利用元素录井资料的随钻岩性判别方法

李春山，陈英毅，孙卫

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室地质学系，陕西西安710069;2.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266555;3.中国石化华北石油局，河南郑州450042)

利用元素录井资料的随钻岩性判别方法

李春山1，2，陈英毅3，孙卫1

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室地质学系，陕西西安710069;2.中国石油大学石油工程学院，山东青岛266555;3.中国石化华北石油局，河南郑州450042)

针对综合录井过程中微细岩屑识别岩性困难的问题，利用X射线荧光(XRF)测量的微细岩屑中的元素含量、谱图和测井资料，对随钻录井岩性判别方法进行研究。结果表明:XRF测量的元素含量与岩屑中矿物含量具有相关性，Si、Al、Fe等元素含量与自然伽马测井曲线存在相关性;通过XRF测量数据可计算岩屑中的砂泥质含量，并可用于判别砂泥岩剖面的岩性;相同岩性的XRF谱图具有相似性，利用这种相似性可判别岩性。现场资料验证结果证实了综合判别法可提高岩性判别符合率。

元素录井;测井;X射线荧光;元素含量;XRF谱图;岩性;判别

在油气钻井过程中，及时准确地识别地层岩性是正确选择施工参数、确保钻井安全、提高油气勘探效率的重要保证。随钻地层岩性识别技术一直是油气钻井工程和地质录井领域研究的一项重要课题。目前所采用的传统岩性识别方法主要是通过人工或借助简单的光学仪器观察岩屑组成成分定性描述地层岩性。这种方法往往由于现场人员的经验存在差异，对同一个岩屑样品的岩石定名或特征描述会有较大的差别［1］，甚至造成对地层岩性的误判。尤其是随着PDC钻头和气体钻井技术在钻井工程中的广泛应用，钻井过程中产生的岩屑极为细小，使传统的岩性识别方法应用更加困难，且出现误判的概率更大［2］。因此，笔者针对综合录井过程中微细岩屑识别岩性困难的问题，利用X射线荧光(XRF)测量的微细岩屑中的元素含量、谱图和测井资料，对随钻录井岩性判别方法进行研究。

1 元素录井的原理及方法

用于岩石元素成分分析的X射线荧光分析仪器分为波长色散型和能量色散型两种。波长色散分析仪是用多个衍射晶体分开待测样品中各元素的特征谱的波长，由此对元素进行测量(图1(a))。能量色散分析仪只有一个探测器，不受测量X射线能量范围的限制，可同时测量所有能量的X射线［3］，因此只需激发样品的X射线的能量和强度能满足激发所测样品的条件，一组分析的元素都能同时测量出来(图1(b))。

图1 X射线荧光光谱仪工作原理Fig.1 Working principle of XRF unit

元素录井是在油气钻井过程中，以井内返出的岩屑为试样，利用X射线荧光仪对样品进行分析，通过X射线荧光光谱分析获得元素信息，包括直接的谱图信息和由谱图解析的元素含量信息(图2)。图2是用能量色散型X射线荧光仪测量的某一样品谱图，不同元素的电子跃迁能级不同，表现在谱图上为横坐标的位置不同，元素含量信息最初由元素的特征X射线强度得出，其单位为“脉冲计数”，元素的特征X射线强度与元素的含量呈正相关关系。因此，可以通过数学运算及一定的校正方法获得元素含量数据。

图2 岩屑XRF谱图Fig.2 XRF spectrogram of cuttings

2 元素含量与岩性的关系

2.1 元素含量与矿物含量的关系

岩石是由矿物组成的，不同岩性的岩石所含的矿物成分及各矿物含量不同，石油地层中常见矿物的主要元素含量见表1［4］。由表1可以看出，不同的矿物所含的物质不同，亦可通过相应的元素反映出来，例如，石英的主要化学成分是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种矿物的含量。

表1 一般石油地层矿物所含的化学元素Table 1 Chemical elements of minerals in oil formation

元素录井利用XRF分析岩屑中各元素的含量，分析的元素包括Mg、Al、Si、Ca、Fe、Mn、K、Cl、S、Ti、P、Ba等12种元素，这些元素占地壳物质总量的99.48%以上［5］，因此具有代表性。这些元素基本反映了石油地层中主要矿物的指示元素，当矿物的化学成分稳定时，矿物元素含量基本保持不变。

2.2 元素含量与测井曲线的相关性

在油气勘探领域中，测井是成熟的勘探技术，其对岩性及储层物性等都有较成熟的解释方法。在元素录井中加强元素数据与测井数据相关性研究，并借助测井解释理论和方法可以提高元素录井的岩性解释精度，为岩性判别和储层评价增添新的技术手段［6］，有力促进元素录井技术的发展。

