元素測井在頁巖氣中的應用

彭文耀 張豫宏（中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司,湖北 潛江 433123）

元素測井在頁巖氣中的應用

彭文耀 張豫宏（中石化江漢石油工程有限公司測錄井公司,湖北 潛江 433123）

通過描述元素測井的原理和方法，分析地層元素的特征與其含礦物質的關系，探討了元素測井探測頁巖氣的前景。

元素；測井；頁巖氣

元素測井是業界常用的探測地層中元素分布的方法，以進行巖性識別，分析巖石的礦物骨架以及地下的環境，進一步分析在被測地塊進行礦物發掘的可行性。

1 元素測井的基本原理

在地層中，有很多不同的物質形態，包括土層、巖石、礦物質、頁巖氣、水、原油等，它們因為不同的分子結構而形成不同的物質形態，而分子的不同是取決于其中的原子類型和原子的組成結構。而無論是何種原子，其均有同類但數目不一致的核子（質子或者中子）與電子構成，原子的劃分就是其核子的數目不同所決定的。通常情況下，中子、質子所結合在一起形成的原子核是十分穩定的，但當一定的能量注入，就會造成核子的釋放，能夠產生該效果的能量值被稱為結合能。在這個過程中，需要中子處于一定的速度下，以使得其具有相應的能量，即動能，如下式所示。

在式中，m為中子的質量，則是其動能，v為其速度。當超過0.5時，通常將之稱為快中子。當其與原子量比較大的核發生反應時，將會促使快中子的能量被原子核吸收，從而造成后者的激發，并進一步產生γ射線，然后再保持為穩定的裝填。在遭遇快中子作用時，原子核因其種類的不同其釋放的射線也不盡相同。快中子在與原子核反應后，就變成熱中子，并被原子核所俘獲，俘獲反應會占據測量信號的絕大多數分量，并著重對Si、Fe、Ca、Ti、Gd、S等元素進行探測。而利用元素測井方法，所做的工作就是分辨出這些射線的不同，從而分析地層中物質的分布。

在地層中，很多元素的分布是比較有規律的，比如Ca通常在大理石結構的巖石中，Si則通常存在于沉積類巖石中，Mg通常存在于白云質地的巖石中，S通常存在于石膏中，Al元素通常存在于泥巖中等等。這種相關性就使得我們在通過元素測井后，得到譜圖并基于這個譜圖來分析地層中的物質分布，并進一步得出其含礦產的多少、開礦的經濟可行性。

2 元素測井在頁巖氣儲層分析中的應用

根據前文所述的元素測井原理可以看出，只要我們了解頁巖氣的構成和存在狀態，就能夠利用元素測井方法對頁巖氣的儲層進行分析探測。頁巖通常是體積很小（低于3.9μm）的碎屑、有機質等構成，其質地形狀呈現出一定的頁狀，極其易碎，屬于沉積巖。在地層中，頁巖具有較為廣泛的存在，類型也非常多元化，其物質成分比較復雜。比如碎屑頁巖通常包括長石與石英，黏土頁巖通常包括水云母和高嶺石，因為不同的物質構造，其也具有一定的形態差異。在測井工作中，頁巖會呈現出具有高伽馬、高時差、高電阻、低密度的特點，因此基于測井技術，能夠一定程度上將頁巖在地層中的分布探測并繪測出來。

由此我們可以對巖進行識別和劃分。在進行元素測井工作之后，會得到一幅效果曲線圖，反映了被撞擊后的原子核所發射的γ射線的分布。其中在500~1593之間意味著被測區域具有較多的Ca，但Al、Si含量比較少，通常被認定為灰巖；在1593~ 2265間意味著被測區域具有較多的Al、Si，但Ca較少，如果常規自然γ測井相對高值通常被認定為泥巖，元素測井表明Si、Al均高，則被認定為泥質粉砂巖；在2265~2307之間則意味著被測區域的Ca較多，同時Si、AL較少，通常可以認定其為碳酸鹽巖；在2320~2420之間則意味著被測區域Si含量很高，Ca含量較低，Al含量適中，通常可以認定其為頁巖；在2434~2469之間則意味著被測區域所含的Al、Si均較少，且Ca較多，可以認定其是碳酸鹽巖。

對巖性進行識別后，還可以對其所含礦物質的量進行初步統計。頁巖因為其類型較多，所包含的各種物質的成分也比較復雜，如果只是憑借測井的圖譜來得出其各類物質的含量是十分困難的。而因為巖層中最常見、最關鍵的物質為Ca，因此通過元素測井技術，可以將Ca元素視為碳酸鹽的含量的指標，將S、Ca元素視為蒸發巖含量的指標，將Si、Al、Fe視為黏土含量的指標，將其他元素視為黏土含量的指標。由此統計出頁巖中各類礦物質的具體含量。

同時利用元素測井工作，還能夠對巖石的骨架進行整體的描繪，計算出其骨架參數，以進一步得出含氣量、孔隙度、飽和度等數據，對頁巖的可開發程度進行分析。而基于對黏土中的各類物質成分的分析，也可以明確其地層的沉積相。而假如能夠判斷出被測區域有一定的FeS，則能夠推導出該區域為水體還原沉積。而對于工程的建設，元素測井資料也有極大的參考性。

3 元素測井技術的前景分析

一方面，元素測井技術利用了微觀物理、化學反應等科學原理，利用較小的成本對地層中物質的分布進行探測，在地質勘查、油氣開采以及考古領域都有一定的應用前景。另一方面，隨著電子技術的發展，元素測井技術對測到的射線的精確度也越來越高，得到的結果也越來越明確，這使得元素測井的結果能夠在更多的領域得到應用。

4 結語

元素測井技術是利用快中子與原子核的反應，所得出的伽馬射線的不同，來推算原子核的不同，進而分析其元素含量、物質分布。該技術在礦井探測等領域得到了廣泛的應用，不僅可以分析地層中頁巖元素分布，還能夠進一步計算其物質含量，分析巖石的架構參數，確定地層沉積相等。

[1]吳勇,侯雨庭,李會庚,等.高精度地層元素測井在頁巖油儲層評價中的應用——以鄂爾多斯盆地長7段為例[J].非常規油氣.2016(02).