唐 謝 尹 平 唐家瓊 楊 琳 吳家杰

中國石油川慶鉆探工程公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院

0 引言

元素錄井又被稱為X射線熒光錄井，2007年該方法被引進(jìn)到油氣鉆井地質(zhì)錄井行業(yè)中并成為錄井新技術(shù)。近年來，元素錄井在油氣勘探領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，有效地解決了PDC鉆頭、氣體鉆井等鉆井條件下的錄井瓶頸問題，并且在小層劃分[1-2]、隨鉆評價[3-4]、地質(zhì)導(dǎo)向[5]等方面為鉆井工程提供了有力的支持，保障其快速、安全、高效實(shí)施。

然而，元素錄井在應(yīng)用過程中也存在著一些問題，比如元素錄井測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、數(shù)值橫向可對比性不強(qiáng)等，在一定程度上制約了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。研究結(jié)果表明，影響元素錄井應(yīng)用效果的因素很多[6]，主要表現(xiàn)為兩大類——設(shè)備制造工藝的限制和現(xiàn)場分析條件的制約。這些不利因素直接影響了元素錄井?dāng)?shù)據(jù)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。為此，筆者探討了目前元素錄井應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及其根本原因，并尋求與之相應(yīng)的解決辦法，以期為元素錄井技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用“保駕護(hù)航”。

1 元素錄井應(yīng)用中的問題及原因

元素錄井在四川盆地的應(yīng)用從頁巖氣井開始，逐步延伸到碳酸鹽巖井。在近年來數(shù)百口井的應(yīng)用中，有效解決了粉末巖屑巖性識別、復(fù)雜地層分層卡層、地質(zhì)參數(shù)隨鉆計(jì)算等許多現(xiàn)場地質(zhì)難題，為鉆井工程提供了重要支持。然而，在元素錄井應(yīng)用過程中也出現(xiàn)測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、數(shù)值橫向可對比性不好等問題，嚴(yán)重影響了技術(shù)的應(yīng)用前景，這些問題歸納起來主要表現(xiàn)為設(shè)備制造工藝的限制和現(xiàn)場分析條件的制約，且影響因素均比較復(fù)雜。

元素錄井對鉆井工程的支撐重點(diǎn)在于地層的對比（特別是小層對比），穩(wěn)定、準(zhǔn)確、多樣的元素豐富了地層對比參數(shù)、強(qiáng)化了地層對比依據(jù)，使地質(zhì)認(rèn)識更加可靠。然而，實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，曲線趨勢特征在橫向上可對比的元素非常有限且相對固定。四川盆地SY地區(qū)二疊系地層（厚度、巖性特征穩(wěn)定）元素對比顯示，主量元素Si、Ca、Fe、Al、K及微量元素Sr曲線趨勢特征與地層對應(yīng)性較好，而主量元素Na、Cl、Mn及微量元素V、Ni、Cr、Cd與地層對應(yīng)性差，這使得應(yīng)用中元素的選擇大幅受限，其多樣性優(yōu)勢大打折扣。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前元素錄井儀制造工藝的限制是導(dǎo)致這一問題的主要原因。為了滿足錄井現(xiàn)場的使用要求，元素錄井儀采用了能量色散型并簡化了結(jié)構(gòu)，設(shè)備制材、技術(shù)參數(shù)等方面也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，不僅能量檢測精度有所下降，工藝技術(shù)固有的俄歇效應(yīng)、基體效應(yīng)、譜線干擾等影響因素也未得到有效遏制，導(dǎo)致部分元素測量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性明顯降低。

