XRF射线法识别火山岩岩性技术研究.doc

XRF射线法识别火山岩岩性技术研究王舒 张坤贞 刘丽真（中原油田地质录井处，濮阳，457001）摘要 XRF射线法识别火山岩指的是运用元素含量的差异进行火山岩的岩性识别，随着钻井工艺的不断提高，传统方法已经无法准确识别岩性，本文提出运用XRF射线法进行岩性识别的意义也在于此。元素的测定是一项成熟的技术，将其运用到岩性识别中关键的因素是如何建立不同岩性与其化学元素含量差异之间的匹配关系，进而达到识别岩性的目的。在此提出拟色率、拟色率比及暗色矿物元素和等名称，是为了更好的区分岩性而建立的概念，具有可行性和区域性。运用此方法在查干凹陷的火山岩岩性识别中收到较好效果，解决了由于钻井过程中岩屑细小而无法识别的难题。 关键词 岩性识别 XRF射线法 拟色率 拟色率比作者简介 王舒，男，1979年生，本科，中原石油工程技术公司地质录井处工程师。一、 引言 岩性识别是地质研究的基础条件，而火山岩的岩性识别是所有岩性里面难度较大的一类岩性，由其成份、结构、构造的复杂性所致。随着钻井工艺水平的不断提高，岩屑更加细小，传统方法难以做到有效、准确识别。这对录井的发展提出了新的要求，本文在此提出运用XRF射线法识别火山岩岩性，避开因岩屑细小而带来的难题，从不同岩性所含化学元素含量的差异入手，引入拟色率的概念，进行岩性识别能较好应对岩屑细小而无法识别的难题。由于火山岩的复杂性所致，一个方法在某一区域适合，并不是在所有区域都适用，要根据不同区域岩性特征建立不同的模版，但是分析思路和解决方法大同小异，本文所提方法仅供参考。 二、火山岩准确识别的意义火山岩储层是油气聚集的有效储层之一，目前国内外均在火山岩中发现油气藏并成功开发。查干凹陷属于中原油田三大基地之一，其中苏红图期发育大量火山岩，并在31口井钻遇，15口井见显示，6口井试油，4口井见油气流，说明在查干凹陷火山岩段存在有效储层。火山岩储层主要为孔-缝型储层。岩性、岩相对储层的形成具有控制作用，不同的岩性、岩相形成储层的形式不同。查干凹陷火山岩主要岩性为溢流相的玄武岩、安山岩和爆发相的凝灰岩。玄武岩为基性岩，暗色矿物含量高而二氧化硅含量低，喷发期易形成气孔杏仁构造，后期受淋滤、风化等作用气孔被填充导致储层变差或杏仁体被溶蚀形成体内孔使得储层变好，在构造作用下受构造应力影响使得孔洞连通形成孔洞-裂缝型储层。而安山岩暗色矿物含量较玄武岩少，二氧化硅含量高，孔洞发育程度较玄武岩低，岩性致密，但易受构造应力影响裂缝发育程度较高，易形成裂缝-孔洞型储层。不同的岩性形成储层的类型也不相同，岩性对储层的形成起到控制作用。在查干凹陷中，溢流相中油气的发现主要集中在上部和下部亚相，中部亚相未见油气显示，说明不同的相带对油气的聚集有重要影响。而在查干凹陷发现的另一种火山岩为凝灰岩，在巴润断层带北部尤为发育，从钻开的意9井等井来看，凝灰岩中钻遇较好油气显示。凝灰岩为爆发相产物，分为空落亚相、热基浪亚相和热碎屑流亚相，其中热基浪亚相主要由含晶屑、玻屑和浆屑的凝灰岩构成，较空落亚相和热碎屑流亚相物性要好，更容易形成有效储层。石油行业中岩性的准确识别是为了准确的识别储层，是储层识别的充分条件，这也是重视岩性准确识别的意义所在。二、 现场火山岩岩性识别的难度和解决办法 钻井现场识别岩性方法主要是肉眼观察、镜下观察和简单化学测试等方法进行岩性的识别，在新探区会增加薄片分析、图像分析等技术手段。随着钻井工艺的不断提高，岩屑越来越细小，识别难度也越来越大。在运用了空气钻等钻井技术后，岩屑几乎成了粉末状，传统方法已经无法准确岩性了。