張小虎 李秀彬 馬樹(shù)明 張媛媛 苑傳江 常 華

(中國(guó)石油西部鉆探錄井工程公司(地質(zhì)研究院))

0 引 言

隨著當(dāng)代科技水平的發(fā)展，核技術(shù)逐漸得到了廣泛應(yīng)用。在核物理研究、放射醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等各種技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域經(jīng)常要求進(jìn)行伽馬射線強(qiáng)度和能量的測(cè)量，便攜式伽馬能譜儀已成為常規(guī)能譜分析設(shè)備的主流類(lèi)型之一[1]。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新型錄井技術(shù)。該技術(shù)采用隨鉆伽馬能譜錄井儀對(duì)鉆井產(chǎn)生的巖屑進(jìn)行分析，能夠測(cè)出的數(shù)據(jù)包括隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無(wú)鈾伽馬值，以及鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)含量，不僅可以緊跟鉆頭分析自然伽馬值，輔助錄井地層卡取，還可以根據(jù)地層中黏土礦物對(duì)元素Th、K的吸附性進(jìn)行泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)，根據(jù)地層中有機(jī)質(zhì)對(duì)元素U的吸附性進(jìn)行生油巖評(píng)價(jià)。

在油田勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，自然伽馬測(cè)井作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)可靠性高，但由于自然伽馬測(cè)井作業(yè)過(guò)程需要通井等工序，會(huì)造成時(shí)效性相對(duì)較差，且成本偏高。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于隨鉆進(jìn)行測(cè)量，可及時(shí)并準(zhǔn)確地解釋地層巖性變化，實(shí)現(xiàn)地層精準(zhǔn)卡取。同時(shí)，對(duì)儲(chǔ)層、裂縫進(jìn)行識(shí)別用于區(qū)分泥巖的黏土類(lèi)型并確定其含量，藉此可解釋巖性，研究沉積環(huán)境、生油層，尋找儲(chǔ)層等[2]。近兩年來(lái)，準(zhǔn)噶爾盆地的油氣鉆探開(kāi)發(fā)開(kāi)始采用隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)，在鉆井現(xiàn)場(chǎng)嘗試應(yīng)用該技術(shù)對(duì)地層中的礦物成分、有機(jī)物的類(lèi)型以及含量進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步確定地層的巖性剖面、評(píng)價(jià)沉積環(huán)境及生油巖。

1 隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)依托隨鉆伽馬能譜錄井儀對(duì)鉆井產(chǎn)生的巖屑進(jìn)行分析，采集巖屑樣品產(chǎn)生的伽馬射線能量值，因?yàn)閹r屑樣品包含著對(duì)應(yīng)地層的各種信息，可代表地層中巖石產(chǎn)生的伽馬射線能量值，所以依據(jù)地層產(chǎn)生的伽馬射線能量值特征，可用于沉積環(huán)境判別、泥巖生油能力評(píng)價(jià)、巖性識(shí)別、地層卡取等。

隨鉆伽馬錄井技術(shù)的研究與應(yīng)用主要依托于隨鉆伽馬能譜錄井儀的穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)化樣品預(yù)處理及規(guī)范的設(shè)備操作規(guī)程。具體的原理及操作分析包括以下3個(gè)方面。

1.1 設(shè)備原理

隨鉆伽馬能譜錄井儀采用壁厚100 mm的鉛室，用來(lái)屏蔽外界自然界其他射線的干擾，使測(cè)量數(shù)據(jù)只反映所測(cè)樣品的真實(shí)數(shù)值。采集數(shù)據(jù)包括自然產(chǎn)生的伽馬射線總能量值，并且根據(jù)不同放射性元素伽馬射線能量差異性(一般U的能量范圍為1.62～2.0 MeV，K的能量范圍為1.30～1.60 MeV，Th的能量范圍為2.45～2.90 MeV)區(qū)分U、K、Th，然后再根據(jù)各元素伽馬射線能量計(jì)算出各元素的含量。

應(yīng)用隨鉆伽馬能譜錄井儀測(cè)出隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無(wú)鈾伽馬值，以及U、Th、K值，其中：

隨鉆伽馬能譜總伽馬值為樣品產(chǎn)生的伽馬射線總的輻射強(qiáng)度(單位:API)，該值與常規(guī)測(cè)井中自然伽馬值具較大的相似性，都表示地層中放射性物質(zhì)總的伽馬射線輻射強(qiáng)度。

無(wú)鈾伽馬值為伽馬能譜伽馬值與元素U產(chǎn)生的伽馬射線輻射強(qiáng)度之差(單位:API)，表示地層中去除元素U影響的伽馬射線輻射強(qiáng)度。