除了地層對比，元素錄井的另一項(xiàng)重要任務(wù)是地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算。而無論是計(jì)算模型的建立還是應(yīng)用，數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性至關(guān)重要。然而，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，包括曲線趨勢特征在橫向上可對比的元素，數(shù)值的橫向可對比性均不好。這在四川盆地上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣井尤為明顯，同一區(qū)塊相同層段（龍一1亞段—五峰組）地質(zhì)特征相近的井，元素錄井的曲線趨勢特征相似，但測量值差異明顯且穩(wěn)定，嚴(yán)重影響了地質(zhì)參數(shù)計(jì)算模型的建立與應(yīng)用。研究結(jié)果顯示這主要源于現(xiàn)場分析條件對元素錄井的影響：①鉆井現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，振動、噪聲、粉塵等問題嚴(yán)重，設(shè)備的維護(hù)質(zhì)量有所差異；②測量人員操作水平不同，測量結(jié)果中存在一定的人為影響；③儀器應(yīng)用初期四川盆地元素錄井儀供應(yīng)商多樣，不同生產(chǎn)廠商的元素錄井儀在設(shè)備制材、應(yīng)用技術(shù)、參數(shù)選擇、模型算法、操作程序等許多方面都存在較大的差異，導(dǎo)致測量結(jié)果無法統(tǒng)一。

2 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析與處理

2.1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)方法與樣品選取

數(shù)據(jù)穩(wěn)定是數(shù)據(jù)應(yīng)用的前提，重復(fù)性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地檢驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)一使用SYX錄井儀，樣品均用電磁式磨樣機(jī)磨碎，裝入錄井儀的餅狀器皿中壓實(shí)后，對每個樣品重復(fù)測量5次，檢測時間均為儀器要求的60秒，排除分析時間不一致造成的影響。

為了與生產(chǎn)實(shí)際一致，實(shí)驗(yàn)樣品選用了6種典型巖性的巖屑，分別為泥巖、砂巖、煤、碳質(zhì)頁巖、石灰?guī)r、白云巖，樣品巖性相對較純（表1）。

2.2 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)測試

將測量出的12種主量元素[7]硅（Si）、鈣（ Ca）、鐵（Fe）、鋁（ Al）、鈉（ Na）、鎂（ Mg）、鉀（ K）、磷（P）、硫（ S）、氯（ Cl）、錳（ Mn）、鈦（Ti）和6 種微量元素[8]釩（V）、鎳（ Ni）、鍶（Sr）、鋯（ Zr）、鉻（Cr）、鎘（Cd）的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析。對比發(fā)現(xiàn)，各元素重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性不一。整體來看，主量元素穩(wěn)定性普遍較好，僅Na、Cl穩(wěn)定性較差。其中，Na在6種巖性中均較差，而Cl僅在泥巖中略好、在其他巖性中均較差（圖1）。微量元素穩(wěn)定性普遍較差，僅Sr、Zr穩(wěn)定性較好，其他元素不同巖性不同程度存在差異（圖2）。分析認(rèn)為，微量元素的穩(wěn)定性差主要源于元素含量微小，相應(yīng)的熒光能量太低，檢測器檢測精度不足而無法準(zhǔn)確檢測。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

圖1 主量元素重復(fù)性實(shí)驗(yàn)對比圖

圖2 微量元素重復(fù)性實(shí)驗(yàn)對比圖

2.3 元素的分類處理

檢測器檢測精度不足屬于設(shè)備制造工藝的限制，提升檢測器檢測精度且滿足錄井現(xiàn)場需求需要工藝技術(shù)的提升，目前實(shí)現(xiàn)的難度很大。而在未作調(diào)整的情況下，為了不損失數(shù)據(jù)信息，采用了下述分類處理的方式。

1）重點(diǎn)使用穩(wěn)定元素，既可使用曲線，也可一定程度使用數(shù)值。

2）參考使用非穩(wěn)定元素，僅作為指示性參數(shù)使用曲線趨勢。

3 儀器的差異性分析與數(shù)據(jù)處理

在落實(shí)了數(shù)據(jù)穩(wěn)定性后，對數(shù)據(jù)統(tǒng)一性進(jìn)行了分析。分析以元素錄井應(yīng)用井?dāng)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展，對目前四川盆地使用的元素錄井儀（如AN、EDX、SYX、CIT等錄井儀）的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，重點(diǎn)研究不同儀器之間的數(shù)據(jù)差異。

