岩性扫描测井资料处理解释方法研究与应用

闫学洪,曹春锋,王慧

(中国石油集团测井有限公司大庆分公司,黑龙江 大庆 163412)

0 引 言

随着大庆油田进入勘探后期,非常规储层、复杂岩性储层逐渐成为勘探重点目标。研究区发育火成岩、变质岩和非常规储层,有效识别地层岩性和矿物种类成为难点,更精确评价储层参数及流体性质,成为当前亟待解决的难题。地层元素测井是复杂岩性储层和非常规储层岩性评价最有效手段之一,国外多家测井公司相继推出了各种版本的地层元素测井系列,其中以斯伦贝谢公司的岩性扫描测井仪器 (Litho Scanner) 应用效果最好,但目前中国还没有与之相应的资料处理解释方法。

本文在斯伦贝谢公司解释模型的基础上,采用数学算法与岩心标定相结合的方式,建立了适用于研究区特点的岩性扫描处理解释方法,为岩性扫描测井数据自行解释与调参奠定了基础,为自主研发同类测井仪提供了解释参考。

1 岩性扫描测井仪

元素俘获谱测井仪(ECS),使用镅铍中子源持续发射快中子,无法在总谱中区分非弹性散射反应的伽马射线,不能精确测定地层中碳、镁等元素产额。2012年斯伦贝谢公司研发出岩性扫描测井仪(Litho Scanner),采用发射14 MeV能量的快中子的脉冲中子发生器(PNG),金属钨为屏蔽材料,掺铈激活的溴化镧晶体(LaBr3:Ce)作为新型探测器[1],是ECS化学源测井仪的升级版(见表1)。岩性扫描测井仪的高效脉冲中子发射器(PNG),发射高强度、高能量的快中子,具有脉冲稳定特点,通过快开快关控制,消除了非弹性散射与俘获反应放射的伽马射线间彼此干扰,实现了2种反应独立测量;新型探测器具有伽马射线电信号脉冲持续时间短、计数率高,且在200 ℃高温下仍能保持伽马射线能谱稳定的优点,可以直接测量镁、钾、碳、氧等更多元素,对于硅、钙、铁、硫、钛、钆等元素也提高了测量精度和准确度[2]。

表1 Litho Scanner与ECS主要参数对比

*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

2 岩性扫描测井原理

岩性扫描测井过程中,中子源发出高强度、高能量的快中子,首先与地层元素的原子核发生非弹性散射反应,在该过程中快中子与原子核碰撞并将能量传递给原子核,原子核由稳定的基态变为激发态,快中子能量降低并以一定角度散射出去,激发态原子核释放出伽马射线回到基态[见图1(a)];快中子经过一系列的碰撞,损失能量后逐渐慢化成热中子,与原子核继续碰撞并被俘获,形成另一种激发态原子核,这种原子核从激发态恢复到基态,释放出俘获伽马射线[见图1(b)]。对于相同的原子核,非弹性散射反应放射出的伽马射线的能量与中子俘获诱发伽马射线的能量不同,用高计数率且稳定的晶体探测器,记录并区分非弹性散射和俘获过程中诱发的伽马射线[3-4]。

图1 中子非弹性散射与俘获过程示意图

探测器记录2种反应放射的伽马射线,分别得到地层元素的非弹谱和俘获谱,通过Marquardt非线性迭代方法确定能量偏移和增益因子,利用实验室得到的元素非弹标准谱和俘获标准谱,通过剥谱处理算法解出元素的贡献份额即元素相对产额。元素相对产额经过氧化物闭合算法得到元素干重,即干地层中元素的质量含量(Converted to Dry-weight Elemental Concentration)。使用氧化物闭合算法的条件是,假设干岩石由一系列的氧化物或化合物组成,且所有氧化物所占比例的总和为100%,且要求在每一个深度水平生成一个特有的闭合因子,与元素相对产额结合获得元素干重。通过选定特定的氧化物指示元素,利用聚类因子分析等数理统计方法分析来自全球的地层岩心资料,经过必要的技术方法,将元素干重转化为矿物组分。

