程豪華 謝元軍 余寒雷 李三明 王振華

(中石化經(jīng)緯有限公司華北測(cè)控公司)

0 引 言

巖心樣品包含著地層巖性及所含油氣水的完整信息，是重要的實(shí)物地質(zhì)資料，充分挖掘利用巖心信息，有利于更全面認(rèn)識(shí)地層、油氣水和油藏情況。獲取巖心元素?cái)?shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法是，先取一定量的巖心樣品，粉碎壓成樣片，放到元素分析儀中檢測(cè)，這樣的操作不僅效率低，還破壞了巖心的完整性[1-2]。

本文介紹的多功能巖心元素掃描儀是專門針對(duì)巖心樣品研發(fā)的一款儀器，它能滿足單次檢測(cè)長(zhǎng)度不超過(guò)60 cm，全直徑不大于15 cm的巖心樣或剖切過(guò)的巖心檢測(cè)需求；儀器樣品單點(diǎn)分析不少于17種元素，包括Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、V、Fe、Ni、Sr、Zr，單點(diǎn)分析時(shí)間小于2 min。儀器優(yōu)勢(shì)是整體連續(xù)無(wú)損元素檢測(cè)，可小間距自動(dòng)檢測(cè)，大幅提高了巖心元素檢測(cè)精度。應(yīng)用該儀器能夠增加錄井工程的服務(wù)項(xiàng)目，還可提高元素錄井檢測(cè)作業(yè)的效率，有助于老巖心樣品快速掃描形成元素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，為油田老井復(fù)查等“挖潛增效”項(xiàng)目提供服務(wù)，避免巖心資料的浪費(fèi)。

1 儀器系統(tǒng)組成

1.1 硬件系統(tǒng)

巖心元素掃描儀由中石化經(jīng)緯有限公司華北測(cè)控公司研制生產(chǎn)，該儀器包括計(jì)算機(jī)、儀器主機(jī)和真空泵3部分(圖1)。計(jì)算機(jī)用來(lái)操作軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器主機(jī)與真空泵的控制以及元素?cái)?shù)據(jù)的采集分析；儀器主機(jī)主要包括激發(fā)與檢測(cè)系統(tǒng)、樣品位移系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心樣品的元素檢測(cè)；真空泵用來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)樣品的真空環(huán)境。

圖1 巖心元素掃描儀主機(jī)和真空泵示意

激發(fā)與檢測(cè)系統(tǒng)包括X射線產(chǎn)生裝置與XRF光譜儀系統(tǒng)。X射線產(chǎn)生裝置用于產(chǎn)生激發(fā)樣品的X射線，包括高壓電源與X射線管；XRF光譜儀用來(lái)檢測(cè)樣品的XRF信號(hào)并進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行含量分析。

樣品位移系統(tǒng)包括水平與垂直兩個(gè)方向的位移功能，由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、水平和垂直滑軌、水平位移傳感器、垂直位移傳感器及控制電路等組成。一方面用來(lái)調(diào)整巖心檢測(cè)點(diǎn)與探測(cè)器之間的距離，保證樣品點(diǎn)檢測(cè)距離的一致性；另一方面在完成一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)后用來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行水平位移，進(jìn)行下一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)。位移系統(tǒng)的存在，使樣品在樣品腔內(nèi)按照操作設(shè)置間距自動(dòng)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了巖心樣品元素含量的無(wú)損、多點(diǎn)、自動(dòng)檢測(cè)。

1.2 軟件系統(tǒng)

巖心元素掃描儀軟件系統(tǒng)包括參數(shù)設(shè)置與譜圖顯示界面模塊、系統(tǒng)控制模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。

