X射线荧光元素录井技术应用方法研究.docx
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X射线荧光元素录井技术应用方法研究
X射线荧光元素录井技术应用方法研究
?
22?
录井工程
?
工艺技术?
X射线荧光元素录井技术应用方法研究
谢元军邱田民李琴张晋元周小勇王晓阳吴早平
(华北石油局录井公司)
谢元军,邱田民,李琴.张晋元,周小勇,王晓阳,吴早平.x射线荧光元素录井技术应用方法研究.录井工程,2O】1,
22(3):
22—28
摘要X射线荧光元素录井技术是从2007年才提出并建立起来的,目前该技术仍处于试验和应用研究阶段.
为了促进该项技术加速完善和成熟,尽快转化为生产力,建立相应的解释评价方法可有效解决PDC钻头,空气钻
井等钻井工艺的推广应用所造成的常规岩屑录井方法难以准确识别岩性等难题.通过鄂尔多斯盆地塔巴庙区块
26口井岩屑X射线荧光元素录井技术的试验性应用.初步建立了基本岩性识别和地层划分的解释评价方法.研
究结果表明.元素含量变化与岩性变化具有很强的相关性,X射线荧光元素分析技术可作为录井岩性识别和地层
划分的新手段,同时定量的元素兮析数据为岩性,物性,地层的定量解释评价提供了技术支持.
关键词x射线荧光元素录井岩石元素岩性识别地层划分定量录井
091II的解释评价方法已成为当务之急.
x射线荧光元素录井技术的提出和创建,为克
服传统录井岩性识别主要是通过人的肉眼直接观察
或借助光学仪器观察产生的局限性提供了新渠道.
由于录井人员个人专业素养,经验,语言表达能力,
责任心等差别,对同一个岩石样品的定名和特征描
述有所不同,且描述内容欠规范,描述结果不利于定
性分析.这些非标准的,定性的描述性资料,既不利
于进行横向或区域上对比分析,且精确度和可靠性
也有限,已经越来越不能满足复杂油气藏勘探开发
的需要.同时,许多钻井新技术,新工艺的应用,常
常造成岩屑细小,甚至呈粉尘状,以观察岩屑为手段
的岩性识别方法已不能适应钻井新工艺的需求.
x射线荧光分析技术有着坚实的理论基础和实
践依据,该技术在地质矿产资源勘探中已有近5O年
的应用历史.近十年来,随着装备技术,分析技术和
计算机技术的发展,这项技术已经渐趋成熟[1].
2007年,我国地质录井学者将x射线荧光分析技术
引进到石油钻井地质录井中_】],建立了石油钻井岩
屑X射线荧光元素录井技术流程,为岩屑录井突破
技术瓶颈带来了曙光.目前,通过探索性的研究应
用,寻找规律性,建立有效的x射线荧光录井技术
lx射线荧光庀素录片定义及流程
1.1定义
x射线荧光元素录井技术以x射线荧光分析
理论,岩石地球化学理论为基础,在钻井过程中,通
过对岩屑的X射线荧光分析获得地层岩石元素含
量,并通过地层岩石元素和元素组合特征的变化进
行岩性识别和地层评价.
地球化学是研究地球的化学成分及元素在其中
的分布,分配,集中,分散,共生组合与迁移规律,演
化历史的科学.岩石地球化学是近代岩石学和地球
化学相互交叉所形成的一门边缘性学科.该学科通
过对各类岩石中的主量元素,微量元素和同位素的
含量,分散与聚集,分布与演化以及控制各类元素分
布与演化的各种因素研究,探讨不同岩石源区母岩
特征,岩石成因,岩石演化和岩石形成的构造环境等
方面基础理论问题j.
1.2分析流程
x射线元素分析的样品来源主要是钻井岩屑和
少量钻井岩心.X射线荧光分析流程的建立和分析
环节的技术要求主要是考虑岩样的代表性,分析数
据的准确性及钻井现场的时效性.
谢元军高级工程师,1972年生,1996年毕业于长春地质学院石油地质勘查专业,现在华北石油局录井公司研究所录井【一艺研究室从事
J技术研究J:
作.通信地址:
~5ooo6河南省郑州市中原区伏牛路197号.电话:
(0371)86077012.Email:
6347~35@qq.CO[Il
第22卷第3期谢元军等:
X射线荧光元素录井技术应用方法研究?
23?
根据x射线元素分析要求及石油钻井岩屑录
井特殊要求,建立X射线荧光分析流程如下:
①样品采集:
按施工井地质设计要求从井口采
集岩屑样品.
②样品干燥:
采用自然晾晒或烘箱干燥样品.
