隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準噶爾盆地的研究與應(yīng)用

張小虎 李秀彬 馬樹明 張媛媛 苑傳江 常 華

(中國石油西部鉆探錄井工程公司(地質(zhì)研究院))

0 引 言

隨著當(dāng)代科技水平的發(fā)展，核技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。在核物理研究、放射醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等各種技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常要求進行伽馬射線強度和能量的測量，便攜式伽馬能譜儀已成為常規(guī)能譜分析設(shè)備的主流類型之一[1]。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新型錄井技術(shù)。該技術(shù)采用隨鉆伽馬能譜錄井儀對鉆井產(chǎn)生的巖屑進行分析，能夠測出的數(shù)據(jù)包括隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無鈾伽馬值，以及鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)含量，不僅可以緊跟鉆頭分析自然伽馬值，輔助錄井地層卡取，還可以根據(jù)地層中黏土礦物對元素Th、K的吸附性進行泥質(zhì)含量評價，根據(jù)地層中有機質(zhì)對元素U的吸附性進行生油巖評價。

在油田勘探開發(fā)領(lǐng)域，自然伽馬測井作為行業(yè)標準，數(shù)據(jù)可靠性高，但由于自然伽馬測井作業(yè)過程需要通井等工序，會造成時效性相對較差，且成本偏高。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)最大的優(yōu)勢在于隨鉆進行測量，可及時并準確地解釋地層巖性變化，實現(xiàn)地層精準卡取。同時，對儲層、裂縫進行識別用于區(qū)分泥巖的黏土類型并確定其含量，藉此可解釋巖性，研究沉積環(huán)境、生油層，尋找儲層等[2]。近兩年來，準噶爾盆地的油氣鉆探開發(fā)開始采用隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)，在鉆井現(xiàn)場嘗試應(yīng)用該技術(shù)對地層中的礦物成分、有機物的類型以及含量進行分析，從而進一步確定地層的巖性剖面、評價沉積環(huán)境及生油巖。

1 隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)依托隨鉆伽馬能譜錄井儀對鉆井產(chǎn)生的巖屑進行分析，采集巖屑樣品產(chǎn)生的伽馬射線能量值，因為巖屑樣品包含著對應(yīng)地層的各種信息，可代表地層中巖石產(chǎn)生的伽馬射線能量值，所以依據(jù)地層產(chǎn)生的伽馬射線能量值特征，可用于沉積環(huán)境判別、泥巖生油能力評價、巖性識別、地層卡取等。

隨鉆伽馬錄井技術(shù)的研究與應(yīng)用主要依托于隨鉆伽馬能譜錄井儀的穩(wěn)定性、標準化樣品預(yù)處理及規(guī)范的設(shè)備操作規(guī)程。具體的原理及操作分析包括以下3個方面。

1.1 設(shè)備原理

隨鉆伽馬能譜錄井儀采用壁厚100 mm的鉛室，用來屏蔽外界自然界其他射線的干擾，使測量數(shù)據(jù)只反映所測樣品的真實數(shù)值。采集數(shù)據(jù)包括自然產(chǎn)生的伽馬射線總能量值，并且根據(jù)不同放射性元素伽馬射線能量差異性(一般U的能量范圍為1.62～2.0 MeV，K的能量范圍為1.30～1.60 MeV，Th的能量范圍為2.45～2.90 MeV)區(qū)分U、K、Th，然后再根據(jù)各元素伽馬射線能量計算出各元素的含量。

應(yīng)用隨鉆伽馬能譜錄井儀測出隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無鈾伽馬值，以及U、Th、K值，其中：

隨鉆伽馬能譜總伽馬值為樣品產(chǎn)生的伽馬射線總的輻射強度(單位:API)，該值與常規(guī)測井中自然伽馬值具較大的相似性，都表示地層中放射性物質(zhì)總的伽馬射線輻射強度。