參數(shù)設(shè)置與譜圖顯示界面模塊包括主顯示界面、各部件參數(shù)設(shè)置界面、掃描參數(shù)設(shè)置界面、標(biāo)定設(shè)置界面、檢測(cè)隊(duì)列設(shè)置界面，主要用來(lái)設(shè)置儀器各部分參數(shù)以及顯示儀器狀態(tài)參數(shù)與檢測(cè)譜圖數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)控制模塊包括位移臺(tái)控制模塊、真空泵電磁閥控制模塊、X射線管和探測(cè)器控制模塊，主要用來(lái)控制儀器系統(tǒng)中各部件的協(xié)同工作，獲取樣品的元素分析數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括譜圖數(shù)據(jù)計(jì)算處理模塊、標(biāo)定系統(tǒng)計(jì)算處理模塊，主要用來(lái)對(duì)譜圖數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，形成元素含量數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

儀器操作使用時(shí)先打開樣品腔封閉門，將樣品放到“V”型托盤后固定到“V”型樣品槽；在軟件控制下，將進(jìn)行水平初始位置和垂直方向樣品表面與探頭之間的準(zhǔn)確定位；之后軟件啟動(dòng)真空泵將樣品腔體抽成真空環(huán)境，再啟動(dòng)高壓電源供給X射線管對(duì)樣品X射線激發(fā)，啟動(dòng)探測(cè)器開展X射線熒光檢測(cè)，儀器按照預(yù)設(shè)的間距移動(dòng)樣品自動(dòng)逐點(diǎn)檢測(cè)。在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，可通過(guò)攝像頭對(duì)樣品進(jìn)行監(jiān)視，必要時(shí)調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)以避開不規(guī)整的檢測(cè)面。

2 儀器主要功能特點(diǎn)

2.1 自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)與探測(cè)器之間距離

樣品表面與探頭之間的距離大小會(huì)影響元素的檢測(cè)值，因此要求其距離與標(biāo)定時(shí)的距離保持一致。同一巖心表面會(huì)存在細(xì)微的凹凸不平，直徑在不同巖性的地方也會(huì)有微小的變化，這些情況都會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。為保證檢測(cè)的精度，儀器配備了高精度的垂直距離激光傳感器，其測(cè)量精度在0.001 mm，通過(guò)垂直方向的步進(jìn)電機(jī)調(diào)整樣品表面的垂直距離，使得所有樣品檢測(cè)點(diǎn)的垂直距離都一致，這樣保證了檢測(cè)數(shù)值的準(zhǔn)確性，距離誤差可控制在0.1 mm以內(nèi)。

2.2 對(duì)巖心表面實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視

巖心樣品不同于壓片樣品，其具有非均質(zhì)性與復(fù)雜性。巖心經(jīng)常含有斑塊、礫石、化石等特殊標(biāo)志物，這些標(biāo)志物通常指示特殊的沉積環(huán)境，具有重要的地質(zhì)意義，故需在巖心上將特殊標(biāo)志物位置進(jìn)行標(biāo)注，并檢測(cè)其元素?cái)?shù)據(jù)。若巖心表面存在裂縫、凹坑等不適合作為檢測(cè)點(diǎn)的地方，通過(guò)標(biāo)記可以有效避開，避免錯(cuò)誤的元素?cái)?shù)據(jù)影響分析準(zhǔn)確性。儀器在樣品檢測(cè)點(diǎn)上部裝有高清攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控選擇巖心測(cè)樣位置，并可對(duì)有地質(zhì)意義的位置拍照截圖留存。

2.3 自動(dòng)、手動(dòng)兩種檢測(cè)模式

巖心樣品檢測(cè)可采用自動(dòng)和手動(dòng)兩種檢測(cè)方式，針對(duì)不同的巖心表面情況進(jìn)行模式選擇。經(jīng)常使用的是自動(dòng)檢測(cè)方式，主要針對(duì)比較完整的巖心樣品，該模式的檢測(cè)點(diǎn)是均勻分布，在操作界面輸入樣品檢測(cè)間距，等間距水平移動(dòng)樣品進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。手動(dòng)檢測(cè)方式主要針對(duì)巖心比較破碎，自動(dòng)生成的等距檢測(cè)點(diǎn)不能完全落在有裂縫破碎巖心表面的情形。進(jìn)行手動(dòng)檢測(cè)時(shí)，輸入巖心樣品的起始深度，在軟件的攝像頭窗口監(jiān)視巖心樣品的表面狀況，調(diào)整樣品到合適的檢測(cè)位置，軟件會(huì)自動(dòng)記錄樣品井深，在檢測(cè)完畢后再手動(dòng)移到下一個(gè)位置。

