随钻伽马能谱录井技术在准噶尔盆地的研究与应用

张小虎 李秀彬 马树明 张媛媛 苑传江 常 华

(中国石油西部钻探录井工程公司(地质研究院))

0 引 言

随着当代科技水平的发展，核技术逐渐得到了广泛应用。在核物理研究、放射医学和环境监测等各种技术应用领域经常要求进行伽马射线强度和能量的测量，便携式伽马能谱仪已成为常规能谱分析设备的主流类型之一[1]。随钻伽马能谱录井技术是近几年发展起来的新型录井技术。该技术采用随钻伽马能谱录井仪对钻井产生的岩屑进行分析，能够测出的数据包括随钻伽马能谱总伽马值、无铀伽马值，以及铀(U)、钍(Th)、钾(K)含量，不仅可以紧跟钻头分析自然伽马值，辅助录井地层卡取，还可以根据地层中黏土矿物对元素Th、K的吸附性进行泥质含量评价，根据地层中有机质对元素U的吸附性进行生油岩评价。

在油田勘探开发领域，自然伽马测井作为行业标准，数据可靠性高，但由于自然伽马测井作业过程需要通井等工序，会造成时效性相对较差，且成本偏高。随钻伽马能谱录井技术最大的优势在于随钻进行测量，可及时并准确地解释地层岩性变化，实现地层精准卡取。同时，对储层、裂缝进行识别用于区分泥岩的黏土类型并确定其含量，藉此可解释岩性，研究沉积环境、生油层，寻找储层等[2]。近两年来，准噶尔盆地的油气钻探开发开始采用随钻伽马能谱录井技术，在钻井现场尝试应用该技术对地层中的矿物成分、有机物的类型以及含量进行分析，从而进一步确定地层的岩性剖面、评价沉积环境及生油岩。

1 随钻伽马能谱录井技术

随钻伽马能谱录井技术依托随钻伽马能谱录井仪对钻井产生的岩屑进行分析，采集岩屑样品产生的伽马射线能量值，因为岩屑样品包含着对应地层的各种信息，可代表地层中岩石产生的伽马射线能量值，所以依据地层产生的伽马射线能量值特征，可用于沉积环境判别、泥岩生油能力评价、岩性识别、地层卡取等。

随钻伽马录井技术的研究与应用主要依托于随钻伽马能谱录井仪的稳定性、标准化样品预处理及规范的设备操作规程。具体的原理及操作分析包括以下3个方面。

1.1 设备原理

随钻伽马能谱录井仪采用壁厚100 mm的铅室，用来屏蔽外界自然界其他射线的干扰，使测量数据只反映所测样品的真实数值。采集数据包括自然产生的伽马射线总能量值，并且根据不同放射性元素伽马射线能量差异性(一般U的能量范围为1.62～2.0 MeV，K的能量范围为1.30～1.60 MeV，Th的能量范围为2.45～2.90 MeV)区分U、K、Th，然后再根据各元素伽马射线能量计算出各元素的含量。

应用随钻伽马能谱录井仪测出随钻伽马能谱总伽马值、无铀伽马值，以及U、Th、K值，其中：

随钻伽马能谱总伽马值为样品产生的伽马射线总的辐射强度(单位:API)，该值与常规测井中自然伽马值具较大的相似性，都表示地层中放射性物质总的伽马射线辐射强度。

无铀伽马值为伽马能谱伽马值与元素U产生的伽马射线辐射强度之差(单位:API)，表示地层中去除元素U影响的伽马射线辐射强度。

铀、钍、钾含量分别代表样品中放射性元素U、Th、K的含量，其中U、Th的单位为μg/g，K的含量为质量的百分含量，单位为%。

1.2 样本要求

随钻采集的岩屑样品烘干后去除掉块，对于钻井过程中需要添加的固体钻井液材料以及堵漏材料也要尽量去除，只保留地层真实岩屑，将样品破碎、磨细至粒径大小不大于0.16 mm，取样重量要求为500.0 g(精确至0.1 g)。

1.3 样品分析

将制好的待测样品放入样盒，旋紧盖子密封，防止粉尘污染铅室，然后将样品放入铅室进行分析。对于随钻伽马能谱录井仪分析时间的设定，理论上分析时间越久所采集的自然伽马值越接近样品实际值；实际应用中，对于岩屑样品在分析时间达到15 min后，采集的自然伽马值已经趋于稳定，即可停止分析，并认为该时间所测量的随钻伽马能谱总伽马值、无铀伽马值，以及U、Th、K含量是地层中各参数的真实数值。

