引言

混合沉积是指陆源碎屑与碳酸盐在沉积上的混合，主要分为狭义和广义混合沉积，狭义混合沉积主要是指碳酸盐与陆源碎屑在组分上的混合，广义的混合沉积还包括陆源碎屑岩与碳酸盐岩的互层、夹层沉积^[1]。20世纪80年代，Mount首次提出了“混合沉积物”的概念，并提出间断混合、相混合、原地混合和源地混合等4种沉积模式^[2]。20世纪90年代，杨朝青等在此基础上提出了“混积岩”的概念及混积岩的6个特点^[3]。随后，学者们逐渐开展了混合沉积模式、混积岩分类、混合沉积成因机理及控制因素等方面的研究^[4-11]。在混积岩命名方案方面，Mount提出了4组分的三角四面体混合沉积命名方式：硅质碎屑砂、粉砂黏土混合泥、碳酸盐异化颗粒和灰泥^[2]。杨朝青等采用黏土、陆源碎屑、碳酸盐三端元对混积岩进行命名，将碳酸盐含量 > 25%，陆源碎屑含量 > 10%的岩石定义为混积岩，并根据岩石的组分及结构在混积岩前面加以前缀进行命名分析^[3]。张雄华也采用黏土、陆源碎屑、碳酸盐三端元对混积岩进行命名，只是其对应成分含量范围更大，他将黏土含量 > 50%的岩石命名为黏土岩，碳酸盐含量5%~95%、陆源碎屑含量5%~95%的混合沉积都命名为混积岩，并分为4类^[12]。董桂玉等采用碳酸盐和陆源碎屑的相对含量进行命名，采用25%、50%含量为界限定义4种基本命名：含陆源碎屑-碳酸盐岩(陆源碎屑含量 < 25%)、陆源碎屑质-碳酸盐岩(陆源碎屑含量25%~50%)、碳酸盐质-陆源碎屑岩(碳酸盐含量25%~50%)、含碳酸盐-陆源碎屑岩(碳酸盐含量 < 25%)^[13]。王国忠提出以岩屑、珊瑚屑、介屑三端元对现代珊瑚礁混合沉积进行命名划分^[14]。针对准噶尔盆地吉木萨尔二叠系芦草沟组混积岩，斯春松等提出芦草沟组主要以泥岩、细碎屑岩、碳酸盐岩3大岩类组成^[15]；匡立春等以测井参数计算岩石结构参数和岩石骨架密度进行交会识别出6种常规岩性^[16]，包括泥岩、长石岩屑砂岩、云屑砂岩、泥晶、微晶云岩和砂屑云岩等；葸克来等以4组分(有机质组分、陆源碎屑组分、碳酸盐组分、火山碎屑组分)三端元(陆源碎屑、碳酸盐含量、火山碎屑含量)形成了复杂的“四组分三端元”划分命名方案^[17]。划分了陆源碎屑岩类、碳酸盐岩类、火山碎屑岩类和正混积岩4大类，并细分为18小类岩石类型。蒋宜勤等引入了凝灰岩，认为芦草沟组中凝灰岩控制了致密油储层的形成与分布^[18]。分析发现，以上诸多岩性分类中都面临以下两个方面的问题：(1)分类命名体系较为复杂繁琐，岩石类型众多，虽然学术意义较强，但是现场无法快速识别；(2)目前主要依靠完井后期数据(测井、矿物分析、薄片鉴定等)开展精细分析，实时性较差，严重影响了随钻勘探的工作。

近年来，致密油的勘探与开发成为石油勘探领域的研究重点^[19-21]，准噶尔盆地二叠系芦草沟组因致密油储量丰富而受到学者们的广泛关注，勘探工作取得巨大突破，已有多口井获得工业油流^[22-25]。吉木萨尔凹陷致密油技术可采资源约0.91×10⁸t，其中，上甜点段为0.43×10⁸t，下甜点段为0.15×10⁸t，平面上，油气资源丰度最大可达14.0m³/m²，平均油气资源丰度为1.7m³/m^2[25]，然而，岩性的精细划分成为制约现场勘探开发的重要因素。本文以XRD和XRF矿物衍射技术相结合的方法，通过对矿物组分含量以及元素含量，采用半定量分析手段对芦草沟组岩性类型进行识别划分，研究不仅对混积岩岩石学具有重要的理论意义，还可以对混积岩致密油水平井现场导向提供实践指导。

