元素俘获测井在库车深层致密砂岩中的应用

康晓楠, 肖承文, 信毅, 周磊, 陈强, 李晓龙, 罗伟平

(中国石油塔里木油田勘探开发研究院, 新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

随着库车地区天然气勘探不断深入,A、B等构造下第三系-白垩系致密裂缝性砂砾岩储层已经成为油气勘探的重要对象。深层致密砂岩储层非均质性强,岩性复杂、且具有低孔隙度低渗透率和双重孔隙介质特点,其测井解释和参数的定量评价是当前国内外关注的技术难题。本文结合元素俘获测井(ECS)方法认识库车地区岩性、矿物组分和地层孔隙度等信息。通过对库车前陆盆地深层7口井的已知数据的验证,求取了塔里木盆地库车深层致密砂岩地层的储层参数。

1 ECS测井解释模型及应用

1.1 ECS测井原理与应用

元素俘获测井[1-4](ECS)测量记录非弹性散射与俘获时产生的瞬发γ射线,利用剥谱分析直接得到地层Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等元素的相对产额,通过氧化物闭合模型获得地层元素干重(干地层中元素的质量含量),利用聚类因子分析和岩性解释可定量得到地层的矿物含量,从而较准确地得到储层骨架的岩性。

Si是石英、长石、黏土矿物中的主要元素,Ca反映碳酸盐岩(白云石与方解石)的含量,Al元素反映黏土矿物(高岭石、伊利石、绿泥石等)含量,S、Fe元素能反映地层中黄铁矿的含量,结合Ca和S元素可以计算出石膏的含量。

ECS测井提供包括Si、Ca、Fe、Al、S、Ti、Gd等主要造岩元素的百分含量;其解释结果包括SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、FeO、Fe2O3、CaCO3、TiO2、CaSO4、FeS2等各种氧化物的百分含量。不同地区、不同地层指示岩性的主要矿物类型不同。

1.2 ECS资料解释模型与原理

1.2.1 氧化物闭合模型

氧化物闭合模型[2-4]是斯伦贝谢公司应用的一种计算元素百分含量的方法。其核心是用独立的方式对通过热中子俘获反应测得的每种元素放出的特征伽马射线相对产额重新归一化,从而求得每种元素的百分含量。显著特点是不受井眼环境影响。该方法提出组成矿物的氧化物、碳酸盐含量百分数之和为1(或元素氧化物的干重之和为1)。该闭合模型的优点是测量中不涉及C和O元素;同时,通过每一深度点的特定闭合方程,求得该深度点的归一化因子。元素相对产额与元素百分含量的关系为

(1)

式中,F为随深度变化的归一化因子;Yi为元素i的相对产额;Si为元素i的探测灵敏度因子;Wi为元素i的百分含量。归一化因子F满足闭合条件,即所有元素氧化物的质量百分数之和为1。

在所测量到的元素当中,S元素和Fe元素在地层当中以FeS2、Fe2O3、CaSO4等多种形式存在于不同矿物当中,硫和铁元素的氧化物指数比较独特,要根据它们的存在形式而确定。因此,解释模型的确定要结合实际的地质特征选择。

一般由实测俘获伽马射线能谱与元素的标准谱通过最小二乘拟合来确定各元素的相对产额;元素含量不但与该元素的相对产额有关,还与该元素探测灵敏度因子有关;当测量的各元素能够完备地描述岩石矿物种类时,即可确定出归一化因子;利用氧化物闭合模型,最终计算结果是干骨架中各主要元素的质量百分含量。

1.2.2 地层元素含量与矿物含量的关系建模

由于矿物与元素之间有着强烈的相互制约关系[1],要把元素含量转换成矿物含量,关键是确定元素含量与矿物含量之间的数学关系式。在矿物组成元素稳定的情况下,斯伦贝谢公司应用因子分析数学统计法对取自世界各地的岩心的元素和矿物资料进行分析研究,归纳出了通用的矿物含量与元素含量关系的公式。

