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        X射線熒光元素錄井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中的應用

        2023-12-04 13:28:02譚偉雄闞留杰李文元
        天津科技 2023年11期
        關鍵詞:沉積環(huán)境錄井巖性

        譚偉雄,闞留杰,李文元,張 磊

        (中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300452)

        0 引 言

        2007 年,經(jīng)過朱根慶等[1]的深入研究,在國內(nèi)開發(fā)出了元素錄井方法和石油鉆井元素錄井儀器,并成功應用于鉆井現(xiàn)場巖屑錄井。2008 年,李一超等[2]報道了元素錄井技術(shù)的原理、工藝流程、解釋方法及應用前景。X射線熒光元素錄井技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展,在錄井儀器、解釋方法、研究范圍及應用領域等方面均取得了長足進步,在巖性識別與地層劃分、沉積環(huán)境與沉積相判別、物性參數(shù)計算與儲層評價、關鍵“地質(zhì)層位”卡層及地質(zhì)工程應用等方面得到了廣泛應用。

        本文分析X射線熒光元素錄井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)領域應用的情況,針對技術(shù)應用存在的問題,提出技術(shù)發(fā)展建議。探討技術(shù)應用研究進展有助于錄井行業(yè)從業(yè)人員與科研工作者了解技術(shù)應用變化趨勢,對深化技術(shù)應用研究范圍及領域具有一定意義。

        1 技術(shù)原理及性能指標

        由于需要把混合的X射線按波長或能量分開,分別測量不同波長或能量的X射線的強度,元素錄井儀有波長色散型和能量色散型2 種基本類型(圖1)。

        圖1 元素錄井儀技術(shù)原理圖Fig.1 Technical schematic diagram of X-ray fluorescence element logging instrument

        常用的元素錄井儀器主要性能指標如下。

        分析元素范圍:鈉(Na)~鈾(U);探測器分辨率為133 eV;分析范圍為0.000 1%~99.9%;測量時間<10~120 s;重復性誤差<0.1%;穩(wěn)定性誤差<0.01%。

        可進行固態(tài)樣片及液體樣品檢測。采用元素光譜分析方法,檢測巖屑樣品中元素的絕對含量,分析巖樣中Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、V、Ni、Sr、Zr 共17 種元素的質(zhì)量百分數(shù)含量。

        使用能量色散型X射線熒光元素分析儀對巖石樣品進行元素分析時,可對化學元素周期表內(nèi)11 號Na 元素到92 號U 元素之間的所有元素進行檢測;能夠測量各元素質(zhì)量百分數(shù)含量。最低檢測限(按元素周期序號),從Na到U依次為:Na~Mg≤3%,Al~Ca≤1%,Sc~Cd≤0.01%,In~U≤1%。

        2 技術(shù)應用及效果

        2.1 巖性識別與地層劃分

        隨著計算機技術(shù)快速發(fā)展,基于數(shù)據(jù)挖掘的分類算法深入應用,元素錄井資料巖性解釋逐步由定性解釋向定量解釋發(fā)展。元素錄井數(shù)據(jù)能夠準確反映地層沉積環(huán)境及地層巖性變化,在主要造巖元素方面判斷造巖礦物定量組成信息,在沉積環(huán)境與沉積相判別等方面進行應用探索。

        2.1.1 巖性識別與巖性解釋

        在元素錄井技術(shù)可行性實驗階段,巖性識別方法主要有圖譜法、圖版法、曲線法和定量解釋方法,根據(jù)Si、Fe、Ti、Ca等特征元素,定性解釋砂泥巖、碳酸鹽巖,識別煤層、膏巖層等[3]。在技術(shù)穩(wěn)定應用階段,元素錄井技術(shù)成為解決變質(zhì)巖、火成巖等復雜巖性識別難題的一種新手段[4]。通過巖石元素特征分析、圖版交會分析,基于MgO、SiO2、TiO2、CaO、Na2O含量特征參數(shù)等,區(qū)分不同類型巖性,建立巖性類型區(qū)分圖版[4]。利用巖漿巖的堿度(Na2O+K2O的含量)與酸度(SiO2含量)分析元素錄井信息與巖石化學成分關系,結(jié)合巖石學、地球化學的巖石解釋方法,建立巖性解釋圖版[5]。

        基于數(shù)據(jù)挖掘的分類算法,提高元素錄井數(shù)據(jù)集劃分及分類規(guī)則的準確性?;谙嚓P矩陣和熵值計算結(jié)果進行特征元素組合及選擇,建立火山巖的解釋圖版[7]?;赑CA 降維、Relief 算法、支持向量等數(shù)學方法進行巖石元素和礦物數(shù)據(jù)處理,以提高特征元素分類模型的準確性[8]。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型、Fisher判別準則,實現(xiàn)巖性的定量化解釋和命名,從而提高巖性識別準確度[9]。元素錄井技術(shù)已逐步發(fā)展成為特殊巖性識別、巖性精細解釋的重要技術(shù)手段。

