地層元素測井研究進展

張 禎

(西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安710069)

地層元素測井(ECS)的前身是次生伽馬能譜測井(GST)，它是將儀器記錄的非彈性散射和俘獲伽馬能譜的剝譜分析結(jié)果，同實驗標準譜作對比得到地層元素的組成，并利用氧化物閉合模型以及聚類分析等分析技術(shù)確定地層中礦物的類型及含量，最終對地層進行評價的測井方法。

目前此類方法可以提供的原始數(shù)據(jù)是硅、鋁、鈣、鐵、鎂、釓等地層元素的含量，其綜合解釋結(jié)果可以提供地層巖性剖面。

1 地層元素測井的工作原理及儀器特征

1.1 地層元素測井的工作原理

在地下鉆孔作業(yè)的環(huán)境中，中子源發(fā)射的4MeV中子進入周圍的地層，在1～2 μs內(nèi)，這些快速運動的中子與周圍地層中元素的原子核通過較強的吸引力發(fā)生相互作用，以彈性和非彈性的方式進行散射，直到最終失去能量。這一過程具體分為如下兩個階段:(1)非彈性散射伽馬能譜階段:周圍地層中元素的原子核由于和快中子發(fā)生相互作用而變成了激發(fā)態(tài)的復(fù)核，之后通過發(fā)射一條或多條γ射線回到基態(tài)，在這個過程中發(fā)射的γ射線被稱為非彈性散射γ射線。不同的原子核發(fā)生非彈性散射時具有不同的反應(yīng)截面面積，放出的伽馬射線能量也存在不同，在地層中與快中子發(fā)生非彈性散射的主要有C、O、Si、Ca及Fe等元素的原子核。(2)熱中子俘獲伽馬能譜階段:快中子經(jīng)過一系列的速度放緩以及能量降低，最終變?yōu)闊嶂凶?，并被周圍地層中元素的原子核所捕獲，同時發(fā)射一條或多條γ射線。此時發(fā)射的γ射線稱為熱中子俘獲γ射線。不同原子核具有不同的能級，因而各種原子核放出的γ射線能量也不相同。在地層元素測井中主要由 H、Cl、Si、Ca、Fe、S、Ti、Cr及 K 等元素的原子核與熱中子發(fā)生俘獲作用產(chǎn)生俘獲γ射線[1]。

1.2 地層元素測井儀器

地層元素測井儀器主要中子源和BGO晶體探測器組成(見圖1)。該儀器可以測量足夠多的元素種類從而對地層進行巖性識別。其中中子源發(fā)出能量為4MeV的快中子與地層中元素的原子核發(fā)生非彈性反應(yīng)，同時放射出一條或多條伽馬射線，經(jīng)過能量的衰減，快中子減速形成熱中子，熱中子被俘獲產(chǎn)生俘獲伽馬射線。BGO晶體探測器則可以探測并記錄這些非彈性散射伽馬能譜和俘獲伽馬能譜。地層元素測井儀器的優(yōu)點是可以和多種測井儀聯(lián)合測量，并且不受井眼和泥漿類型的影響[2－3]。

圖1 地層元素測井儀

2 地層元素測井的歷史沿革及發(fā)展動態(tài)

1)地層元素測井研究的早期主要以識別礦物和巖性為主(尤其是識別沉積巖)，其中比較有代表性的研究者為斯倫貝謝和貝克休斯公司。

(1)以Herron為代表的斯倫貝謝道爾實驗室，其主張用從元素－礦物－巖性的方法來判斷沉積巖的巖性。

Herron等(1983)發(fā)現(xiàn)元素與礦物的傳遞式。他用因子分析統(tǒng)計的方法分析巖心數(shù)據(jù)，建立元素與礦物數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系。即元素含量與礦物豐度的矩陣關(guān)系:

[E]=[C]·[M]式中:E為元素重量百分含量列矩陣，M為礦物重量百分含量列矩陣，C為系數(shù)方陣。Herron比較了礦物含量的計算值和測量值，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得結(jié)果一致，從而確定了元素與礦物之間的傳遞公式[4]。

Herron(1986)對委內(nèi)瑞拉東北部的重油砂巖巖心和地球化學測井數(shù)據(jù)進行了因子分析，分析表明用4種因子可以解釋86%的地層礦物成份，其中高嶺石和伊利石兩種因子可以解釋與泥巖有關(guān)的大部分礦物成份，高嶺石因子與Al、Th、U以及地殼內(nèi)的稀有元素Dy、Eu、La和Sm有關(guān);伊利石因子則與 Cr、Fe、K、Mg、Na和 V有關(guān)。重礦物因子則與抗剝蝕的元素Hf和Ti有關(guān)，某種程度上又與Dy、Mn和U有關(guān)。第4種因子稱為長石因子，它主要與元素Ba和K有關(guān)。其研究結(jié)果還表明，石英與兩種粘土因子成逆相關(guān)關(guān)系即石英含量與粘土礦物含量成逆相關(guān)關(guān)系[5]。

1988年，Herron(1988)根據(jù)測井得到的元素數(shù)據(jù)，利用SiO2/Al2O3、Fe2O3/K2O及Ca的含量等三個參數(shù)來劃分砂泥巖[6]。兩年后，Herron(1990)對Pettijohn等作的圖版進行了修改，用log(Fe2O3/K2O)代替了 log(Na2O/K2O)作為y軸。因為Fe2O3(全鐵)/K2O的值能夠更好地區(qū)分出長石砂巖，同時，其也是礦物穩(wěn)定性的一個度量。第三個軸的投影為全鈣，可以作為碳酸鹽巖含量的度量。Herron所作的新圖版的優(yōu)點是可以區(qū)分頁巖、砂巖(長石砂巖)和碳酸鹽巖[7]。

Herron等(1996)建立礦物組合(石英+長石 +云母、總粘土、方解石+白云石)與元素及元素氧化物含量的關(guān)系(經(jīng)驗公式)[8]:

A粘土含量 1=1.67(100－SiO2－CaCO3－MgCO3－1.99Fe)(長石、云母含量較少)

B 粘土含量2= －20.8+3.1(100－SiO2－CaCO3－Mg-CO3－1.99Fe)(長石、云母含量較多)

C 方解石 +白云石 = －7.5+2.69(Ca+1.455Mg)

D碎屑(石英+長石+云母)含量=100－粘土含量－碳酸鹽巖含量

Herron(2002)對所測元素通過SpectroLith模型轉(zhuǎn)化為礦物模型(QFM(長石 +石英 +云母)，Carbonate(總碳酸鹽巖)，Clay(總粘土))[9](見圖 2)。

圖2 斯倫貝謝公司巖性識別圖版(據(jù) herron，2002，修改)

(2)地層元素測井研究的另外一個代表是貝克休斯公司，其主張用從元素－氧化物－巖性的方法來判斷沉積巖的巖性。

R.Pemper(2006)認為根據(jù)地層的化學組成，可以將沉積巖分為5大類，即砂巖、泥巖、煤層、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖。這些大類可以進一步分為更具體的亞類。例如可以利用鈣和鎂的含量將碳酸鹽巖細分為灰?guī)r和白云巖。對巖石進行分類時，可以采用貝克休斯公司的元素氧化物的三元交會圖模板(見圖3)。

對基本的巖性(砂巖、泥巖、煤層、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖)進行分類時，可以采用CaO、MgO和SiO2在內(nèi)的三元交會圖模板。另外，還可以利用CaO、S和Fe2O3的三元交會圖模板。如果需要還可以用C元素來識別煤層。