地层元素含量与矿物含量之间关系密切,在确定两者的关系时必须考虑2点[2]:①测量的元素必须是被鉴别地层矿物中的主要指示元素,要满足此条件,元素在矿物中的相对含量应比较稳定;②被确定的矿物数目不能超过被测量的元素数目。用地层化学元素含量能够精确估算矿物丰度,但要求模型中矿物中元素含量不仅相对稳定,而且具有特征性。

1.2.3 基于元素俘获测井的储层孔隙度计算方法

利用元素俘获测井求取地层矿物体积含量,结合常规密度测井资料,可以联合求解地层孔隙度。常规测井方法确定孔隙度时认为岩石骨架密度值不变,而元素俘获测井根据矿物成分和含量计算密度值,该值是随着矿物成分及含量的不同而不同,这样通过密度孔隙度计算公式,可以得到更精确的总孔隙度。首先,估算岩石骨架密度值。因为岩石骨架的密度值受到碳酸盐岩、黄铁矿和绿泥石的严重影响,元素俘获谱测井可以获得Si、Ca、Fe、S等矿物特征指示元素,根据元素含量将其转化为矿物含量,而每种矿物都有其特定的骨架值[5-11],岩石骨架密度值是各种矿物骨架值的线性组合,确定岩石骨架密度ρma,可以用公式(2)表示

(2)

式中,ρma为岩石总骨架密度值,g/cm3;ρi是第i种矿物的骨架值,g/cm3;Mi是第i种矿物的含量。

利用上述方法,依据各种矿物的含量和骨架密度,估算得到随着矿物成分及含量的变化而变化的岩石骨架密度值,这样累加得到的岩石骨架密度值,是在地层孔隙为0时求得的地层密度数值;然而,实际地层没有不含孔隙度的,所以应该求得带有孔隙度的地层密度值。因此,本文建立了地层体积模型,根据体积模型求得地层孔隙度。一般把储层的体积模型分为岩石骨架和孔隙流体2部分。全新的孔隙度解释模型由岩石体积密度、流体密度和岩石骨架密度组合建立[5]

(3)

式中,φ是地层孔隙度;ρf为地层流体密度值,g/cm3;ρb为常规密度测井值,g/cm3;ρma是ECS计算的骨架密度值,g/cm3。

在该模型中,地层总岩石骨架密度值ρma是动态变化的,随着地层深度和矿物种类的变化而变化,所以基于元素俘获测井计算的孔隙度值更为精确、合理。

1.3 目标区域岩石矿物组分选择

表1为研究区7口井岩石薄片及全岩矿物分析矿物含量统计表。表1表明该区域为砂岩储集层,矿物成分主要是石英、长石、白云石、泥质、方解石、石膏和黄铁矿等。由于使用矿物闭合模型,在解释中如果选错矿物模型组合,就会造成矿物含量解释偏差。

表1 研究区7口井岩石薄片及全岩矿物分析矿物含量统计表(%)

岩石薄片分析显示,除克深F井局部层段未见到明显黄铁矿矿物,其他各井黄铁矿较明显,如克深A井岩心和岩心分析薄片37块,全部明显见石英组分,含量40%～55%;15块明显观察到石膏组分,含量5%以下;8块明显含黄铁矿矿物,含量3%～14%。另一方面,各井资料显示,石膏的含量也比较低。对比分析7口井的薄片资料,除黏土外,特殊胶结物组分中,石英和长石是主要组分;石膏在岩屑录井中普遍观察到,岩心岩石薄片中也比较常见,是比较重要的特殊组分。

2 ECS在库车深层致密砂岩中的应用

2.1 利用ECS测井技术识别岩性

研究区域有ECS测井资料7口。ECS测量结果提供了Si、Ca、Fe、Al、S、Ti等主要元素的含量,并解释了黏土、方解石、石膏、黄铁矿、石英等矿物的比例[12-16]。