鈾、釷、鉀含量分別代表樣品中放射性元素U、Th、K的含量，其中U、Th的單位為μg/g，K的含量為質(zhì)量的百分含量，單位為%。

1.2 樣本要求

隨鉆采集的巖屑樣品烘干后去除掉塊，對(duì)于鉆井過(guò)程中需要添加的固體鉆井液材料以及堵漏材料也要盡量去除，只保留地層真實(shí)巖屑，將樣品破碎、磨細(xì)至粒徑大小不大于0.16 mm，取樣重量要求為500.0 g(精確至0.1 g)。

1.3 樣品分析

將制好的待測(cè)樣品放入樣盒，旋緊蓋子密封，防止粉塵污染鉛室，然后將樣品放入鉛室進(jìn)行分析。對(duì)于隨鉆伽馬能譜錄井儀分析時(shí)間的設(shè)定，理論上分析時(shí)間越久所采集的自然伽馬值越接近樣品實(shí)際值；實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于巖屑樣品在分析時(shí)間達(dá)到15 min后，采集的自然伽馬值已經(jīng)趨于穩(wěn)定，即可停止分析，并認(rèn)為該時(shí)間所測(cè)量的隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無(wú)鈾伽馬值，以及U、Th、K含量是地層中各參數(shù)的真實(shí)數(shù)值。

2 在油田勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用研究

在油田勘探開(kāi)發(fā)中，對(duì)于地層卡取、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)應(yīng)用較多的是自然伽馬測(cè)井，但由于自然伽馬測(cè)井技術(shù)在超深井存在信號(hào)較弱，在無(wú)法精確測(cè)量或完井不進(jìn)行測(cè)井作業(yè)的情況下，隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)可以有效解決以上難題，可對(duì)中完或完井地層的精確卡取提供可靠依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)U、Th、K的測(cè)量可以對(duì)儲(chǔ)層特征進(jìn)行深入的研究。隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地應(yīng)用效果較好，其隨鉆伽馬能譜總伽馬值與自然伽馬測(cè)井的總伽馬值趨勢(shì)一致。通過(guò)5口井共112個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，其中泥巖樣本點(diǎn)54個(gè)，砂巖樣本點(diǎn)36個(gè)，砂礫巖樣本點(diǎn)22個(gè)，結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的相關(guān)性極高(r2=0.813)，可靠性強(qiáng)(圖1)。

圖1 隨鉆伽馬能譜總伽馬值與自然伽馬測(cè)井總伽馬值交會(huì)

目前，隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地主要應(yīng)用方向集中在以下幾個(gè)方面[3]。

2.1 沉積環(huán)境判斷

U值與氧化還原環(huán)境有關(guān)，還原環(huán)境有機(jī)質(zhì)含量高、U值高，氧化環(huán)境下Th含量比較高，可用釷鈾比(Th/U)表示氧化還原環(huán)境：當(dāng)Th/U>7時(shí)為氧化環(huán)境，陸相沉積；在2～7之間為還原環(huán)境到氧化環(huán)境的過(guò)渡階段；Th/U<2時(shí)為強(qiáng)還原環(huán)境，海相沉積[4]。

2.2 泥巖生油能力評(píng)價(jià)

利用U值輔助儲(chǔ)層含油性評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)為：石油主要為不飽和烴類(lèi)的有機(jī)質(zhì)組成，不飽和烴類(lèi)在紫外線照射下具熒光特性，而U值的高低與有機(jī)質(zhì)的多少關(guān)系密切，盡管目前尚無(wú)有機(jī)質(zhì)含量與U值的定量關(guān)系式，但通常有機(jī)質(zhì)含量越豐富， U值越高。利用有機(jī)質(zhì)對(duì)U的吸附性，通常U值越高，代表地層的生油能力越好，一般U值大于10 μg/g時(shí)，認(rèn)為泥巖生油能力較好即有機(jī)質(zhì)含量豐富[5]。

