元素录井应用中的问题及对策

唐 谢 尹 平 唐家琼 杨 琳 吴家杰

中国石油川庆钻探工程公司地质勘探开发研究院

0 引言

元素录井又被称为X射线荧光录井，2007年该方法被引进到油气钻井地质录井行业中并成为录井新技术。近年来，元素录井在油气勘探领域获得了广泛的应用，有效地解决了PDC钻头、气体钻井等钻井条件下的录井瓶颈问题，并且在小层划分[1-2]、随钻评价[3-4]、地质导向[5]等方面为钻井工程提供了有力的支持，保障其快速、安全、高效实施。

然而，元素录井在应用过程中也存在着一些问题，比如元素录井测量数据不稳定、数值横向可对比性不强等，在一定程度上制约了该技术的推广应用。研究结果表明，影响元素录井应用效果的因素很多[6]，主要表现为两大类——设备制造工艺的限制和现场分析条件的制约。这些不利因素直接影响了元素录井数据的稳定性、准确性和可靠性。为此，笔者探讨了目前元素录井应用过程中出现的问题及其根本原因，并寻求与之相应的解决办法，以期为元素录井技术的进一步推广应用“保驾护航”。

1 元素录井应用中的问题及原因

元素录井在四川盆地的应用从页岩气井开始，逐步延伸到碳酸盐岩井。在近年来数百口井的应用中，有效解决了粉末岩屑岩性识别、复杂地层分层卡层、地质参数随钻计算等许多现场地质难题，为钻井工程提供了重要支持。然而，在元素录井应用过程中也出现测量数据不稳定、数值横向可对比性不好等问题，严重影响了技术的应用前景，这些问题归纳起来主要表现为设备制造工艺的限制和现场分析条件的制约，且影响因素均比较复杂。

元素录井对钻井工程的支撑重点在于地层的对比（特别是小层对比），稳定、准确、多样的元素丰富了地层对比参数、强化了地层对比依据，使地质认识更加可靠。然而，实践发现，曲线趋势特征在横向上可对比的元素非常有限且相对固定。四川盆地SY地区二叠系地层（厚度、岩性特征稳定）元素对比显示，主量元素Si、Ca、Fe、Al、K及微量元素Sr曲线趋势特征与地层对应性较好，而主量元素Na、Cl、Mn及微量元素V、Ni、Cr、Cd与地层对应性差，这使得应用中元素的选择大幅受限，其多样性优势大打折扣。调研发现，当前元素录井仪制造工艺的限制是导致这一问题的主要原因。为了满足录井现场的使用要求，元素录井仪采用了能量色散型并简化了结构，设备制材、技术参数等方面也进行了相应调整，不仅能量检测精度有所下降，工艺技术固有的俄歇效应、基体效应、谱线干扰等影响因素也未得到有效遏制，导致部分元素测量的稳定性和准确性明显降低。

除了地层对比，元素录井的另一项重要任务是地质参数的计算。而无论是计算模型的建立还是应用，数据的统一性至关重要。然而，数据统计分析结果显示，包括曲线趋势特征在横向上可对比的元素，数值的横向可对比性均不好。这在四川盆地上奥陶统五峰组—下志留统龙马溪组页岩气井尤为明显，同一区块相同层段（龙一1亚段—五峰组）地质特征相近的井，元素录井的曲线趋势特征相似，但测量值差异明显且稳定，严重影响了地质参数计算模型的建立与应用。研究结果显示这主要源于现场分析条件对元素录井的影响：①钻井现场环境复杂，振动、噪声、粉尘等问题严重，设备的维护质量有所差异；②测量人员操作水平不同，测量结果中存在一定的人为影响；③仪器应用初期四川盆地元素录井仪供应商多样，不同生产厂商的元素录井仪在设备制材、应用技术、参数选择、模型算法、操作程序等许多方面都存在较大的差异，导致测量结果无法统一。

2 数据稳定性分析与处理

2.1 重复性实验方法与样品选取

数据稳定是数据应用的前提，重复性实验能够较好地检验数据测量的稳定性。实验统一使用SYX录井仪，样品均用电磁式磨样机磨碎，装入录井仪的饼状器皿中压实后，对每个样品重复测量5次，检测时间均为仪器要求的60秒，排除分析时间不一致造成的影响。

