張 禎

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

地層元素測(cè)井(ECS)的前身是次生伽馬能譜測(cè)井(GST)，它是將儀器記錄的非彈性散射和俘獲伽馬能譜的剝譜分析結(jié)果，同實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)譜作對(duì)比得到地層元素的組成，并利用氧化物閉合模型以及聚類分析等分析技術(shù)確定地層中礦物的類型及含量，最終對(duì)地層進(jìn)行評(píng)價(jià)的測(cè)井方法。

目前此類方法可以提供的原始數(shù)據(jù)是硅、鋁、鈣、鐵、鎂、釓等地層元素的含量，其綜合解釋結(jié)果可以提供地層巖性剖面。

1 地層元素測(cè)井的工作原理及儀器特征

1.1 地層元素測(cè)井的工作原理

在地下鉆孔作業(yè)的環(huán)境中，中子源發(fā)射的4MeV中子進(jìn)入周圍的地層，在1～2 μs內(nèi)，這些快速運(yùn)動(dòng)的中子與周圍地層中元素的原子核通過較強(qiáng)的吸引力發(fā)生相互作用，以彈性和非彈性的方式進(jìn)行散射，直到最終失去能量。這一過程具體分為如下兩個(gè)階段:(1)非彈性散射伽馬能譜階段:周圍地層中元素的原子核由于和快中子發(fā)生相互作用而變成了激發(fā)態(tài)的復(fù)核，之后通過發(fā)射一條或多條γ射線回到基態(tài)，在這個(gè)過程中發(fā)射的γ射線被稱為非彈性散射γ射線。不同的原子核發(fā)生非彈性散射時(shí)具有不同的反應(yīng)截面面積，放出的伽馬射線能量也存在不同，在地層中與快中子發(fā)生非彈性散射的主要有C、O、Si、Ca及Fe等元素的原子核。(2)熱中子俘獲伽馬能譜階段:快中子經(jīng)過一系列的速度放緩以及能量降低，最終變?yōu)闊嶂凶?，并被周圍地層中元素的原子核所捕獲，同時(shí)發(fā)射一條或多條γ射線。此時(shí)發(fā)射的γ射線稱為熱中子俘獲γ射線。不同原子核具有不同的能級(jí)，因而各種原子核放出的γ射線能量也不相同。在地層元素測(cè)井中主要由 H、Cl、Si、Ca、Fe、S、Ti、Cr及 K 等元素的原子核與熱中子發(fā)生俘獲作用產(chǎn)生俘獲γ射線[1]。

1.2 地層元素測(cè)井儀器

地層元素測(cè)井儀器主要中子源和BGO晶體探測(cè)器組成(見圖1)。該儀器可以測(cè)量足夠多的元素種類從而對(duì)地層進(jìn)行巖性識(shí)別。其中中子源發(fā)出能量為4MeV的快中子與地層中元素的原子核發(fā)生非彈性反應(yīng)，同時(shí)放射出一條或多條伽馬射線，經(jīng)過能量的衰減，快中子減速形成熱中子，熱中子被俘獲產(chǎn)生俘獲伽馬射線。BGO晶體探測(cè)器則可以探測(cè)并記錄這些非彈性散射伽馬能譜和俘獲伽馬能譜。地層元素測(cè)井儀器的優(yōu)點(diǎn)是可以和多種測(cè)井儀聯(lián)合測(cè)量，并且不受井眼和泥漿類型的影響[2－3]。

圖1 地層元素測(cè)井儀

2 地層元素測(cè)井的歷史沿革及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1)地層元素測(cè)井研究的早期主要以識(shí)別礦物和巖性為主(尤其是識(shí)別沉積巖)，其中比較有代表性的研究者為斯倫貝謝和貝克休斯公司。

(1)以Herron為代表的斯倫貝謝道爾實(shí)驗(yàn)室，其主張用從元素－礦物－巖性的方法來判斷沉積巖的巖性。

Herron等(1983)發(fā)現(xiàn)元素與礦物的傳遞式。他用因子分析統(tǒng)計(jì)的方法分析巖心數(shù)據(jù)，建立元素與礦物數(shù)據(jù)之間的定量關(guān)系。即元素含量與礦物豐度的矩陣關(guān)系:

[E]=[C]·[M]式中:E為元素重量百分含量列矩陣，M為礦物重量百分含量列矩陣，C為系數(shù)方陣。Herron比較了礦物含量的計(jì)算值和測(cè)量值，發(fā)現(xiàn)兩種方法所得結(jié)果一致，從而確定了元素與礦物之間的傳遞公式[4]。

Herron(1986)對(duì)委內(nèi)瑞拉東北部的重油砂巖巖心和地球化學(xué)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了因子分析，分析表明用4種因子可以解釋86%的地層礦物成份，其中高嶺石和伊利石兩種因子可以解釋與泥巖有關(guān)的大部分礦物成份，高嶺石因子與Al、Th、U以及地殼內(nèi)的稀有元素Dy、Eu、La和Sm有關(guān);伊利石因子則與 Cr、Fe、K、Mg、Na和 V有關(guān)。重礦物因子則與抗剝蝕的元素Hf和Ti有關(guān)，某種程度上又與Dy、Mn和U有關(guān)。第4種因子稱為長石因子，它主要與元素Ba和K有關(guān)。其研究結(jié)果還表明，石英與兩種粘土因子成逆相關(guān)關(guān)系即石英含量與粘土礦物含量成逆相關(guān)關(guān)系[5]。

1988年，Herron(1988)根據(jù)測(cè)井得到的元素?cái)?shù)據(jù)，利用SiO2/Al2O3、Fe2O3/K2O及Ca的含量等三個(gè)參數(shù)來劃分砂泥巖[6]。兩年后，Herron(1990)對(duì)Pettijohn等作的圖版進(jìn)行了修改，用log(Fe2O3/K2O)代替了 log(Na2O/K2O)作為y軸。因?yàn)镕e2O3(全鐵)/K2O的值能夠更好地區(qū)分出長石砂巖，同時(shí)，其也是礦物穩(wěn)定性的一個(gè)度量。第三個(gè)軸的投影為全鈣，可以作為碳酸鹽巖含量的度量。Herron所作的新圖版的優(yōu)點(diǎn)是可以區(qū)分頁巖、砂巖(長石砂巖)和碳酸鹽巖[7]。

Herron等(1996)建立礦物組合(石英+長石 +云母、總粘土、方解石+白云石)與元素及元素氧化物含量的關(guān)系(經(jīng)驗(yàn)公式)[8]:

A粘土含量 1=1.67(100－SiO2－CaCO3－MgCO3－1.99Fe)(長石、云母含量較少)

B 粘土含量2= －20.8+3.1(100－SiO2－CaCO3－Mg-CO3－1.99Fe)(長石、云母含量較多)

C 方解石 +白云石 = －7.5+2.69(Ca+1.455Mg)

D碎屑(石英+長石+云母)含量=100－粘土含量－碳酸鹽巖含量

Herron(2002)對(duì)所測(cè)元素通過SpectroLith模型轉(zhuǎn)化為礦物模型(QFM(長石 +石英 +云母)，Carbonate(總碳酸鹽巖)，Clay(總粘土))[9](見圖 2)。

圖2 斯倫貝謝公司巖性識(shí)別圖版(據(jù) herron，2002，修改)

(2)地層元素測(cè)井研究的另外一個(gè)代表是貝克休斯公司，其主張用從元素－氧化物－巖性的方法來判斷沉積巖的巖性。

R.Pemper(2006)認(rèn)為根據(jù)地層的化學(xué)組成，可以將沉積巖分為5大類，即砂巖、泥巖、煤層、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖。這些大類可以進(jìn)一步分為更具體的亞類。例如可以利用鈣和鎂的含量將碳酸鹽巖細(xì)分為灰?guī)r和白云巖。對(duì)巖石進(jìn)行分類時(shí)，可以采用貝克休斯公司的元素氧化物的三元交會(huì)圖模板(見圖3)。

對(duì)基本的巖性(砂巖、泥巖、煤層、碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖)進(jìn)行分類時(shí)，可以采用CaO、MgO和SiO2在內(nèi)的三元交會(huì)圖模板。另外，還可以利用CaO、S和Fe2O3的三元交會(huì)圖模板。如果需要還可以用C元素來識(shí)別煤層。

