ECS元素测井技术在非常规储层评价中的应用

龚劲松，杨鸣宇，王 静，徐 晨

（中国石化华东石油工程公司测井分公司，江苏 扬州 225007）

识别地层岩性并计算矿物含量是用测井资料进行储层评价的基础。对常规砂岩储层而言，利用自然伽马或自然电位曲线就可以对储层进行划分并较准确地计算砂岩矿物含量；但随着火山岩、煤岩、页岩等复杂岩性油气藏及非常规油气藏的不断出现，利用常规测井资料进行岩性评价的难度越来越大。针对复杂岩性及非常规油气藏岩性评价出现的困难，斯伦贝谢公司在二十世纪末推出ECS元素测井技术（Elemental Capture Spectroscopy)，通过获取地层俘获伽马能谱信息推导地层元素信息进而预测地层岩性信息，从岩石化学成分角度为复杂岩性油气藏的评价开辟了一条新的道路。

本世纪初，ECS测井引进到国内后，在王庄油田[1]、西江油田[2]、塔里木油田[3]、长庆油田[4]等诸多油田得到了广泛的应用，近年来随着煤层气、页岩气等非常规油气藏的兴起，ECS测井技术在非常规储层的地质与工程评价中发挥了重要作用。

1 ECS元素测井技术简介

ECS地层元素测井仪由Am-Be中子源、BGO晶体探测器、光电倍增管、高压放大电子线路等部分构成。测井过程中，由Am-Be中子源发出能量为0～8 MeV（平均4 MeV）的快中子，快中子首先与地层中C，O，Si，Ca，Fe，Mg等元素发生非弹性散射反应，并在多次散射后逐渐减速形成热中子，热中子被原子核所俘获产生特征俘获伽马射线，用BGO晶体探测器可以探测并记录这些俘获伽马能谱。

对测量的累计伽马射线谱进行分析称做剥谱，剥谱通过设不同的能量窗口进行处理，将测量的数据去拟合一系列的标准谱，拟合的结果就是地层中硅（Si)、钙（Ca)、铁（Fe)、硫（S）、钛（Ti)、钆（Gd）等元素的相对含量。其中Si主要与石英关系密切，Ca与方解石和白云石密切相关，利用S和Ca可以计算石膏的含量，Fe与黄铁矿和菱铁矿等有关系，铝元素与黏土（高岭石、伊利石、蒙脱石、绿泥石、海绿石等）含量密切相关，由于铝元素的测量比较困难且代价很高，通过大量的实验发现，元素Si、Ca、Fe与铝的含量关系非常好，因此，ECS是通过Si、Ca、Fe等元素来计算黏土矿物的含量，Ti元素与黏土矿物的含量有关系，对于元素Gd的测量，考虑到一方面该元素的中子俘获截面非常大，远远大于其他元素的俘获截面，另一方面与黏土矿物和一些重矿物的含量有一定关系。将元素相对含量转换成元素绝对含量是通过氧闭合技术，氧闭合技术所用的模型是经过岩心分析和测井数据检验的。最后利用经验关系式由元素绝对百分比含量得到矿物的体积，该关系式建立在大量的岩心分析数据基础之上。有关ECS数据处理流程如图1所示。

图1 ECS数据处理流程图Fig.1 ECS data processing flow diagram

2 ECS测井技术在煤层气储层评价中的应用

煤是一种固态可燃有机岩，由有机质、混入的无机矿物质及孔隙—裂隙中的水和气体三部分组成，是一个多相的孔隙—裂隙系统，通常称为煤的三相体系[5]。三相体系相互联系，随着三相物质质量和体积的比例不同，煤的物理性质、化学性质、煤储层特征和工程力学特征也就不同。煤岩在常规测井曲线上一般显示为低伽马、高电阻率、高时差、高中子、低密度特征，所以用常规测井曲线也可较好地进行煤层划分，但常规测井曲线在计算煤岩组分含量时存在较大困难，而ECS测井技术在煤的工业分析计算等煤储层评价中具有独特的作用。

2.1 岩性识别与划分

不同岩性地层所含矿物含量、元素含量差别较大，ECS测井通过获取地层元素含量进行地层矿物含量的计算并据此划分地层岩性，图2所示为山西延*井的ECS测井成果图，该图所指示的地层岩性有四种，砂岩、泥岩、灰岩、煤岩。不同岩性地层其元素含量变化具有如下特点：

