巖性掃描測(cè)井資料處理解釋方法研究與應(yīng)用

閆學(xué)洪,曹春鋒,王慧

(中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司,黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

隨著大慶油田進(jìn)入勘探后期,非常規(guī)儲(chǔ)層、復(fù)雜巖性儲(chǔ)層逐漸成為勘探重點(diǎn)目標(biāo)。研究區(qū)發(fā)育火成巖、變質(zhì)巖和非常規(guī)儲(chǔ)層,有效識(shí)別地層巖性和礦物種類成為難點(diǎn),更精確評(píng)價(jià)儲(chǔ)層參數(shù)及流體性質(zhì),成為當(dāng)前亟待解決的難題。地層元素測(cè)井是復(fù)雜巖性儲(chǔ)層和非常規(guī)儲(chǔ)層巖性評(píng)價(jià)最有效手段之一,國(guó)外多家測(cè)井公司相繼推出了各種版本的地層元素測(cè)井系列,其中以斯倫貝謝公司的巖性掃描測(cè)井儀器 (Litho Scanner) 應(yīng)用效果最好,但目前中國(guó)還沒(méi)有與之相應(yīng)的資料處理解釋方法。

本文在斯倫貝謝公司解釋模型的基礎(chǔ)上,采用數(shù)學(xué)算法與巖心標(biāo)定相結(jié)合的方式,建立了適用于研究區(qū)特點(diǎn)的巖性掃描處理解釋方法,為巖性掃描測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)自行解釋與調(diào)參奠定了基礎(chǔ),為自主研發(fā)同類測(cè)井儀提供了解釋參考。

1 巖性掃描測(cè)井儀

元素俘獲譜測(cè)井儀(ECS),使用镅鈹中子源持續(xù)發(fā)射快中子,無(wú)法在總譜中區(qū)分非彈性散射反應(yīng)的伽馬射線,不能精確測(cè)定地層中碳、鎂等元素產(chǎn)額。2012年斯倫貝謝公司研發(fā)出巖性掃描測(cè)井儀(Litho Scanner),采用發(fā)射14 MeV能量的快中子的脈沖中子發(fā)生器(PNG),金屬鎢為屏蔽材料,摻鈰激活的溴化鑭晶體(LaBr3:Ce)作為新型探測(cè)器[1],是ECS化學(xué)源測(cè)井儀的升級(jí)版(見(jiàn)表1)。巖性掃描測(cè)井儀的高效脈沖中子發(fā)射器(PNG),發(fā)射高強(qiáng)度、高能量的快中子,具有脈沖穩(wěn)定特點(diǎn),通過(guò)快開(kāi)快關(guān)控制,消除了非彈性散射與俘獲反應(yīng)放射的伽馬射線間彼此干擾,實(shí)現(xiàn)了2種反應(yīng)獨(dú)立測(cè)量;新型探測(cè)器具有伽馬射線電信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間短、計(jì)數(shù)率高,且在200 ℃高溫下仍能保持伽馬射線能譜穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),可以直接測(cè)量鎂、鉀、碳、氧等更多元素,對(duì)于硅、鈣、鐵、硫、鈦、釓等元素也提高了測(cè)量精度和準(zhǔn)確度[2]。

表1 Litho Scanner與ECS主要參數(shù)對(duì)比

*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 巖性掃描測(cè)井原理

巖性掃描測(cè)井過(guò)程中,中子源發(fā)出高強(qiáng)度、高能量的快中子,首先與地層元素的原子核發(fā)生非彈性散射反應(yīng),在該過(guò)程中快中子與原子核碰撞并將能量傳遞給原子核,原子核由穩(wěn)定的基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài),快中子能量降低并以一定角度散射出去,激發(fā)態(tài)原子核釋放出伽馬射線回到基態(tài)[見(jiàn)圖1(a)];快中子經(jīng)過(guò)一系列的碰撞,損失能量后逐漸慢化成熱中子,與原子核繼續(xù)碰撞并被俘獲,形成另一種激發(fā)態(tài)原子核,這種原子核從激發(fā)態(tài)恢復(fù)到基態(tài),釋放出俘獲伽馬射線[見(jiàn)圖1(b)]。對(duì)于相同的原子核,非彈性散射反應(yīng)放射出的伽馬射線的能量與中子俘獲誘發(fā)伽馬射線的能量不同,用高計(jì)數(shù)率且穩(wěn)定的晶體探測(cè)器,記錄并區(qū)分非彈性散射和俘獲過(guò)程中誘發(fā)的伽馬射線[3-4]。