为了与生产实际一致，实验样品选用了6种典型岩性的岩屑，分别为泥岩、砂岩、煤、碳质页岩、石灰岩、白云岩，样品岩性相对较纯（表1）。

2.2 重复性实验测试

将测量出的12种主量元素[7]硅（Si）、钙（ Ca）、铁（Fe）、铝（ Al）、钠（ Na）、镁（ Mg）、钾（ K）、磷（P）、硫（ S）、氯（ Cl）、锰（ Mn）、钛（Ti）和6 种微量元素[8]钒（V）、镍（ Ni）、锶（Sr）、锆（ Zr）、铬（Cr）、镉（Cd）的数据进行了对比分析。对比发现，各元素重复性实验结果稳定性不一。整体来看，主量元素稳定性普遍较好，仅Na、Cl稳定性较差。其中，Na在6种岩性中均较差，而Cl仅在泥岩中略好、在其他岩性中均较差（图1）。微量元素稳定性普遍较差，仅Sr、Zr稳定性较好，其他元素不同岩性不同程度存在差异（图2）。分析认为，微量元素的稳定性差主要源于元素含量微小，相应的荧光能量太低，检测器检测精度不足而无法准确检测。

表1 重复性实验样品参数统计表

图1 主量元素重复性实验对比图

图2 微量元素重复性实验对比图

2.3 元素的分类处理

检测器检测精度不足属于设备制造工艺的限制，提升检测器检测精度且满足录井现场需求需要工艺技术的提升，目前实现的难度很大。而在未作调整的情况下，为了不损失数据信息，采用了下述分类处理的方式。

1）重点使用稳定元素，既可使用曲线，也可一定程度使用数值。

2）参考使用非稳定元素，仅作为指示性参数使用曲线趋势。

3 仪器的差异性分析与数据处理

在落实了数据稳定性后，对数据统一性进行了分析。分析以元素录井应用井数据为基础开展，对目前四川盆地使用的元素录井仪（如AN、EDX、SYX、CIT等录井仪）的测量数据进行对比分析，重点研究不同仪器之间的数据差异。

为了统一对比，选择同一层位（上震旦统灯影组碳酸盐岩）使用了两种元素录井仪测量的M1y井以及在同一层位（五峰组—龙马溪组页岩）、地质特征相近、并使用过多种元素录井仪、同时岩心与特殊测井资料丰富的川南地区页岩气井。

3.1 不同仪器测量的差异性

分别在碳酸盐岩地层和页岩地层进行了对比（元素录井在四川盆地碎屑岩基本未应用）。对比分析发现，不同类型元素录井仪的测量值范围和数据分布均存在很大差异。

3.1.1 碳酸盐岩地层

M1y井灯影组白云岩地层使用了两种元素录井仪（EDX和CIT）进行测量，两套数据曲线趋势特征基本一致，数值有一定差异。其中，井段5 357～5 364 m硅质云岩段，EDX录井仪的Si值介于33%～37%，明显高于CIT录井仪测量的Si值20%～24%（图3），仪器导致的数据差异明显。

图3 M1y井灯影组碳酸盐岩地层不同仪器元素录井对比图

3.1.2 页岩地层

目前，页岩气井没有同一口井使用两种元素录井仪的情况，但由于目标层龙一小层—五峰组厚度较稳定（厚度普遍介于20～25 m）、沉积相较稳定（深水陆棚亚相）、矿物组成亦较稳定（砂质含量介于50%～65%、碳酸盐质含量介于7%～17%）。因此，选择了3口龙一小层—五峰组岩心分析矿物组成基本相当（图4）且分别采用3种元素录井仪的直井（Y2井采用SYX录井仪、H2井采用EDX录井仪、W6井采用AN录井仪）进行了元素录井数据的对比。

图4 Y2井—H2井—W6井矿物组成对比图

对比结果显示（图5），3口井在矿物组成相对稳定且基本相当的龙一小层—五峰组地层的元素测量值差异较大，如Si，SYX录井仪测量值介于15%～25%，EDX录井仪测量值介于60%～69%，AN录井仪测量值介于35%～50%，差异十分明显，其他元素亦具有相似特征。这明显为仪器导致的数据差异。

