放射性元素在测井解释中的应用进展及分析.pdf

第 69 卷增刊 1Vol.69Supp.12023 年6 月Jun.,2023地质论评GEOLOGICALREVIEW423放射性元素在测井解释中的应用进展及分析一王敏1)，李菲2）1)中石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东东营，257000；2)陕西省地质科技中心，西安，710054注：本文为胜利油田科技攻关课题致密滩坝砂岩测井精细评价（编号：YKK2202），中石化科技攻关课题济阳坳陷太古界潜山油气成藏条件及目标评价（编号：P22067）的成果。收稿日期：2023-04-10；改回日期：2023-04-30；责任编辑：刘志强。DOI：10.16509/j.georeview.2023.s1.184作者简介：王敏，男，1982 年生，博士，高级工程师，测井信息处理及解释专业；Email：。关键词关键词：放射性元素；伽马能谱；高伽马；测井在盆地油气勘探中，自然伽马曲线主要用来指示地层岩性和计算泥质含量，泥岩为自然伽马高值（一般大于 90API），砂岩为低值（主要集中在45-70API）。但由于岩石所处的成岩环境、构造环境、流体环境等对铀钍钾等放射性含量的综合影响，常常导致部分砂岩的自然伽马呈现高值响应，甚至高于 100API，给有效储层的识别和评价提出挑战。多位专家学者在高伽马砂岩成因方面进行了有意义的探讨（李高仁等，2006；于振峰等，2012）。笔者在前人公开发表的文献基础上，从自然伽马能谱测井反映的不同放射性元素（铀、钍、钾）的特性及运移特点入手，对 U、TH、K 等不同类型的放射性元素的富集因素分别进行研究，并指出其形成的地质背景及地质应用，期待对高伽马储层的勘探有一定指导和借鉴。1放射性元素的赋存及运移特性由于地层的自然伽马射线主要由地层中铀系和钍系的放射性核素及40K 产生，若铀、钍和钾元素的伽马能谱已知，则可通过对测量的自然伽马能谱解析得到地层中铀、钍、钾元素的含量。1.1铀、钍、钾放射性元素的赋存特性铀是元素周期表天然元素系列中最后一个元素，其原子核的高电荷和大质量特性决定其的不稳定性。大多数铀的次生化合物都是六价化合物，六价铀离子的极化特性较弱，因此较容易溶解。钍是天然放射性元素，主要集中在岩石圈上部的花岗岩中，在天然条件下，一般为四价极其稳定的化合物。在岩浆旋回中，钍和钾能够一起运移，并常常进入铀矿物的一些矿物成分中。已发现的钾同位素有 28 种，其中在自然界中存在的只有三种，40K 具有放射性，一般在钾长石和云母等硅酸盐中都富含钾元素（吴慧山等，1985）。1.2铀、钍、钾放射性元素的运移特性影响放射性元素运移的因素主要有风化作用和淋滤作用。不同放射性元素的辐射特性和化学性质的差异，使他们在岩石中具有不同的状态，这在很大程度上决定了它们被天然水搬运的条件。风化作用条件下，地下水和地表水以溶解的方式和以碎屑形式从岩石中带走放射性元素。在这种情况下，钍和铀的运移途径和形式也是很不相同的。相比较铀，钍具有较低的运移能力。而转化为六价形式的铀则不同，因其化合物易于溶解，所以具有很高的活动性。淋滤作用条件下，铀和钍同位素从岩石向水中的迁移是由于岩石被淋滤而发生的，实质是元素从矿物转入溶液中，而晶格的完整性却不受破坏，由于淋滤作用，在岩石和水中都会发生放射性平衡破坏。2岩石高放射性的主控因素岩石所处的成岩环境、构造环境、流体环境等不同程度的调整着铀、钍、钾三者的绝对含量及其三者之间的对比关系。因此基于三种不同放射性元素可以分析成岩、构造及流体，但同时受到多种因素限制。在前人研究基础上，对引发高放射性的因素进行深入分析及研究。