元素俘獲測(cè)井在庫(kù)車深層致密砂巖中的應(yīng)用

康曉楠, 肖承文, 信毅, 周磊, 陳強(qiáng), 李曉龍, 羅偉平

(中國(guó)石油塔里木油田勘探開(kāi)發(fā)研究院, 新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

隨著庫(kù)車地區(qū)天然氣勘探不斷深入,A、B等構(gòu)造下第三系-白堊系致密裂縫性砂礫巖儲(chǔ)層已經(jīng)成為油氣勘探的重要對(duì)象。深層致密砂巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng),巖性復(fù)雜、且具有低孔隙度低滲透率和雙重孔隙介質(zhì)特點(diǎn),其測(cè)井解釋和參數(shù)的定量評(píng)價(jià)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)注的技術(shù)難題。本文結(jié)合元素俘獲測(cè)井(ECS)方法認(rèn)識(shí)庫(kù)車地區(qū)巖性、礦物組分和地層孔隙度等信息。通過(guò)對(duì)庫(kù)車前陸盆地深層7口井的已知數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,求取了塔里木盆地庫(kù)車深層致密砂巖地層的儲(chǔ)層參數(shù)。

1 ECS測(cè)井解釋模型及應(yīng)用

1.1 ECS測(cè)井原理與應(yīng)用

元素俘獲測(cè)井[1-4](ECS)測(cè)量記錄非彈性散射與俘獲時(shí)產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線,利用剝譜分析直接得到地層Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素的相對(duì)產(chǎn)額,通過(guò)氧化物閉合模型獲得地層元素干重(干地層中元素的質(zhì)量含量),利用聚類因子分析和巖性解釋可定量得到地層的礦物含量,從而較準(zhǔn)確地得到儲(chǔ)層骨架的巖性。

Si是石英、長(zhǎng)石、黏土礦物中的主要元素,Ca反映碳酸鹽巖(白云石與方解石)的含量,Al元素反映黏土礦物(高嶺石、伊利石、綠泥石等)含量,S、Fe元素能反映地層中黃鐵礦的含量,結(jié)合Ca和S元素可以計(jì)算出石膏的含量。

ECS測(cè)井提供包括Si、Ca、Fe、Al、S、Ti、Gd等主要造巖元素的百分含量;其解釋結(jié)果包括SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、FeO、Fe2O3、CaCO3、TiO2、CaSO4、FeS2等各種氧化物的百分含量。不同地區(qū)、不同地層指示巖性的主要礦物類型不同。

1.2 ECS資料解釋模型與原理

1.2.1 氧化物閉合模型

氧化物閉合模型[2-4]是斯倫貝謝公司應(yīng)用的一種計(jì)算元素百分含量的方法。其核心是用獨(dú)立的方式對(duì)通過(guò)熱中子俘獲反應(yīng)測(cè)得的每種元素放出的特征伽馬射線相對(duì)產(chǎn)額重新歸一化,從而求得每種元素的百分含量。顯著特點(diǎn)是不受井眼環(huán)境影響。該方法提出組成礦物的氧化物、碳酸鹽含量百分?jǐn)?shù)之和為1(或元素氧化物的干重之和為1)。該閉合模型的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量中不涉及C和O元素;同時(shí),通過(guò)每一深度點(diǎn)的特定閉合方程,求得該深度點(diǎn)的歸一化因子。元素相對(duì)產(chǎn)額與元素百分含量的關(guān)系為

(1)

式中,F為隨深度變化的歸一化因子;Yi為元素i的相對(duì)產(chǎn)額;Si為元素i的探測(cè)靈敏度因子;Wi為元素i的百分含量。歸一化因子F滿足閉合條件,即所有元素氧化物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)之和為1。

在所測(cè)量到的元素當(dāng)中,S元素和Fe元素在地層當(dāng)中以FeS2、Fe2O3、CaSO4等多種形式存在于不同礦物當(dāng)中,硫和鐵元素的氧化物指數(shù)比較獨(dú)特,要根據(jù)它們的存在形式而確定。因此,解釋模型的確定要結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)特征選擇。

一般由實(shí)測(cè)俘獲伽馬射線能譜與元素的標(biāo)準(zhǔn)譜通過(guò)最小二乘擬合來(lái)確定各元素的相對(duì)產(chǎn)額;元素含量不但與該元素的相對(duì)產(chǎn)額有關(guān),還與該元素探測(cè)靈敏度因子有關(guān);當(dāng)測(cè)量的各元素能夠完備地描述巖石礦物種類時(shí),即可確定出歸一化因子;利用氧化物閉合模型,最終計(jì)算結(jié)果是干骨架中各主要元素的質(zhì)量百分含量。

1.2.2 地層元素含量與礦物含量的關(guān)系建模

由于礦物與元素之間有著強(qiáng)烈的相互制約關(guān)系[1],要把元素含量轉(zhuǎn)換成礦物含量,關(guān)鍵是確定元素含量與礦物含量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。在礦物組成元素穩(wěn)定的情況下,斯倫貝謝公司應(yīng)用因子分析數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法對(duì)取自世界各地的巖心的元素和礦物資料進(jìn)行分析研究,歸納出了通用的礦物含量與元素含量關(guān)系的公式。

