地層元素測井解釋方法研究

喻益明

(大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453)

地層元素測井解釋方法研究

喻益明

(大慶油田測試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453)

配合脈沖中子地層元素測井儀的應(yīng)用，開展地層元素測井解釋方法研究，獲取地層元素標(biāo)準(zhǔn)譜庫，編制地層元素解釋軟件，解釋得到元素產(chǎn)額、干重(不含結(jié)晶水的質(zhì)量百分含量)、礦物組分含量。取芯井對比結(jié)果顯示，解釋結(jié)果與取芯化驗(yàn)結(jié)果一致性較好，研究結(jié)果可為復(fù)雜巖性評價(jià)、準(zhǔn)確計(jì)算孔隙度提供數(shù)據(jù)。

地層元素；能譜測井；標(biāo)準(zhǔn)譜；礦物組分

地層元素能譜測井是利用熱中子與地層各種元素的原子核發(fā)生輻射俘獲核反應(yīng)，根據(jù)瞬發(fā)的伽馬射線能量不同，探測和記錄俘獲伽馬能譜，從而定性、定量確定地層中的元素成分和含量。目前，通過俘獲伽馬能譜測量元素含量識別地層巖性的儀器主要有斯倫貝謝的地層元素能譜測井儀(ECS)、哈里伯頓的中子伽馬能譜地球化學(xué)測井儀(GEM)和貝克休斯脈沖中子地層巖性能譜儀(FLeX)[1-2]。為了擺脫對國際石油公司的依賴，大慶油田2010年開始研發(fā)基于脈沖中子技術(shù)的地層元素測井儀(PNES)，并于2013年成功應(yīng)用于現(xiàn)場。地層元素測井解釋方法及軟件實(shí)現(xiàn)與儀器研制同時(shí)進(jìn)行，采用數(shù)值模擬與刻度井驗(yàn)證結(jié)合的方法獲得常見地層元素非彈標(biāo)準(zhǔn)譜、俘獲標(biāo)準(zhǔn)譜，保證了元素標(biāo)準(zhǔn)譜的應(yīng)用效果；通過解譜技術(shù)得到地層主要骨架元素干重及礦物組分，為解決地質(zhì)問題提供更加有效的手段。

1 地層元素測井原理

1.1 基本原理

中子源發(fā)射的快中子與測井儀周圍各種元素的原子核發(fā)生非彈散射，釋放非彈伽馬射線，經(jīng)過非彈散射，中子損失大部分動(dòng)能，進(jìn)入以彈性散射為主的作用階段；彈性散射過程不釋放伽馬射線，經(jīng)過多次彈性散射，中子動(dòng)能逐漸降低，直到中子與周圍物質(zhì)達(dá)到熱平衡，逐漸慢化成為熱中子；熱中子被周圍介質(zhì)俘獲后，釋放出特征俘獲伽馬射線，采集特征元素的俘獲能譜，獲得特征元素的相對產(chǎn)額，通過氧閉合模型求取地層元素的相對百分含量，建立相關(guān)解釋模型，分析地層元素的相對百分含量，得到巖性、孔隙度、骨架密度等參數(shù)。

1.2 地層元素含量

測量的主要元素包括Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd等。其中，Si與石英，Ca與方解石和白云石密切相關(guān)，利用Si和Ca可計(jì)算石膏含量；Fe與黃鐵礦和菱鐵礦，Al與粘土(高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石、海綠石等)含量密切相關(guān)，而Al與Si、Ca、Fe有非常好的相關(guān)性，通過Si、Ca、Fe等元素可以計(jì)算粘土礦物含量；Ti與粘土礦物的含量有關(guān)；Gd的中子俘獲截面遠(yuǎn)大于其他元素的俘獲截面，Gd又與粘土礦物和一些重礦物的含量相關(guān)，測量Gd可準(zhǔn)確計(jì)算其他元素的含量[3]。

1.3 地層元素干重含量[4]

