元素錄井應用中的問題及對策

唐 謝 尹 平 唐家瓊 楊 琳 吳家杰

中國石油川慶鉆探工程公司地質勘探開發研究院

0 引言

元素錄井又被稱為X射線熒光錄井，2007年該方法被引進到油氣鉆井地質錄井行業中并成為錄井新技術。近年來，元素錄井在油氣勘探領域獲得了廣泛的應用，有效地解決了PDC鉆頭、氣體鉆井等鉆井條件下的錄井瓶頸問題，并且在小層劃分[1-2]、隨鉆評價[3-4]、地質導向[5]等方面為鉆井工程提供了有力的支持，保障其快速、安全、高效實施。

然而，元素錄井在應用過程中也存在著一些問題，比如元素錄井測量數據不穩定、數值橫向可對比性不強等，在一定程度上制約了該技術的推廣應用。研究結果表明，影響元素錄井應用效果的因素很多[6]，主要表現為兩大類——設備制造工藝的限制和現場分析條件的制約。這些不利因素直接影響了元素錄井數據的穩定性、準確性和可靠性。為此，筆者探討了目前元素錄井應用過程中出現的問題及其根本原因，并尋求與之相應的解決辦法，以期為元素錄井技術的進一步推廣應用“保駕護航”。

1 元素錄井應用中的問題及原因

元素錄井在四川盆地的應用從頁巖氣井開始，逐步延伸到碳酸鹽巖井。在近年來數百口井的應用中，有效解決了粉末巖屑巖性識別、復雜地層分層卡層、地質參數隨鉆計算等許多現場地質難題，為鉆井工程提供了重要支持。然而，在元素錄井應用過程中也出現測量數據不穩定、數值橫向可對比性不好等問題，嚴重影響了技術的應用前景，這些問題歸納起來主要表現為設備制造工藝的限制和現場分析條件的制約，且影響因素均比較復雜。

元素錄井對鉆井工程的支撐重點在于地層的對比（特別是小層對比），穩定、準確、多樣的元素豐富了地層對比參數、強化了地層對比依據，使地質認識更加可靠。然而，實踐發現，曲線趨勢特征在橫向上可對比的元素非常有限且相對固定。四川盆地SY地區二疊系地層（厚度、巖性特征穩定）元素對比顯示，主量元素Si、Ca、Fe、Al、K及微量元素Sr曲線趨勢特征與地層對應性較好，而主量元素Na、Cl、Mn及微量元素V、Ni、Cr、Cd與地層對應性差，這使得應用中元素的選擇大幅受限，其多樣性優勢大打折扣。調研發現，當前元素錄井儀制造工藝的限制是導致這一問題的主要原因。為了滿足錄井現場的使用要求，元素錄井儀采用了能量色散型并簡化了結構，設備制材、技術參數等方面也進行了相應調整，不僅能量檢測精度有所下降，工藝技術固有的俄歇效應、基體效應、譜線干擾等影響因素也未得到有效遏制，導致部分元素測量的穩定性和準確性明顯降低。

除了地層對比，元素錄井的另一項重要任務是地質參數的計算。而無論是計算模型的建立還是應用，數據的統一性至關重要。然而，數據統計分析結果顯示，包括曲線趨勢特征在橫向上可對比的元素，數值的橫向可對比性均不好。這在四川盆地上奧陶統五峰組—下志留統龍馬溪組頁巖氣井尤為明顯，同一區塊相同層段（龍一1亞段—五峰組）地質特征相近的井，元素錄井的曲線趨勢特征相似，但測量值差異明顯且穩定，嚴重影響了地質參數計算模型的建立與應用。研究結果顯示這主要源于現場分析條件對元素錄井的影響：①鉆井現場環境復雜，振動、噪聲、粉塵等問題嚴重，設備的維護質量有所差異；②測量人員操作水平不同，測量結果中存在一定的人為影響；③儀器應用初期四川盆地元素錄井儀供應商多樣，不同生產廠商的元素錄井儀在設備制材、應用技術、參數選擇、模型算法、操作程序等許多方面都存在較大的差異，導致測量結果無法統一。

2 數據穩定性分析與處理

2.1 重復性實驗方法與樣品選取

數據穩定是數據應用的前提，重復性實驗能夠較好地檢驗數據測量的穩定性。實驗統一使用SYX錄井儀，樣品均用電磁式磨樣機磨碎，裝入錄井儀的餅狀器皿中壓實后，對每個樣品重復測量5次，檢測時間均為儀器要求的60秒，排除分析時間不一致造成的影響。