2.1高铀含量的控制因素分析地质论评 2023 年 69 卷 增刊 1424铀的沉淀及吸附与有机质密切相关，因此铀与油气活动具有较好的正相关关系，通常油气储层表现为铀的相对富集，且含油级别越高，铀含量越高。在高伊利石及伊蒙混层层段，铀、钍、钾含量均比正常砂岩要高，特别是铀和钾含量，原因在于岩石随流水搬运、沉积过程中，铀、钾等放射性物质容易被伊利石及伊蒙混层吸附形成富集，钍元素受搬运影响较小。2.2高钍含量的控制因素分析在火成岩发育区，一般火山碎屑岩含量高，特别是凝灰质碎屑及以蚀变黏土为主的火山尘等细碎屑物质含量高时，岩石往往具有高放射性，且放射性增加往往与钍含量具有很好一致性。岩石风化时，地下水和地表水以溶解的形式和以碎屑的形式从岩石中带走放射性元素。钍主要保留在经受物理变化为主、化学性质稳定的矿物晶格中。2.3高钾含量的控制因素分析黏土含量及黏土矿物类型是造成铀、钾富集的主要因素。富钾表明某些黏土矿物本身含钾，同时吸附能力强，可以保留本身及地层中的放射性元素。3测井应用探讨3.1基于元素间比值判定沉积环境鉴于含钍化合物难溶于水，是母岩风化的产物，岩石含钍量少表明其沉积环境距离母岩区较远。钍铀比 Th/U 与沉积环境有关；Th/U7 为陆相氧化环境；Th/U7 为海相沉积，灰色和绿色泥岩；Th/U2 为海相黑色泥岩。3.2基于 TH/K 值判断黏土矿物类型岩石中的钍含量和钾含量之比（TH/K）可以用于分析黏土矿物组成，根据黏土矿物的含量对比关系可以实现对沉积成岩阶段的划分，斯伦贝谢公司提供了不同矿物的 TH/K值，高岭石、蒙脱石、伊利石、云母等矿物的TH/K 值范围分别为：1228，3.512，2.03.5 和1.52.0，可以进一步辅助相关研究。3.3识别高伽马层段中的有效储层铀含量的多少，反映水动力活跃程度及储层的孔渗特性，孔隙度、渗透率好的地方，水体活跃，溶于水的六价铀可以随水的流动沉淀于储层转化为四价铀（仍有放射性）。据此铀含量高的地方即为孔渗好的地方。3.4指示风化壳在划分风化淋滤带和为风化地层研究中用到的主要参数便是自然伽马 GR、自然电位 SP 及声波AC。其中自然电位 SP 用来反映渗透性，声波时差AC 用来反映物性变化，而自然伽马 GR 的主要组成 TH 元素便是反映风化程度的重要指标。3.5指示风化壳沉积岩的自然放射性主要取决于岩石性质，一般随着岩石泥质含量的增加而增加。如果砂岩地层的岩石成熟度较低，即富含长石，云母等，在自然伽马曲线上会显示高自然伽马值；相反，如果砂岩很纯，则具有很弱的放射性，由此可以判断砂岩的成熟度。3结论特定地质背景及条件下，不同放射性元素（铀、钍、钾）的局部富集是引起砂岩储层高伽马值的主要因素，其中高铀放射性受控于储层油气活动和黏土矿物含量及类型；高钍放射性受控于火山活动及风化淋滤作用；高钾放射性受控于含钾母岩和黏土矿物类型。并基于上述分析，分类探讨了高放射性元素在储层评价中的应用，这些探索有效拓展了放射性元素在油气勘探中的应用。参考文献/References李高仁，郭清娅，石玉江 2006.鄂尔多斯盆地高自然伽马砂岩识别 测井技术，30(6)：511515.吴慧山，于铭强，周镭.1985.放射性同位素地球化学.北京：原子能出版社，1012.于振锋，程日辉，赵小青.2012.海拉尔盆地乌南凹陷南一段高伽马砂岩成因与识别.中国石油大学学报（自然科学版），36（3）：7683.WANG Min，LI Fei：Application progress and analysis ofradioactive elements in logging interpretationKeywords：radioelement;gammaspectroscopy;highgamma;well logging