地層元素含量通過式(1)計(jì)算：

(1)

式中，Wtj為地層中第j種元素的重量百分含量；yj為第j種元素的產(chǎn)額，即第j種元素中子俘獲伽馬譜對混合譜的貢獻(xiàn)份額；Sj為第j種元素的相對靈敏度因子，與具體元素、探測器有關(guān)，與中子源強(qiáng)度、中子輸運(yùn)、地層密度無關(guān)；F為歸一化因子，與單種元素?zé)o關(guān)，只與儀器和地層有關(guān)。

對于一個(gè)確定的地層，各種礦物的重量百分含量Mj之和為1，即：

(2)

式(2)為閉合歸一化模型的理論依據(jù)。當(dāng)?shù)貙又兄饕獮檠趸锖吞妓猁}礦物時(shí)，式(1)為：

(3)

式中，Xj為閉合歸一化模型的第j種氧化物或碳酸鹽的氧化物指數(shù)，則，

(4)

實(shí)測地層譜的解譜可得元素產(chǎn)額yj，模型井的刻度可得元素的相對靈敏度Sj，氧化物的閉合模型得出歸一化因子F，將yj、Sj、F代入式(1)中，得到該地層的元素百分含量。

1.4 元素含量與礦物的轉(zhuǎn)換關(guān)系

在礦物組成元素穩(wěn)定的情況下，利用多元回歸分析建立地層中元素含量與礦物的轉(zhuǎn)換關(guān)系，用矩陣形式表示為：

(5)

則，

(6)

其中，[M]為礦物百分比；[E]為地層元素質(zhì)量百分比；[C]為系數(shù)矩陣，矩陣元Cij可由文獻(xiàn)查出，或采用回歸分析得出。

2 地層元素標(biāo)準(zhǔn)譜

大慶油田測試檢測中心共有七口地層元素模型井。模型井直徑1.8 m，高1.8 m，中央有外徑236 mm、壁厚12 mm的套管，套管內(nèi)為清水，套管外為模擬地層。其中，5口模型井地層礦物純凈，分別是石英(1#)、方解石(2#)、白云石(3#)、黃鐵礦(4#)和硬石膏(5#)；6#模型井的地層模擬硅基混合層，含石英砂65%、方解石27.1%、黃鐵礦10%、鈦白粉3.3%；7#模型井的地層模擬鈣基混合層，骨架含方解石63.8%、石英砂22.8%、黃鐵礦10%、鈦白粉3.4%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

2.1 基準(zhǔn)校驗(yàn)

基于地層元素模擬井實(shí)際建井方案，構(gòu)建數(shù)值模擬模型，對比模擬結(jié)果與儀器在模擬井實(shí)測結(jié)果，修改模擬模型，使最終模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果一致，確定該模型為合理。

地層元素?cái)?shù)值模擬基準(zhǔn)校驗(yàn)對比結(jié)果示于圖1，不同地層條件下模擬能譜與實(shí)測譜之間的相似度列于表1，從1圖、表1結(jié)果可以看出，實(shí)測能譜與模擬能譜的一致性好。

表1 不同地層條件下實(shí)測能譜與模擬能譜相似度

圖1 地層元素?cái)?shù)值模擬基準(zhǔn)校驗(yàn)對比結(jié)果Fig.1 Comparison results of the reference test for the numerical simulation of the formation elements

2.2 地層元素標(biāo)準(zhǔn)譜

基于數(shù)值模擬基準(zhǔn)校驗(yàn)建立的元素標(biāo)準(zhǔn)能譜數(shù)值模擬模型示于圖2。研究不同密度及不同溫度條件對標(biāo)準(zhǔn)能譜的影響。

圖2 地層元素標(biāo)準(zhǔn)能譜采集模型Fig.2 Standard energy spectrum acquisition model for the formation elements

