_用地层元素测井(ECS)资料评价复杂地层岩性变化

　第25卷　第3期核电子学与探测技术

V ol .25　No .3

2005年　5月

Nuclear Electro nics&Detectio n Techno log y

M ay 2005

用地层元素测井(ECS )资料评价

复杂地层岩性变化

程华国,袁祖贵

(胜利石油管理局石油工程技术管理处,山东东营257001)

摘要:在石油测井中,地层的岩性判别是评价储层参数的首要条件,地层元素测井(ECS )能测出地

层中Si 、Ca 、Fe 、S 、Ti 、Cl 、Cr 、Gd 等元素的含量,结合地质录井等资料可准确确定储层的岩性。通过实例分析,正确评价了复杂地层的岩性变化,为石油勘探开发提供了可靠的地质参数。

关键词:地层元素测井(ECS);岩性;测井解释;γ能谱;元素分析

中图分类号:　T E 151 文献标识码:　A 文章编号:　0258-0934(2005)03-0233-06

收稿日期:2004-10-15

作者简介:程华国(1954-),男,安徽安庆人,高级工程师,从事石油工程技术研究工作

随着油气田勘探开发的不断深入,相对简单和整装的油气藏越来越少,非常规储集层如火成岩、变质岩等的研究与评价越来越受到重视,而火成岩、变质岩等复杂储层的岩性识别是石油测井解释中的难题之一。

斯伦贝谢公司在本世纪向中国市场推出了一种新型的测井仪器—地层元素测井(ECS :Elemental Capture Spectro sco py ),并在中国的东北、西北和东部等油田和地区进行了测井,在岩性识别上取得了令人满意的效果。

1　ECS 测井的核物理基础

利用快中子和地层中的原子核发生非弹性碰撞,碰撞的同时会发射非弹性散射γ射线,γ

射线的能量和被碰撞核的核结构有关,它表征了原子核的性质。同一种原子核在同快中子发生(n,n ′)反应中,所放出的非弹性散射γ射线的能量和数量都是一定的。对不同的核在(n,n

′)反应中放出的γ射线的能谱分析,可确定在地层中存在哪些原子核,它们的含量是多少。

一个中子只要经过一、二次(n ,n ′)反应后由于能量的降低就不能再发生(n,n ′)反应了,在以后的10-6～10-3s 时间里,中子因和地层发生弹性碰撞(n ,n )而减速,直到转换为热中子为止。一般中子在地层中经过几μs 便热化了。热化后的中子一方面通过(n ,n )反应在地层中扩散,另一方面通过俘获反应(n,γ)被地层吸收,同时放出俘获γ射线,测量这些γ射线可以知道有关这些散射γ射线的原子核的信息,从而使我们了解到这些周围物质的元素组成[1]。

地层元素测井(ECS)测量记录非弹性散射与俘获时产生的瞬发γ射线,利用剥谱分析直接得到地层的元素—Si 、Ca 、Fe 、S 、Ti 、Cl 、Cr 、Gd 等元素的含量,通过氧化物闭合模型、聚类因子分析和能谱岩性解释可定量得到地层的矿物含量

[2]

,从而较准确地得到储层骨架的岩性。

2　ECS 采集元素分析

下面对ECS 测井采集的元素进行分析。Si 是地壳中分布最广的元素之一,Si 主要富集在砂岩、硅质岩等沉积岩中,石英是最主要的造岩矿物,很多热液矿床中均发生硅化,而且已经发现大量石英脉型热液矿床,因此,研究Si 的来源及其与流体成矿活动的关系具有重要意

233

义。

由于Cl的地球化学稳定性,故在地下水、热液矿床的成因和元素迁移理论方面,对Cl同位素的研究具有特殊意义。早在1984年Kaufm ann就已经指出由于Cl是自然界各种水体及卤水沉积物的大含量组分,又是一个十分活跃的水迁移元素及重要的金属沉淀剂[3],因此国内外学者对Cl同位素的分析方法及地球化学行为非常关注,希望用Cl同位素直接探讨卤水的成因、成矿流体及油气运移路径、金属与盐类矿床及油气藏成藏机制。