而的薄片由于样品制作困难而难以得到广泛的使用，图像录井技术是通过岩屑的颜色、形态为基础，通过放大图像倍数的方法来进行识别，在沉积岩中有较好的效果，但在火山岩中由于岩性颜色的重复程度高使得识别准确度难以得到保证，岩性的现场准确识别遇到了更大的挑战。为了解决这个问题，引入了XRF射线荧光光谱法（为了后文方便，简称XRF射线法）分析岩石中化学元素特征，进而研究与岩性之间的匹配关系。这是一种非破坏性的仪器分析方法。它是由X射线管发出的一次X射线激发样品，使样品所含元素辐射特征荧光X射线，也就是二次X射线，根据谱线的波长和强度对被测样品中元素进行定性和定量分析。通过对样品的实验分析，能较好的区分研究区块的火山岩。四、火山岩与矿物、元素之间的关系构成火山岩的主要物质成份是矿物，而矿物组合是一种有规律的共生现象，除了受形成时外界条件的影响外，主要受其主要化学元素成分的控制。SiO2的含量（酸度）对火山岩中矿物共生组合的影响很大，在火山岩中，SiO2与其它金属氧化物结合，可形成各类硅酸岩矿物，从而决定火山岩中的矿物共生组合。火山岩中石英的出现，表示岩浆中SiO2含量过剩（过饱和），它是硅酸盐熔体中游离的SiO2结晶的产物，所以石英是火山岩中SiO2过饱和的指示矿物；如果岩浆中SiO2含量不足（不饱和），这样的火山岩中就会出现镁橄榄石或似长石，若火山岩中既没有石英，又没有镁橄榄石、似长石，则表示岩浆中SiO2含量适当（饱和），不多也不少。这时岩浆中出现的仅是辉石、长石等饱和矿物，基性和中性岩主要为SiO2含量不饱和至饱和的岩性。火山岩中不饱和矿物镁橄榄石与过饱矿物石英，在平衡的条件下，不能共生。与此类似，石英与似长石，在平衡的条件下也不能共生。也就是说当铁镁矿物含量高时，不存在石英，而当石英含量高时，不会出现高含量的铁镁矿物。按照岩石中SiO2渐增的顺序，不同成分火山岩中，矿物的共生组合不同。在超基性岩中，SiO2的含量低于45%，富含FeO、MgO，而K2O、Na2O含量少，因此表现在矿物成份上，铁镁矿物占主要地位，主要是辉石和橄榄石。在基性岩中，FeO、MgO较超基性岩中减少，AL2O3、CaO大量出现，因此在基性岩中出现了辉石和基性斜长石共生，暗色矿物占40%-90%。中性岩中SiO2增至53%-66%，FeO、MgO、CaO均较前减少，而K2O、Na2O含量相对增加，因此在中性岩中常为角闪岩与中性斜长岩共生，暗色矿物含量占15%-40%。综上所述，随着SiO2含量的增加，FeO、MgO、CaO等矿物含量减少，而K2O、Na2O含量相对增加。火山岩矿物与所含元素对照表（表1）矿物/色率矿物所组岩石分子式主要造岩元素石英/浅安山岩SiO2Si,O长石/浅安山岩、玄武岩(K,Na,Ca)ALSi3O8K,Na,Ca,AL,Si,O云母/暗安山岩、玄武岩K(Mg,Fe,AL)3ALSi3O8OHK,Mg,Fe,AL,AL,Si,O,H角闪石/暗安山岩、玄武岩(Ca,Na)2-3(Mg,Fe,AL)5（Si,AL）Si3O112OH2Ca,Na,Mg,Fe,AL,Si,AL,O,H辉石/暗玄武岩、安山岩Ca(Mg,Fe,AL)(Si,AL)2O6Ca,Mg,Fe,AL,Si,AL,O橄榄石/暗玄武岩(Mg,Fe)2SiO4Mg,Fe,Si,O五、不同岩性与元素的匹配关系安山岩谱图特征吉6井768m （图1-a）玄武岩谱图特征意2井2692m 图1-bXRF射线法主要是用来进行定性-半定量分析样品中的元素相对含量，在分析测试行业是很成熟的方法，被引进到录井行业中是从2008年开始的。而其技术关键是如何找到岩性与元素之间的匹配关系，进而实现岩性的元素识别。在未进行数据组合前，一一对应薄片鉴定结果，运用图谱法进行初步岩性判断，通过硅、铁等元素含量的差异的判断，可以看出，安山岩硅高铁低，玄武岩中铁高硅低。