對巖石的大類進行進一步細分時，例如，將砂巖細分為石英砂巖、長石砂巖、巖屑砂巖、含泥砂巖、含石灰石英砂巖、含石灰長石砂巖、含石灰?guī)r屑砂巖和含石灰泥質(zhì)砂巖等時，參與這一步分類的三元交會圖模板一般包括以下幾組:(K2O，F(xiàn)e2O3，SiO2)、(K2O，MgO，SiO2)和 (Fe2O3，S，CaO)[10]。

圖3 貝克休斯公司巖性識別圖版(據(jù) R.Pemper，2006，修改)

2)在國外學者研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學者將地層元素測井與常規(guī)測井、錄井等方面的資料相結(jié)合，解決了更多的地質(zhì)問題，例如識別火山巖的巖性、評價儲層、判斷油水層以及分析沉積環(huán)境等。

(1)識別火山巖的巖性。程華國(2005)的研究表明，依據(jù)從地層元素測井中得到的Ti元素和Fe元素的含量，綜合常規(guī)測井和錄井資料，可以區(qū)分沉積巖和個別的火山巖(粗面巖、玄武巖)[11]。

王擁軍(2006)在火山巖儲層評價中運用了地層元素測井方面的資料，其根據(jù)火山巖中元素賦存的氧化物(SiO2、Al2O3、Na2O+K2O、Fe2O3等)從基性巖到酸性巖中含量的變化來識別火山巖巖性，其解釋結(jié)果與硅堿法劃分結(jié)果完全一致。同時，將地層元素測井同常規(guī)測井相結(jié)合(如Si和GR結(jié)合、Fe和DEN結(jié)合)也可用來識別火山巖的巖性[12]。

鄭建東(2006)針對徐深氣田深層火山巖的巖性識別難的特點，將地層元素測井與電成像、核磁等常規(guī)測井資料相結(jié)合，應(yīng)用TAS圖、圖像模式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等3種方法將組分與結(jié)構(gòu)結(jié)合起來識別巖性，實現(xiàn)了對該區(qū)火山巖的巖性的識別，并且為火山巖儲層精細測井評價打下了牢固的基礎(chǔ)[13]。王穎(2007)、王鄭庫(2007)、韓琳(2009)、莊東志(2012)也使用類似的方法對火山巖巖性進行識別[14－17]。

王飛(2008)在常規(guī)測井數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用地層元素測井方法、元素交會圖法和ECS測井主成分分析法等方法，建立起了一套火山巖巖性識別方法。最后對松遼盆地徐深地區(qū)的待判井段進行了檢驗，取得了很好的結(jié)果[18]。

陳嶸(2009)通過運用常規(guī)測井和地層元素測井對新疆三塘湖盆地油氣區(qū)發(fā)育的火成巖進行了分析，發(fā)現(xiàn)利用地層元素測井測量得到元素作出的交會圖能夠較好的識別火成巖，其中Si－Al與Si－Fe交會圖對研究區(qū)的凝灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、安山巖等四種巖性能夠進行較好的識別，但是用來區(qū)分沉積巖和火成巖的效果卻不明顯[19]。

(2)確定粘土含量及類型。粘土的體積最早是用傳統(tǒng)的密度－電阻率法以及中子測井法來估算的。有時根據(jù)γ射線測井估算的粘土含量與巖心分析的數(shù)據(jù)一致。但當粘土中含有大量的K、U和T h等非粘土成分時，粘土的估量會超過30% ～50%。地層元素測井直接測量地層中 Fe、Al、Si、Ca、K等元素的含量，則可以克服巖石骨架和流體的影響，使誤差變小[20－21]。

李高仁(2007)對鄂爾多斯盆地的高自然伽馬砂巖儲層進行了研究，發(fā)現(xiàn)僅用自然伽馬測井資料難以對其中的泥質(zhì)含量進行準確的計算。作者在分析了這類儲層的特征和礦物成份的基礎(chǔ)上，利用地層元素測井結(jié)合常規(guī)測井、中子－密度交會法和Geoframe平臺綜合反演等方法，準確的識別了高自然伽馬儲層并求取其中的泥質(zhì)含量[20]。