从目标区域ECS资料解释情况分析看,由于解释人员对区域矿物模型的选择不够稳定,造成解释中认识的矿物特征与实际地质特征不尽吻合。但是,测量的主要元素组分是比较可靠的,可以基于这些信息对岩石矿物组分进行重新解释和评价。

ECS测井探测岩石中Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd等重要元素,通过矿物闭合模型预测骨架的岩性。研究区域目的层段中,石英、长石、黏土、碳酸盐岩、石膏、黄铁矿是比较常见的矿物。

图1是克深A井ECS测井解释成果图。第1道是ECS岩性剖面,第2道是深度曲线,第3至第8道分别是铝(Al)、硅(Si)、钙(Ca)、铁(亚铁)、硫(S)和钛(Ti)的元素干重。克深A井ECS评价结果可以看到,硅元素占主导,指示地层岩性主要是砂岩和泥岩。由图1可见,6 811～6 819 m和6 821～6 835 m井段,地层元素含量有以下变化:硅含量高、铁含量低、铝含量也低,指示砂岩地层。6 819～6 821 m井段有硅含量低、铁含量高、铝含量高的特征,主要是泥岩剖面。6 831～6 835 m井段地层含硫元素较多,表明地层含有黄铁矿和石膏。

图2是克深B井ECS测井解释成果图。地层元素主要是钙元素、铁元素和硫元素,指示地层岩性主要是碳酸盐岩(方解石和白云石),并发育有黄铁矿和石膏矿物。

2.2 基于ECS测井技术求取地层孔隙度

首先,计算岩石骨架密度ρma, 它是各种矿物密度值的线性组合;其次,将骨架密度值ρma和常规测井地层密度值ρb代入方程(3),求得储层孔隙度;再使用常规解释方法,用固定骨架密度值求得储层孔隙度[14-16]。将两者求取的孔隙度结果分别与实际岩心孔隙度进行对比分析研究,并绘制对比表格。

图1 克深A井ECS测井解释成果图

图2 克深B井ECS测井解释成果图

图3 克深C井孔隙度对比图 图4 克深D井孔隙度对比图

以克深C井为例说明。表2是1个对比图表,进行对比的3个变量分别是岩心分析孔隙度、ECS计算孔隙度以及常规密度计算孔隙度。经过统计,ECS计算孔隙度与岩心孔隙度相对误差的平均值是6.8%,绝对误差的平均值为0.59;而用常规密度计算孔隙度与岩心孔隙度的平均相对误差为25.7%,平均绝对误差为1.38。可见,相比常规密度计算孔隙度方法,ECS测井技术求取的孔隙度精度更高。

图3和图4是克深C井(6 495～6 520 m井段)和克深D井(6 980～7 005 m井段)孔隙度对比图。在图3和图4中,第1道为深度曲线;第2道为3条密度曲线;第3道为3条孔隙度曲线;第4至第9道为ECS测量得到的元素干重,从左至右分别是铝(Al)、硅(Si)、钙(Ca)、铁(Fe)、硫(S)、Ti(钛)的含量;第10道为ECS分析的岩性剖面。由图3和图4可以看出,利用ECS测井资料计算地层孔隙度与岩心分析孔隙度最接近,而常规密度测井资料计算得到的孔隙度与岩心分析孔隙度对比误差很大,表明ECS测井技术求取地层孔隙度有很高的可靠性。

表2 克深C井孔隙度对比表

3 结 论

(1) ECS测井方法在处理塔里木库车前陆盆地复杂岩性储层上有很大的优势,可以综合多种测井方法,求取多项储层参数,方便有效。

(2) 通过构建岩石矿物体积模型,获得了库车地区7口井的岩石矿物含量,提高孔隙度计算的精确度。

(3) 对于塔里木库车前陆盆地复杂岩性储层,ECS测井技术求取的孔隙度与岩心分析孔隙度最接近。

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