地层元素测井研究进展

张 祯

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安710069)

地层元素测井(ECS)的前身是次生伽马能谱测井(GST)，它是将仪器记录的非弹性散射和俘获伽马能谱的剥谱分析结果，同实验标准谱作对比得到地层元素的组成，并利用氧化物闭合模型以及聚类分析等分析技术确定地层中矿物的类型及含量，最终对地层进行评价的测井方法。

目前此类方法可以提供的原始数据是硅、铝、钙、铁、镁、钆等地层元素的含量，其综合解释结果可以提供地层岩性剖面。

1 地层元素测井的工作原理及仪器特征

1.1 地层元素测井的工作原理

在地下钻孔作业的环境中，中子源发射的4MeV中子进入周围的地层，在1～2 μs内，这些快速运动的中子与周围地层中元素的原子核通过较强的吸引力发生相互作用，以弹性和非弹性的方式进行散射，直到最终失去能量。这一过程具体分为如下两个阶段:(1)非弹性散射伽马能谱阶段:周围地层中元素的原子核由于和快中子发生相互作用而变成了激发态的复核，之后通过发射一条或多条γ射线回到基态，在这个过程中发射的γ射线被称为非弹性散射γ射线。不同的原子核发生非弹性散射时具有不同的反应截面面积，放出的伽马射线能量也存在不同，在地层中与快中子发生非弹性散射的主要有C、O、Si、Ca及Fe等元素的原子核。(2)热中子俘获伽马能谱阶段:快中子经过一系列的速度放缓以及能量降低，最终变为热中子，并被周围地层中元素的原子核所捕获，同时发射一条或多条γ射线。此时发射的γ射线称为热中子俘获γ射线。不同原子核具有不同的能级，因而各种原子核放出的γ射线能量也不相同。在地层元素测井中主要由 H、Cl、Si、Ca、Fe、S、Ti、Cr及 K 等元素的原子核与热中子发生俘获作用产生俘获γ射线[1]。

1.2 地层元素测井仪器

地层元素测井仪器主要中子源和BGO晶体探测器组成(见图1)。该仪器可以测量足够多的元素种类从而对地层进行岩性识别。其中中子源发出能量为4MeV的快中子与地层中元素的原子核发生非弹性反应，同时放射出一条或多条伽马射线，经过能量的衰减，快中子减速形成热中子，热中子被俘获产生俘获伽马射线。BGO晶体探测器则可以探测并记录这些非弹性散射伽马能谱和俘获伽马能谱。地层元素测井仪器的优点是可以和多种测井仪联合测量，并且不受井眼和泥浆类型的影响[2－3]。

图1 地层元素测井仪

2 地层元素测井的历史沿革及发展动态

1)地层元素测井研究的早期主要以识别矿物和岩性为主(尤其是识别沉积岩)，其中比较有代表性的研究者为斯伦贝谢和贝克休斯公司。

(1)以Herron为代表的斯伦贝谢道尔实验室，其主张用从元素－矿物－岩性的方法来判断沉积岩的岩性。

Herron等(1983)发现元素与矿物的传递式。他用因子分析统计的方法分析岩心数据，建立元素与矿物数据之间的定量关系。即元素含量与矿物丰度的矩阵关系:

[E]=[C]·[M]式中:E为元素重量百分含量列矩阵，M为矿物重量百分含量列矩阵，C为系数方阵。Herron比较了矿物含量的计算值和测量值，发现两种方法所得结果一致，从而确定了元素与矿物之间的传递公式[4]。

Herron(1986)对委内瑞拉东北部的重油砂岩岩心和地球化学测井数据进行了因子分析，分析表明用4种因子可以解释86%的地层矿物成份，其中高岭石和伊利石两种因子可以解释与泥岩有关的大部分矿物成份，高岭石因子与Al、Th、U以及地壳内的稀有元素Dy、Eu、La和Sm有关;伊利石因子则与 Cr、Fe、K、Mg、Na和 V有关。重矿物因子则与抗剥蚀的元素Hf和Ti有关，某种程度上又与Dy、Mn和U有关。第4种因子称为长石因子，它主要与元素Ba和K有关。其研究结果还表明，石英与两种粘土因子成逆相关关系即石英含量与粘土矿物含量成逆相关关系[5]。

