姜艷玲 陳 亮 韓紅林 蘇 歡 鄭小川 羅 利 胡振平

(中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司， 重慶 400021)

元素測井在頁巖氣解釋評價中的應(yīng)用

姜艷玲 陳 亮 韓紅林 蘇 歡 鄭小川 羅 利 胡振平

(中國石油川慶鉆探工程有限公司測井公司， 重慶 400021)

應(yīng)用元素測井技術(shù)可從巖石成分角度準確識別復雜巖性儲層的礦物組分及含量，解決常規(guī)測井資料難以識別復雜巖性地層礦物成分的問題。通過對元素測井資料處理技術(shù)的深入研究，建立了元素測井氧閉合模型、礦物體積含量計算模型；提出了適用于頁巖氣復雜巖性礦物含量反演的計算方法；開發(fā)了處理軟件，在頁巖氣測井解釋評價中得到有效應(yīng)用。

元素測井； 資料處理； 礦物成分； 氧閉合

頁巖氣藏一般發(fā)育于暗色泥頁巖、高碳泥頁巖及粉砂質(zhì)地層中[1]，它與常規(guī)油氣藏的最大差別是礦物成分非常復雜。巖石礦物的存在將影響到吸附氣含量大小及頁巖氣的開采效果。黏土礦物通常具有較大的比表面積和微孔隙體積，對氣體的吸附能力較強。碳酸鹽礦物和石英碎屑含量增大，會降低巖層對氣體的吸附能力，提高巖石脆性，使頁巖在外力作用下易形成裂縫，擴大游離態(tài)頁巖氣儲集空間[2]。

對于常規(guī)油氣藏，可采用常規(guī)測井資料，應(yīng)用交會技術(shù)或最優(yōu)化技術(shù)確定地層的巖石組分；而對于頁巖氣地層，由于其巖石成分種類太多，如采用常規(guī)測井曲線進行評價，則只能將次要礦物進行合并，計算出種類相對較少的巖石成分。在頁巖氣儲層中，不同礦物的化學性質(zhì)、巖石物理性質(zhì)差別很大，必須準確區(qū)分，否則將無法正確地指導泥漿配置、射孔井段優(yōu)選、壓裂改造，相關(guān)參數(shù)的計算也會受到影響。當前亟待研究一種能準確計算地層各種礦物成分的技術(shù)。

本次研究將對元素測井技術(shù)在頁巖氣解釋評價中的應(yīng)用進行分析。應(yīng)用元素測井技術(shù)，可“直接測量”地層中的主要元素含量，為準確計算地層的礦物成分做好準備。

1 元素測井原理

目前已實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的地層元素測井儀主要有：斯倫貝謝公司于1996年推出的元素俘獲譜測井儀器ECS；哈里伯頓公司于2009年推出的測井儀器GEM；貝克休斯公司于2009年推出的使用可控中子源的地層元素測井儀器FLeX[3]。前兩款測井儀均采用了同位素中子源。

元素測井原理如下：在測井過程中，通過中子源發(fā)射一定能量的快中子，快中子先被靶核吸收形成復核，而后放出一個能量較低的中子，靶核仍處于激發(fā)態(tài)且常常以發(fā)射伽馬射線的方式釋放出激發(fā)能而回到基態(tài)，由此產(chǎn)生的伽馬射線稱為非彈性散射伽馬射線。不同原子核發(fā)生非彈性散射的反應(yīng)截面和放出的伽馬射線能量不同，地層中與快中子發(fā)生非彈性散射的主要有C、O、Si、Ca、Fe等元素的原子核?？熘凶咏?jīng)過一系列的非彈性和彈性散射，能量逐漸降低，減速形成熱中子，熱中子被俘獲產(chǎn)生元素的特征俘獲伽馬射線，元素通過釋放伽馬射線回到初始狀態(tài)。用BGO(鍺酸鉍)晶體探測器可以探測并記錄這些非彈性散射伽馬能譜和俘獲伽馬能譜。利用探測器探測到的非彈性伽馬譜，經(jīng)過解譜處理得到C、O、Si、Ca、Fe等元素的含量；而其中主要的俘獲伽馬譜經(jīng)解譜可以得到Si、Ca、S、Fe、Ti和Gd等元素的含量，應(yīng)用特定的氧化物閉合模型技術(shù)，可得到地層中礦物的含量[4]。

2 元素測井資料處理技術(shù)