2.3 隨鉆巖性識(shí)別

隨鉆伽馬能譜錄井儀測(cè)量的參數(shù)為U、Th、K三種，利用以上三種元素測(cè)量結(jié)果，通過(guò)隨鉆伽馬能譜錄井軟件可計(jì)算出隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無(wú)鈾伽馬值、TOC值。地層中無(wú)鈾伽馬的含量與泥質(zhì)含量的關(guān)系比較穩(wěn)定，且不受地層中所含放射性礦物的影響。利用無(wú)鈾伽馬值進(jìn)行泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)為：沉積巖中黏土礦物天然放射性隨泥質(zhì)含量的增加而增強(qiáng)[2]，泥質(zhì)主要由黏土礦物組成，黏土礦物具有不飽和電荷，比表面積大，所以黏土礦物具有較大的吸附性，在沉積過(guò)程中會(huì)吸附大量的放射性物質(zhì)，從而導(dǎo)致在地層中泥質(zhì)含量增加時(shí)放射性含量也增加[6]。但如果利用常規(guī)自然伽馬測(cè)井曲線進(jìn)行泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)，遇到高放射性儲(chǔ)層，往往會(huì)被誤認(rèn)為泥巖地層，而無(wú)鈾伽馬值主要受元素Th、K放射性的影響，與泥質(zhì)含量的關(guān)系更為密切，這也是其進(jìn)行泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)。所以，采用測(cè)得的無(wú)鈾伽馬值來(lái)計(jì)算泥質(zhì)含量，輔助后期儲(chǔ)層泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)，其劃分方式如表1所示。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地巖性與隨鉆伽馬能譜關(guān)系

利用黏土礦物中Th和K含量的差異性，可忽略各自單位計(jì)算比值[6]。釷鉀比Th/K>12的是高嶺土型黏土；在3.5～12之間的是伊蒙混層；在2～3.5之間的是伊利石型黏土；在1～2之間的是云母型黏土。

2.4 地層卡取

在利用隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)分析得到的隨鉆伽馬能譜總伽馬值出現(xiàn)異常響應(yīng)時(shí)，可對(duì)標(biāo)志層進(jìn)行地層對(duì)比。在準(zhǔn)噶爾盆地多個(gè)重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)探井實(shí)鉆過(guò)程中，未進(jìn)行測(cè)井的情況下，通過(guò)鄰井同一地層的自然伽馬測(cè)井與本井的隨鉆自然伽馬錄井進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?，識(shí)別伽馬標(biāo)志層特征，可對(duì)即將鉆揭地層起到預(yù)警作用，為油氣顯示的準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)及巖心卡取等工作提供有力保障。

3 應(yīng)用實(shí)例

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地西北緣環(huán)瑪湖、腹部漠北、南緣高泉等多個(gè)區(qū)塊，分層位進(jìn)行了巖性識(shí)別、地層卡取、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)研究，共應(yīng)用8口井，地層卡取成功率100%，巖性識(shí)別符合率84.5%。下面以準(zhǔn)噶爾盆地的X 87井和XT 1井為例，分別從沉積環(huán)境判斷、泥巖生油能力評(píng)價(jià)、巖性識(shí)別、地層卡取四個(gè)方面進(jìn)行論證。

3.1 X 87井

X 87井是一口評(píng)價(jià)井，位于準(zhǔn)噶爾盆地西部隆起烏夏斷階帶東端，鉆探目的是了解該井西斷塊二疊系風(fēng)城組、夏子街組、烏爾禾組和三疊系、白堊系的含油氣性。

3.1.1 沉積環(huán)境判斷(井段4 404～4 462 m)

利用Th/U值，輔助研究沉積環(huán)境。從表2中的Th/U值可以看出，X 87井研究段Th/U值絕大多數(shù)都在2以下，說(shuō)明該井段為強(qiáng)還原環(huán)境。

3.1.2 泥巖生油能力評(píng)價(jià)(井段4 404～4 462 m)

分析X 87井的U值與錄井含油性的關(guān)系，可以輔助儲(chǔ)層含油性評(píng)價(jià)。從圖2中Th/U值可以看出，熒光顯示段的Th/U值更低，而上下無(wú)熒光段的Th/U值相對(duì)較高。主要原因?yàn)闊晒怙@示段巖性為泥質(zhì)粉砂巖為主，泥質(zhì)含量較上下無(wú)熒光段的泥巖、粉砂質(zhì)泥巖含量少，Th值低；而同時(shí)因?yàn)楹托暂^好，有機(jī)質(zhì)相對(duì)較多，U值高。

表2 X 87井隨鉆伽馬能譜數(shù)據(jù)

圖2 X 87井隨鉆伽馬能譜錄井圖

依照2.2節(jié)評(píng)價(jià)井段4 410～4 462 m泥巖生油能力，將熒光巖屑與無(wú)熒光巖屑的U值進(jìn)行Th/U值的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)(表3)，可以看出無(wú)熒光巖屑的U元素平均值為2.11 μg/g，U值差異性明顯；而熒光巖屑U值明顯升高，最大達(dá)到33.91 μg/g，平均值22.92 μg/g。熒光巖屑U值較高，說(shuō)明該組地層含油性較好。