為了與生產實際一致，實驗樣品選用了6種典型巖性的巖屑，分別為泥巖、砂巖、煤、碳質頁巖、石灰巖、白云巖，樣品巖性相對較純（表1）。

2.2 重復性實驗測試

將測量出的12種主量元素[7]硅（Si）、鈣（ Ca）、鐵（Fe）、鋁（ Al）、鈉（ Na）、鎂（ Mg）、鉀（ K）、磷（P）、硫（ S）、氯（ Cl）、錳（ Mn）、鈦（Ti）和6 種微量元素[8]釩（V）、鎳（ Ni）、鍶（Sr）、鋯（ Zr）、鉻（Cr）、鎘（Cd）的數據進行了對比分析。對比發現，各元素重復性實驗結果穩定性不一。整體來看，主量元素穩定性普遍較好，僅Na、Cl穩定性較差。其中，Na在6種巖性中均較差，而Cl僅在泥巖中略好、在其他巖性中均較差（圖1）。微量元素穩定性普遍較差，僅Sr、Zr穩定性較好，其他元素不同巖性不同程度存在差異（圖2）。分析認為，微量元素的穩定性差主要源于元素含量微小，相應的熒光能量太低，檢測器檢測精度不足而無法準確檢測。

表1 重復性實驗樣品參數統計表

圖1 主量元素重復性實驗對比圖

圖2 微量元素重復性實驗對比圖

2.3 元素的分類處理

檢測器檢測精度不足屬于設備制造工藝的限制，提升檢測器檢測精度且滿足錄井現場需求需要工藝技術的提升，目前實現的難度很大。而在未作調整的情況下，為了不損失數據信息，采用了下述分類處理的方式。

1）重點使用穩定元素，既可使用曲線，也可一定程度使用數值。

2）參考使用非穩定元素，僅作為指示性參數使用曲線趨勢。

3 儀器的差異性分析與數據處理

在落實了數據穩定性后，對數據統一性進行了分析。分析以元素錄井應用井數據為基礎開展，對目前四川盆地使用的元素錄井儀（如AN、EDX、SYX、CIT等錄井儀）的測量數據進行對比分析，重點研究不同儀器之間的數據差異。

為了統一對比，選擇同一層位（上震旦統燈影組碳酸鹽巖）使用了兩種元素錄井儀測量的M1y井以及在同一層位（五峰組—龍馬溪組頁巖）、地質特征相近、并使用過多種元素錄井儀、同時巖心與特殊測井資料豐富的川南地區頁巖氣井。

3.1 不同儀器測量的差異性

分別在碳酸鹽巖地層和頁巖地層進行了對比（元素錄井在四川盆地碎屑巖基本未應用）。對比分析發現，不同類型元素錄井儀的測量值范圍和數據分布均存在很大差異。

3.1.1 碳酸鹽巖地層

M1y井燈影組白云巖地層使用了兩種元素錄井儀（EDX和CIT）進行測量，兩套數據曲線趨勢特征基本一致，數值有一定差異。其中，井段5 357～5 364 m硅質云巖段，EDX錄井儀的Si值介于33%～37%，明顯高于CIT錄井儀測量的Si值20%～24%（圖3），儀器導致的數據差異明顯。

圖3 M1y井燈影組碳酸鹽巖地層不同儀器元素錄井對比圖

3.1.2 頁巖地層

目前，頁巖氣井沒有同一口井使用兩種元素錄井儀的情況，但由于目標層龍一小層—五峰組厚度較穩定（厚度普遍介于20～25 m）、沉積相較穩定（深水陸棚亞相）、礦物組成亦較穩定（砂質含量介于50%～65%、碳酸鹽質含量介于7%～17%）。因此，選擇了3口龍一小層—五峰組巖心分析礦物組成基本相當（圖4）且分別采用3種元素錄井儀的直井（Y2井采用SYX錄井儀、H2井采用EDX錄井儀、W6井采用AN錄井儀）進行了元素錄井數據的對比。

圖4 Y2井—H2井—W6井礦物組成對比圖

對比結果顯示（圖5），3口井在礦物組成相對穩定且基本相當的龍一小層—五峰組地層的元素測量值差異較大，如Si，SYX錄井儀測量值介于15%～25%，EDX錄井儀測量值介于60%～69%，AN錄井儀測量值介于35%～50%，差異十分明顯，其他元素亦具有相似特征。這明顯為儀器導致的數據差異。