1）砂岩：硅含量高、铁含量低、铝含量低；

2）泥岩：硅含量低、铁含量高、铝含量高；

3）灰岩：硅含量低、铝含量低、钙含量高；

4）煤层：硅含量低、铁含量低、铝含量低。

图2 延*井ECS测井成果图Fig.2 ECS logging results of well Yan*

由图2可见，1 202.5～1 206 m，1 207～1 209.5 m和1 230～1 259 m呈低铝、低硅、高钙特征，主要为灰岩地层。1 168.5～1 174 m呈低铝、低硅、低钙特征，为煤层。1 215～1 230 m地层铁元素含量较高，反映地层含黄铁矿，这不仅解释了该处常规测井的高密度异常现象，同时有效指示了较弱的水动力条件和低能的还原沉积环境。

2.2 煤的工业分析含量计算与煤阶确定

煤的工业分析也叫技术分析或实用分析，包括煤中水分、灰分、挥发分的测定及固定碳的计算。进行煤层气储层评价时，一般先进行煤的工业分析，以大致了解煤的基本化学性质。

ECS计算煤的工业分析含量首先通过硅、铁、铝等元素含量计算灰分含量，然后通过实验分析数据确定灰分与水分、挥发分、固定碳的相关关系公式，进而计算水分、挥发分、固定碳的含量。通过回归分析得出的延*井灰分与固定碳、水分、挥发分关系式见图3。由图3可见，煤的灰分含量与固定碳含量有很好的相关性，与挥发分有较好的相关性，与水分的相关性相对较差。根据回归公式计算的工业分析含量数据与实验分析数据对比见表1。

图3 延*井煤层灰分与固定碳、挥发分、水分交会图Fig.3 Cross plot of coal ash content and fixed carbon,residual liquid,water content in well Yan*

表1 延*井主力煤层实验测试、ECS计算工业分析对比Table 1 Main coalbed experimental test and contrastive analysis of ECS computing industry in well Yan*%

确定煤的工业分析含量后，通过固定碳/（挥发分＋固定碳）计算煤阶指数，给定不同的阈值划分煤阶（表2），根据计算该地区煤层煤阶指数为0.838～0.854，为焦煤—瘦煤，与实验分析结果基本一致。

表2 斯伦贝谢煤层煤阶划分Table 2 Coal rank division of Schlumberger coalbed

2.3 确定地层岩石骨架参数

确定地层岩石骨架参数对测井解释而言极为重要也极其困难。相同的岩性，其骨架参数也有可能是不同的。常规测井只能通过统计分析的方法确定岩石的骨架参数，并在单井中应用不变的骨架参数。ECS能够测量地层的元素含量，并结合实验室岩心分析，从而确定岩石的各种骨架参数，包括骨架密度、骨架中子、骨架光电吸收截面、骨架俘获截面等。图4左道红线所示为延*井骨架密度值，根据该曲线分析砂泥岩层段骨架密度分布范围为2.62～2.74 g/cm3，平均值为2.685 g/cm3；煤层骨架密度分布范围为 1.48～1.54 g/cm3，平均值为 1.511 g/cm3。根据获得的骨架密度值，可以精确计算储层孔隙度值。

图4 延*井ECS测井成果图Fig.4 ECS logging results of well Yan*

2.4 其它应用

ECS测井技术在煤层气评价的其它方面也有广泛的应用：如通过ECS测井解释获得的灰分含量可以对煤层裂缝发育程度作出定性评价；通过地层中特征元素的比较进行井间地层对比；通过确定地层中碳酸盐岩含量制定合适的储层改造措施等。

3 ECS测井技术在页岩气储层评价中的应用

页岩是由粒径＜0.003 9 mm的细粒碎屑、黏土、有机质等组成的具页状或薄片状层理、容易破碎的一类沉积岩[6]。页岩在自然界分布广泛，其类型众多，有黑色页岩、炭质页岩、硅质页岩、铁质页岩、钙质页岩。矿物成分复杂，碎屑矿物包括石英、长石、方解石；黏土矿物有高岭石、蒙脱石、水云母等。碎屑矿物和黏土矿物含量不同导致页岩差异明显。页岩在常规测井曲线一般呈高伽马、中高电阻率、高时差、低密度特征，利用常规测井曲线可以较好的对页岩层进行划分，但常规测井曲线在计算页岩复杂的矿物含量方面困难较大，对此，ECS测井技术在页岩气评价中有着独特的作用。