3 处理解释方法与应用

大庆油田是在古代陆相盆地的基础上发育的湖湘沉积,受沉积环境和物源的控制,地层矿物成分主要包括石英、钾长石、钠长石、方解石、白云石、黄铁矿和黏土等,黏土类型主要为伊利石,其次为绿泥石和蒙皂石/伊利石混层。在以砂泥岩为主的沉积岩产油层之外,大庆油田还发育复杂岩性储层和非常规储层,岩性更复杂,常规测井曲线识别岩性存在很大困难。本文对大庆油田岩性扫描测井资料处理解释方法研究主要是元素干重求取方法、矿物含量计算模型、岩石骨架计算方法、有机碳含量求取公式等方面。

3.1 元素干重计算方法

地层中已发现的元素有100多种,但研究证实各元素在地壳中分布极不均匀,只相对集中于少数几种元素:氧(46.13%)、硅(26.00%)、铝(7.45%)、铁(4.20%)、钙(3.25%)、钠(2.40%)、镁(2.35%)、钾(2.35%)、氢(1.00%)等9种元素占地壳总质量的98.13%,其余元素仅占1.87%[5]。

图2 A井岩性扫描元素干重含量、计算元素干重与岩心分析结果对比图

岩性扫描测井俘获反应可以测量铝、硅、钙、铁、钾、钠、硫、钛、钆等元素的相对产额,基本满足氧化物闭合条件,建立氧化物闭合方程,即

(1)

式中,ycj为测量的地层元素j的相对产额;scj为地层元素j的相对探测灵敏度因子,计数率/(g·s);Fc为每个深度点待确定的闭合因子;xj为地层元素j的氧化物指数。

通过氧化物闭合算法解得每个深度点的闭合因子,可以得到铝、硅、钙、铁、钾、钠、硫、钛、钆等元素的元素干重,即

(2)

式中,Wcj为地层元素j的干重。

非弹性散射作用测量的元素种类相对较少,且无法区分干骨架及流体中的氧元素含量,不满足骨架氧化物闭合条件,获取非弹性散射的闭合因子存在困难[6]。考虑有些元素非弹性散射作用及俘获作用都较为明显,如硅、钙等元素,利用2种元素含量的比值,可以将非弹闭合因子约分掉,进而获得非弹作用的元素干重。

(3)

WI,Si=Wc,Si

(4)

(5)

式中,WI,j为非弹谱求取元素j的百分含量;Wc,Si为利用俘获能谱求取硅元素的百分含量;sI,j为元素j的非弹相对灵敏度因子;sI,Si为硅元素的非弹相对灵敏度因子;FI为非弹性散射作用的闭合因子。

图2是大庆油田深层基底变质岩A井的元素干重结果对比图。A井在目的层进行了密集井壁取心及系统的分析化验。图2中带LS标识是岩性扫描测井解释结果,带JS标识是元素干重计算方法所得结果,带YX标识是岩心分析结果。由图2可知,岩性扫描解释结果与岩心分析结果一致性较好,表明岩性扫描测井资料可信度较高;元素干重计算方法所得结果与岩性扫描解释结果和岩心分析结果吻合很好,证明可以按照该地区元素分布特征,获得相应的元素干重。

3.2 矿物组分计算方法

地壳岩石中已发现的矿物有2 200多种,但常见的矿物只有10余种,当矿物的化学成分比较稳定时,矿物中各元素的干重基本保持不变,这是利用元素干重转换成矿物干重的前提条件,只要精确测量到这些主要元素干重,就可以鉴别岩石中矿物类型及含量[7]。岩性扫描测井可以精确测量地层中这些主要元素干重,在Herron所提出的转换关系基础上,用岩心数据进行刻度,建立了合适的系数矩阵,进而运用最小二乘法和广义逆矩阵求解线性方程组的数学算法求解得到矿物干重[8]。

