龔勁松，楊鳴宇，王 靜，徐 晨

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

識(shí)別地層巖性并計(jì)算礦物含量是用測(cè)井資料進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。對(duì)常規(guī)砂巖儲(chǔ)層而言，利用自然伽馬或自然電位曲線就可以對(duì)儲(chǔ)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(yè)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(cè)井資料進(jìn)行巖性評(píng)價(jià)的難度越來(lái)越大。針對(duì)復(fù)雜巖性及非常規(guī)油氣藏巖性評(píng)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(cè)井技術(shù)（Elemental Capture Spectroscopy)，通過(guò)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(cè)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(píng)價(jià)開(kāi)辟了一條新的道路。

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

1 ECS元素測(cè)井技術(shù)簡(jiǎn)介

ECS地層元素測(cè)井儀由Am-Be中子源、BGO晶體探測(cè)器、光電倍增管、高壓放大電子線路等部分構(gòu)成。測(cè)井過(guò)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(cè)器可以探測(cè)并記錄這些俘獲伽馬能譜。

對(duì)測(cè)量的累計(jì)伽馬射線譜進(jìn)行分析稱(chēng)做剝譜，剝譜通過(guò)設(shè)不同的能量窗口進(jìn)行處理，將測(cè)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(duì)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(cè)量比較困難且代價(jià)很高，通過(guò)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(guò)Si、Ca、Fe等元素來(lái)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(duì)于元素Gd的測(cè)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(duì)含量轉(zhuǎn)換成元素絕對(duì)含量是通過(guò)氧閉合技術(shù)，氧閉合技術(shù)所用的模型是經(jīng)過(guò)巖心分析和測(cè)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(duì)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(cè)井技術(shù)在煤層氣儲(chǔ)層評(píng)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(wú)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(gè)多相的孔隙—裂隙系統(tǒng)，通常稱(chēng)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(chǔ)層特征和工程力學(xué)特征也就不同。煤巖在常規(guī)測(cè)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(cè)井曲線也可較好地進(jìn)行煤層劃分，但常規(guī)測(cè)井曲線在計(jì)算煤巖組分含量時(shí)存在較大困難，而ECS測(cè)井技術(shù)在煤的工業(yè)分析計(jì)算等煤儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中具有獨(dú)特的作用。

2.1 巖性識(shí)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(cè)井通過(guò)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(cè)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(cè)井成果圖Fig.2 ECS logging results of well Yan*

由圖2可見(jiàn)，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(cè)井的高密度異?，F(xiàn)象，同時(shí)有效指示了較弱的水動(dòng)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)嵱梅治觯褐兴?、灰分、揮發(fā)分的測(cè)定及固定碳的計(jì)算。進(jìn)行煤層氣儲(chǔ)層評(píng)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(guò)硅、鐵、鋁等元素含量計(jì)算灰分含量，然后通過(guò)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(guò)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(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，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(duì)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(duì)比見(jiàn)表1。

圖3 延*井煤層灰分與固定碳、揮發(fā)分、水分交會(huì)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(cè)試、ECS計(jì)算工業(yè)分析對(duì)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(guò)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(duì)測(cè)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(cè)井只能通過(guò)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(cè)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(chǔ)層孔隙度值。

圖4 延*井ECS測(cè)井成果圖Fig.4 ECS logging results of well Yan*

2.4 其它應(yīng)用

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

3 ECS測(cè)井技術(shù)在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

頁(yè)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(yè)狀或薄片狀層理、容易破碎的一類(lèi)沉積巖[6]。頁(yè)巖在自然界分布廣泛，其類(lèi)型眾多，有黑色頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖、鐵質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖。礦物成分復(fù)雜，碎屑礦物包括石英、長(zhǎng)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(yè)巖差異明顯。頁(yè)巖在常規(guī)測(cè)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(cè)井曲線可以較好的對(duì)頁(yè)巖層進(jìn)行劃分，但常規(guī)測(cè)井曲線在計(jì)算頁(yè)巖復(fù)雜的礦物含量方面困難較大，對(duì)此，ECS測(cè)井技術(shù)在頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)中有著獨(dú)特的作用。

3.1 巖性識(shí)別及劃分

圖5為黃*井ECS測(cè)井成果圖。由圖5可見(jiàn)，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(cè)井呈相對(duì)高值，常規(guī)測(cè)井解釋為泥巖，ECS測(cè)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(cè)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(yè)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(cè)井成果圖Fig.5 ECS logging results of well Huang*

頁(yè)巖類(lèi)型多、礦物成分復(fù)雜多樣，僅依靠常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算礦物含量存在較大的困難，ECS測(cè)井技術(shù)通過(guò)鈣元素作為指示元素計(jì)算碳酸鹽巖含量，通過(guò)硫、鈣作為指示元素計(jì)算蒸發(fā)巖含量，通過(guò)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(yè)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(duì)比情況見(jiàn)圖6。

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

由圖6可見(jiàn)，通過(guò)ECS計(jì)算頁(yè)巖礦物含量與實(shí)驗(yàn)分析礦物含量對(duì)比誤差較小，反映ECS測(cè)井解釋頁(yè)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(yè)巖在內(nèi)的地層巖石骨架參數(shù)對(duì)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(guò)測(cè)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(chǔ)層孔隙度。

圖7 湘*井ECS測(cè)井評(píng)價(jià)成果圖Fig.7 ECS logging evaluation design sketch of well Xiang*

3.4 其它應(yīng)用

ECS測(cè)井資料在頁(yè)巖氣儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中還有著多方面的應(yīng)用，例如通過(guò)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(cè)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(cè)井提供的礦物含量類(lèi)型還能夠很好地估算地層的滲透率。此外，ECS測(cè)井還能夠?yàn)楹笃诠こ淌┕?、?chǔ)層損害評(píng)價(jià)等提供參考資料。

4 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

從自然伽馬能譜測(cè)井以剝譜方式得到地層鉀、鈾、釷含量開(kāi)創(chuàng)元素測(cè)井的先河以來(lái)，元素測(cè)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(cè)井技術(shù)的推出，為煤巖、頁(yè)巖等非常規(guī)儲(chǔ)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(duì)比、儲(chǔ)層壓裂設(shè)計(jì)及損害評(píng)價(jià)等方面提供了重要的資料；但ECS測(cè)井儀器存在探測(cè)器耐溫性能差、采集地層信息較為單一且僅對(duì)部分俘獲譜進(jìn)行解譜的問(wèn)題，對(duì)煤巖、頁(yè)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。

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