_用地层元素测井(ECS)资料评价复杂地层岩性变化

第25卷　第3期核电子学与探测技术
V ol .25　No .3
2005年　5月
Nuclear Electro nics&Detectio n Techno log y
M ay 2005
用地层元素测井(ECS )资料评价
复杂地层岩性变化
程华国,袁祖贵
(胜利石油管理局石油工程技术管理处,山东东营257001)
摘要:在石油测井中,地层的岩性判别是评价储层参数的首要条件,地层元素测井(ECS )能测出地
层中Si 、Ca 、Fe 、S 、Ti 、Cl 、Cr 、Gd 等元素的含量,结合地质录井等资料可准确确定储层的岩性。

通过实例分析,正确评价了复杂地层的岩性变化,为石油勘探开发提供了可靠的地质参数。

关键词:地层元素测井(ECS);岩性;测井解释;γ能谱;元素分析
中图分类号:　T E 151 文献标识码:　A 文章编号:　0258-0934(2005)03-0233-06
收稿日期:2004-10-15
作者简介:程华国(1954-),男,安徽安庆人,高级工程师,从事石油工程技术研究工作
随着油气田勘探开发的不断深入,相对简单和整装的油气藏越来越少,非常规储集层如火成岩、变质岩等的研究与评价越来越受到重视,而火成岩、变质岩等复杂储层的岩性识别是石油测井解释中的难题之一。

斯伦贝谢公司在本世纪向中国市场推出了一种新型的测井仪器—地层元素测井(ECS :Elemental Capture Spectro sco py ),并在中国的东北、西北和东部等油田和地区进行了测井,在岩性识别上取得了令人满意的效果。

1　ECS 测井的核物理基础
利用快中子和地层中的原子核发生非弹性碰撞,碰撞的同时会发射非弹性散射γ射线,γ
射线的能量和被碰撞核的核结构有关,它表征了原子核的性质。

同一种原子核在同快中子发生(n,n ′)反应中,所放出的非弹性散射γ射线的能量和数量都是一定的。

对不同的核在(n,n
′)反应中放出的γ射线的能谱分析,可确定在地层中存在哪些原子核,它们的含量是多少。

一个中子只要经过一、二次(n ,n ′)反应后由于能量的降低就不能再发生(n,n ′)反应了,在以后的10-6～10-3s 时间里,中子因和地层发生弹性碰撞(n ,n )而减速,直到转换为热中子为止。

一般中子在地层中经过几μs 便热化了。

热化后的中子一方面通过(n ,n )反应在地层中扩散,另一方面通过俘获反应(n,γ)被地层吸收,同时放出俘获γ射线,测量这些γ射线可以知道有关这些散射γ射线的原子核的信息,从而使我们了解到这些周围物质的元素组成[1]。

地层元素测井(ECS)测量记录非弹性散射与俘获时产生的瞬发γ射线,利用剥谱分析直接得到地层的元素—Si 、Ca 、Fe 、S 、Ti 、Cl 、Cr 、Gd 等元素的含量,通过氧化物闭合模型、聚类因子分析和能谱岩性解释可定量得到地层的矿物含量
[2]
,从而较准确地得到储层骨架的岩性。

2　ECS 采集元素分析
下面对ECS 测井采集的元素进行分析。

Si 是地壳中分布最广的元素之一,Si 主要富集在砂岩、硅质岩等沉积岩中,石英是最主要的造岩矿物,很多热液矿床中均发生硅化,而且已经发现大量石英脉型热液矿床,因此,研究Si 的来源及其与流体成矿活动的关系具有重要意
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义。

由于Cl的地球化学稳定性,故在地下水、热液矿床的成因和元素迁移理论方面,对Cl同位素的研究具有特殊意义。

早在1984年Kaufm ann就已经指出由于Cl是自然界各种水体及卤水沉积物的大含量组分,又是一个十分活跃的水迁移元素及重要的金属沉淀剂[3],因此国内外学者对Cl同位素的分析方法及地球化学行为非常关注,希望用Cl同位素直接探讨卤水的成因、成矿流体及油气运移路径、金属与盐类矿床及油气藏成藏机制。

Cl主要分布于海水中(1.9%),是地球原始时期的产物。

Cl在酸性岩中含量较低,在中性岩、基性岩和超镁铁质岩中的含量差异不大,其质均明显高于酸性岩。

变质岩的情况与火成岩相似,变中、基性岩中的Cl明显高于花岗质片麻岩和酸性变粒岩。

在火山岩中Cl含量(10 -6)明显低于侵入岩,如花岗岩92、流纹岩37、闪长岩170、安山岩46、辉长岩157、玄武岩83,可能由于熔岩喷出地表后部分Cl挥发逸失。