(3)評價儲層。焦大慶(1994)將地層元素測井應(yīng)用在中原油田的儲層評價中，他發(fā)現(xiàn)與常規(guī)測井方法相比，地層元素測井能夠更準確的獲得連續(xù)的物性參數(shù)、區(qū)別沉積體系和劃分沉積相帶、推斷成巖演化和確定孔隙類型、了解膠結(jié)成分對儲層的改造等，這些資料為儲層的評價提供了更準確的參考依據(jù)[23]。

袁祖貴(2004)認為如果遇到放射性較大的地層，其對應(yīng)的自然γ值非常高，不能準確的反映地層泥質(zhì)含量的高低，因此儲層的判別變得非常困難。而地層元素測井的處理結(jié)果則可以清晰地指示出泥質(zhì)含量的高低，所以地層元素測井可以清楚地把儲層與非儲層區(qū)別開來，并能對儲層中元素含量進行測量，這是其他的測井方法所不能及的[24]。

(4)判斷油水層。袁祖貴(2004)認為地層元素測井測量和記錄的是非彈性散射和俘獲時產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，用非彈性散射進行的碳氧比測井就能有效的判識油水層[25]。同時他發(fā)現(xiàn)儲層含油后，H和C含量增高，而 Al、Cr和 Ti含量則有所降低，所以通過地層元素測井測得的已有元素就可以分析油水層的變化情況[24]。

(5)分析沉積環(huán)境。地層元素測井提供了地層中的常量元素、微量元素和稀土元素，而元素的區(qū)域分布是各種地質(zhì)作用和地球化學作用綜合作用的結(jié)果，同時也是各種作用集中的表現(xiàn)，所以不同地質(zhì)時期的沉積巖中一些元素豐度以及組合特征的變化能夠反映出當時沉積環(huán)境的變化情況，這為利用地層元素測井研究沉積環(huán)境提供了充分的參考依據(jù)。袁祖貴(2005)對我國東部某油田王莊地區(qū)的4口井的地層元素測井資料進行分析，所分析的沉積環(huán)境與區(qū)域地質(zhì)分析的沉積環(huán)境有非常好的一致性[26－27]。

3 結(jié)語

在地層元素測井研究的早期，研究者是以識別礦物和巖性為主，尤其是以識別沉積巖為主。后來，在早期研究的基礎(chǔ)上，研究者將地層元素測井與常規(guī)測井、錄井等方面的資料相結(jié)合，從識別火山巖的巖性、評價儲層、判斷油水層以及分析沉積環(huán)境等方面解決了更多的地質(zhì)問題。

盡管現(xiàn)階段在地層元素測井的資料處理及解釋方面還是存在不足，相信隨著研究的不斷深入及其在生產(chǎn)實踐中的不斷推廣，地層元素測井方法將成為解決巖性分析、地層評價等問題更為有利的工具，在油氣藏的勘探和開發(fā)過程中也將成為其它方法不能替代的角色。

[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].核電子學與探測技術(shù).2004，23(5):417－423.

[2]張鋒，劉軍濤，冀秀文，等.地層元素測井技術(shù)最新進展及其應(yīng)用[J].同位素.2011，24(12):21－28.

[3]劉緒鋼，孫建孟，李召成.新一代元素俘獲譜測井儀 (ECS)及其應(yīng)用[J].國外測井技術(shù).2004，19(1):26－30.

[4]Everett R，Herron M M，Pirie G.Log Responses and Core Evaluation Case Study Technique:Field and Laboratory Procedure[C].//Transactions of the SPWLA 24th Annual Logging Symposium.1983:27－30.

[5]Herron M M.Mineralogy from geochemical well logging[J].Clays and clay Minerals，1986，34(2):204 －213.

[6]Herron M M，Herron S L，Quantitative lithology:open and cased hole application derived from integrated core chemistry and mineralogy database.In:Harvey，P.K.＆Lovell，M.A.(eds)Core－ Log Integration，Geological Society，London，Special Publications，136:81 －95.