2.4 巖心與巖屑樣品雙重檢測(cè)

儀器配有一個(gè)“V”型巖心樣品托盤與兩個(gè)底部平坦的巖屑樣品架。通過(guò)更換不同的樣品托盤，使得儀器具有檢測(cè)巖心與巖屑?jí)浩瑯拥碾p重功能。儀器在檢測(cè)不同直徑的巖心時(shí)，通過(guò)更換不同厚度的樣品托盤來(lái)調(diào)整巖心樣品的高度，使待分析樣品的高度位于儀器垂直方向的可調(diào)范圍內(nèi)，儀器配有對(duì)應(yīng)10 cm、15 cm及剖切3種巖心的樣品托盤。在檢測(cè)巖屑?jí)褐茦悠窌r(shí)，樣品環(huán)放置在長(zhǎng)立方形頂部帶有14孔的樣品架上，可一次性連續(xù)檢測(cè)14個(gè)樣品，相比于常規(guī)的元素儀器單次分析一個(gè)樣品，能夠顯著地提高檢測(cè)效率。同時(shí)設(shè)置雙樣品架，可在一個(gè)樣品架工作時(shí)，在另一個(gè)樣品架進(jìn)行更換擺放，節(jié)省操作時(shí)間。

儀器位移臺(tái)水平方向最大位移距離66 cm，設(shè)定位移距離60 cm，巖心樣品托盤與巖屑樣品托盤長(zhǎng)度都為60 cm，允許放置的巖心最大長(zhǎng)度為60 cm，允許放置的巖屑樣品數(shù)最多為14個(gè)。因此，儀器單次可檢測(cè)的巖心最大長(zhǎng)度為60 cm，可檢測(cè)的巖屑樣品數(shù)為14個(gè)。

3 儀器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

巖心元素掃描儀已在鄂爾多斯盆地北部某氣田完成了3口井的巖心、49口井的巖屑掃描工作。通過(guò)儀器檢測(cè)獲取的巖心元素資料，為小層卡取、地層水的識(shí)別和氣水界面判斷提供了有利依據(jù)。

3.1 利用巖心元素分析技術(shù)精細(xì)解釋巖性

常規(guī)巖屑進(jìn)行X射線元素分析時(shí)，檢測(cè)精度為巖屑采集間隔[3]，一般為1 m。巖心元素掃描儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖心小間距的精細(xì)檢測(cè)，檢測(cè)精度達(dá)1 mm。因此，運(yùn)用巖心元素?cái)?shù)據(jù)，可以解釋出一些常規(guī)手段不易識(shí)別的小夾層。

碳酸鹽巖地層中大段巖性為白云巖或石灰?guī)r，對(duì)碳酸鹽巖地層中夾層的識(shí)別，有助于確定沉積環(huán)境，明確其沉積微相[4-5]。根據(jù)不同巖性的特征元素異常升高確定夾層發(fā)育情況，如Na、Cl元素含量升高指示鹽巖發(fā)育，Al、Si元素含量異常升高指示泥巖發(fā)育。

如圖2所示，A井取心段鉆遇下古生界馬五6段碳酸鹽巖地層，巖性為泥質(zhì)白云巖或含泥白云巖。巖心元素檢測(cè)點(diǎn)間隔控制在0.1 m，3 028～3 030 m井段現(xiàn)場(chǎng)錄井巖性定名為泥質(zhì)白云巖，運(yùn)用巖心元素掃描儀對(duì)巖心開展特征元素(Na、Cl、Al、Si)分析，將0.863 m碳酸鹽巖(3 028.421～3 029.284 m)劃分出4個(gè)夾層。

圖2 A井巖心元素錄井圖(3 028～3 030 m)

(1)鹽巖夾層：3 028.421～3 028.694 m，厚度0.273 m，Na、Cl元素同時(shí)異常升高，Na元素升高6.95%，異常倍數(shù)為5.9，Cl元素升高10.27%，異常倍數(shù)為5.7。