        2.1.2 地層劃分與對比

        地層分層與沉積環(huán)境密切相關,在不同沉積環(huán)境中,由于元素的遷移、聚集,形成了不同類型的巖石。根據(jù)特征元素含量數(shù)值及其派生指數(shù)指示水體深淺、氣候條件、風化程度、特殊沉積相等地質(zhì)信息,歸納總結(jié)特征元素數(shù)據(jù)在沉積環(huán)境和沉積相中的指示作用[10](表1)。

        表1 元素數(shù)據(jù)在沉積相中的指示作用Tab.1 Indication of X-ray fluorescence element logging data in sedimentary facies

        根據(jù)元素特征識別沉積環(huán)境有助于在鉆井取心卡層地層對比、地層“標志層”準確識別、地質(zhì)工程“甜點”識別等方面發(fā)揮重要作用。基于元素錄井歸一化數(shù)據(jù),構(gòu)建表征碳酸鹽巖淋濾程度的淋濾指數(shù)計算模型;建立區(qū)域碳酸鹽巖淋濾程度的劃分標準,從而在錄井階段實現(xiàn)縱向上對碳酸鹽巖淋濾程度的表征(圖2)。

        圖2 元素錄井劃分碳酸鹽巖淋濾程度效果圖Fig.2 Effect diagram of element logging for dividing carbonate rock leaching degree

        2.2 物性參數(shù)計算與儲層評價

        基于元素錄井參數(shù),評價儲層主要應用在砂巖、泥頁巖和頁巖儲層,根據(jù)元素與巖石組分、物性特征、力學性質(zhì)之間的關系,建立孔隙度、密度、脆性、巖石力學參數(shù)評價模型,用于指導物性評價、可壓性評價和儲層改造選層。

        基于元素錄井數(shù)據(jù)獲得的巖石近似相對分子質(zhì)量和巖石密度測量結(jié)果,建立砂巖巖石孔隙度計算模型,實現(xiàn)鄂爾多斯盆地大牛地氣田儲層物性的快速評價[11];基于元素錄井測得巖樣礦物含量,參考礦物和流體標準密度值求取巖樣的密度[12];通過引入多元自適應回歸樣條的原理,建立利用元素錄井數(shù)據(jù)計算頁巖密度的模型[13];基于巖石力學參數(shù)(楊氏模量、泊松比等)、礦物組分(石英、白云石、鈣質(zhì)礦物等)、元素組分(Ca、Mg、Si、K等),構(gòu)建頁巖脆性指數(shù),將其作為評價工程“甜點”的重要指標[14]。

        在花崗巖類潛山優(yōu)質(zhì)儲層識別上,變質(zhì)巖中長英質(zhì)含量較高的片麻巖類、變質(zhì)花崗巖、混合巖、碎裂巖和碎斑巖是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的“優(yōu)勢巖石”類型,認為巖石中暗色礦物含量與儲集層發(fā)育程度關系密切[15]。元素及元素組合能夠快速地識別暗色礦物含量,定性地判斷變質(zhì)巖類儲層特征。

        2.3 關鍵“地質(zhì)層位”卡層及地質(zhì)工程應用

        錄井資料在鉆井工程中的應用得到快速發(fā)展,特別是與地層巖性信息密切相關的潛山界面卡層[16]、潛山風化殼識別[17]、水平井地質(zhì)導向[18]、膏鹽層底卡層及鉆井“中完”深度確定[19]等應用(圖3)。

        圖3 元素錄井變質(zhì)花崗巖潛山卡層效果圖Fig.3 Effect diagram of element logging for determination of metamorphic granite buried hill

        基于元素錄井進行精細巖性識別和地層精細對比,對地層中與被求取參數(shù)相關性高的元素或元素組合,以及反映地層、沉積環(huán)境變化的標志性元素或元素組合,利用敏感元素和特征元素的變化規(guī)律,預測待鉆地層特征。在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、地層可鉆性評價、鉆井提速研究、“中完”原則確定、潛山界面卡層等方面,為鉆井工程施工進行評價和預警[20](圖3)。

        在壓前地質(zhì)評價和壓裂設計選層等方面,通過直接或間接的方法,利用元素錄井、測井資料計算工程參數(shù),包括楊氏模量、泊松比、孔隙壓力、脆性指數(shù),為壓裂工程設計、施工進行評價和優(yōu)化。

        3 發(fā)展與建議

        ①元素錄井技術(shù)在巖性識別與地層劃分、沉積環(huán)境與沉積相判別、儲層物性參數(shù)評價方面均取得了較好的應用效果,建議加強對地層元素—巖石組分—巖性定量化解釋方法和流程的綜合研究。

        ②加強基于元素錄井敏感參數(shù)和特征參數(shù)對礦物的計算方法研究,尤其是對頁巖、泥頁巖黏土礦物、脆性礦物的計算方法進行研究,以及拓展元素錄井技術(shù)在鉆井工程領域和儲集層改造領域的應用。

        ③錄井解釋需要在高質(zhì)量數(shù)據(jù)處理、科學的解釋流程和配套的解釋軟硬件建設等方面取得進一步突破,建議開展錄井技術(shù)綜合研究,建立地層巖性、物性、流體、產(chǎn)能、地質(zhì)工程應用一體化評價方法和流程,形成錄井智能解釋應用平臺?!?/p>

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