③挑选样品:
按录井间距选取具有代表性的岩
屑样品.
④粉碎样品:
对选取的岩屑样品进行粉碎.
⑤粉末压片:
按仪器要求对粉末样品进行压片
处理.
⑥样品分析:
X射线荧光分析.
⑦数据处理:
元素分析数据处理为通用数据格式.
2x射线荧光元素录井岩性识别方法
X射线荧光分析仪器可以测量从Na到U的系
列元素,根据地壳中元素组成及含量,地球化学计算
及岩石命名,仪器的结构配置等,选择了能够满足实
际需要的Si,Al等12种元素,用于X射线元素分析
及解释评价j.
2.1岩性识别方法的建立
基于x射线荧光元素分析的岩性识别方法主
要有图谱法,图板法,定量解释法以及曲线法l4.图
谱法主要是根据x射线荧光图谱特征识别岩性;图
板法是利用所建立的标准岩石化学成分交汇图进行
岩性判断;定量解释法是根据si,Fe,Ti,Ca等元素
含量来解释砂泥岩,碳酸盐岩等;曲线法是根据X
射线荧光元素分析数据,绘制成元素含量随井深变
化的曲线图,并根据各元素曲线特征综合分析进行
岩性识别的方法.
曲线解释法简便,快捷,直观,是最灵活,适用的
岩性解释方法.这种方法不但要考虑元素绝对含量
的变化,还要观察元素含量的相对变化趋势,非常符
合基于混合岩屑元素分析的录井技术,也是本文所
重点介绍的解释方法.
曲线解释法是通过数十口井的x射线荧光分
析试验及与测井曲线的对比研究而建立起来的.研
究表明,无论是碎屑岩,碳酸盐岩,煤层,石膏层,X
射线荧光分析的12种元素含量变化曲线与测井曲
线都具有一定的相关性.在砂泥岩剖面中,Si,Fe,
Ti含量变化曲线与测井自然伽马曲线具有极强的
相关性;在碳酸盐岩剖面中,Ca含量变化曲线与测
井电阻率曲线,自然伽马曲线具有极强的相关性.
煤层,石膏层中,S元素含量升高,而其他元素含量
降低.因此,x射线元素分析对砂泥岩,碳酸盐岩等
岩性的识别具有明显的效果.
2.2几种不同岩性地层识别方法
2.2.1砂泥岩
图1是大牛地气田DK33井X射线荧光元素
(XRF)分析成果,测井成果和录井成果综合分析图.
该井从井深2600m开始进行XRF分析实验,采样
间距为1m一个样品,主要开发层系为二叠系下石
盒子组,山西组和太原组地层.从图l中看出,XRF
分析成果的12种元素含量变化曲线与测井曲线都
具有一定的相关性.si元素变化曲线与自然伽马
曲线具有极强的负相关性;Fe,Ti,A1,Mn,S,C1,P
等元素变化曲线与自然伽马曲线具有极强的正相关
性;Ca元素在砂岩地层含量升高,且升高幅度变化
很大,其曲线变化与电阻率的曲线具有明显的正相
关性.
其他井实验效果与上述井情形基本相同,其共
性为:
Si元素在砂岩处为高值,在泥岩处为低值,其
元素曲线变化与伽马曲线变化呈较强的负相关性,
与电阻率曲线具有一定的正相关性;Fe,Ti,A1,
Mn,S,C1,P等元素变化特征正好与Si元素相反;
Ca,Ba元素变化具有多样性,当含量较小时,其变化
与Fe,Ti元素含量变化基本一致,当含量较大时,其
变化与si元素一致,但变化规律性不强,有些砂岩
含量高,有些砂岩含量低.
2.2.2碳酸盐岩
大牛地气田下古生界奥陶系,岩性有灰岩,白云
岩,石膏层,为验证XRF分析在碳酸盐岩地层的应
用效果提供了很好的物质基础.
D47井XRF分析从井深2140m开始,到井底
2584m结束.分析层位为下石盒子组,山西组,太
原组及下古生界马家沟组.图2是D47井下古生
界XRF分析成果,测井成果和录井成果综合分析
图.从图中看出,XRF分析成果的12种元素含量
变化曲线与岩性变化都具有很强的相关性,说明
XRF分析技术对碳酸盐岩岩性的识别具有较好的
效果,利用XRF分析技术,可很好地解决马五5”黑
腰带灰岩”区域标志层的录井识别难题.
其他井奥陶系XRF分析实验情况大体相似,总
的特征是:
Ca元素含量较上覆砂泥岩剖面明显增
高,Ca元素含量反映了灰质成分的细微变化,并且
Ca元素曲线与自然电位具有明显的负相关关系,与
电阻率曲线具有明显的正相关关系;Mg元素极好
?
