岩性扫描测井技术在青海油田的应用

魏国, 张审琴, 侯淞译

(1.斯伦贝谢中国公司, 北京 100015; 2.中国石油青海油田勘探事业部, 甘肃 敦煌 736200;3.中国石油煤层气有限责任公司, 北京 100028)

0 引 言

20世纪末推出的元素俘获谱测井在页岩气勘探和评价中起到了重要的作用,但也存在一些局限。能谱测量对认识复杂油气藏岩石和非常规油气区块评价至关重要。井下能谱测井仪器在20世纪80年代便被研制出并进行应用。近期研发的岩性扫描(LithoScanner)高分辨率能谱测井所获得元素和矿物的精度及准确性超过了以前所有仪器,其主要改进在于可测量的元素更多,包括了对碳元素的精确测量,可直接评价总有机碳含量。2013年该仪器进入中国油田服务市场。本文在介绍岩性扫描测井仪器的基础上,分析了它在青海油田的应用尝试,给出了初步的应用结论。

1 岩性扫描测井技术

岩性扫描测井的测量信号是地层中由中子诱发不同元素产生的伽马射线,通过解谱、氧闭合技术得到干骨架元素重量分数,在此基础上利用最优化程序通过从元素含量得到地层中矿物的含量,实现复杂矿物成分和岩性的准确评价。

岩性测井扫描仪采用了脉冲中子源提供高强度、高能量可控的快中子,实现了非弹性散射和俘获伽马谱的测量。同一种元素其非弹性散射伽马谱与俘获伽马谱不同。岩性扫描用俘获伽马射线确定的元素主要包括铝、钙、铁、钆、钾、硫、硅和钛,同时还包括钡、氯、氢、镁、锰、钠、铜和镍,非弹性散射伽马谱确定的元素包括碳、镁。方解石和白云石的主要区别在于后者含镁,通过对镁的测量可实现方解石和白云石的区分。精确测量碳元素对确定总有机碳的含量水平起到了重要作用。到目前为止岩性扫描是唯一能够直接测量总有机碳的测井仪器,这与其他通过不同测井曲线,利用已建立的回归公式计算总有机碳的方法相比是质的飞跃。

岩性扫描测井数据的处理解释流程如图1所示。第1步是现场采集俘获与非弹性散射伽马谱。第2步剥谱,通过剥谱得到元素的相对产额。剥谱通过标准谱拟合实测谱实现,标准谱是利用岩性扫描测井仪在实验室根据元素已知的模拟地层中采集得到的伽马谱推导出来的。第3步是把元素的相对产额转换为元素的绝对重量百分比,这一步是利用氧闭合技术实现的,这与前一代的元素俘获测井(ECS)类似,不同之处在于岩性扫描需要同时进行俘获元素产额和非弹元素产额的氧闭合处理。最后一步是解释过程,在已有元素含量的基础上,根据元素的含量选取不同的矿物,利用最优化处理技术得到地层的矿物成分及总有机碳含量。

图1 岩性扫描测井处理流程示意图

2 岩性扫描测井仪

岩性扫描测井仪的测量探头部分[1]见图3,其外径为11.43 cm,比前一代能谱仪器ECS小,该仪器的耐温为175 ℃,耐压为138 MPa。测量部分包含了一个利用氘-氚(D-T)反应的脉冲中子发生器(PNG),发射的中子能量为14 MeV。中子与地层作用产生伽马射线被闪烁晶体管探测器记录。采用钨金属作为屏蔽可减少中子和伽马射线直接从中子源到达探测器。脉冲中子发生器使得准确区分俘获反应和非弹性中子反应成为可能。为了测量非弹性散射反应,中子发生器必须快开快关,从而发射高能中子脉冲。为提高测量精度,脉冲中子发射必须具有明确、可重复的时间谱形状,即每次发射的中子产额持续稳定并相同。包括ECS仪器在内的大多数能谱仪器都能够从非弹性散射反应中探测伽马射线,但不能精确测定元素的产额。有些井下仪器能够获取定性的非弹性散射数据,但是没有针对非弹性散射反应的硬件和测量方法就无法进行定量测量。

岩性扫描测井仪的探测器采用的是掺铈激活的溴化镧晶体,其与高温光电倍增管相耦合(见图2)。溴化镧晶体较快的衰减速度令其具有了高计数率,且在高温下仍能保持光输出量的稳定和极好的能量分辨率。该晶体管的光输出量比基准闪烁晶体——碘化钠晶体高50%。在室温条件下,该晶体的发光效率比BGO晶体高1个数量级。溴化镧闪烁探测器在探测和伽马射线计数率方面取得了重大进步,因此其与高中子产额的PNG结合,大大改善了能谱测井[2]。

