李春山，陳英毅，孫衛(wèi)

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069;2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266555;3.中國(guó)石化華北石油局，河南鄭州450042)

利用元素錄井資料的隨鉆巖性判別方法

李春山1，2，陳英毅3，孫衛(wèi)1

(1.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069;2.中國(guó)石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島266555;3.中國(guó)石化華北石油局，河南鄭州450042)

針對(duì)綜合錄井過(guò)程中微細(xì)巖屑識(shí)別巖性困難的問(wèn)題，利用X射線熒光(XRF)測(cè)量的微細(xì)巖屑中的元素含量、譜圖和測(cè)井資料，對(duì)隨鉆錄井巖性判別方法進(jìn)行研究。結(jié)果表明:XRF測(cè)量的元素含量與巖屑中礦物含量具有相關(guān)性，Si、Al、Fe等元素含量與自然伽馬測(cè)井曲線存在相關(guān)性;通過(guò)XRF測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算巖屑中的砂泥質(zhì)含量，并可用于判別砂泥巖剖面的巖性;相同巖性的XRF譜圖具有相似性，利用這種相似性可判別巖性?，F(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證結(jié)果證實(shí)了綜合判別法可提高巖性判別符合率。

元素錄井;測(cè)井;X射線熒光;元素含量;XRF譜圖;巖性;判別

在油氣鉆井過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別地層巖性是正確選擇施工參數(shù)、確保鉆井安全、提高油氣勘探效率的重要保證。隨鉆地層巖性識(shí)別技術(shù)一直是油氣鉆井工程和地質(zhì)錄井領(lǐng)域研究的一項(xiàng)重要課題。目前所采用的傳統(tǒng)巖性識(shí)別方法主要是通過(guò)人工或借助簡(jiǎn)單的光學(xué)儀器觀察巖屑組成成分定性描述地層巖性。這種方法往往由于現(xiàn)場(chǎng)人員的經(jīng)驗(yàn)存在差異，對(duì)同一個(gè)巖屑樣品的巖石定名或特征描述會(huì)有較大的差別［1］，甚至造成對(duì)地層巖性的誤判。尤其是隨著PDC鉆頭和氣體鉆井技術(shù)在鉆井工程中的廣泛應(yīng)用，鉆井過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑極為細(xì)小，使傳統(tǒng)的巖性識(shí)別方法應(yīng)用更加困難，且出現(xiàn)誤判的概率更大［2］。因此，筆者針對(duì)綜合錄井過(guò)程中微細(xì)巖屑識(shí)別巖性困難的問(wèn)題，利用X射線熒光(XRF)測(cè)量的微細(xì)巖屑中的元素含量、譜圖和測(cè)井資料，對(duì)隨鉆錄井巖性判別方法進(jìn)行研究。

1 元素錄井的原理及方法

用于巖石元素成分分析的X射線熒光分析儀器分為波長(zhǎng)色散型和能量色散型兩種。波長(zhǎng)色散分析儀是用多個(gè)衍射晶體分開(kāi)待測(cè)樣品中各元素的特征譜的波長(zhǎng)，由此對(duì)元素進(jìn)行測(cè)量(圖1(a))。能量色散分析儀只有一個(gè)探測(cè)器，不受測(cè)量X射線能量范圍的限制，可同時(shí)測(cè)量所有能量的X射線［3］，因此只需激發(fā)樣品的X射線的能量和強(qiáng)度能滿足激發(fā)所測(cè)樣品的條件，一組分析的元素都能同時(shí)測(cè)量出來(lái)(圖1(b))。

圖1 X射線熒光光譜儀工作原理Fig.1 Working principle of XRF unit

元素錄井是在油氣鉆井過(guò)程中，以井內(nèi)返出的巖屑為試樣，利用X射線熒光儀對(duì)樣品進(jìn)行分析，通過(guò)X射線熒光光譜分析獲得元素信息，包括直接的譜圖信息和由譜圖解析的元素含量信息(圖2)。圖2是用能量色散型X射線熒光儀測(cè)量的某一樣品譜圖，不同元素的電子躍遷能級(jí)不同，表現(xiàn)在譜圖上為橫坐標(biāo)的位置不同，元素含量信息最初由元素的特征X射線強(qiáng)度得出，其單位為“脈沖計(jì)數(shù)”，元素的特征X射線強(qiáng)度與元素的含量呈正相關(guān)關(guān)系。因此，可以通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算及一定的校正方法獲得元素含量數(shù)據(jù)。