综合不同仪器的数据对比分析认为，导致不同仪器测量结果差异明显的原因主要为仪器类型的差异：①不同类型元素录井仪的靶材选取存在差异；②不同类型元素录井仪的光路选择不完全一样；③不同类型元素录井仪的换算方法不同。仪器类型的差异导致测量数据出现明显的偏差，这属于现场分析条件的制约，最简单有效的解决方法是统一元素录井仪型号，但这一方法成本偏高且可操作性较低（不同录井公司采用的仪器差异极大，无法统一）。目前较为可行的方法是进行数据标准化处理。

3.2 数据标准化处理目标

要进行标准化处理，首先要明确标准化处理的目标。从目前与元素录井参数可对比的参数来看，元素测井参数是最好的[9]，并且目前四川盆地的元素测井仪器主要为斯伦贝谢ECS元素测井仪，数据标准统一，并已在四川盆地进行了广泛使用。岩心实验数据虽然准确，但与元素相关的岩心实验参数主要是X射线衍射矿物分析，而矿物与元素之间的相关关系复杂，不利于建立标准化处理方法。

图5 页岩气地层不同仪器元素录井对比图

目前，ECS元素测井仪只能测量9个元素，分别 是 Al、Ca、Cl、Fe、 钆（Gd）、 氢（ H）、Si、S、Ti，其中Gd、H与元素录井的测量元素不对应，实际可对应的元素只有7个，且均为主量元素。

从L1井元素录井与元素测井可对应的7个元素的曲线对比来看（图6），稳定元素Si、Ca、Fe、Al的可对比性较好，稳定元素S、Ti的可对比性差，非稳定元素Cl的可对比性亦差。因此Si、Ca、Fe、Al具备标准化处理的基本条件。而对于S、Cl、Ti，从元素测井曲线特征来看，其变化异常，呈毛刺、无值、跳动特征，存在明显的测量问题，即S、Cl、Ti并非不可标准化处理，只是对应的元素测井可靠性较低，不具备标准化处理的基本条件。

3.3 标准化处理方法建立

为了建立元素录井标准化处理方法，按照元素录井仪的不同类型，将元素录井与元素测井可对比的4个元素进行了相关性分析（图7、8）。目前AN录井仪与CIT录井仪对应的元素测井数据稀少，暂无法进行分析。

图6 L1井元素录井与元素测井对比图

图7 SYX元素录井与元素测井元素相关分析图

从相关性分析结果来看（表2），元素录井与元素测井的Si、Ca、Fe、Al整体相关性较好，R2介于0.60 ～ 0.85，可以选择 Si、Ca、Fe、Al进行标准化处理。

考虑到元素录井在当前勘探开发中的一项重要任务是矿物含量的计算[10-18]。而目前四川盆地主要储层所含矿物主要是石英、长石、方解石、白云石和黏土，这些矿物的主要元素组成是Si、Ca、Fe、Al。因此，这4个重要元素的标准化处理能够基本满足当前四川盆地储层矿物含量计算的需要。

图8 EDX元素录井与元素测井元素相关分析图

表2 元素录井标准化处理模型表

由于目前仅部分元素具备标准化处理的条件，且均为稳定元素，对这类元素优先进行标准化处理，标准化处理后数据准确性较高，可完全使用数值，亦可直接用于定量解释。而对于不具备标准化处理条件的稳定元素，则主要使用曲线趋势，也可一定程度使用数值。

4 结论

1）目前，元素录井由于技术和设备上的影响因素导致数据的稳定性不一，其测量的主量元素稳定性普遍较好，微量元素稳定性普遍较差，利用分类处理方式可保障应用的有效性。

2）不同类型元素录井仪由于设备制造上的差异导致元素测量值存在一定偏差。优选Si、Ca、Fe、Al作为分析处理参数，建立标准化处理方法，可有效解决重要元素的准确性问题。

3）当前，四川盆地规模推广元素录井，但设备稳定性不高且类型繁多导致数据准确性问题逐渐凸显。通过元素录井重复性实验和数据对比分析，找到了一种解决目前元素录井应用中问题的方法，为元素录井推广提供了重要的技术支持。