在沉积岩中Cl的分布与其他大多数元素不同,其显著富集于白云岩(194×10-6)和泥云岩(180×10-6)中,石灰岩中亦有较高的含量(95×10-6);而在泥质岩和碎屑岩中贫化(均为52×10-6),碳质泥质岩中含量最低(30×10-6);硅质岩也于此类似,且与热液活动有关的富含金属元素的硅质岩(26×10-6)明显低于燧石岩(95×10-6)[4]。

Cl在土壤中的平均含量(68×10-6),仅稍稍高于砂页岩。

Ti在干旱时随粗颗粒进入水体,故在泥质沉积物中含量高。

潮湿时,则大部分残留原地,相应地搬运到水体中的少,泥质沉积物中含量低。

Ti在碳酸盐增高情况下,会因碎屑物质严重缺乏而使Ti含量大幅度降低。

在岩浆岩中,从酸性岩至基性岩,其含量很有规律地随SiO2含量的降低而增高。

在硅酸盐矿物中以角闪石和黑云母中最高,含Ti可达百分之几[4]。

在风化和沉积作用中Ti富集在残留沉积物中,在泥质岩中Ti含量较高,富铁锰质的沉积岩中含Ti 更高,而在碳酸盐岩中贫化。

Cr是典型的亲地幔的元素,从酸性岩、中性岩、基性岩、角闪石岩、辉石岩至橄榄岩Cr的含量急剧递增,与花岗岩比较,闪长岩增高11.5倍,辉长岩增高28倍,橄榄岩增高364倍,增高的速率超过了所有元素[4]。

风化和沉积作用中Cr比较稳定,在土壤和泥质沉积物中较富集,说明与粘土矿物的关系比较密切。

Cr在富碳和富铝泥质岩中的含量高于一般沉积物,硅质岩中Cr的含量也常常较高。

S在泥岩中主要以Fe S2形式存在,故其含量的多少直接与氧化-还原条件有关。

但在碳酸盐含量较高的泥页岩中,因沉积时的盐度过高,使得部分S以石膏的形式存在[5]。

S在岩石中的分布很不均匀,其丰度值有相当大的不确定度,但可以肯定在花岗质岩石中S是最低的,从酸性岩、中性岩至基性岩呈增高的趋势,辉长岩中含量最高。

S在沉积岩中分布很不均匀,在一些地层中可达千分之几,S的分布受沉积环境的影响较大,在还原环境中常形成硫化物富集,在碳质泥岩中平均S含量达0.25%[4],比一般泥质岩和碎屑岩高一个数量级。

由于热液活动的影响,硅质岩中S的含量达千分之几。

含泥质和有机质的碳酸盐岩中S亦明显富集。

Fe在沉积物中的含量随着沉积物粒度的变细而增加,在泥岩沉积物中它的含量随着碳酸盐物质的富集而减少。

Fe元素与黄铁矿、赤铁矿和菱铁矿有关,由于表征粘土矿物的Al元素与Fe元素有一定的相关性,因而Fe元素参与计算粘土含量[2]。

Gd元素由于俘获截面特别大(49×10-21cm2),备受重视,在已发现的元素中其俘获截面远远大于其他元素的俘获截面。

在核反应中,核弹和核靶是必可少的。

ECS的核弹是Am-Be中子源发生器产生的中子,靶核则是地层中的各种元素。

Gd元素的靶核大,热中子很容易被俘获。

在剥谱过程中由于Gd俘获的中子多使得解谱变得变得简单。

同时,Gd元素在石油工业中的应用越来越受到重视,如石油开采是原采用地层注硼作为示踪剂现改为注Gd作为示踪剂[2]。

Ca主要集中在无机或有机成因的碳酸盐岩石中,白云质岩石中同时富集了Ca和Mg,利用S和Ca可以计算石膏的含量。

虽然ECS没有给出U和Th元素的含量,但在自然γ能谱测井中测U和Th,为了以后的工作方便,对放射性测井的元素中的U和Th 进行了统计和分析。

U与有机质的吸附密切相关,Th主要残留或吸附于粘土矿物种。

在岩浆作用中U、Th主要为四价,由于离子半径大,因
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而倾向于在晚期阶段聚集,从酸性岩、中性岩、基性岩至超镁铁质岩元素的含量递减。

