X射線熒光元素錄井技術(shù)在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用

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(yīng)用于鉆井現(xiàn)場巖屑錄井。2008 年，李一超等［2］報(bào)道了元素錄井技術(shù)的原理、工藝流程、解釋方法及應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域等方面均取得了長足進(jìn)步，在巖性識(shí)別與地層劃分、沉積環(huán)境與沉積相判別、物性參數(shù)計(jì)算與儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、關(guān)鍵“地質(zhì)層位”卡層及地質(zhì)工程應(yīng)用等方面得到了廣泛應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用的情況，針對(duì)技術(shù)應(yīng)用存在的問題，提出技術(shù)發(fā)展建議。探討技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)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(yīng)用變化趨勢(shì)，對(duì)深化技術(shù)應(yīng)用研究范圍及領(lǐng)域具有一定意義。

1 技術(shù)原理及性能指標(biāo)

由于需要把混合的X射線按波長或能量分開，分別測(cè)量不同波長或能量的X射線的強(qiáng)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(biāo)如下。

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

可進(jìn)行固態(tài)樣片及液體樣品檢測(cè)。采用元素光譜分析方法，檢測(cè)巖屑樣品中元素的絕對(duì)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?jǐn)?shù)含量。

使用能量色散型X射線熒光元素分析儀對(duì)巖石樣品進(jìn)行元素分析時(shí)，可對(duì)化學(xué)元素周期表內(nèi)11 號(hào)Na 元素到92 號(hào)U 元素之間的所有元素進(jìn)行檢測(cè)；能夠測(cè)量各元素質(zhì)量百分?jǐn)?shù)含量。最低檢測(cè)限（按元素周期序號(hào)），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(yīng)用及效果

2.1 巖性識(shí)別與地層劃分

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，基于數(shù)據(jù)挖掘的分類算法深入應(yīng)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?dāng)?shù)據(jù)能夠準(zhǔn)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(jìn)行應(yīng)用探索。

2.1.1 巖性識(shí)別與巖性解釋

在元素錄井技術(shù)可行性實(shí)驗(yàn)階段，巖性識(shí)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(shí)別煤層、膏巖層等［3］。在技術(shù)穩(wěn)定應(yīng)用階段，元素錄井技術(shù)成為解決變質(zhì)巖、火成巖等復(fù)雜巖性識(shí)別難題的一種新手段［4］。通過巖石元素特征分析、圖版交會(huì)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(xué)成分關(guān)系，結(jié)合巖石學(xué)、地球化學(xué)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?dāng)?shù)據(jù)集劃分及分類規(guī)則的準(zhǔn)確性。基于相關(guān)矩陣和熵值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行特征元素組合及選擇，建立火山巖的解釋圖版［7］。基于PCA 降維、Relief 算法、支持向量等數(shù)學(xué)方法進(jìn)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(zhǔn)確性［8］。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、Fisher判別準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)巖性的定量化解釋和命名，從而提高巖性識(shí)別準(zhǔn)確度［9］。元素錄井技術(shù)已逐步發(fā)展成為特殊巖性識(shí)別、巖性精細(xì)解釋的重要技術(shù)手段。

2.1.2 地層劃分與對(duì)比

地層分層與沉積環(huán)境密切相關(guān)，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(fēng)化程度、特殊沉積相等地質(zhì)信息，歸納總結(jié)特征元素?cái)?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?cái)?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(shí)別沉積環(huán)境有助于在鉆井取心卡層地層對(duì)比、地層“標(biāo)志層”準(zhǔn)確識(shí)別、地質(zhì)工程“甜點(diǎn)”識(shí)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(jì)算模型；建立區(qū)域碳酸鹽巖淋濾程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而在錄井階段實(shí)現(xiàn)縱向上對(duì)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(jì)算與儲(chǔ)層評(píng)價(jià)

基于元素錄井參數(shù)，評(píng)價(jià)儲(chǔ)層主要應(yīng)用在砂巖、泥頁巖和頁巖儲(chǔ)層，根據(jù)元素與巖石組分、物性特征、力學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系，建立孔隙度、密度、脆性、巖石力學(xué)參數(shù)評(píng)價(jià)模型，用于指導(dǎo)物性評(píng)價(jià)、可壓性評(píng)價(jià)和儲(chǔ)層改造選層。

基于元素錄井?dāng)?shù)據(jù)獲得的巖石近似相對(duì)分子質(zhì)量和巖石密度測(cè)量結(jié)果，建立砂巖巖石孔隙度計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)鄂爾多斯盆地大牛地氣田儲(chǔ)層物性的快速評(píng)價(jià)［11］；基于元素錄井測(cè)得巖樣礦物含量，參考礦物和流體標(biāo)準(zhǔn)密度值求取巖樣的密度［12］；通過引入多元自適應(yīng)回歸樣條的原理，建立利用元素錄井?dāng)?shù)據(jù)計(jì)算頁巖密度的模型［13］；基于巖石力學(xué)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(píng)價(jià)工程“甜點(diǎn)”的重要指標(biāo)［14］。

在花崗巖類潛山優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層識(shí)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(chǔ)層發(fā)育的“優(yōu)勢(shì)巖石”類型，認(rèn)為巖石中暗色礦物含量與儲(chǔ)集層發(fā)育程度關(guān)系密切［15］。元素及元素組合能夠快速地識(shí)別暗色礦物含量，定性地判斷變質(zhì)巖類儲(chǔ)層特征。

2.3 關(guān)鍵“地質(zhì)層位”卡層及地質(zhì)工程應(yīng)用

錄井資料在鉆井工程中的應(yīng)用得到快速發(fā)展，特別是與地層巖性信息密切相關(guān)的潛山界面卡層［16］、潛山風(fēng)化殼識(shí)別［17］、水平井地質(zhì)導(dǎo)向［18］、膏鹽層底卡層及鉆井“中完”深度確定［19］等應(yīng)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(jìn)行精細(xì)巖性識(shí)別和地層精細(xì)對(duì)比，對(duì)地層中與被求取參數(shù)相關(guān)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(biāo)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(yù)測(cè)待鉆地層特征。在井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、地層可鉆性評(píng)價(jià)、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(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)警［20］（圖3）。

在壓前地質(zhì)評(píng)價(jià)和壓裂設(shè)計(jì)選層等方面，通過直接或間接的方法，利用元素錄井、測(cè)井資料計(jì)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(shè)計(jì)、施工進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。

3 發(fā)展與建議

①元素錄井技術(shù)在巖性識(shí)別與地層劃分、沉積環(huán)境與沉積相判別、儲(chǔ)層物性參數(shù)評(píng)價(jià)方面均取得了較好的應(yīng)用效果，建議加強(qiáng)對(duì)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(qiáng)基于元素錄井敏感參數(shù)和特征參數(shù)對(duì)礦物的計(jì)算方法研究，尤其是對(duì)頁巖、泥頁巖黏土礦物、脆性礦物的計(jì)算方法進(jìn)行研究，以及拓展元素錄井技術(shù)在鉆井工程領(lǐng)域和儲(chǔ)集層改造領(lǐng)域的應(yīng)用。

③錄井解釋需要在高質(zhì)量數(shù)據(jù)處理、科學(xué)的解釋流程和配套的解釋軟硬件建設(shè)等方面取得進(jìn)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(yīng)用一體化評(píng)價(jià)方法和流程，形成錄井智能解釋應(yīng)用平臺(tái)。■