1 区域地质概况

吉木萨尔凹陷位于准噶尔盆地东部，西临三台凸起，东接古西凸起，南以阜康断裂带为界，北以沙奇凸起为界，为中石炭统褶皱基底上发展起来呈西断东超的箕状凹陷，整体由东向西掀斜，地层向东逐渐减薄，面积1 278km^2[26-27]。二叠系芦草沟地层分布广范，厚度大于200m，面积达806km²，表现为整体上源——储一体，近源成藏，纵向上整体含油的特点，是凹陷内主要的致密油勘探层段。芦草沟组自上而下分为${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ 2 \end{array}$、${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 2 \end{array}$、${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ 1 \end{array}$、${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 1 \end{array}$4段，进一步细分为16个小层(图 1)。芦草沟组主要发育时期为贫氧的弱还原——还原环境^[28]，整体上为一套咸化湖泊——三角洲沉积体系^[29-30]。芦草沟一段上部(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ 1 \end{array}$)和芦草沟组二段上部(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 1\\ 2 \end{array}$)发育时期水体深度较大，主要发育半深湖——深湖的暗色泥岩，芦草沟组一段下部(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 1 \end{array}$)和二段下部(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 2 \end{array}$)发育时期水体变浅，陆源碎屑供应充足，主要为砂泥岩与白云岩的互层沉积。芦草沟组一段下部水体比芦草沟组二段下部浅，陆源碎屑输入量更大，主要发育浅水三角洲沉积，砂质含量更高，芦草沟组二段下部水体相比较深，主要发育浅湖滩坝沉积，碳酸盐岩含量更高^[30-31]。主要储层为上、下两套“甜点层”“上甜点”(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 2 \end{array}$)平均厚度为24.8m，“下甜点”(${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 1 \end{array}$)平均厚度38.4m，上下甜点均获得工业油流，具有极大的勘探开发潜力。

2 研究方法

基于XRD、XRF的高精度矿物和元素分析对于复杂岩性和特殊岩性的识别具有显著的效果^[32-33]。本研究主要基于J174取芯井岩芯数据开展，包括S1--TITAN便携式现场分析仪对200m取芯井段的岩芯进行XRF元素扫描(图 2)，以0.1m一个点位的扫描间隔，获得了1~600个点位XRF资料(表 1)；在200m取芯段中选取256个典型岩芯进行XRD矿物衍射分析(表 2)。

对XRF元素资料和XRD矿物资料进行误差校正(去除矿物含量和元素含量异常值)和重百分比化(各元素组分占元素总含量的百分比，各矿物组分占总矿物含量的百分比)处理后，对XRF与XRD数据进行深度归位得出对应深度的元素和矿物含量数据。利用矿物-矿物、元素-元素、元素-矿物交会图开展岩性分析。随后，建立了混积岩的元素识别岩性图版，利用元素图版对研究区30口井进行岩性解释，对解释后的岩性与取芯井进行对比分析，符合率80%左右，表明研究方法较可靠，特别是可以较好地对现场岩性进行快速识别。以此为基础，探讨了此方法在水平井地质导向中的作用。

3 芦草沟组岩石基本特征

吉木萨尔凹陷芦草沟岩石类型复杂多样，主要为一套陆源碎屑和碳酸盐矿物的混合沉积，沉积特征呈现出砂泥岩与白云岩的频繁互层。“上甜点体”${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 2 \end{array}$砂质含量相对较高，具有厚层的长石岩屑砂岩标志层，云质含量相对较低。“下甜点体”${{\rm{p}}_2}l\begin{array}{*{20}{c}} 2\\ 1 \end{array}$云质含量相对较高，以云屑砂岩、砂屑云岩为主、陆源碎屑岩类相对较少。芦草沟组的主要矿物为黏土矿物、石英、斜长石、钾长石、方解石及白云石等(图 3)，主要元素为K、Si、Al、Ca、Mg及Mn(图 4)。芦草沟组各主要矿物含量比较平均，除Si较高(含量超过50.0%)，其他几类主要元素含量都在20.0%左右。所以，用常规的定量岩性定名方法无法将芦草沟组的岩性进行很好的命名。深入分析岩芯样品的XRD和XRF结果发现，采取全新的半定量分类方法划分和定名岩石类型，能更好地区分“甜点”与“非甜点”的岩性。对不同岩石类型的矿物和元素含量特征进行汇总，得出表 3所示的各岩石类型矿物与元素含量范围。

3.1 泥岩

泥岩的主要矿物组分中，黏土矿物含量相对较高，含量大于20.0%(图 5a，图 6a)。长石含量最高，为20.0%~35.0%，平均超过30.0%，为主要组成矿物。石英、白云石含量较低。其元素含量特征表现为Si元素含量最高，Al、K元素含量相对较高，Ca、Mg元素含量较低，是有利的生油层系的主要岩类。