将元素干重转换成矿物干重,利用反演方法借助于多元回归算法可以推算元素干重与矿物干重的系数矩阵,其矩阵表达式为[5,8]

E=C·M

(6)

式中,E为元素干重;M为矿物干重;C为系数矩阵。

通过逆矩阵求解多维线性方程组,就可以得到用元素干重表示矿物干重的方法,即

M=C-1·E

(7)

式中,C-1为系数矩阵的逆矩阵。

元素在常见矿物中的质量分数见文献[9]。图3是大庆油田泥页岩B井的系数矩阵法解释结果与岩性扫描解释结果和岩心分析结果对比图。图3(a)第1道为斯伦贝谢公司解释矿物组分,第2道为系数矩阵法解释的矿物组分,第3道为深度道,从第4道开始分别为伊利石组分、绿泥石组分、石英组分、钾长石组分、钠长石组分、方解石组分、白云石组分和黄铁矿组分,其中,带LS标识是岩性扫描测井解释结果;带JS标识是系数矩阵解释结果。由矿物组分可知,该层段岩性变化范围小,矿物组分稳定,系数矩阵解释矿物组分与岩性扫描解释结果一致性好。

根据该井取心实验分析可知,目的层段矿物主要由黏土(伊利石为主)、石英、长石、方解石、白云石、黄铁矿组成,与岩性扫描资料矿物种类存在差异。根据岩心分析所得矿物类型,重组系数矩阵。图3(b)为利用系数矩阵计算所得矿物组分数据,第1道为深度道,第2道为黏土含量,第3道为石英含量,第4道为长石含量,第5道为方解石含量,第6道为白云石含量,第7道为黄铁矿含量;其中,带JS标识是系数矩阵解释结果;红色圆点为岩心分析结果。由图3(b)可知,采用系数矩阵计算的矿物含量,与岩心分析结果吻合较好,表明系数矩阵计算方法可以根据地区矿物类型获得矿物含量。

3.3 地层总有机碳的计算方法

大庆油田在青一段发育源储一体的泥页岩油藏,油藏的烃源岩生烃能力是进行综合地质评价的基础。目前,岩性扫描是能够直接测量总有机碳的测井仪器之一,这与其他通过回归计算总有机碳的方法相比是质的飞跃,为烃源岩评价提供更加准确、合理的参数。

岩性扫描测井资料中,非弹谱测量的总碳含量,是由矿物中总无机碳含量和非骨架总有机碳组成。其中总无机碳为方解石、白云石、菱铁矿和铁白云石矿物中的碳组分,从总碳含量中去除总无机碳含量,就得到了地层总有机碳含量[10],即

TIC=0.12WC+0.13WD+0.104WS+0.116WA

(8)

TOC=TAC-TIC

(9)

式中,TIC为总无机碳含量;TOC为总有机碳含量;TAC为总碳含量;WC为方解石干重;WD为白云石干重;WS为菱铁矿干重;WA铁白云石干重。

图4是大庆油田泥页岩油藏C井的岩性扫描测井资料。有机碳含量道中绿色实线为式(9)处理结果,红色实线为岩性扫描解释结果,蓝色圆点为岩心分析结果。岩性扫描解释结果与岩心分析结果吻合较好,表明岩性扫描测井可信度高。图4中2 434～2 439 m井段内,常规曲线显示自然伽马值、电阻率值和补偿中子值大,补偿密度值和补偿声波时差值低,具有油页岩特征;同时岩性扫描测井总有机碳干重高,说明地层富含干酪根或烃类等有机质,与常规曲线相辅相成,更准确地识别油页岩储层。式(9)处理结果与岩性扫描测井解释结果和岩心分析结果吻合均较好,说明式(9)处理的总有机碳含量精度较高,可以满足生产需要。