地層元素含量與礦物含量之間關(guān)系密切,在確定兩者的關(guān)系時(shí)必須考慮2點(diǎn)[2]:①測(cè)量的元素必須是被鑒別地層礦物中的主要指示元素,要滿足此條件,元素在礦物中的相對(duì)含量應(yīng)比較穩(wěn)定;②被確定的礦物數(shù)目不能超過(guò)被測(cè)量的元素?cái)?shù)目。用地層化學(xué)元素含量能夠精確估算礦物豐度,但要求模型中礦物中元素含量不僅相對(duì)穩(wěn)定,而且具有特征性。

1.2.3 基于元素俘獲測(cè)井的儲(chǔ)層孔隙度計(jì)算方法

利用元素俘獲測(cè)井求取地層礦物體積含量,結(jié)合常規(guī)密度測(cè)井資料,可以聯(lián)合求解地層孔隙度。常規(guī)測(cè)井方法確定孔隙度時(shí)認(rèn)為巖石骨架密度值不變,而元素俘獲測(cè)井根據(jù)礦物成分和含量計(jì)算密度值,該值是隨著礦物成分及含量的不同而不同,這樣通過(guò)密度孔隙度計(jì)算公式,可以得到更精確的總孔隙度。首先,估算巖石骨架密度值。因?yàn)閹r石骨架的密度值受到碳酸鹽巖、黃鐵礦和綠泥石的嚴(yán)重影響,元素俘獲譜測(cè)井可以獲得Si、Ca、Fe、S等礦物特征指示元素,根據(jù)元素含量將其轉(zhuǎn)化為礦物含量,而每種礦物都有其特定的骨架值[5-11],巖石骨架密度值是各種礦物骨架值的線性組合,確定巖石骨架密度ρma,可以用公式(2)表示

(2)

式中,ρma為巖石總骨架密度值,g/cm3;ρi是第i種礦物的骨架值,g/cm3;Mi是第i種礦物的含量。

利用上述方法,依據(jù)各種礦物的含量和骨架密度,估算得到隨著礦物成分及含量的變化而變化的巖石骨架密度值,這樣累加得到的巖石骨架密度值,是在地層孔隙為0時(shí)求得的地層密度數(shù)值;然而,實(shí)際地層沒(méi)有不含孔隙度的,所以應(yīng)該求得帶有孔隙度的地層密度值。因此,本文建立了地層體積模型,根據(jù)體積模型求得地層孔隙度。一般把儲(chǔ)層的體積模型分為巖石骨架和孔隙流體2部分。全新的孔隙度解釋模型由巖石體積密度、流體密度和巖石骨架密度組合建立[5]

(3)

式中,φ是地層孔隙度;ρf為地層流體密度值,g/cm3;ρb為常規(guī)密度測(cè)井值,g/cm3;ρma是ECS計(jì)算的骨架密度值,g/cm3。

在該模型中,地層總巖石骨架密度值ρma是動(dòng)態(tài)變化的,隨著地層深度和礦物種類的變化而變化,所以基于元素俘獲測(cè)井計(jì)算的孔隙度值更為精確、合理。

1.3 目標(biāo)區(qū)域巖石礦物組分選擇

表1為研究區(qū)7口井巖石薄片及全巖礦物分析礦物含量統(tǒng)計(jì)表。表1表明該區(qū)域?yàn)樯皫r儲(chǔ)集層,礦物成分主要是石英、長(zhǎng)石、白云石、泥質(zhì)、方解石、石膏和黃鐵礦等。由于使用礦物閉合模型,在解釋中如果選錯(cuò)礦物模型組合,就會(huì)造成礦物含量解釋偏差。

表1 研究區(qū)7口井巖石薄片及全巖礦物分析礦物含量統(tǒng)計(jì)表(%)

巖石薄片分析顯示,除克深F井局部層段未見(jiàn)到明顯黃鐵礦礦物,其他各井黃鐵礦較明顯,如克深A(yù)井巖心和巖心分析薄片37塊,全部明顯見(jiàn)石英組分,含量40%～55%;15塊明顯觀察到石膏組分,含量5%以下;8塊明顯含黃鐵礦礦物,含量3%～14%。另一方面,各井資料顯示,石膏的含量也比較低。對(duì)比分析7口井的薄片資料,除黏土外,特殊膠結(jié)物組分中,石英和長(zhǎng)石是主要組分;石膏在巖屑錄井中普遍觀察到,巖心巖石薄片中也比較常見(jiàn),是比較重要的特殊組分。

2 ECS在庫(kù)車深層致密砂巖中的應(yīng)用

2.1 利用ECS測(cè)井技術(shù)識(shí)別巖性

研究區(qū)域有ECS測(cè)井資料7口。ECS測(cè)量結(jié)果提供了Si、Ca、Fe、Al、S、Ti等主要元素的含量,并解釋了黏土、方解石、石膏、黃鐵礦、石英等礦物的比例[12-16]。