沉积地球化学理论和大量试验表明，在化学沉淀不明显的情况下，Si元素富集于砂岩中，其他元素趋向于富集泥岩中。在化学沉淀发生时Ca、Ba、Mg、Mn等元素可能富集于砂岩储层中。

为了解元素变化与泥质含量变化的关系，建立砂泥岩岩性判别方法，选择砂泥岩中最常见的4种元素Si、Al、Fe、Ti含量与自然伽马(GR)、深侧向电阻率(LLD)、补偿中子(CNL)、密度(DEN)4种测井数据进行相关性分析。以D-x-x井为例，井段为2.615～2.880 km，地层为上石盒子组—山1段，岩性基本上为砂岩和泥岩。X射线荧光分析点共266个。测井数据每米提取266个点，通过最小二乘法对数据进行相关性分析，分析结果见表2。

表2 D-x-x井元素数据与测井数据相关性统计Table 2 Correlation statistics between element content and logging data of Well D-x-x

从元素数据与测井数据相关性分析看出，与GR测井具有显著相关性的元素有Ti(R=0.689)、Al(R=0.680)、Fe(R=0.650)、Si(R=0.632)。与CNL测井具有显著相关性的元素有Fe(R=0.707)、Ti(R=0.661)、Al(R=0.627)、Si(R=0.625)。

2.3 不同岩性的XRF谱图特征

元素录井是利用XRF岩屑分析仪测量岩屑样品中各元素的谱图，通过对谱图的处理得到各元素的相对含量。通过大量现场和室内对钻井岩屑的谱图分析发现，不同岩性的XRF图谱存在差异，并且具有一定的规律性，相同岩性的谱图具有相似特征，亦即各种岩性的XRF图谱具有一定的指纹效应［7］。根据这一特点可以通过对图谱的对比，对未知岩性的谱图进行分析而判断其岩性。

通过现场资料分析还发现，不同层位的同一岩性在XRF谱图上也略有差异，这与不同层位的古地理环境和沉积环境使岩石的各种矿物含量略有不同有关，与实际情况相符。同时，由于在钻井过程中井筒内的岩屑比较混杂，使得捞取的岩屑岩性不纯，也会造成谱图的差异。但是，不同岩性的谱图大致特征还是一致的，因此可利用这一特征来判别岩性。

图3是川东地区几个不同层位白云岩的谱图。从图中可看出尽管层位不同，但其谱图的相似程度极高。图4是部分不同层位灰岩的谱图，同样具有较高的相似性。

图3 川东不同层位白云岩的X射线荧光图谱对比Fig.3 XRF spectrogram comporison of dolomite for various horizons in east Sichuan

图4 不同层位灰岩的X射线荧光图谱对比Fig.4 XRF spectrogram comparison of limestone for various horizons

3 岩性识别方法的建立

3.1 砂泥岩剖面岩性判别方法

通过以上分析，元素录井中的Si、Al、Fe、Ti等元素含量与GR测井曲线相关性较强，测井技术利用GR解释泥质含量，因此本文中利用这4种元素建立元素含量与泥质含量的关系。研究发现，泥质含量与这4种元素的含量存在如下关系:

式中，Vsh为泥质含量;Ei分别为Si、Al、Fe、Ti 4种元素的含量;Emini分别为Si、Al、Fe、Ti 4种元素在纯砂岩段的含量;Emaxi分别为Si、Al、Fe、Ti 4种元素在纯泥岩段的含量。

通过式(1)利用元素录井中测量的各元素含量计算岩屑中的泥质含量，进而通过下述方法判别砂泥岩剖面中的岩性:当Vsh＞X1时，为泥岩;当Vsh＜X2时，为砂岩;当X2≤Vsh≤X1时，为砂质泥岩或泥质砂岩。其中，X1为泥岩的泥质含量门限，%;X2为砂岩的泥质含量门限，%。X1和X2通过试验和区域资料统计取得。图5为Q22井利用上述方法的判别结果。通过对符合率统计分析，该井段岩性符合率为78.2%。此方法仅适用于砂泥岩剖面，对于其他岩性无法判别。

3.2 利用XRF谱图的岩性判别方法

对岩屑XRF谱图分析发现，相同岩性的XRF谱图具有相似特征，根据这一特征对测量样品的XRF谱图进行相似性分析，可判别测量样品的岩性。

通过对已知岩性的样品进行XRF分析，将这些样品的XRF谱图存入标准样品谱。在现场分析样品岩性时用标准样品谱图和测量样品的谱图进行相似性分析，计算测量样品的谱图与标准谱图库中各谱图的相似性系数(R)，其中相似性系数最大者即可认为是该样品的岩性，从而可判别测量样品的岩性。