岩浆岩中U、Th的丰度还与时代有关,早期贫化,晚期富集。

在沉积岩中U、Th均富集于泥岩沉积物中,在碳酸盐岩中Th强烈贫化,而U仅为弱贫化。

U强烈富集于碳质泥质岩(平均为7.2×10-6)和硅质岩(平均为5.2×10-6)中,反映了有机质和硅的胶体对铀酰离子明显的吸附作用。

在燧石岩中U的含量为2.7×10-6,Th仅为0.17×10-6,比U的含量低得多,也有力的说明了这一点。

在富Fe(Al)的泥质岩(Fe2O314. 6%)中,U亦有明显富集(平均为5.1×10-6),显示了Fe的氧化物或氢氧化物对U的吸附作用。

表1列出了我国东部地区地层相关元素的含量,其中,Cl、Cr、S、Th、Ti、U、Gd的含量单位为10-6,单位为10-2。

表1　中国东部地层微量元素含量变化[4]
元素Cl Cr S Th Ti U Gd 总陆壳1127625063070 1.3 4.4
沉积岩
碎屑岩51392209.22910 2.1 4.5泥岩5272300144560 3.1 6.2碳酸盐岩1247.5240 1.1320 1.20.88硅质岩32561090 3.41160 5.2 2.5黄河沉积物30060100133600 2.1
火成岩
酸性岩581212014.51770 2.5 4.9中性岩17076200 5.44850 1.2 5.4基性岩162223490 2.878200.7 4.7火山碎屑3010170142280 2.7 5.6变质岩68712108.34050 1.495
注:总陆壳中Si、Ca、Fe的含量依次占28.33%、3.84%、4.58%
3　评价地层各元素含量
储层中岩性的识别取决于地层中各种矿物的含量,而矿物的多少是由组成矿物的各种元素决定的。

泥质岩作为以粘土矿物为主的岩石化学风化残留物的沉积物,除少数易溶元素流失贫化外,许多易于水解沉积的元素、耐风化的细粒副矿物及可以被粘土矿物和胶体吸附的元素均常在泥质岩中富集。

因此泥岩中矿物的种类较多,但各种元素的含量有较大的差异,据鄢明才等人[4]的研究认为,华北地台泥质岩贫Si,富Al。

碳酸盐岩化学组成的一般特征大多数元素强烈贫化。

碳酸盐岩中元素丰度随Si、Al质(泥质)的增加而迅速增加,泥质碳酸盐岩元素含量明显高于碳酸盐岩,而泥灰岩元素含量又明显高于泥质碳酸盐岩。

多数元素含量与泥质沉积物增加的速率成正比,显然泥质成分是碳酸盐岩大多数微量元素的主要来源。

在碳酸盐含量相似情况下,多数元素白云岩比石灰岩的丰度稍低一些,而白云岩中Cl含量则明显高于石灰岩。

一般硅酸盐岩的Th明显大于U,而碳酸盐岩中则U的含量多大于Th,碳酸盐岩的这一重要地球化学特征,与U的易溶性和生物的选择性吸附有关。

表2是我国东部某油田ECS测井各层位Ca 、Cl、Cr、Fe、Gd、Si、S、Ti元素的变化情况,表中Gd的单位是10-6,即μg/g。

其他元素的单位是1,即kg f/kg f。

这些元素含量的变化决定了地层岩性的变化。

4　评价复杂岩性
在很多情况下,自然γ识别泥质的能力有时很差,而ECS除了能很好地识别粘土外[5],还可利用其结果进行井与井之间的对比[1,3,6],这通常比单纯应用自然γ和自然电位效果要好得多,ECS还可以给出地层中准确的碳酸盐岩含量,而这对于了解地层的胶结情况很有帮助,
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表2　我国东部某油田王庄地区地层各元素变化情况
层位井号井段/m Ca
Cl
Cr
Fe
Gd /×10-6
Si S Ti
Nm
Z366280～9310.022440.518280.020060.05749 6.474430.26930.002440.00542Ng
Z366
931～1170.6
0.014410.422850.009010.04825
6.009970.305980.001070.00458T8221002.5～1211.60.024940.403110.046360.02453 5.134630.298780.007720.00526Z417908.5～12250.017430.393030.013680.04537 6.395960.310750.000560.00436Z 420
935～1201.20.030190.352040.037370.0409 6.26970.308270.000990.00422Ed
Z 4171225～1281.20.01940.394360.02030.045357.223240.307910.000860.00415Z 4201201.2～1220
0.01840.378050.015080.04447
6.004930.31150.000110.00433Es 1
Z366
1170.6～1288.30.038910.355660.052730.045118.700560.292950.000640.00476T8221211.6～1371.20.058350.348710.040650.10537 4.851430.276060.006440.00452Z4171281.2～13400.100220.443550.19750.05009 5.222980.197540.001240.00391Z4201220～12890.089240.444330.178380.05032 5.559750.211620.00260.00447Es 3
T822
1371.2～17520.038012.490860.03270.04541 5.020130.323420.004050.00322Z4171340～14500.044580.296530.070230.03568 5.748670.307170.001990.0036Z420
1289～13500.037870.206010.051630.02621 5.002040.343420.00190.00227前震旦系
Z366
1288.3～1333
0.029740.377260.020160.04779
5.98318
0.297160.000110.00464
对于后续的储层改造措施提供依据[7,8]。

