ECS元素測井技術(shù)在非常規(guī)儲層評價(jià)中的應(yīng)用

龔勁松，楊鳴宇，王 靜，徐 晨

（中國石化華東石油工程公司測井分公司，江蘇 揚(yáng)州 225007）

識別地層巖性并計(jì)算礦物含量是用測井資料進(jìn)行儲層評價(jià)的基礎(chǔ)。對常規(guī)砂巖儲層而言，利用自然伽馬或自然電位曲線就可以對儲層進(jìn)行劃分并較準(zhǔn)確地計(jì)算砂巖礦物含量；但隨著火山巖、煤巖、頁巖等復(fù)雜巖性油氣藏及非常規(guī)油氣藏的不斷出現(xiàn)，利用常規(guī)測井資料進(jìn)行巖性評價(jià)的難度越來越大。針對復(fù)雜巖性及非常規(guī)油氣藏巖性評價(jià)出現(xiàn)的困難，斯倫貝謝公司在二十世紀(jì)末推出ECS元素測井技術(shù)（Elemental Capture Spectroscopy)，通過獲取地層俘獲伽馬能譜信息推導(dǎo)地層元素信息進(jìn)而預(yù)測地層巖性信息，從巖石化學(xué)成分角度為復(fù)雜巖性油氣藏的評價(jià)開辟了一條新的道路。

本世紀(jì)初，ECS測井引進(jìn)到國內(nèi)后，在王莊油田[1]、西江油田[2]、塔里木油田[3]、長慶油田[4]等諸多油田得到了廣泛的應(yīng)用，近年來隨著煤層氣、頁巖氣等非常規(guī)油氣藏的興起，ECS測井技術(shù)在非常規(guī)儲層的地質(zhì)與工程評價(jià)中發(fā)揮了重要作用。

1 ECS元素測井技術(shù)簡介

ECS地層元素測井儀由Am-Be中子源、BGO晶體探測器、光電倍增管、高壓放大電子線路等部分構(gòu)成。測井過程中，由Am-Be中子源發(fā)出能量為0～8 MeV（平均4 MeV）的快中子，快中子首先與地層中C，O，Si，Ca，F(xiàn)e，Mg等元素發(fā)生非彈性散射反應(yīng)，并在多次散射后逐漸減速形成熱中子，熱中子被原子核所俘獲產(chǎn)生特征俘獲伽馬射線，用BGO晶體探測器可以探測并記錄這些俘獲伽馬能譜。

對測量的累計(jì)伽馬射線譜進(jìn)行分析稱做剝譜，剝譜通過設(shè)不同的能量窗口進(jìn)行處理，將測量的數(shù)據(jù)去擬合一系列的標(biāo)準(zhǔn)譜，擬合的結(jié)果就是地層中硅（Si)、鈣（Ca)、鐵（Fe)、硫（S）、鈦（Ti)、釓（Gd）等元素的相對含量。其中Si主要與石英關(guān)系密切，Ca與方解石和白云石密切相關(guān)，利用S和Ca可以計(jì)算石膏的含量，F(xiàn)e與黃鐵礦和菱鐵礦等有關(guān)系，鋁元素與黏土（高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石、海綠石等）含量密切相關(guān)，由于鋁元素的測量比較困難且代價(jià)很高，通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，元素Si、Ca、Fe與鋁的含量關(guān)系非常好，因此，ECS是通過Si、Ca、Fe等元素來計(jì)算黏土礦物的含量，Ti元素與黏土礦物的含量有關(guān)系，對于元素Gd的測量，考慮到一方面該元素的中子俘獲截面非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他元素的俘獲截面，另一方面與黏土礦物和一些重礦物的含量有一定關(guān)系。將元素相對含量轉(zhuǎn)換成元素絕對含量是通過氧閉合技術(shù)，氧閉合技術(shù)所用的模型是經(jīng)過巖心分析和測井?dāng)?shù)據(jù)檢驗(yàn)的。最后利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式由元素絕對百分比含量得到礦物的體積，該關(guān)系式建立在大量的巖心分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上。有關(guān)ECS數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 ECS數(shù)據(jù)處理流程圖Fig.1 ECS data processing flow diagram