固定經(jīng)過基準(zhǔn)校驗(yàn)的數(shù)值模擬模型的測井儀部分，將地層換成某單一元素或單一元素的化合物，井眼和測井儀中探測器周圍構(gòu)件換成原密度的中子-伽馬反應(yīng)截面可忽略的核素，通過數(shù)值模擬計(jì)算獲得該元素標(biāo)準(zhǔn)譜。標(biāo)準(zhǔn)譜獲取流程：1) 基于完善的數(shù)值模擬模型，求取探測器表面的伽馬面流量計(jì)數(shù)；2) 計(jì)算探測器測井響應(yīng)矩陣；3) 對探測器的面流量計(jì)數(shù)與測井響應(yīng)矩陣進(jìn)行卷積得到不同元素的標(biāo)準(zhǔn)能譜；4) 對標(biāo)準(zhǔn)能譜進(jìn)行能量刻度校正和峰展寬校正。不同溫度、不同密度條件下Si、Ca、S、Fe、Ti、Gd、H、Cl、K、Na、Mn、Mg、Al等元素標(biāo)準(zhǔn)俘獲能譜示于圖3。

圖3 地層元素標(biāo)準(zhǔn)俘獲能譜Fig.3 Standard capture energy spectrum of the formation elements

3 地層元素測井解釋流程

3.1 實(shí)測地層譜的平滑濾波

平滑濾波將地層俘獲譜上與地層性質(zhì)無關(guān)的統(tǒng)計(jì)漲落干擾濾掉，只保留反映地層特性的有用成分。實(shí)測譜的濾波分縱向?yàn)V波和橫向?yàn)V波，縱向?yàn)V波采用五點(diǎn)或七點(diǎn)均值濾波，橫向?yàn)V波采用五點(diǎn)或七點(diǎn)光滑濾波。

3.2 實(shí)測譜與標(biāo)準(zhǔn)譜的歸一化

無論是標(biāo)準(zhǔn)譜還是實(shí)測的地層俘獲譜都要求取歸一化譜。能譜共有256道，第1道為時(shí)間，第256道并不十分準(zhǔn)確，在實(shí)際處理中取中間的254道(實(shí)際數(shù)據(jù)歸一化根據(jù)解譜范圍確定，一般為20～250道)。歸一化后第j種元素俘獲伽馬譜的第k道計(jì)數(shù)為：

(7)

式中，Nkj為歸一化后第j種元素俘獲伽馬譜的第k道計(jì)數(shù)；Lkj為歸一化前第j種元素俘獲伽馬譜的第k道計(jì)數(shù)，j=13(Si、Ca、Fe、S、Ti、Gd、H、Cl、K、Na、Mn、Mg、Al)。M表示實(shí)測的地層俘獲能譜，即歸一化后實(shí)測地層俘獲伽馬譜的第k道計(jì)數(shù)為：

(8)

3.3 實(shí)測地層譜的漂移校正

在實(shí)際測井過程中，探測器受測量環(huán)境溫度變化、高壓漂移等影響易使譜儀的增益發(fā)生改變，引起地層俘獲譜的漂移，需要對地層俘獲譜進(jìn)行漂移校正。一般以標(biāo)準(zhǔn)俘獲譜為基準(zhǔn)，將實(shí)測的地層能譜校正到標(biāo)準(zhǔn)俘獲譜，根據(jù)測量井況的不同選取不同的基準(zhǔn)元素，套管井一般采用H、Fe峰進(jìn)行計(jì)算，裸眼井根據(jù)地層巖性不同可采用H和Si或Ca元素進(jìn)行漂移校正。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)譜的譜形校正

在實(shí)際地層元素俘獲能譜測井過程中，由于BGO探測器的能量分辨率隨溫度升高而變差，導(dǎo)致峰形變寬。利用能量和分辨率刻度不同的標(biāo)準(zhǔn)譜擬合測井，獲得的地層混合元素俘獲譜(簡稱混合俘獲譜)存在較大誤差。在解譜之前，除了進(jìn)行譜漂移校正，還需進(jìn)行譜形狀校正，一般方法以混合俘獲譜為基準(zhǔn)，對譜進(jìn)行卷積處理，將標(biāo)準(zhǔn)俘獲伽馬譜的譜形刻度調(diào)整到混合元素俘獲譜。