綜合不同儀器的數據對比分析認為，導致不同儀器測量結果差異明顯的原因主要為儀器類型的差異：①不同類型元素錄井儀的靶材選取存在差異；②不同類型元素錄井儀的光路選擇不完全一樣；③不同類型元素錄井儀的換算方法不同。儀器類型的差異導致測量數據出現明顯的偏差，這屬于現場分析條件的制約，最簡單有效的解決方法是統一元素錄井儀型號，但這一方法成本偏高且可操作性較低（不同錄井公司采用的儀器差異極大，無法統一）。目前較為可行的方法是進行數據標準化處理。

3.2 數據標準化處理目標

要進行標準化處理，首先要明確標準化處理的目標。從目前與元素錄井參數可對比的參數來看，元素測井參數是最好的[9]，并且目前四川盆地的元素測井儀器主要為斯倫貝謝ECS元素測井儀，數據標準統一，并已在四川盆地進行了廣泛使用。巖心實驗數據雖然準確，但與元素相關的巖心實驗參數主要是X射線衍射礦物分析，而礦物與元素之間的相關關系復雜，不利于建立標準化處理方法。

圖5 頁巖氣地層不同儀器元素錄井對比圖

目前，ECS元素測井儀只能測量9個元素，分別 是 Al、Ca、Cl、Fe、 釓（Gd）、 氫（ H）、Si、S、Ti，其中Gd、H與元素錄井的測量元素不對應，實際可對應的元素只有7個，且均為主量元素。

從L1井元素錄井與元素測井可對應的7個元素的曲線對比來看（圖6），穩定元素Si、Ca、Fe、Al的可對比性較好，穩定元素S、Ti的可對比性差，非穩定元素Cl的可對比性亦差。因此Si、Ca、Fe、Al具備標準化處理的基本條件。而對于S、Cl、Ti，從元素測井曲線特征來看，其變化異常，呈毛刺、無值、跳動特征，存在明顯的測量問題，即S、Cl、Ti并非不可標準化處理，只是對應的元素測井可靠性較低，不具備標準化處理的基本條件。

3.3 標準化處理方法建立

為了建立元素錄井標準化處理方法，按照元素錄井儀的不同類型，將元素錄井與元素測井可對比的4個元素進行了相關性分析（圖7、8）。目前AN錄井儀與CIT錄井儀對應的元素測井數據稀少，暫無法進行分析。

圖6 L1井元素錄井與元素測井對比圖

圖7 SYX元素錄井與元素測井元素相關分析圖

從相關性分析結果來看（表2），元素錄井與元素測井的Si、Ca、Fe、Al整體相關性較好，R2介于0.60 ～ 0.85，可以選擇 Si、Ca、Fe、Al進行標準化處理。

考慮到元素錄井在當前勘探開發中的一項重要任務是礦物含量的計算[10-18]。而目前四川盆地主要儲層所含礦物主要是石英、長石、方解石、白云石和黏土，這些礦物的主要元素組成是Si、Ca、Fe、Al。因此，這4個重要元素的標準化處理能夠基本滿足當前四川盆地儲層礦物含量計算的需要。

圖8 EDX元素錄井與元素測井元素相關分析圖

表2 元素錄井標準化處理模型表

由于目前僅部分元素具備標準化處理的條件，且均為穩定元素，對這類元素優先進行標準化處理，標準化處理后數據準確性較高，可完全使用數值，亦可直接用于定量解釋。而對于不具備標準化處理條件的穩定元素，則主要使用曲線趨勢，也可一定程度使用數值。

4 結論

1）目前，元素錄井由于技術和設備上的影響因素導致數據的穩定性不一，其測量的主量元素穩定性普遍較好，微量元素穩定性普遍較差，利用分類處理方式可保障應用的有效性。

2）不同類型元素錄井儀由于設備制造上的差異導致元素測量值存在一定偏差。優選Si、Ca、Fe、Al作為分析處理參數，建立標準化處理方法，可有效解決重要元素的準確性問題。

3）當前，四川盆地規模推廣元素錄井，但設備穩定性不高且類型繁多導致數據準確性問題逐漸凸顯。通過元素錄井重復性實驗和數據對比分析，找到了一種解決目前元素錄井應用中問題的方法，為元素錄井推廣提供了重要的技術支持。