[7]Herron，M M.and Herron S L，Geological Applications of Geochemical Well Logging，Geological Applications of Wireline Logs，A.Hurst，M.A.Lovell，and A.C.Morton(eds.)，Geological Soc.Special Publication No.48，London，1990:165 －75.

[8]Herron S L.and Herron M M，"Quantitative Lithology:An Application for Open and Cased Hole Spectroscopy，"Paper E，Trans.，SPWLA 37th Annual Logging Symposium，New Orleans，LA，1996.

[9]Herron M M，Herron S L，Grau J A，et al.Real－time petrophysical analysis in siliciclastics from the integration of spectroscopy and triple－ combo logging[J].//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers，2002.

[10]Pemper R R，Sommer A，Guo P，et al.A new pulsed neutron sonde for derivation of formation lithology and mineralogy[C].//SPE annual technical conference and exhibition.Society of Petroleum Engineers，2006.

[11]程華國，袁祖貴.用地層元素測井 (ECS)資料評價復(fù)雜地層巖性變化[J].核電子學與探測技術(shù).2005，25(3):233－238.

[12]王擁軍，冉啟全，童敏，等.ECS測井在火山巖巖性識別中的應(yīng)用[J].國外測井技術(shù).2006，21(1):13－16.

[13]鄭建東，劉傳平，李紅娟.徐深氣田深層火山巖巖性測井識別及應(yīng)用[J].國外測井技術(shù).2006，21(3):11－14.

[14]王穎，宋立斌，張東，等.松遼盆地南部深層火山巖巖性識別和巖相劃分[J].天然氣技術(shù).2007，1(5):32－35.

[15]王鄭庫，歐成華，李鳳霞.火山巖儲層巖性識別方法研究[J].國外測井技術(shù).2007，22(1):8－11.

[16]韓琳.元素俘獲譜測井 (ECS)在火成巖巖性識別與儲層評價中的應(yīng)用研究[D].吉林大學.2009.

[17]莊東志，周鳳鳴，司兆偉，等.南堡5號構(gòu)造深層火山巖巖性測井識別技術(shù)[J].斷塊油氣田.2012，18(6):743－745.

[18]王飛，魯明文，常銀輝.利用地球化學測井資料識別火山巖巖性[J].大慶石油地質(zhì)與開發(fā).2008，27(5):139－142.

[19]陳嶸，高楚橋，金云智.交會圖技術(shù)在識別三塘湖盆地火成巖巖性中的應(yīng)用[J].巖性油氣藏.2009，21(3).

[20]Steve Chapman.地球化學測井技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].國外地質(zhì)勘探技術(shù).1994，39－43.

[21]程華國，袁祖貴，劉寧.用地層元素測井資料確定儲層粘土含量[J].石油大學學報:自然科學版.2004，28(2):28－30.

[22]李高仁，郭清婭，石玉江，等.鄂爾多斯盆地高自然伽馬儲層識別研究[J].測井技術(shù).2007，30(6):511－515.

[23]焦大慶，王德仁，費伯良.地球化學測井在中原油田儲層評價中的應(yīng)用[J].測井技術(shù).1994，18(1):55－61.

[24]袁祖貴，成曉寧，孫娟.地層元素測井(ECS)－一種全面評價儲層的測井新技術(shù)[J].原子能科學技術(shù).2004，1.

[25]袁祖貴.地層元素測井 (ECS)評價油水層[J].核電子學與探測技術(shù).2004，24(2):126－131.

[26]袁祖貴.用地層元素測井 (ECS)資料研究沉積環(huán)境[J].核電子學與探測技術(shù).2005，25(4):347－352.

[27]呂復(fù)蘇，韓軍，苗紅升等.元素俘獲測井 (ECS)資料在彩31井區(qū)的應(yīng)用[J].新疆石油地質(zhì).2006，27(2):236－238.