Cl主要分布于海水中(1.9%),是地球原始时期的产物。Cl在酸性岩中含量较低,在中性岩、基性岩和超镁铁质岩中的含量差异不大,其质均明显高于酸性岩。变质岩的情况与火成岩相似,变中、基性岩中的Cl明显高于花岗质片麻岩和酸性变粒岩。在火山岩中Cl含量(10 -6)明显低于侵入岩,如花岗岩92、流纹岩37、闪长岩170、安山岩46、辉长岩157、玄武岩83,可能由于熔岩喷出地表后部分Cl挥发逸失。在沉积岩中Cl的分布与其他大多数元素不同,其显著富集于白云岩(194×10-6)和泥云岩(180×10-6)中,石灰岩中亦有较高的含量(95×10-6);而在泥质岩和碎屑岩中贫化(均为52×10-6),碳质泥质岩中含量最低(30×10-6);硅质岩也于此类似,且与热液活动有关的富含金属元素的硅质岩(26×10-6)明显低于燧石岩(95×10-6)[4]。Cl在土壤中的平均含量(68×10-6),仅稍稍高于砂页岩。

Ti在干旱时随粗颗粒进入水体,故在泥质沉积物中含量高。潮湿时,则大部分残留原地,相应地搬运到水体中的少,泥质沉积物中含量低。Ti在碳酸盐增高情况下,会因碎屑物质严重缺乏而使Ti含量大幅度降低。在岩浆岩中,从酸性岩至基性岩,其含量很有规律地随SiO2含量的降低而增高。在硅酸盐矿物中以角闪石和黑云母中最高,含Ti可达百分之几[4]。在风化和沉积作用中Ti富集在残留沉积物中,在泥质岩中Ti含量较高,富铁锰质的沉积岩中含Ti 更高,而在碳酸盐岩中贫化。

Cr是典型的亲地幔的元素,从酸性岩、中性岩、基性岩、角闪石岩、辉石岩至橄榄岩Cr的含量急剧递增,与花岗岩比较,闪长岩增高11.5倍,辉长岩增高28倍,橄榄岩增高364倍,增高的速率超过了所有元素[4]。风化和沉积作用中Cr比较稳定,在土壤和泥质沉积物中较富集,说明与粘土矿物的关系比较密切。Cr在富碳和富铝泥质岩中的含量高于一般沉积物,硅质岩中Cr的含量也常常较高。

S在泥岩中主要以Fe S2形式存在,故其含量的多少直接与氧化-还原条件有关。但在碳酸盐含量较高的泥页岩中,因沉积时的盐度过高,使得部分S以石膏的形式存在[5]。S在岩石中的分布很不均匀,其丰度值有相当大的不确定度,但可以肯定在花岗质岩石中S是最低的,从酸性岩、中性岩至基性岩呈增高的趋势,辉长岩中含量最高。S在沉积岩中分布很不均匀,在一些地层中可达千分之几,S的分布受沉积环境的影响较大,在还原环境中常形成硫化物富集,在碳质泥岩中平均S含量达0.25%[4],比一般泥质岩和碎屑岩高一个数量级。由于热液活动的影响,硅质岩中S的含量达千分之几。含泥质和有机质的碳酸盐岩中S亦明显富集。

Fe在沉积物中的含量随着沉积物粒度的变细而增加,在泥岩沉积物中它的含量随着碳酸盐物质的富集而减少。Fe元素与黄铁矿、赤铁矿和菱铁矿有关,由于表征粘土矿物的Al元素与Fe元素有一定的相关性,因而Fe元素参与计算粘土含量[2]。Gd元素由于俘获截面特别大(49×10-21cm2),备受重视,在已发现的元素中其俘获截面远远大于其他元素的俘获截面。在核反应中,核弹和核靶是必可少的。ECS的核弹是Am-Be中子源发生器产生的中子,靶核则是地层中的各种元素。Gd元素的靶核大,热中子很容易被俘获。在剥谱过程中由于Gd俘获的中子多使得解谱变得变得简单。同时,Gd元素在石油工业中的应用越来越受到重视,如石油开采是原采用地层注硼作为示踪剂现改为注Gd作为示踪剂[2]。

Ca主要集中在无机或有机成因的碳酸盐岩石中,白云质岩石中同时富集了Ca和Mg,利用S和Ca可以计算石膏的含量。

虽然ECS没有给出U和Th元素的含量,但在自然γ能谱测井中测U和Th,为了以后的工作方便,对放射性测井的元素中的U和Th 进行了统计和分析。U与有机质的吸附密切相关,Th主要残留或吸附于粘土矿物种。在岩浆作用中U、Th主要为四价,由于离子半径大,因

234