表3 U值、Th/U值分段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

3.1.3 巖性識(shí)別

建立X 87井隨鉆伽馬能譜分析Th、K元素含量及無(wú)鈾伽馬值與泥質(zhì)含量的關(guān)系，既可以輔助錄井現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巖性定名，也可輔助后期儲(chǔ)層泥質(zhì)含量評(píng)價(jià)。

按巖性分類(lèi)，并結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地?cái)?shù)據(jù)，將Th、K元素含量及無(wú)鈾伽馬值進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，巖性按泥巖-粉砂質(zhì)泥巖-泥質(zhì)粉砂巖，即泥質(zhì)含量逐漸減少的順序，Th、K元素含量及無(wú)鈾伽馬值逐漸降低，其中：泥巖Th平均含量3.70 μg/g，K平均含量2.03%，無(wú)鈾伽馬值68.81 API，在數(shù)值上與粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖差異明顯；泥質(zhì)粉砂巖Th平均含量2.03 μg/g，K平均含量1.50%，無(wú)鈾伽馬值48.38 API，相對(duì)于粉砂質(zhì)泥巖Th平均含量2.68 μg/g，K平均含量1.60%，無(wú)鈾伽馬值53.68 API，各參數(shù)在數(shù)值上只是略微降低，這應(yīng)該跟泥質(zhì)粉砂巖到粉砂質(zhì)泥巖中泥質(zhì)含量變化幅度小有關(guān)。

3.2 XT 1井地層卡取

XT 1井是一口預(yù)探井，位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣四棵樹(shù)凹陷，目的層位白堊系清水河組底部發(fā)育一套自然伽馬異常高值地層，該地層下部即為主探油層。

利用高伽馬標(biāo)志層指導(dǎo)地層卡取。X 101井和X 102井是為XT 1井部署的評(píng)價(jià)井，在X 101井和X 102井錄井過(guò)程中，因工程較為復(fù)雜，未進(jìn)行自然伽馬測(cè)井，僅能依靠隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)分析得到隨鉆伽馬能譜總伽馬值，通過(guò)與XT 1井自然伽馬測(cè)井測(cè)出的總伽馬值進(jìn)行橫向?qū)Ρ?圖3)，準(zhǔn)確卡準(zhǔn)了該套伽馬高值標(biāo)志層，對(duì)即將鉆揭對(duì)應(yīng)XT 1井的主力油層段進(jìn)行預(yù)警，為油氣顯示發(fā)現(xiàn)及巖心卡取等工作起到了關(guān)鍵作用。利用隨鉆伽馬能譜錄井預(yù)測(cè)X 101井清水河組底界為井深6 027 m，X 102井清水河組底界為井深5 868 m。完井后依據(jù)測(cè)井分層驗(yàn)證可知，兩口井的清水河組底界深度與隨鉆伽馬能譜錄井預(yù)測(cè)深度一致，驗(yàn)證了該技術(shù)在兩口井中的有效應(yīng)用。同時(shí)，通過(guò)試油結(jié)論驗(yàn)證，X 101井試油日產(chǎn)油18.8 m3，X 102井試油日產(chǎn)油10.5 m3，均獲得工業(yè)油流。

圖3 XT 1井自然伽馬測(cè)井與X 101、X 102井隨鉆伽馬能譜橫向?qū)Ρ?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

隨鉆伽馬能譜錄井技術(shù)是新型錄井技術(shù)，在沉積環(huán)境分析、評(píng)價(jià)泥巖生油能力、巖性識(shí)別、地層卡取等方面具有較好應(yīng)用效果，通過(guò)在準(zhǔn)噶爾盆地應(yīng)用情況來(lái)看，其具備以下特殊性：

一是通過(guò)該技術(shù)，針對(duì)U、Th、K含量及隨鉆伽馬能譜總伽馬值、無(wú)鈾伽馬值，總結(jié)出準(zhǔn)噶爾盆地巖性識(shí)別、沉積環(huán)境判斷及泥巖生油能力評(píng)價(jià)的相關(guān)成果。

二是數(shù)據(jù)提供具有及時(shí)性，因?yàn)槭请S鉆進(jìn)行跟蹤分析，對(duì)應(yīng)分析數(shù)據(jù)可以緊跟鉆頭，使該技術(shù)具備了隨鉆地層對(duì)比、及時(shí)地層卡取，在未進(jìn)行自然伽馬測(cè)井的條件下，能夠代替該技術(shù)實(shí)現(xiàn)地層劃分及巖性識(shí)別。

隨著該技術(shù)在準(zhǔn)噶爾盆地的推廣應(yīng)用，將在油氣勘探開(kāi)發(fā)中進(jìn)一步發(fā)揮特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。