圖1 中子非彈性散射與俘獲過(guò)程示意圖

探測(cè)器記錄2種反應(yīng)放射的伽馬射線,分別得到地層元素的非彈譜和俘獲譜,通過(guò)Marquardt非線性迭代方法確定能量偏移和增益因子,利用實(shí)驗(yàn)室得到的元素非彈標(biāo)準(zhǔn)譜和俘獲標(biāo)準(zhǔn)譜,通過(guò)剝譜處理算法解出元素的貢獻(xiàn)份額即元素相對(duì)產(chǎn)額。元素相對(duì)產(chǎn)額經(jīng)過(guò)氧化物閉合算法得到元素干重,即干地層中元素的質(zhì)量含量(Converted to Dry-weight Elemental Concentration)。使用氧化物閉合算法的條件是,假設(shè)干巖石由一系列的氧化物或化合物組成,且所有氧化物所占比例的總和為100%,且要求在每一個(gè)深度水平生成一個(gè)特有的閉合因子,與元素相對(duì)產(chǎn)額結(jié)合獲得元素干重。通過(guò)選定特定的氧化物指示元素,利用聚類因子分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析來(lái)自全球的地層巖心資料,經(jīng)過(guò)必要的技術(shù)方法,將元素干重轉(zhuǎn)化為礦物組分。

3 處理解釋方法與應(yīng)用

大慶油田是在古代陸相盆地的基礎(chǔ)上發(fā)育的湖湘沉積,受沉積環(huán)境和物源的控制,地層礦物成分主要包括石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦和黏土等,黏土類型主要為伊利石,其次為綠泥石和蒙皂石/伊利石混層。在以砂泥巖為主的沉積巖產(chǎn)油層之外,大慶油田還發(fā)育復(fù)雜巖性儲(chǔ)層和非常規(guī)儲(chǔ)層,巖性更復(fù)雜,常規(guī)測(cè)井曲線識(shí)別巖性存在很大困難。本文對(duì)大慶油田巖性掃描測(cè)井資料處理解釋方法研究主要是元素干重求取方法、礦物含量計(jì)算模型、巖石骨架計(jì)算方法、有機(jī)碳含量求取公式等方面。

3.1 元素干重計(jì)算方法

地層中已發(fā)現(xiàn)的元素有100多種,但研究證實(shí)各元素在地殼中分布極不均勻,只相對(duì)集中于少數(shù)幾種元素:氧(46.13%)、硅(26.00%)、鋁(7.45%)、鐵(4.20%)、鈣(3.25%)、鈉(2.40%)、鎂(2.35%)、鉀(2.35%)、氫(1.00%)等9種元素占地殼總質(zhì)量的98.13%,其余元素僅占1.87%[5]。

圖2 A井巖性掃描元素干重含量、計(jì)算元素干重與巖心分析結(jié)果對(duì)比圖

巖性掃描測(cè)井俘獲反應(yīng)可以測(cè)量鋁、硅、鈣、鐵、鉀、鈉、硫、鈦、釓等元素的相對(duì)產(chǎn)額,基本滿足氧化物閉合條件,建立氧化物閉合方程,即

(1)

式中,ycj為測(cè)量的地層元素j的相對(duì)產(chǎn)額;scj為地層元素j的相對(duì)探測(cè)靈敏度因子,計(jì)數(shù)率/(g·s);Fc為每個(gè)深度點(diǎn)待確定的閉合因子;xj為地層元素j的氧化物指數(shù)。

通過(guò)氧化物閉合算法解得每個(gè)深度點(diǎn)的閉合因子,可以得到鋁、硅、鈣、鐵、鉀、鈉、硫、鈦、釓等元素的元素干重,即

(2)

式中,Wcj為地層元素j的干重。

非彈性散射作用測(cè)量的元素種類相對(duì)較少,且無(wú)法區(qū)分干骨架及流體中的氧元素含量,不滿足骨架氧化物閉合條件,獲取非彈性散射的閉合因子存在困難[6]?？紤]有些元素非彈性散射作用及俘獲作用都較為明顯,如硅、鈣等元素,利用2種元素含量的比值,可以將非彈閉合因子約分掉,進(jìn)而獲得非彈作用的元素干重。