图1
是图1　Z366井1210～1221m 层段Ca 元素(第5道)
含量较高,岩性剖面(第1道)含有碳酸盐岩
我国东部某油田的一口井,井段1210～1221m ,地质层位为Es 1段,据邻近区块多年的钻探经验,本层段是不含碳酸盐岩的,而ECS 处理结果表明该层钙质胶结严重,钙的含量高达50%,从常规测井曲线也很难识别和定量计算储层钙质含量。

后来通过地质录井资料证实,该层段确实含有碳酸盐岩。

地质工作者根据测井资料、录井资料和地质实验资料结合物探资料综合分析
得出,沙一时期沉积时,该地区主要在凸起边缘和湖湾地带发育了小型扇三角洲和滨浅湖碳酸盐岩及砂质滩坝体系。

为以后的勘探方向确定的目标。

图2　有ECS 资料与无ECS 资料岩性剖面对比图
图2为某油田的一个实例,图中第1道是深度,第2道和第5道为测井曲线,第3道和第6道为计算的饱和度参数,第4道(有ECS 测井)和最后一道(无ECS 测井)为斯伦贝谢评价储层的ELAN 软件计算解释的岩性剖面,从两个岩性剖面的对比来看,右边无ECS 测井资料的剖面含泥质较重,且岩性较杂;左边有ECS 测井资料的岩性剖面很清楚,上部基本是白云岩,下
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部以石灰岩为主。

特别是在图的下部即3170～3230深度处,无ECS 资料解释的岩性有石灰岩、砂岩、泥岩和其他的岩性,而有ECS 资料的岩性主要为石灰岩和少量的白云岩与微量的砂岩,较为准确地分析了该地层的岩性,如果没有ECS 资料就很难将地层的岩性确定准确。

图3　我国东北某油田一口探井中ECS 测
井岩性谱分析图
图3为我国东北某油田一口探井的岩性谱
分析图,ECS 测井处理解释井段为2606.0～2906.0m ,处理井段主要为火成岩地层。

本井火成岩主要有两种,一种是粗面岩,另外一种是玄武岩,测量段顶部有较少的沉积岩地层。

图4　Ti 元素(横坐标)与Fe 元素(纵坐标)交会图
从ECS 测井图上可以明显看到,地层的铁元素含量和钛元素含量在不同的井段有明显的变化,综合常规测井和录井资料,可以确认其变化是与火成岩岩性变化相对应的(图3)。

通过交会图技术可以更清楚地看到这一点(图4),各岩
性的分布范围非常清楚。

本井地层岩性对Fe 元素和Ti 元素含量的响应有以下特点:沉积岩中Ti 含量低,Fe 含量高;粗面岩中Ti
含
图5　ECS 测井资料与录井资料对比图
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量低,Fe含量低;玄武岩中Ti含量高,Fe含量高。

图5是应用ECS测井划分的地层岩性与录井剖面对比图,两者有较好的一致性,表明在火成岩地层,ECS是可以应用于地层岩性识别的。

因此在本井中,应用ECS测井Fe元素含量和Ti元素含量,综合常规测井资料和录井资料,可以清楚地将地层中的粗面岩(火成岩)、玄武岩和沉积岩区分开。

5　结论
1)ECS测井测量的是非弹性散射与俘获产生的瞬发γ射线,经历了快中子与地层的整个核反应,记录了地层被激活核元素的大部分信息,基本测出了岩石骨架的全部成分,所采集到的地层信息是非常丰富的,是全面评价储层的一种新技术。

2)ECS测井解释结果的Al、Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素为储层研究、组合矿物的含量提供了基础数据。

3)ECS测井解释提供的岩性剖面比常规测井资料提供的岩性剖面更清楚,更直观地反映了地层的变化,为储层的参数计算提供了依据。

4)ECS测井在复杂地层中与地质录井资料相互结合,可以解决其他测井无法解决的问题,诸如粗面岩与玄武岩的识别问题等。

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Evaluation of formation lithology changes using elemental
capture spectroscopy(ECS)logging
GHENG Hua-g uo,YU AN Zu-gui
(Eng ineering a nd Technolog y Dept.,Shengli Petro leum Administr atio n Burea u,
Do ng ying of Shandong Prov.257001,China)
Abstract　In petroleum well log ging,li thology identification is the prerequi si te fo r evaluation of reservoir parameters.Concentrations of Si,Ca,Fe,S,Ti,Cl,Cr and Gd in the f ormation can be determined by using ECS loggi bined wi th g eological mud logging data,fo rmation lithology can be accurately det ermined.Several examples have show n that accurate evaluation of complex formation lithology changes can be achieved,providi ng reliable geological parameters for exploration and dev elopment.
Key words:elemental capture spect roscopy(ECS)log ging;lithology;log interpreta tion;γspectroscopy;elemental analy zing
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