X射线荧光元素录井技术在油气勘探开发中的应用.pdf

33 2023 年 11 月第 50 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.50 No.11Nov.2023天 津 科 技 TIANJIN SCIENCE&TECHNOLOGY收稿日期：2023-11-010 引 言 2007 年，经过朱根庆等1的深入研究，在国内开发出了元素录井方法和石油钻井元素录井仪器，并成功应用于钻井现场岩屑录井。2008 年，李一超等2报道了元素录井技术的原理、工艺流程、解释方法及应用前景。X射线荧光元素录井技术经过多年的发展，在录井仪器、解释方法、研究范围及应用领域等方面均取得了长足进步，在岩性识别与地层划分、沉积环境与沉积相判别、物性参数计算与储层评价、关键“地质层位”卡层及地质工程应用等方面得到了广泛应用。本文分析X射线荧光元素录井技术在油气勘探开发领域应用的情况，针对技术应用存在的问题，提出技术发展建议。探讨技术应用研究进展有助于录井行业从业人员与科研工作者了解技术应用变化趋势，对深化技术应用研究范围及领域具有一定意义。1 技术原理及性能指标由于需要把混合的X射线按波长或能量分开，分别测量不同波长或能量的X射线的强度，元素录井仪有波长色散型和能量色散型 2 种基本类型（图 1）。常用的元素录井仪器主要性能指标如下。分析元素范围：钠（Na）铀（U）；探测器分辨率为 133 eV；分析范围为 0.000 1%99.9%；测量 基础研究X射线荧光元素录井技术在油气勘探开发中的应用谭伟雄，阚留杰，李文元，张 磊（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300452）摘 要：通过分析X射线荧光元素录井技术在岩性识别与地层划分、沉积环境与沉积相判别、物性参数计算与储层评价、关键“地质层位”卡层等方面的应用情况，评价该技术在油气勘探开发中的应用效果，并针对技术应用中存在的问题提出技术发展建议，以期深化录井行业从业人员与科研工作者对X射线荧光元素录井技术研究热点变化趋势的理解，进一步拓展该技术的应用研究范围。关键词：X射线荧光元素录井 技术应用 岩性识别中图分类号：TE142 文献标志码：A 文章编号：1006-8945（2023）11-0033-04Application of X-ray Fluorescence Element Logging Technology in Oil and Gas Exploration and Development TAN Weixiong，KAN Liujie，LI Wenyuan，ZHANG Lei（Drilling and Production Co.，CNOOC Energy Technology&Services Limited，Tianjin 300452，China）Abstract：The application of X-ray fluorescence element logging technology in lithology identification and stratigraphic division，sedimentary environment and facies discrimination，physical property parameter calculation and reservoir evaluation，and key“geological horizon”determination is analyzed.The application effect of this technology in oil and gas exploration and development is evaluated，and the development suggestions for the existing problems in the application of this technology are put forward.It is helpful for practitioners and scientific researchers in the logging industry to understand the trend of technology development and change，and further expand the application research scope of this technology.Key words：X-ray fluorescence element logging；technology application；lithology identification 34 天 津 科 技第 50 卷 第 11 期时间 10120 s；重复性误差 0.1%；稳定性误差 0.01%。