2 ECS測井技術(shù)在煤層氣儲層評價(jià)中的應(yīng)用

煤是一種固態(tài)可燃有機(jī)巖，由有機(jī)質(zhì)、混入的無機(jī)礦物質(zhì)及孔隙—裂隙中的水和氣體三部分組成，是一個多相的孔隙—裂隙系統(tǒng)，通常稱為煤的三相體系[5]。三相體系相互聯(lián)系，隨著三相物質(zhì)質(zhì)量和體積的比例不同，煤的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、煤儲層特征和工程力學(xué)特征也就不同。煤巖在常規(guī)測井曲線上一般顯示為低伽馬、高電阻率、高時(shí)差、高中子、低密度特征，所以用常規(guī)測井曲線也可較好地進(jìn)行煤層劃分，但常規(guī)測井曲線在計(jì)算煤巖組分含量時(shí)存在較大困難，而ECS測井技術(shù)在煤的工業(yè)分析計(jì)算等煤儲層評價(jià)中具有獨(dú)特的作用。

2.1 巖性識別與劃分

不同巖性地層所含礦物含量、元素含量差別較大，ECS測井通過獲取地層元素含量進(jìn)行地層礦物含量的計(jì)算并據(jù)此劃分地層巖性，圖2所示為山西延*井的ECS測井成果圖，該圖所指示的地層巖性有四種，砂巖、泥巖、灰?guī)r、煤巖。不同巖性地層其元素含量變化具有如下特點(diǎn)：

1）砂巖：硅含量高、鐵含量低、鋁含量低；

2）泥巖：硅含量低、鐵含量高、鋁含量高；

3）灰?guī)r：硅含量低、鋁含量低、鈣含量高；

4）煤層：硅含量低、鐵含量低、鋁含量低。

圖2 延*井ECS測井成果圖Fig.2 ECS logging results of well Yan*

由圖2可見，1 202.5～1 206 m，1 207～1 209.5 m和1 230～1 259 m呈低鋁、低硅、高鈣特征，主要為灰?guī)r地層。1 168.5～1 174 m呈低鋁、低硅、低鈣特征，為煤層。1 215～1 230 m地層鐵元素含量較高，反映地層含黃鐵礦，這不僅解釋了該處常規(guī)測井的高密度異常現(xiàn)象，同時(shí)有效指示了較弱的水動力條件和低能的還原沉積環(huán)境。

2.2 煤的工業(yè)分析含量計(jì)算與煤階確定

煤的工業(yè)分析也叫技術(shù)分析或?qū)嵱梅治?，包括煤中水分、灰分、揮發(fā)分的測定及固定碳的計(jì)算。進(jìn)行煤層氣儲層評價(jià)時(shí)，一般先進(jìn)行煤的工業(yè)分析，以大致了解煤的基本化學(xué)性質(zhì)。

ECS計(jì)算煤的工業(yè)分析含量首先通過硅、鐵、鋁等元素含量計(jì)算灰分含量，然后通過實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)確定灰分與水分、揮發(fā)分、固定碳的相關(guān)關(guān)系公式，進(jìn)而計(jì)算水分、揮發(fā)分、固定碳的含量。通過回歸分析得出的延*井灰分與固定碳、水分、揮發(fā)分關(guān)系式見圖3。由圖3可見，煤的灰分含量與固定碳含量有很好的相關(guān)性，與揮發(fā)分有較好的相關(guān)性，與水分的相關(guān)性相對較差。根據(jù)回歸公式計(jì)算的工業(yè)分析含量數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)對比見表1。

圖3 延*井煤層灰分與固定碳、揮發(fā)分、水分交會圖Fig.3 Cross plot of coal ash content and fixed carbon,residual liquid,water content in well Yan*

表1 延*井主力煤層實(shí)驗(yàn)測試、ECS計(jì)算工業(yè)分析對比Table 1 Main coalbed experimental test and contrastive analysis of ECS computing industry in well Yan*%