3.5 元素產(chǎn)額

地層元素能譜測井一般采用最小二乘法或者最小二乘法的改進(jìn)方法進(jìn)行解譜，包括逐道法、卡段法、復(fù)合卡段法。通過蒙特卡羅數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)三種方法對解譜影響較小。利用逐道法對未知地層進(jìn)行解譜，能反映地層元素的種類和相對含量，但解析結(jié)果誤差較大，所以在解釋過程中采用卡段法與復(fù)合卡段法。

解譜的線性統(tǒng)計(jì)模型為：

(9)

式(9)表示地層測量能譜第i道的計(jì)數(shù)，為地層中所有元素在第i道內(nèi)產(chǎn)生的γ射線(標(biāo)準(zhǔn)譜)的線性疊加，疊加的系數(shù)為該地層中元素產(chǎn)額的百分含量。式中，αij由元素標(biāo)準(zhǔn)譜得到n×m響應(yīng)矩陣A的(i，j)元，m為元素總數(shù)，n為總道數(shù)或道區(qū)數(shù)；yj表示第j種元素的百分含量，即產(chǎn)額；εi表示誤差。采用加權(quán)最小二乘法可得到精確的解。設(shè)：

(10)

ATWAy=ATWC

(11)

則

(12)

其中，C=(c1,c2,…cn)T，y=(y1,y2,…ym)。

測井解釋過程中需要分別計(jì)算非彈譜和俘獲譜的元素產(chǎn)額，處理方法相同。產(chǎn)額的確定需要經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和解譜分析過程。判定擬合效果時(shí)，指定一個(gè)確定的精度ε，若殘差<ε，則滿足要求，否則需要返回重新進(jìn)行譜校正和解譜。地層元素測井解釋流程示于圖4。

圖4 地層元素測井解釋流程圖Fig.4 The flow chart of the formation elements logging interpretation process

4 現(xiàn)場應(yīng)用

喇X-檢PS2600井950～1 030 m段為硅質(zhì)碎屑巖，有10塊巖心進(jìn)行過X熒光常量元素分析，巖心均為棕色含油細(xì)砂巖，巖石骨架主要成分為石英與長石，含少量泥質(zhì)。2013年9月用地層元素俘獲能譜測井儀在該井裸眼中測井，測速為60～70 m/h，測量對比井段為950～1 000 m。

測井解釋成果示于圖5，元素干重軌中WSi、WCa、WK、WFe、WNa、WAI分別是解釋Si、Ca、K、Fe、Na、Al元素的干重曲線，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)為取芯結(jié)果；礦物干重軌中從左向右顯示了測井解釋黏土、硅質(zhì)、碳酸鹽巖剖面，紅色圓點(diǎn)為激光法粒度分析得出的取芯黏土數(shù)據(jù)，兩者相關(guān)性較好。

測井解釋的地層化合物干重與取芯結(jié)果對比列于表2。CaO、K2O、Si2O、Al2O3、N2O、Fe2O3計(jì)算最大絕對誤差分別為3.13%、0.52%、3.07%、2.31%、0.65%、1.99%，結(jié)果表明，地層元素干重解釋結(jié)果與取芯資料元素干重結(jié)果一致性較好。