图2 岩性扫描测量探头部分示意图

图3 A井岩性扫描结果与岩心(XRD)分析结果对比图

3 岩性扫描测井应用

青海油田ZHQ区块目的层为浅湖与半深湖相沉积,古水体盐度很高,普遍发育薄层的滩、坝砂体及少量的重力流沉积。受沉积环境和物源的控制,目的层矿物成分包括石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、硬石膏和伊利石等,岩性比较复杂,常规测井曲线识别岩性存在很大困难。其中A井是该区块第1口采集岩性扫描测井资料的井,该井在目的层进行了长井段的取心及系统的分析化验。图3为A井岩性扫描测井得到的矿物成分与X射线衍射(XRD)分析结果对比图。自左边分别为岩性道(其中包括了伊利石、石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、硬石膏、黄铁矿DryWeight_QE为优化得到的干重,w/w)、深度道、石英含量对比、方解石含量对比、钠长石含量对比、钾长石含量对比、白云石含量对比、黏土含量对比、石膏含量对比,其中带LS表示是岩性扫描测井结果,全岩代表是岩心分析的结果,单位kg/kg代表是重量百分比。从图3中看到岩性扫描测井得到的主要矿物成分石英、长石、碳酸盐岩及黏土含量都与岩心分析结果有较好的一致性,一方面看到该区块地层岩性确实非常复杂,同时表明岩性扫描测井的结果可信度较高。后续该区块又采集了5口井的岩性扫描测井数据。

图4是区块内B井的岩性扫描与核磁共振测井成果图。中部的砂体厚度为2 m,几乎不含黏土,碳酸盐岩含量也比较低,核磁共振测井显示有效孔隙度为8%,可动流体孔隙度为6%～7%,长T2谱发育,表明以大孔隙为主。测试产油接近40 m3/d。图4也看到砂岩顶部的灰岩段孔隙度小于3%,几乎无可动流体,从较纯的砂岩段向上随碳酸盐岩含量增加,物性逐渐变差。

图4 B井岩性扫描与核磁共振成果图

图5 A井的TOC评价成果图

除了进行岩性的精细评价外,岩性扫描另一优势在于可以评价烃源岩的总有机碳(TOC)含量。其原理是测量得到总碳含量,包括了无机碳和有机碳2部分,其中无机碳主要来自方解石、白云石、铁、白云石等,这些矿物中含碳重量比都是已知的,总碳含量减掉无机碳含量剩下的就是有机碳含量,需要说明的是这里的总有机碳含量包括了油气、沥青等中的碳。

图5是区块内A井的总有机碳含量评价成果图。图5中最右边1道中的绿色线为岩性扫描测井得到的有机碳,红色的杆状线是岩心分析结果,二者的一致性较好,可以看到,该井烃源岩段的总有机碳含量多在1%以下,但岩性扫描测井仍然得到了较为可信的结果。结合电成像测井划分的沉积微相(右数第2道)分析认为该区块内好的烃源岩为半深湖-深湖相沉积的泥岩。在岩性扫描得到的岩性剖面上看到其含有较高的碳酸盐岩,并且具有相对高的铀含量。滨浅湖相的泥岩有机碳含量低,是较差的烃源岩,在岩性扫描测井得到的岩性剖面上表现为碳酸盐岩含量相对低。

4 结论与建议

(1) 岩性扫描测井仪通过采用脉冲中子发生器、溴化镧晶体探测器实现了俘获伽马谱、非弹性散射伽马谱测量。由于其可以解谱得到地层中常见的绝大多数元素,从而实现了复杂矿物成分的岩性评价及烃源岩总有机碳含量的评价。

(2) 青海油田ZHQ区块内岩性扫描测井的处理结果得到了岩心分析结果的验证,展示了岩性扫描测井在非常规复杂岩性储层评价的优势。区块内好的储层为黏土、碳酸盐岩含量都较低的砂岩,储层的物性随黏土、碳酸盐岩含量的增加而急剧变差。半深湖-深湖沉积的富含碳酸盐岩的泥岩是区内好的烃源岩,滨浅湖相的泥岩有机碳含量较低,是比较差的烃源岩。

(3) 岩性扫描测井仪作为新一代的伽马能谱测井仪,在中国刚刚开始试验性应用,目前主要集中在以沉积岩为主的非常规储层中,后续随着在火山岩、变质岩储层中的采集,其应用将近一步拓宽,同时也将遇到较多的问题,比如火成岩中辉石等特殊矿物的评价将给测井解释带来难题。

参考文献:

[1] Radtke R J, Maria Lorente, Bob Adolph. A New Capture and Inelastic SpectroScopy Tool Take Geochemical Logging to the Next Level [C]∥SPWLA 53rd Annual Logging Symposium, 2012(7): 16-20.

[2] Manuel Abound, Bob Badry, Jim Grau, et al. 高分辨率能谱测井-识别复杂矿物 [J]. 油田新技术, 2014, 春季刊: 34-50.