圖2 巖屑XRF譜圖Fig.2 XRF spectrogram of cuttings

2 元素含量與巖性的關(guān)系

2.1 元素含量與礦物含量的關(guān)系

巖石是由礦物組成的，不同巖性的巖石所含的礦物成分及各礦物含量不同，石油地層中常見(jiàn)礦物的主要元素含量見(jiàn)表1［4］。由表1可以看出，不同的礦物所含的物質(zhì)不同，亦可通過(guò)相應(yīng)的元素反映出來(lái)，例如，石英的主要化學(xué)成分是SiO2，反映在元素上是Si和O，因此不同元素的含量可反映出各種礦物的含量。

表1 一般石油地層礦物所含的化學(xué)元素Table 1 Chemical elements of minerals in oil formation

元素錄井利用XRF分析巖屑中各元素的含量，分析的元素包括Mg、Al、Si、Ca、Fe、Mn、K、Cl、S、Ti、P、Ba等12種元素，這些元素占地殼物質(zhì)總量的99.48%以上［5］，因此具有代表性。這些元素基本反映了石油地層中主要礦物的指示元素，當(dāng)?shù)V物的化學(xué)成分穩(wěn)定時(shí)，礦物元素含量基本保持不變。

2.2 元素含量與測(cè)井曲線的相關(guān)性

在油氣勘探領(lǐng)域中，測(cè)井是成熟的勘探技術(shù)，其對(duì)巖性及儲(chǔ)層物性等都有較成熟的解釋方法。在元素錄井中加強(qiáng)元素?cái)?shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性研究，并借助測(cè)井解釋理論和方法可以提高元素錄井的巖性解釋精度，為巖性判別和儲(chǔ)層評(píng)價(jià)增添新的技術(shù)手段［6］，有力促進(jìn)元素錄井技術(shù)的發(fā)展。

沉積地球化學(xué)理論和大量試驗(yàn)表明，在化學(xué)沉淀不明顯的情況下，Si元素富集于砂巖中，其他元素趨向于富集泥巖中。在化學(xué)沉淀發(fā)生時(shí)Ca、Ba、Mg、Mn等元素可能富集于砂巖儲(chǔ)層中。

為了解元素變化與泥質(zhì)含量變化的關(guān)系，建立砂泥巖巖性判別方法，選擇砂泥巖中最常見(jiàn)的4種元素Si、Al、Fe、Ti含量與自然伽馬(GR)、深側(cè)向電阻率(LLD)、補(bǔ)償中子(CNL)、密度(DEN)4種測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。以D-x-x井為例，井段為2.615～2.880 km，地層為上石盒子組—山1段，巖性基本上為砂巖和泥巖。X射線熒光分析點(diǎn)共266個(gè)。測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)每米提取266個(gè)點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 D-x-x井元素?cái)?shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)Table 2 Correlation statistics between element content and logging data of Well D-x-x

從元素?cái)?shù)據(jù)與測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)相關(guān)性分析看出，與GR測(cè)井具有顯著相關(guān)性的元素有Ti(R=0.689)、Al(R=0.680)、Fe(R=0.650)、Si(R=0.632)。與CNL測(cè)井具有顯著相關(guān)性的元素有Fe(R=0.707)、Ti(R=0.661)、Al(R=0.627)、Si(R=0.625)。

2.3 不同巖性的XRF譜圖特征

元素錄井是利用XRF巖屑分析儀測(cè)量巖屑樣品中各元素的譜圖，通過(guò)對(duì)譜圖的處理得到各元素的相對(duì)含量。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)對(duì)鉆井巖屑的譜圖分析發(fā)現(xiàn)，不同巖性的XRF圖譜存在差異，并且具有一定的規(guī)律性，相同巖性的譜圖具有相似特征，亦即各種巖性的XRF圖譜具有一定的指紋效應(yīng)［7］。根據(jù)這一特點(diǎn)可以通過(guò)對(duì)圖譜的對(duì)比，對(duì)未知巖性的譜圖進(jìn)行分析而判斷其巖性。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)資料分析還發(fā)現(xiàn)，不同層位的同一巖性在XRF譜圖上也略有差異，這與不同層位的古地理環(huán)境和沉積環(huán)境使巖石的各種礦物含量略有不同有關(guān)，與實(shí)際情況相符。同時(shí)，由于在鉆井過(guò)程中井筒內(nèi)的巖屑比較混雜，使得撈取的巖屑巖性不純，也會(huì)造成譜圖的差異。但是，不同巖性的譜圖大致特征還是一致的，因此可利用這一特征來(lái)判別巖性。