無鈾伽馬值為伽馬能譜伽馬值與元素U產(chǎn)生的伽馬射線輻射強度之差(單位:API)，表示地層中去除元素U影響的伽馬射線輻射強度。

鈾、釷、鉀含量分別代表樣品中放射性元素U、Th、K的含量，其中U、Th的單位為μg/g，K的含量為質(zhì)量的百分含量，單位為%。

1.2 樣本要求

隨鉆采集的巖屑樣品烘干后去除掉塊，對于鉆井過程中需要添加的固體鉆井液材料以及堵漏材料也要盡量去除，只保留地層真實巖屑，將樣品破碎、磨細至粒徑大小不大于0.16 mm，取樣重量要求為500.0 g(精確至0.1 g)。

1.3 樣品分析

將制好的待測樣品放入樣盒，旋緊蓋子密封，防止粉塵污染鉛室，然后將樣品放入鉛室進行分析。對于隨鉆伽馬能譜錄井儀分析時間的設(shè)定，理論上分析時間越久所采集的自然伽馬值越接近樣品實際值；實際應(yīng)用中，對于巖屑樣品在分析時間達到15 min后，采集的自然伽馬值已經(jīng)趨于穩(wěn)定，即可停止分析，并認為該時間所測量的隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無鈾伽馬值，以及U、Th、K含量是地層中各參數(shù)的真實數(shù)值。

2 在油田勘探開發(fā)中的應(yīng)用研究

在油田勘探開發(fā)中，對于地層卡取、儲層評價應(yīng)用較多的是自然伽馬測井，但由于自然伽馬測井技術(shù)在超深井存在信號較弱，在無法精確測量或完井不進行測井作業(yè)的情況下，隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)可以有效解決以上難題，可對中完或完井地層的精確卡取提供可靠依據(jù)。同時，通過U、Th、K的測量可以對儲層特征進行深入的研究。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準噶爾盆地應(yīng)用效果較好，其隨鉆伽馬能譜總伽馬值與自然伽馬測井的總伽馬值趨勢一致。通過5口井共112個樣本點進行驗證，其中泥巖樣本點54個，砂巖樣本點36個，砂礫巖樣本點22個，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的相關(guān)性極高(r2=0.813)，可靠性強(圖1)。

圖1 隨鉆伽馬能譜總伽馬值與自然伽馬測井總伽馬值交會

目前，隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準噶爾盆地主要應(yīng)用方向集中在以下幾個方面[3]。

2.1 沉積環(huán)境判斷

U值與氧化還原環(huán)境有關(guān)，還原環(huán)境有機質(zhì)含量高、U值高，氧化環(huán)境下Th含量比較高，可用釷鈾比(Th/U)表示氧化還原環(huán)境：當(dāng)Th/U>7時為氧化環(huán)境，陸相沉積；在2～7之間為還原環(huán)境到氧化環(huán)境的過渡階段；Th/U<2時為強還原環(huán)境，海相沉積[4]。

2.2 泥巖生油能力評價

利用U值輔助儲層含油性評價的理論基礎(chǔ)為：石油主要為不飽和烴類的有機質(zhì)組成，不飽和烴類在紫外線照射下具熒光特性，而U值的高低與有機質(zhì)的多少關(guān)系密切，盡管目前尚無有機質(zhì)含量與U值的定量關(guān)系式，但通常有機質(zhì)含量越豐富， U值越高。利用有機質(zhì)對U的吸附性，通常U值越高，代表地層的生油能力越好，一般U值大于10 μg/g時，認為泥巖生油能力較好即有機質(zhì)含量豐富[5]。