图4 C井总有机碳含量与岩心分析结果对比图

图5 D井计算骨架密度值和其计算的总孔隙度与岩心分析结果对比图

3.4 岩石骨架密度计算方法

复杂多变的火成岩与变质岩矿物成分导致了地层岩石骨架参数难以确定,传统的岩石体积模型和多矿物模型孔隙度计算方法在岩性复杂、含气火山岩储层存在局限性。基于岩石骨架参数是岩石的化学成分和原子排列的函数的理论,对研究区的岩心进行了矿物和化学成分MINCAP(Mineralogy and Chemical Analysis Project)分析,建立了利用元素俘获能谱测井资料直接计算火山岩岩石测井密度骨架曲线的关系式[11]

ρma=3.1475-1.1003WSi-0.9834WCa-

2.4385WNa-2.4082WK+1.4245WFe-11.31WTi

(10)

φT=(ρma-ρ)/(ρma-ρf)

(11)

式中,ρma为岩石骨架密度,g/cm3;ρf为地层水密度,g/cm3;WSi为硅元素干重;WCa为钙元素干重;WNa为钠元素干重;WK为钾元素干重;WFe为铁元素干重;WTi为钛元素干重。

图5(a)是大庆探区基底1口D井的骨架密度值对比图。岩心资料结果显示该井岩性是由火山岩变质形成的变质岩,分别为酸性火山变质岩(红色虚线所围区域)、中基性火山变质岩(绿色虚线所围区域)和基性火山变质岩(蓝色实线所围区域),由图5(a)可看出,式(10)计算岩石骨架结果与岩心分析结果一致性较好,平均绝对误差为0.033 g/cm3,平均相对误差为1.19%。图5(b)是利用变骨架方法和常规固定骨架方法测井解释孔隙度与岩心分析孔隙度对比图。红色圆点为利用式(10)和式(11)解释的孔隙度,蓝色方块是中基性火山变质岩固定骨架密度计算的孔隙度,绿色菱形是酸性火山变质岩固定骨架密度计算的孔隙度,黑色十字是基性火山变质岩固定骨架密度计算的孔隙度。由图5(b)可以看出,利用变骨架密度值计算孔隙度的方法比固定骨架密度值计算孔隙度的常规方法在精度上有了明显改善。由此可见,与常规固定骨架计算孔隙度方法比较,变骨架密度值法可以更准确地确定地层的孔隙度值。

3.5 含油饱和度计算方法

储层饱和度的评价大都基于测井电阻率和孔隙度,当电阻率受岩性、物性及其他因素影响时,利用常规测井方法计算的饱和度会存在较大误差。岩性扫描测井得到地层总有机碳含量。式(12)的饱和度计算方法与地层电阻率、地层水矿化度无关,在非常规储层的评价过程中应用效果较好。饱和度计算公式为[12]

Shc=TOC×ρma×(1-φT)/ρhc×Xhc×φT

(12)

式中,Shc为含油气饱和度,小数;TOC为岩性扫描测得总有机碳,kg/kg;ρma为岩石骨架密度,g/cm3;φT为总孔隙度,m3/m3;ρhc为油气密度,g/cm3;Xhc为油气中的碳含量,kg/kg。

图6为大庆探区非常规探井E利用有机碳含量求得的含油饱和度。图6中红色实线是LS有机碳含量计算的含油饱和度,黑色圆点为岩心分析含油饱和度。由图6可见,利用LS有机碳计算的含油饱和度与岩心分析的含油饱和度对应较好,可以指示地层的含油性变化,这为疑难油气水层判别流体性质提供了新的途径。

图6 E井有机碳计算含油饱和度与核磁共振含油饱和度对比

4 结论

(1)针对大庆油田非常规储层与复杂岩性储层,以岩性扫描测井相对产额为基础,依托岩心分析数据,形成了一套岩性扫描资料处理解释方法,并实现了储层参数定量计算方法。

(2)本文方法测井解释结果与斯伦贝谢公司岩性扫描测井提供的解释成果具有很好的一致性,与岩心分析结果对比,误差较小,具有较高精度,可以满足生产需求。