魏國, 張審琴, 侯淞譯

(1.斯倫貝謝中國公司, 北京 100015; 2.中國石油青海油田勘探事業(yè)部, 甘肅 敦煌 736200;3.中國石油煤層氣有限責任公司, 北京 100028)

0 引 言

20世紀末推出的元素俘獲譜測井在頁巖氣勘探和評價中起到了重要的作用,但也存在一些局限。能譜測量對認識復雜油氣藏巖石和非常規(guī)油氣區(qū)塊評價至關(guān)重要。井下能譜測井儀器在20世紀80年代便被研制出并進行應用。近期研發(fā)的巖性掃描(LithoScanner)高分辨率能譜測井所獲得元素和礦物的精度及準確性超過了以前所有儀器,其主要改進在于可測量的元素更多,包括了對碳元素的精確測量,可直接評價總有機碳含量。2013年該儀器進入中國油田服務市場。本文在介紹巖性掃描測井儀器的基礎上,分析了它在青海油田的應用嘗試,給出了初步的應用結(jié)論。

1 巖性掃描測井技術(shù)

巖性掃描測井的測量信號是地層中由中子誘發(fā)不同元素產(chǎn)生的伽馬射線,通過解譜、氧閉合技術(shù)得到干骨架元素重量分數(shù),在此基礎上利用最優(yōu)化程序通過從元素含量得到地層中礦物的含量,實現(xiàn)復雜礦物成分和巖性的準確評價。

巖性測井掃描儀采用了脈沖中子源提供高強度、高能量可控的快中子,實現(xiàn)了非彈性散射和俘獲伽馬譜的測量。同一種元素其非彈性散射伽馬譜與俘獲伽馬譜不同。巖性掃描用俘獲伽馬射線確定的元素主要包括鋁、鈣、鐵、釓、鉀、硫、硅和鈦,同時還包括鋇、氯、氫、鎂、錳、鈉、銅和鎳,非彈性散射伽馬譜確定的元素包括碳、鎂。方解石和白云石的主要區(qū)別在于后者含鎂,通過對鎂的測量可實現(xiàn)方解石和白云石的區(qū)分。精確測量碳元素對確定總有機碳的含量水平起到了重要作用。到目前為止巖性掃描是唯一能夠直接測量總有機碳的測井儀器,這與其他通過不同測井曲線,利用已建立的回歸公式計算總有機碳的方法相比是質(zhì)的飛躍。

巖性掃描測井數(shù)據(jù)的處理解釋流程如圖1所示。第1步是現(xiàn)場采集俘獲與非彈性散射伽馬譜。第2步剝譜,通過剝譜得到元素的相對產(chǎn)額。剝譜通過標準譜擬合實測譜實現(xiàn),標準譜是利用巖性掃描測井儀在實驗室根據(jù)元素已知的模擬地層中采集得到的伽馬譜推導出來的。第3步是把元素的相對產(chǎn)額轉(zhuǎn)換為元素的絕對重量百分比,這一步是利用氧閉合技術(shù)實現(xiàn)的,這與前一代的元素俘獲測井(ECS)類似,不同之處在于巖性掃描需要同時進行俘獲元素產(chǎn)額和非彈元素產(chǎn)額的氧閉合處理。最后一步是解釋過程,在已有元素含量的基礎上,根據(jù)元素的含量選取不同的礦物,利用最優(yōu)化處理技術(shù)得到地層的礦物成分及總有機碳含量。

圖1 巖性掃描測井處理流程示意圖

2 巖性掃描測井儀

巖性掃描測井儀的測量探頭部分[1]見圖3,其外徑為11.43 cm,比前一代能譜儀器ECS小,該儀器的耐溫為175 ℃,耐壓為138 MPa。測量部分包含了一個利用氘-氚(D-T)反應的脈沖中子發(fā)生器(PNG),發(fā)射的中子能量為14 MeV。中子與地層作用產(chǎn)生伽馬射線被閃爍晶體管探測器記錄。采用鎢金屬作為屏蔽可減少中子和伽馬射線直接從中子源到達探測器。脈沖中子發(fā)生器使得準確區(qū)分俘獲反應和非彈性中子反應成為可能。為了測量非彈性散射反應,中子發(fā)生器必須快開快關(guān),從而發(fā)射高能中子脈沖。為提高測量精度,脈沖中子發(fā)射必須具有明確、可重復的時間譜形狀,即每次發(fā)射的中子產(chǎn)額持續(xù)穩(wěn)定并相同。包括ECS儀器在內(nèi)的大多數(shù)能譜儀器都能夠從非彈性散射反應中探測伽馬射線,但不能精確測定元素的產(chǎn)額。有些井下儀器能夠獲取定性的非彈性散射數(shù)據(jù),但是沒有針對非彈性散射反應的硬件和測量方法就無法進行定量測量。

巖性掃描測井儀的探測器采用的是摻鈰激活的溴化鑭晶體,其與高溫光電倍增管相耦合(見圖2)。溴化鑭晶體較快的衰減速度令其具有了高計數(shù)率,且在高溫下仍能保持光輸出量的穩(wěn)定和極好的能量分辨率。該晶體管的光輸出量比基準閃爍晶體——碘化鈉晶體高50%。在室溫條件下,該晶體的發(fā)光效率比BGO晶體高1個數(shù)量級。溴化鑭閃爍探測器在探測和伽馬射線計數(shù)率方面取得了重大進步,因此其與高中子產(chǎn)額的PNG結(jié)合,大大改善了能譜測井[2]。