確定煤的工業(yè)分析含量后，通過固定碳/（揮發(fā)分＋固定碳）計(jì)算煤階指數(shù)，給定不同的閾值劃分煤階（表2），根據(jù)計(jì)算該地區(qū)煤層煤階指數(shù)為0.838～0.854，為焦煤—瘦煤，與實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果基本一致。

表2 斯倫貝謝煤層煤階劃分Table 2 Coal rank division of Schlumberger coalbed

2.3 確定地層巖石骨架參數(shù)

確定地層巖石骨架參數(shù)對測井解釋而言極為重要也極其困難。相同的巖性，其骨架參數(shù)也有可能是不同的。常規(guī)測井只能通過統(tǒng)計(jì)分析的方法確定巖石的骨架參數(shù)，并在單井中應(yīng)用不變的骨架參數(shù)。ECS能夠測量地層的元素含量，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析，從而確定巖石的各種骨架參數(shù)，包括骨架密度、骨架中子、骨架光電吸收截面、骨架俘獲截面等。圖4左道紅線所示為延*井骨架密度值，根據(jù)該曲線分析砂泥巖層段骨架密度分布范圍為2.62～2.74 g/cm3，平均值為2.685 g/cm3；煤層骨架密度分布范圍為 1.48～1.54 g/cm3，平均值為 1.511 g/cm3。根據(jù)獲得的骨架密度值，可以精確計(jì)算儲層孔隙度值。

圖4 延*井ECS測井成果圖Fig.4 ECS logging results of well Yan*

2.4 其它應(yīng)用

ECS測井技術(shù)在煤層氣評價(jià)的其它方面也有廣泛的應(yīng)用：如通過ECS測井解釋獲得的灰分含量可以對煤層裂縫發(fā)育程度作出定性評價(jià)；通過地層中特征元素的比較進(jìn)行井間地層對比；通過確定地層中碳酸鹽巖含量制定合適的儲層改造措施等。

3 ECS測井技術(shù)在頁巖氣儲層評價(jià)中的應(yīng)用

頁巖是由粒徑＜0.003 9 mm的細(xì)粒碎屑、黏土、有機(jī)質(zhì)等組成的具頁狀或薄片狀層理、容易破碎的一類沉積巖[6]。頁巖在自然界分布廣泛，其類型眾多，有黑色頁巖、炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)頁巖、鐵質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)頁巖。礦物成分復(fù)雜，碎屑礦物包括石英、長石、方解石；黏土礦物有高嶺石、蒙脫石、水云母等。碎屑礦物和黏土礦物含量不同導(dǎo)致頁巖差異明顯。頁巖在常規(guī)測井曲線一般呈高伽馬、中高電阻率、高時(shí)差、低密度特征，利用常規(guī)測井曲線可以較好的對頁巖層進(jìn)行劃分，但常規(guī)測井曲線在計(jì)算頁巖復(fù)雜的礦物含量方面困難較大，對此，ECS測井技術(shù)在頁巖氣評價(jià)中有著獨(dú)特的作用。

3.1 巖性識別及劃分

圖5為黃*井ECS測井成果圖。由圖5可見，黃*井500～1 593 m呈低鋁、低硅、高鈣特征，反映地層主要為灰?guī)r；1 593～2 265 m呈高鋁、高硅、低鈣，該段常規(guī)自然伽馬測井呈相對高值，常規(guī)測井解釋為泥巖，ECS測井反映硅、鋁含量均較高，反映地層為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，ECS測井解釋與地質(zhì)錄井更為一致；2 265～2 307 m呈低鋁、低硅、高鈣特征，反映地層為碳酸鹽巖；2 320～2 420 m呈中鋁、高硅、低鈣、中鐵特征，反映地層主要為頁巖；2 434～2 469 m呈低鋁、低硅、高鈣特征，反映地層為碳酸鹽巖。

3.2 礦物含量計(jì)算

圖5 黃*井ECS測井成果圖Fig.5 ECS logging results of well Huang*

頁巖類型多、礦物成分復(fù)雜多樣，僅依靠常規(guī)測井資料計(jì)算礦物含量存在較大的困難，ECS測井技術(shù)通過鈣元素作為指示元素計(jì)算碳酸鹽巖含量，通過硫、鈣作為指示元素計(jì)算蒸發(fā)巖含量，通過硅、鋁、鐵作為指示元素計(jì)算黏土含量，最后用100減去以上三種礦物含量作為砂巖含量，從而得出頁巖各組分含量。根據(jù)該方法計(jì)算湘*井地層礦物含量與實(shí)驗(yàn)分析數(shù)據(jù)對比情況見圖6。

