运用测井资料进行K2O视含量计算方法研究

2012-08-20陈科贵李春梅西南石油大学资源与环境学院四川成都610500

石油天然气学报 2012年3期

陈科贵，李春梅（西南石油大学资源与环境学院，四川成都610500）

张杰，吴迎章（西南石油大学电气信息学院，四川成都610500）

李航（西南石油大学资源与环境学院，四川成都610500）

钾盐是生产钾肥的重要资源，我国是一个农业大国，对钾肥的需求量十分巨大。可溶性钾盐一般深埋地下几千米，难于直接在地表发现露头，很多是在油气勘探过程中发现的，油盐兼探已成为一种趋势。目前，我国发现的钾盐主要分布于青海盐湖区、新疆盐湖区、西藏盐湖区、四川盆地以及云南思茅盆地等。其中，青海盐湖区、西藏盐湖区、云南思茅盆地、鄂尔多斯盆地以寻找固体钾盐矿床为主；新疆盐湖区，在罗布泊以及四川盆地主要以寻找大型卤水钾矿为主[1，2]。测井资料的丰富以及钾盐层的放射性异常奠定了石油测井资料在找钾盐矿中的地位。对于钾盐的研究，目前使用较多且效果良好的是自然伽马能谱测井，它能够较好地区分钾盐层、泥质钾盐层和泥岩层[3]，结合井径测井资料还可以有效地计算出地层中总的K2O视含量（指重量百分含量）。但其不足之处在于不能区分钾盐矿物的种类，计算出的K2O视含量中包含了泥岩中钾的贡献，不能准确反映纯钾盐的贡献。此外，在利用自然伽马能谱测井资料进行K2O视含量计算时需要确定多个参数，比较繁琐，影响其准确性。该次研究中，笔者利用声波时差测井、密度测井、视石灰岩孔隙度测井、自然伽马测井等进行组合，不仅可以有效地识别出常见盐类矿物的种类，而且还能求解出地层中总的K2O视含量以及不同矿物各自的K2O视含量，排除泥岩中K2O的干扰，得到纯钾盐的贡献，弥补能谱测井在钾盐半定量、定量解释中的不足之处。在众多钾盐矿物中，K2O视含量高、溶解度高且普遍存在、易于开采的钾盐矿物主要为钾石盐和光卤石，具有极高的经济价值。通过常规测井组合，识别出钾盐矿物，计算出各矿物的K2O视含量以及地层中总的K2O视含量，与《矿产工业要求参考手册》中钾盐开采的品位要求相对比，判定其是否具有开采价值。

1 研究思路

在了解钾盐矿物类型的基础上，利用组合测井资料，根据各矿物岩石的测井特征，对蒸发岩地层进行岩性识别。再根据地层中盐类岩石的种类，建立相应的体积物理模型，由纯度计算公式得到地层的含泥质情况，并进一步选取合适的测井曲线建立矩阵关系式。通过数学变换，选取合适的参数，在已知各常规测井值的情况下，对矩阵进行求解，得到各矿物的相对体积，进而求出地层中总的K2O视含量、各矿物的K2O视含量以及钾盐的K2O视含量。

2 钾盐矿物类型及测井特征

钾盐按溶解度分为可溶性钾盐、非可溶性钾盐和液态钾盐。可溶性钾盐矿物主要以氯化物及硫酸盐的形式存在，这类矿石主要有钾石盐、光卤石、钾盐镁钒、无水钾盐镁钒以及杂卤石（难溶矿物）等；非可溶性钾盐常以硅酸盐、铝硅酸盐的形式存在；液态钾盐主要是高矿化度的含钾卤水[4]。石盐、石膏、硬石膏常与钾盐伴生，是寻找钾盐层的重要标志。石盐、石膏、硬石膏属于非放射性的；钾石盐、光卤石、杂卤石属于放射性的。钾石盐和光卤石是钾盐找矿的主要对象[5]。以下为矿物的测井曲线特征。

2.1 石盐

纯石盐层不具有放射性，易溶解，密度大，其自然伽马曲线显示低值；井径出现扩径；声波时差低值；纯的石盐层电阻率极高，孔隙度极低，但在微侧向电阻率曲线上，由于受扩径影响，井内泥浆增多，为低值；中子伽马读数显示为高值。随着泥质含量的增加，其自然伽马值升高、声波时差增大、电阻率降低、中子伽马读数减小[5～7]。