2,1?
地反映了白云质的含量变化;Si,A1,Fe元素值明显下降,极好地反映了泥质含量变化.
图1I)K33井X射线荧光元素分析成果图(与测井对比)
图2I)47井X射线荧光元素分析成果图
第22卷第3期谢元军等:
x射线荧光元素录井技术应fFfJ方法研究?
25?
2.2.3煤层
虽然煤层在正常录井过程中容易识别,但在特
殊钻井条件(PDC或空气钻井)下煤层与灰黑色泥
岩,炭质泥岩也难以识别,通过X射线荧光分析识
别煤层非常容易.煤层中S,P,CI元素含量增高,
而其他元素含量明显下降(图3).
№C~/s)S(,冲/s)Q卑恼自然电位深密度
Ⅺ地375—30(
1---—-------一3SiQ却C1(冲/s)Ti_50—100综合
00∞自然伽马度声’癌砖倘
层A1G~/s)e(~/s)FeC~/s)解释
l2茁2l00800n
(AFI)∞450—100
象)蠡(,}一/蕾.0—...上
太
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墨∞
参1段
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图3D70井煤层元素特征图
2.2.4霄盐层
石膏因硬度低,晶体呈纤维状其岩屑常呈粉末
状,经过清洗后岩屑中石膏所剩无几.另外,PDC
钻头,空气钻井等钻井工艺的影响,岩屑本身就非常
细小,甚至呈粉末状,因此岩屑中的石膏很难发现.
鄂尔多斯盆地大牛地气田D66井钻井过程中,录井
人员在井深2938~2963IT1发现有零星的白色粉末
存在,初步鉴定为含膏云岩,但在进行综合解释时,
因对测井认识不够,该井段综合解释为白云岩.后
来在完井岩屑XRF分析时发现,井深2938m以后
的岩屑中S元素含量异常,由上部的2O冲/s左右
急剧上升到200冲/s左右,因此确定井深2938m至
井底2963m岩性主要为石膏层或膏质岩(图4),与
测井解释结果一致.
KC~/s)s~Se/s)辅gQTi自然电盥深浅啕(0?
Ⅲ)
地5—5020
-?
—————-一
90sC~/s)O——8l0—70㈤岩性
SiC~/s)clCr,RII
图4D66井石膏层元素特征图
2.3岩性定量解释方法探讨
通过x射线荧光元素录井可以获得系统的,定
量的地层元素分析数据,那么,能否利用这种定量的
元素分析数据定量地解释岩性呢?
基于这种思路开
展了岩性定量解释方法研究.
经初步研究,确定的基本方法和步骤是:
选择与
?
26?
录井工程
所要解释的物质含量呈正相关的元素解释该物质含
量,即用Si元素含量解释砂质含量,用Fe,Ti,Al等
元素含量解释泥质含量,用Ca元素解释灰质含量,
用Mg元素含量解释云质含量等;根据”泥质+砂质
100”调整岩性含量,实现岩性的定量化解释.
图5是D70井利用XRF分析数据处理的泥
岩,砂岩,灰岩,白云岩,煤层成果和测井成果对比
图.从图中看出,由XRF处理的岩性含量曲线与测
+灰质+云质+特殊岩性(煤,石膏,火成岩等)一井岩性含量曲线具有较好的相关性.
地SiCaFe深自然电位神
)晒解释岩性-80~100测井解释(gO/
s)脚度
层岩性音临剖面自然伽马(API)岩性剖面
02∞0l3∞08000—250
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图5D70井XRF解释与测井解释成果对比
3地层(划分)判别方法
地层判别采用的方法有很多种,本项目针对X
射线荧光元素录井获得的元素资料,研究建立地层
判别方法.
X射线荧光元素录井属于定量录井,获得的是
定量化的元素含量数据,这就为数学地质分析方法
的应用奠定了基础.数学地质是地质学与数学互相
渗透,紧密结合而产生的一门边缘学科.它是以数
学方法和计算机技术对地质问题(包括地质理论问
题及实际找矿问题)进行定量研究的实用性方法学,
其最终目的是使地质学实现定量化研究.本项目主
要采用数理统计,相关分析等方法开展地层判别方
法研究.
3.1相关性分析法
岩石的母岩不一样,风化,搬运,沉积,成岩作用
不一样,造成元素的分异方式和结果也不一样,反映
在元素的相互关系上也不一样,即不同组段元素的
相关特征是不一样的,主要表现在斜率和截距的变
化,利用元素之间的相关特征可以进行地层的判别
与划分.这种地层判别方法既适合于岩心样品,也
适合于岩屑样品.