由于没有进行数据分析和组合，只能进行粗略判断如图1。XRF射线法元素分析图版玄武岩与安山岩AL%-Fe%交会图（图2）在查干凹陷火山岩取芯段和岩屑段进行采样，一一对应进行薄片鉴定和元素含量的分析，以薄片鉴定为依据来对岩石准确定名，采用RFX射线法来确定元素含量，通过数据分析建立元素与不同岩性的匹配关系。在研究进程中共选取8口井火山岩取心段，共采样300余个，进行了薄片鉴定和XRF射线分析，通过数据分析发现元素与岩性之间存在如下规律；、玄武岩与铁元素的含量的呈正向关系，与铝元素含量呈反向关系；通过图2可看出，随着铁元素含量的增加，岩性指向玄武岩，随着铝元素含量的增加，岩性指向安山岩，两类岩性的区分点具有线性关系。 Y、暗色矿物元素和与安山岩呈反向关系，与玄武岩呈正向关系，如图3；在解释这个规律以前，需要确定两个概念，首先是暗色矿物元素的概念，暗色矿物是指橄榄石、角闪石等（见表1），矿物中暗色的形成是因为铁、镁元素的存在，故定义铁、镁元素为暗色矿物元素；浅色矿物元素的概念，浅色矿物是指石英、长石等，同理定义硅、铝、钾和钙为浅色矿物元素，这些元素均为火成岩中的主量元素，对矿物的形成起决定作用的；暗色矿物元素和是指其元素百分含量之和，随着其增加，浅色矿物含量减小，岩性酸性程度下降，由中性岩类指向基性岩类。X1Y1X、随着拟色率比的增大，岩性指向玄武岩，如图4；在火山岩中常用色率来描述，色率又称颜色指数，岩石中含镁铁质矿物（暗色矿物）的体积分数常称为色率，是火成岩分类的基础之一。而色率的描述首先要进行矿物的准确鉴定，由于样品的细小破碎使我们无法准确鉴定样品中矿物体积分数，为此我们提出了拟色率的概念，其含义为铁、镁元素在样品中的百分含量。与色率相比为类似但不同义的一个描述概念，类似是指运用色率的概念描述火成岩这个方法的原理，不同义是指拟色率用的是元素的百分含量而非体积分数。为了能表述且区分与色率的概念，所以命名为拟色率。在进行元素数据分析的时候会发现，无论是基性岩还是中性岩暗色矿物和浅色矿物是相互影响相互作用的。为了综合运用这两类数据，进行数据回归，故提出了拟色率比的概念，就是对同一个样品中暗色矿物和浅色矿物百分含量之和进行商比，这样会使得多元数据回归为一个参数，在判断时更简单明了。这些概念只是针对所使用的研究方法和判定手段而提出的，在大量实验验证后能较好的区别中、基性火山岩。XRF射线法元素分析曲线：通过对元素数据的分析，证明图版法能较好的区分出安山岩与玄武岩，在应用中，图版可以作为区分标准来应用，但是在连续的分析中，其直观性和连续性较差，而曲线法能更加直观的反映。从曲线的形态对比岩性和电性综合分析，由于分析元素数量较多，曲线形态杂乱，虽有规律可循，但不够直观，进行数据回归为拟色率比曲线，能较直观地反映，为了有定性的判断，结合图版分析，发现当拟色率比为1.0时能有效区分安山岩与玄武岩（如附图1），因此把拟色率比为1.0时作为判断岩性基线，小于1.0为安山岩，大于1.0为玄武岩，从图可以看出，在毛4井的安山岩判断中和意6井的玄武岩判断中，其拟色率比非常靠近色率基线，说明其元素组合特征非常相似，为过渡岩性火山岩。在判断的过程中，发现其他元素的影响，其中Ca含量的增大可影响此标准的判别，会造成其他元素整体数据偏小，在进行数据回归时直接影响到数据的准确性，所以在运用XRF射线分析中，所判岩性的非均质性，杏仁体等会成为其限制条件。结 论火山岩岩性复杂多样，岩浆的性质及岩石结构、构造的变化是形成不同岩性的主控因素，用元素法识别可另避蹊径，从不同角度对火山岩进行认知和描述，具有可行性。XRF射线法识别火山岩的关键技术是不同岩性化学元素含量的差异对应不同岩性匹配关系的建立，从分析结果可看出，拟色率和拟色率比对