圖2 巖性掃描測量探頭部分示意圖

圖3 A井巖性掃描結(jié)果與巖心(XRD)分析結(jié)果對比圖

3 巖性掃描測井應用

青海油田ZHQ區(qū)塊目的層為淺湖與半深湖相沉積,古水體鹽度很高,普遍發(fā)育薄層的灘、壩砂體及少量的重力流沉積。受沉積環(huán)境和物源的控制,目的層礦物成分包括石英、鉀長石、鈉長石、方解石、白云石、硬石膏和伊利石等,巖性比較復雜,常規(guī)測井曲線識別巖性存在很大困難。其中A井是該區(qū)塊第1口采集巖性掃描測井資料的井,該井在目的層進行了長井段的取心及系統(tǒng)的分析化驗。圖3為A井巖性掃描測井得到的礦物成分與X射線衍射(XRD)分析結(jié)果對比圖。自左邊分別為巖性道(其中包括了伊利石、石英、鉀長石、鈉長石、方解石、白云石、硬石膏、黃鐵礦DryWeight_QE為優(yōu)化得到的干重,w/w)、深度道、石英含量對比、方解石含量對比、鈉長石含量對比、鉀長石含量對比、白云石含量對比、黏土含量對比、石膏含量對比,其中帶LS表示是巖性掃描測井結(jié)果,全巖代表是巖心分析的結(jié)果,單位kg/kg代表是重量百分比。從圖3中看到巖性掃描測井得到的主要礦物成分石英、長石、碳酸鹽巖及黏土含量都與巖心分析結(jié)果有較好的一致性,一方面看到該區(qū)塊地層巖性確實非常復雜,同時表明巖性掃描測井的結(jié)果可信度較高。后續(xù)該區(qū)塊又采集了5口井的巖性掃描測井數(shù)據(jù)。

圖4是區(qū)塊內(nèi)B井的巖性掃描與核磁共振測井成果圖。中部的砂體厚度為2 m,幾乎不含黏土,碳酸鹽巖含量也比較低,核磁共振測井顯示有效孔隙度為8%,可動流體孔隙度為6%～7%,長T2譜發(fā)育,表明以大孔隙為主。測試產(chǎn)油接近40 m3/d。圖4也看到砂巖頂部的灰?guī)r段孔隙度小于3%,幾乎無可動流體,從較純的砂巖段向上隨碳酸鹽巖含量增加,物性逐漸變差。

圖4 B井巖性掃描與核磁共振成果圖

圖5 A井的TOC評價成果圖

除了進行巖性的精細評價外,巖性掃描另一優(yōu)勢在于可以評價烴源巖的總有機碳(TOC)含量。其原理是測量得到總碳含量,包括了無機碳和有機碳2部分,其中無機碳主要來自方解石、白云石、鐵、白云石等,這些礦物中含碳重量比都是已知的,總碳含量減掉無機碳含量剩下的就是有機碳含量,需要說明的是這里的總有機碳含量包括了油氣、瀝青等中的碳。

圖5是區(qū)塊內(nèi)A井的總有機碳含量評價成果圖。圖5中最右邊1道中的綠色線為巖性掃描測井得到的有機碳,紅色的桿狀線是巖心分析結(jié)果,二者的一致性較好,可以看到,該井烴源巖段的總有機碳含量多在1%以下,但巖性掃描測井仍然得到了較為可信的結(jié)果。結(jié)合電成像測井劃分的沉積微相(右數(shù)第2道)分析認為該區(qū)塊內(nèi)好的烴源巖為半深湖-深湖相沉積的泥巖。在巖性掃描得到的巖性剖面上看到其含有較高的碳酸鹽巖,并且具有相對高的鈾含量。濱淺湖相的泥巖有機碳含量低,是較差的烴源巖,在巖性掃描測井得到的巖性剖面上表現(xiàn)為碳酸鹽巖含量相對低。

4 結(jié)論與建議

(1) 巖性掃描測井儀通過采用脈沖中子發(fā)生器、溴化鑭晶體探測器實現(xiàn)了俘獲伽馬譜、非彈性散射伽馬譜測量。由于其可以解譜得到地層中常見的絕大多數(shù)元素,從而實現(xiàn)了復雜礦物成分的巖性評價及烴源巖總有機碳含量的評價。

(2) 青海油田ZHQ區(qū)塊內(nèi)巖性掃描測井的處理結(jié)果得到了巖心分析結(jié)果的驗證,展示了巖性掃描測井在非常規(guī)復雜巖性儲層評價的優(yōu)勢。區(qū)塊內(nèi)好的儲層為黏土、碳酸鹽巖含量都較低的砂巖,儲層的物性隨黏土、碳酸鹽巖含量的增加而急劇變差。半深湖-深湖沉積的富含碳酸鹽巖的泥巖是區(qū)內(nèi)好的烴源巖,濱淺湖相的泥巖有機碳含量較低,是比較差的烴源巖。

(3) 巖性掃描測井儀作為新一代的伽馬能譜測井儀,在中國剛剛開始試驗性應用,目前主要集中在以沉積巖為主的非常規(guī)儲層中,后續(xù)隨著在火山巖、變質(zhì)巖儲層中的采集,其應用將近一步拓寬,同時也將遇到較多的問題,比如火成巖中輝石等特殊礦物的評價將給測井解釋帶來難題。

參考文獻:

[1] Radtke R J, Maria Lorente, Bob Adolph. A New Capture and Inelastic SpectroScopy Tool Take Geochemical Logging to the Next Level [C]∥SPWLA 53rd Annual Logging Symposium, 2012(7): 16-20.

[2] Manuel Abound, Bob Badry, Jim Grau, et al. 高分辨率能譜測井-識別復雜礦物 [J]. 油田新技術(shù), 2014, 春季刊: 34-50.