(3)

WI,Si=Wc,Si

(4)

(5)

式中,WI,j為非彈譜求取元素j的百分含量;Wc,Si為利用俘獲能譜求取硅元素的百分含量;sI,j為元素j的非彈相對(duì)靈敏度因子;sI,Si為硅元素的非彈相對(duì)靈敏度因子;FI為非彈性散射作用的閉合因子。

圖2是大慶油田深層基底變質(zhì)巖A井的元素干重結(jié)果對(duì)比圖。A井在目的層進(jìn)行了密集井壁取心及系統(tǒng)的分析化驗(yàn)。圖2中帶LS標(biāo)識(shí)是巖性掃描測(cè)井解釋結(jié)果,帶JS標(biāo)識(shí)是元素干重計(jì)算方法所得結(jié)果,帶YX標(biāo)識(shí)是巖心分析結(jié)果。由圖2可知,巖性掃描解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果一致性較好,表明巖性掃描測(cè)井資料可信度較高;元素干重計(jì)算方法所得結(jié)果與巖性掃描解釋結(jié)果和巖心分析結(jié)果吻合很好,證明可以按照該地區(qū)元素分布特征,獲得相應(yīng)的元素干重。

3.2 礦物組分計(jì)算方法

地殼巖石中已發(fā)現(xiàn)的礦物有2 200多種,但常見(jiàn)的礦物只有10余種,當(dāng)?shù)V物的化學(xué)成分比較穩(wěn)定時(shí),礦物中各元素的干重基本保持不變,這是利用元素干重轉(zhuǎn)換成礦物干重的前提條件,只要精確測(cè)量到這些主要元素干重,就可以鑒別巖石中礦物類型及含量[7]。巖性掃描測(cè)井可以精確測(cè)量地層中這些主要元素干重,在Herron所提出的轉(zhuǎn)換關(guān)系基礎(chǔ)上,用巖心數(shù)據(jù)進(jìn)行刻度,建立了合適的系數(shù)矩陣,進(jìn)而運(yùn)用最小二乘法和廣義逆矩陣求解線性方程組的數(shù)學(xué)算法求解得到礦物干重[8]。

將元素干重轉(zhuǎn)換成礦物干重,利用反演方法借助于多元回歸算法可以推算元素干重與礦物干重的系數(shù)矩陣,其矩陣表達(dá)式為[5,8]

E=C·M

(6)

式中,E為元素干重;M為礦物干重;C為系數(shù)矩陣。

通過(guò)逆矩陣求解多維線性方程組,就可以得到用元素干重表示礦物干重的方法,即

M=C-1·E

(7)

式中,C-1為系數(shù)矩陣的逆矩陣。

元素在常見(jiàn)礦物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。圖3是大慶油田泥頁(yè)巖B井的系數(shù)矩陣法解釋結(jié)果與巖性掃描解釋結(jié)果和巖心分析結(jié)果對(duì)比圖。圖3(a)第1道為斯倫貝謝公司解釋礦物組分,第2道為系數(shù)矩陣法解釋的礦物組分,第3道為深度道,從第4道開(kāi)始分別為伊利石組分、綠泥石組分、石英組分、鉀長(zhǎng)石組分、鈉長(zhǎng)石組分、方解石組分、白云石組分和黃鐵礦組分,其中,帶LS標(biāo)識(shí)是巖性掃描測(cè)井解釋結(jié)果;帶JS標(biāo)識(shí)是系數(shù)矩陣解釋結(jié)果。由礦物組分可知,該層段巖性變化范圍小,礦物組分穩(wěn)定,系數(shù)矩陣解釋礦物組分與巖性掃描解釋結(jié)果一致性好。

根據(jù)該井取心實(shí)驗(yàn)分析可知,目的層段礦物主要由黏土(伊利石為主)、石英、長(zhǎng)石、方解石、白云石、黃鐵礦組成,與巖性掃描資料礦物種類存在差異。根據(jù)巖心分析所得礦物類型,重組系數(shù)矩陣。圖3(b)為利用系數(shù)矩陣計(jì)算所得礦物組分?jǐn)?shù)據(jù),第1道為深度道,第2道為黏土含量,第3道為石英含量,第4道為長(zhǎng)石含量,第5道為方解石含量,第6道為白云石含量,第7道為黃鐵礦含量;其中,帶JS標(biāo)識(shí)是系數(shù)矩陣解釋結(jié)果;紅色圓點(diǎn)為巖心分析結(jié)果。由圖3(b)可知,采用系數(shù)矩陣計(jì)算的礦物含量,與巖心分析結(jié)果吻合較好,表明系數(shù)矩陣計(jì)算方法可以根據(jù)地區(qū)礦物類型獲得礦物含量。

