元素测井在页岩气解释评价中的应用

姜艳玲 陈 亮 韩红林 苏 欢 郑小川 罗 利 胡振平

(中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司， 重庆 400021)

元素测井在页岩气解释评价中的应用

姜艳玲 陈 亮 韩红林 苏 欢 郑小川 罗 利 胡振平

(中国石油川庆钻探工程有限公司测井公司， 重庆 400021)

应用元素测井技术可从岩石成分角度准确识别复杂岩性储层的矿物组分及含量，解决常规测井资料难以识别复杂岩性地层矿物成分的问题。通过对元素测井资料处理技术的深入研究，建立了元素测井氧闭合模型、矿物体积含量计算模型；提出了适用于页岩气复杂岩性矿物含量反演的计算方法；开发了处理软件，在页岩气测井解释评价中得到有效应用。

元素测井； 资料处理； 矿物成分； 氧闭合

页岩气藏一般发育于暗色泥页岩、高碳泥页岩及粉砂质地层中[1]，它与常规油气藏的最大差别是矿物成分非常复杂。岩石矿物的存在将影响到吸附气含量大小及页岩气的开采效果。黏土矿物通常具有较大的比表面积和微孔隙体积，对气体的吸附能力较强。碳酸盐矿物和石英碎屑含量增大，会降低岩层对气体的吸附能力，提高岩石脆性，使页岩在外力作用下易形成裂缝，扩大游离态页岩气储集空间[2]。

对于常规油气藏，可采用常规测井资料，应用交会技术或最优化技术确定地层的岩石组分；而对于页岩气地层，由于其岩石成分种类太多，如采用常规测井曲线进行评价，则只能将次要矿物进行合并，计算出种类相对较少的岩石成分。在页岩气储层中，不同矿物的化学性质、岩石物理性质差别很大，必须准确区分，否则将无法正确地指导泥浆配置、射孔井段优选、压裂改造，相关参数的计算也会受到影响。当前亟待研究一种能准确计算地层各种矿物成分的技术。

本次研究将对元素测井技术在页岩气解释评价中的应用进行分析。应用元素测井技术，可“直接测量”地层中的主要元素含量，为准确计算地层的矿物成分做好准备。

1 元素测井原理

目前已实现商业化应用的地层元素测井仪主要有：斯伦贝谢公司于1996年推出的元素俘获谱测井仪器ECS；哈里伯顿公司于2009年推出的测井仪器GEM；贝克休斯公司于2009年推出的使用可控中子源的地层元素测井仪器FLeX[3]。前两款测井仪均采用了同位素中子源。

元素测井原理如下：在测井过程中，通过中子源发射一定能量的快中子，快中子先被靶核吸收形成复核，而后放出一个能量较低的中子，靶核仍处于激发态且常常以发射伽马射线的方式释放出激发能而回到基态，由此产生的伽马射线称为非弹性散射伽马射线。不同原子核发生非弹性散射的反应截面和放出的伽马射线能量不同，地层中与快中子发生非弹性散射的主要有C、O、Si、Ca、Fe等元素的原子核。快中子经过一系列的非弹性和弹性散射，能量逐渐降低，减速形成热中子，热中子被俘获产生元素的特征俘获伽马射线，元素通过释放伽马射线回到初始状态。用BGO(锗酸铋)晶体探测器可以探测并记录这些非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。利用探测器探测到的非弹性伽马谱，经过解谱处理得到C、O、Si、Ca、Fe等元素的含量；而其中主要的俘获伽马谱经解谱可以得到Si、Ca、S、Fe、Ti和Gd等元素的含量，应用特定的氧化物闭合模型技术，可得到地层中矿物的含量[4]。

2 元素测井资料处理技术

元素测井测量的数据是原始的能量总谱，用各元素的标准谱做刻度对总谱进行解谱，得到各种元素的相对产额，应用氧闭合模型得出地层中各元素的重量含量，最后是由元素到矿物的转换。即将元素的重量含量与常规测井资料结合起来构建地层组分体积方程，通过寻找最优算法最终计算地层中矿物组分的体积含量。

2.1 氧闭合模型

在一个各元素种类确定的地层中，各种元素的氧化物或碳酸盐的质量分数之和为1，这就是氧闭合归一化模型的理论基础[5]。

设F为随深度而变化的归一化因子，yj为j种元素的相对产额，Sj为j种元素的探测灵敏度因子，Wj为j种元素的重量含量，则相对产额与元素含量的关系为：

归一化因子F是与待分析地层元素无关、与测量介质总体情况有关的量；而灵敏度因子Sj是与中子源强度、地层密度无关而与具体元素和探测器系统有关的量。

氧闭合模型如下：

在氧闭合模型中，关键是要确定各元素氧化物重量与元素重量的比值Oj、氧闭合因子和相对灵敏度Sj。

2.2 矿物含量体积模型

通过地层矿物的体积模型，将元素测井取得的元素重量转化成地层岩石矿物含量。元素含量与矿物含量之间的定量关系可经过大量岩心的中子活化分析及X衍射分析得出。这种定量分析包括2方面工作：一是通过样品中子活化分析确定元素含量，然后对样品进行X衍射分析，确定矿物含量，最后将元素含量和矿物含量、样品的阳离子交换量等作为变量进行统计因子分析；二是建立模型，对选定的元素和矿物进行多元回归分析。通过研究得出元素含量与矿物的转换关系：

式中：Ei——i种元素的含量；

Cij——j种矿物中i种元素的含量；

Mj——j种矿物的含量。

根据元素测井处理得到的地层化学元素干重资料和体积方程，结合区域地质参数及求解带约束条件的最优解，即可准确计算矿物体积含量。有了准确的矿物含量，即可计算出精确的储层参数。

