下：
    CaC03+2HCl=CaCl2+H20+C02↑ (1)
    MgCa(C03)2+4HCl=CaCl2+MgCl2+H2O+2C02↑    (2)
    目前流行的碳酸鹽巖分析儀是將一定質(zhì)量的巖屑和鹽酸放在密封的反應(yīng)池中反應(yīng)，碳酸鹽與鹽酸反應(yīng)，不斷生成C02氣體，造成密封池壓力不斷變化，通過測量壓力的變化，從而確定碳酸鹽巖的含量。傳統(tǒng)的這一分析方法存在下述缺點(diǎn)：分析儀器可操作性差、使用不直觀、硬件的穩(wěn)定性不高、分析結(jié)果不能形成電子文檔，且需要人工去判讀。主要還因?yàn)榉治鼍炔粔?，影響了碳酸鹽巖巖性定名，從而影響碳酸鹽巖錄井剖面的質(zhì)量。因此，急需研究新型的高精度碳酸鹽巖分析技術(shù)。
    碳酸鹽巖定量分析技術(shù)是一種質(zhì)量-化學(xué)分析法，其通過純石灰?guī)r、純白云巖的理論化學(xué)成分研究，確定每單位方解石與鹽酸完全反應(yīng)后質(zhì)量的減少量。每單位白云石與鹽酸完全反應(yīng)質(zhì)量的減少量。利用電子天平測量反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)量減少，并據(jù)此判斷碳酸鹽巖含量的方法。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
   Y=(Y2-Y1-1.28Yk)×(C-DY/I00) (3)
    EHk=H-Y1+AYB    (4)
式中Y為白云質(zhì)含量；H為石灰質(zhì)含量；A、B、C、D、E、K為實(shí)驗(yàn)系數(shù)；Y2、Y1為實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)。
   解釋工作由計(jì)算機(jī)自動完成，并且可進(jìn)行短周期分析(120s)、長周期分析(180s)、精確分析(分析時(shí)間超過1000s)3種選擇。分析周期越長，結(jié)果越準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)表明，采用短周期分析模式，也能滿足現(xiàn)場需要。
1.2 不同取樣條件下的解釋方法
1.2.1誤差分析
1.2.1.1 稱量誤差
   目前采用樣品量為1g以內(nèi)，樣品越多，分析誤差越小。樣品稱量誤差為0.001g，該項(xiàng)誤差隨分析模式不同而異，分析時(shí)間越短，誤差越大。
1.2.1.2 樣品混合時(shí)間
   分析開始后如果不迅速將樣品與鹽酸完全混合，將導(dǎo)致分析不準(zhǔn)。通過要求在30s內(nèi)完全混合，這樣誤差最小。在30～60s內(nèi)混合均勻，對白云巖含量的影響為5%～10%(相對誤差)。
1.2.1.3 環(huán)境溫度
   標(biāo)定時(shí)如果室溫和分析時(shí)的室溫不一致，兩者的差別越大，分析誤差越大。應(yīng)盡可能在與標(biāo)定溫度相接近的條件下分析。
1.2.1.4 樣品研磨
   成分不同，影響不一樣，應(yīng)盡可能研細(xì)。通常而言，顆粒越大，誤差就越大。分析樣品顆粒大小最好與標(biāo)準(zhǔn)樣品一致。
1.2.2不同鉆井條件下的影響
1.2.2.1 橋塞鉆井液鉆井
   由于橋塞鉆井液鉆進(jìn)取樣時(shí)間短，巖樣少，巖性混雜，代表性差[1]，測量值中酸不溶物偏高，真巖屑少，解釋準(zhǔn)確率影響程度大。
1.2.2.2 PDC鉆頭鉆井
   PDC鉆頭產(chǎn)生的鉆屑細(xì)小，碳酸鹽巖鉆屑為復(fù)合研磨而成，很少見新鮮成型巖屑[1～2]，測定值有一定誤差。
1.2.2.3 空氣鉆井
   空氣鉆井，巖屑基本成粉塵[3～4]，但不影響碳酸鹽巖定量分析，解釋符合率較高，影響較大的是取樣時(shí)間的準(zhǔn)確性。
1.2.3定量分析解釋方法
   本系統(tǒng)資料解釋智能化，石灰質(zhì)含量、白云質(zhì)含量、白云巖含量的確定不再需要人工參與，排除了人為的誤差。通過大量的實(shí)驗(yàn)，建立了數(shù)學(xué)模型，解釋工作由計(jì)算機(jī)自動完成，碳酸鹽巖測定分析系統(tǒng)可進(jìn)行短周期分析(120s)、長周期分析(180s)、精確分析(時(shí)間1000s以上)3種選擇。
    分析過程如下：在燒杯中放入8mL濃度為10%的鹽酸后置于天平托盤，將“稱樣紙”放在燒杯上，待稱量穩(wěn)定后將天平置為零。將樣品放到稱量紙上(樣品重量介于0～1g，樣品越多，分析結(jié)果誤差越小)，點(diǎn)擊“倒計(jì)時(shí)準(zhǔn)備”，分析程序進(jìn)入5s倒計(jì)時(shí)，在倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)盡快將酸與樣品混合均勻，并放回到天平托盤上。一個(gè)分析周期后，窗口自動顯示分析結(jié)果，其結(jié)果存在數(shù)據(jù)庫中，可進(jìn)行修改、轉(zhuǎn)儲、打印。
2 在四川盆地的應(yīng)用情況及前景
2.1 應(yīng)用情況
2.1.1龍崗地區(qū)飛仙關(guān)組鮞灘巖性識別
    在四川盆地龍崗地區(qū)飛仙關(guān)組鉆進(jìn)中，應(yīng)用碳酸鹽巖定量分析技術(shù)對龍崗地區(qū)3口井進(jìn)行了采樣分析。從其中一口井的分析可見(圖1)，在6750～6890m儲層段，酸不溶物、石灰質(zhì)含量高，與上部泥灰?guī)r的自然伽馬高值、雙側(cè)向低值對應(yīng)較好；在6890～6992m儲層段，白云質(zhì)含量出現(xiàn)至高值，與鮞灘白云巖的自然伽馬低值、雙側(cè)向高值顯示吻合較好睜…，為判斷飛仙關(guān)組鮞灘儲層提供了可靠依據(jù)。但酸不溶物含量偏高，與鮞灘儲層物性相關(guān)性稍差。