圖3是川東地區(qū)幾個(gè)不同層位白云巖的譜圖。從圖中可看出盡管層位不同，但其譜圖的相似程度極高。圖4是部分不同層位灰?guī)r的譜圖，同樣具有較高的相似性。

圖3 川東不同層位白云巖的X射線熒光圖譜對(duì)比Fig.3 XRF spectrogram comporison of dolomite for various horizons in east Sichuan

圖4 不同層位灰?guī)r的X射線熒光圖譜對(duì)比Fig.4 XRF spectrogram comparison of limestone for various horizons

3 巖性識(shí)別方法的建立

3.1 砂泥巖剖面巖性判別方法

通過(guò)以上分析，元素錄井中的Si、Al、Fe、Ti等元素含量與GR測(cè)井曲線相關(guān)性較強(qiáng)，測(cè)井技術(shù)利用GR解釋泥質(zhì)含量，因此本文中利用這4種元素建立元素含量與泥質(zhì)含量的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，泥質(zhì)含量與這4種元素的含量存在如下關(guān)系:

式中，Vsh為泥質(zhì)含量;Ei分別為Si、Al、Fe、Ti 4種元素的含量;Emini分別為Si、Al、Fe、Ti 4種元素在純砂巖段的含量;Emaxi分別為Si、Al、Fe、Ti 4種元素在純泥巖段的含量。

通過(guò)式(1)利用元素錄井中測(cè)量的各元素含量計(jì)算巖屑中的泥質(zhì)含量，進(jìn)而通過(guò)下述方法判別砂泥巖剖面中的巖性:當(dāng)Vsh＞X1時(shí)，為泥巖;當(dāng)Vsh＜X2時(shí)，為砂巖;當(dāng)X2≤Vsh≤X1時(shí)，為砂質(zhì)泥巖或泥質(zhì)砂巖。其中，X1為泥巖的泥質(zhì)含量門(mén)限，%;X2為砂巖的泥質(zhì)含量門(mén)限，%。X1和X2通過(guò)試驗(yàn)和區(qū)域資料統(tǒng)計(jì)取得。圖5為Q22井利用上述方法的判別結(jié)果。通過(guò)對(duì)符合率統(tǒng)計(jì)分析，該井段巖性符合率為78.2%。此方法僅適用于砂泥巖剖面，對(duì)于其他巖性無(wú)法判別。

3.2 利用XRF譜圖的巖性判別方法

對(duì)巖屑XRF譜圖分析發(fā)現(xiàn)，相同巖性的XRF譜圖具有相似特征，根據(jù)這一特征對(duì)測(cè)量樣品的XRF譜圖進(jìn)行相似性分析，可判別測(cè)量樣品的巖性。

通過(guò)對(duì)已知巖性的樣品進(jìn)行XRF分析，將這些樣品的XRF譜圖存入標(biāo)準(zhǔn)樣品譜。在現(xiàn)場(chǎng)分析樣品巖性時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)樣品譜圖和測(cè)量樣品的譜圖進(jìn)行相似性分析，計(jì)算測(cè)量樣品的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)中各譜圖的相似性系數(shù)(R)，其中相似性系數(shù)最大者即可認(rèn)為是該樣品的巖性，從而可判別測(cè)量樣品的巖性。

這種方法適用于判別各種巖性，但由于巖石具有非均質(zhì)性，以及井筒內(nèi)巖屑較為混雜，地層中相同巖性的巖屑在返出井口后通過(guò)取樣進(jìn)行XRF分析的巖屑樣品都不盡相同，因此兩個(gè)譜圖完全相似是不可能的。此方法對(duì)于XRF譜圖相似性較高的樣品其巖性符合率較高，對(duì)于相似性極低的樣品其巖性符合率就較低，應(yīng)使用其他方法來(lái)判別。譜圖對(duì)比法的巖性判別結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 巖性判別結(jié)果Table 3 Lithlogy identification results