2 在油田勘探开发中的应用研究

在油田勘探开发中，对于地层卡取、储层评价应用较多的是自然伽马测井，但由于自然伽马测井技术在超深井存在信号较弱，在无法精确测量或完井不进行测井作业的情况下，随钻伽马能谱录井技术可以有效解决以上难题，可对中完或完井地层的精确卡取提供可靠依据。同时，通过U、Th、K的测量可以对储层特征进行深入的研究。随钻伽马能谱录井技术在准噶尔盆地应用效果较好，其随钻伽马能谱总伽马值与自然伽马测井的总伽马值趋势一致。通过5口井共112个样本点进行验证，其中泥岩样本点54个，砂岩样本点36个，砂砾岩样本点22个，结果显示数据的相关性极高(r2=0.813)，可靠性强(图1)。

图1 随钻伽马能谱总伽马值与自然伽马测井总伽马值交会

目前，随钻伽马能谱录井技术在准噶尔盆地主要应用方向集中在以下几个方面[3]。

2.1 沉积环境判断

U值与氧化还原环境有关，还原环境有机质含量高、U值高，氧化环境下Th含量比较高，可用钍铀比(Th/U)表示氧化还原环境：当Th/U>7时为氧化环境，陆相沉积；在2～7之间为还原环境到氧化环境的过渡阶段；Th/U<2时为强还原环境，海相沉积[4]。

2.2 泥岩生油能力评价

利用U值辅助储层含油性评价的理论基础为：石油主要为不饱和烃类的有机质组成，不饱和烃类在紫外线照射下具荧光特性，而U值的高低与有机质的多少关系密切，尽管目前尚无有机质含量与U值的定量关系式，但通常有机质含量越丰富， U值越高。利用有机质对U的吸附性，通常U值越高，代表地层的生油能力越好，一般U值大于10 μg/g时，认为泥岩生油能力较好即有机质含量丰富[5]。

2.3 随钻岩性识别

随钻伽马能谱录井仪测量的参数为U、Th、K三种，利用以上三种元素测量结果，通过随钻伽马能谱录井软件可计算出随钻伽马能谱总伽马值、无铀伽马值、TOC值。地层中无铀伽马的含量与泥质含量的关系比较稳定，且不受地层中所含放射性矿物的影响。利用无铀伽马值进行泥质含量评价的理论基础为：沉积岩中黏土矿物天然放射性随泥质含量的增加而增强[2]，泥质主要由黏土矿物组成，黏土矿物具有不饱和电荷，比表面积大，所以黏土矿物具有较大的吸附性，在沉积过程中会吸附大量的放射性物质，从而导致在地层中泥质含量增加时放射性含量也增加[6]。但如果利用常规自然伽马测井曲线进行泥质含量评价，遇到高放射性储层，往往会被误认为泥岩地层，而无铀伽马值主要受元素Th、K放射性的影响，与泥质含量的关系更为密切，这也是其进行泥质含量评价的优势。所以，采用测得的无铀伽马值来计算泥质含量，辅助后期储层泥质含量评价，其划分方式如表1所示。

表1 准噶尔盆地岩性与随钻伽马能谱关系

利用黏土矿物中Th和K含量的差异性，可忽略各自单位计算比值[6]。钍钾比Th/K>12的是高岭土型黏土；在3.5～12之间的是伊蒙混层；在2～3.5之间的是伊利石型黏土；在1～2之间的是云母型黏土。

2.4 地层卡取

在利用随钻伽马能谱录井技术分析得到的随钻伽马能谱总伽马值出现异常响应时，可对标志层进行地层对比。在准噶尔盆地多个重点风险探井实钻过程中，未进行测井的情况下，通过邻井同一地层的自然伽马测井与本井的随钻自然伽马录井进行横向对比分析，识别伽马标志层特征，可对即将钻揭地层起到预警作用，为油气显示的准确发现及岩心卡取等工作提供有力保障。

3 应用实例

随钻伽马能谱录井技术在准噶尔盆地西北缘环玛湖、腹部漠北、南缘高泉等多个区块，分层位进行了岩性识别、地层卡取、储层评价研究，共应用8口井，地层卡取成功率100%，岩性识别符合率84.5%。下面以准噶尔盆地的X 87井和XT 1井为例，分别从沉积环境判断、泥岩生油能力评价、岩性识别、地层卡取四个方面进行论证。

3.1 X 87井

X 87井是一口评价井，位于准噶尔盆地西部隆起乌夏断阶带东端，钻探目的是了解该井西断块二叠系风城组、夏子街组、乌尔禾组和三叠系、白垩系的含油气性。

3.1.1 沉积环境判断(井段4 404～4 462 m)