圖6 湘*井ECS、實(shí)驗(yàn)分析礦物含量對比圖Fig.6 Comparison diagram of mineral content analysis by ECS and experiment in well Xiang*

由圖6可見，通過ECS計(jì)算頁巖礦物含量與實(shí)驗(yàn)分析礦物含量對比誤差較小，反映ECS測井解釋頁巖礦物含量具有較高的可靠性。

3.3 確定巖石骨架參數(shù)

確定包括頁巖在內(nèi)的地層巖石骨架參數(shù)對孔隙度、含氣量、含氣飽和度等參數(shù)的計(jì)算至關(guān)重要，ECS通過測量地層的元素含量，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室?guī)r心分析，從而確定巖石的各種骨架參數(shù)。圖7左道紅線所示為湘*井骨架密度值，根據(jù)該曲線分析砂泥巖層段骨架密度分布范圍為2.39～2.58 g/cm3，平均值為2.43 g/cm3。根據(jù)骨架密度值可以精確計(jì)算儲層孔隙度。

圖7 湘*井ECS測井評價(jià)成果圖Fig.7 ECS logging evaluation design sketch of well Xiang*

3.4 其它應(yīng)用

ECS測井資料在頁巖氣儲層評價(jià)中還有著多方面的應(yīng)用，例如通過處理得出的黏土礦物成分可確定地層沉積相：因?yàn)殛懴喑练e主要黏土礦物為高嶺石和蒙脫石，海相沉積主要黏土礦物是伊利石和海綠石，因而根據(jù)這幾種礦物含量的變化，可確定地層的沉積相。同樣，因?yàn)辄S鐵礦(FeS)是還原環(huán)境的典型沉積產(chǎn)物，如果所測地層普遍含有黃鐵礦，則可確定地層為水體較深的還原沉積環(huán)境。利用元素俘獲譜測井提供的礦物含量類型還能夠很好地估算地層的滲透率。此外，ECS測井還能夠?yàn)楹笃诠こ淌┕?、儲層損害評價(jià)等提供參考資料。

4 認(rèn)識與結(jié)論

從自然伽馬能譜測井以剝譜方式得到地層鉀、鈾、釷含量開創(chuàng)元素測井的先河以來，元素測井技術(shù)得到了快速的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷拓展。特別是ECS元素測井技術(shù)的推出，為煤巖、頁巖等非常規(guī)儲層在劃分地層巖性、確定地層元素含量、計(jì)算礦物含量、計(jì)算巖石骨架參數(shù)、沉積相確定、井間地層對比、儲層壓裂設(shè)計(jì)及損害評價(jià)等方面提供了重要的資料；但ECS測井儀器存在探測器耐溫性能差、采集地層信息較為單一且僅對部分俘獲譜進(jìn)行解譜的問題，對煤巖、頁巖中的有機(jī)碳含量也不能直接獲取，一定程度上制約了其應(yīng)用。

[1]袁祖貴，楚澤涵.一種新的測井方法(ECS)在王莊稠油油藏中的應(yīng)用[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)，2003，23（5）：417-420.

[2]王功軍，王冬梅，陳小波，等.ECS測井及其在西江油田的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2011，33（7）：101-103.

[3]劉應(yīng)華，趙軍，胡洪，等.ECS在塔里木復(fù)雜地層中的應(yīng)用[J].國外測井技術(shù)，2008，168（6）：21-23.

[4]侯雨庭，李高仁.元素俘獲譜測井在長慶天然氣勘探中的應(yīng)用[J].中國石油勘探，2005,8（3）：46-49.

[5]孟召平，田永東，李國富.煤層氣開發(fā)地質(zhì)學(xué)理論與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[6]鄒才能.非常規(guī)油氣地質(zhì)[M].北京：地質(zhì)出版社，2011.