这种方法适用于判别各种岩性，但由于岩石具有非均质性，以及井筒内岩屑较为混杂，地层中相同岩性的岩屑在返出井口后通过取样进行XRF分析的岩屑样品都不尽相同，因此两个谱图完全相似是不可能的。此方法对于XRF谱图相似性较高的样品其岩性符合率较高，对于相似性极低的样品其岩性符合率就较低，应使用其他方法来判别。谱图对比法的岩性判别结果见表3。

表3 岩性判别结果Table 3 Lithlogy identification results

3.3 综合判别方法

使用谱图对比法和泥质含量法可判别岩性，但都有一定的局限性。大量现场资料的应用表明:谱图对比法在相似性系数较高时岩性判别的准确率较高，当谱图的相似系数较小时岩性符合率较低;泥质含量法主要适用于砂泥岩剖面，对于其他岩性不适用，且当泥质含量和砂质含量均不高时此方法的岩性符合率也较低。为进一步提高岩性解释符合率，笔者提出综合判别岩性的方法。

综合判别法利用上述两种方法的优点，对XRF资料进行综合判断。当XRF谱图的相似性较高时，使用谱图对比法判别其岩性;当谱图的相似性不高时，使用砂泥质含量法进行岩性判别;两者均不符合的为其他岩性，也可能是由于岩屑混杂度较高，对于这部分样品的分析判别模型还需做进一步研究。

图6是利用XRF数据，使用综合判别法的判别结果。统计分析结果表明，该井段的岩性符合率为82.4%。通过与图5对比可见，综合判别法得到的岩性符合率比砂泥质含量法的结果有所提高。

图6 Q22井岩性综合判别结果Fig.6 Comprehensive identification results of lithogy of well Q22

4 岩性识别方法的现场应用

利用现场测量的XRF资料，使用本文中述及的方法，对6000余个现场实际岩屑样品数据进行了处理，岩性判别结果如表3所示。

由表3可见，3种岩性判别方法的岩性符合率均大于65%，可用于现场判别岩性。从表中不同分析方法的统计结果数据可以看出，利用综合判别法砂岩的岩性符合率提高5%～7%，泥岩的符合率提高4%～5%，其他岩性的解释符合率也都有不同程度的提高，综合判别法平均可提高岩性判别符合率约3%～5%，这对现场岩性识别是相当可观的。

5 结论

(1)XRF测量的元素含量与岩屑中矿物含量具有相关性，Si、Al、Fe等元素含量与GR测井曲线存在相关性。

(2)通过XRF测量数据可计算岩屑中的砂泥质含量，并可用于判别砂泥岩剖面的岩性;相同岩性的XRF谱图具有相似性，利用这种相似性可判别岩性。

(3)现场资料验证综合判别法平均可提高岩性判别符合率3%～5%。

［1］朱根庆，何国贤，康永贵.X射线荧光录井资料基本解释方法［J］.录井工程，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.

［2］李一超，李春山，何国贤.X射线荧光分析在岩屑录井中的应用［J］.岩石矿物学杂志，2009，28(1):58-68.LI Yi-chao，LI Chun-shan，HE Guo-xian.The application of XRF analysis to logging［J］.Acta Petrologica et Mineralogica，2009，28(1):58-68.

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［5］别列雷曼A H.地球的化学成分［M］.王集源，译.北京:地质出版社，1981.

［6］李一超，李春山，刘德伦.X射线荧光岩屑录井技术［J］.录井工程，2008，19(1):1-8.LI Yi-chao，LI Chun-shan，LIU De-lun.The technology of X ray fluorescence cutting logging［J］.Mud Logging Engineering，2008，19(1):1-8.

［7］何国贤，陈英毅，周天顺，等.X射线荧光岩屑录井可行性试验研究［J］.录井工程，2008，19(2):10-12，40.HE Guo-xian，CHEN Ying-yi，ZHOU Tian-shun，et al.The feasibility test and study of X ray fluoresecene cutting logging［J］.Mud Logging Engineering，2008，19(2):10-12，40.

(编辑 徐会永)

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

中国石油化工股份有限公司项目(P08001)

李春山(1964－)，男(汉族)，四川德阳人，副教授，博士研究生，主要从事钻井、综合录井方面的技术研究和软件开发。

1673-5005(2011)06-0066-05