可进行固态样片及液体样品检测。采用元素光谱分析方法，检测岩屑样品中元素的绝对含量，分析岩样中Na、Mg、Al、Si、P、S、Cl、K、Ca、Ba、Ti、Mn、Fe、V、Ni、Sr、Zr 共 17 种元素的质量百分数含量。使用能量色散型X射线荧光元素分析仪对岩石样品进行元素分析时，可对化学元素周期表内 11 号Na元素到 92 号U元素之间的所有元素进行检测；能够测量各元素质量百分数含量。最低检测限（按元素周期序号），从Na到U依次为：NaMg 3%，AlCa 1%，ScCd 0.01%，InU 1%。2 技术应用及效果2.1 岩性识别与地层划分随着计算机技术快速发展，基于数据挖掘的分类算法深入应用，元素录井资料岩性解释逐步由定性解释向定量解释发展。元素录井数据能够准确反映地层沉积环境及地层岩性变化，在主要造岩元素方面判断造岩矿物定量组成信息，在沉积环境与沉积相判别等方面进行应用探索。2.1.1 岩性识别与岩性解释在元素录井技术可行性实验阶段，岩性识别方法主要有图谱法、图版法、曲线法和定量解释方法，根据Si、Fe、Ti、Ca等特征元素，定性解释砂泥岩、碳酸盐岩，识别煤层、膏岩层等3。在技术稳定应用阶段，元素录井技术成为解决变质岩、火成岩等复杂岩性识别难题的一种新手段4。通过岩石元素特征分析、图版交会分析，基于MgO、SiO2、TiO2、CaO、Na2O含量特征参数等，区分不同类型岩性，建立岩性类型区分图版4。利用岩浆岩的碱度（Na2O+K2O的含量）与酸度（SiO2含量）分析元素录井信息与岩石化学成分关系，结合岩石学、地球化学的岩石解释方法，建立岩性解释图版5。基于数据挖掘的分类算法，提高元素录井数据集划分及分类规则的准确性。基于相关矩阵和熵值计算结果进行特征元素组合及选择，建立火山岩的解释图版7。基于PCA降维、Relief算法、支持向量等数学方法进行岩石元素和矿物数据处理，以提高特征元素分类模型的准确性8。利用BP神经网络模型、Fisher判别准则，实现岩性的定量化解释和命名，从而提高岩性识别准确度9。元素录井技术已逐步发展成为特殊岩性识别、岩性精细解释的重要技术手段。2.1.2 地层划分与对比地层分层与沉积环境密切相关，在不同沉积环境中，由于元素的迁移、聚集，形成了不同类型的岩石。根据特征元素含量数值及其派生指数指示水体深浅、气候条件、风化程度、特殊沉积相等地质信息，归纳总结特征元素数据在沉积环境和沉积相中的指示作用10（表 1）。表 1 元素数据在沉积相中的指示作用Tab.1 Indication of X-ray fluorescence element logging data in sedimentary facies地质信息元素含量数值及其派生指数指示作用古沉积环境特征V/Cr和U/Th比值古缺氧环境的有效标志古气候条件气候指数：C（FeMnCrNiVCo）/（CaMgSrBaKNa）；Sr/Cu；Mg/Ca评价沉积环境的干燥与潮湿程度水体深浅、古水体介质Mn/Fe、Sr/Ba、Sr/Ca、Ca/Mg、Mg/（A1、Si）、Ca/（A1、Si）、离岸指数；咸水和淡水的判断常用的微量元素为B、Sr、Ga、Rb、K等；古盐度分析指标包括B、B/Ca、Sr/Ba、C/S、Fe/Mn、Na/Ca、Rb/K、V/Ni、Mg/Ca；氧化还原环境分析指标包括Fe2+/Fe3+、Cu/Zn、（CuMo）/Zn评价海相地层、湖湘地层水体深浅的变化，指示水体盐度的变化风化程度风化势能指数、化学风化指数、碱金属淋滤系数等评价地层和岩石的风化程度，识别黏土型和红土型风化壳特殊沉积相敏感元素：P、S、A1、Fe、Na、K、C1对特殊沉积相的识别，如沼泽相、蒸发岩相、风化壳相、煤相、火山岩相等地层根据元素特征识别沉积环境有助于在钻井取心图 1 元素录井仪技术原理图Fig.1 Technical schematic diagram of X-ray fluorescenceelement logging instrument 35 2023 年 11 月010101测试1井测试2井测试3井地层东三段沙河街组沙河街组太古界岩性回归结果地层岩性回归结果地层岩性回归结果孔店组太古界 谭伟雄等：X射线荧光元素录井技术在油气勘探开发中的应用卡层地层对比、地层“标志层”准确识别、地质工程“甜点”识别等方面发挥重要作用。基于元素录井归一化数据，构建表征碳酸盐岩淋滤程度的淋滤指数计算模型；建立区域碳酸盐岩淋滤程度的划分标准，从而在录井阶段实现纵向上对碳酸盐岩淋滤程度的表征（图 2）。