3.3 綜合判別方法

使用譜圖對(duì)比法和泥質(zhì)含量法可判別巖性，但都有一定的局限性。大量現(xiàn)場(chǎng)資料的應(yīng)用表明:譜圖對(duì)比法在相似性系數(shù)較高時(shí)巖性判別的準(zhǔn)確率較高，當(dāng)譜圖的相似系數(shù)較小時(shí)巖性符合率較低;泥質(zhì)含量法主要適用于砂泥巖剖面，對(duì)于其他巖性不適用，且當(dāng)泥質(zhì)含量和砂質(zhì)含量均不高時(shí)此方法的巖性符合率也較低。為進(jìn)一步提高巖性解釋符合率，筆者提出綜合判別巖性的方法。

綜合判別法利用上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)XRF資料進(jìn)行綜合判斷。當(dāng)XRF譜圖的相似性較高時(shí)，使用譜圖對(duì)比法判別其巖性;當(dāng)譜圖的相似性不高時(shí)，使用砂泥質(zhì)含量法進(jìn)行巖性判別;兩者均不符合的為其他巖性，也可能是由于巖屑混雜度較高，對(duì)于這部分樣品的分析判別模型還需做進(jìn)一步研究。

圖6是利用XRF數(shù)據(jù)，使用綜合判別法的判別結(jié)果。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，該井段的巖性符合率為82.4%。通過(guò)與圖5對(duì)比可見(jiàn)，綜合判別法得到的巖性符合率比砂泥質(zhì)含量法的結(jié)果有所提高。

圖6 Q22井巖性綜合判別結(jié)果Fig.6 Comprehensive identification results of lithogy of well Q22

4 巖性識(shí)別方法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的XRF資料，使用本文中述及的方法，對(duì)6000余個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際巖屑樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，巖性判別結(jié)果如表3所示。

由表3可見(jiàn)，3種巖性判別方法的巖性符合率均大于65%，可用于現(xiàn)場(chǎng)判別巖性。從表中不同分析方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，利用綜合判別法砂巖的巖性符合率提高5%～7%，泥巖的符合率提高4%～5%，其他巖性的解釋符合率也都有不同程度的提高，綜合判別法平均可提高巖性判別符合率約3%～5%，這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖性識(shí)別是相當(dāng)可觀的。

5 結(jié)論

(1)XRF測(cè)量的元素含量與巖屑中礦物含量具有相關(guān)性，Si、Al、Fe等元素含量與GR測(cè)井曲線存在相關(guān)性。

(2)通過(guò)XRF測(cè)量數(shù)據(jù)可計(jì)算巖屑中的砂泥質(zhì)含量，并可用于判別砂泥巖剖面的巖性;相同巖性的XRF譜圖具有相似性，利用這種相似性可判別巖性。

(3)現(xiàn)場(chǎng)資料驗(yàn)證綜合判別法平均可提高巖性判別符合率3%～5%。

［1］朱根慶，何國(guó)賢，康永貴.X射線熒光錄井資料基本解釋方法［J］.錄井工程，2008，19(4):6-11.ZHU Gen-qing，HE Guo-xian，KANG Yong-gui.The basic interpretation way for X ray fluorescence logging data［J］.Mud Logging Engineering，2008，19(4):6-11.

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(編輯 徐會(huì)永)

Lithology identification method while drilling based on element mudlogging information

LI Chun-shan1，2，CHEN Ying-yi3，SUN Wei1
(1.State Key Laboratory of Continental Dynamics，Department of Geology，Northwest University，Xi'an 710069，China;2.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum，Qingdao 266555，China;3.North China Bureau of SINOPEC，Zhengzhou 450042，China)

To overcome the difficulties in identifying lithology of fine cuttings，a method was developed to identify lithology while drilling by using element content and spectrum determined by X-ray fluorescence(XRF)and logging data.The results show that the element content correlates to mineral content of cuttings，and element contents of Si，Al and Fe correlate to GR logging curve.XRF data can be utilized to calculate shaliness of cuttings and determine the lithology of sandy mudstone formation.XRF spectrogram of the same lithology has some similarity，which can be used for lithology identification.The field data show that such a comprehensive method can improve the accuracy of lithology identification.

element mudlogging;well logging;X-ray fluorescence(XRF);element content;X-ray fluorescence spectrogram;lithology;identification

P 631.81

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.06.010

2011－03－12

中國(guó)石油化工股份有限公司項(xiàng)目(P08001)

李春山(1964－)，男(漢族)，四川德陽(yáng)人，副教授，博士研究生，主要從事鉆井、綜合錄井方面的技術(shù)研究和軟件開(kāi)發(fā)。

1673-5005(2011)06-0066-05