1988年，Herron(1988)根据测井得到的元素数据，利用SiO2/Al2O3、Fe2O3/K2O及Ca的含量等三个参数来划分砂泥岩[6]。两年后，Herron(1990)对Pettijohn等作的图版进行了修改，用log(Fe2O3/K2O)代替了 log(Na2O/K2O)作为y轴。因为Fe2O3(全铁)/K2O的值能够更好地区分出长石砂岩，同时，其也是矿物稳定性的一个度量。第三个轴的投影为全钙，可以作为碳酸盐岩含量的度量。Herron所作的新图版的优点是可以区分页岩、砂岩(长石砂岩)和碳酸盐岩[7]。

Herron等(1996)建立矿物组合(石英+长石 +云母、总粘土、方解石+白云石)与元素及元素氧化物含量的关系(经验公式)[8]:

A粘土含量 1=1.67(100－SiO2－CaCO3－MgCO3－1.99Fe)(长石、云母含量较少)

B 粘土含量2= －20.8+3.1(100－SiO2－CaCO3－Mg-CO3－1.99Fe)(长石、云母含量较多)

C 方解石 +白云石 = －7.5+2.69(Ca+1.455Mg)

D碎屑(石英+长石+云母)含量=100－粘土含量－碳酸盐岩含量

Herron(2002)对所测元素通过SpectroLith模型转化为矿物模型(QFM(长石 +石英 +云母)，Carbonate(总碳酸盐岩)，Clay(总粘土))[9](见图 2)。

图2 斯伦贝谢公司岩性识别图版(据 herron，2002，修改)

(2)地层元素测井研究的另外一个代表是贝克休斯公司，其主张用从元素－氧化物－岩性的方法来判断沉积岩的岩性。

R.Pemper(2006)认为根据地层的化学组成，可以将沉积岩分为5大类，即砂岩、泥岩、煤层、碳酸盐岩和蒸发岩。这些大类可以进一步分为更具体的亚类。例如可以利用钙和镁的含量将碳酸盐岩细分为灰岩和白云岩。对岩石进行分类时，可以采用贝克休斯公司的元素氧化物的三元交会图模板(见图3)。

对基本的岩性(砂岩、泥岩、煤层、碳酸盐岩和蒸发岩)进行分类时，可以采用CaO、MgO和SiO2在内的三元交会图模板。另外，还可以利用CaO、S和Fe2O3的三元交会图模板。如果需要还可以用C元素来识别煤层。

对岩石的大类进行进一步细分时，例如，将砂岩细分为石英砂岩、长石砂岩、岩屑砂岩、含泥砂岩、含石灰石英砂岩、含石灰长石砂岩、含石灰岩屑砂岩和含石灰泥质砂岩等时，参与这一步分类的三元交会图模板一般包括以下几组:(K2O，Fe2O3，SiO2)、(K2O，MgO，SiO2)和 (Fe2O3，S，CaO)[10]。

图3 贝克休斯公司岩性识别图版(据 R.Pemper，2006，修改)

2)在国外学者研究的基础上，国内学者将地层元素测井与常规测井、录井等方面的资料相结合，解决了更多的地质问题，例如识别火山岩的岩性、评价储层、判断油水层以及分析沉积环境等。

(1)识别火山岩的岩性。程华国(2005)的研究表明，依据从地层元素测井中得到的Ti元素和Fe元素的含量，综合常规测井和录井资料，可以区分沉积岩和个别的火山岩(粗面岩、玄武岩)[11]。

王拥军(2006)在火山岩储层评价中运用了地层元素测井方面的资料，其根据火山岩中元素赋存的氧化物(SiO2、Al2O3、Na2O+K2O、Fe2O3等)从基性岩到酸性岩中含量的变化来识别火山岩岩性，其解释结果与硅碱法划分结果完全一致。同时，将地层元素测井同常规测井相结合(如Si和GR结合、Fe和DEN结合)也可用来识别火山岩的岩性[12]。

郑建东(2006)针对徐深气田深层火山岩的岩性识别难的特点，将地层元素测井与电成像、核磁等常规测井资料相结合，应用TAS图、图像模式、神经网络等3种方法将组分与结构结合起来识别岩性，实现了对该区火山岩的岩性的识别，并且为火山岩储层精细测井评价打下了牢固的基础[13]。王颖(2007)、王郑库(2007)、韩琳(2009)、庄东志(2012)也使用类似的方法对火山岩岩性进行识别[14－17]。