對(duì)巖石的大類進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分時(shí)，例如，將砂巖細(xì)分為石英砂巖、長石砂巖、巖屑砂巖、含泥砂巖、含石灰石英砂巖、含石灰長石砂巖、含石灰?guī)r屑砂巖和含石灰泥質(zhì)砂巖等時(shí)，參與這一步分類的三元交會(huì)圖模板一般包括以下幾組:(K2O，F(xiàn)e2O3，SiO2)、(K2O，MgO，SiO2)和 (Fe2O3，S，CaO)[10]。

圖3 貝克休斯公司巖性識(shí)別圖版(據(jù) R.Pemper，2006，修改)

2)在國外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)學(xué)者將地層元素測(cè)井與常規(guī)測(cè)井、錄井等方面的資料相結(jié)合，解決了更多的地質(zhì)問題，例如識(shí)別火山巖的巖性、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層、判斷油水層以及分析沉積環(huán)境等。

(1)識(shí)別火山巖的巖性。程華國(2005)的研究表明，依據(jù)從地層元素測(cè)井中得到的Ti元素和Fe元素的含量，綜合常規(guī)測(cè)井和錄井資料，可以區(qū)分沉積巖和個(gè)別的火山巖(粗面巖、玄武巖)[11]。

王擁軍(2006)在火山巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中運(yùn)用了地層元素測(cè)井方面的資料，其根據(jù)火山巖中元素賦存的氧化物(SiO2、Al2O3、Na2O+K2O、Fe2O3等)從基性巖到酸性巖中含量的變化來識(shí)別火山巖巖性，其解釋結(jié)果與硅堿法劃分結(jié)果完全一致。同時(shí)，將地層元素測(cè)井同常規(guī)測(cè)井相結(jié)合(如Si和GR結(jié)合、Fe和DEN結(jié)合)也可用來識(shí)別火山巖的巖性[12]。

鄭建東(2006)針對(duì)徐深氣田深層火山巖的巖性識(shí)別難的特點(diǎn)，將地層元素測(cè)井與電成像、核磁等常規(guī)測(cè)井資料相結(jié)合，應(yīng)用TAS圖、圖像模式、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等3種方法將組分與結(jié)構(gòu)結(jié)合起來識(shí)別巖性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該區(qū)火山巖的巖性的識(shí)別，并且為火山巖儲(chǔ)層精細(xì)測(cè)井評(píng)價(jià)打下了牢固的基礎(chǔ)[13]。王穎(2007)、王鄭庫(2007)、韓琳(2009)、莊東志(2012)也使用類似的方法對(duì)火山巖巖性進(jìn)行識(shí)別[14－17]。

王飛(2008)在常規(guī)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用地層元素測(cè)井方法、元素交會(huì)圖法和ECS測(cè)井主成分分析法等方法，建立起了一套火山巖巖性識(shí)別方法。最后對(duì)松遼盆地徐深地區(qū)的待判井段進(jìn)行了檢驗(yàn)，取得了很好的結(jié)果[18]。

陳嶸(2009)通過運(yùn)用常規(guī)測(cè)井和地層元素測(cè)井對(duì)新疆三塘湖盆地油氣區(qū)發(fā)育的火成巖進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)利用地層元素測(cè)井測(cè)量得到元素作出的交會(huì)圖能夠較好的識(shí)別火成巖，其中Si－Al與Si－Fe交會(huì)圖對(duì)研究區(qū)的凝灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖、安山巖等四種巖性能夠進(jìn)行較好的識(shí)別，但是用來區(qū)分沉積巖和火成巖的效果卻不明顯[19]。

(2)確定粘土含量及類型。粘土的體積最早是用傳統(tǒng)的密度－電阻率法以及中子測(cè)井法來估算的。有時(shí)根據(jù)γ射線測(cè)井估算的粘土含量與巖心分析的數(shù)據(jù)一致。但當(dāng)粘土中含有大量的K、U和T h等非粘土成分時(shí)，粘土的估量會(huì)超過30% ～50%。地層元素測(cè)井直接測(cè)量地層中 Fe、Al、Si、Ca、K等元素的含量，則可以克服巖石骨架和流體的影響，使誤差變小[20－21]。