2.3 隨鉆巖性識別

隨鉆伽馬能譜錄井儀測量的參數(shù)為U、Th、K三種，利用以上三種元素測量結(jié)果，通過隨鉆伽馬能譜錄井軟件可計算出隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無鈾伽馬值、TOC值。地層中無鈾伽馬的含量與泥質(zhì)含量的關(guān)系比較穩(wěn)定，且不受地層中所含放射性礦物的影響。利用無鈾伽馬值進行泥質(zhì)含量評價的理論基礎(chǔ)為：沉積巖中黏土礦物天然放射性隨泥質(zhì)含量的增加而增強[2]，泥質(zhì)主要由黏土礦物組成，黏土礦物具有不飽和電荷，比表面積大，所以黏土礦物具有較大的吸附性，在沉積過程中會吸附大量的放射性物質(zhì)，從而導(dǎo)致在地層中泥質(zhì)含量增加時放射性含量也增加[6]。但如果利用常規(guī)自然伽馬測井曲線進行泥質(zhì)含量評價，遇到高放射性儲層，往往會被誤認為泥巖地層，而無鈾伽馬值主要受元素Th、K放射性的影響，與泥質(zhì)含量的關(guān)系更為密切，這也是其進行泥質(zhì)含量評價的優(yōu)勢。所以，采用測得的無鈾伽馬值來計算泥質(zhì)含量，輔助后期儲層泥質(zhì)含量評價，其劃分方式如表1所示。

表1 準噶爾盆地巖性與隨鉆伽馬能譜關(guān)系

利用黏土礦物中Th和K含量的差異性，可忽略各自單位計算比值[6]。釷鉀比Th/K>12的是高嶺土型黏土；在3.5～12之間的是伊蒙混層；在2～3.5之間的是伊利石型黏土；在1～2之間的是云母型黏土。

2.4 地層卡取

在利用隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)分析得到的隨鉆伽馬能譜總伽馬值出現(xiàn)異常響應(yīng)時，可對標志層進行地層對比。在準噶爾盆地多個重點風(fēng)險探井實鉆過程中，未進行測井的情況下，通過鄰井同一地層的自然伽馬測井與本井的隨鉆自然伽馬錄井進行橫向?qū)Ρ确治?，識別伽馬標志層特征，可對即將鉆揭地層起到預(yù)警作用，為油氣顯示的準確發(fā)現(xiàn)及巖心卡取等工作提供有力保障。

3 應(yīng)用實例

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準噶爾盆地西北緣環(huán)瑪湖、腹部漠北、南緣高泉等多個區(qū)塊，分層位進行了巖性識別、地層卡取、儲層評價研究，共應(yīng)用8口井，地層卡取成功率100%，巖性識別符合率84.5%。下面以準噶爾盆地的X 87井和XT 1井為例，分別從沉積環(huán)境判斷、泥巖生油能力評價、巖性識別、地層卡取四個方面進行論證。

3.1 X 87井

X 87井是一口評價井，位于準噶爾盆地西部隆起烏夏斷階帶東端，鉆探目的是了解該井西斷塊二疊系風(fēng)城組、夏子街組、烏爾禾組和三疊系、白堊系的含油氣性。

3.1.1 沉積環(huán)境判斷(井段4 404～4 462 m)

利用Th/U值，輔助研究沉積環(huán)境。從表2中的Th/U值可以看出，X 87井研究段Th/U值絕大多數(shù)都在2以下，說明該井段為強還原環(huán)境。

3.1.2 泥巖生油能力評價(井段4 404～4 462 m)

分析X 87井的U值與錄井含油性的關(guān)系，可以輔助儲層含油性評價。從圖2中Th/U值可以看出，熒光顯示段的Th/U值更低，而上下無熒光段的Th/U值相對較高。主要原因為熒光顯示段巖性為泥質(zhì)粉砂巖為主，泥質(zhì)含量較上下無熒光段的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖含量少，Th值低；而同時因為含油性較好，有機質(zhì)相對較多，U值高。

表2 X 87井隨鉆伽馬能譜數(shù)據(jù)

圖2 X 87井隨鉆伽馬能譜錄井圖

依照2.2節(jié)評價井段4 410～4 462 m泥巖生油能力，將熒光巖屑與無熒光巖屑的U值進行Th/U值的分類統(tǒng)計(表3)，可以看出無熒光巖屑的U元素平均值為2.11 μg/g，U值差異性明顯；而熒光巖屑U值明顯升高，最大達到33.91 μg/g，平均值22.92 μg/g。熒光巖屑U值較高，說明該組地層含油性較好。