2.2 石膏、硬石膏

石膏与硬石膏都为难溶矿物，硬石膏在地表条件下可以水化成石膏，石膏也可以脱水转变为硬石膏。二者共同的测井曲线特征为：自然伽马低值；无扩径或者轻微扩径。不同点在于硬石膏电阻率极高，石膏相对而言较低；石膏含氢而硬石膏不含氢，所以中子伽马石膏读数显示为低值，硬石膏显示为中等值；硬石膏的密度非常大，也可以利用密度测井将二者进行区分[5]。

2.3 杂卤石

杂卤石是一种电阻率极高的难溶钾盐矿物，含有结晶水。它的主要测井曲线特征为：井径不出现扩大；电阻率高值；自然伽马高值；中子伽马读数低[5，7]。杂卤石工业价值极低，其含量高会降低矿藏价值。

2.4 钾石盐、光卤石

钾石盐和光卤石是最常见的易溶钾盐矿物，是钾盐找矿的主要对象。它们共同的测井曲线特征为：井径扩大（与石盐层相似）；自然伽马高值；声波时差低值（与石盐层相近）；电阻率高值。不同点在于：光卤石含氢指数高而钾石盐不含氢；钾石盐含氯较高，所以钾石盐中子伽马读数显示高值而光卤石读数显示低值；除此之外，由于钾石盐的密度比光卤石高，也可用密度测井对二者进行区分[5，7，8]。

3 钾盐纯度判别

3.1 测井曲线幅度差判别法

对于钾盐层，其电阻率（三侧向电阻率测井、双侧向电阻率测井、七侧向电阻率测井）为高值；但对于微侧向电阻率测井来说，由于易溶钾盐层段通常出现井径扩大，微侧向的电极板不能很好地压向井壁，造成电阻率读数为低值（反映泥浆电阻率），声波时差低值。泥岩层的电阻率为低值，声波时差高值。在泥岩层段将电阻率曲线和声波时差曲线进行重叠，则会在钾盐层出现重叠，重叠的幅度差越大，钾盐的纯度越高。选用电阻率曲线及声波时差曲线进行重叠的优点在于这2种测井方法受井眼影响较小，同时三侧向电阻率测井具有较强的分层能力，能划分出高阻薄层。

3.2 声波时差判别法

对于纯钾盐层来说，其实测声波时差测井值应等于骨架声波时差测井值。当钾盐层含有泥质时，实测声波时差测井值不等于骨架声波时差测井值。从而根据实际测井值与岩石骨架测井值可以对钾盐进行纯度判断。关系式为：

式中，Δtch为用声波时差测井值求得的岩层的钾盐纯度；Δt为实测声波时差测井值，μs/m；Δtma为岩石骨架的声波时差测井值，μs/m。

由式（1）可知，当岩层为纯钾盐层时，Δt＝Δtma，Δtch＝1；当岩层含有泥质时，Δt＞Δtma，Δtch＜1，泥质含量越高，Δtch越小，岩层的钾盐纯度越低[6]。当实测声波时差测井值大于2Δtma时，由于泥质含量过高而使钾盐层不具备工业开采价值，所以只探讨Δtma≤Δt＜2Δtma的情况。

根据以上的方法，可以了解钾盐的泥质含量情况。

4 K2O视含量计算

4.1 方法原理

在识别出矿物类型的基础上，根据钾盐的纯度判别公式，可以判断出钾盐层中是否含有泥质，再根据矿物的种类、数量，建立起相应的体积物理模型。选取合适的测井曲线建立矩阵，并选择合适的参数对矩阵进行求解，从而求出各矿物的相对体积，进一步求出地层中总的K2O视含量、各矿物的K2O视含量以及钾盐的K2O视含量。