王飞(2008)在常规测井数据资料的基础上，综合应用地层元素测井方法、元素交会图法和ECS测井主成分分析法等方法，建立起了一套火山岩岩性识别方法。最后对松辽盆地徐深地区的待判井段进行了检验，取得了很好的结果[18]。

陈嵘(2009)通过运用常规测井和地层元素测井对新疆三塘湖盆地油气区发育的火成岩进行了分析，发现利用地层元素测井测量得到元素作出的交会图能够较好的识别火成岩，其中Si－Al与Si－Fe交会图对研究区的凝灰岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩等四种岩性能够进行较好的识别，但是用来区分沉积岩和火成岩的效果却不明显[19]。

(2)确定粘土含量及类型。粘土的体积最早是用传统的密度－电阻率法以及中子测井法来估算的。有时根据γ射线测井估算的粘土含量与岩心分析的数据一致。但当粘土中含有大量的K、U和T h等非粘土成分时，粘土的估量会超过30% ～50%。地层元素测井直接测量地层中 Fe、Al、Si、Ca、K等元素的含量，则可以克服岩石骨架和流体的影响，使误差变小[20－21]。

李高仁(2007)对鄂尔多斯盆地的高自然伽马砂岩储层进行了研究，发现仅用自然伽马测井资料难以对其中的泥质含量进行准确的计算。作者在分析了这类储层的特征和矿物成份的基础上，利用地层元素测井结合常规测井、中子－密度交会法和Geoframe平台综合反演等方法，准确的识别了高自然伽马储层并求取其中的泥质含量[20]。

(3)评价储层。焦大庆(1994)将地层元素测井应用在中原油田的储层评价中，他发现与常规测井方法相比，地层元素测井能够更准确的获得连续的物性参数、区别沉积体系和划分沉积相带、推断成岩演化和确定孔隙类型、了解胶结成分对储层的改造等，这些资料为储层的评价提供了更准确的参考依据[23]。

袁祖贵(2004)认为如果遇到放射性较大的地层，其对应的自然γ值非常高，不能准确的反映地层泥质含量的高低，因此储层的判别变得非常困难。而地层元素测井的处理结果则可以清晰地指示出泥质含量的高低，所以地层元素测井可以清楚地把储层与非储层区别开来，并能对储层中元素含量进行测量，这是其他的测井方法所不能及的[24]。

(4)判断油水层。袁祖贵(2004)认为地层元素测井测量和记录的是非弹性散射和俘获时产生的瞬发γ射线，用非弹性散射进行的碳氧比测井就能有效的判识油水层[25]。同时他发现储层含油后，H和C含量增高，而 Al、Cr和 Ti含量则有所降低，所以通过地层元素测井测得的已有元素就可以分析油水层的变化情况[24]。

(5)分析沉积环境。地层元素测井提供了地层中的常量元素、微量元素和稀土元素，而元素的区域分布是各种地质作用和地球化学作用综合作用的结果，同时也是各种作用集中的表现，所以不同地质时期的沉积岩中一些元素丰度以及组合特征的变化能够反映出当时沉积环境的变化情况，这为利用地层元素测井研究沉积环境提供了充分的参考依据。袁祖贵(2005)对我国东部某油田王庄地区的4口井的地层元素测井资料进行分析，所分析的沉积环境与区域地质分析的沉积环境有非常好的一致性[26－27]。

3 结语

在地层元素测井研究的早期，研究者是以识别矿物和岩性为主，尤其是以识别沉积岩为主。后来，在早期研究的基础上，研究者将地层元素测井与常规测井、录井等方面的资料相结合，从识别火山岩的岩性、评价储层、判断油水层以及分析沉积环境等方面解决了更多的地质问题。

尽管现阶段在地层元素测井的资料处理及解释方面还是存在不足，相信随着研究的不断深入及其在生产实践中的不断推广，地层元素测井方法将成为解决岩性分析、地层评价等问题更为有利的工具，在油气藏的勘探和开发过程中也将成为其它方法不能替代的角色。

[1]袁祖贵，楚泽涵.一种新的测井方法(ECS)在王庄稠油油藏中的应用[J].核电子学与探测技术.2004，23(5):417－423.

[2]张锋，刘军涛，冀秀文，等.地层元素测井技术最新进展及其应用[J].同位素.2011，24(12):21－28.