為了統(tǒng)一對比，選擇同一層位（上震旦統(tǒng)燈影組碳酸鹽巖）使用了兩種元素錄井儀測量的M1y井以及在同一層位（五峰組—龍馬溪組頁巖）、地質(zhì)特征相近、并使用過多種元素錄井儀、同時巖心與特殊測井資料豐富的川南地區(qū)頁巖氣井。

3.1 不同儀器測量的差異性

分別在碳酸鹽巖地層和頁巖地層進(jìn)行了對比（元素錄井在四川盆地碎屑巖基本未應(yīng)用）。對比分析發(fā)現(xiàn)，不同類型元素錄井儀的測量值范圍和數(shù)據(jù)分布均存在很大差異。

3.1.1 碳酸鹽巖地層

M1y井燈影組白云巖地層使用了兩種元素錄井儀（EDX和CIT）進(jìn)行測量，兩套數(shù)據(jù)曲線趨勢特征基本一致，數(shù)值有一定差異。其中，井段5 357～5 364 m硅質(zhì)云巖段，EDX錄井儀的Si值介于33%～37%，明顯高于CIT錄井儀測量的Si值20%～24%（圖3），儀器導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異明顯。

圖3 M1y井燈影組碳酸鹽巖地層不同儀器元素錄井對比圖

3.1.2 頁巖地層

目前，頁巖氣井沒有同一口井使用兩種元素錄井儀的情況，但由于目標(biāo)層龍一小層—五峰組厚度較穩(wěn)定（厚度普遍介于20～25 m）、沉積相較穩(wěn)定（深水陸棚亞相）、礦物組成亦較穩(wěn)定（砂質(zhì)含量介于50%～65%、碳酸鹽質(zhì)含量介于7%～17%）。因此，選擇了3口龍一小層—五峰組巖心分析礦物組成基本相當(dāng)（圖4）且分別采用3種元素錄井儀的直井（Y2井采用SYX錄井儀、H2井采用EDX錄井儀、W6井采用AN錄井儀）進(jìn)行了元素錄井?dāng)?shù)據(jù)的對比。

圖4 Y2井—H2井—W6井礦物組成對比圖

對比結(jié)果顯示（圖5），3口井在礦物組成相對穩(wěn)定且基本相當(dāng)?shù)凝堃恍印宸褰M地層的元素測量值差異較大，如Si，SYX錄井儀測量值介于15%～25%，EDX錄井儀測量值介于60%～69%，AN錄井儀測量值介于35%～50%，差異十分明顯，其他元素亦具有相似特征。這明顯為儀器導(dǎo)致的數(shù)據(jù)差異。

綜合不同儀器的數(shù)據(jù)對比分析認(rèn)為，導(dǎo)致不同儀器測量結(jié)果差異明顯的原因主要為儀器類型的差異：①不同類型元素錄井儀的靶材選取存在差異；②不同類型元素錄井儀的光路選擇不完全一樣；③不同類型元素錄井儀的換算方法不同。儀器類型的差異導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯的偏差，這屬于現(xiàn)場分析條件的制約，最簡單有效的解決方法是統(tǒng)一元素錄井儀型號，但這一方法成本偏高且可操作性較低（不同錄井公司采用的儀器差異極大，無法統(tǒng)一）。目前較為可行的方法是進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

3.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理目標(biāo)

要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，首先要明確標(biāo)準(zhǔn)化處理的目標(biāo)。從目前與元素錄井參數(shù)可對比的參數(shù)來看，元素測井參數(shù)是最好的[9]，并且目前四川盆地的元素測井儀器主要為斯倫貝謝ECS元素測井儀，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，并已在四川盆地進(jìn)行了廣泛使用。巖心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)雖然準(zhǔn)確，但與元素相關(guān)的巖心實(shí)驗(yàn)參數(shù)主要是X射線衍射礦物分析，而礦物與元素之間的相關(guān)關(guān)系復(fù)雜，不利于建立標(biāo)準(zhǔn)化處理方法。