(2)泥巖夾層：3 028.694～3 028.794 m，厚度0.10 m，Al、Si元素含量同步異常升高，Al元素從0.19%升至7.27%，增長(zhǎng)7.08%，Si元素從4.75%升至20.01%，增長(zhǎng)15.26%。

(3)鹽巖夾層：3 028.794～3 029.184 m，厚度0.39 m，Na、Cl元素同時(shí)異常升高，Na元素從1.59%升至8.37%，異常倍數(shù)為5.3，Cl元素從3.33%升至12.49%，升高9.16%。

(4)泥巖夾層：3 029.184～3 029.284 m，厚度0.10 m，Al、Si元素含量同步異常升高，Al元素從0.19%升至7.17%，升高6.98%，Si元素從4.79%升至19.65%，升高14.86%。在3 028.50、3 029.00 m位置分別取樣進(jìn)行薄片分析，鑒定成分為鹽巖，和元素分析結(jié)果一致。

3.2 利用巖心元素分析技術(shù)判別氣(油)水界面

準(zhǔn)確判別氣(油)水界面關(guān)系到油藏評(píng)價(jià)、油氣儲(chǔ)量計(jì)算以及布井、射孔方案設(shè)計(jì)等后續(xù)開發(fā)工作，本文利用巖心元素分析技術(shù)提供了一種判別氣(油)水界面的方法。

在油氣儲(chǔ)層中含的水多為高礦化度的地層水，其中Na+、Cl-兩種離子存在最廣泛并且占比最大，其他的離子在不同地層水類型中有不同的配比[6]。在普通鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中，由于巖石被鉆頭破碎，巖石孔隙基本被破壞，返到井口的巖屑經(jīng)過(guò)鉆井液的沖刷及采集時(shí)清洗，其孔隙中的含有物流失嚴(yán)重。而取心鉆進(jìn)時(shí)，巖心能夠完整保存其中的孔隙以及孔隙中的地層水，當(dāng)巖心孔隙中地層水在晾干揮發(fā)后，其所含鹽類會(huì)結(jié)晶留在孔隙中，含油氣巖心與含水巖心留在孔隙中的鹽類含量會(huì)有明顯差異。通過(guò)分析巖心的Na、Cl元素含量值，將Na、Cl元素含量突變的深度作為氣水界面或油水界面。

如圖3所示，B井取心層段為山1段儲(chǔ)層，在井深3 339.364 m處，Na元素從1.71%升至4.60%，Cl元素從3.76%升至8.24%，3 339.364～3 339.942 m井段表現(xiàn)出典型的地層水特征，因而判斷該儲(chǔ)層的氣水界面在3 339.364 m。同時(shí)，該層氣測(cè)全烴值由5.59%下降到0.53%，測(cè)井電阻率由50.5 Ω·m下降到16.8 Ω·m，氣測(cè)和測(cè)井的響應(yīng)特征都驗(yàn)證該層為水層。

圖3 B井運(yùn)用巖心元素?cái)?shù)據(jù)識(shí)別氣水界面

4 結(jié) 論

巖心元素掃描儀目前在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)投入使用，對(duì)于樣品分析具有以下特點(diǎn)：

(1)該儀器可以實(shí)現(xiàn)巖心樣品無(wú)損、小間距的元素含量分析。

(2)具有自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)點(diǎn)與探測(cè)器之間距離、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視巖心表面和自動(dòng)、手動(dòng)兩種檢測(cè)模式。

(3)具有巖心與巖屑樣品雙重檢測(cè)的功能。儀器單次巖心檢測(cè)的最大長(zhǎng)度為60 cm，巖屑檢測(cè)樣品最多為14個(gè)，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)操作效率。

(4)通過(guò)該儀器獲取的巖心元素?cái)?shù)據(jù)，為小層卡取、地層水的識(shí)別和氣水界面判斷提供依據(jù)，有利于沉積微相刻畫和油氣開采時(shí)避免射開水層。