图 2 元素录井划分碳酸盐岩淋滤程度效果图Fig.2 Effect diagram of element logging for dividing carbonate rock leaching degree2.2 物性参数计算与储层评价基于元素录井参数，评价储层主要应用在砂岩、泥页岩和页岩储层，根据元素与岩石组分、物性特征、力学性质之间的关系，建立孔隙度、密度、脆性、岩石力学参数评价模型，用于指导物性评价、可压性评价和储层改造选层。基于元素录井数据获得的岩石近似相对分子质量和岩石密度测量结果，建立砂岩岩石孔隙度计算模型，实现鄂尔多斯盆地大牛地气田储层物性的快速评价11；基于元素录井测得岩样矿物含量，参考矿物和流体标准密度值求取岩样的密度12；通过引入多元自适应回归样条的原理，建立利用元素录井数据计算页岩密度的模型13；基于岩石力学参数（杨氏模量、泊松比等）、矿物组分（石英、白云石、钙质矿物等）、元素组分（Ca、Mg、Si、K等），构建页岩脆性指数，将其作为评价工程“甜点”的重要指标14。在花岗岩类潜山优质储层识别上，变质岩中长英质含量较高的片麻岩类、变质花岗岩、混合岩、碎裂岩和碎斑岩是优质储层发育的“优势岩石”类型，认为岩石中暗色矿物含量与储集层发育程度关系密切15。元素及元素组合能够快速地识别暗色矿物含量，定性地判断变质岩类储层特征。2.3 关键“地质层位”卡层及地质工程应用录井资料在钻井工程中的应用得到快速发展，特别是与地层岩性信息密切相关的潜山界面卡层16、潜山风化壳识别17、水平井地质导向18、膏盐层底卡层及钻井“中完”深度确定19等应用（图 3）。图 3 元素录井变质花岗岩潜山卡层效果图Fig.3 Effect diagram of element logging for determination of metamorphic granite buried hill基于元素录井进行精细岩性识别和地层精细对比，对地层中与被求取参数相关性高的元素或元素组合，以及反映地层、沉积环境变化的标志性元素或元素组合，利用敏感元素和特征元素的变化规律，预测待钻地层特征。在井身结构优化、地层可钻性评价、钻井提速研究、“中完”原则确定、潜山界面卡层等方面，为钻井工程施工进行评价和预警20（图 3）。在压前地质评价和压裂设计选层等方面，通过直接或间接的方法，利用元素录井、测井资料计算工程参数，包括杨氏模量、泊松比、孔隙压力、脆性指数，为压裂工程设计、施工进行评价和优化。3 发展与建议元素录井技术在岩性识别与地层划分、沉积环境与沉积相判别、储层物性参数评价方面均取得了较好的应用效果，建议加强对地层元素岩石组分岩性定量化解释方法和流程的综合研究。加强基于元素录井敏感参数和特征参数对矿物的计算方法研究，尤其是对页岩、泥页岩黏土矿物、脆性矿物的计算方法进行研究，以及拓展元素录井技术在钻井工程领域和储集层改造领域的应用。录井解释需要在高质量数据处理、科学的解释流程和配套的解释软硬件建设等方面取得进一步突破，建议开展录井技术综合研究，建立地层岩性、物性、流体、产能、地质工程应用一体化评价方法和流程，形成录井智能解释应用平台。36 天 津 科 技第 50 卷 第 11 期的方法研究 J .地质科技情报，2010，29（4）：63-66.李昂，袁志华，张玉清，等.元素录井技术在涪陵页岩气田勘探中的应用 J .天然气勘探与开发，2015，38（2）：23-26.欧传根，唐诚，王崇敬，等 基于多元自适应回归样条的页岩密度计算模型 J .录井工程，2021，32（1）：1-5.牛强，曾溅辉，王鑫，等.X射线元素录井技术在胜利油区泥页岩脆性评价中的应用 J .油气地质与采收率，2014，21（1）：24-27.徐长贵，杜晓峰，刘晓健，等.渤海海域太古界深埋变质岩潜山优质储集层形成机制与油气勘探意义 J .石油与天然气地质，2020，41（2）：235-247，294.张建斌，谭忠健，李鸿儒，等.渤海油田潜山界面元素组合识别模式及判别方法 J .录井工程，2020，31（3）：28-34.曹华庆，吴波，龙志平，等.京津冀岩溶热储钻井关键技术 J .石油钻探技术，2021，49（2）：42-47.唐诚，王志战，陈明，等.基于X射线荧光元素录井的深层页岩气精准地质导向技术 J .石油钻探技术，2019，47（6）：103-110.张阳，郑玉朝，佟志远，等.射线元素录井在文 23储气库膏盐岩盖层中完卡层的现场应用 J .录井工程，2018，29（4）：93-98.谭伟雄，尚锁贵，马金鑫，等.录井资料在渤海探区钻井工程中的应用研究进展 J .录井工程，2021，32（4）：13-17.12 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