圖5 喇X-檢PS2600井測井解釋成果圖Fig.5 Interpretation log of LaX-JianPS2600

深度/mCaOK2OSiO2Al2O3Na2OFe2O3取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES取芯PNES100023122%435%270%313%6371%6431%1287%1056%376%434%307%269%100112079%160%293%265%6584%6712%1175%1001%38%445%103%141%100269259%223%283%277%6584%6601%1283%1266%366%337%166%098%100409072%135%283%265%6681%6745%1262%1228%392%377%097%141%100507067%104%273%277%6791%6837%1147%1368%389%377%07%141%100728071%142%29%253%6664%6687%1179%1303%391%391%098%169%100848103%381%305%253%6588%6892%1405%1549%387%35%163%112%101180072%172%301%337%6600%6907%1267%1345%385%366%113%312%101412106%130%256%265%6703%6825%1069%1125%373%350%139%112%101563077%196%268%265%6997%6937%1046%1143%334%270%072%041%最大絕對誤差313%052%307%231%065%199%

5 小結(jié)

1) 采用數(shù)值模擬與模型井實(shí)測校驗(yàn)結(jié)合，得到較為準(zhǔn)確的非彈與俘獲分離的地層元素標(biāo)準(zhǔn)能譜，以及元素產(chǎn)額與元素干重的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2) 地層元素俘獲能譜測井解釋可以得到Si、Ca、S、Fe等13種地層元素干重、地層礦物組分含量。

3) 地層元素干重解釋結(jié)果與取芯資料元素干重結(jié)果一致性較好，為復(fù)雜巖性評價(jià)、準(zhǔn)確計(jì)算孔隙度提供數(shù)據(jù)，具有較好的應(yīng)用前景。

[1] 張鋒，劉軍濤，冀秀文,等. 地層元素測井技術(shù)最新進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 同位素,2011,24：21-28.

Zhang Feng, Liu Juntao, Ji Xiuwen, et al. Development of formation element logging technique and its application[J]. Journal of Isotopes, 2011, 24: 21-28(in Chinese).

[2] 尹成芳,柯式振. 斯倫貝謝高清晰度能譜測井儀-Litho Scanner的崛起[J]. 國外測井技術(shù),2012,192：73 -74.

Yin Chengfang, Ke Shizhen. The rise of schlumberger high-resolution spectrum logging-litho scanner[J]. World Well Logging Technology, 2012, 192: 73 -74(in Chinese).

[3] 龐巨豐，李敏. 地層元素測井中中子-伽馬能譜解析理論和方法[J]. 同位素,2006,12(S0)：70-74.

Pang Jufeng, Li Ming. Analytical methods with neutron-gamma ray spectrometry from formation elements[J]. Journal of Isotopes, 2006, 12(S0): 70-74(in Chinese).

[4] 鄭華，孫亮，梁慶寶,等. PNST-E脈沖中子地層元素測井技術(shù)研究[J]. 測井技術(shù),2015,8：395-404.

Zheng Hua, Sun Liang, Liang Qingbao, et al. On formation element logging with the PNST-E pulsed neutron spectroscopy tool[J]. Well Logging Technology, 2015, 8: 395-404(in Chinese).

The Study of Formation Elements Logging Interpretation Method

YU Yi-ming

(Logging&TestingServicesCompanyofDaqingOilfieldCo.Ltd.,Daqing163453,China)

In order to apply pulse neutron formation elements logging tool, the research on the interpretation method of the formation elements logging was performed. A standard spectrum library of the formation elements was obtained, and an interpretation software was compiled, through which，the element yield, dry weight (mass percent content without crystalline water) and mineralogical composition could be obtained. Comparing the interpretation results with the data from the cored well showed that the interpretation results had a good consistency with the core test results，which provided data bases for the evaluation of complex lithology and accurate calculation of porosity.

formation elements ; spectrum logging; standard spectrum ; mineralogical composition

2017-03-01;

2017-05-05

國家科技重大專項(xiàng)大型油氣田及煤層氣開發(fā)(2OllzXO5O14)

喻益明(1981—)，男，四川安岳人，工程師，主要從事測井儀器研發(fā)

TL99；TE19

A

1000-7512(2017)03-0187-07

10.7538/tws.2017.youxian.009