3.1 岩性识别及划分

图5为黄*井ECS测井成果图。由图5可见，黄*井500～1 593 m呈低铝、低硅、高钙特征，反映地层主要为灰岩；1 593～2 265 m呈高铝、高硅、低钙，该段常规自然伽马测井呈相对高值，常规测井解释为泥岩，ECS测井反映硅、铝含量均较高，反映地层为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，ECS测井解释与地质录井更为一致；2 265～2 307 m呈低铝、低硅、高钙特征，反映地层为碳酸盐岩；2 320～2 420 m呈中铝、高硅、低钙、中铁特征，反映地层主要为页岩；2 434～2 469 m呈低铝、低硅、高钙特征，反映地层为碳酸盐岩。

3.2 矿物含量计算

图5 黄*井ECS测井成果图Fig.5 ECS logging results of well Huang*

页岩类型多、矿物成分复杂多样，仅依靠常规测井资料计算矿物含量存在较大的困难，ECS测井技术通过钙元素作为指示元素计算碳酸盐岩含量，通过硫、钙作为指示元素计算蒸发岩含量，通过硅、铝、铁作为指示元素计算黏土含量，最后用100减去以上三种矿物含量作为砂岩含量，从而得出页岩各组分含量。根据该方法计算湘*井地层矿物含量与实验分析数据对比情况见图6。

图6 湘*井ECS、实验分析矿物含量对比图Fig.6 Comparison diagram of mineral content analysis by ECS and experiment in well Xiang*

由图6可见，通过ECS计算页岩矿物含量与实验分析矿物含量对比误差较小，反映ECS测井解释页岩矿物含量具有较高的可靠性。

3.3 确定岩石骨架参数

确定包括页岩在内的地层岩石骨架参数对孔隙度、含气量、含气饱和度等参数的计算至关重要，ECS通过测量地层的元素含量，并结合实验室岩心分析，从而确定岩石的各种骨架参数。图7左道红线所示为湘*井骨架密度值，根据该曲线分析砂泥岩层段骨架密度分布范围为2.39～2.58 g/cm3，平均值为2.43 g/cm3。根据骨架密度值可以精确计算储层孔隙度。

图7 湘*井ECS测井评价成果图Fig.7 ECS logging evaluation design sketch of well Xiang*

3.4 其它应用

ECS测井资料在页岩气储层评价中还有着多方面的应用，例如通过处理得出的黏土矿物成分可确定地层沉积相：因为陆相沉积主要黏土矿物为高岭石和蒙脱石，海相沉积主要黏土矿物是伊利石和海绿石，因而根据这几种矿物含量的变化，可确定地层的沉积相。同样，因为黄铁矿(FeS)是还原环境的典型沉积产物，如果所测地层普遍含有黄铁矿，则可确定地层为水体较深的还原沉积环境。利用元素俘获谱测井提供的矿物含量类型还能够很好地估算地层的渗透率。此外，ECS测井还能够为后期工程施工、储层损害评价等提供参考资料。

4 认识与结论

从自然伽马能谱测井以剥谱方式得到地层钾、铀、钍含量开创元素测井的先河以来，元素测井技术得到了快速的发展，其应用范围也不断拓展。特别是ECS元素测井技术的推出，为煤岩、页岩等非常规储层在划分地层岩性、确定地层元素含量、计算矿物含量、计算岩石骨架参数、沉积相确定、井间地层对比、储层压裂设计及损害评价等方面提供了重要的资料；但ECS测井仪器存在探测器耐温性能差、采集地层信息较为单一且仅对部分俘获谱进行解谱的问题，对煤岩、页岩中的有机碳含量也不能直接获取，一定程度上制约了其应用。

[1]袁祖贵，楚泽涵.一种新的测井方法(ECS)在王庄稠油油藏中的应用[J].核电子学与探测技术，2003，23（5）：417-420.

[2]王功军，王冬梅，陈小波，等.ECS测井及其在西江油田的应用[J].石油天然气学报，2011，33（7）：101-103.

[3]刘应华，赵军，胡洪，等.ECS在塔里木复杂地层中的应用[J].国外测井技术，2008，168（6）：21-23.

[4]侯雨庭，李高仁.元素俘获谱测井在长庆天然气勘探中的应用[J].中国石油勘探，2005,8（3）：46-49.

[5]孟召平，田永东，李国富.煤层气开发地质学理论与方法[M].北京：科学出版社，2010.

[6]邹才能.非常规油气地质[M].北京：地质出版社，2011.