地层元素测井研究进展

地层元素测井研究进展张㊀祯(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069)[摘㊀要]㊀地层元素测井是一种利用剥谱分析㊁聚类分析等技术对地层进行评价的测井方法㊂地层元素测井以元素测量为基础,从岩石成分的角度提供丰富的地质信息㊂通过对地层元素测井的原理及仪器的讨论,对地层元素测井的历史沿革及发展动态进行回顾,并且对地层元素测井的技术发展方向和研究趋势进行了展望㊂[关键词]㊀地层元素测井;岩性识别;地层元素测井仪器[中图分类号]㊀P631.8+1㊀㊀[文献标识码]㊀B㊀㊀[文章编号]㊀1004-1184(2015)01-0112-03[收稿日期]㊀2014-08-13[作者简介]㊀张祯(1989-),女,陕西延安人,在读硕士研究生,主攻方向:油气成藏机理及分布规律㊂㊀㊀地层元素测井(ECS)的前身是次生伽马能谱测井(GST),它是将仪器记录的非弹性散射和俘获伽马能谱的剥谱分析结果,同实验标准谱作对比得到地层元素的组成,并利用氧化物闭合模型以及聚类分析等分析技术确定地层中矿物的类型及含量,最终对地层进行评价的测井方法㊂目前此类方法可以提供的原始数据是硅㊁铝㊁钙㊁铁㊁镁㊁钆等地层元素的含量,其综合解释结果可以提供地层岩性剖面㊂1㊀地层元素测井的工作原理及仪器特征1.1㊀地层元素测井的工作原理在地下钻孔作业的环境中,中子源发射的4MeV 中子进入周围的地层,在1~2μs 内,这些快速运动的中子与周围地层中元素的原子核通过较强的吸引力发生相互作用,以弹性和非弹性的方式进行散射,直到最终失去能量㊂这一过程具体分为如下两个阶段:(1)非弹性散射伽马能谱阶段:周围地层中元素的原子核由于和快中子发生相互作用而变成了激发态的复核,之后通过发射一条或多条γ射线回到基态,在这个过程中发射的γ射线被称为非弹性散射γ射线㊂不同的原子核发生非弹性散射时具有不同的反应截面面积,放出的伽马射线能量也存在不同,在地层中与快中子发生非弹性散射的主要有C㊁O㊁Si㊁Ca 及Fe 等元素的原子核㊂(2)热中子俘获伽马能谱阶段:快中子经过一系列的速度放缓以及能量降低,最终变为热中子,并被周围地层中元素的原子核所捕获,同时发射一条或多条γ射线㊂此时发射的γ射线称为热中子俘获γ射线㊂不同原子核具有不同的能级,因而各种原子核放出的γ射线能量也不相同㊂在地层元素测井中主要由H㊁Cl㊁Si㊁Ca㊁Fe㊁S㊁Ti㊁Cr 及K 等元素的原子核与热中子发生俘获作用产生俘获γ射线[1]㊂1.2㊀地层元素测井仪器地层元素测井仪器主要中子源和BGO 晶体探测器组成(见图1)㊂该仪器可以测量足够多的元素种类从而对地层进行岩性识别㊂其中中子源发出能量为4MeV 的快中子与地层中元素的原子核发生非弹性反应,同时放射出一条或多条伽马射线,经过能量的衰减,快中子减速形成热中子,热中子被俘获产生俘获伽马射线㊂BGO 晶体探测器则可以探测并记录这些非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱㊂地层元素测井仪器的优点是可以和多种测井仪联合测量,并且不受井眼和泥浆类型的影响[2-3]㊂图1㊀地层元素测井仪(以斯伦贝谢公司的ECS 测井仪为例,据张锋,2011)2㊀地层元素测井的历史沿革及发展动态1)地层元素测井研究的早期主要以识别矿物和岩性为主(尤其是识别沉积岩),其中比较有代表性的研究者为斯伦贝谢和贝克休斯公司㊂(1)以Herron 为代表的斯伦贝谢道尔实验室,其主张用从元素-矿物-岩性的方法来判断沉积岩的岩性㊂Herron 等(1983)发现元素与矿物的传递式㊂他用因子分析统计的方法分析岩心数据,建立元素与矿物数据之间的定量关系㊂即元素含量与矿物丰度的矩阵关系:[E]=[C]㊃[M]式中:E 为元素重量百分含量列矩阵,M 为矿物重量百分含量列矩阵,C 为系数方阵㊂Herron 比较了矿物含量的计算值和测量值,发现两种方法所得结果一致,从而确定了元素与矿物之间的传递公式[4]㊂Herron(1986)对委内瑞拉东北部的重油砂岩岩心和地球化学测井数据进行了因子分析,分析表明用4种因子可以解释86%的地层矿物成份,其中高岭石和伊利石两种因子可以解释与泥岩有关的大部分矿物成份,高岭石因子与Al㊁Th㊁U 以及地壳内的稀有元素Dy㊁Eu㊁La 和Sm 有关;伊利石因子则与Cr㊁Fe㊁K㊁Mg㊁Na 和V 有关㊂重矿物因子则与抗剥蚀的元211㊀2015年1月第37卷㊀第1期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀地下水Ground water㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀Jan.,2015Vol．37㊀NO．1素Hf和Ti有关,某种程度上又与Dy㊁Mn和U有关㊂第4种因子称为长石因子,它主要与元素Ba和K有关㊂其研究结果还表明,石英与两种粘土因子成逆相关关系即石英含量与粘土矿物含量成逆相关关系[5]㊂1988年,Herron(1988)根据测井得到的元素数据,利用SiO2/Al2O3㊁Fe2O3/K2O及Ca的含量等三个参数来划分砂泥岩[6]㊂两年后,Herron(1990)对Pettijohn等作的图版进行了修改,用log(Fe2O3/K2O)代替了log(Na2O/K2O)作为y轴㊂因为Fe2O3(全铁)/K2O的值能够更好地区分出长石砂岩,同时,其也是矿物稳定性的一个度量㊂第三个轴的投影为全钙,可以作为碳酸盐岩含量的度量㊂Herron所作的新图版的优点是可以区分页岩㊁砂岩(长石砂岩)和碳酸盐岩[7]㊂Herron等(1996)建立矿物组合(石英+长石+云母㊁总粘土㊁方解石+白云石)与元素及元素氧化物含量的关系(经验公式)[8]:A粘土含量1=1.67(100-SiO2-CaCO3-MgCO3-1．99Fe)(长石㊁云母含量较少)B粘土含量2=-20.8+3.1(100-SiO2-CaCO3-Mg-CO3-1.99Fe)(长石㊁云母含量较多)C方解石+白云石=-7.5+2.69(Ca+1.455Mg)D碎屑(石英+长石+云母)含量=100-粘土含量-碳酸盐岩含量Herron(2002)对所测元素通过SpectroLith模型转化为矿物模型(QFM(长石+石英+云母),Carbonate(总碳酸盐岩),Clay(总粘土))[9]图2㊀斯伦贝谢公司岩性识别图版(据herron,2002,修改)(2)地层元素测井研究的另外一个代表是贝克休斯公司,其主张用从元素-氧化物-岩性的方法来判断沉积岩的岩性㊂R.Pemper(2006)认为根据地层的化学组成,可以将沉积岩分为5大类,即砂岩㊁泥岩㊁煤层㊁碳酸盐岩和蒸发岩㊂这些大类可以进一步分为更具体的亚类㊂例如可以利用钙和镁的含量将碳酸盐岩细分为灰岩和白云岩㊂对岩石进行分类时,可以采用贝克休斯公司的元素氧化物的三元交会图模板(见图3)㊂对基本的岩性(砂岩㊁泥岩㊁煤层㊁碳酸盐岩和蒸发岩)进行分类时,可以采用CaO㊁MgO和SiO2在内的三元交会图模板㊂另外,还可以利用CaO㊁S和Fe2O3的三元交会图模板㊂如果需要还可以用C元素来识别煤层㊂对岩石的大类进行进一步细分时,例如,将砂岩细分为石英砂岩㊁长石砂岩㊁岩屑砂岩㊁含泥砂岩㊁含石灰石英砂岩㊁含石灰长石砂岩㊁含石灰岩屑砂岩和含石灰泥质砂岩等时,参与这一步分类的三元交会图模板一般包括以下几组: (K2O,Fe2O3,SiO2)㊁(K2O,MgO,SiO2)和(Fe2O3,S, CaO)[10]图3㊀贝克休斯公司岩性识别图版(据R.Pemper,2006,修改)2)在国外学者研究的基础上,国内学者将地层元素测井与常规测井㊁录井等方面的资料相结合,解决了更多的地质问题,例如识别火山岩的岩性㊁评价储层㊁判断油水层以及分析沉积环境等㊂(1)识别火山岩的岩性㊂程华国(2005)的研究表明,依据从地层元素测井中得到的Ti元素和Fe元素的含量,综合常规测井和录井资料,可以区分沉积岩和个别的火山岩(粗面岩㊁玄武岩)[11]㊂王拥军(2006)在火山岩储层评价中运用了地层元素测井方面的资料,其根据火山岩中元素赋存的氧化物(SiO2㊁Al2O3㊁Na2O+K2O㊁Fe2O3等)从基性岩到酸性岩中含量的变化来识别火山岩岩性,其解释结果与硅碱法划分结果完全一致㊂同时,将地层元素测井同常规测井相结合(如Si和GR 