元素測井測量的數(shù)據(jù)是原始的能量總譜，用各元素的標準譜做刻度對總譜進行解譜，得到各種元素的相對產(chǎn)額，應(yīng)用氧閉合模型得出地層中各元素的重量含量，最后是由元素到礦物的轉(zhuǎn)換。即將元素的重量含量與常規(guī)測井資料結(jié)合起來構(gòu)建地層組分體積方程，通過尋找最優(yōu)算法最終計算地層中礦物組分的體積含量。

2.1 氧閉合模型

在一個各元素種類確定的地層中，各種元素的氧化物或碳酸鹽的質(zhì)量分數(shù)之和為1，這就是氧閉合歸一化模型的理論基礎(chǔ)[5]。

設(shè)F為隨深度而變化的歸一化因子，yj為j種元素的相對產(chǎn)額，Sj為j種元素的探測靈敏度因子，Wj為j種元素的重量含量，則相對產(chǎn)額與元素含量的關(guān)系為：

歸一化因子F是與待分析地層元素無關(guān)、與測量介質(zhì)總體情況有關(guān)的量；而靈敏度因子Sj是與中子源強度、地層密度無關(guān)而與具體元素和探測器系統(tǒng)有關(guān)的量。

氧閉合模型如下：

在氧閉合模型中，關(guān)鍵是要確定各元素氧化物重量與元素重量的比值Oj、氧閉合因子和相對靈敏度Sj。

2.2 礦物含量體積模型

通過地層礦物的體積模型，將元素測井取得的元素重量轉(zhuǎn)化成地層巖石礦物含量。元素含量與礦物含量之間的定量關(guān)系可經(jīng)過大量巖心的中子活化分析及X衍射分析得出。這種定量分析包括2方面工作：一是通過樣品中子活化分析確定元素含量，然后對樣品進行X衍射分析，確定礦物含量，最后將元素含量和礦物含量、樣品的陽離子交換量等作為變量進行統(tǒng)計因子分析；二是建立模型，對選定的元素和礦物進行多元回歸分析。通過研究得出元素含量與礦物的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式中：Ei——i種元素的含量；

Cij——j種礦物中i種元素的含量；

Mj——j種礦物的含量。

根據(jù)元素測井處理得到的地層化學元素干重資料和體積方程，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)參數(shù)及求解帶約束條件的最優(yōu)解，即可準確計算礦物體積含量。有了準確的礦物含量，即可計算出精確的儲層參數(shù)。

2.3 元素測井計算礦物含量軟件

基于極睿測井解釋平臺，開發(fā)了元素測井計算地層礦物含量軟件。圖1所示為元素測井計算地層礦物含量軟件用戶界面。該軟件具有準確計算地層礦物成分和孔隙度等儲層參數(shù)的功能，可為頁巖氣儲層提供準確的測井評價參數(shù)。軟件采用開放式的設(shè)計模式，便于進行功能擴展。

圖1 元素測井計算地層礦物含量軟件用戶界面

輸入曲線包括各元素(Si、Ca、Mg、Fe、Al、S、Ti、Mn等)的重量含量曲線和常規(guī)測井曲線(自然伽馬、補償聲波、補償中子、補償密度等)；輸出曲線包括伊利石、綠泥石、蒙脫石、石英、長石、方解石、白云巖、黃鐵礦、干酪根、煤、石膏、孔隙度等，可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗選擇輸出礦物種類。

由于采用了最優(yōu)化設(shè)計，因而用戶可根據(jù)各測井曲線的質(zhì)量和重要性設(shè)置曲線權(quán)重，并根據(jù)測井曲線的響應(yīng)特征選擇線性或非線性測井響應(yīng)方程，從而保證計算結(jié)果更加符合地層實際。

3 在頁巖氣評價中的應(yīng)用

3.1 礦物組分的識別及定量計算

四川盆地某頁巖氣藏的沉積環(huán)境為海相沉積。巖心分析結(jié)果表明，礦物成分比較復雜，黏土成分主要為伊利石、綠泥石、蒙脫石，礦物主要為石英、長石、方解石、白云石、黃鐵礦等，所含有機質(zhì)主要為干酪根。用常規(guī)測井資料難以準確計算如此多的礦物成分，宜采用元素測井與常規(guī)測井相結(jié)合的方法。