李高仁(2007)對(duì)鄂爾多斯盆地的高自然伽馬砂巖儲(chǔ)層進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)僅用自然伽馬測(cè)井資料難以對(duì)其中的泥質(zhì)含量進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。作者在分析了這類儲(chǔ)層的特征和礦物成份的基礎(chǔ)上，利用地層元素測(cè)井結(jié)合常規(guī)測(cè)井、中子－密度交會(huì)法和Geoframe平臺(tái)綜合反演等方法，準(zhǔn)確的識(shí)別了高自然伽馬儲(chǔ)層并求取其中的泥質(zhì)含量[20]。

(3)評(píng)價(jià)儲(chǔ)層。焦大慶(1994)將地層元素測(cè)井應(yīng)用在中原油田的儲(chǔ)層評(píng)價(jià)中，他發(fā)現(xiàn)與常規(guī)測(cè)井方法相比，地層元素測(cè)井能夠更準(zhǔn)確的獲得連續(xù)的物性參數(shù)、區(qū)別沉積體系和劃分沉積相帶、推斷成巖演化和確定孔隙類型、了解膠結(jié)成分對(duì)儲(chǔ)層的改造等，這些資料為儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)提供了更準(zhǔn)確的參考依據(jù)[23]。

袁祖貴(2004)認(rèn)為如果遇到放射性較大的地層，其對(duì)應(yīng)的自然γ值非常高，不能準(zhǔn)確的反映地層泥質(zhì)含量的高低，因此儲(chǔ)層的判別變得非常困難。而地層元素測(cè)井的處理結(jié)果則可以清晰地指示出泥質(zhì)含量的高低，所以地層元素測(cè)井可以清楚地把儲(chǔ)層與非儲(chǔ)層區(qū)別開來，并能對(duì)儲(chǔ)層中元素含量進(jìn)行測(cè)量，這是其他的測(cè)井方法所不能及的[24]。

(4)判斷油水層。袁祖貴(2004)認(rèn)為地層元素測(cè)井測(cè)量和記錄的是非彈性散射和俘獲時(shí)產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，用非彈性散射進(jìn)行的碳氧比測(cè)井就能有效的判識(shí)油水層[25]。同時(shí)他發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層含油后，H和C含量增高，而 Al、Cr和 Ti含量則有所降低，所以通過地層元素測(cè)井測(cè)得的已有元素就可以分析油水層的變化情況[24]。

(5)分析沉積環(huán)境。地層元素測(cè)井提供了地層中的常量元素、微量元素和稀土元素，而元素的區(qū)域分布是各種地質(zhì)作用和地球化學(xué)作用綜合作用的結(jié)果，同時(shí)也是各種作用集中的表現(xiàn)，所以不同地質(zhì)時(shí)期的沉積巖中一些元素豐度以及組合特征的變化能夠反映出當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的變化情況，這為利用地層元素測(cè)井研究沉積環(huán)境提供了充分的參考依據(jù)。袁祖貴(2005)對(duì)我國東部某油田王莊地區(qū)的4口井的地層元素測(cè)井資料進(jìn)行分析，所分析的沉積環(huán)境與區(qū)域地質(zhì)分析的沉積環(huán)境有非常好的一致性[26－27]。

3 結(jié)語

在地層元素測(cè)井研究的早期，研究者是以識(shí)別礦物和巖性為主，尤其是以識(shí)別沉積巖為主。后來，在早期研究的基礎(chǔ)上，研究者將地層元素測(cè)井與常規(guī)測(cè)井、錄井等方面的資料相結(jié)合，從識(shí)別火山巖的巖性、評(píng)價(jià)儲(chǔ)層、判斷油水層以及分析沉積環(huán)境等方面解決了更多的地質(zhì)問題。

盡管現(xiàn)階段在地層元素測(cè)井的資料處理及解釋方面還是存在不足，相信隨著研究的不斷深入及其在生產(chǎn)實(shí)踐中的不斷推廣，地層元素測(cè)井方法將成為解決巖性分析、地層評(píng)價(jià)等問題更為有利的工具，在油氣藏的勘探和開發(fā)過程中也將成為其它方法不能替代的角色。

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