假设地层含有m种矿物，则可建立起如图1所示的体积物理模型。

根据物质平衡方程有：

图1 钾盐层体积物理模型

式中，Vi为第i种矿物的相对体积。

在油气勘探过程中，鉴别盐类岩石常用的测井曲线主要有声波时差、密度、视石灰岩孔隙度及自然伽马，它们各自的测井响应方程如下。

声波时差测井响应方程：

密度测井响应方程：

视石灰岩孔隙度测井响应方程：

自然伽马测井响应方程：

式中，ρ为实测密度测井值，g/cm3；N为实测视石灰岩孔隙度值，%；GR 为实测自然伽马测井值，API；Δti为第i种矿物的声波时差测井值，μs/m；ρi为第i种矿物的密度测井值，g/cm3；Ni为第i种矿物的视石灰岩孔隙度值，%；GRi为第i种矿物的自然伽马测井值，API。

式（3）～（6）可用矩阵表示[9]：

式中，A为由各种测井方法测得的实际测井响应所构成的m×1矩阵；B为骨架矿物的声波时差测井、密度测井、视石灰岩孔隙度测井以及自然伽马测井响应值构成的m×m矩阵；V为各矿物的相对体积所构成的m×1矩阵。

在式（7）两边同时左乘B－1，便可求得各矿物的相对体积：

对于由不同岩性岩石组成的围岩，核测井仪的响应（自然伽马测井、视石灰岩孔隙度测井、密度测井）以及声波测井仪的测井响应基本上是呈线性分布的，其总响应为各部分响应之和[9]。于是有：

式中，ki为第i种矿物的K2O视含量，%；k粘土为粘土中K2O视含量，%；ρ粘土为粘土的密度，g/cm3；V粘土为粘土的相对体积，%。

由以上公式知，在已知各实测测井响应值和各矿物的测井响应值的情况下，便可求出地层中总的K2O视含量、各矿物的K2O视含量以及钾盐的K2O视含量。

4.2 方法限制

1）由于只有核测井仪（自然伽马测井、视石灰岩孔隙度测井、密度测井）以及声波测井仪的测井响应才呈线性分布，再加上物质平衡方程，最多只能建立5个未知量的五元方程组（即5个组分的相对体积Vi），预测出5种矿物的K2O视含量。

2）由于不溶物质的钾含量变化大，用上述方法求解出的结果存在一定误差，不能很好地反映地层不溶物质的情况。

5 实例分析

某工区钾盐层含4种矿物，分别是石盐、钾石盐、光卤石和不溶物质。选择声波时差、密度以及视石灰岩孔隙度测井进行计算。假设它们各自的相对体积分别为石盐V1、钾石盐V2、光卤石V3、粘土V4。根据式（2）和式（7）可以得出：

各矿物的测井响应值分别为：石盐的声波时差Δt1＝220μs/m，密度ρ1＝2.165g/cm3，视石灰岩孔隙度N1＝ 0%；钾石盐 Δt2＝ 243μs/m，ρ2＝ 1.984g/cm3，N2＝ 0%；光卤石 Δt3＝ 256μs/m，ρ3＝1.61g/cm3，N3＝65%。粘土参数与压实程度、含氢情况等有关，需视各地区的实际情况而定，可以通过统计资料获得：粘土的声波时差Δt4＝360μs/m，密度ρ4＝2.25g/cm3，视石灰岩孔隙度N4＝30%。

由以上参数可知：

运用计算机求出：

根据式（8）可以得出：

在以上几种矿物中，含有钾元素的只有钾石盐、光卤石和粘土，而与石盐无关（石盐不含有钾元素），所以k1＝0。根据戈斯密佛的报告中指出，钾盐矿物对天然伽马射线的理论反应是1%的K2O具有16API的伽马射线，因此，钾石盐伽马射线为1008API，换算成K2O视含量k2＝63%；光卤石伽马射线为272API，换算成K2O视含量k3＝17%[2]。k4由该地区的岩心分析资料得到，k4＝6.4%。则根据式（10）有：

根据式（9）有：

在钾盐勘探过程中，工业价值较高的主要为钾石盐和光卤石，因此有：

由该地区的实际测井资料知，Δt＝235μs/m、ρ＝2.09g/cm3、N＝4.5%，从而由式（15）可算出：V1＝0.6223、V2＝0.29、V3＝0.0401、V4＝0.0477；进而由式（16）～（19）可算出：K2O（钾石盐）＝17.34%、K2O（光卤石）＝0.52%、K2O（钾盐）＝17.86%、K2O（总计）＝18.19%。