3.2 长石岩屑砂岩

长石岩屑砂岩是甜点体中储集层的主要岩性，孔隙度较高，其矿物成分主要表现为长石含量较高，含量超过30.0%，平均为43.3%，是岩石的主要组成部分(图 5b，图 6b)。石英次之，含量在20.0%~40.0%，平均28.2%。黏土矿物总量在5.0%~20.0%。白云石含量较低，低于10.0%。其元素含量特征主要表现为较高的Al元素含量以及相对较高的K元素含量。Al元素含量在15.0%~25.0%，K元素含量在3.0%~5.0%。Si元素仍是元素含量中的主要成分，含量在60.0%~ 75.0%。Mg、Ca等碳酸盐矿物中的主要元素相对含量较低。

3.3 粉细砂岩

主要矿物为石英，含量大于40.0%，平均含量为47.7%。长石含量次之，为25.0%~35.0%(图 5c，图 6c)。黏土矿物、白云石含量较低，低于10.0%。元素含量特征主要表现为极高的Si元素含量，平均含量可达75.2%。Al元素次之，在10.0%~15.0%。Ca、Mg、K元素含量较低。矿物成分相对简单，但储层物性较差，非主要储集层岩性。

3.4 云屑砂岩

云屑砂岩是一种陆源碎屑岩与碳酸盐岩的过渡性岩类。主要矿物特征表现为石英含量略高于白云石含量，白云石含量相对上述岩类明显增高。元素含量特征主要表现为Mg、Ca元素的含量开始变高，Mg含量在6.0%~10.0%，Ca元素含量在10.0%左右(图 5d，图 6d)。Si、Al、K元素含量变低。其物性特征较好，也是相对较好的储集层岩性。

3.5 砂屑云岩

砂屑云岩中白云石为主要成分，含量超过20.0%，石英含量在10.0%~30.0%，样品中石英含量主要集中在20.0%左右。长石的含量较高，平均在32.5%。Mg元素含量在10.0%~15.0%，K、Al、Si等陆源碎屑元素含量较低(图 5e，图 6e)。该岩类孔隙度较高，是良好的储集层岩类。

3.6 泥晶白云岩

主要由白云石组成的碳酸盐岩，其中，陆源碎屑含量极少，而白云石的含量占主体部分。样品中该类岩性的白云石含量平均超过40.0%，石英含量则小于20.0%。相对应的Mg元素含量超过15.0%，Si元素含量则低于50.0%(图 5f，图 6f)。孔隙度较低，非良好储集层岩性。

4 元素矿物图版建立 4.1 元素与矿物含量的关系交会图版

矿物的含量决定元素的含量，不同的矿物组合决定了不同岩性中元素含量的差异，因此，根据元素与矿物的比值建立图版可以在一定程度上区分岩性。本次研究建立了主量矿物与元素的交会图版，并选择其中效果较好的图版进行说明(图 7)。黏土矿物与Al元素的含量比值图版中(图 7a)，长石岩屑砂岩和泥岩Al元素含量较高，但其决定Al元素含量的矿物不同(长石岩屑砂岩主要是由长石含量决定，而泥岩主要是由黏土矿物和长石含量共同决定)，所以在图版中，高黏土矿物含量、高Al元素含量的泥岩和低黏土矿物含量、高Al元素含量的长石岩屑砂岩容易区分，粉细砂岩混于长石岩屑砂岩中不易区分。云屑砂岩、砂屑云岩、泥晶白云岩的黏土矿物含量与Al元素含量依次递减，具有一定的层次性。白云石与Mg元素含量交会图版可以有效区分泥晶白云岩、砂屑云岩、云屑砂岩3类矿物。但对于白云石含量较低的长石岩屑砂岩、泥岩、粉细砂岩区分度不高(图 7b)。石英与Si元素的含量交会图版(图 7c)中，粉细砂岩石英含量极高，Si元素含量也很高，长石岩屑砂岩和泥岩次之(泥岩中Si元素含量主要来源于黏土矿物，石英含量较低)，砂屑云岩、云屑砂岩、泥晶白云岩的Si元素含量与石英矿物含量依次降低。长石含量与Al元素矿物图版中(图 7d)，长石岩屑砂岩表现出长石含量与Al元素含量双高特征；泥岩则表现出Al元素较高、长石含量较低的特征(其Al元素含量大部分自于黏土矿物)，粉细砂岩位于两者之间。云屑砂岩、砂屑云岩、泥晶白云岩中长石含量与Al元素含量逐级降低。由于元素含量与矿物含量不是一一对应的关系，所以，这类图版中对于部分岩性的区分度并不理想，矿物含量与其主要元素含量的比值图版易受其他含有该元素的矿物的影响，而导致图版中出现部分数据点位混杂的现象。