3.3 地層總有機(jī)碳的計(jì)算方法

大慶油田在青一段發(fā)育源儲(chǔ)一體的泥頁(yè)巖油藏,油藏的烴源巖生烴能力是進(jìn)行綜合地質(zhì)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。目前,巖性掃描是能夠直接測(cè)量總有機(jī)碳的測(cè)井儀器之一,這與其他通過(guò)回歸計(jì)算總有機(jī)碳的方法相比是質(zhì)的飛躍,為烴源巖評(píng)價(jià)提供更加準(zhǔn)確、合理的參數(shù)。

巖性掃描測(cè)井資料中,非彈譜測(cè)量的總碳含量,是由礦物中總無(wú)機(jī)碳含量和非骨架總有機(jī)碳組成。其中總無(wú)機(jī)碳為方解石、白云石、菱鐵礦和鐵白云石礦物中的碳組分,從總碳含量中去除總無(wú)機(jī)碳含量,就得到了地層總有機(jī)碳含量[10],即

TIC=0.12WC+0.13WD+0.104WS+0.116WA

(8)

TOC=TAC-TIC

(9)

式中,TIC為總無(wú)機(jī)碳含量;TOC為總有機(jī)碳含量;TAC為總碳含量;WC為方解石干重;WD為白云石干重;WS為菱鐵礦干重;WA鐵白云石干重。

圖4是大慶油田泥頁(yè)巖油藏C井的巖性掃描測(cè)井資料。有機(jī)碳含量道中綠色實(shí)線為式(9)處理結(jié)果,紅色實(shí)線為巖性掃描解釋結(jié)果,藍(lán)色圓點(diǎn)為巖心分析結(jié)果。巖性掃描解釋結(jié)果與巖心分析結(jié)果吻合較好,表明巖性掃描測(cè)井可信度高。圖4中2 434～2 439 m井段內(nèi),常規(guī)曲線顯示自然伽馬值、電阻率值和補(bǔ)償中子值大,補(bǔ)償密度值和補(bǔ)償聲波時(shí)差值低,具有油頁(yè)巖特征;同時(shí)巖性掃描測(cè)井總有機(jī)碳干重高,說(shuō)明地層富含干酪根或烴類等有機(jī)質(zhì),與常規(guī)曲線相輔相成,更準(zhǔn)確地識(shí)別油頁(yè)巖儲(chǔ)層。式(9)處理結(jié)果與巖性掃描測(cè)井解釋結(jié)果和巖心分析結(jié)果吻合均較好,說(shuō)明式(9)處理的總有機(jī)碳含量精度較高,可以滿足生產(chǎn)需要。

圖4 C井總有機(jī)碳含量與巖心分析結(jié)果對(duì)比圖

圖5 D井計(jì)算骨架密度值和其計(jì)算的總孔隙度與巖心分析結(jié)果對(duì)比圖

3.4 巖石骨架密度計(jì)算方法

復(fù)雜多變的火成巖與變質(zhì)巖礦物成分導(dǎo)致了地層巖石骨架參數(shù)難以確定,傳統(tǒng)的巖石體積模型和多礦物模型孔隙度計(jì)算方法在巖性復(fù)雜、含氣火山巖儲(chǔ)層存在局限性?；趲r石骨架參數(shù)是巖石的化學(xué)成分和原子排列的函數(shù)的理論,對(duì)研究區(qū)的巖心進(jìn)行了礦物和化學(xué)成分MINCAP(Mineralogy and Chemical Analysis Project)分析,建立了利用元素俘獲能譜測(cè)井資料直接計(jì)算火山巖巖石測(cè)井密度骨架曲線的關(guān)系式[11]

ρma=3.1475-1.1003WSi-0.9834WCa-

2.4385WNa-2.4082WK+1.4245WFe-11.31WTi

(10)