圖5 頁巖氣地層不同儀器元素錄井對比圖

目前，ECS元素測井儀只能測量9個元素，分別 是 Al、Ca、Cl、Fe、 釓（Gd）、 氫（ H）、Si、S、Ti，其中Gd、H與元素錄井的測量元素不對應(yīng)，實(shí)際可對應(yīng)的元素只有7個，且均為主量元素。

從L1井元素錄井與元素測井可對應(yīng)的7個元素的曲線對比來看（圖6），穩(wěn)定元素Si、Ca、Fe、Al的可對比性較好，穩(wěn)定元素S、Ti的可對比性差，非穩(wěn)定元素Cl的可對比性亦差。因此Si、Ca、Fe、Al具備標(biāo)準(zhǔn)化處理的基本條件。而對于S、Cl、Ti，從元素測井曲線特征來看，其變化異常，呈毛刺、無值、跳動特征，存在明顯的測量問題，即S、Cl、Ti并非不可標(biāo)準(zhǔn)化處理，只是對應(yīng)的元素測井可靠性較低，不具備標(biāo)準(zhǔn)化處理的基本條件。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)化處理方法建立

為了建立元素錄井標(biāo)準(zhǔn)化處理方法，按照元素錄井儀的不同類型，將元素錄井與元素測井可對比的4個元素進(jìn)行了相關(guān)性分析（圖7、8）。目前AN錄井儀與CIT錄井儀對應(yīng)的元素測井?dāng)?shù)據(jù)稀少，暫無法進(jìn)行分析。

圖6 L1井元素錄井與元素測井對比圖

圖7 SYX元素錄井與元素測井元素相關(guān)分析圖

從相關(guān)性分析結(jié)果來看（表2），元素錄井與元素測井的Si、Ca、Fe、Al整體相關(guān)性較好，R2介于0.60 ～ 0.85，可以選擇 Si、Ca、Fe、Al進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

考慮到元素錄井在當(dāng)前勘探開發(fā)中的一項(xiàng)重要任務(wù)是礦物含量的計(jì)算[10-18]。而目前四川盆地主要儲層所含礦物主要是石英、長石、方解石、白云石和黏土，這些礦物的主要元素組成是Si、Ca、Fe、Al。因此，這4個重要元素的標(biāo)準(zhǔn)化處理能夠基本滿足當(dāng)前四川盆地儲層礦物含量計(jì)算的需要。

圖8 EDX元素錄井與元素測井元素相關(guān)分析圖

表2 元素錄井標(biāo)準(zhǔn)化處理模型表

由于目前僅部分元素具備標(biāo)準(zhǔn)化處理的條件，且均為穩(wěn)定元素，對這類元素優(yōu)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化處理后數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較高，可完全使用數(shù)值，亦可直接用于定量解釋。而對于不具備標(biāo)準(zhǔn)化處理?xiàng)l件的穩(wěn)定元素，則主要使用曲線趨勢，也可一定程度使用數(shù)值。

4 結(jié)論

1）目前，元素錄井由于技術(shù)和設(shè)備上的影響因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性不一，其測量的主量元素穩(wěn)定性普遍較好，微量元素穩(wěn)定性普遍較差，利用分類處理方式可保障應(yīng)用的有效性。

2）不同類型元素錄井儀由于設(shè)備制造上的差異導(dǎo)致元素測量值存在一定偏差。優(yōu)選Si、Ca、Fe、Al作為分析處理參數(shù)，建立標(biāo)準(zhǔn)化處理方法，可有效解決重要元素的準(zhǔn)確性問題。

3）當(dāng)前，四川盆地規(guī)模推廣元素錄井，但設(shè)備穩(wěn)定性不高且類型繁多導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問題逐漸凸顯。通過元素錄井重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)對比分析，找到了一種解決目前元素錄井應(yīng)用中問題的方法，為元素錄井推廣提供了重要的技術(shù)支持。