利用Th/U值，辅助研究沉积环境。从表2中的Th/U值可以看出，X 87井研究段Th/U值绝大多数都在2以下，说明该井段为强还原环境。

3.1.2 泥岩生油能力评价(井段4 404～4 462 m)

分析X 87井的U值与录井含油性的关系，可以辅助储层含油性评价。从图2中Th/U值可以看出，荧光显示段的Th/U值更低，而上下无荧光段的Th/U值相对较高。主要原因为荧光显示段岩性为泥质粉砂岩为主，泥质含量较上下无荧光段的泥岩、粉砂质泥岩含量少，Th值低；而同时因为含油性较好，有机质相对较多，U值高。

表2 X 87井随钻伽马能谱数据

图2 X 87井随钻伽马能谱录井图

依照2.2节评价井段4 410～4 462 m泥岩生油能力，将荧光岩屑与无荧光岩屑的U值进行Th/U值的分类统计(表3)，可以看出无荧光岩屑的U元素平均值为2.11 μg/g，U值差异性明显；而荧光岩屑U值明显升高，最大达到33.91 μg/g，平均值22.92 μg/g。荧光岩屑U值较高，说明该组地层含油性较好。

表3 U值、Th/U值分段数据统计

3.1.3 岩性识别

建立X 87井随钻伽马能谱分析Th、K元素含量及无铀伽马值与泥质含量的关系，既可以辅助录井现场进行岩性定名，也可辅助后期储层泥质含量评价。

按岩性分类，并结合准噶尔盆地数据，将Th、K元素含量及无铀伽马值进行分类统计，岩性按泥岩-粉砂质泥岩-泥质粉砂岩，即泥质含量逐渐减少的顺序，Th、K元素含量及无铀伽马值逐渐降低，其中：泥岩Th平均含量3.70 μg/g，K平均含量2.03%，无铀伽马值68.81 API，在数值上与粉砂质泥岩、泥质粉砂岩差异明显；泥质粉砂岩Th平均含量2.03 μg/g，K平均含量1.50%，无铀伽马值48.38 API，相对于粉砂质泥岩Th平均含量2.68 μg/g，K平均含量1.60%，无铀伽马值53.68 API，各参数在数值上只是略微降低，这应该跟泥质粉砂岩到粉砂质泥岩中泥质含量变化幅度小有关。

3.2 XT 1井地层卡取

XT 1井是一口预探井，位于准噶尔盆地南缘四棵树凹陷，目的层位白垩系清水河组底部发育一套自然伽马异常高值地层，该地层下部即为主探油层。

利用高伽马标志层指导地层卡取。X 101井和X 102井是为XT 1井部署的评价井，在X 101井和X 102井录井过程中，因工程较为复杂，未进行自然伽马测井，仅能依靠随钻伽马能谱录井技术分析得到随钻伽马能谱总伽马值，通过与XT 1井自然伽马测井测出的总伽马值进行横向对比(图3)，准确卡准了该套伽马高值标志层，对即将钻揭对应XT 1井的主力油层段进行预警，为油气显示发现及岩心卡取等工作起到了关键作用。利用随钻伽马能谱录井预测X 101井清水河组底界为井深6 027 m，X 102井清水河组底界为井深5 868 m。完井后依据测井分层验证可知，两口井的清水河组底界深度与随钻伽马能谱录井预测深度一致，验证了该技术在两口井中的有效应用。同时，通过试油结论验证，X 101井试油日产油18.8 m3，X 102井试油日产油10.5 m3，均获得工业油流。

图3 XT 1井自然伽马测井与X 101、X 102井随钻伽马能谱横向对比

4 结束语

随钻伽马能谱录井技术是新型录井技术，在沉积环境分析、评价泥岩生油能力、岩性识别、地层卡取等方面具有较好应用效果，通过在准噶尔盆地应用情况来看，其具备以下特殊性：

一是通过该技术，针对U、Th、K含量及随钻伽马能谱总伽马值、无铀伽马值，总结出准噶尔盆地岩性识别、沉积环境判断及泥岩生油能力评价的相关成果。

二是数据提供具有及时性，因为是随钻进行跟踪分析，对应分析数据可以紧跟钻头，使该技术具备了随钻地层对比、及时地层卡取，在未进行自然伽马测井的条件下，能够代替该技术实现地层划分及岩性识别。

随着该技术在准噶尔盆地的推广应用，将在油气勘探开发中进一步发挥特有的技术优势。