2.1.2川中磨溪構(gòu)造雷口坡組巖性識別
    針對碳酸鹽巖地層，顯微識別定量分析巖性存在困難，應(yīng)用碳酸鹽巖定量分析技術(shù)，對M030-H2井進(jìn)行分析，在2961～3046m、3148～3164m、3208～3308m儲層段，顯示方解石含量低，白云石含量高，對應(yīng)綜合錄井參數(shù)為低鉆時(shí)，高氣測值段。證實(shí)碳酸鹽巖定量分析獲得的方解石、白云石、酸不溶物含量與巖屑剖面、鉆時(shí)、氣測等資料對比吻合性較好，快速識別出白云巖儲層(圖2)。

2.1.3龍崗地區(qū)長興組生物礁巖性識別
    在龍崗地區(qū)長興組生物礁鉆進(jìn)中，應(yīng)用碳酸鹽巖定量分析技術(shù)對對龍崗62井、龍崗63井和龍崗68井等進(jìn)行采樣分析。從龍崗62井的分析可見(圖3)，在6300～6354m儲層段，石灰質(zhì)含量極高，與純石灰?guī)r的自然伽馬低值、雙側(cè)向高值對應(yīng)較好，在6354～6462m儲層段，白云質(zhì)含量出現(xiàn)至高值，與生物礁白云巖的自然伽馬低值、雙側(cè)向高值顯示吻合較好[8]，為判斷長興組生物礁儲層提供了可靠依據(jù)。但酸不溶物含量偏高，與顯示對應(yīng)的生物礁儲層物性相關(guān)性稍差。

2.2 應(yīng)用前景
    隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，鉆井速度的不斷提高，四川盆地各大油氣田廣泛采用PDC鉆井和空氣鉆井等先進(jìn)鉆井工藝，巖屑細(xì)小或呈粉塵，巖屑描述的難度增大[9]。應(yīng)用碳酸鹽巖定量分析技術(shù)研發(fā)的分析系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便、快捷、準(zhǔn)確，樣品分析成功率高，巖屑石灰質(zhì)、白云質(zhì)成分量化準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在提高檄鹽巖地區(qū)錄井剖面的質(zhì)量和發(fā)現(xiàn)礁灘儲層方面具有的明顯優(yōu)勢，而且，分析系統(tǒng)具有較好的成本優(yōu)勢，市場前景廣泛。
3 結(jié)束語
    碳酸鹽巖定量分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了碳酸鹽巖成分解釋定量化，操作方便、結(jié)果準(zhǔn)確、分析速度快，為錄井工作者識別PDC鉆井、空氣鉆井等先進(jìn)鉆井工藝過程中攜帶出的巖屑提供了一個(gè)輔助工具，提高了錄井剖面質(zhì)量。該技術(shù)在四川盆地碳酸鹽巖重點(diǎn)探區(qū)的儲層巖性識別中取得了較好的效果。
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(本文作者：韓永剛1 趙容容2 李平1 陳述良1 濮瑞1 李永保1 1.川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院；2.中國石油西南油氣田公司勘探事業(yè)部)