[3]刘绪钢，孙建孟，李召成.新一代元素俘获谱测井仪 (ECS)及其应用[J].国外测井技术.2004，19(1):26－30.

[4]Everett R，Herron M M，Pirie G.Log Responses and Core Evaluation Case Study Technique:Field and Laboratory Procedure[C].//Transactions of the SPWLA 24th Annual Logging Symposium.1983:27－30.

[5]Herron M M.Mineralogy from geochemical well logging[J].Clays and clay Minerals，1986，34(2):204 －213.

[6]Herron M M，Herron S L，Quantitative lithology:open and cased hole application derived from integrated core chemistry and mineralogy database.In:Harvey，P.K.＆Lovell，M.A.(eds)Core－ Log Integration，Geological Society，London，Special Publications，136:81 －95.

[7]Herron，M M.and Herron S L，Geological Applications of Geochemical Well Logging，Geological Applications of Wireline Logs，A.Hurst，M.A.Lovell，and A.C.Morton(eds.)，Geological Soc.Special Publication No.48，London，1990:165 －75.

[8]Herron S L.and Herron M M，"Quantitative Lithology:An Application for Open and Cased Hole Spectroscopy，"Paper E，Trans.，SPWLA 37th Annual Logging Symposium，New Orleans，LA，1996.

[9]Herron M M，Herron S L，Grau J A，et al.Real－time petrophysical analysis in siliciclastics from the integration of spectroscopy and triple－ combo logging[J].//SPE Annual Technical Conference and Exhibition.Society of Petroleum Engineers，2002.

[10]Pemper R R，Sommer A，Guo P，et al.A new pulsed neutron sonde for derivation of formation lithology and mineralogy[C].//SPE annual technical conference and exhibition.Society of Petroleum Engineers，2006.

[11]程华国，袁祖贵.用地层元素测井 (ECS)资料评价复杂地层岩性变化[J].核电子学与探测技术.2005，25(3):233－238.

[12]王拥军，冉启全，童敏，等.ECS测井在火山岩岩性识别中的应用[J].国外测井技术.2006，21(1):13－16.

[13]郑建东，刘传平，李红娟.徐深气田深层火山岩岩性测井识别及应用[J].国外测井技术.2006，21(3):11－14.

[14]王颖，宋立斌，张东，等.松辽盆地南部深层火山岩岩性识别和岩相划分[J].天然气技术.2007，1(5):32－35.

[15]王郑库，欧成华，李凤霞.火山岩储层岩性识别方法研究[J].国外测井技术.2007，22(1):8－11.

[16]韩琳.元素俘获谱测井 (ECS)在火成岩岩性识别与储层评价中的应用研究[D].吉林大学.2009.

[17]庄东志，周凤鸣，司兆伟，等.南堡5号构造深层火山岩岩性测井识别技术[J].断块油气田.2012，18(6):743－745.

[18]王飞，鲁明文，常银辉.利用地球化学测井资料识别火山岩岩性[J].大庆石油地质与开发.2008，27(5):139－142.

[19]陈嵘，高楚桥，金云智.交会图技术在识别三塘湖盆地火成岩岩性中的应用[J].岩性油气藏.2009，21(3).

[20]Steve Chapman.地球化学测井技术的发展现状[J].国外地质勘探技术.1994，39－43.

[21]程华国，袁祖贵，刘宁.用地层元素测井资料确定储层粘土含量[J].石油大学学报:自然科学版.2004，28(2):28－30.

[22]李高仁，郭清娅，石玉江，等.鄂尔多斯盆地高自然伽马储层识别研究[J].测井技术.2007，30(6):511－515.

[23]焦大庆，王德仁，费伯良.地球化学测井在中原油田储层评价中的应用[J].测井技术.1994，18(1):55－61.

[24]袁祖贵，成晓宁，孙娟.地层元素测井(ECS)－一种全面评价储层的测井新技术[J].原子能科学技术.2004，1.

[25]袁祖贵.地层元素测井 (ECS)评价油水层[J].核电子学与探测技术.2004，24(2):126－131.

[26]袁祖贵.用地层元素测井 (ECS)资料研究沉积环境[J].核电子学与探测技术.2005，25(4):347－352.

[27]吕复苏，韩军，苗红升等.元素俘获测井 (ECS)资料在彩31井区的应用[J].新疆石油地质.2006，27(2):236－238.