從目標(biāo)區(qū)域ECS資料解釋情況分析看,由于解釋人員對(duì)區(qū)域礦物模型的選擇不夠穩(wěn)定,造成解釋中認(rèn)識(shí)的礦物特征與實(shí)際地質(zhì)特征不盡吻合。但是,測(cè)量的主要元素組分是比較可靠的,可以基于這些信息對(duì)巖石礦物組分進(jìn)行重新解釋和評(píng)價(jià)。

ECS測(cè)井探測(cè)巖石中Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等重要元素,通過(guò)礦物閉合模型預(yù)測(cè)骨架的巖性。研究區(qū)域目的層段中,石英、長(zhǎng)石、黏土、碳酸鹽巖、石膏、黃鐵礦是比較常見(jiàn)的礦物。

圖1是克深A(yù)井ECS測(cè)井解釋成果圖。第1道是ECS巖性剖面,第2道是深度曲線,第3至第8道分別是鋁(Al)、硅(Si)、鈣(Ca)、鐵(亞鐵)、硫(S)和鈦(Ti)的元素干重?？松預(yù)井ECS評(píng)價(jià)結(jié)果可以看到,硅元素占主導(dǎo),指示地層巖性主要是砂巖和泥巖。由圖1可見(jiàn),6 811～6 819 m和6 821～6 835 m井段,地層元素含量有以下變化:硅含量高、鐵含量低、鋁含量也低,指示砂巖地層。6 819～6 821 m井段有硅含量低、鐵含量高、鋁含量高的特征,主要是泥巖剖面。6 831～6 835 m井段地層含硫元素較多,表明地層含有黃鐵礦和石膏。

圖2是克深B井ECS測(cè)井解釋成果圖。地層元素主要是鈣元素、鐵元素和硫元素,指示地層巖性主要是碳酸鹽巖(方解石和白云石),并發(fā)育有黃鐵礦和石膏礦物。

2.2 基于ECS測(cè)井技術(shù)求取地層孔隙度

首先,計(jì)算巖石骨架密度ρma, 它是各種礦物密度值的線性組合;其次,將骨架密度值ρma和常規(guī)測(cè)井地層密度值ρb代入方程(3),求得儲(chǔ)層孔隙度;再使用常規(guī)解釋方法,用固定骨架密度值求得儲(chǔ)層孔隙度[14-16]。將兩者求取的孔隙度結(jié)果分別與實(shí)際巖心孔隙度進(jìn)行對(duì)比分析研究,并繪制對(duì)比表格。

圖1 克深A(yù)井ECS測(cè)井解釋成果圖

圖2 克深B井ECS測(cè)井解釋成果圖

圖3 克深C井孔隙度對(duì)比圖 圖4 克深D井孔隙度對(duì)比圖

以克深C井為例說(shuō)明。表2是1個(gè)對(duì)比圖表,進(jìn)行對(duì)比的3個(gè)變量分別是巖心分析孔隙度、ECS計(jì)算孔隙度以及常規(guī)密度計(jì)算孔隙度。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì),ECS計(jì)算孔隙度與巖心孔隙度相對(duì)誤差的平均值是6.8%,絕對(duì)誤差的平均值為0.59;而用常規(guī)密度計(jì)算孔隙度與巖心孔隙度的平均相對(duì)誤差為25.7%,平均絕對(duì)誤差為1.38?？梢?jiàn),相比常規(guī)密度計(jì)算孔隙度方法,ECS測(cè)井技術(shù)求取的孔隙度精度更高。

圖3和圖4是克深C井(6 495～6 520 m井段)和克深D井(6 980～7 005 m井段)孔隙度對(duì)比圖。在圖3和圖4中,第1道為深度曲線;第2道為3條密度曲線;第3道為3條孔隙度曲線;第4至第9道為ECS測(cè)量得到的元素干重,從左至右分別是鋁(Al)、硅(Si)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、硫(S)、Ti(鈦)的含量;第10道為ECS分析的巖性剖面。由圖3和圖4可以看出,利用ECS測(cè)井資料計(jì)算地層孔隙度與巖心分析孔隙度最接近,而常規(guī)密度測(cè)井資料計(jì)算得到的孔隙度與巖心分析孔隙度對(duì)比誤差很大,表明ECS測(cè)井技術(shù)求取地層孔隙度有很高的可靠性。

表2 克深C井孔隙度對(duì)比表

3 結(jié) 論

(1) ECS測(cè)井方法在處理塔里木庫(kù)車前陸盆地復(fù)雜巖性儲(chǔ)層上有很大的優(yōu)勢(shì),可以綜合多種測(cè)井方法,求取多項(xiàng)儲(chǔ)層參數(shù),方便有效。

(2) 通過(guò)構(gòu)建巖石礦物體積模型,獲得了庫(kù)車地區(qū)7口井的巖石礦物含量,提高孔隙度計(jì)算的精確度。

(3) 對(duì)于塔里木庫(kù)車前陸盆地復(fù)雜巖性儲(chǔ)層,ECS測(cè)井技術(shù)求取的孔隙度與巖心分析孔隙度最接近。

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