φT=(ρma-ρ)/(ρma-ρf)

(11)

式中,ρma為巖石骨架密度,g/cm3;ρf為地層水密度,g/cm3;WSi為硅元素干重;WCa為鈣元素干重;WNa為鈉元素干重;WK為鉀元素干重;WFe為鐵元素干重;WTi為鈦元素干重。

圖5(a)是大慶探區(qū)基底1口D井的骨架密度值對(duì)比圖。巖心資料結(jié)果顯示該井巖性是由火山巖變質(zhì)形成的變質(zhì)巖,分別為酸性火山變質(zhì)巖(紅色虛線所圍區(qū)域)、中基性火山變質(zhì)巖(綠色虛線所圍區(qū)域)和基性火山變質(zhì)巖(藍(lán)色實(shí)線所圍區(qū)域),由圖5(a)可看出,式(10)計(jì)算巖石骨架結(jié)果與巖心分析結(jié)果一致性較好,平均絕對(duì)誤差為0.033 g/cm3,平均相對(duì)誤差為1.19%。圖5(b)是利用變骨架方法和常規(guī)固定骨架方法測(cè)井解釋孔隙度與巖心分析孔隙度對(duì)比圖。紅色圓點(diǎn)為利用式(10)和式(11)解釋的孔隙度,藍(lán)色方塊是中基性火山變質(zhì)巖固定骨架密度計(jì)算的孔隙度,綠色菱形是酸性火山變質(zhì)巖固定骨架密度計(jì)算的孔隙度,黑色十字是基性火山變質(zhì)巖固定骨架密度計(jì)算的孔隙度。由圖5(b)可以看出,利用變骨架密度值計(jì)算孔隙度的方法比固定骨架密度值計(jì)算孔隙度的常規(guī)方法在精度上有了明顯改善。由此可見(jiàn),與常規(guī)固定骨架計(jì)算孔隙度方法比較,變骨架密度值法可以更準(zhǔn)確地確定地層的孔隙度值。

3.5 含油飽和度計(jì)算方法

儲(chǔ)層飽和度的評(píng)價(jià)大都基于測(cè)井電阻率和孔隙度,當(dāng)電阻率受巖性、物性及其他因素影響時(shí),利用常規(guī)測(cè)井方法計(jì)算的飽和度會(huì)存在較大誤差。巖性掃描測(cè)井得到地層總有機(jī)碳含量。式(12)的飽和度計(jì)算方法與地層電阻率、地層水礦化度無(wú)關(guān),在非常規(guī)儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)過(guò)程中應(yīng)用效果較好。飽和度計(jì)算公式為[12]

Shc=TOC×ρma×(1-φT)/ρhc×Xhc×φT

(12)

式中,Shc為含油氣飽和度,小數(shù);TOC為巖性掃描測(cè)得總有機(jī)碳,kg/kg;ρma為巖石骨架密度,g/cm3;φT為總孔隙度,m3/m3;ρhc為油氣密度,g/cm3;Xhc為油氣中的碳含量,kg/kg。

圖6為大慶探區(qū)非常規(guī)探井E利用有機(jī)碳含量求得的含油飽和度。圖6中紅色實(shí)線是LS有機(jī)碳含量計(jì)算的含油飽和度,黑色圓點(diǎn)為巖心分析含油飽和度。由圖6可見(jiàn),利用LS有機(jī)碳計(jì)算的含油飽和度與巖心分析的含油飽和度對(duì)應(yīng)較好,可以指示地層的含油性變化,這為疑難油氣水層判別流體性質(zhì)提供了新的途徑。

圖6 E井有機(jī)碳計(jì)算含油飽和度與核磁共振含油飽和度對(duì)比

4 結(jié)論

(1)針對(duì)大慶油田非常規(guī)儲(chǔ)層與復(fù)雜巖性儲(chǔ)層,以巖性掃描測(cè)井相對(duì)產(chǎn)額為基礎(chǔ),依托巖心分析數(shù)據(jù),形成了一套巖性掃描資料處理解釋方法,并實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)層參數(shù)定量計(jì)算方法。

(2)本文方法測(cè)井解釋結(jié)果與斯倫貝謝公司巖性掃描測(cè)井提供的解釋成果具有很好的一致性,與巖心分析結(jié)果對(duì)比,誤差較小,具有較高精度,可以滿足生產(chǎn)需求。