结合㊁Fe和DEN结合)也可用来识别火山岩的岩性[12]㊂郑建东(2006)针对徐深气田深层火山岩的岩性识别难的特点,将地层元素测井与电成像㊁核磁等常规测井资料相结合,应用TAS图㊁图像模式㊁神经网络等3种方法将组分与结构结合起来识别岩性,实现了对该区火山岩的岩性的识别,并且为火山岩储层精细测井评价打下了牢固的基础[13]㊂王颖(2007)㊁王郑库(2007)㊁韩琳(2009)㊁庄东志(2012)也使用类似的方法对火山岩岩性进行识别[14-17]㊂王飞(2008)在常规测井数据资料的基础上,综合应用地层元素测井方法㊁元素交会图法和ECS测井主成分分析法等方法,建立起了一套火山岩岩性识别方法㊂最后对松辽盆地徐深地区的待判井段进行了检验,取得了很好的结果[18]㊂陈嵘(2009)通过运用常规测井和地层元素测井对新疆三塘湖盆地油气区发育的火成岩进行了分析,发现利用地层元素测井测量得到元素作出的交会图能够较好的识别火成岩,其中Si-Al与Si-Fe交会图对研究区的凝灰岩㊁辉绿岩㊁玄武岩㊁安山岩等四种岩性能够进行较好的识别,但是用来区分沉积岩和火成岩的效果却不明显[19]㊂(2)确定粘土含量及类型㊂粘土的体积最早是用传统的密度-电阻率法以及中子测井法来估算的㊂有时根据γ射线测井估算的粘土含量与岩心分析的数据一致㊂但当粘土中含有大量的K㊁U和T h等非粘土成分时,粘土的估量会超过30%~50%㊂地层元素测井直接测量地层中Fe㊁Al㊁Si㊁Ca㊁K等元素的含量,则可以克服岩石骨架和流体的影响,使311误差变小[20-21]㊂李高仁(2007)对鄂尔多斯盆地的高自然伽马砂岩储层进行了研究,发现仅用自然伽马测井资料难以对其中的泥质含量进行准确的计算㊂作者在分析了这类储层的特征和矿物成份的基础上,利用地层元素测井结合常规测井㊁中子-密度交会法和Geoframe平台综合反演等方法,准确的识别了高自然伽马储层并求取其中的泥质含量[20]㊂(3)评价储层㊂焦大庆(1994)将地层元素测井应用在中原油田的储层评价中,他发现与常规测井方法相比,地层元素测井能够更准确的获得连续的物性参数㊁区别沉积体系和划分沉积相带㊁推断成岩演化和确定孔隙类型㊁了解胶结成分对储层的改造等,这些资料为储层的评价提供了更准确的参考依据[23]㊂袁祖贵(2004)认为如果遇到放射性较大的地层,其对应的自然γ值非常高,不能准确的反映地层泥质含量的高低,因此储层的判别变得非常困难㊂而地层元素测井的处理结果则可以清晰地指示出泥质含量的高低,所以地层元素测井可以清楚地把储层与非储层区别开来,并能对储层中元素含量进行测量,这是其他的测井方法所不能及的[24]㊂(4)判断油水层㊂袁祖贵(2004)认为地层元素测井测量和记录的是非弹性散射和俘获时产生的瞬发γ射线,用非弹性散射进行的碳氧比测井就能有效的判识油水层[25]㊂同时他发现储层含油后,H和C含量增高,而Al㊁Cr和Ti含量则有所降低,所以通过地层元素测井测得的已有元素就可以分析油水层的变化情况[24]㊂(5)分析沉积环境㊂地层元素测井提供了地层中的常量元素㊁微量元素和稀土元素,而元素的区域分布是各种地质作用和地球化学作用综合作用的结果,同时也是各种作用集中的表现,所以不同地质时期的沉积岩中一些元素丰度以及组合特征的变化能够反映出当时沉积环境的变化情况,这为利用地层元素测井研究沉积环境提供了充分的参考依据㊂袁祖贵(2005)对我国东部某油田王庄地区的4口井的地层元素测井资料进行分析,所分析的沉积环境与区域地质分析的沉积环境有非常好的一致性[26-27]㊂3　结语在地层元素测井研究的早期,研究者是以识别矿物和岩性为主,尤其是以识别沉积岩为主㊂后来,在早期研究的基础上,研究者将地层元素测井与常规测井㊁录井等方面的资料相结合,从识别火山岩的岩性㊁评价储层㊁判断油水层以及分析沉积环境等方面解决了更多的地质问题㊂尽管现阶段在地层元素测井的资料处理及解释方面还是存在不足,相信随着研究的不断深入及其在生产实践中的不断推广,地层元素测井方法将成为解决岩性分析㊁地层评价等问题更为有利的工具,在油气藏的勘探和开发过程中也将成为其它方法不能替代的角色㊂参考文献[1]袁祖贵,楚泽涵.一种新的测井方法(ECS)在王庄稠油油藏中的应用[J].核电子学与探测技术.2004,23(5):417-423. 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