图6是D7O井利用相关性分析方法进行地层
特征研究的实例.从图中看出,不同组段的元素不
但相关程度有很大差别,同时元素与元素之间的相
关特征也不一样.因此,可以根据这些元素的数学
地质特征参数,对地层的特征进行定量描述和准确
划分.
利用元素相关性分析进行地层判别时,不能简
单地只考虑一组元素的相关性特征,应尽量多考虑
几组元素相关性特征.另外,在进行地层对比时,应
尽量选择与施工井最近的邻井进行对比,因为研究
区目的层的沉积环境是复杂多样的,同一沉积相还
存在着亚相,不同沉积环境其元素组合是不一样的.
3.2特殊岩性法
特殊岩性是指在某套地层中出现具有标志性的
岩石.特殊岩性的出现,预示着钻遇新地层.如山
一
段富含气煤层,一般煤层多,厚度大,这是区别于
上覆地层的标志特征.因此,见到煤层(S值高)时,
就表明进入了山一段(图7).
3.3岩石组合法
元素含量曲线可最直观反映岩性变化,进而反
映地层的变化.当沉积环境发生重大变化时,势必
造成地层岩石的元素组合特征发生极大变化.因
此,可以通过元素的曲线组合变化特征进行地层判
别,划分.
图8是D1—4—160井XRF录井图.从图中可以
看出,井深3178rn之上为砂岩(Si高,Fe,Mn,Ti
第22卷第3期谢元军等:
x射线荧光元素录井技术应用方法研究?
27?
低)夹煤层(S高);3178m之下为碳酸盐岩(Ca,Mg
高,Si,Fe低)夹砂岩,Ca,si,Fe等多元素在3178m
处发生突变,据此可明确识别,划分出太原组和奥陶
系马家沟组的地层分界线.
图6D7O井奥陶系元素相关性分析
siC~e/s)l自然电位D密度r/c地10一加深
202.o珊删录井13S
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A1(冲/s)5—50
层Pec柙自然伽马(AeI)剖面深侧向(0?
5300900O30O220oo00
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4结论与建议
图7D××井山一段元素分析图
4.1结论
①将X射线荧光元素分析技术移植到石油钻
井的岩屑录井是可行的,丰富的地层元素分析数据,
为随钻岩性识别,地层判别提供了新的,可靠的技术
支持.
②x射线荧光元素录井能够灵敏地捕捉到地层
变化信息,在岩性判断,层位卡取等方面是常规录井
手段的有益补充,特别在碳酸盐岩,膏岩等特殊岩性
的识别上具有其他方法不可比拟的优势.
③x射线荧光元素录井丰富了油气田地质研究
的素材,提供了新的研究角度,有助于更全面地了解
井下及区域地质概况.
4.2建议
X射线荧光元素录井技术应用于随钻录井不但
解决了细碎岩屑的岩性识别难题,也为录井”定量化
技术”发展迈出了坚实的一步.为了促进该技术早
日在油气勘探开发中发挥作用,建议:
①在国内各重要探区开展此项技术推广应用研
究,不断发展和完善该项技术.
②继续开展X射线荧光元素录井技术基础理
?
28?
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3’’一103’’....’一50岩性
Q3—30
CaC~/s)№(冲,S)
0.......’’.’一8003....’..’.’..’一30度剖面Si(W/
s)
层Ba0中/s)Fe(冲/S)
0’.......’.’..一800’’..’’’’’’..一6004—60
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32OO
艾组q——0二l,.
图8I)14160井曲线组合变化特征
论研究,建立矿物,岩性,物性解释数学模型,有针对
性地开展基于元素的储集层评价技术研究.
③利用已完井的岩心,岩屑进行XRF分析试
验,建立区域地球化学剖面,为该地区综合研究和地
质找矿提供基础性资料.
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l一9?
(返修收IIlj…,1K}刘树坤
(上接第6页)
井下录井仪)等都是直接和间接地基于谱学录井的
方法,并形成相应技术配套的.
更主要的是,现代信息技术是以传感仪表技术,
网络通信技术和计算机技术为三大支柱的,录井技
术所表现出来的困境,大多与其信息技术的缺陷有
关,而根子却在脆弱的录井理论基础上.多学科和
多专业覆盖的技术属性,决定了录井绝不能仅仅植
根于石油地质和钻井工程的基础理论上.谱学正是
录井需要拓展的基础理论之一.事实上,弥补录井
行业地球物理,地球化学中众多的分支学科知识,如
岩石化学,核地球物理等,以形成录井的谱学理论,
是非常紧迫的任务.
本文供录井同仁探讨.
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