圖2所示為Ny井頁巖氣測井處理成果圖。Ny井頁巖氣儲層的有機質(zhì)為干酪根，黏土主要為伊利石與少量的綠泥石和蒙脫石，礦物主要為石英、少量的方解石、白云石和長石。優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育于該儲層段底部，測井曲線主要表現(xiàn)為高自然伽馬、低無鈾伽馬、高三孔隙度測井值、較高深淺雙側(cè)向值。有機質(zhì)含量高的井段為2 378 — 2 397 m，其總有機碳含量達到4%左右；而在該儲層2 382 — 2 395 m井段，黏土含量相對較少，脆性物質(zhì)石英、方解石含量相對較高，更有利于進行壓裂改造。

圖2 Ny井頁巖氣測井處理成果圖

應(yīng)用地層元素測井結(jié)合常規(guī)測井，可更準確地計算黏土成分和骨架礦物的含量，為精確計算儲層參數(shù)奠定良好基礎(chǔ)。

3.2 特殊礦物的識別

在頁巖氣地層中，有些礦物即使含量比較少，對常規(guī)測井的影響也很大。如地層中的黃鐵礦，其導電性通常會導致深淺雙側(cè)向電阻率大幅降低，直接影響孔隙流體性質(zhì)的判斷，使得測井計算的飽和度參數(shù)不準確。另外，干酪根的含量是評價頁巖氣儲層的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，其準確性直接影響儲層評價的有效性。應(yīng)用元素測井的S、Fe可以識別出黃鐵礦；利用自然伽馬測井和元素俘獲能譜測井分析U、Th、K等主要放射性元素的豐度，可以定量分析總有機碳含量，通過總有機碳含量計算干酪根含量。

圖3展示了某井低阻頁巖氣儲層的測井特征。 該井頁巖氣儲層段中子和聲波時差增大，密度降低，為典型的頁巖氣儲層，但對應(yīng)井段的電阻率也為低值。元素測井識別顯示，該段頁巖氣層中含有一定的黃鐵礦，低阻為黃鐵礦導電引起。這也被巖心中見到的大量呈結(jié)核分散狀或?qū)訝罘植嫉狞S鐵礦所證實。

圖3 某井低阻頁巖氣儲層的測井特征

4 結(jié) 語

元素測井技術(shù)作為一種可直接測量地層元素的方法，在油氣藏勘探和開發(fā)中具有其他方法不能替代的作用。本次研究通過元素測井氧閉合模型、礦物體積含量計算模型的構(gòu)建方法，討論利用元素測井計算頁巖氣復雜巖性礦物含量的技術(shù)，并開發(fā)了處理軟件，在頁巖氣地層復雜礦物成分的準確計算和特殊礦物的識別方面得到有效應(yīng)用。

[1] 侯頡，鄒長春，楊玉卿.頁巖氣儲層礦物組分測井分析方法[J].工程地球物理學報，2012，9(5):607-609.

[2] 謝小國，楊筱.頁巖氣儲層特征及測井評價方法[J].煤田地質(zhì)與勘探，2013，41(6):27-30.

[3] 楊興琴.地層元素測井技術(shù)：解決復雜儲層巖性識別問題[J].測井技術(shù)，2011，35(3):296.

[4] 劉緒鋼，孫建夢，李召成.新一代元素俘獲譜測井儀(ECS)及其應(yīng)用[J].國外測井技術(shù)，2004，19(1):26-30.

[5] 韓琳.元素俘獲譜測井(ECS)在火成巖巖性識別與儲層評價中的應(yīng)用研究[D].長春：吉林大學，2009:17-20.

Application of Formation Element Logging in the Shale Gas Interpretational Evaluation

JIANGYanlingCHENLiangHANHonglinSUHuanZHENGXiaochuanLUOLiHUZhenping

(Logging Company of Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Chongqing 400021, China)

Elemental logging technology can be applied to accurately identify the mineral composition and content in complex lithology reservoir, compared with conventional logging to identify complex mineral composition. The oxygen closed model and the mineral volume content calculation model are set up through the further research of elements logging data processing technology. Calculation method suitable for shale gas complex lithology inversion of mineral content is also proposed. Processing software is developed, which is widely used in the evaluation of shale gas logging interpretation with good geological effect.

element logging; data processing; mineral composition; oxygen closure

2017-04-17

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)”(2011ZX05018-003)

姜艷玲(1976 — )，女，碩士，高級工程師，研究方向為測井資料解釋。

P631

A

1673-1980(2017)04-0042-05