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>