表3 U值、Th/U值分段數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.1.3 巖性識別

建立X 87井隨鉆伽馬能譜分析Th、K元素含量及無鈾伽馬值與泥質(zhì)含量的關(guān)系，既可以輔助錄井現(xiàn)場進行巖性定名，也可輔助后期儲層泥質(zhì)含量評價。

按巖性分類，并結(jié)合準噶爾盆地數(shù)據(jù)，將Th、K元素含量及無鈾伽馬值進行分類統(tǒng)計，巖性按泥巖-粉砂質(zhì)泥巖-泥質(zhì)粉砂巖，即泥質(zhì)含量逐漸減少的順序，Th、K元素含量及無鈾伽馬值逐漸降低，其中：泥巖Th平均含量3.70 μg/g，K平均含量2.03%，無鈾伽馬值68.81 API，在數(shù)值上與粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖差異明顯；泥質(zhì)粉砂巖Th平均含量2.03 μg/g，K平均含量1.50%，無鈾伽馬值48.38 API，相對于粉砂質(zhì)泥巖Th平均含量2.68 μg/g，K平均含量1.60%，無鈾伽馬值53.68 API，各參數(shù)在數(shù)值上只是略微降低，這應(yīng)該跟泥質(zhì)粉砂巖到粉砂質(zhì)泥巖中泥質(zhì)含量變化幅度小有關(guān)。

3.2 XT 1井地層卡取

XT 1井是一口預(yù)探井，位于準噶爾盆地南緣四棵樹凹陷，目的層位白堊系清水河組底部發(fā)育一套自然伽馬異常高值地層，該地層下部即為主探油層。

利用高伽馬標志層指導(dǎo)地層卡取。X 101井和X 102井是為XT 1井部署的評價井，在X 101井和X 102井錄井過程中，因工程較為復(fù)雜，未進行自然伽馬測井，僅能依靠隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)分析得到隨鉆伽馬能譜總伽馬值，通過與XT 1井自然伽馬測井測出的總伽馬值進行橫向?qū)Ρ?圖3)，準確卡準了該套伽馬高值標志層，對即將鉆揭對應(yīng)XT 1井的主力油層段進行預(yù)警，為油氣顯示發(fā)現(xiàn)及巖心卡取等工作起到了關(guān)鍵作用。利用隨鉆伽馬能譜錄井預(yù)測X 101井清水河組底界為井深6 027 m，X 102井清水河組底界為井深5 868 m。完井后依據(jù)測井分層驗證可知，兩口井的清水河組底界深度與隨鉆伽馬能譜錄井預(yù)測深度一致，驗證了該技術(shù)在兩口井中的有效應(yīng)用。同時，通過試油結(jié)論驗證，X 101井試油日產(chǎn)油18.8 m3，X 102井試油日產(chǎn)油10.5 m3，均獲得工業(yè)油流。

圖3 XT 1井自然伽馬測井與X 101、X 102井隨鉆伽馬能譜橫向?qū)Ρ?/p>

4 結(jié)束語

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)是新型錄井技術(shù)，在沉積環(huán)境分析、評價泥巖生油能力、巖性識別、地層卡取等方面具有較好應(yīng)用效果，通過在準噶爾盆地應(yīng)用情況來看，其具備以下特殊性：

一是通過該技術(shù)，針對U、Th、K含量及隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無鈾伽馬值，總結(jié)出準噶爾盆地巖性識別、沉積環(huán)境判斷及泥巖生油能力評價的相關(guān)成果。

二是數(shù)據(jù)提供具有及時性，因為是隨鉆進行跟蹤分析，對應(yīng)分析數(shù)據(jù)可以緊跟鉆頭，使該技術(shù)具備了隨鉆地層對比、及時地層卡取，在未進行自然伽馬測井的條件下，能夠代替該技術(shù)實現(xiàn)地層劃分及巖性識別。

隨著該技術(shù)在準噶爾盆地的推廣應(yīng)用，將在油氣勘探開發(fā)中進一步發(fā)揮特有的技術(shù)優(yōu)勢。