2.3 元素测井计算矿物含量软件

基于极睿测井解释平台，开发了元素测井计算地层矿物含量软件。图1所示为元素测井计算地层矿物含量软件用户界面。该软件具有准确计算地层矿物成分和孔隙度等储层参数的功能，可为页岩气储层提供准确的测井评价参数。软件采用开放式的设计模式，便于进行功能扩展。

图1 元素测井计算地层矿物含量软件用户界面

输入曲线包括各元素(Si、Ca、Mg、Fe、Al、S、Ti、Mn等)的重量含量曲线和常规测井曲线(自然伽马、补偿声波、补偿中子、补偿密度等)；输出曲线包括伊利石、绿泥石、蒙脱石、石英、长石、方解石、白云岩、黄铁矿、干酪根、煤、石膏、孔隙度等，可根据地区经验选择输出矿物种类。

由于采用了最优化设计，因而用户可根据各测井曲线的质量和重要性设置曲线权重，并根据测井曲线的响应特征选择线性或非线性测井响应方程，从而保证计算结果更加符合地层实际。

3 在页岩气评价中的应用

3.1 矿物组分的识别及定量计算

四川盆地某页岩气藏的沉积环境为海相沉积。岩心分析结果表明，矿物成分比较复杂，黏土成分主要为伊利石、绿泥石、蒙脱石，矿物主要为石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿等，所含有机质主要为干酪根。用常规测井资料难以准确计算如此多的矿物成分，宜采用元素测井与常规测井相结合的方法。

图2所示为Ny井页岩气测井处理成果图。Ny井页岩气储层的有机质为干酪根，黏土主要为伊利石与少量的绿泥石和蒙脱石，矿物主要为石英、少量的方解石、白云石和长石。优质储层发育于该储层段底部，测井曲线主要表现为高自然伽马、低无铀伽马、高三孔隙度测井值、较高深浅双侧向值。有机质含量高的井段为2 378 — 2 397 m，其总有机碳含量达到4%左右；而在该储层2 382 — 2 395 m井段，黏土含量相对较少，脆性物质石英、方解石含量相对较高，更有利于进行压裂改造。

图2 Ny井页岩气测井处理成果图

应用地层元素测井结合常规测井，可更准确地计算黏土成分和骨架矿物的含量，为精确计算储层参数奠定良好基础。

3.2 特殊矿物的识别

在页岩气地层中，有些矿物即使含量比较少，对常规测井的影响也很大。如地层中的黄铁矿，其导电性通常会导致深浅双侧向电阻率大幅降低，直接影响孔隙流体性质的判断，使得测井计算的饱和度参数不准确。另外，干酪根的含量是评价页岩气储层的数据基础，其准确性直接影响储层评价的有效性。应用元素测井的S、Fe可以识别出黄铁矿；利用自然伽马测井和元素俘获能谱测井分析U、Th、K等主要放射性元素的丰度，可以定量分析总有机碳含量，通过总有机碳含量计算干酪根含量。

图3展示了某井低阻页岩气储层的测井特征。 该井页岩气储层段中子和声波时差增大，密度降低，为典型的页岩气储层，但对应井段的电阻率也为低值。元素测井识别显示，该段页岩气层中含有一定的黄铁矿，低阻为黄铁矿导电引起。这也被岩心中见到的大量呈结核分散状或层状分布的黄铁矿所证实。

图3 某井低阻页岩气储层的测井特征

4 结 语

元素测井技术作为一种可直接测量地层元素的方法，在油气藏勘探和开发中具有其他方法不能替代的作用。本次研究通过元素测井氧闭合模型、矿物体积含量计算模型的构建方法，讨论利用元素测井计算页岩气复杂岩性矿物含量的技术，并开发了处理软件，在页岩气地层复杂矿物成分的准确计算和特殊矿物的识别方面得到有效应用。

[1] 侯颉，邹长春，杨玉卿.页岩气储层矿物组分测井分析方法[J].工程地球物理学报，2012，9(5):607-609.

[2] 谢小国，杨筱.页岩气储层特征及测井评价方法[J].煤田地质与勘探，2013，41(6):27-30.

[3] 杨兴琴.地层元素测井技术：解决复杂储层岩性识别问题[J].测井技术，2011，35(3):296.

[4] 刘绪钢，孙建梦，李召成.新一代元素俘获谱测井仪(ECS)及其应用[J].国外测井技术，2004，19(1):26-30.

[5] 韩琳.元素俘获谱测井(ECS)在火成岩岩性识别与储层评价中的应用研究[D].长春：吉林大学，2009:17-20.

Application of Formation Element Logging in the Shale Gas Interpretational Evaluation

JIANGYanlingCHENLiangHANHonglinSUHuanZHENGXiaochuanLUOLiHUZhenping

(Logging Company of Chuanqing Drilling Engineering Co., Ltd., CNPC, Chongqing 400021, China)

Elemental logging technology can be applied to accurately identify the mineral composition and content in complex lithology reservoir, compared with conventional logging to identify complex mineral composition. The oxygen closed model and the mineral volume content calculation model are set up through the further research of elements logging data processing technology. Calculation method suitable for shale gas complex lithology inversion of mineral content is also proposed. Processing software is developed, which is widely used in the evaluation of shale gas logging interpretation with good geological effect.

element logging; data processing; mineral composition; oxygen closure

2017-04-17

国家科技重大专项“页岩气勘探开发关键技术”(2011ZX05018-003)

姜艳玲(1976 — )，女，硕士，高级工程师，研究方向为测井资料解释。

P631

A

1673-1980(2017)04-0042-05