4.2 元素比值图版建立

吉木萨尔地区岩石的长石含量普遍偏高(大于20.0%)，所以该地区K、Al元素含量较为突出，但由于Al元素主要来自于长石和黏土矿物，并非对应单一矿物，在绘制图版时容易受到干扰，所以Al元素用于区分岩性效果不好，但K元素主要来自于长石之中，含量主要受长石的控制，绘制图版时干扰因素较少，效果更好。Mg元素与白云石含量的对应关系较好，可以有效表征白云石的含量，故选择Mg元素作为交会图版的另一个变量。

由Mg--K元素比岩性识别图版(图 8)可以看出，6类岩性的K、Mg含量存在差异，可通过两种元素含量上的差异，半定量地解释6种岩性。对于Mg含量较高的部分主要以Mg含量进行划分：泥晶白云岩(Mg含量 > 16.0%)；砂屑云岩(12.0% < Mg含量 <]16.0%)；云屑砂岩(6.0% < Mg含量 < 12.0%)。对于Mg含量较低的部分(Mg含量 < 6.0%)，主要通过K元素进行区分(主要为陆源碎屑岩)：泥岩(K含量 >5.0%)；长石岩屑砂岩(3.0% < K含量 < 5.0%)；粉细砂岩(K含量 < 3.0%)。

以此半定量的方式对6类岩性进行划分发现，长石岩屑砂岩、砂屑云岩、云屑砂岩对应甜点体的岩性发育，泥岩、泥晶白云岩、粉细砂岩对应非甜点体岩性。

通过元素交会图版半定量划分的岩石类型方案可以很好地区分甜点体和非甜点体。相比常规的岩性识别方法，该识别方法的灵敏度更高，可以更好地刻画出复杂岩性中的小层互层现象，精度可以达到1m，并且与甜点的对应关系更好，可以识别出较小的甜点体。对精细的岩性进行离散后与常规岩性进行对比，符合率达到80%(图 9)。其中，长石岩屑砂岩、砂屑云岩、云屑砂岩具有较高的渗透率、孔隙度，是较好的储层岩性并且发现与目前研究资料中的主要开发层位具有良好的一致性。泥岩、粉细砂岩、泥晶白云岩的孔隙度、渗透率较低，为非甜点层位。其中，长石岩屑砂岩储层的物性特征最好，是最有利的储集层岩性，也是上甜点体的主要储层，而砂屑云岩、云屑砂岩两种过渡类岩性的物性次之，其三者的矿物类型多样，所以，孔隙类型多样化，主要孔隙类型为粒间溶孔和粒内溶孔，物性特征较好。相比之下，泥晶白云岩的主要孔隙类型是粒内溶孔，孔隙度、渗透率物性较差。

随着非常规油气的发展，致密储层混积岩的分类和命名也成为了主要的关注点，直接影响“甜点”的识别，而现阶段多以传统沉积岩石学的分类命名方法为主，分类过于繁琐复杂。通过研究发现，元素交会图版具备以下优点：(1)~数据搜集简便，在现场钻井过程中可以很容易地获得相应的数据。(2)~半定量分类方案类型不同于以往的定量性分类方案，对于含量较低的元素也可以更好地发挥其在岩性分类中的作用，而有利于区分混积岩岩性。在岩性识别基础上，结合钻井现场的随钻GR以及随钻元素录井方法可以更好地预测甜点的位置以及目前钻进层位，指导目前的水平井地质导向实时地调整井眼轨迹的测量控制技术。

5 结论

(1) Mg、Ca元素与白云石相关性较好，K元素与长石相关性较好，Al元素对应长石、黏土，非单一矿物控制，大多数矿物都含有Si，Si对应性较差，故在岩性识别上，元素含量与矿物含量具有相关性，但不是一一对应的关系。

(2) 根据XRF、XRD资料，绘制元素交会图版可以较好地区分6类岩性，并与现有的岩石鉴定结果比对，符合率达到80%以上。

(3) 根据元素交会图版得出的岩石元素含量，可以有效指导现场地质导向工作。通过随钻XRF录井可以快速进行岩性识别，明确正钻遇地层以及目的层位置，对水平井准确命中靶点具有重要的指导意义。